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