1

Reacções de redox nos seres vivos

nutrientes2

As reacções de oxi-redução costumam definir-se como reacções em que há transferência de electrões.

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

...mas também se podem definir como reacções em que há variação do número de oxidação em cada um dos pares redox envolvidos na reacção.

Zn Zn2+ + 2 e-

Cu2+ + 2 e- Cu

Zn Zn2+

Cu2+ Cu2 e-

3

Nas reacções de oxi-redução há variação no número de oxidação de um ou mais elementos dos reagentes.Para determinar o número de oxidação (n.o.) de um elemento:

1- Atribuem-se os electrões envolvidos na ligação ao elemento mais electronegativo.

2- Um determinado átomo terá um n.o. negativo se “recebe” electrões dos átomos vizinhos: o valor numérico corresponde ao número de electrões que “recebeu”; no caso inverso o n.o. é positivo...

1- o C é mais electronegativo que o H ⇒atribuem-se os electrões envolvidos na ligação ao C.

2- o C “recebe” 4 electrões ⇒n.o. do C = - 4.

3- cada um dos átomos de H “perdeu” 1 electrão para o C ⇒n.o. do H = +1.

4

No dióxido de carbono o n.o. do C é +4 e o do oxigénio –2.

No monóxido de carbono o n.o. do C é +2 e o do oxigénio –2.

O n.o. do carbono do formol (metanal) é zero: “perde” 2 electrões para o O mas “ganha” 2 dos H.

5

Quando, na glicólise, a glicose se converte em ácido pirúvico,dizemos que a glicose se oxida...

n.o.= +1n.o.= 0n.o.= 0n.o.= 0n.o.= 0n.o.= -1

n.o. médio = 0

n.o.= +3n.o.= +2n.o.= -3

n.o. médio = + 2/3

6

Regra simples para calcular, a partir da fórmula molecular,

o número de oxidação médio dos carbonos da maioria dos compostos orgânicos

Caso ácido pirúvico

n.o. médio =(O X 2) + (N X 3) + (S X 2) – H + carga da molécula

C

Caso ião piruvato

C3H4O3

C3H3O3-

carga negativa ⇒número negativo

n.o. médio = [3 X 2 – 4]/3 = + 2/3

n.o. médio = [3 X 2 – 3 - 1]/3 = + 2/3

7

As reacções de dissociação protónica (ácido-base) não são reacções de oxi-redução.

No ácido pirúvico o electrão que “pertencia” ao hidrogénio já estava atribuído ao oxigénio onde se ligava.

Quando o protão sai, o electrão que fica no anião piruvato continua atribuído ao oxigénio.

ac. pirúvico piruvato + protão

8

Pelo contrário, quando uma substância perde átomos de hidrogénio (os electrões e os protões) diz-se que se oxida...

Os electrões dos H ligados ao carbono 1 do etanol “estavam atribuídos” a esse carbono. Quando esses hidrogénios saem formando-se o etanal, esses electrões “deixam de pertencer” a esse carbono.

n.o. = -1

n.o. = + 1

2 e- 2 H+

9

Na reacção em que o etanal passa a ácido acético pode parecer que quem se oxida (perde os hidrogénios) é a água...

...mas o n.o. dos átomos do O e do H não varia.

2 e- 2 H+

n.o. = + 3n.o. = +1

O elemento que sofre aumento no n.o. é o C1 do etanal

10

As reacções de hidrólise também não são reacções de oxi-redução.

n.o.= +2 n.o.= +1

n.o.= +1n.o.= +2

11

A transformação 2-fosfoglicerato → fosfoenolpiruvato + H2O evidencia o carácter convencional da classificação das reacções.

O C2 oxida-se (0 → +1) ⇒ haveria uma oxidação

O C3 reduz-se (-1 → -2) ⇒ haveria uma redução

O n.o. médio dos carbonos (2/3) não varia ⇒ não é reacção redox

H2On.o. = 0

n.o. = +1

n.o. = -1 n.o. = -212

O2• - n.o. = - ½

O2

n.o. = - 1

n.o. = 0

e-

H2O2

e-

n.o. = - 2OH-

e-

OH•

O n.o. do oxigénio é zero no O2 e -2 na maioria dos casos mas...

13

As enzimas que catalisam reacções de oxi-redução classificam-se como oxi-redútases:Embora a nomenclatura que se aplica às enzimas não siga normas rígidas algumas ideias podem ser úteis.

