Slides das 2 aulas teóricas sobre Reacções Redox nos Seres Vivos

Reacções de redox nos seres vivos
As reacções de oxi-redução costumam definir-se como reacções
em que há transferência de electrões.
nutrientes
1
Zn + Cu 2+
Zn 2+ + Cu
...mas também se podem definir como reacções em que há variação
do número de oxidação em cada um dos pares redox envolvidos na reacção.
Cu 2+ + 2 e -
Zn Zn 2+ + 2 e -
Cu
Cu 2+
Zn Zn 2+
2 e -
2 Cu
Nas reacções de oxi-redução há variação no número de
oxidação de um ou mais elementos dos reagentes.
Para determinar o número de oxidação (n.o.) de um elemento:
1- Atribuem-se os electrões envolvidos na ligação ao elemento mais electronegativo.
2- Um determinado átomo terá um n.o. negativo se “recebe” electrões dos átomos vizinhos:
o valor numérico corresponde ao número de electrões que “recebeu”; no caso inverso o
n.o. é positivo...
1- o C é mais electronegativo que o H ⇒
atribuem-se os electrões envolvidos na
ligação ao C.
2- o C “recebe” 4 electrões ⇒
n.o. do C = - 4.
3- cada um dos átomos de H “perdeu” 1
electrão para o C ⇒
n.o. do H = +1.
3
No monóxido de carbono
o n.o. do C é +2 e o
do oxigénio –2.
No dióxido de carbono
o n.o. do C é +4 e o
do oxigénio –2.
O n.o. do carbono do formol (metanal) é zero:
“perde” 2 electrões para o O mas
“ganha” 2 dos H.
4

Quando, na glicólise,
a glicose se converte em ácido pirúvico,
dizemos que a glicose se oxida...
Regra simples
para calcular, a partir da fórmula molecular,
o número de oxidação médio dos carbonos
da maioria dos compostos orgânicos
n.o.= +1
n.o.= 0
n.o.= 0
n.o.= 0
n.o.= 0
n.o.= -1
n.o. médio = 0
n.o.= +3
n.o.= +2
n.o.= -3
n.o. médio = + 2/3
5
n.o. médio =
Caso ácido pirúvico
Caso ião piruvato
(O X 2) + (N X 3) + (S X 2) – H + carga da molécula
C 3 H 4 O 3
n.o. médio = [3 X 2 –4]/3 = + 2/3
C 3 H 3 O 3
-
n.o. médio = [3 X 2 –3 -1]/3 = + 2/3
C
carga negativa ⇒
número negativo
6
As reacções de dissociação protónica (ácido-base) não são reacções
de oxi-redução.
ac. pirúvico
piruvato + protão
Pelo contrário, quando uma substância
perde átomos de hidrogénio (os electrões e os protões)
diz-se que se oxida...
Os electrões dos H ligados ao carbono 1 do etanol
“estavam atribuídos” a esse carbono.
Quando esses hidrogénios saem formando-se o etanal, esses
electrões “deixam de pertencer” a esse carbono.
n.o. = -1
n.o. = + 1
No ácido pirúvico o electrão que “pertencia” ao hidrogénio já estava atribuído
ao oxigénio onde se ligava.
Quando o protão sai, o electrão que fica no anião piruvato continua atribuído
ao oxigénio.
7
2 e - 2 H +
8

Na reacção em que o etanal passa a ácido acético pode parecer
que quem se oxida (perde os hidrogénios) é a água...
...mas o n.o.
dos átomos
do O e do H
não varia.
As reacções de hidrólise também não são reacções de oxi-redução.
n.o.= +2 n.o.= +1
n.o. = +1
2 e - 2 H + n.o. = + 3
O
elemento
que sofre
aumento
no n.o. é o
C1 do
etanal
n.o.= +2
n.o.= +1
9
10
A transformação 2-fosfoglicerato → fosfoenolpiruvato + H 2 O
evidencia o carácter convencional da classificação das reacções.
O C2 oxida-se (0 → +1) ⇒ haveria uma oxidação
O C3 reduz-se (-1 → -2) ⇒ haveria uma redução
O n.o. médio dos carbonos (2/3) não varia ⇒ não é reacção redox
n.o. = 0
H 2 O
n.o. = +1
O 2
n.o. = 0 O n.o. do oxigénio é
e -
zero no O 2 e
-2 na maioria dos
casos mas...
O
• -
n.o. = - ½
2
e -
H 2 O 2 n.o. = - 1
e - n.o. = - 2
OH •
OH -
n.o. = -1
n.o. = -2
11
12

