Lista de Exercícios 1

1) Qual a diferença entre anabolismo e catabolismo?

No anabolismo, há gasto de energia, pois há formação ou transformação de ligações químicas; enquanto que, no catabolismo, há ganho de energia, pois são quebradas ligações químicas. Um exemplo de anabolismo é o processo de formação de moléculas orgânicas usando energia solar pelos autótrofos, enquanto que um exemplo para catabolismo é a quebra dessas moléculas pelos heterótrofos.

2) Defina oxidação e redução. Por que essas duas reações sempre ocorrem juntas?

Oxidação é o ganho de elétrons, redução é a perda. Esses dois tipos de reações ocorrem juntos, pois sempre que uma molécula ou átomo perde elétrons, um outro átomo ou molécula recebe esses elétrons.

3) Quais são a primeira e a segunda leis da termodinâmica?

A primeira lei diz que a energia não pode ser criada, a energia pode apenas ser transformada de um tipo para outro. A quantidade de energia total no universo permanece constante.

A segunda lei diz que a desordem do universo, a entropia, está continuamente aumentando.

4) O que é calor? O que é entropia? O que é energia livre?

Calor é uma medida da quantidade de movimento, energia cinética, das moléculas.

Entropia é medida de desordem de um sistema. Em células, refere-se à quantidade de energia que tornou-se dispersa demais para realizar trabalho.

Energia livre é a quantidade de energia efetivamente disponível para quebrar e em seguida formar outras ligações químicas. O termo também pode ser utilizado como sendo a energia disponível para a realização de trabalho em qualquer sistema.

5) Qual é a diferença entre uma reação endergônica e uma reção exergônica? Qual tipo de reação tende a ocorrer espontâneamente? Por que?

Reações endergônicas são aquelas que ocorrem com gasto de energia, enquanto que as reações exergônicas liberam energia. Ambas estão representadas na Figura 1. As exergônicas ocorrem espontâneamente, pois há um aumento na desordem do sistema com a liberação da energia.

Figura 1: esquema de reações endergônicas e exergônicas, indicando a energia de ativação. Traduzido e adaptado de Raven et al. (2005).

6) Defina energia de ativação. Como um catalizador afeta a proporção final dos reagentes convertidos em produto?

Energia de ativação é a energia necessária para desestabilizar as ligações químicas existentes e, assim, iniciar uma reação química. Pode-se ver a representação da energia de ativação na Figura 1 tanto para reações exergônicas quanto para reações endergônicas.

Um catalizador não afeta a proporção final dos reagentes convertidos em produtos, pois, reduzindo a energia de ativação, ele acelera as reações em sentido normal e reversa com a mesma intensidade.

7) Como a temperatura e o pH afetam as taxas de reação catalizadas por enzimas? Qual é a base molecular desses processos?

A taxa com a qual a reação catalizada por enzimas aumenta com o aumento da temperatura, mas até um certo ponto: o ótimo de temperatura. Isto ocorre porque, abaixo da temperatura ótima, as ligações de hidrogênio e interações hidrofóbicas que dão forma às enzimas não são flexíveis o suficiente para permitir o encaixe ótimo para que a reação ocorra; por outro lado, a cima do ótimo de temperatura, essas forças são muito fracas para manter a forma da enzima frente ao movimento desorganizado dos átomos que compõe-na.

Há também o ótimo para pH, pois as interações iônicas entre amino-ácidos de cargas opostas também mantêm a forma da enzima e essas interações são sensíveis à concentração de H⁺.

8) Qual é a diferença entre um sítio ativo e um sítio alostérico de uma enzima?

O sítio ativo de uma enzima é a parte que efetivamente se liga ao substrato para que a reação ocorra, já o sítio alostérico é a parte na qual um inibidor alostérico, também chamado inibidor não competitivo, pode ligar-se à enzima para inibir seu funcionamento. Essa inibição de funcionamento é causada pela deformação da enzima e, conseqüentemente, de seu sítio ativo quando ocorre a ligação do inibidor com o sítio alostérico.

9) Qual parte do ATP contém as ligações que fornecem energia para a maioria das reações endergônicas das células?

Conforme pode ser visto na Figura 2, as ligações que fornecem energia estão entre os grupos fosfato.

Figura 2: Estrutura de uma molécula de ATP com indicação das ligações de maior energia. Adaptado de Raven et al. (2005).

10) O que é uma via bioquímica? Como elas são, em geral, reguladas?

Vias bioquímicas são as seqüências nas quais as reações ocorrem em uma célula. Nessas vias, o produto de uma reação torna-se o substrato da reação seguinte até que o produto final seja formado. As vias bioquímicas são reguladas por inibição alostérica: o produto final da via atua como inibidor alostérico da enzima que cataliza a primeira reação da via, assim, essa enzima cessa sua atuação e, conseqüentemente, a via toda pára.

11) Faça um breve resumo da evolução do metabolismo.

