11_aulas_teoricas_21_MAI_2.pdf
-
Upload
hugo-nogueira -
Category
Documents
-
view
215 -
download
0
Transcript of 11_aulas_teoricas_21_MAI_2.pdf
JÁ FORAM ADQUIRIDOS OS CONCEITOS PARA
COMPREENDER A BIOENERGÉTICA ?
Quais as reações tipo?
E fenómenos como o enrolamento das proteínas ou o transporte ativo?
Como podem ser interpretadas do ponto de vista termodinâmico?
O
OH O
O
P+
O
OH O
O
P
O
OH O
O
P
OH
OH O
O
P
O
H
OH
H
OH
HH
CH2N
NN
N
NH2
O
O
O
P
O
O
O
P
O
O O
O
P
ribose
adenina
fosfato
ATP
Potenciais de transferência do grupo fosfato
adenosina trifosfato (ATP)
A reação de hidrólise do ATP
A tendência para uma molécula transferir um grupo fosfato pode ser quantificada pelo valor de ∆G' para a reação de transferência de um grupo fosfato para um composto referência, em solução aquosa.
ATP + H2O ADP + Pi =-7,7 kcal/mol
e
glucose-6-fosfato + H2O glucose + Pi =-3,3 kcal/mol
'0
PG∆∆∆∆
'0
PG∆∆∆∆
Potenciais de transferência do grupo fosfato
composto '0PG∆ (kcal/mol) Potencial de transferência
do grupo fosfato
Fosfoenolpiruvato -14,8 14,8
1,3-difosfoglicerato -11,8 11,8
Fosfocreatina -10,3 10,3
Acetilfosfato -10,1 10,1
Fosfoarginina -7,7 7,7
ATP (a ADP) -7,3 7,3
Glucose-1-fosfato -5,0 5,0
Frutose-6-fosfato -3,8 3,8
Glucose-6-fosfato -3,3 3,3
Glicerol-1-fosfato -2,2 2,2
DOADORES DE FOSFATO
Potenciais de transferência do grupo fosfato
A hidrólise do ATP em condições celulares∆G = ∆G’0 + RT ln Qreacção
Potenciais de transferência do grupo fosfato
Fosfoenolpiruvato + ADP piruvato + ATP
'0
PG∆∆∆∆
Então para a reação total
= (-55,6 + 32,2) = -23,4 kJmol-1
Fosfoenolpiruvato + H2O piruvato + Pi = -55,6 kJmol-1
ADP + Pi ATP + H2O = +32,2 kJmol-1
'0
PG∆∆∆∆'0
PG∆∆∆∆
Pode considerar-se que duas reações químicas ocorrem simultaneamente.
REAÇÕES ACOPLADAS
REAÇÕES ACOPLADAS
Nos sistemas biológicos:
- uma reação endergónica está acoplada a uma reação exergónica de forma a que a reação global seja exergónica
- geralmente a reação exergónica é a hidrólise de ATP a ADP e Pi
- a reação acoplada é frequentemente catalisada por umaenzima (controlo cinético do processo)
Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.
A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):
++++
4NH + Gato Gina + H2O
Exemplo - Síntese dos aminoácidos
Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.
A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):
++++
4NH + Gato Gina + H2O
Exemplo - Síntese dos aminoácidos
Reações do metabolismo dos aminoácidos
Síntese dos aminoácidos é umoutro exemplo que permitevisualizar a importância das reações de acoplamento.
A formação de glutamina (Gina) a partir do glutamato (Gato):
é caracterizada por uma constante de equilíbrio nas condições fisiológica(pH=7) de K≅ 0,003Então pode escrever-se:
++++
4NH + Gato Gina + H2O
[[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] 0030
4
,NHG
GK
ato
ina
G========
++++
∆G0 = -RTln KG = + 3,4 kcal
A síntese de glutamina a partir de glutamato não ocorreria espontaneamente no organismo
Exemplo - Síntese dos aminoácidos
Contudo esta reação está acoplada à reação de hidrólise do ATP
ADP + Pi ATP + H2O ∆H= + 32,2 kJ mol-1
+ Gato + ATP Gina + ADP + Pi++++
4NH
[[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]] 6009
4
,ATPNHG
PiADPGK
ato
ina
ATP,G========
++++
e o valor de = -RTln KG,ATP = -5,4 kcal'
ATP,GG 0∆∆∆∆
Exemplo - Síntese dos aminoácidos
A partir da reacção de síntese da glutamina sozinha e acoplada à reacção de hidrólise do ATP pode ser retirada informação sobre a reacção de hidrólise do ATP.