Exemplos de nomes associados a oxi-redútases:

Desidrogénases

Redútases

Oxídases

Oxigénases

Peroxídases

Catálase

Dismútases

dinucleotídeos são substratos

catalisam reacções de dismutação

O2 é o oxidante directo

o H2O2 é reduzido a água...

14

1) As desidrogénases catalisam reacções do tipo:

AH2 +

NAD+

NADP+

FADFMN

A +

NADHNADPHFADH2FMNH2desidrogénase de AH2

15

Exemplo: desidrogénase da glicose-6-P

2 e-

NADP+ NADPH

H+

H+

n.o. = +1n.o. = +3

Glicose-6-P + NADP+ 6-fosfogliconolactona + NADPH + H+16

mas há uma excepção...

NADH + Q

desidrogénase do NADH

NAD+ + QH2

desidrogénasedo lactato

Dissemos que, independentemente do sentido – directo ou inverso – em que a reacção ocorre, quando um composto orgânico (AH2) é oxidado pelo NAD+

a enzima que catalisa a reacção chama-se desidrogénase do AH2.

17

2) A maioria das redútasescatalisa reacções do mesmo tipo das desidrogénasesmas o redutor é o NADPH...

AH2 +

NAD+

NADP+FADFMN

A +

NADH

NADPHFADH2FMNH2

redútase do A

NADPH NADP+

2 e- H+

H+

Exemplo: redútase do glutatião

n.o. = -1 n.o. = -2

18

3) As oxídases catalisam reacções em que o O2 é um dos reagentes que se reduz a H2O, a peróxido de hidrogénio (H2O2) ou a superóxido (O2

• -).

2 cyt. c (Fe2+) + ½ O2 2 cyt. c (Fe3+) + H2Ooxídase do citocromo c

protoporfirinogénio + O2 protoporfirina + H2O2oxídase do protoporfirinogénio

NADPH + 2 O2 NADP+ + 2 O2• -

oxídase da NADPH

n.o. = -2

n.o. = -1

n.o. = - ½

Em qualquer dos casos o n.o. do O2 que era zero diminui...

19

2 2 Fe3+Fe2+

2 e-

2 H+

½ O2 H2On.o. = 0 n.o. = -2

A oxídase mais conhecida é a oxídase do citocromo c, uma enzima da cadeia respiratória também conhecida como complexo IV.

20

84%

16%

Firefly luciferase produces H2O2 as a coproduct in dehydroluciferyl-adenylate formationHugo Fraga, Diogo Fernandes, Jiri Novotny, Rui Fontes and

Joaquim C.G. Esteves da Silva

A oxídase menos conhecidaé a luciférase do pirilampo.

21

4) As monooxigénases (também chamadas oxigénases de função mista) catalisam reacções em que o O2 é o oxidante directo, sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar num composto orgânico que é oxidado e o outro vai formar água.

WH2

VOH

O2

VH

W

H2O

São frequentemente chamadas hidroxílases; neste caso seria hidroxílase do VH

22

tirosinafenilalanina

tetrahidrobiopterina dihidrobiopterina

Exemplo: a hidroxílase da fenilalanina

23

Em geral, as monooxigénases fazem parte de sistemas enzímicosem que uma redútase dependente do NADPH reduz W a WH2permitindo que muitas moléculas de VH sejam oxidadas.

WH2

VOH

O2

VH

W

H2O

NADPHNADP+Redútase do W

Monooxigénase

VHVH

VH

VH

VHVH

VOHVOHVOH

VOHVOH

24

tirosinafenilalanina

tetrahidrobiopterina dihidrobiopterina

NADPHNADP+

Redútase da dihidrobioperina

Hidroxílase da fenilalanina

Actividade do sistema enzímico “Hidroxílase da Fenilalanina”:

Fenilalanina + NADPH + O2 Tirosina + NADP+

25

5) As peroxídases catalisam reacções em que o H2O2 é o agente oxidante directo de um composto orgânico.

2 e- 2H+

H2O2 2 H2O

Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida

n.o. = -2

n.o. = -1

n.o. = -1 n.o. = -2 26

7) A dismútase do superóxido catalisa a dismutação do superóxido: 2 O2

• - → O2 + H2O2

O2• -

O2• -

n.o. = - ½

O2

H2O2 n.o. = - 1

n.o. = 0

e-

2H+

6) A catálase catalisa a dismutação do peróxido de hidrogénio: 2 H2O2 → O2 + 2 H2O

H2O2

n.o. = - 1

O2

2 H2O n.o. = - 2

n.o. = 0

2 e-

H2O2

27

n.o. = - 1H2O2

n.o. = - 2

OH-e-

OH•

Fe2+

Fe3+

A reacção de Fenton é uma reacção de oxi-reduçãonão enzímicaque se acredita ter importância na formação do radical hidroxilonos seres vivos

Nem todas as reacções de oxi-redução com interesse biológico são catalisadas por enzimas.

