Parte III

Bioenergtica e Metabolismo

14 Princpios de Bioenergtica15 A Gticlise e o Catabolismo das Hexoses16 Ciclo do cido Ctrico17 A Oxidao dos cidos Graxos18 A Oxidao dos Aminocidos e a Produo de Uria19 Fosforilao Oxidativa e Fotofosforilao

20 Biossntese de Carboidratos21 Biossntese de Lipdios22 Biossntese de Aminocidos, Nucleotdeos

e Molculas Relacionadas23 Integrao e Regulao Hormonal do

Metabolismo de Mamferos

O metabolismo uma atividade celular altamente coordenada na qual diversossistemas multienzimticos (vias metablicas) atuam conjuntamente visando aquatro (unes: (1) obter energia qumica, seja por captao da energia solar,seja por degradao de nutrientes ricos em energia obtidos do meio ambienie;(2) converter as molculasdos nutrientes em molculas com caractersticas pr-prias de cada clula, inclusive os precursores das macromolculas; (3) formarmacromolculas, tais como protenas, cidos nuclicos e polissacarideos, a par-tir de precursores monomricos; e (4) sintetizar e degradar biomolculas neces-srias a funes celulares especializadas, tais como lipdios de membrana, men-sageiros intracelulares e pigmentos.

Embora o metabolismo compreenda centenas de diferentes reaes catali-sadas enzimaticamente, ser dada nfase aqui s vias metablicas centrais, queso em nmero reduzido e consideravelmente semelhantes em todas as for-mas de vida. Os organismos vivos podem ser divididos em dois grandes gru-pos de acordo com a forma qumica pela qual eles obtm carbono do meio. Osautotrfitos, lais como bactrias fotossintticas e plantas superiores, so ca-

pazes de utilizar o dixido de carbono da atmosfera como nica fonte de car-bono, a partir do qual eles formam todas as suas biomolculas contendo esseelemento (veja Rg. 2-3). Alguns organismos autotrficos, tais como as cano-bactrias, so capazes de utilizar tambm o nitrognio atmosfrico para for-mar todos os seus componentes nitrogenados. Os heterotrfitos no conse-guem utilizar o dixido de carbono atmosfrico, precisando obter o carbonoa partir do seu meio ambiente na forma de molculas orgnicas relativamentecomplexas, entre elas, a glicose. Os animais superiores e a maior parte dosmicrorganismos so heterotrfcos. As clulas e os organismos autotrficosso relativamente au(o -suficientes, enquanto as clulas e os organismos hete-rotrficos, por necessitarem de carbono em formas mais complexas, depen-dem, para sua subsistncia, de produtos obtidos a partir de outras clulas.

Muitos organismos autotrficos so fotossintticos, obtendo energia da luzsolar, enquanto os organismos heterotrfcos obtm energia da degradao denutrientes orgnicos produzidos pelos autotrfitos. Em nossa biosfera, auto-trfitos e heterotrfitos convivem em um ciclo amplo e interdependente, noqual os organismos autotrficos utilizam o dixido de carbono atmosfricopara formar suas biomolculas orgnicas, alguns dos quais com gerao de oxi-gnio a partir da gua. Os heterotrfitos, por sua vez, utilizam os produtos or-

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Figura 1 - Cleto do dixido de carbono e oxignioentre os domnios autotrfko (fotossinttico) e he-terotrfico na biosfera O fluxo de massa por meiodesse ciclo gigantesco, ou seja, aproximadamente 4 x10'' toneladas mtricas de carbono so recicladas anu-almente na biosfera.

N> atmosfrico

INBactrias 1 Bactrias

fixadoras de deinitrifi-nitrognio cantes fc

Figura 2 - Ciclo do nitrognio na biosfera. O nitro-gnio gasoso (N;) compreende mais de 80% da nossaatmosfera.

gnicos dos autotrfitos como nutrientes, devolvendo o dixido de carbono atmosfera. Algumas das reaes de oxidao que produzem dixido de carbonotambm consomem oxignio, convertendo-o em gua. Assim, carbono, oxignioe gua reciclam-se constantemente entre heterotrfitos e autotrfitos, sendo aenergia solar a fora propulsora desse processo de imensas propores (Fig. 1).

Todos os organismos vivos necessitam tambm de uma fonte de nitrog-nio, que necessrio para a sntese de aminocidos, nucleotideos e outros com-postos. Os vegetais geralmente utilizam amnia ou nitratos solveis como ni-ca fonte de nitrognio; os animais vertebrados, entretanto, precisam obt-lo naforma de aminocidos ou de outros compostos orgnicos. Somente alguns or-ganismos, as cianobactrias e diversas espcies de bactrias do solo que vivemsimbioticamente nas razes de algumas plantas, so capazes de converter ("fi-xar") o nitrognio atmosfrico (N2) em amnia. Outras bactrias, as nitrifican-tes, oxidam amnia a nitritos e nitratos, e outras, ainda, convertem nitrato emN 2 . Assim, alm dos ciclos globais do carbono e oxignio, um outro ciclo, o donitrognio, opera na biosfera movimentando quantidades imensas desse ele-mento (Fig. 2). A reciclagem do carbono, oxignio e nitrognio, que envolvetodas as espcies, depende do equilbrio apropriado entre as atividades dos pro-dutores (autotrfitos) e dos consumidores (heterotrfitos) na biosfera.

Esses ciclos de matria so acompanhados de um enorme fluxo de energiadentro e atravs da biosfera, iniciando-se com a captao da energia solar pelosorganismos fotossintticos e sua utilizao para gerar carboidratos e outrosnutrientes orgnicos ricos em energia; esses nutrientes so ento utilizados comofontes de energia pelos organismos heterotrficos. Nos processos metablicos eem todas as transformaes energticas ocorre liberao de energia til (ener-gia livre) associada a um aumento inevitvel na quantidade de energia no uti-lizvel (calor e entropia). Diferentemente da reciclagem de matria, portanto,ofluxo de energia atravs da biosfera d-se em um nico sentido, uma vez que osorganismos no conseguem reverter em energia til a energia que dissipadanas formas de calor e entropia. Assim, carbono, oxignio e nitrognio reciclam-se continuamente, mas a energia constantemente transformada em formasno utilizveis como, por exemplo, o calor.

O metabolismo,osomatriode Iodas as transformaes qumicasque ocor-rem em uma determinada clula ou organismo, compreende uma srie de rea-es catalisadas enzimaticamente, as quais constituem as vias metablicas. Cadauma das etapas consecutivas em uma via metablica produz uma alterao qu-mica pequena e especfica, geralmente a remoo, a transferncia ou a adio deum tomo ou grupo funcional. O precursor convertido em produto por meiode uma srie de intermedirios denominados melablitos. O termo metabolis-mo intermedirio refere-se s atividades combinadas de todas as vias metab-licas que interconvertem precursores, metablitos e produtos de baixo pesomolecular (geralmente Mr < 1.000).

O catabolismo a fase degradativa do metabolismo na qual molculas nu-trientes orgnicas (carboidratos, gorduras e protenas) so convertidas em pro-dutos finais menores e mais simples (por exemplo, cido lctico, C02, NH t). Asvias catablicas liberam energia, uma parte da qual conservada na forma deATP e de transportadores de eltrons reduzidos (NADH, NADPH e FADHj); aenergia restante liberada na forma de calor. No anabolismo. tambm denomi-nado biossntese, molculas precursoras pequenase simples so ligadas forman-do molculas maiores e mais complexas, inclusive lipdios, polissacardeos. pro-tenas e cidos nuclicos. As reaes anablicas requerem um fornecimento deenergia, geralmente na forma de potencial de transferncia do grupo fosforil doATP e de poder redutor de NADH, NADPH ou FADH2 (Fig. 3).

Algumas vias metablicas so lineares enquanto outras so ramificadas; estasltimas conduzem a diferentes produtos finais teis a partir de um nico precur-sor ou convertem diferentes precursores em um nico produto final. Em geral, asvias catablicas so convergentes enquanto as vias anablicas so divergentes(Fig. 4). Algumas vias so cclicas, ou seja, um precursor da via regenerado pormeio de uma sriede reaesem que um segundo precursor convertido em pro-duto. Exemplos de cada tipo de via sero apresentados nos prximos captulos.

A maioria das clulas possui as enzimas necessrias tanto para degradarquanto para sintetizar categorias importantes de biomolculascomo, por exem-plo, os cidos graxos. Entretanto, por ser a sntese e a degradao simultneados cidos graxos um processo dispendioso, ele prevenido pela regulao rec-proca das sequncias de reaes anablicas e catablicas, ou seja, quando uma

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NutrientesHberadoresde energia

CarboidratosGordurasProtenas

Produtosfinais pobresem energia

COaH,0

lacromolculascelulares

:lnai

ilissacardcos

pfdioa

los nuclicos

NAU*NAD?

NAPHNAI'l'H

Molculasprecursoras

AminocidosAcarescidos graxo*Bases ntrogenadas

Figura 3 - Relaes energticas entre as vias catabti-cas e anablicas As vias catablicas liberam energia qumi-ca nas formas de ATP, NADH, NADPH e FADH ; . Esses carrea-dores de energia so utilizados pelas vias anabkas para con-verter pequenas molculas precursoras em macromolculascelulares.

i-osfolipdios

Triacilglicers

Amido Alanina

Glicognio Glicose

SerinaSacarose

Caiabollsmo convergente

Borracha Pigmentos Hormniosrarolenides eslerides

cidosbiliares

steres decolesterol

Via ctclica

10

Hosfolipidios

Anabolismo divergente

(b)

Figura 4 - Trs tipos de vias metablicas no-lineares(o) Coiiveiyenle, Ldldbliud, (b) diveiyenle, aiiablicd, e (c)

clcka, na qual um dos compostos de partida (oxaloacetato,neste caso) regenerado e reingressa na via. Acetato, ummetablito intermedirio central, o produto da quebra deuma variedade de combustveis (}, precursor de um gran-de nmero de produtos (b), sendo consumido na via catab-lica conhecida como ciclo do cido ctrico (c).

delas est ocorrendo, a outra suprimida. Tal regulao no seria possvel

caso as vias anablicas e catablicas fossem catalisadas exatamente pelo

mesmo conjunto de enzimas operando nos dois sentidos, uma vez que ainibio de enzimas envolvidas no catabolismo implicaria tambm a inibi-o de sequncias de reaes anablicas. Vias catablicas e anablicas queconectam os mesmos produtos finais (glicose - piruvato e piruvato ->->

glicose, por exemplo) podem compartilhar muitas enzimas, mas pelo me-nos uma das etapas deve ser catalisada por enzimas especficas, que consti-

tuem pontos independentes de regulao. Alm disso, para que as vias ana-blicas e catablicas sejam essencialmente irreversveis, pelo menos umadas reaes especficas a cada sentido deve ser termodinamicamente muitofavorvel, ou, em outras palavras, a sua reao reversa deve ser muito desfa-vorvel.Como contribuio adicional para uma regulao independente dassequncias de reaes catablicas e anablicas, elas geralmente ocorrem em

diferentes compartimentos celulares, como o catabolismo de cidos graxos

nas mitocndriase a sntesede cidos graxos no citosol. Nos diferentescom-partimentos, os intermedirios, as enzimas e os reguladores podem ser man-tidos cm diferentes concentraes. Nesse sentido, por estarem as vias meta-

blicas sujeitas a controle cintico pela concentrao de substrato, conjuntosseparados de intermedirios catablicos e anablicos tambm contribuempara o controle das velocidades metablicas. Esses recursos utilizados para a

separao entre os processos anablicos e catablicos sero de particular in-teresse nas discusses posteriores sobre o metabolismo.

CHjCHjL-FAD

CH=CH sH,0

OH

CHCHjND*

o

Figura 5 - Mecanismo comum para a oxidao deum alcano. processo envolve, inicialmente, desidro-genao para introduo de uma dupla ligao, tendoFAD como recepto' de eltrons, seguida por adio degua por meio da dupla ligao, e, finalmente, oxidaodo lcool a cetona, tendo NAD' como receptor de el-trnns Esse mesmo mecanismo est pr#snto no ciclo docido ctrico, na oxidao de cidos graxos e no catabo-lismo de aminocidos.

