Em formação

W2018_Bis2A_Lecture10_reading - Biologia


Nesta tarefa de leitura, você será solicitado a reler e, a seguir, comentar sobre as seções selecionadas das tarefas de leitura das Aulas 2-9. As seções foram escolhidas com base em seu alto interesse, nível de confusão, número de perguntas ou qualidade dos comentários. Observe que isso NÃO significa que essas seções são as únicas que aparecerão no teste.

Muitos desses tópicos devem ser menos confusos agora que você dominou os objetivos de aprendizagem das três primeiras semanas do curso. Você deve achar mais fácil de fazer comentários substanciais neste material que refletem sua compreensão mais profunda deste material.

Da leitura para a aula 2

Difusão e sua importância para bactérias e arquéias

O movimento por difusão é passivo e prossegue no gradiente de concentração. Enquanto a história "real" é um pouco mais complexa e será discutida com mais detalhes posteriormente, a difusão é um dos mecanismos que as bactérias e arqueas usam para auxiliar no transporte de metabólitos.

A difusão também pode ser usada para eliminar alguns resíduos. À medida que os resíduos se acumulam dentro da célula, sua concentração aumenta em comparação com a do ambiente externo, e os resíduos podem deixar a célula. O movimento dentro da célula funciona da mesma maneira: os compostos irão se mover para baixo em seu gradiente de concentração, longe de onde são sintetizados para lugares onde sua concentração é baixa e, portanto, podem ser necessários. A difusão é um processo aleatório - a capacidade de dois compostos ou reagentes diferentes interagirem com as reações químicas torna-se um encontro do acaso. Portanto, em espaços pequenos e confinados, interações aleatórias ou colisões podem ocorrer com mais frequência do que em grandes espaços.

A capacidade de difusão de um composto depende da viscosidade do solvente. Por exemplo, é muito mais fácil para você se mover no ar do que na água (pense em se mover embaixo da água em uma piscina). Da mesma forma, é mais fácil para você nadar em uma piscina de água do que em uma piscina cheia de pasta de amendoim. Se você colocar uma gota de corante alimentar em um copo de água, ela se difunde rapidamente até que todo o copo mude de cor. Agora, o que você acha que aconteceria se você colocasse a mesma gota de corante alimentar em um copo de xarope de milho (muito viscoso e pegajoso)? O copo de xarope de milho vai demorar muito mais para mudar de cor.

A relevância desses exemplos é notar que o citoplasma tende a ser muito viscoso. Ele contém muitas proteínas, metabólitos, pequenas moléculas, etc. e tem uma viscosidade mais parecida com o xarope de milho do que com a água. Portanto, a difusão nas células é mais lenta e limitada do que você poderia ter esperado originalmente. Portanto, se as células dependem apenas da difusão para mover os compostos, o que você acha que acontece com a eficiência desses processos à medida que as células aumentam de tamanho e seus volumes internos ficam maiores? Existe um problema potencial para crescer relacionado ao processo de difusão?

Da leitura para a aula 3

Água

A água é uma substância única cujas propriedades especiais estão intimamente ligadas aos processos da vida. A vida evoluiu originalmente em um ambiente aquoso, e a maior parte da química celular e do metabolismo de um organismo ocorre dentro do conteúdo solvatado em água da célula. A água solvata ou "molha" a célula e as moléculas nela contidas, desempenha um papel fundamental como reagente ou produto em um número incontável de reações bioquímicas e medeia as interações entre as moléculas dentro e fora da célula. Muitas das propriedades importantes da água derivam da natureza polar da molécula, que pode ser rastreada até as moléculas polares cujo dipolo se origina de suas ligações covalentes polares entre hidrogênio e oxigênio.

No BIS2A, o papel ubíquo da água em quase todos os processos biológicos é fácil de ignorar ao ser pego nos detalhes de processos específicos, proteínas, as funções dos ácidos nucléicos e em seu entusiasmo por máquinas moleculares (isso vai acontecer). Acontece, no entanto, que a água desempenha um papel fundamental em todos esses processos e precisaremos estar continuamente cientes do papel que a água está desempenhando se quisermos desenvolver uma compreensão mais funcional. Esteja atento e preste atenção também quando seu instrutor apontar isso.

No estado líquido, as moléculas individuais de água interagem umas com as outras por meio de uma rede de ligações de hidrogênio dinâmicas que estão sendo formadas e quebradas constantemente. A água também interage com outras moléculas que possuem grupos funcionais carregados e / ou grupos funcionais com doadores ou aceitadores de ligações de hidrogênio. Uma substância com caráter polar ou carregado suficiente pode se dissolver ou ser altamente miscível em água é referida como sendo hidrofílico (hidro- = “água”; -fílico = “amando”). Em contraste, as moléculas com caracteres mais apolares, como óleos e gorduras, não interagem bem com a água e se separam dela, em vez de se dissolverem nela, como vemos em molhos para salada contendo óleo e vinagre (uma solução ácida de água). Esses compostos não polares são chamados hidrofóbico (hidro- = “água”; -fóbico = “temor”). Consideraremos alguns dos componentes energéticos desses tipos de reações em outro capítulo.

figura 1. No estado líquido, a água forma uma rede dinâmica de ligações de hidrogênio entre moléculas individuais. São mostrados um par doador-aceitador.
Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Propriedades do solvente da água

Como a água é uma molécula polar com cargas ligeiramente positivas e ligeiramente negativas, os íons e as moléculas polares podem se dissolver facilmente nela. Portanto, a água é referida como um solvente, uma substância capaz de dissolver outras moléculas polares e compostos iônicos. As cargas associadas a essas moléculas formarão ligações de hidrogênio com a água, envolvendo a partícula com moléculas de água. Isso é conhecido como esfera de hidratação, ou uma concha de hidratação e serve para manter as partículas separadas ou dispersas na água.