28

OH•

H2O

O2

O radical hidroxilo pode, oxidando moléculas componentes dos seres vivos, originar radicais orgânicos muito reactivos...que estão na origem da formação de peróxidos orgânicos.

29

comeringerir substâncias no estado reduzido que vão ser oxidadas a CO2

e respirarinspirar O2, o oxidante último dos nutrientes e expirar o produto da oxidação dos nutrientes

O que os seres vivos sabem fazer melhor é…

30

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

n.o. = + 4n.o. = 0

n.o. = 0 n.o. = -2

A oxidação dos nutrientes é um processo que, embora ocorra por mecanismos distintos, assemelha-se muito à oxidação da gasolina num automóvel.

Em ambos os casos:

um composto orgânico oxida-se a CO2enquanto o O2 se reduz a H2O.

31

C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O

n.o. = + 4n.o. = 0

n.o. = 0 n.o. = -2

Semi-equação de oxidação:

C6H12O6 + 6 H2O → 6 CO2 + 24 e- + 24 H+

Semi-equação de redução:

6 O2 + 24 e- + 24 H+ → 12 H2O

C6H12O6 6 CO2

6 O2 12 H2O24 e-

32

- 0,43 VCO2 / glicose6 CO2 + 24 e- + 24 H+ →glicose + 6 H2O

0 VH+ / H22 H+ + 2 e-→ H2

+ 0,81 VO2 / H2O6 O2 + 24 e- + 24 H+ →12 H2O

potencial redoxpadrão (Eº’)

par redoxforma oxidada / forma reduzida

Semi-equação de redução

Equação de Nernst:

∆ Eº´=0,059

nlog Keq

∆ Eº´= 1,24 V ⇔ Keq ≈ 10 500

24 e-

⇔ log Keq =n ∆ Eº´0,059

Apesar desta Keq a reacção de oxidação da glicose só ocorre nos seres vivos porque ... há oxi-redútases.

33

glicose

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

36

No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria:

Seguindo o trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio...

2e-

2e-

2e-

1º-Desidrogénase do succinato: oxida succinato reduzindo ubiquinona

2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c

3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo oxigénio

37

1º- Acção catalítica da desidrogénasedo succinato (ou complexo II)A transferência de 2 electrões entre o succinato e a ubiquinina dá-se em duas etapas:

1ª etapa: oxidação do succinato a fumaratocom redução do FAD a FADH2.

FAD FADH2

2 e- 2 H+

38

2 e- 2 H+

forma oxidada = FAD forma reduzida = FADH2

n.o. = +2n.o. = +1

n.o. = +3 n.o. = +2

39

2ª etapa: oxidação do FADH2 a FAD com redução da ubiquinona (Q) a ubiquinol (QH2).

FADFADH2

2 e- 2 H+

Forma oxidada = Q Forma reduzida = QH2

Reacção global catalisada pela desidrogénase do succinato

succinato + Q fumarato + QH2 40

2º-Acção catalítica da redútase do citocromo c (ou complexo III)

QQH2

2 e-

2 H+

2 2 Fe2+Fe3+

41

... de facto, a redútase do citocromo c é, simultaneamente,uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:

QH2 + 2Cyt c (Fe3+) + 2 H+ (dentro) → Q + 2 Cyt c (Fe2+) + 4 H+ (fora)

42

3º-Acção catalítica da oxídase do citocromo c (complexo IV)

2 cyt. c (Fe2+)2 e-

2 H+

½ O2

2 cyt. c (Fe3+)

H2On.o. = 0 n.o. = -2

43

2 Cyt c (Fe2+) + ½ O2 + 4 H+(dentro) → H2O + 2 Cyt c (Fe3+)+ 2 H+(fora)

... de facto, a oxídase do citocromo c é, simultaneamente,uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:

44

2 e-

O trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio... somatório das reacções: succinato + ½ O2 → fumarato + H2O

+ 0,81 VO2 / H2O½ O2 + 2 e- + 2 H+ →H2O

potencial redoxpadrão (Eº’)

par redoxforma oxidada / forma reduzida

Semi-equação de redução

+0,03 Vfumarato / succinatofumarato + 2 e- + 2 H+ →succinato

∆ Eº´=0,059

nlog Keq

∆ Eº´= 0,78 V ⇔ Keq ≈ 10 26

Keq =[fumarato]

