Bioenergética 2014-1
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“Pouco conhecimento faz com que as criaturas se
sintam orgulhosas, muito conhecimento faz com que se
sintam humildes, é assim que as espigas sem grãos
erguem desdenhosamente a cabeça para o céu,
enquanto que as cheias as baixam para a terra, sua
mãe”.
Leonardo Da Vinci.
BIOENERGÉTICA
Definição (Enquanto ciência):
É o estudo de fontes de energia em organismos
vivos e como essa energia é posteriormente
utilizada.
BIOENERGÉTICA
Definição:
É a extração e conversão de energia contida
nos nutrientes em energia biologicamente
utilizável, através de vias metabólicas que tem
por fim tanto a síntese como a degradação de
biomoléculas.
BIOENERGÉTICA
Para qualquer atividade física a energia
necessária deve ser “gerada”e usada pelo
corpo para realizar as tarefas.
ENERGIA
Sugere um estado dinâmico relacionado a uma mudança. Energia relaciona-se à realização de um trabalho.
Lei da Conservação de Energia
Energia (matéria) não se cria nem se perde, apenas se transforma
Os seres vivos são transformadores naturais de energia
Em toda transformação, uma parte da energia se converte sempre
em energia térmica
Lei da Transferência de Energia
Pode ser enunciada de várias formas:
A energia disponível de um sistema isolado decresce em todo
processo real;
A entropia de um sistema isolado aumenta em todos os
processos reais
TERMODINÂMICA
2ª Lei da Termodinâmica – Princípio da transferência de
energia
A tendência da energia potencial de degradar-se para energia
cinética do movimento com uma menor capacidade de realizar
trabalho (maior entropia).
ENTROPIA
Operacionalmente, Entropia é uma qualidade de Energia
incapaz de realizar trabalho;
A Entropia é uma presença constante em todos os
sistemas, processos e mudanças que ocorrem no universo;
Processos para a Liberação e a conservação de
energia
Processos exergônicos
• Qualquer processo físico ou químico que resulte na
liberação de energia para o meio ambiente;
• Representam processos “descendentes” de energia livre -
energia “útil” para o trabalho biológico que engloba
todos os processos que exijam energia e que são
responsáveis pela preservação da vida dentro das células.
-DG = DH - TDS
Processos para a Liberação e a conservação de
energia
Processos endergônicos
• Qualquer processo químico que armazene ou absorva
energia;
• Reações que representam processos “ascendentes” e
prosseguem com um aumento da energia livre para o
trabalho biológico.
+DG = DH - TDS
Valores de ΔG e Propriedades das Reações
Valor Relativo Tipo de Reação Efeito Observado Probabilidade de
Ocorrência
- ΔG ou ΔG < 0 Exergônica Libera Energia Provável
Espontânea
+ ΔG ou ΔG >0 Endergônica Absorve Energia Improvável
Provocada
ΔG = 0 Uma ou outra Reação em equilíbrio dinâmico, com
Energia mínima e Entropia máxima
Essa energia não está armazenada nas ligações químicas,
como erroneamente se pensa e diz: “o ATP tem ligações
de alta energia que é liberada na hidrólise da molécula”;
A energia aparece como diferença entre o conteúdo de
energia dos Produtos menos a energia dos Reagentes.
ΔG (Reação) = ΔG (Produtos) - ΔG (Reagentes)
No caso do ATP, a reação de hidrólise, é:
ATP + H2O ↔ ADP + H3PO4
Reagentes Produtos
A energia liberada equivale a:
ΔG (Reação) = ΔG (Produtos) - ΔG (Reagentes)
= -7 kcal(29,3 kJ)
Reações Espontâneas – Acoplamento de Reações
Se em qualquer sistema, for observado que as reações
(1) e (2) estão ocorrendo, é porque elas são acopladas;
A reação (1) começa a ocorrer, e antes que ela termine,
se inicia a reação (2), usando um dos produtos da
reação (1);
Exemplos:
(1) PEP + H2O ↔ Piruvato + Pi ΔG°1 = -62 kJ.mol¯¹
(2) ADP + Pi ↔ ATP + H2O ΔG°2 = +30,5 kJ.mol¯¹
(3) PEP + Pi ↔ Piruvato + ATP ΔG°3 = -31,5 kJ.mol¯¹
Toda reação que ocorre em dois sentidos, é espontânea em
um sentido, e provocada no sentido oposto:
Sentido Espontâneo (-ΔG)
A + B ↔ C + D
Sentido Provocado (+ΔG)
No sentido espontâneo, ela libera uma quantidade de
energia (-ΔG), e na volta, ela necessita da mesma
quantidade de energia (+ΔG), para ocorrer;
Exemplo:
Espontâneo H2O ↔ H + OH¯ ΔG = -19 Kcal
Provocado H + OH¯ ↔ H2O ΔG = +19 Kcal
+
+
Metabolismo
“É uma atividade celular altamente coordenada na qual diversos sistemas multienzimáticos atuam conjuntamente visando quatro funções”:
Metabolismo
1. Obter energia química, seja por captação da energia solar, seja por degradação de compostos ricos em energia obtidos do meio ambiente;
Metabolismo
2. Converter as moléculas dos nutrientes em moléculas com características próprias de cada célula;
Metabolismo
3. Formar macromoléculas, tais como proteínas, ácidos nucléicos e polissacarídeos, a partir de precursores monoméricos;
Metabolismo
4. Sintetizar e degradar biomoléculas necessárias a funções celulares especializadas, tais como lipídios de membrana, mensageiros intracelulares e pigmentos.