Quando os compostos iônicos são adicionados à água, os íons individuais interagem com as regiões polares das moléculas de água, e as ligações iônicas são provavelmente interrompidas no processo denominado dissociação. A dissociação ocorre quando átomos ou grupos de átomos se separam das moléculas e formam íons. Considere o sal de cozinha (NaCl ou cloreto de sódio). Um bloco seco de NaCl é mantido unido por ligações iônicas e é difícil de dissociar. Quando os cristais de NaCl são adicionados à água, no entanto, as moléculas de NaCl se dissociam em Na+ e Clíons e esferas de hidratação se formam em torno dos íons. O íon de sódio carregado positivamente é cercado pela carga parcialmente negativa do oxigênio da molécula de água. O íon cloreto carregado negativamente é rodeado pela carga parcialmente positiva do hidrogênio na molécula de água. Pode-se imaginar um modelo no qual as ligações iônicas no cristal são "trocadas" por muitas ligações iônicas em escala menor com os grupos polares nas moléculas de água.

Figura 2. Quando o sal de cozinha (NaCl) é misturado à água, esferas de hidratação são formadas ao redor dos íons. Esta figura representa um íon sódio (esfera azul escura) e um íon cloreto (esfera azul claro) solvatados em um "mar" de água. Observe como os dipolos das moléculas de água ao redor dos íons estão alinhados de forma que cargas complementares / cargas parciais estão associadas umas às outras (ou seja, as cargas positivas parciais nas moléculas de água se alinham com o íon cloreto negativo, enquanto as cargas negativas parciais no oxigênio de água se alinhe com o íon de sódio carregado positivamente).
Atribuição: Ting Wang - UC Davis (obra original modificada por Marc T. Facciotti)

Nota: possível discussão

Considere o modelo de água dissolvendo um cristal de sal apresentado acima. Descreva com suas próprias palavras como esse modelo pode ser usado para explicar o que está acontecendo no nível molecular quando sal suficiente é adicionado a um volume de água que o sal não mais se dissolve (a solução atinge a saturação). Trabalhem juntos para criar uma imagem comum.

Da leitura para a aula 4

pH

o pH de uma solução é uma medida da concentração de íons de hidrogênio em uma solução (ou o número de íons de hidrônio). O número de íons de hidrogênio é uma medida direta de quão ácida ou básica é uma solução. A concentração de íons de hidrogênio se dissociando da água pura é 1 × 10-7 moles H+ íons por litro de água.

1 mole (mol) de uma substância (que pode ser átomos, moléculas, íons, etc), é definido como sendo igual a 6,02 x 1023 partículas da substância. Portanto, 1 mol de água é igual a 6,02 x 1023 moléculas de água. O pH é calculado como o negativo do logaritmo de base 10 desta unidade de concentração. O registro10 de 1 × 10-7 é -7,0, e o negativo desse número produz um pH de 7,0, que também é conhecido como pH neutro.

Leituras de pH não neutras resultam da dissolução de ácidos ou bases na água. Altas concentrações de íons de hidrogênio resultam em um número de pH baixo, enquanto níveis baixos de íons de hidrogênio resultam em um pH alto.

Essa relação inversa entre o pH e a concentração de prótons confunde muitos alunos - reserve um tempo para se convencer de que "entendeu".

Um ácido é uma substância que aumenta a concentração de íons de hidrogênio (H+) em uma solução, geralmente por ter um de seus átomos de hidrogênio se dissociado. Por exemplo, aprendemos que o grupo funcional carboxila é um ácido. O átomo de hidrogênio pode se dissociar do átomo de oxigênio, resultando em um próton livre e um grupo funcional com carga negativa. UMA base fornece íons hidróxido (OH) ou outros íons carregados negativamente que se combinam com íons de hidrogênio, reduzindo efetivamente o H+ concentração na solução e, assim, aumentando o pH. Nos casos em que a base libera íons de hidróxido, esses íons se ligam a íons de hidrogênio livres, gerando novas moléculas de água. Por exemplo, aprendemos que o grupo funcional amina é uma base. O átomo de nitrogênio aceitará íons de hidrogênio em solução, reduzindo assim o número de íons de hidrogênio que aumenta o pH da solução.

Figura 3: O grupo ácido carboxílico atua como um ácido, liberando um próton na solução. Isso aumenta o número de prótons em solução e, portanto, diminui o pH. O grupo amino atua como uma base aceitando íons hidrogênio da solução, diminuindo o número de íons hidrogênio nas soluções, aumentando assim o pH.
Atribuição: Erin Easlon

Nota: possível discussão

Observe os grupos funcionais na Figura 3. Identifique a forma protonada e desprotonada de cada grupo funcional. A forma protonada de um funcional é sempre a forma que carrega uma carga? Descreva com suas próprias palavras a relação entre o pH e a quantidade de protonação encontrada em um grupo funcional específico. Como isso pode estar relacionado à eletronegatividade das moléculas presentes no grupo funcional?

