METABOLISMO ENERGÉTICO

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1 RESUMÃO DE BIOLOGIA METABOLISMO ENERGÉTICO Metabolismo celular é um conjunto de reações químicas, sejam de síntese [anabolismo] ou de quebra [catabolismo], voltadas para a transformação de energia em uma célula. A fonte de energia mais importante para os seres vivos é a luz solar, que é captada pelos seres clorofilados e transformada em energia química, sendo armazenada em moléculas orgânicas como a glicose. Fotossíntese: síntese de glicose a partir de gás carbônico [ ] e água [ ] com presença de luz. Respiração aeróbia: quebra de moléculas orgânicas como a glicose a partir de. Os seres autótrofos conseguem sintetizar o seu alimento a partir de moléculas inorgânicas simples, por isso também são chamados de produtores [produzem energia química], constituindo a base da cadeia alimentar. Os seres heterótrofos não conseguem sintetizar o próprio alimento, precisando alimentar-se dos produtores para adquirir energia, sendo, por isso, também chamados de consumidores [seja primário, secundário, terciário etc.]. Apesar de a fotossíntese e a respiração serem os processos mais importantes de transformação de energia nos seres vivos, eles não são os únicos. Quimiossíntese: síntese de moléculas orgânicas a partir de e na ausência de luz. Fermentação: quebra parcial de moléculas orgânicas como a glicose na ausência de. Os processos de fotossíntese e de quimiossíntese são denominados processos de incorporação de energia.

2 Os processos de respiração e de fermentação são denominados processos de liberação de energia. A energia é assimilada, armazenada e liberada através de reações químicas, processos de transformação de moléculas [reagentes] em outras [produtos], em meio aquoso, podendo ou não ocorrer espontaneamente. As reações químicas que liberam energia são chamadas exergônicas. Nessas reações, os reagentes possuem mais energia que os produtos, e parte dessa energia é liberada no decorrer da reação na forma de calor [reações exotérmicas]. Em geral as reações exergônicas são espontâneas. Porém, as reações exergônicas que ocorrem nas células não são tão espontâneas assim. Para ocorrer, elas precisam de um estímulo chamado de energia de ativação. A maioria dessas reações é mediada por enzimas, que reduzem a energia de ativação necessária para a ocorrência da reação [Í] Os principais processos celulares de liberação de energia dos alimentos, a respiração e a fermentação, ocorrem através de reações exergônicas. Todavia, existe outra categoria de reações químicas que precisam receber muita energia para ocorrer. Essas reações são chamadas endergônicas e, nesses casos, os reagentes têm menos energia que os produtos. Assim, há necessidade de incorporação de energia [] +6 Os principais processos celulares de incorporação de energia, representados pela fotossíntese e pela quimiossíntese, são endergônicos. NOTA: reações exergônicas e endergônicas diferem quanto ao significado de reações exotérmicas e endotérmicas, respectivamente. As reações exergônicas e endergônicas dependem da variação da energia livre de Gibbs. A energia livre de Gibbs [ ] é uma grandeza termodinâmica definida como o balanço entre variação de entalpia [ ] e a temperatura [] vezes a variação de entropia [ ] em uma reação. = #

3 Onde: é uma função de estado chamada de variação de entalpia, que informa a variação de energia em pressão constante. # é a temperatura, uma grandeza física intensiva que é influenciada ou sofre influência das variações energéticas durante a movimentação das partículas. é a variação de entropia, uma função de estado que informa a variação de energia em função do grau de liberdade das partículas. O ATP é um nucleotídeo em que a adenina é a base, e o açúcar é a ribose. O nucleosídeo adenina + ribose é chamado de adenosina. A união de adenosina com três radicais fosfato leva ao composto adenosina trifosfato, ATP, responsável por transportar energia em reações exergônicas e endergônicas. As ligações que mantêm o segundo e o terceiro radical fosfato presos no ATP são altamente energéticas [liberam cerca de 7 Kcal/mol de molécula orgânica]. Durante os processos de síntese e degradação de moléculas orgânicas nas células, existem muitas reações em que há liberação de hidrogênio, que é transportado principalmente por duas substâncias: o %&' ( e o )&', produzidos a partir de vitaminas do complexo B. Nessas reações, entregam para outras substâncias os átomos de hidrogênio que carregam e voltam a ficar disponíveis na célula. As reações em que ocorrem transferências de elétrons são conhecidas como reações de oxirredução. Os elementos que ganham elétrons ficam reduzidos e os que perdem, oxidados.