Trabalho Biológico nos Seres Humanos
• Trabalho Mecânico
• Trabalho Químico
• Trabalho de Transporte
Trabalho de Transporte
Consiste em concentrar
substâncias no organismo contra
um determinado gradiente de
concentração
AS BASES PARA A DIGESTÃO E A SÍNTESE
Reações de Hidrólise
– A hidrólise cataboliza moléculas orgânicas complexas
– Ch´s, Lp´s e Pt´s.
AB + HOH A – H + B – OH
Reações de Condensação
– Componentes estruturais dos nutrientes se unem nas
reações de condensação para formar moléculas e
compostos mais complexos.
Energia Química
Os alimentos contêm energia química.
É estocado em nosso corpo como glicogênio, gordura e proteína.
Pode ser liberada para fornecer a energia
necessária para produzir ATP
ATP Mais importante fonte de suporte energético para a contração muscular durante o exercício.
Uma molécula que estoca enrgia na forma de ligações químicas.
Composta de um grupo adenina, um grupo ribose e três grupos fosfatos.
ADP + Pi
FONTES DE ENERGIA PARA A
CONTRAÇÃO MUSCULAR
• ATP
• METABOLISMO ANAERÓBIO
• METABOLISMO AERÓBIO
FOSFOGÊNICO
GLICOLÍTICO
Fosfato de Creatina
• Ressíntese de ATP através da cisão anaeróbica de um fosfato proveniente do PCr;
PCr + ADP Cr + ATP Creatina cinase
Os aumentos transitórios no ATP dentro da unidade contrátil do músculo durante a contração muscular desviam a reação catalizada pela creatina cinase na direção da hidrólise de PCr e da produção de ATP.
Capaz de fornecer a maioria do ATP
quando a energia muscular é necessária
para um tempo curto.
Irá fornecer energia no estado inicial de
todos os tipos de exercício.
O ATP é produzido anaerobiamente.
Sistema fosfocreatina
Reação de Adenilato Cinase
Representa outra reação mediada por uma única
enzima para a regeneração do ATP.
2 ADP ATP + AMP Adenila cinase
Também conhecido como glicólise
anaeróbia.
Dois tipos de glicólise: Rápida
Lenta
Produz um ganho líquido de 2 ATPs
Sistema Glicolítico
Glicólise: é um processo exotérmico
6C Glicose ATP ATP
ADP ADP
P ~ 6C ~ ´P
* 2 ATPs ativam o processo
3C ~ P 3C ~ P
Pi Pi
P ~ 3C ~ P
NAD NAD
NADH2 NADH2
P ~ 3C ~ P
ADP
ATP
ADP
ATP
P ~ 3C P ~ 3C ADP
ATP
ADP
ATP
3C
C3H4O3
3C
C3H4O3
Piruvato
* A glicose sofre uma cascata
de reações, reduzindo-se a 2
trioses (piruvato)
* Formam-se 4 ATPs,
logo o saldo energético
é de 2 ATPs
O piruvato é convertido para Acetil-CoA se
o oxigênio está presente, e para ácido
lático se o oxigênio não está presente.
Glicólise Lenta
Hidrólise da glicose para piruvato e para
ácido lático anaerobicamente com a
produção líquida de 02 ATPs.
Glicogênio 03 ATPs
Glicólise Rápida
O sistema aeróbio oxida carboidratos ou
outras estruturas contendo carbono
obtidas de lipídios ou proteínas:
Duas partes: TCA
CTE
Sistema Oxidativo
Oxidação Celular
A oxidação – redução celular constitui o mecanismo
bioquímico responsável pelo metabolismo energético.
Transporte de elétrons
– Enzimas desidrogenases;
– Nicotinamida – adenina dinucleotídeo
– Flavina – adenina dinucleotídeo
– Citocromos
– Fosforilação oxidativa
Cadeia Respiratória NADH2
FADH2
Citocromo b
Citocromo c
Citocromo a Citocromo a3
½ O2
2
e
2
e 2
e
2
e 2
e 2
e
ATP
ATP
ATP
2H+
H2O
Cristas mitocondriais
Os hidrogênios removidos do substrato pelo NAD/FAD reagem com o oxigênio
proveniente do meio, formando água e liberando energia que será utilizada para
refazer os ATPs.
O sistema aeróbio pode produzir muito
mais ATPs por molécula de glicose que o
sistema anaeróbio, mas não produz ATP
rapidamente.
A intensidade deve permanecer igual ou
inferior ao estado estacionário (O2
fornecido = O2 demandado).