Da leitura para a aula 5

PKa

pKuma é definido como o log negativo10 da constante de dissociação de um ácido, seu Kuma. Portanto, o pKuma é uma medida quantitativa de quão facilmente ou quão prontamente o ácido cede seu próton [H+] em solução e, portanto, uma medida da "força" do ácido. Os ácidos fortes têm um pKa pequeno, os ácidos fracos têm um pKa maior.

O ácido mais comum sobre o qual falaremos no BIS2A é o grupo funcional do ácido carboxílico. Esses ácidos são tipicamente fraco ácidos, o que significa que eles se dissociam apenas parcialmente (em H+ cátions e RCOO- ânions) em solução neutra. HCL (cloreto de hidrogênio) é um comum Forte ácido, o que significa que se dissociará totalmente em H+ e Cl-.

Observe que a principal diferença na figura abaixo entre um ácido ou base forte e um ácido ou base fraco é a seta simples (forte) versus uma seta dupla (fraca). No caso da seta simples, você pode interpretar isso imaginando que quase todos os reagentes foram convertidos em produtos. Além disso, é difícil para a reação reverter para um estado em que os prótons estejam novamente associados à molécula com a qual estavam associados antes. No caso de um ácido ou base fraca, a seta dupla-face pode ser interpretada retratando uma reação em que:

  1. ambas as formas do ácido ou base conjugada (isso é o que chamamos de molécula que "mantém" o próton - ou seja, CH3OOH e CH3OO-, respectivamente na figura) estão presentes ao mesmo tempo e
  2. a proporção dessas duas quantidades pode mudar facilmente, movendo a reação em qualquer direção.

Figura 1. Um exemplo de ácidos e bases fortes em seus estados de protonação e desprotonação. O valor de seu pKa é mostrado à esquerda. Atribuição: Marc T. Facciotti

A eletronegatividade desempenha um papel importante na força de um ácido. Se considerarmos o grupo hidroxila como um exemplo, a maior eletronegatividade do átomo ou átomos (indicado R) ligado ao grupo hidroxila no ácido R-O-H resulta em uma ligação H-O mais fraca, que é, portanto, mais prontamente ionizada. Isso significa que a atração dos elétrons para longe do átomo de hidrogênio fica maior quando o átomo de oxigênio ligado ao átomo de hidrogênio também está ligado a outro átomo eletronegativo. Um exemplo disso é HOCL. O Cl eletronegativo polariza a ligação H-O, enfraquecendo-a e facilitando a ionização do hidrogênio. Se compararmos isso a um ácido fraco, onde o oxigênio está ligado a um átomo de carbono (como nos ácidos carboxílicos), o oxigênio está ligado ao hidrogênio e ao átomo de carbono. Nesse caso, o oxigênio não está ligado a outro átomo eletronegativo. Assim, a ligação H-O não é mais desestabilizada e o ácido é considerado um ácido fraco (ele não cede o próton tão facilmente quanto um ácido forte).

Figura 2. A força do ácido pode ser determinada pela eletronegatividade do átomo ao qual o oxigênio está ligado. Por exemplo, no ácido fraco, o Ácido Acético, o oxigênio está ligado ao carbono, um átomo com baixa eletronegatividade. No ácido forte, o ácido hipocloroso, o átomo de oxigênio está ligado a um átomo de cloreto ainda mais eletronegativo.
Atribuição: Erin Easlon

No Bis2A, você será solicitado a relacionar o pH e o pKa entre si ao discutir o estado de protonação de um ácido ou base, por exemplo, em aminoácidos. Como podemos usar as informações fornecidas neste módulo para responder à pergunta: Os grupos funcionais no aminoácido Glutamato serão protonados ou desprotonados a um pH de 2, a um pH de 8 e a um pH de 11?

Para começar a responder a esta pergunta, precisamos criar uma relação entre pH e pKa. A relação entre pKa e pH é matematicamente representada pela equação de Henderson-Hasselbach mostrada abaixo, onde [A-] representa a forma desprotonada do ácido e [HA] representa a forma protonada do ácido.

Figura 3. A equação de Henderson-Hasselbach

Uma solução para esta equação é obtida definindo pH = pKa. Neste caso, log ([A-] / [HA]) = 0, e [A-] / [HA] = 1. Isso significa que quando o pH é igual ao pKa existem quantidades iguais de formas protonadas e desprotonadas do ácido. Por exemplo, se o pKa do ácido é 4,75, a um pH de 4,75 esse ácido existirá como 50% protonado e 50% desprotonado. Isso também significa que conforme o pH aumenta, mais ácido será convertido no estado desprotonado e em algum ponto o pH será tão alto que a maior parte do ácido existirá no estado desprotonado.

Figura 4. Este gráfico mostra o estado de protonação do ácido acético à medida que o pH muda. Em um pH abaixo do pKa, o ácido é protonado. A um pH acima do pKa, o ácido é desprotonado. Se o pH for igual ao pKa, o ácido está 50% protonado e 50% desprotonado. Atribuição: Ivy Jose

No BIS2A, estaremos observando o estado de protonação e o estado de desprotonação de aminoácidos. Os aminoácidos contêm vários grupos funcionais que podem ser ácidos ou bases. Portanto, seu status de protonação / desprotonação pode ser mais complicado. Abaixo está a relação entre o pH e o pKa do aminoácido Ácido Glutâmico. Neste gráfico, podemos fazer a pergunta que colocamos anteriormente: Os grupos funcionais no aminoácido Glutamato serão protonados ou desprotonados a um pH de 2, a um pH de 8 e a um pH de 11?