Na evolução do metabolismo, os seguintes processos surgiram, na ordem: degradação, glicólise, fotossíntese anaeróbica, fixação do nitrogênio, fotossíntese formadora de oxigênio, respiração aeróbica.

No primeiro a surgir, a degradação, os organismos obtinham energia a partir da quebra de moléculas orgânicas sintetizadas abioticamente.

Na glicólise, os organismos passaram a obter energia pela quebra da glicóse. Nessa etapa, as proteínas desenvolveram funções catalíticas e passou a ser possível reter uma parcela maior da energia das ligações.

Para a fotossíntese anaeróbica, os organismos desenvolveram uma outra forma de obter o ATP, sem a necessidade de quebrar moléculas. A nova forma utiliza luz para mover prótons e utilizá-los para a produção de ATP.

Para formar ácidos nucleicos e proteínas, é necessário nitrogênio. Para obter o nitrogênio, surgiu o processo de fixação do nitrogênio, no qual organismos quebram a tripla ligação da molécula de N₂ na ausência de oxigênio.

A quinta etapa na evolução do metabolismo foi o surgimento da fotossíntese formadora de oxigênio, que ocorreu quando tornou-se possível o uso de H₂O ao invés de H₂S no processo de fotossíntese. A formação de oxigênio tornou possível a última etapa da evolução do metabolismo.

Finalmente, surgiu a respiração aeróbica, que obtém energia removendo elétrons de moléculas orgânicas utilizando oxigênio como agente redutor.

12) Qual é a diferença entre um organismo autótrofo e um heterótrofo? Como cada um obtém energia?

Autótrofos são organismos que obtém sua própria energia, da luz solar ou de reações químicas, enquanto que os heterótrofos são organismos que obtém energia alimentando-se de autótrofos.

13) Qual é a diferença entre digestão e catabolismo? Qual fornece mais energia?

Digestão é o processo no qual enzimas quebram grandes moléculas em fragmentos menores, o catabolismo é o processo seguinte, no qual as enzimas desassociam esses fragmentos e obtém energia das ligações quebradas. O catabolismo fornece mais energia.

14) Onde a glicólise ocorre em um eucarioto? Qual é a produção líquida de ATP durante a glicólise? Qual é a produção bruta da glicólise? Qual é a causa dessa diferença?

A glicólise ocorre no citoplasma da célula. São formadas quatro moléculas de ATP durante a glicólise, mas a produção bruta é de apenas duas moléculas, pois são gastas duas moléculas de ATP na via bioquímica.

15) O que é fosforilação ao nível de substrato? Quanto ATP esse processo forma durante a glicólise e o ciclo de Krebs?

Fosforilação ao nível de substrato é a formação direta de ATP pela transferência direta de um grupo fosfato para o ADP, vindo de uma outra molécula fosforilada. Durante a glicólise, ele produz quatro moléculas de ATP, já no ciclo de Krebs, duas.

16) Quais são os possíveis caminhos para converter o NADH formado durante a glicólise em NAD⁺?

O hidrogênio pode ser combinado com oxigênio para formar água, ou pode ocorrer fermentação, quando uma molécula orgânica recebe o hidrogênio.

17) Por que o ATP é uma boa molécula para ser utilizada como “moeda corrente” do organismo?

Porque é uma molécula que guarda muita energia, a repulsão eletrostática dos grupos fosfato, e esta energia pode ser transferida rapidamente.

18) Qual é o número teórico máximo de moléculas de ATP produzido por uma molécula de glicose na respiração aeróbica? Por que o número real é mais baixo do que o teórico?

Teoricamente, o número máximo de moléculas de ATP produzidas é 36 porém, o número real é cerca de 30. Essa diferença pode ser explicada pelo fato de que a membrana da mitocôndria é permeável a prótons, permitindo que alguns prótons reentrem na matriz sem passarem pelo processo formador de ATP; além disso, a mitocôndria pode usar o gradiente de prótons para outras finalidades que não a produção de ATP, como o transporte do piruvato para dentro da matriz.

19) Como a acetil-CoA é produzida durante a oxidação aeróbica dos carboidratos e o que acontece com ela? Como ela é produzida durante a oxidação aeróbica dos ácidos graxos e o que ocorre com ela?

Durante a oxidação aeróbica de carboidratos, a acetil-CoA é produzida na oxidação do piruvato, quando um grupo acetil é removido do piruvato e é combinado com a coenzima-A (CoA). A acetil-CoA produzida desta forma pode ser usada para armazenamento de energia ou pode ser oxidada no ciclo de Krebs para a produção de ATP.

Na oxidação aeróbica dos ácidos graxos, a acetil-CoA é produzida no processo conhecido como β-oxidação: enzimas removem grupos acetil das pontas dos ácidos graxos até que todo o ácido graxo seja quebrado em vários grupos acetil e cada um desses grupos combinase com uma CoA formando a acetil-CoA.