As vias metablicas so reguladas em trs nveis intra e exlracelulares. Aforma de regulao cuja resposta mais rpida a disponibilidade de substrato.Quando a concentrao intracelular do substrato de uma determinada enzimase encontra abaixo do Km, a enzima atua abaixo da Vmix . Uma segunda forma decontrole rpido, intracelular, a regulao alostrica {pg. 2 13) por intermedi-rios metablicos ou coenzimas (um aminocido ou ATP, por exemplo), quesinalizam o estado metablico no interior da clula. Por exemplo, quando aclula possui uma quantidade de determinado aminocido que seja suficientepara a sua necessidade imediata, ou ainda quando o nvel celular de ATP indicaque um consumo adicional de energia no necessrio em determinado mo-mento, a atividade de uma ou mais enzimas nas vias pertinentes sofre inibioalostrca. Em organismos mult iceiulares, as atividades metablicas de diferen-tes tecidos so reguladas e integradas por meio de fatores de crescimento e hor-mnios, com atuao extracelular. Em alguns casos, essa regulao virtual-mente instantnea (algumas vezes ocorre em menos de milissegundos), impli-cando alteraes nos nfveis de mensageiros intracelulares que interferem naatividade de enzimas preexistentes, seja por meio de mecanismos alostricos oude modificaes covalentes, como a fosforilao. Em outros casos, sinais extra-celulares alteram a concentrao celular de uma enzima por interferncia na suavelocidade de sntese ou degradao, de tal forma que o efeito se manifesta so-mente aps alguns minutos ou horas.

A variedade de transformaes metablicas que ocorre em uma clula tpi-ca surpreendente. Entretanto, existem modelos recorrentes nas vias metabli-cas que facilitam o seu entendimento. Assim, certos tipos de reaes ocorremem vrias vias metablicas diferentes, embora sempre utilizem a(s) mesma(s)coenzima(s), alm de apresentar o mesmo mecanismo geral (Fig. 5). Por exem-plo, o succinato convertido em oxaloacetato no ciclo do cido ctrico (veja Fig.16-7) por meio de uma sequncia de trs reaes envolvendo as mesmas coenzi-mas e o mesmo mecanismo qumico da converso de um derivado acil-graxoem um derivado p-cetoacil, na oxidao dos cidos graxos (veja Fig. 17-8). Umavez entendido o mecanismo geral de uma reao para uma determinada viametablica, incluindo-se a funo de eventual (ais) coenzima(V) envolvida(s), omesmo padro ser facilmente reconhecido em outras vias metablicas. Noscaptulos subseqQentes, o mecanismo geral para reaes envolvendo uma de-terminada coenzima ser discutido quando a coenzima for apresentada pelaprimeira vez exercendo a sua funo tpica.

Na primeira metade da Parte III sero consideradas as principais vias cala-blicas pelas quais as clulas obtm energia a partir da oxidao de diferentescombustveis: primeiramente, a via central para a converso das hexoses a trio-ses (Captulo 15) e a oxidao das trioses a dixido de carbono (Captulo 16),alm das vias de oxidao dos cidos graxos (Captulo 1 7) e aminocidos (Ca-ptulo 18). O Captulo 19 trata do ponto central do metabolismo, ou seja, doacoplamento da energia quimiosmtica, o mecanismo universal pelo qual umpotencial eletroqufmico transmembrana, produzido tanto por oxidao de subs-tratos como por absoro de luz, promove a sntese de ATP.

A segunda metade da Parte III descreve as principais vias anablicas pelasquais as clulas utilizam a energia do ATP para produzir carboidratos (Captu-lo 20) e lipdios (Captulo 21), alm de aminocidos e nucleotdeos (Capitulo22), todos a partir de precursores mais simples. No Captulo 23, retrocedendoda anlise detalhada das vias metablicas (como elas ocorrem em todos os or-ganismos: d-e Escherichia coh a humanos), ser discutido como essas vias, pormeio de mecanismos hormonais, so reguladas e integradas em mamferos.

O estudo do metabolismo intermedirio ser iniciado com uma introdu-o bioenergtica (Captulo 14). Mas, antes, uma observao final: impor-tante considerar que as inmeras reaes que sero apresentadas desempenhamfunes cruciais nos organismos vivos. Sempre questione a respeito de cadareao e de cada via: "O que esta transformao qumica representa para o orga-nismo? Como esta via se conjuga a outras vias que operam simultaneamente namesma clula para gerar a energia e os componentes necessrios para a suamanuteno e crescimento? Como os mecanismos regulatrios, nos diferentesnveis, cooperam para o equilbrio metablico e para as entradas e sadas deenergia com vistas obteno do estado estacionrio dinmico da vida?" Estu-dado nessa perspectiva, o metabolismo fornece uma fascinante e reveladoracompreenso dos processos vitais, com inumerveis aplicaes em medicina,agricultura e biotecnologia.

CAPTULO 141

:

/

Princpios de Bioenergtica

383

As clulas e os organismos precisam realizar trabalho para semanterem vivos, crescerem e reproduzirem. A habilidade paraaproveitar a energia, direcionando-a na forma de trabalho bio-lgico, uma propriedade fundamental de todas as clulas e or-ganismos vivos, aparentemente adquirida muito cedo no cursoda evoluo celular. Os organismos atuais executam uma not-vel variedade de processos de transformao de energia, conver-tendo uma forma de energia em outra. Eles utilizam a energiaqumica contida nos combustveis para sintetizar, a partir de pre-cursores simples, molculas complexas e altamente organizadas.Eles tambm convertem a energia qumica dos combustveis emgradientes de concentrao e eltrico, em movimento e calor e,em alguns organismos tais como o vaga-lume e peixes do fundodo mar, em luz. Os organismos fotossintticos transformam aenergia luminosa em todas essas outras formas de energia.

Os mecanismosqumicos envolvidos nos processosde trans-formao da energia biolgica por sculos lm fascinado e desa-fiado os biologistas. Antoine Lavoisier, decapitado durante aRevoluo Francesa, reconheceu que de alguma forma os ani-mais transformam combustveis qumicos (alimentos) em ca-lor e que esse processo de respirao essencial para a vida. Elerelatou o seguinte:

".. . em gerai, a respirao nada mais do que uma combusto

lenta de carbono e hidrognio, semelhante que ocorre cm umalmpada ou vela acesa, e assim, sob este ponto de vista, os ani-mais que respiram so verdadeiros corpos combustveis quequeimam e consomem a si prprios. . . Algum poderia dizerque esla analogia enlre combusto e respirao no passou des-percebida aos poetas, ou melhor, aos filsofos da Antiguidade,

j lendo sido por eles relatada e interpretada: Este fogo roubado

dos cus, csla tocha de Prometeu, no representa apenas umaidia potica e engenhosa, mas antes, ao menos para os animais

que respiram, ela uma representao fiel das operaes da na-tureza. Portanto, em conformidade com os antigos, pode-se di-zer que a tocha da vida inllama-se a si mesma no momento emque a criana respira pela primeira vez, no se extinguindo a no

ser na morte"*.

Antoine Lavoisier(1743-1794)

"De uma publicao por Armand Scguin e Antoine Lavoisier, de 1769, cita-da cm Lavoisier, A. (1862) 0vr(/e Lovosier, Imprimerielmpriale, Paris.

No decorrer do sculo XX, estudos bioqumicos revelaram amaior parte da qumica associada quela "tocha da vida''. As trans-formaes de energia biolgica obedecem s mesmas leis fsicasque determinam os demais processos naturais. , portanto, esTsencial para um estudante de bioqumica entender essas leis ecomo elas se aplicam ao fluxo de energia na biosfera. Neste cap-tulo, sero inicialmente revistas as eis da termodinmica, bemcomo as relaes quantitativas entre energia livre, entalpia e en-

tropia. Ser ento discutida a funo especial do ATP nas trocasde energia biolgica. Finalmente, ser discutida a importnciadas reaes de oxidao-reduo nas clulas vivas, a energticadas reaes de transferncia de eltrons, alm dos transportado-res de eltrons frequentemente utilizados como co-fatores dasenzimas que catalisam essas reaes.

Bioenergtica e TermodinmicaBioenergtica o estudo quantitativo das transformaes de ener-gia que ocorrem nas clulas vivas, bem como da natureza e fun-o dos processos qumicos nelas envolvidos. Embora muitos dosprincpio? da termodinmica tenham sido previamente apresen-tados, podendo assim j ser familiares, uma reviso dos aspectosquantitativos desses princpios ser til no presente contexto.

As transformaes biolgicas de energiaseguem as leis da termodinmicaDiversas observaes quantitativas de tsicos e qumicos sobre ainterconverso das diferentes formasde energia conduziram, ain-da no sculo XIX, formulao das duas leis fundamentais datermodinmica. A primeira lei o princpio da conservao deenergia: para qualquer transformao fsica ou qumica, a quan-tidade total de energia no universo permanece constante; a ener-gia pode mudar deforma ou ser transportada de uma regio paraoutra; entretanto, ela no pode ser criada ou destruda. A segun-da lei da termodinmica, que pode ser enunciada de diferentesformas, refere-se tendncia que o universo apresenla para umadesordem crescente: em todos os processos naturais, a entropia douniverso aumenta.

Os organismos vivos consistem em conjuntos de molculascujo grau de organizao muito maior do que c dos componen-tes de seu meio ambiente, com os quais elas so formadas; elesproduzem ordem e a mantm, aparentemente ignorando a se-gunda lei da termodinmica. Entretanto, alm de os organismosvivos no violarem a segunda lei, eles operam em estrita concor-dncia com ela. Para discutir a aplicao da segunda lei da ter-modinmica aos sistemas biolgicos, devem-se inicialmente de-finir esses sistemas e os meios em que eles se encontram. O sis-tema reagente o conjunto de matria que est sofrendo umprocesso fsico ou qumico particular, podendo ser um organis-mo, uma clula, ou ainda dois compostos reagentes. Juntos, o

"Agora, na segunda lei da termodinmica..."

Tabela 14-1 - Algumas constantes fsicas e unidades utilizadas emtermodinmica

Constante de Boltzmann, k = 1,381 - 10 J)VK

Nmero de Avogadro, N = 6,022 * lO^moJ" 1Constante de Faraday, J * 96.480W molConstante dos gases, R = 8,31 5J/mol K

(=1,987cal/motK)

A unidade de AG e AH J/mol {ou cal/mol)A unidade de AS J/mol K (ou cal/mo! K)

1 cal*4,184J

A unidade de temperatura absoluta, T. Kelvin, K25C - 298

K

A 25C, RT m 2,479kJ/mol184J); a unidade de entropia joules/mol - grauKelvin (J/mol K) (Tabela 14-1).

Sob as condies existentes nos sistemas biolgicos, inclu-indo temperatura e presso constantes, as mudanas na energialivre, entalpia e entropia, esto quantitativamente relacionadasentre si pela equao:

AG = AH- TAS (14-1)

na qual AG a variao na energia livre de Gibbs do sistema rea-gente, AH a variao na entalpia do sistema, T a temperaturaabsoluta e AS a variao na entropia do sistema. Por conveno,AS possui sinal positivo quando a entropia aumenta, e AH, con-forme mencionado acima, possui sinal negativo quando libera-do calor do sistema para o ambiente. Quaisquer umas dessas con-

dies, que so tpicas de processos favorveis, tendem a tornar ovalor de AG negativo. Dc fato, o valor de AG para um sistema quereage espontaneamente sempre negativo.

A segunda lei da termodinmica refere-se ao aumento na en-tropia do universo durante todos os processos fsicos e qumicos,embora esse aumento no ocorra necessariamente no prprio sis-tema reagente. A ordem produzida dentro das clulas medidaque elas crescem e se dividem mais do que compensada peladesordem que elas criam em seus ambientes no curso desses acon-tecimentos (Adendo 14-1, caso 2). Em resumo, os organismos vi-vos preservam a ordem interna pela captao de energia livre doambiente nas formas de nutrientes ou luz solar, devolvendo a eleuma quantidade igual de energia nas formas de calor e entropia.