Figura 5. Este gráfico mostra o estado de protonação do glutamato à medida que o pH muda. A um pH abaixo do pKa para cada grupo funcional no aminoácido, o grupo funcional é protonado. A um pH acima do pKa para o grupo funcional, ele é desprotonado. Se o pH for igual ao pKa, o grupo funcional é 50% protonado e 50% desprotonado.
Atribuição: Ivy Jose

Nota: Possível discussão

  1. Qual é a carga geral do glutamato livre em um pH de 5?
  2. Qual é a carga geral do glutamato livre em um pH de 10?

Da leitura para a aula 6

Reversibilidade

Em teoria, qualquer reação química pode ocorrer em qualquer direção nas condições certas. Os reagentes podem ser sintetizados em um produto que mais tarde reverte para um reagente. A reversibilidade também é uma qualidade das reações de troca. Por exemplo, A + BC → AB + C poderia então reverter para AB + C → A + BC. Esta reversibilidade de uma reação química é indicada por uma seta dupla: A + BC⇄AB + C.

Reações de síntese

Muitas macromoléculas são feitas de subunidades menores, ou blocos de construção, chamados monômeros. Os monômeros se ligam covalentemente para formar moléculas maiores conhecidas como polímeros. Freqüentemente, a síntese de polímeros a partir de monômeros também produzirá moléculas de água como produtos da reação. Este tipo de reação é conhecido como Síntese de desidratação ou condensação reação.

Figura 1. Na reação de síntese de desidratação descrita acima, duas moléculas de glicose são ligadas entre si para formar o dissacarídeo maltose. No processo, uma molécula de água é formada.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Em uma reação de síntese de desidratação (Figura 1), o hidrogênio de um monômero se combina com o grupo hidroxila de outro monômero, liberando uma molécula de água. Ao mesmo tempo, os monômeros compartilham elétrons e formam ligações covalentes. À medida que monômeros adicionais se juntam, esta cadeia de monômeros repetidos forma um polímero. Diferentes tipos de monômeros podem se combinar em muitas configurações, dando origem a um grupo diverso de macromoléculas. Mesmo um tipo de monômero pode se combinar de várias maneiras para formar vários polímeros diferentes; por exemplo, monômeros de glicose são os constituintes de amido, glicogênio e celulose.

No exemplo de monômero de carboidrato acima, o polímero é formado por uma reação de desidratação; este tipo de reação também é usado para adicionar aminoácidos a uma cadeia de peptídeo em crescimento e nucleotídeos ao DNA ou polímero de RNA em crescimento. Visite os módulos sobre Aminoácidos, Lípides e Ácidos Nucleicos para ver se você pode identificar as moléculas de água que são removidas quando um monômero é adicionado ao polímero em crescimento.

Figura 2. Isso descreve, usando palavras, (decoradas com grupos funcionais coloridos em vermelho) uma síntese de desidratação / reação de condensação genérica.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Reações de hidrólise

Os polímeros são decompostos em monômeros em uma reação conhecida como hidrólise. Uma reação de hidrólise inclui uma molécula de água como reagente (Figura 3). Durante essas reações, um polímero pode ser dividido em dois componentes: um produto carrega um íon hidrogênio (H +) da água, enquanto o segundo produto carrega o hidróxido restante da água (OH–).

Figura 3. Na reação de hidrólise mostrada aqui, o dissacarídeo maltose é quebrado para formar dois monômeros de glicose com a adição de uma molécula de água. Observe que essa reação é o reverso da reação de síntese mostrada na Figura 1 acima.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Figura 4. Isso descreve usando palavras (decoradas com grupos funcionais coloridos em vermelho) uma reação de hidrólise genérica.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

A síntese de desidratação e as reações de hidrólise são catalisadas ou “aceleradas” por enzimas específicas. Observe que tanto a síntese de desidratação quanto as reações de hidrólise envolvem a formação e a quebra de ligações entre os reagentes - uma reorganização das ligações entre os átomos nos reagentes. Em sistemas biológicos (incluindo nosso corpo), o alimento na forma de polímeros moleculares é hidrolisado em moléculas menores pela água por meio de reações catalisadas por enzimas no sistema digestivo. Isso permite que os nutrientes menores sejam absorvidos e reutilizados para uma variedade de propósitos. Na célula, os monômeros derivados dos alimentos podem ser reagrupados em polímeros maiores que desempenham novas funções.

Links úteis: Visite este site para ver as representações visuais da síntese de desidratação e hidrólise.Da leitura para a aula 7

Energia livre

Se quisermos descrever as transformações, é útil ter uma medida de (a) quanta energia existe em um sistema, (b) a dispersão dessa energia dentro do sistema e, claro, (c) como estas mudam entre os início e fim de um processo. O conceito de energia livre, muitas vezes referida como energia livre de Gibbs ou entalpia livre (abreviada pela letra G), em certo sentido, faz exatamente isso. A energia livre de Gibbs pode ser definida de várias maneiras interconvertíveis, mas uma útil no contexto da biologia é a entalpia (energia interna) de um sistema menos a entropia do sistema escalada pela temperatura. A diferença na energia livre quando um processo ocorre é freqüentemente relatada em termos da mudança (Δ) da entalpia (energia interna) denotada H, menos a mudança na escala de temperatura (Δ) na entropia, denotada S. Veja a equação abaixo.

