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Auxílio para disciplina de bioquímica - Introdução à bioquímica básica
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DISCIPLINA DE BIOQUMICA (QBQ3400)
QUMICA - USP - PERODO NOTURNO
GUA, REAO CIDO-BASE, pH E SISTEMA TAMPO.
1. A molcula de gua, H2O, apresenta um ngulo de 104,5 graus entre as duas ligaes
O-H, dando-lhe um carter altamente polar. Alm disso, o tomo de O possui 2 pares
de eltrons livres, permitindo a formao de ligaes (ou pontes) de H entre molculas
vizinhas. Esta estrutura d gua propriedades fsicas e qumicas de enorme
importncia biolgica.
2. A gua se ioniza atravs de uma reao cido-base:
H2O + H2O H3O++ OH-
A reao cido-base se caracteriza pela troca de prtons entre pares conjugados de
cidos e bases. A gua pode se comportar como cido e como base:
AH + H2O H3O + A-
B + H2O BH + OH-
Estas so reaes de equilbrio, s quais correspondem constantes de equilbrio
definidas. Por exemplo: K = [H3O+] [A-]
[AH] [H2O]
K mede a afinidade relativa das bases, de cada par cido-base conjugados (AH/ A- e
H3O+/ H2O), por prtons. Fala-se comumente em constante de dissociao de um cido
(Ka), significando: Ka = K [H2O] = [H+] [A-], onde [H2O] essencialmente constante (55
M). [AH]
3. [H+] a concentrao hidrogeninica e os valores de [H+] para a maioria das solues
so muito baixos e difceis de serem comparados. Um valor mais prtico conhecido
como pH: pH = - log [H+].
como 1/[H+] = 1/K x [A-]/[AH]
pode-se obter pH = - logK + log [A-]/[AH]
por analogia - log K = pK
e pH = pK + log [A-]/[AH]
Conclui-se que pK numericamente igual a pH da soluo na qual as concentraes
molares do cido e sua base conjugada so iguais (ie log [A-]/[AH] = 0).
A igualdade pH = pK + log [A-]/[AH] conhecida como Equao de
Henderson-Hasselbach.
4. cidos so classificados de acordo com sua fora relativa, ou seja, de acordo com sua
capacidade de transferir um prton para a gua. cidos com constantes de dissociao
menores do que aquela de H3O+ (que, por definio, igual a 1 em solues aquosas
(v se consegue confirmar porqu!)) so s parcialmente ionizados em solues
aquosas e so conhecidos como cidos fracos (K 1). J os cidos fortes tm
constantes de dissociao maiores que a de H3O+, sendo quase completamente
ionizados em solues aquosas (K 1).
5. Tampes so sistemas aquosos que tendem a resistir a variaes no seu pH quando
pequenas quantidades de cido (H+) ou base (OH-) so adicionadas. Um sistema
tampo consiste de um cido fraco (o doador de prtons) e sua base conjugada (o
aceptor de prtons). comum encontarr os seguintes smbolos para representar um
cido (AH ou BH+) e sua base conjugada (A- ou B:)
6. A adio de cido forte (H+) ou base forte (OH-) a uma soluo aquosa de um cido
fraco, por exemplo, cido actico (pKa = 4,76), causa pequenas variaes de pH, se a
soluo estiver a um pH prximo do pK do cido. Este comportamento define um
tampo cido-base.
Grupos de discusso
1.) Defina cidos e bases no conceito de Brnsted, mostrando exemplos.
2.) a) Qual o pH de solues 0,1M dos cidos fortes HCl e HNO3.
b) Usar a equao Henderson-Hasselbach para calcular o grau de dissociao dos cidos
fracos a) H2S (Ka=1x10-7) e b) cido actico (Ka=2x10-5) em solues 0,1M. Qual o
respectivo pH dessas solues.
3.) Esquematize a curva de titulao de 1 litro de uma soluo de 0.1 M H3PO4 com uma
soluo de 10 M NaOH, colocando pH (eixo y) em funo de volume de base adicional
(exio x). Indicar os pontos na titulao (volumes de NaOH) em que o pH equivale cada um
dos pKas do cido.
4.) Indique como se pode preparar 1L de um tampo a pH=7,0, capaz de manter o pH estvel
com adio de 10mL de HCL 0,1M, dispondo-se das solues:
a) 1M H3PO4
b) 1M cido actico
c) 1M NaOH
5.) Desenhar a estrutura de gelo, mostrando pontes de hidrognio entre molculas de gua.
O que acontece quando o gelo derrete? Porqu gua lquida em 4oC mais denso do que
gelo em 0oC?
6.) Desenhar a estrutura de NaCl no estado slido e tambm no estado aquoso, neste ltimo,
destacando suas interaes com gua. Porque NaCl dissolve em gua?
AMINOCIDOS.
1. Aminocidos, bases purnicas e pirimidnicas, nucleosdeos e nucleotdeos, hexoses
(como glicose), so componentes monomricos dos principais polmeros biolgicos, ou
seja, protenas, cidos nuclicos (DNA e RNA) e polissacardeos (glicognio, amido e
celulose). Aminocidos, bases, nucleosdeos e nucleotdeos so muito solveis em
gua e possuem grupos funcionais que participam em reaes cido-base. Glicose
tambm altamente solvel em gua, mas no participa em reaes cido-base.
i. H 20 aminocidos que compem protenas (Tabela 1), todos mostrando a frmula
geral:
R
+H3N C COO- (on dipolar ou zwitterion encontrado em
H gua pH 7)
2. Aminocidos podem ser agrupados em classes com base nas propriedades dos seus
grupos radicais (R), em particular sua polaridade ou tendncia de interagir com gua
em pH biolgico ( 7,0).
3. Todos os aminocidos livres comportam como cidos poliprticos. Quando um
aminocido cristalino dissolvido em gua, ele pode agir como um cido ou como uma
base. O grupo carboxlico mostra um pK em torno de 2,0, enquanto o grupo amino tem
um pK entre 9,0 e 10,0. Portanto, no pH fisiolgico (pH 7,0), a maioria das molculas
de todos os aminocidos esto na forma de ons dipolares (zwitterions). Chama-se pI
de um aminocido o pH da soluo na qual suas molculas possuem carga
lquida nula. Na cadeia lateral (-R) os aminocidos apresentam grupos funcionais,
entre os quais existem grupos cido-base.
4. O carbono dos aminocidos, excetuando-se a glicina, assimtrico, fazendo com
que estas substncias tenham atividade tica e, portanto, apresentem pares de
ismeros ticos.
Grupo de discusso:
1.) Quais dos aminocidos tm dois carbonos quirais e qual deles no possui isomeria ptica?
2.) Mostre por que a seguinte forma associada de um aminocido no pode ser encontrada
em soluo aquosa.
R
H2N C COOH
H
3.) O etanol no tem carter cido em gua, enquanto fenol e cido actico se dissociam em
soluo aquosa, sendo o cido actico (pK=4,8) mais forte que o fenol (pK=10). Como se
pode explicar o comportamento destes trs compostos em gua a partir de suas estruturas
moleculares?
4.) Esquematize a curva de titulao da glicina com NaOH a partir de pH=1 e do cido
asprtico com HCl a partir de pH=11. Coloque o pH na ordenada e, na abscissa, a
quantidade de equivalentes de cido ou base forte.
5.) a) Quais os pontos isoeltricos de glicina (pKs=2,5 e 9,5), cido asprtico (pKs=2,5; 4,0 e
9,5), lisina (pKs=2,5; 9,5 e 10) e histidina (pKs=2,5; 6,0 e 9,5)?
b) Calcular as cargas lquidas (aproximadas) de cido asprtico, lisina ou histidina nos
seguintes pHs: pH 1, pH 8, pH 11
6.) Tentar classificar os aminocidos em termos da natureza qumica dos seus grupos
radicais: a) ionizveis ou no ionizveis, b) cidicos ou bsicos, c) polares ou no polares, d)
hidroflicos ou hidrofbicos, e) alifticos ou aromticos, f) lineares ou ramificados e g)
pequenos e grandes.
7.) Na Tabela 1 indicar: a) O cdigo de letra nica para cada aminocido e b) os pKR dos
aminocidos com grupos radicais ionizveis.
Marzzocco & Torres, Bioqumica Bsica.
TA
BE
LA
1
ESTRUTURA PRIMRIA DE PROTENAS.
1. A descrio da estrutura das protenas dividida em quatro nveis de organizao:
estrutura primria, secundria, terciria e quartenria.
2. A estrutura primria se refere seqncia de aminocidos que compem a protena.
Trata-se, portanto, da estrutura de ligaes covalentes. A principal ligao covalente
entre aminocios a ligao peptdica. Os aminocidos podem formar polmeros
atravs da ligao do grupo carboxila de um aminocido com o grupo amino de outro.
Esta ligao carbono-nitrognio chamada ligao peptdica, obtida por excluso de
uma molcula de gua. Quimicamente, a formao da ligao peptdica pode ser
representada pela seguinte equao:
Esta reao, como esta escrita, jamais ocorre nos seres vivos. A unio dos
aminocidos por ligao peptdica no feita por reao direta entre eles, mas atravs
de um complexo aparato de sntese protica, que inclui ribossomos, cidos
ribonuclicos, vrias protenas e enzimas num processo chamado traduo. A
equao mostra apenas o resultado liquido do processo.
3. As propriedades da ligao peptdica impem restries ao dobramento do polmero
formado. A ligao peptdica apesar de ser representada por um nico trao de ligao,
tem caractersticas intermediarias entre uma ligao simples e uma dupla ligao,
devido as interaes entre duas formas de ressonncia.
A conseqncia desse carter parcial de dupla ligao que no h possibilidade de
rotao em torno da ligao peptdica. Assim sendo, os quatro tomos dos
grupamentos que participam da ligao peptdica ficam dispostos em um plano rgido,
constituindo o que se costuma chamar de grupo peptdico ou unidade peptdica (vide
retngulos) Notar tambm que os dois carbonos alpha (C) vizinhos de cada ligao
peptdica tambm se encontram o plano.
Marzzocco & Torres, Bioqumica Bsica.
O polmero formado pode, portanto, ser visualizado como uma cadeia constituda por
unidades planares (unidades peptdicas), unidas entre si com uma articulao flexvel:
o carbono . Esta cadeia chama-se cadeia polipeptdica. As protenas podem ser
formadas por uma ou mais cadeias polipeptdicas.
4. Todavia, existem pontos de dobramento entre as unidades peptdicas rgidas, graas a
possibilidade de rotao em torno das ligaes com o carbono alfa (N-C e C-C), que
so ligaes efetivamente simples (vide figura acima). Estas ligaes so chamados
phi () e psi () respectivamente.
5. A cadeia polipeptdica pode ser dividida entre a cadeia principal e as cadeias laterais
(grupos R) ligados aos carbonos alfa.
Grupo de discusso:
1.) Defina estrutura primria, secundria, terciria e quaternria de uma protena, dando
exemplos.
2.) Esquematize a estrutura de uma ligao peptdica.
3.) a) Desenhar o tripeptdeo Ala-Asp-His. b) Calcular o seu pI. c) Calcular sua carga lquida
em pH 1, pH 6,0 e pH 12.