AS Clulas necessitam de fontes d energia livreAs clulas so sistemas isotrmicos, ou seja, elas funcionam es-sencialmente em temperatura (e presso) constante.O fluxo decalor no uma fonte de energia para as clulas porque o calor capaz de realizar trabalho somente quando ele passa para umaregio ou objeto com temperatura mais baixa. A energia que asclulas podem, e devem, utilizar a energia livre, expressa pelaenergia livre de Gibbs, funo G, que permite predizer o sentidodas reaes qumicas, a sua exata posio de equilbrio e a quan-tidade de trabalhoque elas podem teoricamente realizarem tem-peratura e presso constantes. As clulas heterotrficas obtmenergia livre das molculas nutrientes e as clulas fotossintticasa obtm da radiao solar absorvida. Ambos os tipos de clulastransformam essa energia livre em ATP e outros compostos ri-cosem energia, todos eles capazesde fornecer energia para a rea-lizao de trabalho biolgico temperatura constante.

A variao de energia livre padro est diretamenterelacionada com a constante de equilbrioA composio de um sistema reagente (uma mistura de reagentesqumicos e seus produtos) tende a variar at que o equilbrio qu-mico seja atingido. Nas concentraes dc equilbrio, a velocida-de da reao no sentido dos produtos exatamente igual velo-cidade no sentido dos reagentes, noocorrendo no sistema qual-quer mudana adicional. As concentraes dos reagentes eprodutos no estado de equilbrio definem a constante de equilbrio,Jq (pg. 74). Na reao geral: aA + bB^^cC + D,ondefl,,c,e d correspondem ao nmero de molculas de A, B, C e D queparticipam da reao, a constante de equilbrio dada por:

K . ICI1D1' f|42l

onde [], [B], [C| e [D| correspondem s concentraes mola-res dos componentes da reao no ponto de equilbrio.

385

Adendo 14-1 Entropia: as vantagens de haver desorganizao

O termo entropia, que literalmente significa "mu-dana interior", foi utilizado pela primeira vez em1 85 1 por Rudolf Clausius, um dos formuladores dasegunda lei da termodinmica. Uma definio quan-titativa rigorosa de entropia envolve consideraesestatsticas ede probabilidades. Entretanto, a sua na-tureza pode ser ilustrada qualitativamente por trsexemplos simples cada um deles demonstrando umaspecto da entropia. A entropia est associada aosconceitos casualidade e desordem, manifestados dediferentes formas.

Caso 1: O bule de ch e a distribuio casual docalor. Sabe-se que o vapor gerado pela gua fervente

pode realizar trabalho til. Mas suponhamos que achama que aqueceu a I00"C a gua contida em umbule de ch (o "sistema") existente em uma cozinha(o "ambiente") foi apagada e o bule comea a esfriar.Nenhum trabalho realizado medida que o bule eseu contedo esfriam, mas o calor passa deles para o"ambiente" (a cozinha), aumentando sua tempera-tura em um valor infinitesimalmente pequeno, atque o completo equilibrio seja atingido. Nesse mo-mento, todos os pontos do bule e da cozinha estaroprecisamente com a mesma temperatura. A energialivre que estava concentrada no bule de gua quentea otTC, potencialmente capaz de realizar trabalho,desapareceu. Seu equivalente em energia calorfica

ainda est presente no conjunto bule + cozinha, isto, no "universo", porm com uma distribuio com-pletamente ao acaso. Essa energia no mais vivelpara a realizao de trabalho, uma vez que no exis-te diferena de temperatura dentro da cozinha. Almdisso, o aumento na entropia da cozinha (o "ambi-ente") irreversvel. Sabe-se pela experincia diria

que o calor jamais voltaria espontneamenic da co-zinha para o bule para aumentar novamente a tem-

peratura da gua a 100"C.

Caso 2: A oxidao da glicose. A entropia um es-tado ou condio no apenas da energia, mas tam-bm da matria. Os organismos aerbicos (hetero-trficos) extraem energia livre da glicose obtida doambiente por meio de sua oxidao pelo oxigniomolecular, tambm obtido do ambiente. Os produ-tos finais dcAsc metabolismo oxidativo, ( x e M Oso devolvidos ao ambiente. Nesse processo, o ambi-ente sofre aumento de entropia, enquanto o organis-

mo permanece em estado estacionrio* no sofrendo

alteraes em sua ordem interna. Embora uma parteda entropia tenha origem na dissipao de calor, aoutra parte provm de um outro tipo- de desordem,ilustrado pela equao para a oxidao da glicose:

QHuOft+ 60j * 6COj + 6H2Isso pode ser representado esquematicamente como

7 molculas 12 molculas

O:(tini gs)

Glicose -

(um slida)

Os tomos contidos em l molcula de glicose mais6 molculas de oxignio, um total de 7 molculas,so dispersos mais ao acaso devido rcao de oxi-dao, resultando em um total de 12 molculas pre-sentes (6C02 + 6H20).

Sempre que uma reao qumica resulta no au-mento do nmero de molculas, ou ainda quandouma substncia slida convertida em produtos l-quidos ou gasosos, cujas molculas apresentammaior liberdade de movimentao, a desordemmolecular, e portanto a entropia, aumenta.

Caso 3: Informao e entropia. A pequena passa-gem descrita a seguir, extrada da pea lulius Caesar,Ato IV, Cena 3, dita por Brutus antes de enfrentaro exrcito de Marco Antnio. So 125 letras do alfa-beto ingls, que formam um arranjo no casual erico em informao:

"There is a tide in the affairs of meu,Which, taken at the flood, leacU ou to fortune;Omitted, ali the voyage of their lifeK hound in shallows anti in miserics."

Alm do que estes versos expressam diretamente,existem muitos outros significados implcitos. Essapassagem reflete no apenas uma complexa sequn-cia de acontecimentos na pea, mas tambm faz ecos idias nela discutidas, referentes a conflito, ambi-o e preo da liderana. Em associaocom as idiasde Shakespeare sobre a natureza humana, ela muitorica cm informao.

Entretanto, se as 125 letras que compem a cita-o fossem agrupadasem uma forma completamen-te casual e catica, conlorme mostrada a seguir, elasseriam desprovidas de qualquer significado.

XJ a

,

,

* - \ t *

-

* e/ J'Asei

, - j

.c |0 * \ 4 S *|

- H,0(um liquido)

Nesta distribuio, as l2> letras contem pouca ounenhuma informao, mas elas so muito ricas ementropia. Consideraes desse tipo possibilitaramconcluir que a informao uma forma de energia,tendo sido denominada "entropia negativa". De fato,o ramo da matemtica denominado teoria da infor-mao, que bsico para a programao lgica decomputadores, fortemente relacionado teoria ter-modinmica. Os organismos vivos so estruturas al-tamente ordenadas, no casuais, imensamente ricasem informao e, portanto, pobres em entropia.

Quando um sistema reagente no se encontra no estado deequilbrio, a tendncia para um deslocamento em direo a elecorresponde a uma fora impulsora, cuja intensidade pode serexpressa como a variao de energia livre para a reao, AG, Sobcondies-padro (2*J8K = 25"C), quando reagentes e produtosesto presentes inicialmente em concentraes iguais a 1M ou,para os gases, em presses parciais iguais a 101,3 quilopascals(kPa)ou I atm, a fora impulsora do sistema em direoao equi-lbrio definida como a variao de energia livre padro, AC?1 .Por essa definio, a condio-padro para reaes que envol-vem ons hidrognio [H* J = IM, o que corresponde a pH 0.Entretanto, a maioria das reaes bioqumicas ocorre em solu-es aquosas devidamente tamponadas em valores de pH pr-ximos a 7; tanto o valor de pH quanto a concentrao da gua(55,5M) so essencialmente constantes. Para facilitar os clcu-los, os bioqumicosdefinem um estado-padro diferente, no quala concentrao de H ' I0~'M (pH 7) e a concentrao da gua 55,5M; para reaes que envolvem o MgJ*, inclusive a maioriadas reaes nas quais o ATP substrato, a sua concentrao emsoluo geralmente considerada constante em I mM. As cons-tantes fsicas com fundamento nesse estado-padro bioqumicoso denominadas constantes-padro transformadas, sendo re-presentadas com a incluso de um apstrofe (por exemplo, AC"e Kq) para distingui-las das constantes no transformadas utili-zadas por fsicos e qumicos. (Observe que o smbolo AG"' subs-titui o smbolo AC" utilizado em edies anteriores deste livroe na maioria de outros livros-texto. A alterao, recomendadapor um comit internacional de qumicos e bioqumicos, visa aressaltar que a energia livre transformada, G', o critrio para oequilbrio.) Por conveno, quando H.O, H* ou MgJ* esto pre-sentes em um sistema como reagentes ou produtos, as suas con-centraes no so includas em equaes como a Equao 14-2, embora estejam incorporadas nas constantes AG'" e Klq,

Assim como a IC^ uma constante fsica caracterstica paracada reao, AG*" tambm uma constante. Conforme foi men-cionado no Captulo 8 (Eq. 8-3, pg. 193), existe uma relaosimples entre K'eCi e AG' :

AG'"=-rr InK^

A variao de energia livre padro de uma reao qumica sim-plesmente uma via matemtica alternativa para expressar a suaconstantede equilbrio, ATabela 14-2 mostra a relao entreAG'e fCnv Se a constante de equilbrio para uma determinada rea-o qumica 1' K\

,

t

) for igual a 1,0, a variao de energia livre pa-dro (AG"1) da reao ser igual a 0,0 (o logaritmo natural de

Tabela 14-2 - Relao entre constantes de equilbrio e variaesde energia livre padro das reaes qumicas

(kJ/mol) (kcal/mol)*10-'

-17.1 -4,1

IO7 -11.4 -2.710'

-5.7 -1.4

1 0,0 0,0

le- 5,7 1.4io-' 11,4 2.7

r 17.1

22.8

4,1

10J 5,510-" 28.5 6.810* 34,2 8,2

Embora joules e quilojoules sejam as unidades-padro de energia utilizadasneste texto, os bioqumicos svezes expressam valores de G"*em quilocaloriaspor mol. Portanto, foram includos nesta tabela valores tanto em quilojoulesquanto em quilocalorias, assm como nas Tabelas 14-4 e 14-6. Para converterquilojoules em quilocalorias. basta dividiro valor em quitojoules por 4. 1 84.

1 ,0 zero). Se a K1^ for maior que 1,0, AC" ter valor negativo.Se a /C^ for menor que 1,0, AG'U ter valor positivo. Como arelao entre AGm efC^ exponencial, variaes relativamentepequenas no valor de AG"1 correspondem a grandes variaesna^.

Uma interpretao alternativa para a variao de energia li-vre padro a de que, sob condies-padro, AG^ a diferenaentre o contedo de energia livre dos produtos e o contedo deenergia livre dos reagentes. Quando o valor de AG'" negativo,os produtos possuem menos energia livre do que os reagentes ea reao ocorre espontaneamente sob condies-padro; todasas reaes qumicas tendem a ocorrer no sentido que resulta emdiminuio da energia livre do sistema. Um valor positivo deAG' significa que os produtos da reao possuem mais energialivre do que os reagentes; nesse caso, a reao tender a ocorrerno sentido reverso, caso seja iniciada com todos os componen-tes presentes em concentraes 1 ,0M (condies-padro). A Ta-bela 14-3 resume esses aspectos.