ΔG = ΔH − TΔS

A energia de Gibbs é freqüentemente interpretada como a quantidade de energia disponível para fazer um trabalho útil. Com um leve aceno de mão, podemos interpretar isso invocando a ideia apresentada na seção sobre entropia, que afirma que a dispersão de energia (exigida pela Segunda Lei) associada a uma mudança positiva na entropia de alguma forma processa parte da energia que é transferido menos útil para fazer o trabalho. Pode-se dizer que isso se reflete em parte no termo T∆S da equação de Gibbs.

Para fornecer uma base para comparações justas de mudanças na energia livre de Gibbs entre diferentes transformações ou reações biológicas, a mudança de energia livre de uma reação é medida sob um conjunto de condições experimentais padrão comuns. A mudança de energia livre padrão resultante de uma reação química é expressa como uma quantidade de energia por mol do produto da reação (em quilojoules ou quilocalorias, kJ / mol ou kcal / mol; 1 kJ = 0,239 kcal), quando medido em um padrão Condições de pH, temperatura e pressão. As condições padrão de pH, temperatura e pressão são geralmente padronizadas em pH 7,0, 25 graus Celsius e 100 quilopascais (pressão de 1 atm), respectivamente. É importante notar que as condições celulares variam consideravelmente em relação às condições padrão e, portanto, o ∆G real dentro de uma célula será consideravelmente diferente daqueles calculados nas condições padrão.

Reações endergônicas e exergônicas

Para reações com ∆G <0, os produtos da reação têm menos energia livre do que os reagentes. Visto que ∆G é a diferença entre as mudanças de entalpia e entropia em uma reação, um ∆G negativo líquido pode surgir de diferentes maneiras. O painel esquerdo da Figura 1 abaixo mostra uma representação gráfica comum de um exergônico reação. A energia livre é traçada no eixo y, e o eixo x em unidades arbitrárias mostra o progresso de uma reação. Este tipo de gráfico é denominado diagrama de coordenadas de reação. No caso de uma reação exergônica, a figura indica duas coisas principais: (1) a diferença entre a energia livre dos reagentes e produtos é negativa e (2) o progresso da reação requer alguma entrada de energia livre (mostrada como um colina de energia). Este gráfico não nos diz como a energia no sistema foi redistribuída, apenas que a diferença entre entalpia e entropia é negativa. As reações que têm um ∆G negativo são denominadas reações exergônicas. Essas reações ocorrem espontaneamente. Entender quais reações químicas são espontâneas é extremamente útil para biólogos que estão tentando entender se uma reação provavelmente "irá" ou não.

É importante notar que o termo "espontâneo" - no contexto da termodinâmica - NÃO implica nada sobre a rapidez com que a reação ocorre. A mudança na energia livre apenas descreve a diferença entre os estados inicial e final, NÃO a rapidez com que essa transição ocorre. Isso é um tanto contrário ao uso cotidiano do termo, que geralmente carrega o entendimento implícito de que algo acontece rapidamente. Por exemplo, a oxidação / ferrugem do ferro é uma reação espontânea. No entanto, um prego de ferro exposto ao ar não enferruja instantaneamente - pode levar anos.

Uma reação química com um ∆G positivo significa que os produtos da reação têm uma energia livre maior do que os reagentes (veja o painel direito da Figura 1). Essas reações químicas são chamadas reações endergônicas, e eles NÃO são espontâneos. Uma reação endergônica não ocorrerá por si mesma, sem a transferência de energia para a reação ou o aumento da entropia em algum outro lugar.

Figura 1. As reações exergônicas e endergônicas resultam em alterações na energia livre de Gibbs. Em uma reação exergônica, a energia livre dos produtos é menor que a dos reagentes; enquanto isso, em uma reação endergônica, a energia livre dos produtos é maior do que a dos reagentes. Facciotti (trabalho próprio)

A construção de moléculas complexas, como os açúcares, a partir de outras mais simples é um processo anabólico e endergônico. Por outro lado, o processo catabólico, como a quebra do açúcar em moléculas mais simples, é geralmente exergônico. Como o exemplo da ferrugem acima, embora a quebra de biomoléculas seja geralmente espontânea, essas reações não ocorrem necessariamente de forma instantânea (rapidamente). Lembre-se de que os termos endergônico e exergônico referem-se apenas à diferença de energia livre entre os produtos e reagentes; eles não informam sobre a taxa da reação (a rapidez com que acontece). A questão da taxa será discutida em seções posteriores.