Sistema Aeróbio
Série de reações metabólicas controladas
por enzimas.
Localizado na mitocôndria.
Desempenha papel integral na oxidação de
carboidratos, gorduras e proteínas.
Gera elétrons para a CTE.
Ciclo de Krebs
Localizado na membrana interna da
mitocôndria.
Responsável pela produção aeróbica de
ATP.
Usa carreadores de elétrons – FAD+ e NAD
+
Sistema Transportador
de Elétrons
Balanço Energético da Respiração
Citosol Glicólise: 4 ATPs – 2 ATPs = 2 ATP
2 NADH2 x 3 ATP = 6 ATP
Rendimento total da glicólise 8 ATP
Mitocôndria 1 Ácido pirúvico 1 ácido acético: 1 NADH2 = 3 ATP
Ciclo de Krebs: 3 NADH2= x 3 ATP = 9 ATP
1 FADH2 = x 2 ATP = 2 ATP
1 ATP = 1 ATP
Rendimento total do Ciclo de Krebs 15 ATP
Rendimento total da
respiração em
procariontes
30 ATP + 8 ATP = 38 ATP
Rendimento total da
respiração em
eucariontes
38 ATP – 2 ATP = 36 ATP
Papel do Oxigênio no Metabolismo
Energético
Pré-requisitos para a ressíntese contínua do ATP
durante a fosforilação oxidativa:
– Disponibilidade do agente redutor NADH (ou FADH2) nos
tecidos;
– Presença do agente oxidante oxigênio nos tecidos;
– Concentração suficiente de enzimas e de mitocôndrias para
garantir que as reações de transferência de energia possam
prosseguir com o seu ritmo apropriado
Papel do Oxigênio no Metabolismo
Energético
No exercício extenuante, a
inadequação no fornecimento
de oxigênio ou em seu ritmo de
utilização cria um desequilíbrio
relativo entre a liberação de
hidrogênio e sua aceitação final
pelo oxigênio.
Metabolismo Aeróbio
Refere-se às reações catabólicas
geradoras de energia nas quais
o oxigênio funciona como um
aceitador final de elétrons na
cadeia respiratória e se combina
com o hidrogênio para formar
água.
CLASSIFICAÇÃO DA VIA ENERGÉTICA CONFORME
A DURAÇÃO DA ATIVIDADE
ATP
(Até 4 seg)
FORÇA EXPLOSIVA
(Levantamentos de peso, saltos, saques,
etc)
ATP – CP
(Até 10 seg)
VELOCIDADE - FORÇA DINÂMICA
(Sprints, arrancadas, provas de ginástica
artísitca, etc)
ATP – CP + ÁCIDO LÁTICO
(até 1:30”)
RESISTÊNCIA ANAERÓBICA
(Corridas de 200 a 400 m, 100m livre, etc)
SISTEMAS NÃO OXIDATIVOS
+
IMEDIATOS E DE CURTA
DURAÇÃO
+
SISTEMA OXIDATIVO
(> 3 min)
RESISTÊNCIA AERÓBICA
(Corridas acima de 800 m)
A intensidade do exercício é a mais
importante variável relatada a qual
o sistema energético é ativado para
produzir ATP para o trabalho
muscular.
SUBSTRATOS ENERGÉTICOS - ATP
1. Triacilglicerol e glicogênio muscular;
2. Glicogênio Hepático;
3. Ácidos graxos livres;
4. Esqueletos de carbono intramusculares;
5. Reações anaeróbias no citosol;
6. Fosforilação do ADP pelo PCr (creatina cinase) e pela adenilato cinase
b-oxidação:
Oxidação de ácidos graxos em acetil-CoA
(unidades de 2 carbonos).
Acontece em repetições de 4 etapas principais
(para ácidos graxos saturados e com # de C par):
Desidrogenase (-CH2-CH2- -CH=CH-)
Hidratase (-CH=CH- -CH2-CHOH-)
Desidrogenase (-CH2-CHOH- -CH2-C=O)
Acetil-transferase (produção de acetil-CoA)
Ácido lático formado a partir da glicólise
rápida é imediatamente convertida em
lactato.
É um composto metabólico útil que pode ser
transportado para o fígado e transformado
em glicose. Então usado pelo corpo como
combustível durante a recuperação do
exercício
Lactato
O limiar de lactato – o ponto onde o
lactato sanguíneo inicia um crescimento
não-linear a uma intensidade específica
do exercício, pode ser usado como um
preditor de performance
Lactato
Depende da demanda da atividade.
Sistema de energia anaeróbio são mais
eficientes para produção imediata de ATP.
O sistema de energia aeróbia é mais
eficiente para produzir ATP ao lngo de um
tempo contínuo.
Eficiência das vias de
produção de energia
Acúmulo de subprodutos (Ácido Lático e
amônia).
Depleção de PCR ou de substratos.
Fator limitante metabólico em uma dada
atividade determinada pela intensidade e
duração da atividade.
Fatores Limitantes de
Performance