Tabela 14-3 - Relao entre os valores de e AG" e o sentidodas reaes qumicas sob condies-padro

Quando fCn Iniciando com componentes 1M a reao

> 1,0 Negativa Ocorre de forma direta1,0 Zero Est em equilbrio

< 1,0 Positiva Ocorre de forma inversa

Como exemplo, ser apresentado um clculo simples da va-riao de energia livre padro para a reao catalisada pela fos-foglicomutase:

Glicose- 1 -fosfato ; * glicose-6-fosfato

A anlise qumica mostra que se a reao for iniciada com 20mMde glicose- 1

-fosfato (na ausncia de glcose-6-fosfato) ou com20mM deglicose-6-fosfato (na ausncia de glicose- 1 -fosfato),

a

25C e pH 7,0, no equilbrio final estaro presentes ImM de gli-cose- I -fosfato e 19mM de glcose-6-fosfato. (Lembrc-se de queas enzimas no interferem no ponto de equilbrio de uma rea-o: elas simplesmente aceleram a velocidade com que ele atin-gido.) Dos dados apresentados, pode-se calcular a constante deequilbrio:

g |glicose-6-fosfatol _ !9mM _ ^,"* [glicose- 1 -fosfaio | ImM

A partir deste valor da K'eii, pode-se calcular a variao de ener-

gia livie padru:

G = -RT lnJCtq= - (8JI5)/mol K)(298K)(ln 19)= - 7,296|/mol = - 7,3W/mol

Como a variao de energia livre padro negativa,quando a rea-o iniciada com glicose- 1 -fosfato e glicose-6- fosfato, ambos oscompostos em concentrao l,0M, a converso do primeiro nosegundo d-se com perda (liberao) de energia livre. Para a rea-o reversa (a converso de glcose-6-fosfato em glicose- 1 -fosfa-to), AG'" apresenta valor equivalente, porm com sinal oposto.

A Tabela 1 4-4 apresenta as variaes de energia livre padropara algumas reaes qumicas representativas. Observar que ahidrlise de steres simples, amidas, peptdeos e glicosfdeos,bemcomo reaes envolvendo rearranjos e eliminaes,ocorrem comvariaes relativamente pequenas na energia livre padro, en-quanto a hidrlise de anidridos de cidos ocorre com diminui-es relativamente elevadas. A oxidao completa de compos-tos orgnicos tais como glicose e palmitato a C02 e H20, rea-

Tabela 14-4 - Variaes da energia livre padro de algumas reaes qumicas wn pH 7,0, 25*C Q98K)

387

Tipo de reacao(kJ/mol) (kcal/moO

Reaes de hidrlise

Anidridos de cidos

Anidndo actico + H? > 2 acetato -91.1 -21,8

ATP + H2 ADP + P, -30,5 -7,3

ATP + H,0 AMP + PP, -45,6 -10.9

PP, + H? 2P, -19,2 -4,6

UDP-glicose + HiO* UMP + glicose-1-fosfato -43,0 -10.3

steres

Acetato de etila + H7 * etanol + acetato -19,6 -A 7

Glicose-6- fosfato + H? * glicose + Pj -13.8 -3.3

Arnidas e peptfdeos

Giutamina + H,0* glutamato + NHJ -14,2 -3.4

Glicilglicina + H?0* 2 glicina -9,2 3.2

Glicosfdeos

Maltose + H2 2 glicose -15,5 -3,7

Lactose + HO* glicose + galactose -1S.9 -3,8

Rearranjosuiicose- i-tosrato* gncose-D-iosiaio irm 1 7

rruiose-D-Tosiaio * giicose-o-iosTaio

Eliminao de guaMalato fumaralo + H2 3,1 0,8

Oxidaes com oxignio molecular

Glicose -r Oj * 6CO? + 6H;0 -2.640 -0Palmitato + 230? I6C0j + 16H2 -9770 -2.338

es que nas clulas incluem vrias etapas, resulta em uma gran-de diminuio na energia livre padro. As variaes na energialivre padro tais como as apresentadas na Tabela 14-4 indicama quantidade de energia livre disponvel para uma determinada

reao, sob condies-padro. Para as condies existentes nas

clulas, entretanto, a expresso pertinente a variao de ener-

gia livre real.

A variao de energia livre real dependedas concentraes de reagentes e produtosVariao de energia livre,AG,e variao de energia livre padro,AG"*, so expresses distintas. Cada reao qumica apresentauma variao de energia livre padro caracterstica, que podeser positiva, negativa, ou igual a icro, depeiideudu da luitatantcde equilbrio da reao. A variao de energia livre padro indi-ca o sentido de uma reao, bem como a distncia em que ela seencontra do estado de equilbrio quando a concentrao iniciaide cada componente l,0M, o pH 7,0, a temperatura 25"C e apresso ]01,3kPa (l atm). Assim, AC" uma constante, umavez que o seu valor para uma determinada reao caractersti-co e invarivel. Entretanto, a variao de energia livre real, AG,depende das concentraes dos reagentes e produtos, alm datemperatura, valores que no correspondem necessariamenteaos das condies-padro descritas anteriormente. Alm disso,o valor de AG para qualquer reao que ocorre espontaneamente

no sentido do equilbrio sempre negativo, torna-se menos ne-gativo a medida que a reao evolui, atingindo o valor zero noponto de equilbrio, a partir do qual a reao no nuns realizatrabalho.

Os valores de AG e AG'" para uma determinada reao A +B C + D, so relacionados pela equao

na qual os termos em vermelho so aqueles realmente prevale-

centes no sistema em observao. Os termos de concentraonesta equao expressam o efeito geralmente denominado aodas massas. Por exemplo, suponhamos que a reao A 1B ' C + D esl sc processandosob cuiidies-padiu de lein-peratura (25"C) e presso (101,3kPa), mas que as concentra-es de A, B,C e D no so iguais entre si e tambm no corres-pondem ao valor-padro de 1,0M. Para determinar a variaoreal de energia livre, AG, sob essa condio no-padro de con-centrao, medida que a reao evolui da esquerda para a di-reita, basta introduzir as concentraes reais de A, B, C e D naEquao 14-3; os valores de R, Te AG"1 so conhecidos.O valorde AG negativo e aproxima-se de zero medida que a reaoevolui, uma vez que as concentraes reais de A e B diminuemenquanto as concentraes deC e D aumentam. Pode-se obser-var que quando a reao est no estado de equilbrio, ou seja,

quando no existe qualquer fora impulsionando a reao emqualquer um dos sentidos e AG igual a zero, a Equao 14-3reduz-se a:

= AG'" = RT In (CUPI

ou

AC" = -RT In IC,

a equao que, conforme mencionado anteriormente, relacionavariao de energia livre padro e constante de equilbrio.

O critrio para avaliar a espontaneidade de uma reao utilizar o valor de AG, no o de AC". Uma reao com valor deAG'" positivo pode ocorrer no sentido direto caso AG tenlia valornegativo. Isso possvel quando o termo RT In ((produtos|/[rea-gentes|) na Equao 14-3 negativo e apresenta um valor absolutomuito maior do que o de AG'". Por exemplo, a remoo imediatados produtosde uma reao pode manter razo |produtos]/|rea-gentesl muilo abaixo de I, de tal forma que o termo RT ln [pro-dutos|/| reagentes)) apresente um valor bastante negativo.

AG' e AG so expresses da quantidade mxima de energialivre que uma determinada reao pode teoricamente liberar, ouseja, uma quantidade de energia utilizvel apenas mediante apresena de um dispositivo perfeitamente eficiente em capt-laou armazen-la. | que tal dispositivo no factvel (algumaquantidade de energia livre sempre perdida como entropiadurante qualquer processo), a quantidade de trabalho realizadopor uma reao para temperatura e presso constantes sempremenor do que a quantidade teoricamente disponvel.

Uma outra questo importante que algumas reaes ter-modinamicamente favorveis, isto , reaes para as quais os va-lores de AG' so altos e negativos no ocorrem em velocidadesmensurveis. Por exemplo, a combusto da lenha a C02 e HjO um processo altamente favorvel termodinamicamente, Entre-tanto, a lenha mantm-sc estvel por anos, uma vez que a energiade ativao (veja Fig. 8-3) para a reao de combusto maiordoqut a energia disponvel temperatura ambiente. Caso a ener-gia de ativao necessria seja tbrnecida (por um fsforo aceso,por exemplo), a combusto ter inicio, convertendo a madeiranos produtos mais estveis COz e H;0 e liberando energia nasformas de calor e luz.O calor liberado por essa reao exotrmi-ca fornece a energia de ativao necessria para combusto deregies vizinhas lenha, autoperpetuando esse processo.

Nas clulas vivas, as reaes seriam extremamente lentas casonofossem catalisadas. Entretanto, elaso so, no porsuprimentode calor adicional, mas por diminuio da energia de ativaopor meio da ao de enzimas. As enzimas fornecem uma via dereao alternativa com uma energia de ativao menor do que ada reao no-catalisada, de tal forma que, temperatura ambi-ente,umagrande frao das molculasde substrato adquire ener-gia trmica suficiente para sobrepujar a barreira de ativao,aumentando drasticamente a velocidade de reao. A variaode energia livre para uma reao independente da via pela qualela ocorre; ela depende apenas da natureza e das concentraesdus teagentes iniciais e dos produtos finais. As enzimas, portan-to, no alteram as constantes de equilbrio; o que elas fazem aumentar a velocidade pela qual a reao ocorre no sentido de-terminado pela termodinmica.

As variaes de energia livre padro so aditivasNo caso de duas reaes qumicas em sequncia, A :== B eB C, cada uma delas possui a sua prpria constante de equi-lbrio e a sua variaode energia livre padro caracterstica, AG,'e AGj">. Como as duas reaes so sequenciais, o termo B can-celado, resultando na reao total A s= C,que possui a sua pr-pria constante de equilbrio e, portanto, a sua prpria variao

(D A

(2) B

AG|a;;"

Somtrio: A C AGi + AG*

de energia livre padro, AC",nUi . Os valores de AG" para reaesqumicas sequenciais so aditivos. Para a reao total A ;=i C,AG",

11| a soma algbrica das variaes de energia livre padroindividuais, AG[ e AG2 . das duas reaes separadas: AC'",0Ul =AGu e AGI". Esse principio da bioenergtica explica como umareao termodinamicamente desfavorvel (endergnica) em umdeterminado sentido pode ocorrer nesse mesmo sentido peloacoplamento, por meio de um intermedirio comum, com umareao altamente exergnica.

Por exemplo, a sntese de glicose-6-fosfato a primeira etapa nautilizao da glicose por muitos organismos;

Glicose + P, glicose-6-osfato f HjO AC = 13.8kJ/mol

O valor positivo de AG'" indica que sob condies -padro a rea-o no tender a ocorrer espontaneamente no sentido em queest representada. Uma outra reao celular, a hidrlise do ATPa ADP e Pj, altamente exergnica;

ATP HiO * ADP + P, AG*=-30,5kJ/mol

Estas duas reaes compartilham os intermedirios Pj e H.O,podendo ser expressas como reaes sequenciais;

( 1 ) Glicose + P, glkose--fosfa

389

es cujo somatrio resulte em uma terceira sejam aditivos, aK'cq para uma reao resultante do somatrio de duas outrascorresponde ao produto dos seus valores de K^, individuais, ouseja, as constantes de equilbrio so multiplicativas. Assim, a fC(qpara formaode glicose-6-fosfatoenvolvendo acoplamentocoma hidrlise do ATP elevada por um fator de aproximadamente2 x IO5.

Essa estratgia envolvendo intermedirios comuns utili-zada por iodas as clulas vivas na sntese de intermedirios me-tablicos e componentes celulares, sendo requisito para o seufuncionamento a contnua disponibilidade de compostos comoo ATP. Nos captulos a seguir, sero consideradas algumas dasmais importantes vias celulares de produo de ATP.