Um conceito importante no estudo do metabolismo e da energia é o do equilíbrio químico. A maioria das reações químicas é reversível. Eles podem proceder em ambas as direções, muitas vezes transferindo energia para o ambiente em uma direção e transferindo energia do ambiente na outra direção. O mesmo é verdadeiro para as reações químicas envolvidas no metabolismo celular, como a quebra e a formação de proteínas em e a partir de aminoácidos individuais, respectivamente. Os reagentes em um sistema fechado sofrerão reações químicas em ambas as direções até que um estado de equilíbrio seja alcançado. Este estado de equilíbrio é um dos estados de energia livre mais baixos possíveis e é um estado de entropia máxima. Equilíbrio em uma reação química está o estado em que tanto os reagentes quanto os produtos estão presentes em concentrações que não têm tendência a mudar com o tempo. Normalmente, esse estado ocorre quando a reação direta prossegue na mesma taxa da reação reversa. NOTE ESTA ÚLTIMA DECLARAÇÃO! Equilíbrio significa que as concentrações relativas de reagentes e produtos não estão mudando com o tempo, MAS NÃO significa que não há interconversão entre substratos e produtos - significa apenas que quando o (s) reagente (s) são convertidos em produto (s) esse produto (s) são convertidos em reagente (s) a uma taxa igual (ver Figura 2).

Um rebalanceamento das concentrações de substrato ou produto (adicionando ou removendo substrato ou produto) ou uma mudança positiva na energia livre, normalmente pela transferência de energia de fora da reação, é necessária para mover uma reação fora de um estado de equilíbrio. Em uma célula viva, a maioria das reações químicas não atinge um estado de equilíbrio - isso exigiria que atingissem seu estado de energia livre mais baixo. Portanto, a energia é necessária para manter as reações biológicas fora de seu estado de equilíbrio. Desse modo, os organismos vivos estão em uma batalha constante, exigente e árdua contra o equilíbrio e a entropia.

Figura 2. Em equilíbrio, não pense em um sistema estático e imutável. Em vez disso, imagine moléculas movendo-se em quantidades iguais de uma área para outra. Aqui, em equilíbrio, as moléculas ainda se movem da esquerda para a direita e da direita para a esquerda. O movimento líquido, entretanto, é igual. Ainda haverá cerca de 15 moléculas em cada lado deste frasco uma vez que o equilíbrio seja alcançado. Fonte: https://courses.candelalearning.com/...apter/entropy/

Da leitura para a aula 8

Enzimas

Uma substância que ajuda a ocorrer uma reação química é um catalisador, e as moléculas especiais que catalisam as reações bioquímicas são chamadas enzimas. Quase todas as enzimas são proteínas, constituídas por cadeias de aminoácidos, e desempenham a tarefa crítica de reduzir as energias de ativação de reações químicas dentro da célula. As enzimas fazem isso ligando-se às moléculas do reagente e mantendo-as de modo a fazer com que os processos de quebra e formação de ligações químicas ocorram mais prontamente. É importante lembrar que as enzimas não alteram o ∆G de uma reação. Em outras palavras, eles não mudam se uma reação é exergônica (espontânea) ou endergônica. Isso ocorre porque eles não alteram a energia livre dos reagentes ou produtos. Eles apenas reduzem a energia de ativação necessária para atingir o estado de transição.

Figura 1: As enzimas reduzem a energia de ativação da reação, mas não alteram a energia livre da reação. Aqui, a linha contínua no gráfico mostra a energia necessária para que os reagentes se transformem em produtos sem um catalisador. A linha pontilhada mostra a energia necessária usando um catalisador. Esta figura deve indicar Energia Livre de Gibbs no eixo Y e, em vez de observar deltaH, deve ter deltaG. Facciotti (trabalho próprio)

Local ativo da enzima e especificidade do substrato

Os reagentes químicos aos quais uma enzima se liga são os da enzima substratos. Pode haver um ou mais substratos, dependendo da reação química particular. Em algumas reações, um substrato de reagente único é dividido em vários produtos. Em outros, dois substratos podem se unir para criar uma molécula maior. Dois reagentes também podem entrar em uma reação, ambos se modificam e saem da reação como dois produtos. A localização dentro da enzima onde o substrato se liga é chamada de Site ativo. O site ativo é onde a “ação” acontece, por assim dizer. Como as enzimas são proteínas, há uma combinação única de resíduos de aminoácidos (também chamados de cadeias laterais ou grupos R) dentro do sítio ativo. Cada cadeia lateral de aminoácido é caracterizada por propriedades diferentes. Os aminoácidos podem ser classificados como grandes ou pequenos, fracamente ácidos ou básicos, hidrofílicos ou hidrofóbicos, carregados positiva ou negativamente ou neutros. A combinação única de aminoácidos, suas posições, sequências, estruturas e propriedades, cria um ambiente químico muito específico dentro do sítio ativo. Este ambiente específico é adequado para se ligar, embora brevemente, a um substrato químico específico (ou substratos). Devido a essa combinação semelhante a um quebra-cabeça entre uma enzima e seus substratos (que se adapta para encontrar o melhor ajuste entre o estado de transição e o sítio ativo), as enzimas são conhecidas por sua especificidade. O “melhor ajuste” entre uma enzima e seus substratos resulta das suas respectivas formas e da complementaridade química dos grupos funcionais em cada parceiro de ligação.