As enzimas que catalisam reacções de oxi-redução classificam-se
como oxi-redútases:
Embora a nomenclatura que se aplica às enzimas não siga normas
rígidas algumas ideias podem ser úteis.
Exemplos de nomes associados a oxi-redútases:
1) As desidrogénases catalisam reacções do tipo:
AH2 +
NAD +
NADP +
FAD
FMN
desidrogénase de AH2
A +
NADH
NADPH
FADH2
FMNH2
Desidrogénases
Redútases
Oxídases
Oxigénases
Peroxídases
Catálase
Dismútases
dinucleotídeos são substratos
O 2 é o oxidante directo
o H 2 O 2 é reduzido a água...
catalisam reacções de dismutação
13
14
Exemplo: desidrogénase da glicose-6-P
n.o. = +1
H +
n.o. = +3
Dissemos que,
independentemente do sentido – directo ou inverso – em que a reacção
ocorre, quando um composto orgânico (AH2) é oxidado pelo NAD +
a enzima que catalisa a reacção chama-se desidrogénase do AH2.
2 e -
H +
desidrogénase
do lactato
NADP +
NADPH
mas há uma excepção...
NADH + Q
NAD + + QH 2
15
Glicose-6-P + NADP + 6-fosfogliconolactona + NADPH + H + 16
desidrogénase do NADH

2) A maioria das redútases
catalisa reacções do mesmo tipo das desidrogénases
mas o redutor é o NADPH...
A +
n.o. = -1
NADH
NADPH
FADH2
FMNH2
redútase do A
Exemplo: redútase do glutatião
AH2 +
NAD +
NADP +
FAD
FMN
NADPH NADP +
2 e - H +
H +
n.o. = -2
17
3) As oxídases catalisam reacções em que o O 2 é um dos
reagentes que se reduz
a H 2 O, a peróxido de hidrogénio (H 2 O 2 ) ou a superóxido (O 2
• -
).
Em qualquer dos casos o n.o. do O 2 que era zero diminui...
2 cyt. c (Fe 2+ )+½ O 2 2 cyt. c (Fe 3+ )+H 2 O
oxídase do citocromo c
n.o. = -2
protoporfirinogénio + O 2
oxídase do
protoporfirina +H 2 O 2
protoporfirinogénio
n.o. = -1
NADPH + 2 O 2 NADP + +2 O
• -
oxídase da NADPH
2
n.o. = - ½
18
A oxídase mais conhecida é a
oxídase do citocromo c,
uma enzima da cadeia respiratória também
conhecida como complexo IV.
A oxídase menos conhecida
é a luciférase do pirilampo.
84%
2 2 Fe 3+
Fe 2+ 2 e - 2 H +
½ O 2
H 2 O
16%
n.o. = 0 n.o. = -2
19
Firefly luciferase produces H 2
O 2
as a coproduct in dehydroluciferyl-adenylate formation
Hugo Fraga, Diogo Fernandes, Jiri Novotny, Rui Fontes and
20
Joaquim C.G. Esteves da Silva