[[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]] [[[[ ]]]] [[[[ ]]]]
[[[[ ]]]] [[[[ ]]]][[[[ ]]]]
6
4
4 1030030
9600x
,ATPPiADP
NHG/GATPNH/GPiADPG
K
K
atoina
atoina
G
ATP,G ================++++
++++
A partir deste resultados é possível obter o valor de =-7,7 kcalpara a hidrólise do ATP
ATP+ H2O ADP + Pi =-7,7 kcal
'
ATPG 0∆∆∆∆
'
ATPG 0∆∆∆∆
Exemplo - Síntese dos aminoácidos
A reação global de oxidação (combustão) da glucose empresença de O2(g) para formar CO2(g) e H2O(l) estáassociada a uma variação de energia de Gibbs bastantenegativa. Usando os valores da variação da energia livre deGibbs de formação a 298 K obtém-se para a reação um
= -2878 kJ0
298G∆∆∆∆
C6H12O6(s) + 6 O2 (g) 6 CO2 (g) + 6 H2O (l)
A maior parte desta variação de energia livre é devida à contribuição entálpica ∆H = -2801 kJ e relativamente pouco devida à contribuição entrópica, -T∆S = -77,2 kJ.
Glicólise
Assim quando a glucose sofre combustão diretamente com o oxigénio, quase toda a energia é libertada como calor. No entanto nas células dos organismos uma fração significativa é retida como energia de ligação química, por exemplo na forma de ATP ou na forma de outras moléculas sintetizadas.
Glicólise
piruvatociclo
do ácido cítrico
Nos organismos aeróbicos
Mitocondria
CO2 + H2O
lactato
Em condições menos aeróbicas
no músculo
Em condições anaeróbicasno mosto
etanol
glucose
Glicólise
Glicólise
1,3-Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
2-Fosfoglicerato
Glucose
Glucose-6-fosfato
Frutose-6-fosfato
Frutose-1,6-difosfato
ATP
ADP
ATP
ADP
Dihidroxiacetona fosfato
Gliceraldeido-3-fosfato NAD+ + Pi
NADH+H+
ADP
ATP
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
ADP
ATP
∆∆∆∆Go’(kJmol -1)
-16,7
+1,7
-14,2
+23,8
2(+6,3)
2(-18,8)
2(+4,6)
2(+1,7)
2(-31,4)
H2O
ciclo do ácido cítrico
Nos organismos aeróbicos
Mitocondria
CO2 + H2O
Metabolismo da glucose para a
conversão de glucose a piruvato
nas células
O primeiro passo do metabolismo da glucose é a formação deglucose-6-fosfato.Esta reação é uma reação com um ∆G positivo que ocorre espontaneamente no organismo porque está acoplada à reação de hidrólise do ATP (mas que está sob controlo cinético através da enzima hexocinase).