Figura 2: Esta é uma enzima com dois substratos diferentes ligados ao sítio ativo. As enzimas são representadas como bolhas, exceto para o sítio ativo que mostra os três grupos R de cada um dos três aminoácidos localizados no sítio ativo. Esses grupos R estão interagindo com os substratos por meio de ligações de hidrogênio (representadas como linhas tracejadas)

Neste ponto da aula, você deve estar familiarizado com todos os tipos de ligações, bem como com as características químicas de todos os grupos funcionais. Por exemplo, o grupo R de R180 na enzima descrita acima é o aminoácido Arginina (abreviado como R) e possui um grupo R que consiste em vários grupos funcionais amino. Os grupos funcionais amino contêm átomos de nitrogênio (N) e hidrogênio (H). O nitrogênio é mais eletronegativo do que o hidrogênio, então a ligação covalente entre N-H é uma ligação covalente polar. Os átomos de hidrogênio nesta ligação terão um momento de dipolo positivo, e o átomo de nitrogênio terá um momento de dipolo negativo. Isso permite que os grupos amino formem ligações de hidrogênio com outros compostos polares. Da mesma forma, os oxigênios de carbonil da cadeia principal de Valina (V) 81 e Glicina (G) 121, o hidrogênio amino da cadeia principal de V81, são representados envolvidos em ligações de hidrogênio com o substrato de molécula pequena.

Prepare-se para o teste

Observe quais átomos na figura acima estão envolvidos nas ligações de hidrogênio entre os grupos de aminoácidos R e o substrato. Você precisará ser capaz de identificá-los por conta própria, ligações de hidrogênio podem não ser traçadas para você no teste.

Se você alterasse o pH da solução em que essa enzima estava localizada, a enzima ainda seria capaz de formar ligações de hidrogênio com o substrato?

Qual substrato (esquerdo ou direito) você acha que é mais estável no site ativo? Porque? Como?

Figura 3: Este é um sítio ativo da enzima. Apenas os aminoácidos no sítio ativo são desenhados. O substrato está colocado diretamente no centro. Fonte: Criado por Marc T. Facciotti (obra original)

Observação

Prepare-se para o teste: Primeiro, identifique o tipo de macromolécula na figura acima. Em segundo lugar, extraia e rotule as interações apropriadas entre os grupos R e o substrato. Explique como essas interações podem mudar se o pH da solução mudar.

Ajuste induzido e função enzimática

Por muitos anos, os cientistas pensaram que a ligação enzima-substrato ocorria de uma forma simples de “chave e fechadura”. Este modelo afirmava que a enzima e o substrato se encaixavam perfeitamente em uma etapa instantânea. No entanto, a pesquisa atual apóia uma visão mais refinada chamada ajuste induzido. O modelo de ajuste induzido expande o modelo de bloqueio e chave, descrevendo uma interação mais dinâmica entre a enzima e o substrato. À medida que a enzima e o substrato se unem, sua interação causa uma leve mudança na estrutura da enzima que confirma um arranjo de ligação mais produtivo entre a enzima e o estado de transição do substrato. Esta ligação energeticamente favorável maximiza a capacidade da enzima de catalisar sua reação.

Quando uma enzima liga seu substrato, um complexo enzima-substrato é formado. Este complexo reduz a energia de ativação da reação e promove sua rápida progressão de várias maneiras. Em um nível básico, as enzimas promovem reações químicas que envolvem mais de um substrato, trazendo os substratos juntos em uma orientação ideal. A região apropriada (átomos e ligações) de uma molécula é justaposta à região apropriada da outra molécula com a qual deve reagir. Outra maneira pela qual as enzimas promovem a reação de seus substratos é criando um ambiente energeticamente favorável dentro do sítio ativo para que a reação ocorra. Certas reações químicas podem ocorrer melhor em um ambiente ligeiramente ácido ou apolar. As propriedades químicas que emergem do arranjo particular de resíduos de aminoácidos dentro de um sítio ativo criam o ambiente energeticamente favorável para os substratos específicos de uma enzima reagirem.

A energia de ativação necessária para muitas reações inclui a energia envolvida em ligações químicas ligeiramente contorcidas para que possam reagir mais facilmente. A ação enzimática pode ajudar neste processo. O complexo enzima-substrato pode diminuir a energia de ativação contorcendo as moléculas do substrato de modo a facilitar a quebra da ligação. Finalmente, as enzimas também podem reduzir as energias de ativação, participando da própria reação química. Os resíduos de aminoácidos podem fornecer certos íons ou grupos químicos que realmente formam ligações covalentes com moléculas de substrato como uma etapa necessária do processo de reação. Nestes casos, é importante lembrar que a enzima sempre retornará ao seu estado original ao término da reação. Uma das propriedades marcantes das enzimas é que elas permanecem inalteradas pelas reações que catalisam. Depois que uma enzima termina de catalisar uma reação, ela libera seu (s) produto (s).

Figura 6: De acordo com o modelo de ajuste induzido, tanto a enzima quanto o substrato sofrem mudanças conformacionais dinâmicas após a ligação. A enzima contorce o substrato em seu estado de transição, aumentando assim a velocidade da reação.

Criando uma história de energia para a reação acima

Usando a figura acima, responda às perguntas feitas na história da energia.
1. Quais são os reagentes? Quais são os produtos?
2. Qual trabalho foi realizado pela enzima?
3. Em que estado está a energia inicialmente? Em que estado a energia é transformada no estado final? Este pode ser complicado ainda, mas tente identificar onde a energia está no estado inicial e no estado final.

Regulamento Enzimático

Por que regular enzimas?