4.) Com os dados abaixo, defina a seqncia do peptdeo analisado: a) hidrlise cida total
resultou em: Arg, Tyr, Leu, Ala, Glu Lys, Ser e Pro; b) dansilao e hidrlise produziu: dansil-
Leu; c) dois ciclos consecutivos de degradao de Edman liberaram, respectivamente Leu e
Tyr; d) tripsina liberou 2 peptdeos cujas composies, aps hidrlise cida total, foram,
respectivamente (Tyr, Leu, Arg,) e (Ser, Glu, Pro, Ala Lys); e) carboxipeptidase A no liberou
nada, mas carboxipeptidase C liberou Ser; f) endopeptidase V8 liberou o tripeptdeo Lys-Pro-
Ser e um pentapeptdeo que, tratado com carboxipeptidase C, liberou Ala.
5.) Mostre a reao de xido-reduo da cistena que importante na estrutura de peptdeos.
ESTRUTURA SECUNDRIA E TERCIRIA DE PROTENAS.
1. A estrutura secundria definida pela conformao local do esqueleto de ligaes
peptdicas que compe o eixo da protena. Esta conformao local pode ser
explicitamente expressa atraves dos ngulos phi () e psi () (vide acima). Em geral,
certas combinaes de ngulos phi () e psi () so permitidas enquanto outras no
so permitidas devido a impedimentos estricos entre tomos de grupos vizinhos. Este
pincpio pode ser resumido numa diagrama de Ramachandran (Figura 1).
FIGURA 1: Diagramas de Ramachandran. Esquerda: Estruturas secundrias
correpondentes s combinaes estericamente permitidas para angulos phi e psi. Direta:
ngulos observados para todos as ligaes em 12 protenas com estruturas de alta resoluo
determinadas por cristalografia.
Figura 2: alfa hlice Figura 3: folha beta
2. H duas estruturas secundrias principais: -hlice (Figura 2) e folha pregueada
(Figura 3), que so estruturas organizacionais regulares e repetitivas. Estas duas
estruturas podem ser caracterizadas por combinaes de angulos phi e psi (Figura 1)
adotadas pela cadeia principal. Alm de -hlice e folha , as protenas globulares
mostram tambm alas de formas definidas, mas irregulares e no repetitivas.
3. A estrutura terciria descreve o arranjo tridimensional da cadeia principal da protena,
incluindo a disposio espacial das cadeias laterais dos aminocidos. H muitas
possibilidades de arranjos tridimensionais para a estrutura terciria das protenas.
a. As propriedades bioqumicas e biolgicas de uma protena so determinadas pelo
arranjo tridimensional de sua cadeia, isto , pela sua estrutura terciria. Logo, nas
condies fisiolgicas a protena adquire uma estrutura terciria bem definida e
necessria sua funo, que conhecida como estrutura nativa. O desarranjo da
estrutura terciria leva perda de funo da protena, processo que genericamente
chamado de desnaturao.
b. Em protenas pequenas da estrutura primria define a estrutura terciria nativa da
protena. Nestes casos os processos de desnaturao e renaturao da estrutura da
protena so reversveis. A estrutura nativa a conformao da protena de menor
nvel de energia livre (G) e alcanada espontaneamente (processo exergnico). O
exemplo clssico desse comportamento dado pela protena Rnase A, uma enzima
que no seu estado nativo catalisa a hidrlise de RNA. Para protenas grandes o
processo de desnaturao irreversvel e o fenmeno de alcance da conformao
nativa complexo e ainda mal entendido.
c. A estrutura tridimensional das protenas mantida por ligaes fracas como pontes de
H, ligaes inicas e interaes hidrofbicas. A exceo a ponte de dissulfeto (-S-S-)
que, apesar de covalente, importante na manuteno da conformao nativa de
protenas.
d. Protenas possuem muitos grupos ionizveis atravs de reao cido-base, cujos pKs
variam enormemente. O pI de uma protena definido como pH da soluo na qual a
carga lquida da molcula de protena nula.
4. Existem muitas maneiras diferentes para apresentar estruturas tridimensionais de protenas.
Estrutura de mioglobina de baleia, uma protena globular tpica
Fita (azul = H) modelo space-filling
Topografia
de superfcie
Grupo de discusso:
1.) Distinga estrutura secundria e terciria de uma protena. D exemplos.
2.) Descreva -hlice e folha pregueada. Aponte as diferenas essenciais entre estas formas
de estrutura secundria, encontradas em peptdeos.
3.) Discutir as duas diagramas de Ramachandran apresentadas na Figura 1 e relaciona ela
com as estruturas apresentadas nas Figuras 2 e 3.
4.) Descreva a experincia clssica de Anfinsen com a enzima ribonuclease A, indicando sua
concluso principal. Qual o papel das pontes de dissulfeto na manuteno da estrutura nativa
(terciria) da ribonuclease. Conceitue estrutura nativa e desnaturao de protenas, mostrando
o que. Isso tem a ver com a atividade enzimtica da ribonuclase A. Que funo termodinmica
promove espontaneamente a transio da ribonuclease de desnaturada para nativa?
5.) Duas protenas, apesar de terem diferenas quanto a alguns de seus aminocidos, so
capazes de desempenhar a mesma funo. Explique como isto possvel.
6.) Pesquisar informaes sobre a estrutura de hemoglobina. Descrever a sua estrutura
terciria e quartenria. Descrever as mudanas na estrutura quartenria que acontecem
devido ligao de oxignio.
7.) O que efeito hidrofbico e qual o seu papel na manuteno da estrutura terciria das
protenas? Qual o fator preponderante no efeito hidrofbico: o entlpico ou o entrpico?
Explique qualitativamente sua resposta.
8.) Mostre porque uria desorganiza a -hlice.
CINTICA ENZIMTICA.
1. Enzimas so catalisadores biolgicos cuja natureza qumica proteica. A natureza
proteica das enzimas lhes proporciona alto grau de especificidade.
2. A grande maioria das reaes biolgicas no ocorre, ou ocorrem a velocidades
baixssimas nas condies fisiolgicas de pH e temperatura. Logo, as reaes biolgicas,
em geral, necessitam de catlise para ocorrer, isto , necessitam de enzimas. Para cada
reao h uma enzima especfica.
3. Na reao genrica A B a direo espontnea da reao dada pela variao de
energia livre, .G0, conforme esquematizado no grfico da Figura 1.
FIGURA 1
G0 uma constante que se relaciona com a constante de equilbrio da reao pela
expresso -G0=2.3 RTlogK. Por outro lado, as velocidades das reaes AB e BA ou,
respectivamente, as constantes de velocidade k1 e k-1 no dependem do G0 da reao,
mas dos, respectivos, G10 e G-1
0, que por sua vez s dependem da energia livre (G) do
estado de transio (energias de ativao). A enzima (catalisador) no muda o G0 da
reao, pois catalisadores no interferem com os estados inicial e final das reaes,
Energia Livre (G)
Coordenada de Reao
Estado Inicial (S) (Reagentes)
Estado Final (P) (Produtos)
Estado de transio da reao no catalizada
G0
G10# G0#-1
Estado de Transio Reao Catalisada
G0#-1cat G0#1cat
*
*
mas mudam o caminho da reao e, por conseqncia diminuem a energia do
Estado de Transio.
4. Uria uma substncia muito estvel em gua, mas que pode ser rapidamente
decompostas por hidrlise se a reao for catalisada pela enzima urease:
H2N UREASE
C=O + H2O CO2 + H2O
H2N
Trata-se de reao de primeira ordem, onde v=k1[uria], apesar da equao
estequiomtrica indicar a existncia de 2 reagentes. Esta reao pode ser acompanhada
em tubo de ensaio no laboratrio. As Tabelas 1 e 2 mostram resultados obtidos na prtica.
TABELA 1
Tubo no Tempo (minuto) NH3(moles)
1 0 0
2 2 0.084
3 4 0.168
4 6 0.252
5 8 0.336
6 10 0.420
Concentrao da uria: 5mM, Concentrao da urease: 0.1g/ml
Volume de reao: 1ml, Temperatura: 30oC
Os dados da Tabela 1 mostram que a velocidade da reao constante ao longo do
tempo estudado. J os dados da Tabela 2 mostram variaes relativamente complexas da
velocidade de reao em funo da concentrao da uria para um perodo de 10
minutos de reao. Os dados da Tabela 2 permitem medir experimentalmente duas
constantes importantes das reaes enzimticas Vmax (v mximo) e Km (constante de
Michaelis) atravs da equao v = Vmax[S] / (Km + [S])
TABELA 2
Tubo n Uria (mM) Urease (g) NH3 (moles)
1 2,5 0,1 0,21
2 5,0 0,1 0,42
3 10 0,1 0,59
4 15 0,1 0,67
5 25 0,1 0,73
6 50 0,1 0,78
7 100 0,1 0,79
8 200 0,1 0,78
9 200 - 0,00
O significado de Vmax e Km so definidos no modelo de cintica enzimtica proposto por
Michaelis e Menten no incio do sculo passado onde ES um
complexo enzima substrato formado antes de converso do substrato em produtos.
A derivao da equao Michaelis Menten
v = Vmax[S] / (Km + [S]) = kcat[Et][S] / (Km + [S])
apresentada na figura da prxima pgina.
E + S ES E + P k cat
k 1
k -1
Vo = Vmax[S]/(KM + [S]) onde Vmax = kcat[ETOT]
Notar que KM = (k-1 + kcat)/ k1Logo, se k-1 >> kcat KM = k-1/ k1 = Ks = [E][S]/[ES] =
Constante de dissociao
do complexo ES (ezima-substrato)
Frao de Etot na forma de ES =
[S]/(Kdiss + [S])
Velocidade
naquela [S]
Velocidade mximaConcentrao
do substrato
Kdiss aparente do
Complexo enzima-substrato
E + S ES E + P
Ks = [E][S]/[ES]= k-1/k1kcat
Velocidade de reao = d[P]/dt = kcat[ES]
Podemos assumir que d[ES]/dt = 0 (assuno de estado
estacionrio)
Logo: taxa de formao de ES = taxa de sua destruio
k1[E][S] = (k-1 + kcat)[ES]
k1{[ETOT]-[ES]}[S] = (k-1 + kcat)[ES]
k1[ETOT] [S] - k1 [ES][S] = (k-1 + kcat)[ES]
k1[ETOT] [S] = k1 [ES][S] + (k-1 + kcat)[ES]
k1[ETOT] [S] = [ES]{k1[S] + (k-1 + kcat)}
[ES]= k1[ETOT] [S]/{k1[S] + (k-1 + kcat)}
[ES]= [ETOT] [S]/{[S] + (k-1 + kcat)/ k1}
[ES]= [ETOT] [S]/{[S] + KM} onde KM = (k-1 + kcat)/ k1
Logo: velocidade = kcat[ETOT][S]/(KM + [S])
k1
k-1
Condio de
equilbrio rpido
Entre E, S e ES.
5. Substncias que reduzem a atividade de uma enzima so chamadas inibidores. Em
termos gerais, inibidores podem atuar em vrias maneiras. Aqui vamos focalizar em
inibidores que ligam reversivelmente com a enzima com constantes de dissociao
KI. Estes tipos de inibidores podem atuar em duas maneiras diferentes: a) Eles podem
competir com o substrato para o mesmo stio de ligao na superfcie da enzima livre.