Transferncia de Grupo Fosforil e ATPUma vez conhecidos alguns dos princpios fundamentais dastransformaes de energia nos sistemas qumicos, pode-se ago-ra analisar o ciclo de energia nas clulas, bem como a funoespecial do ATP na ligao entre processos catablicos e anab-licos (veja Fig. 1-14). As clulas heterotrficas obtm energia li-vre, de natureza qumica, por meio do catabolismo de molcu-las nutrientes, utilizando-a para sintetizar ATP a partir de ADPe P,. O ATP, por sua vez, transfere parte de sua energia qumicapara processos endergnicos, tais como sntese de intermedi-rios metablicos e macromolculas a partir de precursores me-nores, transporte de substncias contra gradientes de concen-trao por meio dr membranas e movimento mecnico. Fjksitransferncia de energia do ATP geralmente envolve a participa-o de ligao covalente do ATP na reao a ser processada, coma sua consequenie converso em ADP e Pn ou, em algumas rea-es, em AMP e 2 Sero discutidas, a seguir, as bases qumi-cas para as grandes variaes de energia livre que acompanhama hidrlise do ATP e de outros compostos com grupos fosfatode alta energia. Alm disso, ser examinadoo fato de que a maiorparte dos casos de transferncia de energia do ATP envolve atransferncia de grupo, no simplesmente a sua hidrlise. A s-rie de transformaes de energia nas quais o ATP participa serilustrada pela sntese de macromolculas nformacionais, pelotransporte dc solutos atravs dc membranas c pelo movimentoproduzido durante a contrao muscular.

A variao de energia livre paraa hidrlise do ATP grande e negativaA Figura 14-1 apresenta um resumo das bases qumicas que jus-tificam o valor negativo c relativamente altoda variao de ener-gia livre padro para a hidrlise do ATP.O rompimento hidrol-tico do anidrido de cido fosfrico terminal (fosfoanidrido)do ATP separa um dos trs grupos fosfato carregados negati-vamente, aliviando parte da repulso eletrosttica na molcula;o P, (HPOj") liberado pela hidrlise estabilizado devido for-mao de vrias formas de ressonncia, no possveis n

Tabela 14-5 - Concentraes de nucleotldeos de adenlna. fosfatoinorgnico e fosfocreatina encontradas em diferentes clulas"

Concentrao (mM)ATP ADP' AMP Pi PO

Heolcito de rato 3.38 1.32 0,29 4 8 (1Mlcito de 'ato 8,OS 0.93 0,04 8 05 28Neurnio de rato 2,59 0,73 0,06 2,72 4,7Eritreito humano 2,25 0,25 0,02 1,65Clula da . coti 7.90 1,04 0,82 7,9

Para os ewootos, as concentraes coirespondem as encontradas no citosol{os entrcitos humanos no possuem ncleo ou milocndhas). Para os demaistipos de clulas, os dados sao referentes a todo o contedo celular, embora ocitosol e as mitocndnas apresentem coiKentraoes de ADP muito diferentesA fosfocreatina

391

H,0

hulrOh

PEPO

(

Piruvalo

{forma enol)Piruvalo

(forma cetonica)

PEP5 " + HjO piruvalo" + P?" G' ~ -61,9kJ/mol

Figura 14-3 - Hidrlise do fosfoenolpiruvato (PEP). Catalisada pelapiruvalo quinase, esta reao seguida por tautomerizao espontneado produto, o piruvato. A tautomerizao no possvel no PEP e, assim,os produtos das hidrlises so mais estveis do que os reagentes. Tam-bm ocorre estabilizao do P por ressonncia, conlorme mostrado nafigura 14-1.

1,3-Bifosfoglicerato

"OP=0

H,0> hidrlftc

;hoh

,H] Acido 3-fosfoglicrco

I l- N

r;:nch.

Creatina

Fosfocreatina 2 ' + HjO creatina + Pf AC = -43,0kl/moi

Figura 14-5 - Hidrlise da fosfocreatina. rompimento da ligaoPN da fosfocreatina produz a creatina. que estabilizada pela forma-o de um hbrido de ressonncia. O outro produto, o P(, tambm sofreestabilizao por ressonncia.

Em todas as reaes em que ocorre liberao de fosfato, asdiversas formas de ressonncia possveis para Pi (Fig. 14-1} o

estabilizam em relao aos reagentes, contribuindo ainda mais

para uma variao de energia livre negativa. A Tabela 1 4-6 mos-tra a energia livre padro dc hidrlise para alguns compostosfosforilados.

Tabela 14-6 - Valores da energia livre padro de hidrlise de al-guns compostos fosforilados e da acatll-coenzima A (um tioster)

AG(kJ/mol) (kcal/mol)

Fosfoeno!piruvato -61.9 -14.8

1,3-difosfoglicerato 3-fosfogtcerato + P,> -49.3 -11.8

Fosfocreatina -43,0 -10,3

ADP AMP + P,) -32.8 -7.8ATP AMP + PPJ -45.6 -10,9AMP (- adenosina + Pi) -14,2 -3,4PPi 2P() -19,0 -4.0

Glicose- 1 -fosfato -20.9 -5,0

Frutose-6-fosfato -15,9 -3.8

Gkose-6-fosfato -13.8 -3.3

Glicerol-1-fosfato -9,2 -2.2

Acetil-CoA -31,4 -7.5

Fonte: Dados extradosem sua maior parte de lencks WR (1976) In Handbookof Bkxhemistry and Molecular Biobgy, 3rdedn (Fasman GD, ed). PtiyscalandChemical Data, Vol I, pp 296-304, CRC Press, Boca Raton, FL. O novo valorpara a energia livre da hidrolise do PP, veio de Fiey, PA. & Arabshahi, A. (1 995).Standard free-energy change for lhe hidrotysis of the a-p-p*iosphoanhydridebridge in ATP. BiocnemistryU, 11.307-11.310.

Os tiosteres, nos quais o oxignio na ligao ster substi-tudo por um tomo de enxofre, tambm apresentam energialivre padro de "hidrlise alta e negativa. A acetil-coenzma A, ouacetil-CoA ( Fig. 14-6), um dos muitos tiosteres importantesno metabolismo. O grupo acila nesses compostos ativado portransacilao, por condensao ou por reaes de oxidao-re-duo. Os tiosteres sofrem muito menos estabilizao por res-sonncia do que os steres de oxignio (Fig. 14-7); consequen-temente, a diferena de energia livre entre os reagentes e os seusprodutos de hidrlise, que so estabilizados por ressonncia, maior para os tiosteres quando comparados aos steres de oxi-gnio equivalentes. Em ambos os casos, a hidrlise do ster pro-duz um cido carboxlieo, que pode ionizar-se assumindo dife-rentes formas de ressonncia (Fig. 14-6). Em conjunto, esses fa-tores resultam em um AC?'" bastante negativo para a hidrlisedo acetil-CoA, ou seja, -31kJ/mol.

CH, Acetil-CoAS-CoA

H,0-

CHf

hidrolise

Acide actico

CH, Acclato

i-.i -1 1 1 1 / ". . .

pnr re*wninan

Acetil CoA * HjO acetato' I CoA \ H" C" - -32JkJ/moI

Figura 14-6 - Hidrlise da atetil-coenzima A A acetil-CoA um tio-ster com energia livre de hidrolise alta e negativa. Os tiosteres contmum tomo de enxofre na posioem que os steres de oxignio possuemum tomo de oxignio. A estrutura completa da coenzima A (CoASH) mostrada na Figura 10-41.

Em resumo, para reaesde hidrlisecom variaes de ener-gia livre padro altas e negativas, os produtos so mais estveisdo que os reagentes, em decorrncia de um ou mais dos seguin-tes tatores: ( 1 ) a tenso da ligao nos reagentes devido repul-so eletrosttica aliviada pela separao das cargas, como nocaso do ATP (descrito anteriormente); (2) os produtos so esta-bilizados por ionizao, como no caso do ATP, acilfosfatos e tio-steres; (3) os produtos so estabilizados por isomerzao (tau-tomerizao), como no caso do fosfoenolpiruvato; e/ou (4) osprodutos so estabilizados por ressonncia, como no caso dacreatina liberada da fosfocreatina, do on carboxilato liberadodos acilfosfatos e tiosteres, e do fosfato (Pj) liberado das liga-es andrido ou ster.

O ATP fornece energia por transfernciade grupos, e no por simples hidrliseAo longo deste livro sero encontradas reaesou processos paraos quais o ATP fornece energia, sendo que a sua participao geralmente indicada conforme apresentado na Figura 14-8a,ouseja, com uma seta simples mostrando a converso do ATP emADP e Pi, ou do ATP em AMP e PPj (pirofostto). Essas reaesdo ATP, quando apresentadas dessa forma, aparentam ser sim-ples reaes de hidrlise nas quais a gua desloca o P, ou o PP;, e,assim, poder-se-ia supor que uma reao dependente de ATP "impulsionada pela hidrlise do ATP". Entretanto, esse no ocaso. A hidrlise do ATP, por si, geralmente nada produz almda liberao de calor, o qual no capaz de promover um pro-cesso qumico cm um sistema soti mico. As icacs representa-das por setas simples, tais como as apresentadas na Figura l4-8a,quasesempre correspondem a processoscompreendidos por duasetapas (Fig. 14-8b), nas quais parte da molcula de ATP, ou seja,os grupos fosforil, pirofosforil ou adenilato (AMP) so primei-ramente transferidos para uma molcula de substrato ou paraum rL-tduu de aminocido em uma enzima, ligando-se covalen temente a eles e aumentando os seus contedos de energialivre. Na segunda etapa, o segmento contendo o grupo fosforiltransferido na primeira etapa deslocado, liberando P,, PPj ouAMP. Assim, o ATP participa covalentemente da reao catalisa-da enzimaticamente, para a qual ele fornece energia livre.

34

Tiocsk-r

S

R

AC parahldnWwe liofler

i cxUi do !cidt ougnio por irsaonindii

ster deoxignio

CH,

u

O

R

etobitMto porirnwnincia

. CH.,CO

R

8-

AC para htdrliMde rter de o-jgeoio

ch,crNOH

CH,

(

+ ROH>H

Figura 14-7 - Energia livre de hidrlise dos tiosteres e steres de oxignio. Os produtos de ambos os tipos dereao de hidrlise possuem aproximadamente a mesma quantidade de energia livre (G), mas os tiosteres contm maiorquantidade de energia Irvre do que os steres de oxignio. A sobreposio de orbitais entre os tomos deOeC resulta emestabilizao por ressonncia nos steres de oxignio, mas a sobreposio de orbitais entre os tomos de S e C poucoexpressiva, resultando em baixo grau de estabilizao por ressonncia.

393

{a) Escrita como reao de uma etapa

Fkjura 14-8 - Hidrlise do ATP em duas etapas. A contribuio doATP para uma reao geralmente mostrada como apresentando umanica etapa (a); entretanto, quase sempre um processo de duas etapas,como apresentado para a reao catalisada pela glutamina sntetase de-

pendente de ATP (b). (D Um grupo fosforil primeiramente transfendodo ATP para o glutamato, Q) sofrendo deslocamento por NH? e sendoliberado na forma de P.

Entretanto, alguns processos envolvem a hidrlise direta do

ATP (ou GTP). Por exemplo, a ligao no-covalente do ATP(ou do GTP), seguida por sua hidrlise a ADP (ou GDP) e Pi,pode fornecer a energia necessria para alternar a conformao

dealgumas protenas, produzindo trabalho mecnico. Isso ocorre

na contrao muscular e no movimento de enzimas ao longo dacadeia de DNA ou no movimento dos ribossomos ao longo doRNA mensageiro. As reaces dependentes de energia catalisadaspelas helicases, protena RecA.e algumas topoisomerases (Cap-

tulo 25) lambem envolvem a hidrlise direta de ligaes fosfoa-nidrdo. Protenas ligantes de GTP que atuam em vias de sinali-zao hidrolisam o GTP diretamente, promovendo alteraesconformacionais em resposta a sinais desencadeados por hor-

mnios ou por outros fatores extracelu lares {Capitulo 13).Os compostos de fosfato encontrados nos organismos vi-

vos podem ser divididos arbitrariamente em dois grupos, combase em seus valores de energia livre padro de hidrlise (Fig.

1 4-9). Os compostos de "alta energia" apresentam valor de AG"k

de hidrlise mais negativo do que -25k|/mol, enquanto os com-postos de "baixa energia" apresentam valor de AC" menos ne-gativo. Com base nesse critrio, o ATP, com AG"1 de hidrliseigual a -30,5ty/mol (-7,3kcai/mol), um composto de alta ener-

gia, enquanto a glicose-6- fosfato, com AG"f de hidrlise igual a-!3,8k|/mol (-3,3kcal/mol), um composto de baixa energia.