glucose + fosfato glucose-6-fosfato + H2O'0G∆ =+14,3 kJ
ATP + H2O ADP + fosfato'0G∆ =-31,0 kJ
glucose + ATP glucose-6-fosfato + ADP'0G∆ =-16,7 kJ
Glicólise
Glicólise
1,3-Bisfosfoglicerato
3-Fosfoglicerato
2-Fosfoglicerato
Glucose
Glucose-6-fosfato
Frutose-6-fosfato
Frutose-1,6-difosfato
ATP
ADP
ATP
ADP
Dihidroxiacetona fosfato
Gliceraldeido-3-fosfato NAD+ + Pi
NADH+H+
ADP
ATP
Fosfoenolpiruvato
Piruvato
ADP
ATP
∆∆∆∆Go’(kJmol -1)
-16,7
+1,7
-14,2
+23,8
2(+6,3)
2(-18,8)
2(+4,6)
2(+1,7)
2(-31,4)
H2O
ciclo do ácido cítrico
Nos organismos aeróbicos
Mitocondria
CO2 + H2O
Metabolismo da glucose para a
conversão de glucose a piruvato
nas células
Logo, numa via metabólica baseada numa cadeia de reações, o contributo favorável dos parâmetros termodinâmicos para a sua ocorrência não pode ser baseado num passo específico, mas sim avaliado pela variação da energia livre de Gibbs do processo global.
Glicólise
'0n
'02
'01
'0T G...GGG ∆++∆+∆=∆
KT = K1 x K2 x … x Kn
RTln(KT) = RTln(K1) + RTln(K2) + … + RTln(Kn)
Termodinâmica e estruturas biológicas
• Porque as proteínas assumem uma determinada
conformação?
• Porque ocorre desnaturação (alteração da conformação) com
o aumento da temperatura?
• Como é formada e como se mantém estável a estrutura em
dupla camada nas membranas biológicas?
Qual o papel da termodinâmica na formação das estruturas biológicas?
Estrutura das proteínas
Aminoácidos
Estrutura das proteínas
Ligação
peptídica
Estrutura das proteínas – forças inter-atómicas
Oxidação de dois resíduos
sulfidrilo (intermolecular:
ribonuclease; entre
subunidades: insulina)
fraca (2-5 kcal/mol vs.
covalente: 70-100 kcal/mol),
mas presente em abundância
fraca (3 kcal/mol), é
afetada pelo pH
Interações dipolo-dipolo induzido: forças de van der Waals (transiente e fraca: 0.1-0.2 kcal/mol)
Interações hidrofóbicas, tendência apresentada por grupos hidrofóbicos que leva à minimização da interação
com o meio hidrofílico
Forças inter-atómicas e estrutura das proteínas
• Interações entre átomos dentro da cadeia da proteína
• Interações entre a proteína e o solvente
Forças que estabilizam a estrutura das proteínas
• Ligação covalente 250 kJ/mol
• Ligação de hidrogénio 20 kJ/mol
• Complexação com metais
• Interações iónicas
• Pontes dissulfureto
• Interações electrostáticas 5 kJ/mol
• Van der Waals 1-5 kJ/mol
Forças que estabilizam a estrutura das proteínas: tipos de ligação
Forças inter-atómicas e estrutura das proteínas
Estrutura das proteínas – forças inter-atómicas
sequência de
aminoácidos
interações
locaisinterações mais
afastadas
interações entre
subunidades
A estrutura da proteína depende da sequência de aas e interações
Estrutura terciária e função catalítica
Efeito hidrofóbico
O que ocorre quando uma molécula apolar é transferida para um solvente
polar?
CH4 (em CCl4) CH4 (aq)
∆G = + 12 kJ mol-1
∆H = - 10 kJ mol-1
∆S = - 75 kJ mol-1
Efeito hidrofóbico – formação de pontes de hidrogénio
Efeito hidrofóbico
As moléculas de
água formam uma
“gaiola”, rodeando
a molécula apolar
Efeito hidrofóbico
Efeito hidrofóbico
O que ocorre quando uma molécula apolar é transferida para um solvente
polar?
CH4 (em CCl4) CH4 (aq)
∆G = + 12 kJ mol-1
∆H = - 10 kJ mol-1 devido às pontes de H
∆S = - 75 kJ mol-1 devido ao aumento da organização do solvente
Efeito hidrofóbico – membranas
Efeito hidrofóbico - proteínas
Maior exposição da zonahidrofóbica,
maior organizaçãodo solvente
Menor exposição da zonahidrofóbica,
maior desorganizaçãodo solvente
não enrolada(unfolded)
enrolada(folded)
HOH HOH
+
Observação:
• Os resíduos hidrofóbicos localizam-se para o interior e os hidrofílicos para o exterior
• A superfície exterior das proteínas pode ser constituída por cerca de 60% de átomos polares
• O enrolamento das proteínas (folding) ocorre de forma a maximizar a eficiência das ligações por pontes de hidrogénio no solvente (água).