Neste caso so chamados inibidores competitivos ou b) Eles podem ligar em em outro
stio na enzima livre (E) e/ou no complexo enzima-substrato (ES). Estes inibidores so
chamados inibidores mistos/no-competitivos se podem ligar a E e ES e so
chamados acompetitivos se ligam somete ao complexo ES.
6. A presena de um inibidor competitivo se manifesta em uma mudana no valor do Km
Kmobs = Km(1+[I]/KI) = Km onde (1+[I]/KI)
7. A presena de um inibidor mista/no-competitivo se manifesta em uma mudana nos
valores do Km e no valor do Vmax
Kmobs = Km(1+[I]/KI)/(1+[I]/KI) = Km.
Vmaxobs = Vmax /
8. A presena de um inibidor acompetitivo se manifesta em uma mudana nos valores do Km
e no valor do Vmax
Kmobs = Km / (1+[I]/KI) = Km.
Vmaxobs = Vmax /
Grupo de discusso:
1.) As velocidades de uma reao enzimtica foram determinadas para diversas
concentraes de substrato, conforme a tabela abaixo:
[S] (M) V (mol/L.min)
5 22
10 39
20 65
50 102
100 120
200 135
Os grficos de, respectivamente, V em funo de [S] e 1/V em funo de 1/[S] podem
servir para determinar KM e Vmax? Como?
2.) Numa reao enzimtica, o valor de Vmax, mas no o de KM diretamente proporcional
concentrao da enzima? Justifique.
3.) A velocidade inicial de uma reao enzimtica em funo da concentrao do substrato S,
na ausncia e na presena dos inibidores A e B segue os dados da tabela abaixo:
[S] (M) Velocidade (mol/L x min)
Sem I Com Inibidor A Com Inibidor B
1,25 1,72 0,98 1,01
1,67 2,04 1,17 1,26
2,5 2,63 1,47 1,72
5,0 3,33 1,96 2,56
10,0 4,17 2,38 3,49
a. Qual a classe dos inibidores A e B?
b. Determine Vmax e KM na ausncia e presena dos inibidores.
4.) Utilizando-se dos valores de KM e Vmax determinados nas questes 1 e 3, esquematize num
mesmo grfico, para as duas reaes, V em funo da concentrao de substrato,
expressa em mltiplos de KM. No eixo dos Y ajuste arbitrariamente as escalas para cada
reao fazendo coincidir os pontos de V = Vmax. Como so as curvas para duas reaes?
Justifique o resultado.
5.) O que so enzimas alostricas? Defina utilizando-se de grficos esquemticos de V em
funo de [S], compare uma enzima michaeliana (da questo 4) com uma enzima
alostrica positiva e com uma enzima alostrica negativa.
MECANISMOS DE CATLISE ENZIMTICA.
1. Catlise acido/base catlise por transferncia de protons. A catlise cida um
processo no qual a transferncia parcial de prtons de um cido para o estado de
transio diminui a energia livre do estado de transio de uma reao. A reao pode ser
tambm estimulada por uma catlise bsica se a taxa de reao aumentar com a
abstrao de um proton por uma base. Algumas reaes podem ser sujeitas
simultaneamente a ambos os processos, caracterizando uma catlise cido-base. Em
reaes catalizadas por enzimas os cidos e bases catalizadores so grupos especficos
ionizveis da enzima localizados no seu stio ativo/stio cataltico. A mutarrotao da
glicose (Figura 1) e a catlise da ribonuclease pancretica bovina A (RNase A) (Figura 2)
so exemplos de catlise cido-base.
Figura 1
Figura 2
Voet & Voet, Biochemistry
Figura 2:
Ribonuclease A
2. Catlise covalente envolve a acelerao da taxa de reao atravs da formao transiente
de uma ligao covalente substrato-catalisador. A descarboxilao do acetoacetato um
exemplo deste processo:
No primeiro estgio desta reao, a amina faz um ataque nucleoflico ao grupo carbonila
do acetoacetato formando uma base de Schiff (ligao imina).
O tomo de nitrognio protonado do intermedirio covalente atua como um receptor de
eltrons reduzindo assim o carter de alta energia do enolato. A catlise covalente possui
estgios nucleoflicos e eletroflicos. A catlise covalente pode ser dividida conceitualmente
em trs estgios:
1) A reao nucleoflica entre o catalisador e o substrato formando uma ligao
covalente.
2) A perda de eltrons do centro da reao pelo catalisador agora eletroflico.
3) A eliminao do catalisador que uma reao essencial para retornar ao
estgio 1.
OH-
Grupo de discusso:
1.) Examine a reao de hidrlise de RNA catalisada pela RNase A para verificar que se trata
de um mecanismo de catlise cido-base.
2.) Faa o grfico da velocidade de uma reao enzimtica em funo do pH para uma enzima
estvel entre pHs 3 e 12, considerando que o substrato no possui grupos ionizveis e a
atividade enzimtica exige no centro ativo uma carboxila (pKa = 5) desprotonada e um
grupo amino (pKa = 9) protonado.
3.) Definir catlise eletrosttica. Procure um exemplo de uma enzima que utiliza esta
estratgia.
1.) Descrever o mecanismo empregado pelas serina proteases (tripsina, quimiotripsina,
elastase, etc) para hidrolizar ligaes peptdicas. Descrever todas as etapas da reao.
Quais tipos de catlise so empregados em cada uma das etapas?
LIPIDEOS, MEMBRANAS & TRANSPORTE.
1. Lpides ou lipdeos so substncias biolgicas solveis em solventes orgnicos, como
clorofrmio e metanol e, praticamente, insolveis em gua. Os lpides compreendem: a)
cidos graxos, em geral na forma de triacilglicerois; b) glicerofosfolpides; c) esfingolpides; d)
colesterol e derivados. Este mdulo se restringe a cidos graxos e triacilglicerois.
2. cidos graxos so cidos carboxlicos com longas cadeias hidrocarbonadas,
encontrados na forma de tri-esteres de glicerol. A maioria possui um nmero par de C,
predominando os de 16 (cido palmtico) e os de 18C (cido olico). Grande parte apresenta
dupla ligao (insaturado) e muitos so poli-insaturados.
3 As propriedades fsicas dos cidos graxos dependem do grau de insaturao da cadeia
hidrocarbonada. As molculas dos cidos graxos saturados so muito flexveis, facilitando a
atrao e coeso entre si. Duplas ligaes entre C impe rigidez cadeia, tornando-a menos
flexvel e limitando a coesividade entre as molculas do cido graxo. Em conseqncia disso,
a temperatura de fuso (transio de fase slido/lquido)diminui com o grau de insaturao
dos cidos graxos.
4. Os triacilglicerdeos desempenham um papel de reserva de energia metablica.
Algumas de suas propriedades fsico-quimicas so ideais para essa funo: a) elevado grau
de reduo de seus C, maximizando a quantidade de energia livre liberada na oxidao e b)
alta hidrofobicidade, permitindo estocagem livre de gua (estoques anidros). No por acaso
que os triglicerdeos compe cerca de 90% da reserva de energia metablica e tambm da
dieta lipdica dos humanos.
5. Molculas anfiflicas, como lipdeos com uma nica cauda hidrofbica, cidos graxos
livres e detergentes, quando em soluo aquosa e acima de um limiar de concentrao
(concentrao micelar crtica ou cmc) formam agregados globulares chamados micelas.
6. Por outro lado, lipdeos com duas caudas hidrofbicas, como glicerofosfolipdeos e
esfingolipdeos, tendem a formar bicamadas lipdicas, que so a base estrutural das
membranas biolgicas.
Micela Bicamada
7. As membranas biolgicas so compostas por protenas associadas a uma matriz de
bicamada lipdica. As protenas que compe as membranas pertencem a duas categorias:
a) integrais ou intrnsecas e b) perifricas ou extrnsecas. Este arranjo estrutural foi
originalmente proposto em 1972 por Singer e Nicholson como o modelo de mosaico fludo
para as membranas biolgicas, que plenamente confirmado por resultados experimentais
estruturais e funcionais.
8. As membranas so barreiras hidrofbicas que oferecem grande resistncia passagem
de solutos hidroflicos, cuja permeao exige protenas transportadoras especficas,
conforme esquematizado na figura abaixo. Desta maneira a membrana, atravs de
transportadores especficos, regula o transporte de metabolitos entre compartimentos
celulares.
9. Um exemplo clssico de transporte a tomada de glicose pela hemcia mediada por
um transportador especfico, cuja velocidade depende da concentrao externa de glicose e
Modelo de mosaico fludo para membranas biolgicas
obedece a uma curva hiperblica de saturao j bem conhecida da cintica enzimtica,
sendo Kt anlogo a KM:
Esta forma de transporte conhecida como transporte passivamente mediado ou difuso
facilitada. Trata-se de um processo exergnico, pelo qual o soluto, no caso a glicose,
atravessa espontaneamente a membrana indo do compartimento de maior para o de
menor concentrao.
10. Existem 5 transportadores conhecidos que mediam a difuso facilitada de glicose em
humanos: GLUT1 a 5, cujos Kts so diferentes para atender as necessidades funcionais
dos tecidos nos quais so expressos. GLUT1 o transportador em hemcias, j GLUT2
expresso no fgado e clulas beta do pncreas, enquanto GLUT4 aparece no msculo
esqueltico e tecido adiposo, etc.
11. Mas, no epitlio do intestino a glicose obtida da dieta transportada para dentro da
clula contra o gradiente de concentrao, portanto atravs de um processo endergnico
que exige consumo de energia metablica para ocorrer e referido como transporte ativo.
Neste caso o transportador chamado simport, pelo qual a glicose transportada junto
com Na+ e termodinamicamente possvel porque existe um gradiente eletroqumico de
Na+ de fora para dentro da clula. H mltiplas formas de transporte ativo, das quais este
exemplo da glicose apenas uma delas. Grande parte da energia metablica consumida
pelas clulas se deve manuteno da enorme diversidade de transportadores que
promovem a transferncia de metabolitos e ons contra gradientes de concentrao.
Grupo de discusso:
1.) O que concentrao micelar crtica. Como varia tamanho e forma de micelas formadas
por anfiflicos de uma nica cauda hidrocarbonada? Explique.
2.) Uma hiptese central na pesquisa de membranas que os lipdeos da membrana devem
ser fludos (em oposio a "congelados") a fim de que a membrana possa desempenhar
suas funes. O apoio para esta hiptese fornecido pela observao de que a
composio de cido graxo das membranas pode ser alterada pelas condies nas quais a
bactria cresce. Por exemplo, se a bactria est crescendo em temperatura menor que a
normal, as quantidades observadas de cidos graxos insaturados (relativas ao contedo de
cido graxo saturado) esto acima do normal.
Contrariamente, se a bactria est crescendo em temperatura acima da normal, as
quantidades observadas de cidos graxos insaturados nos lipdeos da membrana
(relativas aos cidos graxos saturados) esto abaixo do normal.
(a) Sugira razes para o fato de que o contedo lipdico na membrana bacteriana deve ser
fluido para que a membrana intacta opere apropriadamente.
