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Universidade de São PauloInstituto de Química de São Carlos

Tema 17: Direcionamento Termodinâmico para a Síntese da Ligação Peptídica e Fosfodiéster

SQM0416- Bioquímica IIProf. Dr. Júlio César Borges

Daniel Luis do NascimentoGustavo Mancini

Murilo Gustavo Januário

Sumário1) Introdução.

a) Termodinâmica Geral;b) Ativação de Reações Químicas;c) Relação do equilíbrio químico reacional com o conceito de

deslocamento de reações.

2) Ligações Peptídicas.a) Custo energético da síntese de proteínas;b) Etapas da síntese de proteínas.

3) Ligação Fosfodiéster.a) Mecanismo;b) Balanço energético.

4) Cálculo aproximado de NTPs.

Conceitos termodinâmicos aplicados à bioquímica

• Energia livre de Gibbs: expressa a quantidadede energia capaz de realizar trabalho duranteuma reação à temperatura e pressãoconstantes.

• Entropia: é a desordem do sistema (caos).

• Entalpia: é o conteúdo de calor do sistemareagente.

Conceitos termodinâmicos aplicados à bioquímica

• 1a lei da termodinâmica: A energia é conservada, elanão pode ser criada ou destruida.

• 2a lei da termodinâmica: A entropia do universoaumenta.

• Processo espontâneo (liberação de energia ΔG).• Um processo pode ser espontâneo mesmo com ΔH > 0,

que se opõe ao processo,se a ΔS > 0 for suficiente.Ex.: Dissolução de NaCl em H2O.

• Processo não espontâneo (variação de ΔG positiva).• Estado padrão ΔG0 1 atm e 25 0C.

Equilíbrio e energia livre de Gibbs

• Onde K é a constante de equilíbrio.

• 𝐾𝐾 = [𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝𝑝][𝑝𝑝𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑟𝑝𝑝𝑟𝑟𝑝𝑝]

Reversebilidade de reações biológicas

• Reações biológicas nem sempre sãoreversiveis se a liberação for muito grande deenergia. O processo é irreversível.

• Biologicamente, isso se deve principalmentepor não ter uma reação de acoplamentoenergético que consiga reverter a reação.

Ativação de reações

• Energia de barreira.• Acúmulo de energia para quebra da barreira

energética.

RTEAAek /−=

Papel enzimático

• A enzima diminui a energia de ativação dareação não mexendo com a termodinâmicadela, mas sim com a velocidade de formação.

• Ela interage com o substrato, ativando-o pelamudança de conformação do mesmo.

Formas de controle termodinâmico de reações

• Princípio de le Chatelier.• Excesso de produtos gera a reação reversa.• Controle de temperatura.• A temperatura define a constante de equilíbrio, ou

seja, ela define até que ponto a reação se propagaconsiderando reações rápidas.

• As reações de liberação de calor (quebra de ligação)são inibidas quando há aumento da temperatura.

• As reações endotérmicas são beneficidas com oaumento da temperatura ou acoplamentos de reações.

Formas de controle termodinâmico de reações

• Acoplamento de reações redox são as maisimportantes já que em reações de oxido-redução a oxidação do composto liberaenergia. Essa energia gerada pelo fluxo deelétrons é utilizada na formação de ligaçõesmais energéticas como a fosfodiéster porexemplo.

Exemplo de acoplamento energético:

glicose + Pi -> glicose-6-fosfato + H2O ΔG0= + 13,8 kJ.mol-1

ATP + H20 -> ADP + Pi ΔG0 = -30,5 kJ.mol-1

_________________________________________________glicose + ATP -> glicose-6-fosfato + ADP ΔG0 = -16,7 kJ.mol-1

Custo Energético Na Síntese De Proteínas

• A síntese de uma proteína pelo seu respectivomRNA requer energia.

• A formação de cada aminoacil-tRNA utilizadois grupos fosfatos de alta energia.

Estrutura tridimensional do RNAt.

Apresentador

Notas de apresentação

A reação é favorável porque a energia livre total é negativa.�Esse pirofosfato é tóxico para a célula e é rapidamente hidrolisado, contribuindo ainda mais para o favorecimento da reação.


Aminoacil-RNAt-sintetase.

Apresentador




• Um GTP é clivado durante a primeira etapa dealongamento e outro durante a etapa detranslocação.

• Para a formação da ligação peptídica énecessária a energia derivada da hidrólise dequatro NTPs.

Apresentador




• pelo menos 4 x 30,5 kJ.mol-1 = 122kJ.mol-1 deenergia de ligação fosfodiéster para gerar umaligação peptídica.

• Cada um dos compostos fosfatados gastosnesse processo têm papel fundamental.