4 %&' ( [)*+&,-'&'&] %&'+ ( [)*+& */'01-'&] %&'2 ( [)*+&,-'&'&] %&'2+ ( [)*+& */'01-'&] )&' [)*+&,-'&'&] )&' [)*+& */'01-'&] O NAD + [nicotinamida adenina dinucleotídeo] e o FAD [flavina adenina dinucleotídeo] são nucleotídeos associados respectivamente às vitaminas nicotinamida [B3] e riboflavina [B2]. Tanto o NAD + quanto o FAD participam da respiração celular, mas somente o NAD + está presente nos processos de fermentação. FOTOSSÍNTESE A fotossíntese é um processo autotrófico realizado por seres eucariontes e procariontes clorofilados: plantas, bactérias e cianobactérias. Nos eucariontes, a fotossíntese ocorre no interior da célula, no cloroplasto. Acredita-se que os cloroplastos eram cianobactérias primitivas englobadas por células eucariontes ao longo da evolução [organela com DNA]. O cloroplasto é formado pelo envelope [uma membrana externa e outra interna], cujo exterior é liso e o interior dobra-se formando vesículas internas, os tilacóides, que armazenam clorofila nos complexos de antena. Chama-se de granum o conjunto de tilacóides empilhados, e de grana o conjunto de granuns de um cloroplasto. O estroma é a região compreendida entre os tilacóides e o envelope, sendo onde se encontra os ribossomos e o material genético. Todas as células fotossintetizantes, exceto as bacterianas, contêm 2 tipos de clorofila, e um deles sempre é a clorofila A. O segundo tipo de clorofila geralmente é a clorofila B [nos vegetais superiores] ou a clorofila C [nas algas].

5 Os diversos tipos de clorofila diferem quanto à faixa do espectro da luz visível na qual cada uma delas capta luz com mais eficiência. É possível verificar, analisando o gráfico, que ambas as clorofilas possuem dois picos de absorção: um mais elevado, na faixa do violeta, e outro menor, na faixa do vermelho. Todos os cloroplastos das plantas atuais são formados a partir de organelas indiferenciadas, chamadas problastídeos. Existem três tipos de plastos formados: PLASTOS FUNÇÃO CLOROPLASTO Possuem clorofila; realizam fotossíntese. CROMOPLASTO Com carotenoides; conferem cor aos frutos. LEUCOPLASTO Apigmentados; armazenam amido. A fotossíntese obedece a seguinte equação geral: Em que A pode ser enxofre [no caso das bactérias púrpuras] ou oxigênio [no caso dos demais clorofilados]. Apesar de ser representada por uma equação geral, a fotossíntese ocorre a partir de uma série de reações químicas organizadas tradicionalmente em duas etapas interligadas: Etapa fotoquímica ou fase clara, em que há participação direta da luz, ocorrendo nos tilacóides do cloroplasto. Etapa química ou fase escura, em que não há participação direta da luz, ocorrendo no estroma do cloroplasto. Na etapa fotoquímica, dois conjuntos básicos de rações acontecem em presença de luz: fotofosforilação e fotólise da água. Esta fase ocorre na membrana dos tilacóides e dela participam um complexo de

6 pigmentos existente nos grana [fotossistemas I e II], aceptores de elétrons, moléculas de água e luz. Como resultado desta fase tem-se a produção de oxigênio, ATP [a partir de ADP + Fosfato (P)] e também a formação de NADPH2. Cada complexo de antena é capaz de captar a energia luminosa por meio dos pigmentos fotossintetizantes e conduzi-la até um centro de reação, onde essa energia pode ser aproveitada. Esse centro é formado por um par especial de clorofilas A, cujas propriedades diferem das demais clorofilas. Nota: no fotossistema I, esse par de clorofilas recebe o nome de P700, pois absorvem mais eficientemente feixes de luz com 700 nm de comprimento de onda. No fotossistema II, esse par de clorofilas recebe o nome de P680, pois absorve mais eficientemente feixes de luz com 680 nm de comprimento de onda. Quando clorofilas P700 são excitadas pela energia luminosa, elétrons saem da molécula e são transferidos para aceptores. Estes aceptores repassam os elétrons de um para outro, formando uma cadeia transportadora de elétrons. Dentre as substâncias transportadoras estão os citocromos. Nestas transferências os elétrons vão liberando energia, que é aproveitada para a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. Ao chegar ao último aceptor da cadeia, os elétrons têm nível energético suficientemente baixo e retornam ao par de clorofilas P700. Como os elétrons retornam para o par de clorofilas do fotossistema, fala-se em fotofosforilação cíclica.