4) As monooxigénases (também chamadas oxigénases de
função mista) catalisam reacções em que o O 2 é o oxidante
directo, sendo que um dos átomos de oxigénio se vai incorporar
num composto orgânico que é oxidado e o outro vai formar água.
Exemplo: a hidroxílase da fenilalanina
São frequentemente chamadas hidroxílases;
neste caso seria hidroxílase do VH
O 2
VH
VOH
H 2 O
fenilalanina
tirosina
WH2
W
21
tetrahidrobiopterina
dihidrobiopterina
22
Em geral, as monooxigénases fazem parte de sistemas enzímicos
em que uma redútase dependente do NADPH reduz W a WH2
permitindo que muitas moléculas de VH sejam oxidadas.
VOH
VH
VH
VH VH
VH VH
O 2
VH
WH2
Monooxigénase
NADP + Redútase do W
VOH
H 2 O
W
VOH
VOH
NADPH
fenilalanina
Hidroxílase da fenilalanina
tirosina
VOH
VOH
tetrahidrobiopterina
dihidrobiopterina
Redútase da dihidrobioperina
NADP + NADPH
Actividade do sistema enzímico “Hidroxílase da Fenilalanina”:
23
24
Fenilalanina + NADPH + O 2
Tirosina + NADP +

5) As peroxídases catalisam reacções em que o H 2 O 2 é o
agente oxidante directo de um composto orgânico.
Exemplo: a peroxídase do glutatião é a mais conhecida
6) A catálase catalisa a dismutação do
peróxido de hidrogénio: 2 H 2 O 2 → O 2 + 2 H 2 O
H 2 O 2
O 2
n.o. = 0
n.o. = - 1
2 e -
n.o. = -2
n.o. = -1
H 2 O 2
2 H 2 O n.o. = - 2
7) A dismútase do superóxido catalisa a dismutação do
2 e - 2H +
superóxido: 2 O 2
• -
→ O 2 +H 2 O 2
O 2
• -
O 2
n.o. = 0
H 2 O 2
2 H 2 O
n.o. = - ½
25
26
n.o. = -1 n.o. = -2
O 2
• -
2H +
e -
H 2 O 2
n.o. = - 1
Nem todas as reacções de oxi-redução com interesse biológico
são catalisadas por enzimas.
A reacção de Fenton é uma reacção de oxi-redução
não enzímica
que se acredita ter importância na formação
do radical hidroxilo
nos seres vivos
O radical hidroxilo pode, oxidando moléculas componentes dos seres
vivos, originar radicais orgânicos muito reactivos...que estão na origem
da formação de peróxidos orgânicos.
OH •
H 2 O
n.o. = - 1
H 2 O 2
n.o. = - 2
Fe 2+ Fe 3+
e -
OH -
O 2
OH •
27
28

O que os seres vivos sabem fazer melhor é…
comer
ingerir substâncias no estado reduzido que vão ser oxidadas a CO 2
e respirar
inspirar O 2
, o oxidante último dos nutrientes e
expirar o produto da oxidação dos nutrientes
A oxidação dos nutrientes é um
processo que, embora ocorra por
mecanismos distintos, assemelhase
muito à oxidação da gasolina
num automóvel.
Em ambos os casos:
um composto orgânico
oxida-se a CO 2
enquanto o O 2 se reduz
a H 2 O.
n.o. = 0 n.o. = -2
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O
29
n.o. = 0
n.o. = + 4
30
n.o. = 0 n.o. = -2
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 → 6 CO 2 + 6 H 2 O
n.o. = 0
n.o. = + 4
Semi-equação de oxidação:
C 6 H 12 O 6 + 6 H 2 O → 6 CO 2 + 24 e - + 24 H +
Semi-equação de redução:
6 O 2 + 24 e - +24 H + → 12 H 2 O
C 6 H 12 O 6 6 CO 2
Semi-equação de
redução
O 2 / H 2 O
+ 0,81 V
2 H + +2 e- → H 2 H + / H 2
0 V
24 e -
6 O 2
+ 24 e - + 24 H + →
12 H 2
O
6 CO 2
+ 24 e - + 24 H + →
glicose + 6 H 2
O
∆ Eº´= 0,059
n
par redox
forma oxidada / forma reduzida
log Keq
CO 2 / glicose
Equação de Nernst:
⇔ log Keq =
n ∆ Eº´
0,059
∆ Eº´= 1,24 V ⇔ Keq ≈ 10 500
potencial redox
padrão (Eº’)
-0,43 V
24 e - 31
32
6 O 2 12 H 2 O
Apesar desta Keq a reacção de oxidação da glicose só ocorre nos seres
vivos porque ... há oxi-redútases.