As necessidades e condições celulares variam de célula para célula e mudam dentro das células individuais ao longo do tempo. As enzimas necessárias e as demandas energéticas das células do estômago são diferentes daquelas das células de armazenamento de gordura, da pele, do sangue e das células nervosas. Além disso, uma célula digestiva trabalha muito mais para processar e quebrar os nutrientes durante o período que se segue a uma refeição, em comparação com muitas horas após uma refeição. Como essas demandas e condições celulares variam, também variam as quantidades necessárias e a funcionalidade de diferentes enzimas.

Regulação de enzimas por moléculas

As enzimas podem ser reguladas de forma a promover ou reduzir sua atividade. Existem muitos tipos diferentes de moléculas que inibem ou promovem a função enzimática e existem vários mecanismos para isso. Em alguns casos de inibição enzimática, por exemplo, uma molécula inibidora é semelhante o suficiente a um substrato que pode se ligar ao sítio ativo e simplesmente bloquear a ligação do substrato. Quando isso acontece, a enzima é inibida por meio de inibição competitiva, porque uma molécula inibidora compete com o substrato pela ligação ao sítio ativo. Por outro lado, na inibição não competitiva, uma molécula inibidora se liga à enzima em um local diferente de um sítio alostérico e ainda consegue bloquear a ligação do substrato ao sítio ativo.

Figura 7: A inibição competitiva e não competitiva afeta a taxa de reação de forma diferente. Os inibidores competitivos afetam a taxa inicial, mas não afetam a taxa máxima, enquanto os inibidores não competitivos afetam a taxa máxima.

Algumas moléculas de inibidor se ligam a enzimas em um local onde sua ligação induz uma mudança conformacional que reduz a afinidade da enzima por seu substrato. Este tipo de inibição é denominado inibição alostérica. A maioria das enzimas reguladas alostericamente são compostas por mais de um polipeptídeo, o que significa que elas têm mais de uma subunidade de proteína. Quando um inibidor alostérico se liga a uma enzima, todos os sítios ativos nas subunidades da proteína são ligeiramente alterados, de modo que se ligam a seus substratos com menos eficiência. Existem tanto ativadores alostéricos quanto inibidores. Os ativadores alostéricos se ligam a locais em uma enzima longe do sítio ativo, induzindo uma mudança conformacional que aumenta a afinidade do (s) sítio (s) ativo (s) da enzima para seu (s) substrato (s).

Figura 8: Os inibidores alostéricos modificam o sítio ativo da enzima para que a ligação ao substrato seja reduzida ou evitada. Em contraste, os ativadores alostéricos modificam o sítio ativo da enzima de modo que a afinidade pelo substrato aumenta.

Muitas enzimas não funcionam de forma ideal, ou mesmo de forma alguma, a menos que estejam ligadas a outras moléculas auxiliares não proteicas específicas, seja temporariamente por meio de ligações iônicas ou de hidrogênio ou permanentemente por meio de ligações covalentes mais fortes. Dois tipos de moléculas auxiliares são cofatores e coenzimas. A ligação a essas moléculas promove uma conformação e função ideais para suas respectivas enzimas. Os cofatores são íons inorgânicos como o ferro (Fe2+) e magnésio (Mg2+) Um exemplo de uma enzima que requer um íon metálico como cofator é a enzima que constrói moléculas de DNA, a DNA polimerase, que requer íon zinco ligado (Zn2+) funcionar. As coenzimas são moléculas auxiliares orgânicas, com uma estrutura atômica básica composta de carbono e hidrogênio, necessárias para a ação enzimática. As fontes mais comuns de coenzimas são as vitaminas dietéticas. Algumas vitaminas são precursoras das coenzimas e outras atuam diretamente como coenzimas. A vitamina C é uma coenzima para várias enzimas que participam da construção de um importante componente do tecido conjuntivo, o colágeno. Um passo importante na quebra da glicose para produzir energia é a catálise por um complexo multi-enzima chamado piruvato desidrogenase. A piruvato desidrogenase é um complexo de várias enzimas que, na verdade, requer um cofator (um íon de magnésio) e cinco coenzimas orgânicas diferentes para catalisar sua reação química específica. Portanto, a função enzimática é, em parte, regulada por uma abundância de vários cofatores e coenzimas, que são fornecidos principalmente pelas dietas da maioria dos organismos.
Compartimentação de enzimas

Em células eucarióticas, moléculas como enzimas são geralmente compartimentadas em diferentes organelas. Isso permite ainda outro nível de regulação da atividade enzimática. As enzimas necessárias apenas para certos processos celulares podem ser alojadas separadamente junto com seus substratos, permitindo reações químicas mais eficientes. Exemplos desse tipo de regulação enzimática com base na localização e proximidade incluem as enzimas envolvidas nos últimos estágios da respiração celular, que ocorrem exclusivamente na mitocôndria, e as enzimas envolvidas na digestão de resíduos celulares e materiais estranhos, localizados dentro dos lisossomas.

Links Adicionais

Os links a seguir o levarão a uma série de vídeos sobre cinética. O primeiro link contém 4 vídeos sobre taxas de reação e o segundo link contém 9 vídeos relacionados à relação entre taxas de reação e concentração. Esses vídeos são complementares e são fornecidos para fornecer a você um recurso externo para explorar ainda mais a cinética enzimática.

  • Introdução ao cinético enzimático
  • Mecanismo de reação
  • Regulação alostérica

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