(b) Explique como a alterao observada nos nveis dos cidos graxos insaturados relativa
aos nveis dos cidos graxos saturados, em diferentes temperaturas de crescimento, apia
a hiptese da fluidez da membrana.
3.) Fornea uma explicao termodinmica para o fato de que molculas de fosfolipdeo
difundem rapidamente no plano da bicamada, mas muito lentamente mudam de uma face
oposta.
4.) Descreva os mecanismos pelos quais detergentes extraem protenas integrais de
membrana, mantendo-as em soluo.
5.) Explique porque soda funciona bem para desentupir pias entupidas com gordura animal.
6.) Para saber se uma bactria tomava leucina e etileno glicol por transporte mediado ou no
mediado, foram feitas medidas de velocidade inicial de tomada em funo da concentrao
de ambas substncias, resultando na tabela fornecida abaixo. O que voc conclui do
exame dessa tabela? Explique e calcule Kt e Vmax se encontrar evidncias de transporte
mediado.
Componente Concentrao [M] Velocidade Inicial (unidades arbitrarias)
Leucina 1 x 10-6
110
2 x 10-6
220
5 x 10-6
480
1 x 10-5
830
3 x 10-5
1700
1 x 10-4
2600
5 x 10-4
3100
1 x 10-3
3200
Etileno glicol 1 x 10-3
1
5 x 10-3
5
0,01
10
0,05 50
0,1 100
0,5 500
1,0 1000
7.) Clulas epiteliais de intestino de camundongo isoladas em cultura transportam L-leucina e
D-leucina mostrando Kt (mM) e Vmax, respectivamente iguais a: 0,24 e 420 para L-leucina e
4,7 e 310 para D-leucina, ambos em presena de Na+ no meio de cultura. Mas na ausncia
de Na+ , L-leucina mostra 0,24 e 23 enquanto D-leucina mostra 4,7 e 5 para Kt (mM) e
Vmax, respectivamente. Classifique esse transportador de leucina quanto ao tipo e
mecanismos de ao. Que efeitos voc esperaria se nesse meio de cultura fosse colocada
valinomicina (ionforo de Na+)? E se fosse dissolvida ouabana (inibidor da ATPase
Na+/K+) no meio de cultura? Explique.
8.) O pH e a absoro de drogas. A droga aspirina, intensamente receitada, um cido fraco
com um pKa de 3,5. A aspirina absorvida para o sangue atravs das clulas de
revestimento do estmago e do intestino delgado. Para uma substncia ser absorvida ela
deve atravessar facilmente a membrana celular. A passagem atravs da membrana celular
determinada pela polaridade da molcula: molculas inicas (carregadas) e molculas
altamente polares passam lentamente, enquanto aquelas neutras e hidrofbicas passam
rapidamente. Como o pH do suco gstrico cerca de 1 e o pH no intestino delgado, cerca
de 6, pergunta-se:
a) Escreva por frmulas estruturais a ionizao reversvel da aspirina.
b) Onde a aspirina mais absorvida para a corrente sangunea, no estmago ou no intestino
delgado? Justifique claramente a sua escolha.
ACARES: ESTRUTURA E FUNO.
1. Os carboidratos so compostos que apresentam a frmula emprica (CH2O)n (n> ou =
3), sendo funcionalmente poliidroxialdedos ou poliidroxicetonas. Os carboidratos mais
simples so os monossacardeos, que se apresentam na formas de aldoses ou
cetoses, conforme o grupo funcional carbonlico que possuem, isto , respectivamente,
aldedo ou cetona. H duas trioses: o gliceraldedo, uma aldotriose, e a diidroxiacetona,
uma cetotriose (Figura 1). O gliceraldedo apresenta um carbono (C2) assimtrico,
dando origem a dois ismeros opticos, as formas D e L (Figura 2). J a diidroxiacetona
no possui C assimtrico e, por isso, no mostra esse tipo de isomeria. Os outros
monossacardeos podem ser derivados pelo crescimento da cadeia destas duas
trioses. A Figura 3 mostra a famlia D derivada do D-gliceraldeido, cujas frmulas
estruturais planares obedecem as regras de Fisher.
Figura 1 Figura 2: Carbono quiral ou carbono assimtrico.
Figura 2
Figura 3
O aumento da cadeia do monossacardeo leva ao aparecimento de novos Cs assimtricos e,
portanto mais ismeros estruturais, tambm chamados estereoismerios. O nmero de
ismeros dado pela expresso 2n onde n o nmero de carbonos assimtricos. Por
exemplo, em aldoexoses h 4 Cs assimtricos, logo o nmero de ismeros 24 =16, sendo 8
da forma D e 8 da forma L. Mas, as estruturas lineares como representadas na Figura 3 tanto
para pentoses como para hexoses so poucos estveis em soluo, formando estruturas
cclicas segundo a reao mostrada na Figura 4. Esta uma reao bem conhecida da
qumica orgnica, pela qual um lcool (OH) faz uma adio nucleoflica carbonila de um
aldedo, formando um composto de condensao da conhecido como semiacetal. No caso do
exemplo da Figura 4 a hexose a D-glicose e, como a figura mostra, a ciclizao leva ao
aparecimento de uma outra isomeria estrutural devido s duas posies possveis do OH do
C1 em relao ao plano do anel, gerando os ismeros e . importante enfatizar que o OH
do C1 no quimicamente equivalente aos demais OHs que so alcolicos, sendo por isso
chamado de OH glicosdico. A existncia do OH glicosdico permite que todos os
monossardeos sejam oxidados em condies brandas pelo reagente de Fehling, uma reao
de oxido-reao na qual os OHs alcolicos no participam.
Figura 4
2. Conforme exemplificado na Figura 4 h uma nomenclatura especificamente designada
para distinguir pares de estereoismeros. Enantimeros possuem estruturas
isomricas que so uma imagem especular da outra, por exemplo, cada membro da
famlia D de hexoses mostrada na Figura 3 tem um, e, somente um, enantimero na
famlia L. So epmeros pares de estereoismeros que diferem apenas pela
configurao de um C assimtrico. So anmeros os dois ismeros resultantes da
posio do OH glicosdico do C1 na estrutura cclica da hexose. E, finalmente, so
denominados diastereoismeros pares de ismeros que no caem em nenhuma das
categorias anteriores.
3. Ligao glicosdica: os monossacardeos podem se apresentar na forma de oligo ou
polissacardeos, onde os monmeros so ligados atravs de ligaes glicosdicas.
Oligossacardeos so formados por um pequeno nmero de monossacardeos,
resultantes da condensao de um OH glicosdico com um OH alcolico, como
exemplificado abaixo pela dimerizao de duas molculas de -glicose por ligao 1-4,
originando o dissacardeo maltose:
Caso a ligao glicosdica envolva a condensao dos dois OHs glicosdicos como o
caso da trealose, uma 1-1-diglicose, o dissacardeo no pode ser oxidado pelo
reagente de Fehling (dissacardeo no redutor). J a maltose, que possue um OH
glicosdico livre um dissacardeo redutor, sendo oxidado pelo reagente de Fehling.
4. Polissacardeos so polmeros constitudos de centenas ou milhares de resduos de
monossacardeos, geralmente glicose, formando cadeias lineares, como a celulose
(1-4-poliglicose), ou cadeias ramificadas, como o glicognio e o amido.
O glicognio altamente ramificado, as suas cadeias lineares so formadas por
ligaes 1-4-glicosdicas e suas ramificaes decorrem de ligaes 1-6-glicosdicas
(Figura 6). O glicognio apresenta uma nica extremidade redutora livre (C1 no resduo
final na ltima molcula de glicose da cadeia) e inmeras extremidades no redutoras.
A partir das extremidades no redutoras h acrscimo ou retirada de resduos do
polmero. Portanto, as molculas de glicognio no tm tamanho definido.
Figura 6
Grupo de discusso:
1.) Desenhe o conjunto dos ismeros de D-aldoses de 6 C, atravs das frmulas de projeo
de Fisher. Quantos epmeros possue uma hexoaldose. Identifique todos os epmeros de D-
glicose. Existem pares enantiomricos na famlia D de monossacardeos. Explique.
2.) Descreva o fenmeno da mutarrotao de D-glicose, incluindo as reaes qumicas
pertinentes com as respectivas frmulas estruturais dos reagentes. O que este fenmeno
tem a ver com os conceitos de C anomrico e anmeros.
3.) Compare os dissacardeos maltose e sacarose, identificando a ligao glicosdica em cada
caso. Por que maltose redutora e sacarose no .
4.) Analise a estrutura do glicognio. Procure destacar as vantagens e desvantagens da
funo deste polmero como composto de reserva energtica.
5.) Verifique as principais caractersticas dos polissacardeos estruturais, comparando
celulose, quitina e glicosaminoglicanos (estes tambm chamados mucopolissacardeos).
6.) A poro de natureza sacardica de algumas glicoprotenas pode servir como stio de
reconhecimento celular. Para desempenhar esta funo, os oligossacardeos ou
Glicognio
Poli (1-4) (1-6) glicose
glicoprotenas devem ter a capacidade de formar um grande nmero de diferentes
estruturas. Qual dos dois pode produzir uma maior variedade de estruturas: oligopeptdeos
compostos de cinco resduos de diferentes aminocidos ou oligossacardeos compostos de
cinco resduos de diferentes monossacardeos? Explique.
7.) Frutose, o principal acar do mel, comumente usada como adoante de alimento. Este
acar na forma -D-piranose provavelmente a substncia mais doce conhecida. A
forma -D-furanose muito menos doce.
a) Quais so as estruturas da -D-frutopiranose e -D-frutofuranose?
b) A doura do mel diminui ao deix-lo em repouso e ao mesmo tempo aumentando a
temperatura. Explique.
8.) Interconverso das formas de D-galactose. Uma soluo recm-preparada da forma de
D-galactose (1g/ml em um tubo polarimtrico de 1 dm) mostra uma rotao ptica de +
150,7o. Quando deixada em repouso por um longo perodo de tempo a rotao decresce
gradualmente at atingir um valor de equilbrio igual a + 80,2o. Em contraste, uma soluo
recm-preparada (1g/ml) da forma mostra rotao tica de apenas +52,8o . Quando esta
soluo deixada em repouso por vrias horas a rotao aumenta at o valor de equilbrio
igual a +80,2o , valor idntico quele observado para a -D-galactose.
a) Escreva as frmulas de projeo de Haworth das formas e da D-galactose. Qual
caracterstica distingue as duas formas?
b) Por que a rotao de uma soluo recm-preparada da forma decresce gradualmente
com o tempo? Explique por que solues das formas e (de concentraes iguais)
atingem o mesmo valor de rotao ptica no equilbrio?
c) Calcule a composio percentual das duas formas de galactose no equilbrio.
TERMODINMICA.