glicose
Seguindo o trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio...
2 e - 2 e -
succinato
succinato
33
2e-
36
gliceraldeído-3-P
gliceraldeído-3-P
1,3-bisfosfoglicerato
1,3-bisfosfoglicerato
2 e - 2 e - piruvato
piruvato
2 e -
2 e -
acetil-CoA
acetil-CoA
oxalacetato
oxalacetato
2 e - isocitrato 2 e - isocitrato
malato
α-cetoglutarato
2 e -
malato
α-cetoglutarato
2 e -
2e-
fumarato
succinil-CoA
2 e -
2 e -
fumarato
succinil-CoA
2e-
No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria:
1º-Desidrogénase do succinato: oxida succinato reduzindo ubiquinona
2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c
3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo oxigénio
1º- Acção catalítica da desidrogénase
do succinato (ou complexo II)
A transferência de 2 electrões entre o
succinato e a ubiquinina dá-se
em duas etapas:
1ª etapa: oxidação do succinato a fumarato
com redução do FAD a FADH 2 .
n.o. = +2
2 e - 2 H +
n.o. = +1
2 e - 2 H + 38
37
FAD FADH 2
n.o. = +3 n.o. = +2
forma oxidada = FAD forma reduzida = FADH 2

2ª etapa: oxidação do FADH 2 a FAD
com redução da ubiquinona (Q) a ubiquinol (QH2).
2º-Acção catalítica da redútase do citocromo c (ou complexo III)
FADH 2
2 e - 2 H +
FAD
QH 2
2 e - 2 H +
Q
Forma oxidada = Q
Forma reduzida = QH2
2 Fe 3+
2 Fe 2+
Reacção global catalisada pela desidrogénase do succinato
succinato + Q fumarato + QH 2
39
40
... de facto, a redútase do citocromo c é, simultaneamente,
uma enzima (uma oxi-redútase) e
um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:
QH2 + 2Cyt c (Fe 3+ ) + 2 H + (dentro) → Q + 2 Cyt c (Fe 2+ ) + 4 H + (fora)
3º-Acção catalítica da oxídase do citocromo c (complexo IV)
2 cyt. c (Fe 2+ )
2 e - 2 H +
2 cyt. c (Fe 3+ )
½ O 2 H 2 O
n.o. = 0 n.o. = -2
41
42

... de facto, a oxídase do citocromo c é, simultaneamente,
uma enzima (uma oxi-redútase) e
um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:
O trajecto dos electrões desde succinato até ao oxigénio...
somatório das reacções: succinato + ½ O 2 → fumarato + H 2 O
2 Cyt c (Fe 2+ ) + ½ O 2 + 4 H + (dentro) → H 2 O + 2 Cyt c (Fe 3+ )+ 2 H + (fora)
Semi-equação de
redução
½ O 2
+ 2 e - +2 H + →
H 2 O
fumarato + 2 e - + 2 H + →
succinato
par redox
forma oxidada / forma reduzida
O 2 / H 2 O
2 e -
fumarato / succinato
potencial redox
padrão (Eº’)
+ 0,81 V
+0,03 V
43
∆ Eº´= 0,059
n
log Keq
∆ Eº´= 0,78 V ⇔ Keq ≈ 10 26
Keq =
[fumarato]
[succinato] (PO 2 ) 1/2
44
glicose
A reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato pode ser,
conceptualmente, entendida como o somatório de 2 processos:
(1a) Reacção de oxidação do piruvato a acetato + CO 2 :
gliceraldeído-3-P
2 e - 2 e - CO 2
gliceraldeído-3-P
2 e - 2 e -
2 e -
1,3-bisfosfoglicerato
1,3-bisfosfoglicerato
+
piruvato
piruvato
2 e - CO 2
2 e -
2
CO 2 2 e -
CO 2
fumarato
succinil-CoA
fumarato
succinil-CoA
2 e -
acetil-CoA
acetil-CoA
n.o. = +2 n.o. = +3 n.o. = +3
n.o. = +4
oxalacetato
oxalacetato
2 e - isocitrato 2 e - isocitrato
CO 2 e
malato
2
-
CO 2 e
α-cetoglutarato malato
2
-
α-cetoglutarato
(2) Reacção inversa à de hidrólise do acetil-CoA:
succinato
succinato
45
46