Apresentador



Etapas da síntese de proteína

Ativação do aminoácido• Para que a síntese inicie é necessário que o

aminoácido seja ativado.

Ativação do aminoácido

Apresentador



Etapas da síntese de proteína

Ativação do aminoácido • Formação de umaminoacil-adenilato.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaAtivação do aminoácido

• Para enzimas da classe I o grupoaminoacil é inicialmente transferidopara o grupo 2’-hidroxil do resíduo Apresente da extremidade 3’ do RNAt.

• Posteriormente é transferido para ogrupo 3’-hidroxil por meio de umareação de transesterificação .

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaAtivação do aminoácido

• Para enzimas da classe II o grupoaminoacil é transferido diretamentepara o grupo 3’-hidroxil do resíduo Apresente da extremidade 3’ do RNAt.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaIniciação

• aminoácido ativado pode sertransportado ao RNAm, onde ocódon e o anticódon se ligam.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaAlongamento: Ligação do segundo aminoacil-RNAt

• O segundo aminoacil-RNAt entra no sítio Ado ribossomo.

• Assim como o primeiro, o segundo AAtambém é ativado.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaAlongamento: Formação da ligação peptídica

• O grupo amino do aminoácido que entrou nosítio A do complexo do ribossomo, atacanucleofilicamente o grupo carboxil doprimeiro aminoácido.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaAlongamento: Translocação

• O RNAt que contem dois aminoácidos ligados transloca-se para este sítio desocupado.

Apresentador



Etapas da síntese de proteínaTerminação

• Esse processo apenas necessita de um doscódons de terminação.

• A reciclarem do ribossomo é necessários dofator de reciclagem e um GTP para que sedissociem os componentes envolvidos natradução.

Apresentador



Ligação Fosfodiéster

Relembrando:

Apresentador


Cada molécula de DNA é constituída por uma fita dupla em hélice feita de monômeros chamados nucleotídeos; Cada nucleotídeo é constituído de uma molécula de açúcar, um fosfato e uma base nitrogenada. Existem dois tipos de ligações na molécula de DNA: primeiro temos a ligação fosfodiéster que conecta os nucleotídeos adjacentes e a segunda é a ligação de hidrogênio, que conecta as duas fitas. Nós vamos nos atentar à ligação fosfodiéster. Os nucleotídeos sucessivos tanto no DNA quanto no RNA são unidos covalentemente por meio de “pontes” de fosfato, onde o grupo 5’- fosfato de uma unidade nucleotídica está unido ao grupo 3’-hidroxila do nucleotídeo seguinte.


Apresentador


Considere este como sendo o primeiro nucleotídeo e este como o segundo. Nós estamos interessados em saber como essa ligação fosfodiester é feita entre esses dois nucleotídeos. Todas as ligações fosfodiéster possuem a mesma orientação ao longo da cadeia.


Mecanismo:

Apresentador


1- O grupo 5’ de um nucleotídeo trifosfatado fica próximo à hidroxila livre 3’ de uma cadeia de nucleotídeos. 2- O grupo hidroxila -3’ forma uma ligação com o fósforo do nucleotídeo livre mais próximo ao oxigênio-5’ enquanto a ligação entre o primeiro átomo de fósforo e o oxigênio ligando ao próximo grupo fosfato se quebra. Essa reação é do tipo Sn2 e cada um dos três fosfatos do ATP é susceptível ao ataque nucleofílico, mas aqui no caso ela se dá à posição alfa. O PIROFOSFATO FORMADO COMO UM SUBPRODUTO É HIDROLISADO FORMANDO DOIS FOSFATOS INORGÂNICOS, O QUE CONFERE ENERGIA EXTRA À REAÇÃO E PORTANTO É TERMODINAMICAMENTE MAIS FAVORÁVEL. ESSE TIPO DE REAÇÃO É GERALMENTE REQUERIDA PELO ORGANISMO PARA PROMOVER UMA REAÇÃO DESFAVORÁVEL COMO UMA REAÇÃO DE ACOPLAMENTO. 3- Se cria a ligação fosfodiéster propriamente dita entre os dois nucleotídeos, em que pode se observar a presença dos dois grupos éster aqui e aqui. Um grupo pirofosfato é liberado. 4- O grupo pirofosfato é hidrolizado, liberando uma grande quantidade de energia e levando a reação à sua finalização. A formação do esqueleto sempre se dará da direção 5’para a 3’.


Balanço Energético:Em condições normais a hidrólise de

polinucleotídeos em nucleotídeos é umprocesso termodinamicamente favorecido.

(𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃⇌ (𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁+1 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂

ΔGo= ~ +25,0 kJ.mol−1

Apresentador


Então se estocássemos uma molécula de DNA, ao longo do tempo ela se degradaria, mas isso não ocorre por ela ser uma molécula metaestável, o que seria que ela é termodinamicamente favorável a se quebrar, mas isso ocorre muuuuuuuito lentamente, a não ser que o processo seja catalizado. Isso mostra que o esqueleto da ligação de fosfodiéster no DNA é muito estável. Isso garante a estabilidade que o DNA precisa para exercer sua função. Nucleótídeo tifosfato pode ser ATP/GTP/CTP/TTP


Então como de fato é possível a formação de polinucleotídeos ?

Acoplamento de reações !

𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑡𝑡𝐶𝐶𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 ⇌ 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 + 𝑃𝑃𝐶𝐶𝑡𝑡𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑖𝑖 ΔGo= −31,0 kJ.mol−1

(𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁 + 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃 𝑚𝑚𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 ⇌ (𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁+1 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 ΔGo= +25,0 kJ.mol−1

_________________________________________________________________________________________________________

(𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁 + 𝑁𝑁𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑡𝑡𝐶𝐶𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 ⇌ (𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶𝐶 𝐶𝐶𝐶𝐶 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶𝐶𝐶𝑃𝑃)𝑁𝑁+1 + 𝑃𝑃𝐶𝐶𝑡𝑡𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃𝑖𝑖 ΔGo= −6,0 kJ.mol−1

Apresentador




𝑃𝑃𝐶𝐶𝑡𝑡𝑃𝑃𝑚𝑚𝑃𝑃𝑚𝑚𝑚𝑚𝐶𝐶𝑃𝑃𝑃𝑃 𝑃𝑃𝑃𝑃𝐶𝐶 + 𝐻𝐻2𝑂𝑂 ⇌ 2 𝑃𝑃𝐶𝐶 ΔGo= −33,0 kJ.mol−1

Δ𝑮𝑮𝟎𝟎 = +25,0 kJ.mol−1

Δ𝑮𝑮𝟎𝟎 = −39,0 kJ.mol−1

Apresentador


Um outro fator q leva a reação a ser favorável é a hidrólise do pirofosfato, que apresenta uma energia livre de -33kJ/mol, fazendo com que o pirofosfato seja prontamente removido, carregando a sintese ainda mais para a formação da cadeia polipeptídica. Isso nos resulta um delta G de -39,0 KJ/mol !

Cálculo Energético

• Quantidade de equivalentes de ATP para aformação da ligação fosfodiéster em DNA eRNA:

𝐷𝐷𝑁𝑁𝐴𝐴(𝑁𝑁) + 𝑁𝑁𝑁𝑁𝑃𝑃 ⇌ 𝐷𝐷𝑁𝑁𝐴𝐴(𝑁𝑁+1) + 2𝑃𝑃𝑖𝑖

1lig.fosfodiéster : 2NTP

Cálculo Energético

• Exemplo: Para uma proteína de 100 aminoácidos, partindo do DNA e passando por um mRNA:– DNA: Na cadeia polinucleotídica de DNA, um

conjunto de 3 nucleotídeos (códon) corresponde a um aminoácido.2 NTPs x 300 nucleotídeos x 2 (fitas) = 1200 NTPs

– mRNA: Temos apenas uma fita:1200 + 600 = 1800 NTPs

Calculo EnergéticoNumero de NTPs usadosAtivação: 1 NTPIniciação: 1 NTPAlongamento: 2 NTPTerminação: 1 NTP1 NTP ≈ 30,5 kJ.mol-1

4 x 30,5 kJ/mol = 122kJ.mol-1

Para uma proteína de 100 amino-ácidos

100 x 122 kJ/mol + 1 NTP ≈ 12230,5 kJ.mol-1

=12,23MJ.mol-1

Apresentador



Calculo Energético

• Número total de NTPs usados:- DNA: 1200 NTPs- mRNA: 600 NTPs- Proteína com 100 aminoácidos: 400 NTPs

TOTAL = 2200 NTPs = 67,1 MJ.mol-1

Apresentador



Referências1) NELSON D. L., COX M. M., Princípios de Bioquímica de Lehninger.

Sarvier, 4ª edição, 2006.2) Disponível em: http://www.jbc.org/content/282/2/e1.full.pdf3) Disponível em: http://bitesizebio.com/10279/the-basics-how-

does-dna-ligation-work/4) Disponível em:

https://www.chem.wisc.edu/deptfiles/genchem/netorial/modules/biomolecules/modules/dna1/dna13.htm

5) Disponível em: https://www.youtube.com/watch?v=VfjCn3MPEDE6) Disponível em:

https://www.youtube.com/watch?v=EiPQMSuxH4Q7) Slides de aula do Professor Dr. Júlio Borges, Bioquímica I.

https://www.youtube.com/watch?v=EiPQMSuxH4Q

OBRIGADO !

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