1. A variao de energia livre padro diretamente relacionada constante de equilbrio:
Go = -2.3RT log Keq
2. A composio de um sistema de reao (uma mistura de reagentes e produtos) tende a
uma variao contnua at que o equilbrio alcanado. No equilbrio, as taxas de reao
para um lado e para outro so exatamente iguais. As concentraes de reagentes e
produtos no equilbrio definem a constante de equilbrio. Na reao:
A + B C + D , a constante de equilbrio dada por:
Keq = [C][D] / [A][B]
3. Quando um sistema no est em equilbrio, ele tende ao equilbrio, e a magnitude desta
tendncia pode ser medida como a variao de energia livre da reao, G. A energia livre
de Gibbs (G), uma propriedade termodinmica, definida pela equao: G = H TS,
onde H, T e S so respectivamente entalpia, temperatura absoluta e entropia, todas
tambm propriedades termodinmicas.
4. Numa transio de estado a temperatura (T) e presso constantes (condies comuns s
reaes bioqumicas) a variao de G (G) : G = H - TS.
Se se trata de uma reao bioqumica, H o calor de reao. Quando H positivo a
reao endotrmica, se H for negativo a reao exotrmica. Nestas condies, a
espontaneidade da reao definida pelo valor de G: se G negativo, a reao
espontnea, sendo denominada exergnica. Se, ao contrrio, G for positivo, a reao no
ocorre espontaneamente e denominada endergnica. Portanto, a reao ocorre no
sentido em que a energia livre total diminui.
4. No equilbrio, G = 0. Logo, possvel demonstrar a validade das seguintes igualdades:
G = G + 2,3 RT logB/A B/A = K G = - 2,3 RT logK
5. Em condies padro, 25C (298K), com concentraes de reagentes e produtos iguais
a 1M, pH = 0, a variao de energia livre considerada padro, ou G. Entretanto, a
maioria das reaes bioqumicas ocorrem em pH 7,0, para as quais utiliza-se G.
6. O diagrama abaixo mostra esquematicamente como varia G com o desenvolvimento da
reao, indicado no eixo das abcissas como coordenada de reao
Energia Livre (G)
Coordenada de Reao
Estado Inicial (S)
Estado Final (P)
Estado de Transio (T)
G'
G*
Para que a reao ocorra, necessariamente tem-se Gfinal Ginicial, isto , G negativo. Um
ponto importante a ser destacado que o valor de G permite prever se a reao pode
ocorrer, mas no a velocidade com que a reao atinge o equilbrio. A velocidade de reao
depende da energia livre do Estado de Transio que maior que do que o dos reagentes no
Estado Inicial, isto , G* positivo. Quanto maior o valor de G*, menor ser a velocidade de
reao.
7.) Na reao genrica A B a velocidade (v) proporcional a [A], isto , v1=k1[A]. A
velocidade da reao inversa ser, consequentemente, v-1=k-1[B]. k1 e k-1 so constantes de
velocidade e reaes como AB e BA so ditas de primeira ordem, porque as suas
respectivas velocidades dependem de concentrao molar de um nico reagente elevado
potncia 1. As constantes de velocidade k1 e k-1 so diferentes da constante de equilbrio da
reao, K=[B]/[A]. No estado de equilbrio, por definio, v1=v-1 e, portanto, formalmente,
K=k1/k-1. As reaes representadas pelas equaes seguintes: 2AB e A+BC so de
segunda ordem, cujas velocidades so, respectivamente, v=kA[A]2 e v=kAB[A][B]. Notar que a
ordem da reao no coincide necessariamente com a estequiometria da equao qumica.
6. As quinases formam uma classe muito importante e abundante de enzimas, que se
caracterizam por catalisar a transferncia de um grupo fosfato de alta energia para uma
outra substncia receptora.
7. So chamados compostos de alta energia substncias orgnicas com o grupo fosfato em
ligaes anidrido ou fosfoenol, cuja hidrlise libera fostato inorgnico (Pi) com um G0
negativo e em valor absoluto superior a 8kcal/mol. Outros compostos fosforilados com o
fosfato em ligaes ester ou tioester tambm mostram um G0 de hidrlise negativo, mas
de valor absoluto da ordem de 3kcal/mol. Estas classes de compostos esto ilustradas na
Tabela 3. O principal composto fosforilado da clula o ATP; cuja frmula estrutural est
na Figura 2. O ATP possui fosfato em ligaes anidrido e ester, aos quais correspondem
G0 de hidrlise de, respectivamente, -8kcal/mol e -3,5kcal/mol. Todas estas reaes
so, portanto, muito voltadas para os produtos de hidrlise, sendo praticamente
irreversveis. No entanto, nenhuma destas reaes ocorre na clula a velocidade
significante se no houver catlise por uma enzima especfica, da classe das
fosfatases.
C
C
CC
C
H
H
HH
H
H
N
N
N
N
H O O H
N H2
O-O - P - O - P - O - P - O - C H
2
OOO
O-
O-O
-
A d e n i n a
R i b o s e
A M P
A D P
A T P
ATP = Adenosina 5-trifosfato
Na clula: [ATP] + [ADP] + [AMP] = Constante
FIGURA 2
TABELA 3 Compostos fosforilados
R
C
CH2
Fosfoenol
+ H2OO P
R
C
CH3
O + Pi Go' = - 13.000 cal/mol
Anidrido fosfrico
cetona cido
R
C O P
O
+ H2O
R
C O + Pi
cido
O
cido
Go' = - 8.000 cal/mol
O PR + H2O + Pi
cido
Go' = - 3.000 cal/mol
ster fosfrico
OR H
lcool
R S CoA
O
C
Tioster
+ H2O +
cido
Go' = - 3.000 cal/molOHR
O
C HS-CoA
tiolcool
ATP ADP
ADP
AMP
+ H2O + Pi
cido
Go' = - 8.000 cal/mol
cido
AMP+ H2O + Pi
cido
Go' = - 8.000 cal/mol
cido
A OH+ H2O + Picido
Go' = - 3.500 cal/mol
lcool
Adenosina trifosfato
Adenosina difosfato
Adenosina monofosfato(Adenosina)
Pi = fosfato inorgnico = HPO42-
= PO32-
P
Na clula:
[ATP] +[ADP]+ [AMP] = constante
(pH=7,4)
H
9. No metabolismo muito importante a transferncia de fosfatos de um composto
fosforilado de alta energia para outro. Uma das reaes chave deste tipo :
fosfoenolpiruvato + ADP ATP + piruvato
G0=-5kcal/mol
Como esta reao no ocorre sem catlise, seu controle pela clula feito atravs de
uma enzima quinase especfica.
10. Alm das quinases que catalisam a transferncia de grupo fosfato do ATP para
metablitos, existem as quinases que tem como substratos protenas, genericamente
referidas como quinases de protena ou, simplesmente, protena-quinases.
H alguns milhares de protena-quinases diferentes em um organismo, que catalisam a
transferncia de fosfato de ATP para o grupo OH da cadeia lateral de resduos
especficos de serina e treonina formando um ster de fosfato. As reaes deste tipo so
genericamente chamadas de fosforilaes e so modificaes covalentes que causam
mudana de conformao das protenas, alterando sua atividade biolgica. Por exemplo,
um grande nmero de enzimas so fosforiladas para sofrer uma transio do estado
inativo ao ativo ou vice-versa. Mais raramente as protenas so fosforiladas no grupo
enlico de resduos de tirosina.
Grupo de discusso:
1.) Defina reaes exotrmicas e endotrmicas. Qual a relao entre estes conceitos e a
funo termodinmica entalpia?
2.) Defina reaes exergnicas e endergnicas. Qual a relao destes conceitos com
G0.
3.) G0 caracterstico de cada reao (desde que a temperatura seja constante) e
no varia com as concentraes de reagentes e produtos no equilbrio. G, por outro
lado, no caracterstico da reao, podendo assumir qualquer valor em funo das
concentraes iniciais de reagentes e produtos (quociente Q na expresso de G).
Mostre por que estas afirmaes so verdadeiras discutindo a expresso que
relaciona G0 e G.
4.) Na reao genrica AB Keq=103. Qual o valor de G0? No ponto de equilbrio as
concentraes molares de A e B podem variar? Como varia G com as concentraes
molares iniciais de A e B?
5.) Ainda para a reao AB (questo 4) proponha uma condio na qual a reao
inversa seja espontnea. Mostre que a sua proposta possvel calculando o
respectivo G. Esta questo possui mltiplas respostas ou apenas uma resposta
nica?
6.) Para a reao AB (questo 4), se a constante de velocidade de primeira ordem, k1
for igual a 10, qual deve ser o valor da constante k-1 para a reao inversa? Para um
mesmo K, constante de equilbrio, pode haver mltiplos valores de k1 e k-1 ? Qual a
interpretao termodinmica para a sua resposta?
7.) Considerando a equao G0 = -2,3 RT log K, sendo: R = 1,98 x 10-3 kcal/molK; T =
298K e 2.3 RT = 1,36 kcal/mol. Calcule os valores de G0 quando
K varia de 105 a 10-5. Faa uma tabela.
8.) Porque a hidrlise de ATP necessita catlise enzimtica, sendo este um composto rico
em energia? Utilize-se do grfico esquemtico de variao de G (energia livre) em funo
de coordenada de reao para responder a esta questo, definindo estado de transio e
energia de ativao.
GLICLISE.
1. A gliclise a principal via catablica da glicose compreendendo as 10 reaes
enzimaticamente catalisadas que so mostradas na figura abaixo e cuja estequiometria
total pode ser observada na equao qumica seguinte:
Glicose + 2 NAD+ + 2 ADP + 2 Pi 2 Piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H2O + 4 H+
A gliclise, como todas as vias catablicas, exergnica e equao acima
corresponde um Go = -43,4 kj/mol-1. Mas, o dado da variao de energia livre mais
interessante em termos de G, cujo valor exato depende de cada clula especfica,
por exemplo, em msculo cardaco estima-se que seja igual a 74,0 kj/mol-1.
2. A finalidade da gliclise obteno de energia, como a equao estequiomtrica
indica, cada molcula de glicose degradada a duas de piruvato e parte da energia
livre liberada nesta degradao retida nos produtos na forma de 2 NADH e 2 ATP.
3. A reao que permite a obteno de NADH a nica de oxido-reduo da gliclise,
pela qual gliceraldedo-3-P oxidado a glicerato-1,3-bisP, atravs da ao oxidante de
NAD+ catalisada pela enzima gliceraldedo desidrogenase. A manuteno da
capacidade oxidante da gliclise exige que NADH seja re-oxidada a NAD+ , uma
alternativa para isso apresentada na figura, atravs da reao pela qual NADH reduz
piruvato a lactato, recuperando NAD+. Esta alternativa ocorre no msculo esqueltico
com baixos nveis de O2.
4. J ATP produzido em duas reaes distintas pelas quais um radical fosforil
transferido de, respectivamente, glicerato-1,3-P e P-enolpiruvato para ADP, em
transferncias catalisadas por glicerato-1,3-P-quinase e P-enolpiruvato-quinase. Esta
maneira de fosforilao de ADP conhecida como fosforilao a nvel do substrato,
para distingui-la da fosforilao oxidativa da mitocndria que ser vista mais adiante.
5. Na gliclise, h 3 reaes de fosforilao irreversveis catalisadas, respectivamente,
pela hexoquinase, fosfofrutoquinase e piruvato-quinase, que funcionam como marca-
passos da via, cuja regulao se d por um elaborado sistema de controle alostrico
das enzimas.
6. Diversas outras hexoses, como frutose, galactose e manose, tambm so
metabolisadas pela via glicoltica.