7 Entretanto, existe outro tipo de fotofosforilação, em que os elétrons das moléculas de clorofila P700 do fotossistema I, excitados pela luz, são captados por um aceptor, mas em vez de passarem pela cadeia, são captados pelo NADP +, formando NADPH, e não retornam para o centro de ração. Esses elétrons são repostos por outros provenientes do fotossistema II [o par de clorofilas P680]. Excitado pela energia luminosa, esse par libera elétrons para uma cadeia de aceptores [citocromos], onde a energia liberada é usada para a síntese de ATP. Ao final dessa sequência, os elétrons desgastados ao invés de retornarem ao par P680, vão para o par P700, que se recompõe. Agora, o par de clorofilas deficiente corresponde ao P680, que é restabelecido pelos elétrons provenientes da quebra da molécula de água em presença de luz [fotólise da água]. Como os elétrons não retornam aos centros de reação dos quais saíram, fala-se em fotofosforilação acíclica. Na fotólise da água, os elétrons são captados pelo P680 ao mesmo tempo em que os hidrogênios são captados pelo NADP +, formando NADPH2, e o O2 é expelido da célula para o meio externo, sustentando toda forma de vida aeróbia do planeta. Na etapa química, a energia contida nos ATP e os hidrogênios dos NADPH2, serão utilizados para a construção de moléculas de glicose. A síntese de glicose ocorre durante um ciclo de reações chamado ciclo das pentoses ou ciclo de Calvin-Benson. Durante o ciclo, moléculas de CO2 unem-se umas as outras formando cadeias carbônicas que levam à produção de glicose. A energia necessária para o estabelecimento das ligações químicas ricas em energia é proveniente

8 do ATP e os hidrogênios que promoverão a redução dos CO2 são fornecidos pelos NADPH2. O CO2 entra no ciclo de Calvin e se une a um composto de 5 carbonos, a ribulose bifosfato [RuBP], que já existe no estroma do cloroplasto. A esse processo dá-se o nome de fixação do carbono. O produto de seis carbonos é instável e imediatamente hidrolisado pela ação de uma enzima chamada rubisco, a mais abundante na natureza. Pela ação do rubisco, formam-se duas moléculas de 3 carbonos, o ácido fosfoglicérico ou fosfoglicerato [PGA]. A seguir, com o fornecimento de energia de moléculas de ATP e a ação do NADPH, forma-se a partir do PGA o gliceraldeído fosfato ou PGAL, que também tem 3 carbonos. Parte das moléculas de PGAL formadas irão recompor a RuBP, reiniciando o ciclo, e a outra parte irá para o citosol ou hialoplasma da célula, onde será sintetizada em glicose e outros carboidratos utilizados na respiração celular. Por depender dos produtos da fase clara, que por sua vez depende da energia luminosa, diz-se que a fase escura depende indiretamente da luz solar. QUIMIOSSÍNTESE A quimiossíntese é um processo restrito a certas bactérias autótrofas em que a energia utilizada na formação de compostos orgânicos, a partir de gás carbônico [CO2] e água [H2O], provém da oxidação de substâncias inorgânicas. Dentre essas substâncias destacam-se: hidrogênio, amônio, nitrito, sulfeto de hidrogênio, tiossulfato, ferro e manganês.

9 A quimiossíntese é realizada por: Ferrobactérias: utilizam a energia química proveniente da oxidação de compostos de ferro para a síntese de matérias orgânica. Nitrobactérias: utilizam a energia química proveniente da oxidação de íons amônio [% 6 ( ] ou íons nitrito [% 7 ] para a síntese de matéria orgânica. As nitrobactérias ou bactérias nitrificantes existem livres no solo e são de grande importância no ciclo do nitrogênio. As nitrobactérias Nitrosomonas transformam o amônio em nitrito [% 7 ], e as nitrobacter transformam o nitrito em nitrato [% 8 7 ], que pode ser aproveitado pelas plantas como fonte de nitrogênio para a síntese de proteínas, ácidos nucleicos e ATP. Sulfobactérias: utilizam a energia química gerada na oxidação de compostos inorgânicos de enxofre para a síntese de matéria orgânica. Esses organismos vivem em ambientes que apresentam altas concentrações de sulfeto de hidrogênio [H2S] ou outros compostos de enxofre oxidáveis, como o sulfito [ 9 7 ]. RESPIRAÇÃO A respiração celular baseasse na reação de combustão completa da glicose, na presença de oxigênio como comburente, resultando água, gás carbônico e energia. A respiração aeróbia é realizada por muitos procariontes, protistas, fungos e pelas plantas e animais. O processo é comumente dividido em duas fases, uma anaeróbia [onda não há dependência de, constituída pela glicólise] e outra aeróbia [onde há dependência de, constituída pelo ciclo de Krebs e pela cadeia respiratória]. Nos seres eucariontes, a fase anaeróbica da respiração ocorre no citosol, enquanto que a fase aeróbica ocorre no interior da mitocôndria. A mitocôndria é delimitada por uma dupla camada lipoproteica, de face