O termo "ligao fosfato de alta energia", amplamente utili-zado por bioqumicos para descrever o rompimento da ligaopo na reao de hidrlise, incorreto por sugerir que a ener-

gia intrnseca ligao. De tto, o rompimento de ligaesqumicas requer umfornemento de energia. Entretanto, a ener-

gia livre liberada pela hidrlise de compostos de fosfato no pro-vm da ligao especifica que rompida, mas, antes, ela resultados produtos da reao, que apresentam um contedo de energia

livre menor do que o dos reagentes. Por simplificao, algumas

Pi

Figura 14-9 - Seleo dos compostos fosfatados de Importncia biolgica por energia livre padro de hidrlise

Esta figura apresenta o fluxo dos grupos fosforil, representado por

vezes ser utilizado o termo "compostos de fosfato de alta ener-gia" quando nos referirmos ao ATP ou a outros compostos defosfato com energia livre padro de hidrlise bastante negativa.

Por serem aditivas as variaes de energia livre de reaessequenciais, qualquer composto fosforilado pode ser sintetiza-do mediante acoplamentocom o rompimentode um outrocom-posto fosforilado com energia livre de hidrlise mais negativa.Por exemplo, pelo fato de o rompimento do Pj do fbsfoenolpiru-vato (PEP) liberar mais energia do que a energia necessria para acondensao do Pj com ADP, a transferncia direta de um grupofosforil do PEP para o ADP termodinamicamente vivel:

(1) PEP + HiO(2) ADP + P,

- piruvalo + Pj

ATP + H.O

ACT (lcl/mol)-61,9

+30.5

Somatrio: PEP + ADP piruvalo + ATP -31,4

Podem-se, portanto, descrever os compostos fosforilados comosendo dotados de um alto ou baixo potencial de transfernciade grupos fosforil. Assim, o potencial de transferncia do grupofosforil do fosfoenolpiruvato muito alto, o do ATP alto e o daglicose-6-fosfato baixo.

Grande parte do catabolismo direcionada para a sntese decompostos de fosfato de alta energia, embora a formao delesno seja um objetivo em si. Antes, essa a forma de ativar umagrande variedade de compostos para sofrer transformaes qu-micas posteriores. A transferncia de um grupo fosforil para umcomposto efetivamente injeta energia livre nele, de tal forma queele passa a apresentar maior quantidade de energia livre paraliberar em transformaes metablicas suhsequentes. Foi mos-trado acima como a sntese da glicose-6-fosfato associada transferncia do grupo fosforil do ATP. No prximo captuloser examinado como a fosforilao ativa ou "prepara" a glicosepara as reaes catablicas que ocorrem em quase todas as clu-las vivas. Devido a sua posio intermediria na escala de po-tencial de transferncia de grupo, o ATP capaz de transportarenergia dos compostos de fosfato de alta energia, produzidospelo catabolismo, para compostos corno a glicose, convertendoesses em espcies roais reativas-^tsim, o ATP atua como uma"moeda universal" d energia em todas as clulas vivas.

Uma caracterstica qumica do ATP crucial para a sua fun-o no metabolismo: embora em soluo aquosa o ATP seja ter-modinamicamente instvel, sendo portanto um bom doador degrupos fosforil, ele netfcamente estvel. Assim, devido enor-me energia de ativao (200 a 400kJ/mol) necessria para o rom-pimento no enzimtico de sua ligao fosfoanidrido,o ATP no capazde doarespontaneamente grupos fosforil para a gua oupara centenas de outros potenciais receptores na clula. Somen-te quando enzimas especficas diminuem essa energia de ativa-o que efetivamente ocorre a transferncia do grupo fosforildo ATP. A clula , portanto, capaz de regular a disponibilidadeda energia armazenada no ATP por meio de regulao das dife-rentes enzimas que atuam sobre ele.

O ATP doa grupos fosforil. pirofosforil e adenililAs reaes do ATP so geralmente deslocamentos nucleofilicosdo tipo SN2 (pg. 51 ), nos quais o nuclefilo pode ser, por exem-plo, o oxignio de um lcool ou carboxilato ou, ainda, um ni-trognio da creatina ou da cadeia lateral da arginina ou histidi-na. Cada um dos trs fosfatos do ATP suscetvel ao ataque nu-cleoflico (Fig. 14-10), sendo que o ataque a cada posioespecfica resulta em um tipo diferente de produto.

O ataque nucleofilico de um lcool sobre o fosfato y {Fig.14-I0a) desloca ADP produzindo um novo ster fosfato. Estu-dos realizadoscom reagentes marcados com '*0 mostraram quea ponte oxignio no novo composto no derivada do ATP,mas sim do lcool; o grupo transferido do ATP no um fosfato(OPO"), mas sim um fosforil (PO*"), A transferncia dngrupo fosforil do ATP para o glutamato (Fig. 14-8) ou para a gli-cose pg. 212) envolve ataque na posio y da molcula de ATP.

O ataque ao fosfato p do ATP desloca AMP, cedendo umgrupo pirofosforil (no-pirofosfato) para o ataque nucleofilico(Fig. 14-10b). Por exemplo, a formao do 5'-fosibribose 1-piro-fosfato, um intermedirio central na snteseHo nm-lcnrideo, ocorre medida que um grupoOH da ribose ataca o fosfato p.

O ataque nucleofilico posio a do ATP desloca PP;, trans-ferindo adenilato (5'

-AMP) como um grupo adenilil (Fig, 14-10c); a reao corresponde a uma adenililao. Note que a hi-drliseda ligao a-p-fosfoanidrido libera mais energia (~46kJ/

Trs posies para ataque do nuclefilo RI8 sobre o ATPr EL

OI*OPOP-OPOiRibHAdenm

R" R'"GA

R'"0PO-

cr+

AJ>P

Transfernciadc fosforil

(a)

R'M_ j

o

O-o-

i)

AMPTransferncia

de pirofosforil(b)

R IKopo[RrMd^nT

kppi

Transfernciade adenilil

(c)

Figura 14-10 - Reaes de deslocamento nucleofilico do ATP Um dos trs tomos de P , um grupocarboxila (RC0O") ou ainda um fosfoanidrido (um nucleosldeo mono ou difosfato, por exemplo), (a) Quando o oxignio do nucle-filo ataca a posio y, a ponte oxignio do produto sofre marcao, indicando que o grupo transferido do ATP no um fosfato(OP03 "), mas sim um fosforil (POJ"). (b) O ataque na posio desloca AMP promovendo a transferncia de um grupo pirofos-foril (no-pirofosfato) para o nuclefilo. (c) O ataque na posio a desloca PPt transferindo o grupo adenilil para o nuclefilo.

395

mol) do que a hidrlise da ligao p-7 (~3lk|/mol) (Tabela 14-6). Alm disso, o PPj formado como um subproduto da adeni-lilao hidrolisado liberando dois P, por ao da pirofosfataseinorgnica, uma enzima de presena constante, liberando 19kJ/mol e fornecendo, portanto, uma energia adicional de "arran-que" para a reao de adenililao. Assim, ambas as ligaes tbs-foanidrido do ATP so rompidas na reao total. As reaes deadenililao so, portanto, termodinamicamente muito favo-rveis. Quando a energia do ATP requerida para promoveruma reao metablica particularmente desfavorvel, a adenili-lao frequentemente o mecanismo de acoplamento de ener-gia empregado. A ativao dos cidos graxos um bom exem-plo dessa estratgia.

Na primeira etapa de ativao de um cido graxo, seja paraoxidao geradora de energia {veja Fig. 17-5) ou para utilizaona sntese de lipdios mais complexos (Captulo 21 ), ele liga-do ao carreador coenzima A (Fig. 14-1 1). A condensao diretade um cido graxo com a coenzima A endergnica, mas a for-mao do acil graxo-CoA torna-se exergnica pela remoo se-quencial de dois grupos fosforil do ATP. Primeiramente, o ade-nilato (AMP) transferido do ATP para o grupo carboxila docido graxo, formando um anidrido misto (acil graxo-adenila-to) e liberando PP;.O grupo tiol da coenzima A desloca ento ogrupo adenilato, formando um tioster com o cido graxo. Osomatrio dessas duas reaes energeticamente equivalente

O o oCHj(CH)u + OPOPOPO |RibH Admina

O O oPaimi[dlo ATP

PP,plfOtsflaw

-* 2P,

CH.i(CHj)wQ jJ O

vO

,Rih|I Aderiu

Palmiioil-adentlato

CoASHCoenzima A

\CAPalmitoil-CoA

O PO

| Rib |I Adcnina

CrAMP

Reao global:

Palmittto + ATP + CoASH plamitoil-CoA + AMP + 2PiAC - -32,5k|/mol

Figura 14-11 - Reao de adenililao na ativao de um cidograno. Ambas as ligaes osfoanidndo do ATP so eventualmente rom-pidas na formao de palmitoil-coenzima A. Primeiro, o ATP doa adenila-to (AMP), formando o acil graxo-adenilato e liberando PP,, que hidroli-sado pela pirofosfatase inorgnica. grupo aol-graxo "energizado"

ento transferido para a coenzima A (CoASH), com a qual ele forma umaligao tioster que conserva parte da energia resultante do ATP.

hidrlise exergnica do ATP em AMP e PP| (AG' - -45,6k(/mol) e formao endergnica do acil graxo-CoA (AG' =3l,4kJ/mol). A formao do acil graxo-CoA torna-se energeti-camente favorvel pela hidrlise do PPj por meio da ao dapirofosfatase inorgnica. Assim, na ativao de um cido gra-xo, ambas as ligaes fosfoanidrido do ATP so rompidas. O va-lor de AC" resultante corresponde ao somatrio dos valores deACpara o rompimento dessas ligaes, ou seja, -45,6k|/mol +{-l9,22)kJ/mol:

ATP * 2H.O AMP i 2P. A

396

Adendo 14-3 o re Iam pear dos vaga-lumes: relatos brilhantes do ATP

A bioluminescncia necessita de uma quantidadeconsidervel de energia. No vaga -lume, o ATP uti-lizado em uma variedade de reaces que convertemenergia qumica em energia luminosa. De milharesde vaga-lumes eoletados por crianas nas imedia-es de Baltimore, William Mcllroy e seus colabo-radores da Universidade Johns Hopkins isolaram osprincipais componentes bioqumicos: a luciferina,um cido carboxilico complexo, e a luciferase, umaenzima. A emisso de um lampejo requer a ativaoda luciferina por meio de uma reao enzimticaenvolvendo a quebra do ATP cm profosfto comformao de adenilato de luciferina. Em presenade oxignio molecular e luciferase, a luciferina so-fre um processo gradual de desa rboxilao oxida-liva a oxiluciferina, Esse processo acompanhadopor emisso de luz. A cor dos lampejos difere emfuno da espcie de vaga-lume c parece ser deter-minada por diferenas na estrutura da luciferase. Poruma srie de reaes subsequentes, a luciferina regenerada a partir da oxiluciferina.Em laboratrio, luciferina e luciferase purifica-

das de vaga-lume possibilitam, em funo da inten-sidade luminosa produzida, medir quantidades deATP to pequenas quanto alguns poucos picomo-

les (10 12 mol). Uma extenso ilustrativa dos estu-dos com luciferase a clonagem de seu gene emplantas de tabaco- Quando irrigadas com uma solu-o contendo luciferina, essas plantas fosforescemno escuro (veja Fig. 29-20).

O vaga-lume, um besouro da famlia Lampyrtdae.

HG

H

Luciferina do vaga-lume

Adenilato de luciferina

COO

OI RibH AdeninaA Ml'

Adenilalo dluciferina

"Uiz''

CO, * AMP

Luciferina Oxiluciferina

rcj(cncfa^io

Componentes importantes que participam do ciclo de boluminescncia do vaga-lume.