7. A gliclise em condies anaerbicas tem energtica e funes variadas, conforme o
organismo. Cabe fazer dois destaques importantes.
8. Em vertebrados, encontram-se msculos esquelticos muito pobres em mitocndria,
que so especializados para produzir ATP a partir de gliclise anaerbica, cuja
energtica obedece a seguinte reao geral: Glicose 2Lactato + 2H+ ; Go = -
196kJ/mol. Mas, parte dessa energia livre liberada que seria dissipada (61kJ/mol)
retida na forma de 2ATP produzidos por mol de glicose degradada. Deve-se ainda
enfatizar que o lactato no descartado, pois vai ser aproveitado no fgado, aonde
reoxidado a piruvato, alternativa metablica importante a ser examinada mais frente.
9. Leveduras mostram um exemplo de gliclise anaerbica na forma da fermentao
alcolica, segundo a reao geral: Glicose 2Etanol + CO 2; Go = -235kJ/mol. Aqui
tambm parte da energia livre, +61kJ/mol, mantida com a produo de 2ATP. A parte
final da fermentao alcolica compreende duas reaes: a primeira envolve a
descarboxilao de piruvato e liberao de acetaldedo, catalisada pela enzima
piruvato-carboxilase, que no existe em animais. Na segunda reao a desidrogenase
alcolica catalisa a reduo do acetaldedo por NADH.
O
OH
OH
OH
HO
ATP
ADP
O
OH
OH
OH
HO
ATP
ADP
OP -O-CH2 CH2O- P
OH
HO
H2C-O- P
C=O
H2C-OH
HC=O
HC-OH
H2C-O- P
HOCH2
P -OCH2
O=C-O- P
HC-OH
H2C-O- P
NAD+
NADH
Pi
O=C-O-
HC-OH
H2C-O- P
COO-
HC-O- P
H2C-OH
H2O
COO-
C-O- P
CH2
ATP
ADP
COO-
C=O
CH3
COO-
HC-OH
CH3NAD+ NADH
OP -O-CH2 CH2OH
OH
HO
HO
ATP
ADP
NAD+
NADH
Pi
ATP
ADP
Glicose
Glicose 6-fosfato
Frutose 6-fosfato
ATP
ADP
Frutose 1,6 bisfosfato
Diidroxiacetona
fosfato
Gliceraldedo
3-fosfato
1,3 Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
2-Fosfoglicerato
Fosfoenolpiruvato
PiruvatoLactato
GLICLISE
HO
NAD+ NADH
ADP
ATP
ADP
ATP
Grupo de discusso:
1.) Classifique as reaes da gliclise, destacando as que so de xido-reduo.
2.) Equacione a reao de oxidao de gliceraldedo-3-fosfato, destacando o oxidante e o
redutor.
3.) Na reao do item 2.) parte da energia utilizada para produzir ATP. Mostre como
isso possvel, equacionando as etapas relevantes da reao. Defina fosforilao ao
nvel do substrato.
4.) Equacione a reao lquida da transformao de glicose em piruvato. Como
regenerada a capacidade oxidante do sistema NAD+/NADH necessria atividade
glicoltica nos glbulos vermelhos humanos (que no tm mitocndria) e na cultura de
levedo sem O2 (fermentao).
5.) Examine uma tabela com as 10 reaes da via glicoltica que contenha,
respectivamente, o G0 e o G das reaes. Quais so as reaes irreversveis da
gliclise?
6.) Porque os valores de G0 e de G da mesma reao podem ser diferentes? Para
decidir se a via glicoltica numa determinada clula reversvel ou irreversvel, que
valor mais relevante, G0 ou G?
7.) Uma pessoa incapaz de executar exerccios fsicos intensos e prolongados teve suas
enzimas analisadas. Todas as enzimas da via glicoltica estavam em concentrao
normal, com excesso da fosfoglicerato mutase muscular.
a) Como ser afetada a produo de energia metablica em uma clula que apresenta
baixos nveis desta enzima?
b) Como ser afetada a produo de Lactato na ausncia desta enzima? [Referncia: Di
Mauro, S.; Miranda, A.F.; Kahn, S.e Gitlin, K. - Human muscle phosphoglycerate
mutase deficiency Science 1981, vol. 212, 1277-1279.
8.) Calcular a porcentagem de energia armazenada pela clula ao degradar glicose pela
via glicoltica. Sabe-se que:
Glicose 2 lactato Go' = - 47.000 cal/mol
CICLO DE KREBS
1. Em condies aerbicas, o destino do piruvato produzido na gliclise sofrer uma
descarboxilao oxidativa catalisada pela piruvato desidrogenase, que um complexo
multienzimtico existente no interior da mitocndria de eucariotos. Portanto, o piruvato
precisa entrar na mitocndria para ser degradado por essa via. A reao geral a
seguinte: Piruvato + CoA + NAD+ Acetil-CoA + NADH + CO2
2. O acetilCoA resultante da metabolizao do piruvato totalmente oxidado no ciclo do
cido ctrico, tambm chamado ciclo de Krebs, conforme a seguinte reao geral:
Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi 2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP + CoA
O ciclo de Krebs, esquematizado na figura, compreende 8 reaes, envolvendo 8
enzimas e 8 cidos carboxlicos, di e tri-cidos, todos dispersos na matriz da
mitocondria. Portanto, comeando no piruvato e passando pelo acetilCoA, ocorre
oxidao completa desses metabolitos liberando 3CO2 sem participao de O2
molecular. Os agentes oxidantes em todas as reaes so NAD+ ou FAD e as formas
reduzidas destas co-enzimas (NADH + FADH2 ), resultantes do processo, s so
reoxidadas na cadeia respiratria, uma via especializada que se localiza na membrana
mitocondrial interna e ser considerada mais adiante.
3. O ciclo de Krebs, conforme sua reao geral indica, essencialmente catablico, pois
promove a oxidao do radical acetil a 2CO2 e retm parte da energia livre desta
reao na forma de coenzimas reduzidos que, posteriormente, serviro produo de
ATP atravs da fosforilao oxidativa. Para cumprir esta funo basta que os 8
intermedirios do ciclo ocorram em concentraes catalticas. Mas, o ciclo possui
outra funo, alm da catablica, diversos de seus intermedirios alimentam as vias
de sntese de aminocidos, lipdeos e glicose, isto , o ciclo tem tambm funo
anablica e, portanto, deve ser classificado como anfiblico. Para que o ciclo
desempenhe concomitantemente ambas as funes, catablica e anablica, as
concentraes dos intermedirios so mantidas e controladas atravs de um
complexo sistema de reaes auxiliares, conhecidas como reaes anaplerticas. Um
exemplo de reao anaplertica a carboxilao de piruvato para obter oxalacetato,
catalisada pela enzima piruvato carboxilase.
4 A transformao de piruvato em acetil-CoA, uma reao para a qual convergem
diversas vias catablicas e anablicas, alm da gliclise. Por esse motivo a piruvato
desidrogenase est sujeita a um controle altamente elaborado, compreendendo dois
nveis de regulao: a) controle alostrico atravs da inibio pelo produto, exercido
por NADH e acetil-CoA; b) modificao covalente reversvel da subunidade E1 da
enzima, por fosforilao/desfosforilao.
5.As enzimas citrato sintase, isocitrato desidrogenase e -cetoglutarato
desidrogenase so as reguladoras do fluxo metablico atravs do ciclo de Krebs e
esto sujeitas a controle alostrico, envolvendo NADH como inibidor e Ca+ e ADP
como ativadores.
Citrato
cis-Aconitato
Isocitrato
Oxalosuccinato
a-CetoglutaratoSuccinil-CoA
Succinato
Fumarato
L-Malato
Oxaloacetato
Acetil-CoA
PiruvatoCoASH + NAD+
CO2 + NADH
H2OCoASH
H2O
H2O
NAD+
NADH + H+
CO2
NAD+NADH
+ H+
CoASHCO2GDP + Pi
GTP
FAD
FADH2
H2O
NAD+
NADH + H+
Ciclo de Krebs
Grupo de discusso:
1.) Escrever a reao de formao de acetil-CoA a partir de piruvato e indicar:
a) as 5 coenzimas necessrias
b) as vitaminas envolvidas
c) a sua localizao celular
2.) Como a equao qumica, estequiometricamente equilibrada, que representa a
oxidao de acetil-CoA no ciclo de Krebs? Como se pode medir o rendimento do ciclo
de Krebs em termos de coenzimas reduzidos (poder redutor) e ATP (ligaes de
fosfato de alta energia).
3.) Identifique os tipos de reaes que ocorrem no ciclo de Krebs, mostrando as
respectivas equaes qumicas.
4.) Equacione a descarboxilao oxidativa de -cetoglutarato a succinato, respeitando a
estequiometria da reao. Mostre as etapas que compem esta reao com as
respectivas enzimas e coenzimas.
5.) Quais so as enzimas do ciclo de Krebs sujeitas a regulao? Explique como cada
uma delas regulada.
6.) Explique porque piruvato estequiometricamente convertido a CO2 na respirao de
fatias de msculo mantidas em soluo fisiolgica, enquanto oxalacetato e citrato tem
efeito cataltico neste mesmo processo. Mostre porque a respirao pode ser
sustentada pelo consumo estequiomtrico de citrato, mas no de acetato, quando o
ciclo de Krebs inibido por malonato.
7.) Dispondo das enzimas necessrias, a adio de que compostos far aumentar a
concentrao de oxaloacetato em um sistema in vitro que contm mitocndrias:
acetil-CoA, piruvato, glutamato, citrato ou cidos graxos?
8.) Uma suspenso de mitocndrias, suplementada com acetil-CoA marcada com C14,
produz CO2 marcado apenas quando suprida de oxignio. Em condies anaerbias,
a adio de azul de metileno restaura a produo de CO2 marcado, observando-se
tambm a descolorao do corante (azul de metileno reduzido incolor). Explique
estes dados.
CADEIA RESPIRATRIA E FOSFORILAO OXIDATIVA.
1. Fosforilao oxidativa o processo bioqumico pelo qual a oxidao de NADH e
FADH2 , produzidos na gliclise e ciclo de Krebs, ocorre acoplada produo de ATP,
a partir de ADP + Pi. Este processo se d na cadeia respiratria ou cadeia de
transporte de eltrons, que compreende um conjunto ordenado de enzimas e
transportadores de eltrons inseridos na membrana interna da mitocndria.
2. A cadeia respiratria contem 4 complexos, I,II, III e IV, ordenados por ordem crescente
de potencial redox, indo do potencial padro de NAD+/NADH (E0= -0,315V) ao do
O2/H2O (E0= +0,815V). Os eltrons so transferidos do complexo I ou II para o
complexo III pela coenzima Q (ou ubiquinona), e do complexo III para o complexo
IV pelo citocromo C para chegar ao O2. NADH e FADH2 , cedem eltrons,
respectivamente, aos complexo I e II. A transferncia exergnica de eltrons do nvel
redox de NADH para o de O2 (E0= 1,130V) envolve uma diferena de energia livre
liberada (G0= -218kJ/mol) que em parte retida pelo transporte de H+ do lado interno
para o externo da membrana, criando o gradiente eletroqumico de prtons que
permitir empurrar o processo endergnico de fosforilao de ADP por Pi para gerar
ATP, atravs da bomba de prtons que constitui a ATP sintase (tambm conhecida
com F1F0- ATPase).