[succinato] (PO2)1/2

45

glicose

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

gliceraldeído-3-P

2 e-

piruvato

acetil-CoA

2 e- isocitrato

α-cetoglutarato

2 e-

succinil-CoA

succinato

fumarato

oxalacetato

malato

1,3-bisfosfoglicerato

2 e-

2 e-

2 e-

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

CO2

46

A reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato pode ser, conceptualmente, entendida como o somatório de 2 processos:

(1a) Reacção de oxidação do piruvato a acetato + CO2:

n.o. = +3n.o. = +2 n.o. = +3 n.o. = +4

2 e-

(2) Reacção inversa à de hidrólise do acetil-CoA:

2

+

47

O NAD+ é o aceitador de electrões na reacção catalisada pela desidrogénasedo piruvato.

piruvato acetato + CO2

2 e-

NAD+ NADH

(1b) reacção de redução do NAD+ a NADH

48

(1b) NAD+ + 2 e- + H+ → NADH

(1a) piruvato + H2O → acetato + CO2 + 2 e- + 2 H+

(2) acetato + CoA → acetil-CoA + H2O

Reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato:

piruvato + CoA + NAD+ → acetil-CoA + CO2 + NADH + H+

O destino final dos electrões que reduziram o NAD+ a NADH é o O2.

Que caminho seguem esses electrões?

2 e-

49

No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria:

Seguindo o trajecto dos electrões desde NADH até ao oxigénio...

2e-

2e-

2e-

1º-Desidrogénase do NADH: oxida NADH reduzindo ubiquinona

2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c

3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo oxigénio50

A desidrogénase do NADH (ou complexo I)contém como grupo prostético o FMN.

NADH NAD+

FMNH2FMN2 e-

NADH + Q NAD+ + QH2

(forma oxidada)

QH2Q

2 e-FMN

51

NADH + H+ + Q + 4 H+ (dentro) → NAD+ + QH2 + 4 H+ (fora)

... de facto, a desidrogénase do NADH é, simultaneamente,uma enzima (uma oxi-redútase) e um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:

52

2 e-

somatório das reacções: NADH + ½ O2 → NAD+ + H2O

+ 0,81 VO2 / H2O½ O2 + 2 e- + 2 H+ →H2O

potencial redoxpadrão (Eº’)

par redoxforma oxidada / forma reduzida

Semi-equação de redução

-0,32 VNAD+/ NADHNAD+ + 2 e- + H+ → NADH

∆ Eº´=0,059

2log Keq

∆ Eº´= 1,13 V ⇔ Keq ≈ 10 38 Keq =[NAD+]

[NADH] (PO2)1/2

No trajecto dos electrões entre NADH e o O2intervêm os complexos da cadeia respiratória I, III e IV.

53

Nem todas as reacções redox são fisiológicamente irreversíveis. O sentido em que uma reacção (qualquer reacção) evoluí é determinado pela razão Keq / QR.

aA + bB ↔ pP + qQ

2- A reacção evolui em sentido directo ... A + B → P + Q

se Keq > QR ⇔ Keq/QR >1

3- e evolui em sentido inverso... P + Q → A + Bse Keq < QR ⇔ Keq/QR <1

1- Uma reacção está em equilíbrio...Keq = QR ⇔ Keq/QR =1

54

Zn + Cu2+ Zn2+ + Cu

∆E = ∆Eº - 0,0592

log[Zn2+]

[Cu2+]

∆E = 0,0592

log Keq

QR...se Keq = QR ⇒∆E = 0 V

...se Keq > QR ⇒∆E > 0

...se QR=1 ⇒∆E = ∆Eº

Keq ≈ 1037 1,1V

Zn

Cu2+

QR

55 56

57

- 0,19 Vpiruvato / lactatopiruvato + 2 e- + 2 H+ →lactato

potencial redoxpadrão (Eº’)

par redoxforma oxidada / forma reduzida

Semi-equação de redução

-0,32 VNAD+/ NADHNAD+ + 2 e- + H+ → NADH

∆ Eº´= 0,13 V ⇔ Keq ≈ 10 4,4 Keq =[NAD+] [lactato]

[NADH] [piruvato]

Keq ≈ QR

∆E’ = 0,0592

log Keq

QR... se QR>Keq ⇔ ∆E’ <0 ⇒ fluxo invertido de electrões