No sistema contrtil das clulas do msculo esqueltico, amiosina e a actina so protenas especializadas em transduzir aenergia qumica do ATP em movimento (veja Fig. 7-33).O ATPliga -se fortemente, embora no-covalentemente, a uma confor-mao da miosna, mantendo-a nessa conformao. Quando amiosina catalisa a hidrlise do ATP ligado, o ADP e P| disso-ciam-se da protena permitindo o seu relaxamento em umaoutra conformao, que se mantm at a ligao de uma outramolcula de ATP. A ligao e a subsequente hidrlise do ATP(pela miosina ATPase) fornecem a energia que induz a altera-es cclicas na conformao da cabea da molcula de miosi-na. A alterao na conformao de vrias molculas individuaisde miosina resulta no deslizamento das fibrilas da protena aolongo dos filamentos de actina (veja Fig. 7-32), promovendo acontrao macroscpica da fibra muscular. Essa produo de

movimento mecnico custa do ATP e\ conforme mencionadoanteriormente, um dos poucos casos em que a hidrlise do ATPpor si, e no a transferncia de grupo do ATP, a fonte de ener-gia qumica em um processo acoplado.

As transfosforilaes entre os nudeotdeosocorrem em todos os tipos de clulasEmbora o ATP lenha sido definido como a moeda de energia daclula e o doador de grupos fosforil, todos os outros nucleos-deos trifosfato (GTP, UTP e CTP) e todos os desoxinucleosdeostrifosfato (dATP,dGTP, dTTP edCTP) so energeticamente equi-valentes ao ATP. As variaes de energia livrequeacompanham ahidrlise de suas ligaes fosfoanidrido so bastante semelhan-tes quelas apresentadas na Tabela 14-6 para o ATP. Na prepara-o para as suas diferentes funes biolgicas, esses outros nu-

397

rompimento da primeira1|C>y3ii anidrido

C.TP

Cadeia do RNAaumentada deum nuckvtklco

01 1 011

Figura 14-12 - Nucleosdeos trifosfato na sntese do RNA. Com cadanudeosldeo monotosfato adicionado a cadeia em crescimento, um PP, liberado e hidrolisado a dois P( . hidrlise de duas ligaes fosfoandridopara cada nudeotdeo adicionado fornece a energia para a formao dasligaes no polmero de RNA e para a montagem de uma sequencia or-denada Hp niir Ipntripos

cleotdeos so formados e mantidos como nucleosdeos trifosfa-

to (NTP) mediante transferncia do grupo fosforil aos nucleos-deos difosfato (NDPs) e monofosfato (NMPs) correspondentes.

O ATP o composto fosfato de alta energia primrio pro-duzido pelo catabolismo na gliclise, fosforilao oxidativa e,

em clulas fotossintticas, na fotofosforilao. Diversas enzimas

transferem grupos fosforil do ATP para outros nucleotfdeos. Anucleosdeo difosfato quinase, encontrada em todas as clulas,

catalisa a reao

ATP + NDP lou dNDP)Mg"

ADP + NTP (ou dNTP) AGm *

Embora esta reao seja totalmente reversvel, a razo [ATP]/|ADP| relativamente alta nas clulas, normalmente, impulsionaa reao para a direita, com a nova formao de NTPs e dNTPs.

A enzima, na realidade, catalisa uma transferncia de grupo fos-foril em duas etapas. Primeiramente, a transferncia do grupofosforil do ATP para um resduo de His do stio ativo produzuma fosfoenzima intermediria; o grupo fosforil ento trans-

ferido do resduo de G?>-His para um receptor de NDP. Por ser aenzima no especfica para a base no NDP, atuando com a mes-ma eficincia sobre NDPs e dNDPs, ela capaz de sintetizar to-dos os NTPs e dNTPs, gerando os NDPs correspondentes e umsuprimento de ATP.

Quando ocorre acmulo de ADP decorrente da transfern-cia de grupos fosforil do ATP, como no caso de uma contraomuscular vigorosa, o ADP interfere na contrao dependente deATP. Nesse caso, a adenilato quinase remove ADP por meio dareao

v

AG *2ADP . ATP AMP

Esta reao totalmente reversvel, de tal forma que a enzima

pode converter tambm AMP (produzido pela transferncia degrupos profosforil ou adenilil do ATP) em ADP, que pode en-to ser fosforilado a ATP por meio de uma das vias catablicas.Uma enzima semelhante, a guanilato quinase, converteGMP emGDP custa de ATP. Por meio de vias como essas, a energia con-servada na produo catablica do ATP utilizada para suprir aclula com todos os NTPs e dNTPs necessrios.

A fosfocreatina (Hg. 14-5), tambm denominada creatinafosfato, uma fonte de grupos fosforil para uso imediato, pro-movendo a formao rpida de ATP a partir do ADR A concen-trao de fosfocreatina (PCr) no msculo esqueltico de apro-ximadamente 30mM, quase dez vezes superior concentraode ATP, e em outros tecidos lais como msculo liso, crebro erim de 5 a lOmM. A enzima creatina quinase catalisa a reaoreversvel

ADP + PCr .M* fc ATP + Cr AG'" = -12 (5kI/mol

Quando uma sbita demanda por energia esgota o ATP, o reser-vatrio de PO o repe a uma velocidade consideravelmente su-perior quela pela qual ele sintetizado por meio das vias cata-blicas. Quando a demanda por energia diminui, o ATP produ-zido pelo catabolismo utilizado para repor o reservatrio de

PCr por meio do reverso da reao da creatina quinase. Orga-nismos inferiores utilizam outras molculas do tipo da PCr (de-nominadas coletivamente de fosfagens) como reservatrios de

grupos fosforil.

O polifosfato inorgnico umdoador potencial de grupos fosforilO polifosfato inorgnico (poliP) um polmero linear compos-to por centenas de resduos de P, ligados por meio de ligaes

fosfoanidrido. Esse polmero, presente nas clulas de todos osorganismos, possui aproximadamente o mesmo potencial detransferncia de grupos fosforil do PP,; a sua funo biolgicaainda no eoulicuda. Na Estherichiu coti, poliP c acumuladoquando as clulas esto crescendo em meio cem excesso de \'sendo que esse acmulo representa uma vantagem para a sobre-vivncia durante perodos de estresse nutricional ou oxidativo.

A enzima polifosfato quinase catalisa a reao

ATP + poliP ,Mg

'' ADP * poliP . 1 A

398

-oiJ-o-LLv-Lcr i- A" A

Polifosfato inorgnioi (polP)

I

fosforil anlogo ao ATP no que se refere s transferncias catali-sadas por quinases. O menor polifosfato, PPj ( = 2), pode ser-vir como fonte dc energia para o transporte ativo de H 1 em va-colos de plantas. O PPj tambm o habitual doador de gruposfosforil para pelo menos uma forma da enzima fosfofrutoqui-nase em plantas, uma funo normalmente exercida pelo ATPem animais e microrganismos (pg. 413). A descoberta de eleva-das concentraes de poli? em condensados e vapores vulcni-cos sugere que ele poderia ter servido como fonte de energia naevoluo celular pr-bitica e primitiva.

As equaes bioqumicas e qumicas no so idnticasBioqumicos escrevem equaes metablicas em uma forma sim-plificada, particularmente as reaes envolvendo o ATP. Com-postos fosforilados podem existir em diferentes estados de ioni-zao, e, conforme j mencionado, as diferentes espcies podemligar Mg2*. Por exemplo, em pH 7,0 e concentrao de Mg 2 " iguala 2mM, o ATP encontra-se nas formas ATP*", HATP 1", H.ATP2

,

MgHATP" e MgjATP. Entretanto, quando se considera a funobiolgica do ATP, nem sempre todos esses detalhes so relevan-tes, podendo o lermo ATP representar todas as espcies envolvi-das. Portanto, a sua hidrlise pode ser representada pela equa-o bioqumica

ATP + H; * ADP + Pi

na qual ATP, ADP c P, correspondem aos somatrios das esp-cies, A constante de equilbrio aparente

K;q = lADPUPil/lATPl

depende do pH e da concentrao de Mg1* livre. Pode-se obser-var que H* e Mg^* no aparecem na equao bioqumica porqueeles so mantidos constantes. Assim, uma equao bioqumicano inclui o balanceamento de H, Mg ou carga, embora ela in-clua o balanceamento de todos os outros elementos envolvidosna reao (C, N, O e P na equao citada).

Pode-se escrever uma equao qumica incluindo o balan-ceamento de todos os elementos e cargas. Por exemplo, quandoo ATP hidrolisado em valores de pH acima de 8,5 na ausnciade Mg2*, a reao qumica representada por

ATP** * HjO * ADP 5" + HPO^ + H"A constante de equilbrio correspondente

= [ADP-* UHPO KH-I/IATP4"!

depende somente da temperatura, presso e fora inica.Ambas as formas de se escrever uma reao metablica so

relevantes em bioqumica. Assim, equaes qumicas so utili-zadas quando se precisa levar em considerao todos os tomose cargas na reao, como no caso da anlise de mecanismos en-volvidos. Equaes bioqumicas so utilizadas para estabelecerem qual sentido a reao ocorrer espontaneamente, dado umvalor especfico de pH e [Mg2 *|,ou para calcular a constante deequilbrio dessa reao.

Neste livro sero utilizadas as equaes bioqumicas, a noser quando enfocarmos o mecanismo quimico envolvido, almde valores de AG' e fCrq determinados em pH 7,0 e na presenade Mg2 ' ImM.

Reaes Biolgicas de Oxidao-ReduoA transferncia de grupos fosforil um evento central no meta-bolismo. Igualmente importante a transferncia de ettronsem reaes de oxidao- reduo. Essas reaes envolvem a per-da de eltrons por uma determinada espcie qumica, que sofreoxidao, e a captao de eltrons por uma outra espcie qumi-ca, que sofre reduo. O fluxo de eltrons em reaes de oxida-o-reduo responsvel, direta ou indiretamente, por todosos trabalhos realizados pelos organismos vivos. Em organismosno-fotossintticos, as fontes de eltrons so compostos reduzi-dos (alimentos); em organismos fotossintticos, o doador ini-cial de eltrons uma espcie qumica excitada por absoro deluz. A via de transporte de eltrons no metabolismo complexa.Os eltrons movem-se de diferentes intermedirios metablicospara carreadores de eltrons especializados, por meio de reaescatalisadas enzimaticamente. Os carreadores, por sua vez,doam-nos a receptores com maior afinidade por eltrons, liberandoenergia. As clulas contm uma variedade de transdutores mo-leculares de energia, que convertem a energia do fluxo de el-trons em trabalho til.

Nossa discusso ter incio com a descrio dos tipos geraisde reaes metablicas que envolvem a transferncia de eltrons.Aps a considerao das bases tericas e experimentais paramedir as alteraes de energia nas reaes de oxidao, em ter-mos de fora eletromotiva, ser discutida a relao entre essafora, expressa em volts, e a variao de energia livre, expressaem joules. Concluiremos com a discusso das estruturas e daqumica de oxidao -reduo dos mais comuns dos transporta-dores de eltrons especializados,que sero mencionados frequen-temente nos prximos captulos.

O fluxo de eltrons pode realizar trabalho biolgicoSempre que se liga um motor, a luz eltrica ou o aquecedor, ouainda quando uma fasca promove a combusto da gasolina emum motor de veculo, o fluxo de eltrons utilizado para reali-zar trabalho. No circuito que impulsiona um motor, a fonte dceltrons pode ser uma bateria contendo duas espcies qumicasque diferem na afinidade por eltrons. Os fios eltricos forne-cem um caminho para o fluxo de eltrons de uma espcie qu-mica em um plo da bateria, por meio do motor, para a espciequmica no outro plo da bateria. Pelo fato de as duas espciesqumicas diferirem em suas afinidades por eltrons, estes fluemespontaneamente por meio do circuito, conduzidos por umafora proporcional diferena na elet roafinidade, a fora ele-tromotiva (fem>. A fora eletromotiva (tipicamente alguns pou-cos volts) pode realizar trabalho caso um transdutor de energiaapropriado, nesse caso um motor, seja includo no circuito.motor pode estar acoplado a uma variedade de dispositivos me-cnicos capazes de realizar trabalho til.