Complexo I Complexo III Complexo IV
Espao
Intermembranar
Matrix
Mitocondrial
NADH + H+
2 H+
NAD+
Q
4 H+
Cit C
2 H+
1/2 O2 + 2H+H2O
Complexo II
FADH2
3. A ATP sintase distinta e fisicamente separada da cadeia de transporte de eltrons. A
transferncia de 2e de NADH at O2 envolve um G0= -218kJ/mol, que gera um
incremento no gradiente de prtons suficiente para mover a ATP sintase, permitindo a
produo de 3 moles de ATP (G0= +30,5kJ/mol). Nestas condies, a ATP sintase
trabalha com uma eficincia termodinmica igual a 42%. , no entanto, necessrio
destacar que quando os 2e saem do nvel redox de FADH2 , formam-se apenas 2ATP.
Naturalmente, para uma melhor medida da real eficincia termodinmica da
fosforilao oxidativa seria preciso estimar o G da transferncia de eltrons em vez
do G0.
4. A grande quantidade de energia livre que seria dissipada na oxidao completa da
glicose a CO2 e H2O [C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O; G0= -2823 kJ/mol]
aproveitada para produo de ATP, graas quase exclusivamente ao processo de
fosforilao oxidativa, rendendo 38ATP por mol de glicose (incluindo neste total 2ATP
da gliclise e 2 do ciclo de Krebs).
5. Vrios mecanismos da cadeia de transporte de eltrons e de seu acoplamento sntese
de ATP foram elucidados atravs da utilizao de inibidores e desacopladores, entre os
quais esto: rotenona, amital, antimicina A, cianeto e DNP.
Rotenona e amital inibem a reduo dos complexo I e III por NADH.
Antimicina A inibe o transporte de eltrons no complexo II.
Cianeto inibe o transporte no complexo IV.
DNP desacoplador, pois promove o vazamento de H+ ,levando dissipao do
gradiente de prtons e contnuo transporte de eltrons, desacoplado da sntese de
ATP.
5. A sntese de ATP a partir de ADP e Pi na mitocndria, que catalisada pela ATP
sintase, dirigida pelo processo de transporte de eltrons. Mas como a ATP sintase
fisicamente separada das protenas do transporte de eltrons, a energia livre liberada no
transporte de eltrons deve ser conservada em uma forma que possa ser utilizada pela
ATP sintase.
A energia livre do transporte de eltrons conservada pelo bombeamento de H+ da matriz
mitocondrial para o espao intermembranar, criando um gradiente de H+ atravs
Grupo de discusso:
1.) Definir potencial de xido-reduo (E), potencial de xido-reduo padro (Eo) e
potencial de xido-reduo padro bioqumico (Eo).
2.) Entre os transportadores universais de eltrons da cadeia respiratria esto NAD+ e os
nucleotdeos de flavina (FAD e FMN), quais so as diferenas entre estes
transportadores de eltrons quanto a potencial redox e forma de interao com as
enzimas com as quais atuam?
3.) Classifique os seguintes inibidores quanto a seus mecanismos de ao na cadeia
respiratria: a) rotenona; b) antimicina A; c) oligomicina e d) DNP (2,4-dinitrofenol).
4.) Descreva o mecanismo de ao do DNP (2,4-dinitrofenol), mostrando porque o
mecanismo de ao deste inibidor uma demonstrao experimental importante da
hiptese quimiosmtica da fosforilao oxidativa.
5.) Porque F1 e Fo so ambos necessrios para a sntese de ATP?
6.) Em mitocndrias isoladas, o transporte de eltrons no ocorre na ausncia de ADP e
Pi, mesmo que haja abundncia de succinato para fornecer eltrons. Como se explica
que mitocndrias nessas condies passam a transportar eltrons e consumir
oxignio se forem tratadas com DNP?
7.) A relao entre energia livre padro de uma reao e o potencial redox :
Go = -nFE0onde n o nmero de eltrons transferidos
F a constante de Faraday (F = 23.60 cal V-1)
Eo' o, diferena de potencial padro da dupla redox.
A uma soluo 1 M de NAD+, NADH, Piruvato e Lactato, adicionou-se lactato
desidrogenase:
Lactato + NAD+Piruvato + NADH + H+
Eo' (NAD+/NADH) = -0,32 V
Eo' (Piruvato/Lactato) = -0,19 V
Em que sentido a reao ocorrer?
medida que a reao ocorre, como variam esses potenciais redox?
8.) Na hiptese do acoplamento quimiosmtico, a energia que comea na forma de
potencial qumico de reduo/oxidao, convertida na forma de potencial prton-
motriz e finalmente convertida na forma de potencial qumico de ATP. Qual a
distribudo dos dois lados de uma membrana? Defina fora prton-motriz.
GLICONEOGNESE.
1. O fgado humano precisa manter nveis mnimos da glicose circulante, porque crebro e
hemcias dependem quase exclusivamente de glicose para produo de energia. No
entanto, a reserva de glicognio heptico no suficiente para essa finalidade. Por isso, o
fgado sintetiza glicose de novo a partir de lactato, piruvato, glicerol, intermedirios do
ciclo de Krebs e aminocidos, atravs de uma via anablica chamada de gliconeognese.
No jejum, mesmo o jejum de poucas horas, a gliconeognese a principal fonte da glicose
liberada pelo fgado na circulao.
2. A gliclise, como j foi visto, um a via catablica com a finalidade de produzir energia
na forma de 2NADH + 2ATP a partir da degradao de glicose a piruvato de acordo com a
equao qumica seguinte:
Glicose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H2O + 4H+
A gliconeognese tem a finalidade de sintetizar glicose a partir de piruvato, isto , faz o
caminho metablico inverso ao da gliclise. Mas, a gliconeognese , contrariamente
gliclise, muito endergnica. Para produzir glicose a partir de piruvato necessitam-se
2NADH+4ATP+2GTP, conforme a estequiometria indicada na equao abaixo:
2Piruvato+2NADH+4H++4ATP+2GTP+6H2O Glicose+2NAD++4ADP+2GDP+6Pi
3. A gliconeognese utiliza enzimas glicolticas reversivelmente, mas trs dessas
enzimas, a hexoquinase, a fosfofrutoquinase e a piruvato quinase, catalizam reaes com
G- muito negativo, sendo essencialmente irreversveis. Estas reaes so substitudas
na gliconeognese por reaes exergnicas, tornando termodinamicamente favorvel a
sntese de glicose a partir de piruvato. Destas reaes, as duas primeiras
correspondentes s enzimas hexoquinase e fosfofrutoquinase, so substitudas por
reaes simples de hidrlise de ligao fosfo-ester, catalisadas, respectivamente, pelas
enzimas glicose-6-P-fosfatase e frutose-1,6-bis-fosfatase. J a terceira reao, que
permite a volta de piruvato para P-enolpiruvato mais complexa e se d em duas etapas
catalisadas, respectivamente, por piruvato-carboxilase e P-enolpiruvato-carboxiquinase.
4. O balanceamento entre gliclise e gliconeognese coordenadamente controlado por
um complexo sistema de regulao enzimtica, envolvendo interaes alostricas e
modificaes covalentes. Todo esse controle est concentrado nas 3 reaes nas quais
gliclise e gliconeognese seguem reaes independentes, irreversveis e opostas, que
so: 1) glicose / glicose-6-P; 2) frutose-6-P / frutose-1,6-bisP; 3) P-enolpiruvato / piruvato.
Grupo de discusso:
1.) Explique como a hemcia mantm glicose a 5 mM e G6P a 0,0083 mM, se a
converso de glicose em G6P muito exergnica. Como seriam afetadas as
concentraes relativas dos intermedirios da gliclise se a glucoquinase (Km = 5mM)
fosse colocada artificialmente na hemcia em lugar da hexoquinase (Km = 0,1mM)?
2.) Na gliconeognese, como so revertidas as reaes de glicose G6P e F6P F-
1,6-BP, que so altamente exergnicas. Conceitue ciclo ftil.
3.) A reverso da reao de PEP + ADP piruvato + ATP no pode ocorrer por um
processo relativamente fcil como a reverso de glicose + ATP G6P + ADP. Qual
a soluo bioqumica que os sistemas biolgicos utilizam para ir de piruvato a PEP?
5.) Qual o consumo de energia na sntese de glicose a partir de piruvato, medido em
equivalentes de ATP. Indique as reaes onde h consumo. Compare o rendimento
da via glicoltica com o consumo da gliconeognese, so iguais ou diferentes?
6.) Um procedimento comum para determinao da efetividade de compostos como
precursores da glicose colocar um animal em jejum at que os estoques de
glicognio do fgado sejam depletados e ento administrar o substrato em questo. Um
substrato que leva a um aumento lquido no glicognio heptico chamado de
glicognico pois ele deve primeiro ser convertido em glicose-6-fosfato. Mostre por meio
de reaes enzimticas conhecidas quais das seguintes substncias so glicognicas:
a)succinato,
b) glicerol,
c) acetil CoA,
d) piruvato e
e) butirato.
Escreva as frmulas estruturais das substncias relacionadas de (a) a (e).
7.) Citar os efetuadores alostricos positivos e negativos de fosfofrutoquinase e frutose
1,6 bisfosfatase no fgado. Quais so as consequncias destes efetuadores no fluxo
relativo dos metabolitos atravs da neoglicognese e da gliclise?
8.) O nvel de frutose 2,6 bisfosfato nos hepatcitos varia com a disponibilidade da glicose:
baixo no jejum e alto aps as refeies. Como isso se explica em termos das reaes
catalisadas por fosfofrutoquinase-2 e frutose 2,6 bisfosfatase.
METABOLISMO DO GLICOGNIO.
1. O glicognio um polissacardeo que funciona como forma de reserva de energia em
animais e microrganismos. Em animais, o glicognio est depositado no fgado, um
rgo central de reserva de energia, e, tambm, nos msculos, onde degradado
localmente. O glicognio heptico exportado para manter a glicemia.
2. A natureza polimrica e semi-solvel do glicognio constitui-se numa maneira perfeita
de armazenar energia na forma de glicose. O estoque de glicognio do fgado na
forma de glicose causaria tamanha presso osmtica, que a viabilidade do hepatcito
seria impossvel.
3. O glicognio um polmero de -D-glico-piranose altamente ramificado. Na cadeia os
monmeros so interligados por ligaes glicosdicas (14); nos pontos de
ramificao a ligao tambm glicosdica, mas (16).
4. A glicose, na forma de glicose-1-P, liberada da reserva de glicognio pela fosforlise
da ligao (14) da extremidade no redutora do polmero. Esta reao
catalisada pela glicognio fosforilase.
5. A glicognio fosforilase degrada at restarem 4 resduos antes de uma ramificao at
que a enzima desramificadora transfere 3 dos 4 resduos para outra extremidade da
cadeia de glicognio formando uma nova ligao (14). O resduo restante est
ligado a cadeia pela ligao (16) que hidrolisada pela enzima desramificadora
atravs de sua atividade (16) glicosidase.