Termodinâmica do enrolamento (folding) das proteínas
No caso das proteínas…
Justificação:
• Quando os resíduos hidrofóbicos estão expostos para o solvente a estrutura por pontes de hidrogénio da água é desfeita.
• A quebra das pontes de hidrogénio na água não é energeticamente favorável.
• As moléculas da água reorientam-se em torno das moléculas hidrofóbicas (∆S < 0).
• A estrutura hidrofóbica é compactada: parte das moléculas de água é afastada e deixa de estar em contacto com a estrutura proteica (∆S > 0).
No caso das proteínas…
Termodinâmica do enrolamento (folding) das proteínas
Termodinâmica - proteínas
� Durante a biossíntese de proteínas, a ligação de um dado aminoácido ao respectivo
tRNA é catalisada por uma enzima, designada por aminoacil-tRNA sintetase, que por
sua vez é específica para um dado aminoácido.
Considerando a enzima isoleucil-tRNA sintetase, foram obtidos os seguintes dados
sobre a ligação desta enzima a distintas moléculas de tRNA:
Substrato ∆H0 / kJ mol-1 ∆S0 / J mol-1 K-1
tRNA (isoleucina) 0 + 142,0
tRNA (valina) +33,4 +225,7
A partir destes valores, calcule a razão que traduz o favorecimento da ligação correcta
(tRNA (isoleucina)) comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) a 293 K
e a 313 K.
Termodinâmica - proteínas
� Durante a biossíntese de proteínas, a ligação de um dado aminoácido ao respectivo
tRNA é catalisada por uma enzima, designada por aminoacil-tRNA sintetase, que por
sua vez é específica para um dado aminoácido.
Considerando a enzima isoleucil-tRNA sintetase, foram obtidos os seguintes dados
sobre a ligação desta enzima a distintas moléculas de tRNA:
Substrato ∆∆∆∆H0 / kJ mol-1 ∆∆∆∆S0 / J mol-1 K-1
tRNA (isoleucina) 0 + 142,0
tRNA (valina) +33,4 +225,7
A partir destes valores, calcule a razão que traduz o favorecimento da ligação correcta
(tRNA (isoleucina)) comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) a 293 K
e a 313 K.
Termodinâmica - proteínas
A razão que traduz o favorecimento da ligação correcta (tRNA (isoleucina))
comparativamente com a ligação incorrecta (tRNA (valina)) é dada por:
))valina(tRNA(ligaçãoK
))isoleucina(tRNA(ligaçãoK
eq
eq
Considerando novamente a relação
RT
H
R
SKln
00
eq∆−∆=
é possível calcular os valores de ln Keq para a ligação entre a enzima isoleucil-tRNA
sintetase e cada uma das moléculas de tRNA.
Termodinâmica - proteínas
tRNA (isoleucina)
T = 293 K e 313 K ln Keq = ∆S0 / R porque ∆H0 = 0
ln Keq = 142 / 8,314 = 17,08
tRNA (valina)
T = 293 K ln Keq = ∆S0 / R - ∆H0 / (RT)
ln Keq = 225,7 / 8,314 – 33,4 x 103 / (8,314 x 293) = 13,46
T = 313 K ln Keq = 225,7 / 8,314 – 33,4 x 103 / (8,314 x 313) = 14,31
Termodinâmica - proteínas
Razão a 293 K
incorrectaeqKlncorrectaeqKln
incorrectaeqKln
correctaeqKln
eq
eqe
e
e
incorrectaK
correctaK −==
3,37eincorrectaK
correctaK 46,1308,17
eq
eq == −
0,16eincorrectaK
correctaK 31,1408,17
eq
eq == −
Razão a 313 K