O NAD + é o
aceitador de
electrões na
reacção catalisada
pela desidrogénase
do piruvato.
(1b) reacção de redução do NAD + a NADH
piruvato acetato + CO 2
2 e -
Reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato:
(1b) NAD + + 2 e - +H + → NADH
(1a) piruvato + H 2 O → acetato + CO 2 + 2 e - +2 H +
(2) acetato + CoA → acetil-CoA + H 2 O
piruvato + CoA + NAD + → acetil-CoA + CO 2 + NADH + H +
2 e -
O destino final dos electrões que reduziram o NAD + a NADH é o O 2 .
Que caminho seguem esses electrões?
NAD +
NADH
47
48
Seguindo o trajecto dos electrões desde NADH até ao oxigénio...
No processo intervêm 3 enzimas que se situam na membrana interna da mitocôndria:
2e-
1º-Desidrogénase do NADH: oxida NADH reduzindo ubiquinona
2e-
2º-Redútase do citocromo c: oxida ubiquinol reduzindo citocromo c
3º-Oxídase do citocromo c: oxida citocromo c reduzindo
2eoxigénio
49
(forma
FMN
NAD + + QH 2
A desidrogénase do
NADH (ou complexo I)
contém como grupo
prostético o FMN.
NADH + Q
oxidada)
2 e -
FMN
FMNH 2
NADH NAD + 2 e -
Q
QH 2
50

... de facto, a desidrogénase do NADH é, simultaneamente,
uma enzima (uma oxi-redútase) e
um transportador de protões que são bombeados para fora da mitocôndria:
NADH + H + + Q + 4 H + (dentro) → NAD + + QH2 + 4 H + (fora)
No trajecto dos electrões entre NADH e o O 2
intervêm os complexos da cadeia respiratória I, III e IV.
somatório das reacções:
NADH + ½ O 2 → NAD + + H 2 O
Semi-equação de
redução
½ O 2
+ 2 e - +2 H + →
H 2 O
NAD + + 2 e - + H + → NADH
par redox
forma oxidada / forma reduzida
O 2 / H 2 O
2 e -
NAD + / NADH
potencial redox
padrão (Eº’)
+ 0,81 V
-0,32 V
51
∆ Eº´= 0,059
2
log Keq
∆ Eº´=1,13 V ⇔ Keq ≈ 10 38 Keq =
[NAD + ]
52
[NADH] (PO 2 ) 1/2
Nem todas as reacções redox são fisiológicamente irreversíveis.
O sentido em que uma reacção (qualquer reacção) evoluí é determinado
pela razão Keq / QR.
1- Uma reacção está em equilíbrio...
Keq = QR ⇔ Keq/QR =1
aA + bB ↔ pP + qQ
Zn + Cu 2+
Zn 2+ + Cu
∆E = ∆Eº -
∆E = 0,059 Keq
log
2 QR
...se Keq = QR ⇒ ∆E = 0 V
0,059
2
log [Zn2+ ]
[Cu 2+ ]
...se Keq > QR ⇒ ∆E > 0
...se QR=1 ⇒ ∆E = ∆Eº
Keq ≈ 10 37 1,1V
2- A reacção evolui em sentido directo ... A + B → P + Q
se Keq > QR ⇔ Keq/QR >1
Zn
3- e evolui em sentido inverso... P + Q → A + B
se Keq < QR ⇔ Keq/QR

55 56
Semi-equação de
redução
piruvato + 2 e - +2 H + →
lactato
NAD + + 2 e - + H + → NADH
par redox
forma oxidada / forma reduzida
piruvato / lactato
NAD + / NADH
potencial redox
padrão (Eº’)
-0,19 V
-0,32 V
∆ Eº´=0,13 V ⇔ Keq ≈ 10 4,4 Keq =
[NAD + ] [lactato]
[NADH] [piruvato]
Keq ≈ QR
∆E’ = 0,059
2
log
Keq
QR
... se QR>Keq ⇔ ∆E’