6. Glicose-1-fosfato convertida a glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase, esta pode ser
liberada pela circulao no fgado pela ao da glicose-6-fosfatase ou degradada pelo
msculo.
7. A sntese do glicognio se d atravs de via uma diferente da de degradao. A
glicose-1-P primeiro ativada uridinadifosfato-glicose, ou simplesmente UDP-G.
UDP-G o substrato da glicognio sintase que catalisa a adio de um resduo de
glicose ao carbono 4 da glicose de uma extremidade no redutora do glicognio,
liberando ainda como produto UDP. Esta reao necessita de cadeias glicognicas
pr-existentes que funcionam como PRIMER da reao, oferecendo extremidades
no redutoras para reagir com UDP-G.
Gli 6-P Gli 1-P
Gli 1-P + UTP UDP-Gli + PPI (1-fosfato uridil transferase)
UDP-Gli + glicognio (n) UDP + glicognio (n + 1)
O UDP convertido a a UTP as custas da utilizao de ATP:
PPI + H2O 2 PI (pirofosfatase)
UDP + ATP UTP + ATP (nucleosdeo difosfato quinase)
8. A glicognio fosforilase e glicognio sintase formam um ciclo que, respectivamente,
libera e deposita glicose-1-P no estoque da glicognio:
UTP + H2O 2 Pi
Glicose-1P UDPG
Glicognion
Fosforilase SintaseI
Pi Glicognion+1 UDP
fcil notar que se estas enzimas funcionarem concomitantemente o ciclo ser
FTIL, cujo nico resultado lquido ser dissipao de energia atravs da reao:
UTP + H2O UDP + Pi
Conclui-se que, necessariamente, no hepatcito estas enzimas so
coordenadamente reguladas, isto , quando a fosforilase ativada para mobilizar
glicose-1-P, a sintase desativada, e vice-versa, conforme a necessidade celular.
9. Ambas fosforilase e sintase so reguladas por fosforilao (modificao covalente) em
resduos especficos de serina, reaes catalisadas pela mesma protena-quinase que
possui dupla especificidade, sendo por isso chamada de sintase-fosforilase quinase. A
fosforilase e a sintase so espcies fosforiladas, portanto a fosforilao, catalisada
pela sintase-fosforilase quinase, causa ativao da fosforilase e inativao da sintase.
10. A fosforilase a e a sintase I (formas ativas), por um lado, e a fosforilase b e a sintase D
(formas no ativas), por outro, so, respectivamente interconversveis. Para tanto
necessrio que fosforilase a e a sintase I sejam desfosforiladas, atravs de uma
reao que requer catlise. A principal enzima, catalisadora comum destas
desfosforilaes, a fosfoprotena fosfatase 1.
11. A integrao metablica requerida pelo bom funcionamento do organismo faz com
que as interconverses coordenadas da fosforilase e sintase do glicognio no fgado,
por fosforilao, sejam controladas extracelularmente por hormnios especficos,
principalmente: adrenalina, glucagon e insulina.
12. As formas inativas fosforilase b e sintase D so intracelularmente estimuladas por
fatores alostricos positivos, por razes de economia interna do metabolismo celular,
independentemente de controle hormonal. So estimuladores alostricos da
fosforilase b e sintase D, respectivamente, 5-AMP e glicose-6P.
Grupo de discusso:
1.) A ativao de glicose-1-fosfato (G1-P), requer a clivagem de uma ligao de alta
energia, liberando PPi. Considere os passos de ativao de G1-P e a reao de
regenerao de UTP e analise o gasto de energia necessrio para a sntese de
glicognio. Compare o gasto de energia para a adio de um resduo de glicose ao
glicognio, com a obteno de energia a partir da liberao de glicose na degradao
do glicognio.
2.) Qual a finalidade das reservas de glicognio do fgado e msculo? Qual a principal
diferena bioqumica entre esses tecidos?
3.) Equacione as etapas de mobilizao da glicose a partir do glicognio no fgado e no
msculo. Mostre:
a.) no fgado (desde a fosforlise at a liberao de glicose no plasma);
b.) no msculo (desde a fosforlise at o aproveitamento na gliclise).
4.) Qual a funo da hidrlise de PPi no controle da sntese de glicognio?
5.) Esquematize as etapas de degradao total do glicognio, indicando as enzimas
envolvidas, reagentes e produtos da reao.
6.) Mostre como so coordenadas sntese e degradao do glicognio. Restrinja-se
ativao e inativao da fosforilase e da sintase, explicando a natureza do processo e
as enzimas envolvidas. (No considere o controle hormonal)
METABOLISMO DE CIDOS GRAXOS
1. Os triacilglicerdeos desempenham um papel de reserva de energia metablica.
Algumas de suas propriedades fsico-quimicas so ideais para essa funo: a) elevado
grau de reduo de seus C, maximizando a quantidade de energia livre liberada na
oxidao e b) alta hidrofobicidade, permitindo estocagem livre de gua (estoques
anidros). No por acaso que os triglicerdeos compe cerca de 90% da reserva de
energia metablica e tambm da dieta lipdica dos humanos.
2. A reserva de triacilglicerdeos do tecido adiposo mobilizada atravs da hidrlise a
glicerol e cidos graxos livres, catalisada por lpase especfica. Os cidos graxos livres
so carregados pela corrente sangunea na forma de complexos com albumina, que
representa 50% da protena do plasma. cidos graxos livres so muito insolveis, a
~1microM formam micelas, que so altamente txicas.
3. A via catablica de degradao de cidos graxos para produo de ATP ocorre na
matriz mitocondrial e se chama beta-oxidao. Esta via leva clivagem sequencial da
cadeia do cido graxo em pares de C, liberando a cada ciclo: 1acetilCoA, 1NADH e
1FADH2 (ver reaes abaixo), que alimentaro, respectivamente, o ciclo de Krebs e a
cadeia respiratria. Mas, a beta-oxidao exige previamente uma ativao inicial que
consome 1 ATP e libera o cido graxo na forma de acilCoA. Esta etapa preliminar de
ativao se d associada membrana externa da mitocndria e, a transferncia da
acilCoa para dentro da mitocndria, mediada pela carnitina.
Reaes de um ciclo de beta-oxidao.
O
R CH2 CH2 CH2 C S-CoA (acil-CoA)
oxidao FAD
FADH2
H O
R CH2 C = C C S-CoA (enoil-CoA)
H
hidratao H2O
HO H O
R CH2 C C C S-CoA (L-hidroxiacil-CoA)
H H
oxidao NAD+
NADH
O O
R CH2 C CH2 C S-CoA (ceto acil-CoA)
tilise CoA
O O
R CH2 C S-CoA + H3C C S-CoA (acetil-CoA)
4. A oxidao completa de uma molcula de palmitato (16C) a CO2 e H2O, atravs da
beta-oxidao, ciclo de Krebs e cadeia respiratria, rende 129ATP. importante
destacar que este rendimento, medido em ATP/mol-oxidado, muito superior ao da
oxidao completa de aucares e protenas, pois a oxidao de um cido graxo leva
liberao de 37,6kJ/g de energia livre, enquanto oxidao de aucares ou protenas
libera apenas 16,7kJ/g.
5. Os cidos graxos so sintetizados no citosol por via anablica prpria que adiciona
sequencialmente unidades de 2C cadeia em crescimento. Esta via alimentada por
acetilCoA, mas s a primeira unidade de 2C entra como acetilCoA, as subseqentes so
na forma de malonilCoA. Portanto, o acetilCoA precisa ser previamente ativado a
malonilCoA, por carboxilao e consumo de 1ATP, para permitir a reao de
condensao, levando ao crescimento da cadeia do cido graxo de uma unidade de 2C,
por ciclo de sntese. A ativao de acetilCoA catalisada pela acetilCoA-carboxilase, uma
enzima sujeita a controle complexo, envolvendo regulao alostrica e ativao /
desativao por modificao covalente (fosforilao / desfosforilao).
6. A sntese de palmitato (16C) altamente endergnica, obedecendo a sequinte
estequiometria:
AcetilCoA+7malonilCoA+14NADPH+7H+ palmitato+7CO2+14NADP++8CoA+6H2O
A elongao da cadeia alm de 16C e a insero de duplas ligaes feita por outros
sistemas enzimticos especializados, que se localizam na membrana do retculo
endoplasmtico. Mas, mamferos no possuem enzimas para introduzir duplas ligaes
em cadeias de cidos graxos acima do C9. Por isso, linoleato (18:2) e linolenato (18:3),
so cidos graxos essenciais que precisam ser adquiridos pela dieta.
7. importante destacar que animais degradam eficientemente glicose at acetilCoA
pela gliclise e assim podem converter C de acar em cadeias de lipdeo de reserva.
Mas, estes organismos no podem fazer o caminho de volta de cadeias de cido graxo
para glicose, pois no possuem reaes que convertam acetilCoA em piruvato ou
oxalacetato.
Grupo de discusso:
1.) Ponto de fuso dos cidos graxos. Os pontos de fuso de uma srie de cidos
graxos de 18 tomos de carbono so: cido esterico (69,9oC), cido olico
(13,4oC), cido linolico(-5oC) e cido linolnico (-11oC). Que aspecto estrutural
destes cidos graxos de 18 carbonos pode ser correlacionado com o ponto de
fuso? Fornea uma explicao molecular para esta tendncia do ponto de
fuso.
2.) Mostre como os cidos graxos so ativados antes de serem degradados. Em que
compartimento celular isso ocorre?
3.) Aonde e sob que forma so estocados os cidos graxos? Como os cidos graxos da
reserva metablica so mobilizados para serem oxidados na matriz mitocondrial?
3.) Explique os passos da -oxidao dos cidos graxos, partindo de uma molcula de
palmitato. Calcule o rendimento energtico da oxidao completa de palmitato a CO2
e H2O.
5.) Na -oxidao, a cadeia de cidos graxos degradada aos pares de carbono. Na
sntese de cidos graxos, a cadeia cresce tambm aos pares de carbono. No entanto, o
precursor na elongao da cadeia, durante a sntese, malonil-CoA e no acetil-CoA.
Explique porqu.
6.) Equacione as etapas que compem o conjunto de reaes que permitem adicionar
acetil-CoA cadeia de cido graxo crescente durante a sntese de palmitato. Mostre
que etapa torna o processo favorecido termodinamicamente.
7.) Compare a -oxidao e a biossntese de palmitato, mostrando diferenas e
semelhanas em:
a. carregadores de grupos acila;
b. reaes de xido-reduo;
c. coenzimas de xido-reduo;
d. gasto ou produo de energia em termos de equivalentes de ATP e de coenzimas
redutoras.
8.) Mostre como se d a oxidao do cido olico.
CICLO DAS PENTOSES.
1. Muitas funes celulares que envolvem reaes endergnicas so efetuadas graas
hidrlise exergnica de ATP. Outras reaes endergnicas, como a sntese de cidos
graxos e colesterol e a fotossntese, requerem NADPH, que tem um grande poder
redutor.
2. O grupo fosforila no carbono 2 de uma das unidades de ribose do NADPH o diferencia
de NADH. NADH oxidado pela cadeia respiratria para gerar ATP, enquanto que
NADPH serve
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