As clulas vivas possuem um "circuito" biolgico anlogo,sendo que um composto relativamente reduzido, a glicose, afonte de eltrons. A glicose oxidada enzimaticamente e os el-trons liberados fluem espontaneamente por meio de uma sriede carreadores intermedirios, para uma outra espcie qumica,tal como o O;, Esse fluxo exergnico porque o Oj possui maiorafinidade por eltrons do que os carreadores intermedirios. Afora eletromotiva resultante fornece energia para uma varieda-

de de transdutores moleculares (enzimas e outras protenas), osquais realizam trabalho biolgico. Na mitocndria, por exem-plo, enzimas ligadas membrana acoplam o fluxo de eltrons gerao de uma diferena de pH transmembrana, realizando tra-balho eltrico e osmtico. O gradiente de prtons assim forma-do possui energia potencial, algumas vezes denominada fora

399

prton motiva por analogia com a fora eletromotiva. Uma ou-tra enzima, a ATP sintase na membrana mitocondrial interna,utiliza a fora prton motiva para realizar trabalho qumico, qual

seja, a sntese de ATP a partir de ADP e Pj, medida que os pr-tons fluem espontaneamente atravs da membrana. De formasemelhante, na E. colt, enzimas localizadas na membrana con-vertem a fora eletromotiva em fora prton motiva, utilizadapara potencializar o movimento flagelar.

Os princpios da eletroqumica que determinam as altera-es energticas no circuito macroscpico compreendido porum motor e bateria aplicam-se, com igual validade, aos proces-

sos moleculares associados ao fluxo de eltrons nas clulas vi-vas. Esses princpios sero examinados a seguir,

l

Oxidao-reduo pode ser descritana forma de meia-reaoEmbora oxidao e reduo ocorram conjuntamente, conve-niente que, na descrio da transferncia de eltrons, as duasmetades de uma reao de oxidao-reduo sejam representa-das separadamente. Por exemplo, a oxidao do Ion ferroso peloon cprico

Fe 2 * + Cu11 ;= Fe* * Cu'

pode ser descrita em termos de duas meias- reaes:

(1) Fe" ;=FeJf

(2) Cu1* + e" 5=+ e

Cu'

A molcula doadora de eltrons em uma reao de oxidao-reduo denominada agente redutor, ou simplesmente redu-tor; a molcula receptora de eltrons o agente oxidante,ou sim-

plesmente oxidante.Um determinado agente, tal como um ctionferro existente nos estados ferroso (Fe2- ) ou frrico (Fe5*), fun-ciona como um par oxidante- redutor conjugado (par redox), damesma forma que um cido e a sua base correspondente funcio-nam como um par cido-base conjugado. Relembre do Captu-lo 4 que para uma reao cido-base pode escrever-se a seguintereao geral: doador de prtons H 1 + receptor de prtons.Para as reaes redox pode-se escrever uma reao geral seme-

lhante: doador de eltrons e~ + receptor de eltrons. Nameia-reao reversvel < I ) descrita acima, Fe

2* o doador de el-trons enquanto Fe3' o receptor; juntos, Fe2* e Fe*" constituemum par redox conjugado.

As transferncias de eltrons nas reaes de oxidao-redu-

o envolvendocompostos orgnicos no so fundamentalmentediferentes das que ocorrem com espcies inorgnicas. No Cap-tulo 9 foi apresentada a oxidao de um acar redutor (um al-dedo ou cetona) pelo on cprico (veja Fig. 9- 10a):

Z3 , />RC + 40H~ + 2Cu2t ;=i RC +

XH OH

CuaO + 2H2

A reao total pode ser expressa na forma de duas meias-reaes:

tl) RC + 20H 5=* RC' * 2e * H2NH NOH(2) 2Cu* + 2e~ + 20H" 5=i CUlO + H,0

Como dois eltrons so removidos do carbono aldedo a se-gunda meia-reao (a reduo por um eltron do on cprico acuproso) deve ser multiplicada por dois no balanceamento daequao total.

As oxidaes biolgicas frequentementeenvolvem desidrogenaoNas clulas vivas, o carbono encontra-se em diferentes estadosde oxidao (Fig. 14-13). Quando o tomo de carbono com-partilha um par de eltrons com um outro tomo (tipicamenteH, C, S, N ou O), o compartilhamento desigual em favor dotomo mais eletronegativo (relembre a ordem crescente de ele-tronegativdade apresentada na Tabela 3-2: H

Metano

Bano(alcano)

Eleno(alceno)

Etanol

(lcool)

Acetileno

Ulcino)

Forinaldedo

Acetaldeldo

(aldedo)

Aclona

{ectona)

H

H :C:HH

H H

H : C : C : HH H

H.

H[C: -C

H '-

H

H H

H : C j: : : HH H

H : C H

H

HG::0.

S .HH : c c

;

H'*&

H Y HH:C."C;C:H

H H

.O

!

Acido frmico H C..

(acido carboxlico}

Monxidodc carbono

Acido actico(Acido carboxlico)

Dixidode carbono

li

5! &H 'Pr

,Q;.:C::0,

Figura 14-13 - Estados de oxidao do carbono presentes na bios-fera. Os estados de oxidao so ilustrados com alguns compostos re-presentativos. Concentre-se no tomo de carbono em vermelho e seuseltrons liganles. Quando esse carbono se liga d um tomo de H menoseletronegativo, ambos os eltrons ligantes (em vermelho) so cedidos aocarbono. Quando o carbono ligado a um outro carbono, os eltronsligantes so compartilhados igualmente, de tal forma que um dos doiseltrons cedido ao carbono em vermelho Quando o carbono em ver-melho ligado ao tomo de mais eletronegativo, os eltrons ligantessao cedidos ao oxignio. O nmero direita de cada composto o n-mero de eltrons "apropriado" peto carbono em vermelho, uma expres-so do seu estado de oxidao. Quando o carbono em vermelho sofreoxidao {perde eltrons), o nmero torna-se menor. Assim, a ordemcrescente para o estado de oxidao : alcano < alceno < lcool < alcno< aldedo < cetona < cido carboxlico < dixido de carbono.

Nas clulas ocorrem todos os quatro tipos de transferncia aceltrons. O termo equivalente redutor geralmente utilizadopara designar um nico equivalente eletrnico que participa deuma reao de oxidao-reduo, independentemente de esseequivalente estar na forma de eltron, tomo de hidrognio ouon hidreto, ou, ainda, se a transferncia de eltrons ocorre emuma reao com oxignio liberando um produto oxigenado.Como as molculas combustveis biolgicas geralmente sofremdesidrogenao enzimtica perdendo dois equivalentes reduto-res dc uma vez, e como cada tomo de oxignio recebe dois equi-valentes redutores, os bioqumicos, por conveno, rererem-se unidade de oxidao biolgica como dois equivalentes reduto-res que se transferem do substrato para o oxignio.

Os potenciais de reduo medema afinidade por eltronsQuando dois pares redox conjugados esto presentes conjunta-mente em soluo, a transferncia de eltrons do doador de umpar para o receptor de eltrons do outro par pode ocorrer es-pontaneamente. A tendncia para que a reao ocorra dependeda afinidade relativa do receptor de eltrons de cada par redax,O potencial de reduo padro, E, uma medida (em volts) des-sa afinidade, pode ser determinado por experimento semelhan-te ao descrito na Kigura 1 4- 14. Os eletroqumicos escolheramcomo padro de referncia a seguinte meia-reao:

H' + e li?

Ao eltrodo no qual essa meia-reao ocorre (denominado meia-clula), e* atribudo, arbitrariamente, um potencial de reduopadro de 0.00V. Quando esse eltrodo de hidrognio conecta-do por meio de um circuito externo a outra meia-clula em queuma espcie oxidada e sua espcie reduzida correspondente es-to presentes em conccntraes-padro (cada soluto em con-centrao IM e cada gs sob presso de 101,3kPa ou I atmj.oseltrons tendero a fluir por meio do circuito externo, da meia-clula com menor potencial de reduo padro para a meia-c-lula com maior potencial de reduo padro. Por conveno, meia-clula com maior tendncia para adquirir eltrons atri-budo um valor positivo para F.

O potencial de reduo de uma meia-clula depende nosomente das espcies qumicas presentes, mas tambm de suasatividades, cujos valores so comparveis aos de suas concentra-es. H aproximadamente um sculo, Walther Nernst deduziuuma equao que relaciona o potencial de reduo padro (E3)ao potencial de reduo (E) para quaisquer concentraes deespcies oxidadas e reduzidas na clula:

(14-4)RT |^ |receptor de ellrons]fl

401

Aparelho para medirfora eletromotriz (fem)

Tabela 14-7 - Potenciais de reduo padro de algumas meias-rea-es biologicamente Importantes a 25 em pH 7,0

Clula referencia defcm conhecida:

eltrodo de hidrog-nio no qual o H :

gasoso pressio deI01,3kPa equilibra-do ao eltrodo com

H* 1M

Clula referencialeite contendo

concentraes 1Mdas espciesredudda e

oxidada do parredox sob anlise

Figura 14-14 - Medida do potencial de reduo padro (') de umpar redox. Os ellrons fluem do eltrodo teste para o eltrodo de refe-rencia, ou vce-versa. A meia-clula de referncia final o eltrodo dehidrognio, conforme mostrado nesta figura. O valor de 0,00V atribui-do fora eietromotiva (fem) desse elfodo. Em pH 7,0, o valor de fpara o eltrodo de hidrognio -0.414V. O sentido do fluxo dos eltronsdepende da sua "presso" relativa ou do potencial das duas clulas. Umaponte salina contendo soluo de KCI saturado fornece um caminho paraa movimentao dos tons entre a clula teste e a de referncia. A partirda fem encontrada e conhecendo-se a fem da clula de referncia, possvel determinar a fem da clula teste contendo o par redox em an-lise. A clula que recebe eltrons apresenta, por conveno, o potencialde reduo mais positivo.

Meia-reaao

\02 * 2H* + 2e' H>0-* Fe1 -Fe J" + e-

NOj + 2H* + 2e H02 + H;0Ctocromo f (Fe*') te"> citocrotno f(fe*')

Fe(CN)| (ferncianeto) + e > Fe(CN)eCtocromo t (Fe 3*) + e'

O? + 2H* + 2e~ H,03Citocromo a (Fe3*) + e"

Ctocromo c (Fe'*) + e~

citocromo aj (Fe2*)

Citocromo c, (Fe3*) + e'

citocromo a (Fe2*)

citocromo c (Fe2*)

' citocromo c, (Fe'*)

Citocromo 6 (Fe1*) + e~ citocromo b (Fe3*)

Ubiquinona + 2H 4 + 2e" ubiquinol + H2Fumarato' + 2H* + 2e** succinato'

2H' + 2e~* H2 (nas condioes-padro, pH 0)Crotonil-CoA + 2H* * 2e'* butiril-CoA

Oxaloacetato1" + 2H' + 2e"* malato^

Piruvato- + 2H* + 2e~* lactato"

Acetaldeldo + 2H* + 2e_ etanol

FAD + 2H* + 2e" FADH;

Glutationa + 2H* + 2e" 2 glutationa reduzida

S + 2H- + 2e H2S

Acido llpico + 2H* + 2e" * acido diidroliptco

NAD4 + H* + 2c * NADHNADP* + H* * 2- * NAOPH

Acetoacetato +- 2H* + 2e * [i-hidroxibutirato

ct-Cetoglutarato -t CO/ + 2H* 1 2e * isoctrato2H* + 2e" H2 (em pH 7,0)Ferredoxina

402NAD 1 forem 0.1M, o valor de AG pode ser calculado como se-gue. Primeiro, so determinados os valores de E para ambos osredutores (Eq. 14-4):

- RT . |acetaldedo|Cjcidtido - c + In

nJ ielauol

)

=-0.320V +

[JAPH, Ji.

_o,350V

A ento utilizado para calcular AG (Eq. 14-5):AE =

-0.167V - (-0,350)V = 0.183V

AG = -n3 AE=

-2(96,5k|A-'mol)(0,l83V)=

-35,3kJ/mol

Assim, possvel calcular a variao de energia livre para qual-quer reao redox bio