20) Compare a quantidade de ATP produzido pela oxidação aeróbica da glicose e dos ácidos graxos. Qual substância contém mais energia por unidade de peso?

A oxidação aeróbica dos ácidos graxos produz 20% mais ATP que a oxidação aeróbica da glicose. Além de liberar mais ATP, pesa menos que a glicose, fazendo com que tenha a maior quantidade de energia por unidade de peso.

21) Por que o ácido graxo é mais utilizado que a glicose para armazenar energia nos organismos heterótrofos?

Os ácidos graxos são utilizados para armazenar energia, pois uma mesma quantidade de energia pode ser armazenada como ácidos graxos e o peso desses ácidos é menor que o peso de glicóse contendo a mesma quantidade de energia.

22) Defina bioenergética.

Bioenergética é a análise de como a energia flui e como é usada pelos organismos.

23) Quais são os destinos da energia ingerida por um heterótrofo?

A energia pode ser utilizada para crescimento e reprodução ou pode ser perdida: como calor, nas fezes e em excretas nitrogenados.

24) Quais são os principais parâmetros do orçamento energético de um organismo? Defina cada um deles.

O balanço energético de um organismo é da seguinte forma:

\[ C = P_s + P_r + R + F + U \qquad (1) \]

onde C é a energia contida na alimentação; P_s e P_r são as parcelas de energia que são absorvidas pelo organismo, sendo P_s energia para o crescimento e P_r a energia para a produção de gametas; R é a energia perdida na forma de calor produzido nas atividades metabólicas; F é a energia perdida nas fezes; U é a energia perdida nos excretas.

25) Explique eficiência de absorção e eficiência de assimilação.

A eficiência de absorção mede quanto da energia ingerida foi retida pelo organismo. Essa eficiência E_abs é dada por

\[ E_{abs} = \frac{100 (C-F))}{C} \qquad (2) \]

Já a eficiência de assimilação (E_ass) é dada por

\[ E_{ass} = \frac{100 \left[C - (F+U)\right]}{C} \qquad (3) \]

e mede a proporção entre a energia ingerida e a energia perdida tanto em fezes quanto em excretas.

26) Defina metabolismo. Quais são os possíveis “tipos” de metabolismo de um organismo? Descreva-os.

Metabolismo é o conjunto de reações que fornecem a energia que um organismo utiliza. Os tipos de metabolismo são: metabolismo padrão, metabolismo de rotina e metabolismo máximo. O metabolismo padrão equivale ao mínimo necessário para que um organismo mantenha-se vivo. O metabolismo máximo é a maior taxa aeróbica sustentável. O metabolismo de rotina encontra-se entre o padrão e o máximo.

27) O que é potencial de atividade de um organismo? Qual é a importância ecológica desse potencial para o indivíduo?

Potencial de atividade é a diferença etre o metabolismo ativo e o padrão. Esse potencial é importante, pois quanto maior o potencial, maior será a capacidade do organismo de fazer atividades que requeiram esforço po rum maior tempo.

28) Como o metabolismo varia com o peso dos indivíduos? Descreva (desenhe) a função que relaciona o metabolismo com o peso.

O metabolismo aumenta exponencialmente com o peso, de acordo com a seguinte expressão:

\[ R = a\cdot W^b \qquad (4) \]

na qual R é a respiração (que indica o metabolismo); W é o peso (weigth); a e b são constantes que dependem da espécie. Essa função encontra-se representada na Figura 3.

Figura 3: Gráfico apresentando o aumento exponencial do metabolismo em função do peso, utilizando-se o valor de b para peixes na Equação 4.

29) Qual é o valor de b da equação de regressão entre metabolismo e o peso, em peixes?

Apesar de haver uma variação entre espécies, há um valor sugerido de 0,86.

30) O que é metabolismo específico?

Metabolismo específico é a taxa de metabolismo por unidade de massa de um indivíduo. Essa taxa cai com o aumento de massa do indivíduo.

31) Por que o consumo de oxigênio é uma boa medida para avaliar o gasto energético de um organismo? O que é coeficiente oxicalórico? Qual é o valor para peixes e por quê?

32) Como os fatores ambientais podem ser classificados quanto ao seu modo de ação? Cite alguns exemplos.

Quanto ao modo de ação, os fatores podem ser classificados em: letal, controle, limite, mascaramento e ordem.

Fatores letais impõe condições nas quais o organismo morre pelo não funcionamento das vias metabólicas. Fatores de controle alteram a taxa metabólica por influenciarem a velocidade das reações metabólicas. Um exemplo deste tipo de fator é a temperatura, no caso de organismos ectotérmicos.

Fatores limitantes suprimem ou removem materiais necessários para o funcionamento do metabolismo. Um exemplo é o oxigênio.

Fatores de mascaramento modificam o efeito e outros fatores e têm, como exemplo, a salinidade.

Um fator de ordem demada uma resposta do organismo a um gradiente desse fator. Pode-se citar a temperatura e a salinidade como exemplos de fatores de ordem.