10 externa lisa, e face interna com invaginações, formando as cristas mitocondriais, que constituem a matriz mitocondrial. A glicólise da respiração é igual à da fermentação e ocorre no citoplasma ou hialoplasma. Na glicólise, a glicose [ ] é quebrada em duas moléculas de piruvato [ácido pirúvico], cada uma com três carbonos [ 9 9 ], com saldo de duas moléculas de ATP. Todavia, na degradação da glicose em piruvato, perde-se quatro átomos de hidrogênio, que se combinam dois a dois, com moléculas de nicotinamida adenina dinucleotídeo [: ( ], formando duas moléculas de %&'. A glicólise é um processo exergônico, no qual há liberação de energia que é utilizada na síntese de ATP a partir de ADP [adenosina difosfato]: cada molécula de glicose quebrada libera energia para formar quatro moléculas de ATP. Entretanto, para a própria ativação da glicose no início do processo gasta-se duas moléculas de ATP. Portanto, diz-se que o saldo enérgico da glicólise é de dois ATP. As duas moléculas de piruvato, juntas, formam 6 carbonos e 6 oxigênios, como na glicose, mas formam somente 8 hidrogênio, contrastando com os 12 hidrogênios

11 da glicose. Os 4 hidrogênios que sobram são captados então por duas moléculas de %&' (, formando duas moléculas de %&'. As moléculas de piruvato [ácido pirúvico] resultantes da degradação da glicose penetram no interior das mitocôndrias, onde ocorrerá a respiração propriamente dita, iniciando a fase aeróbia da respiração. Ao entrar na mitocôndria, antes mesmo de começar o ciclo de Krebs, cada piruvato reage com uma substância chamada coenzima A e sofre uma primeira descarboxilação [perde para o meio] e uma primeira desidrogenação [perde para o meio, formando : ], originando o acetil coenzima A [2C] que entrará no ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico. O ciclo de Krebs nada mais é do que um conjunto cíclico de reações químicas que ocorrem na matriz mitocondrial, onde o acetil coenzima A será transformado em citrato [6C], cetoglutarato [5C], succinato [4C], fumarato [4C], malato [4C] e, finalmente, ácido oxalacético [4C]. Todavia, o importante é compreender que o ciclo vai moer a molécula de piruvato, liberando carbono que se ligará ao oxigênio, formando o gás carbônico, e liberando hidrogênios, que se ligarão ao %&' e ao )&', formando %&' e )&'. Logo no início do ciclo, cada molécula de acetil - CoA reage com uma

12 molécula de ácido oxalacético, resultando em citrato [ácido cítrico daí o nome do ciclo] e coenzima A. Nota: por se tratar de uma enzima, a coenzima A não se desgasta no decorrer da reação, começando-a e terminando-a intacta. O citrato então será degradado, perdendo carbonos no decorrer do ciclo de Krebs, até terminar na forma de ácido oxalacético, na qual reagirá com uma molécula acetil-coa, reiniciando o ciclo. Para cada volta no ciclo de Krebs, são liberados uma molécula de ATP, duas moléculas de e 4 hidrogênios [que são captados pelo : e pelo 5:, formando : e 5: ]. Mas, como na glicólise são produzidos dois piruvato, em cada ciclo de Krebs são formadas duas moléculas de ATP, três moléculas de :, uma molécula de 5: e quatro moléculas de. O destino dos hidrogênios liberados na glicólise e no ciclo de Krebs é um ponto crucial no processo de obtenção de energia na respiração aeróbica. Até chegar a terceira fase da respiração, foram liberados quatro hidrogênios durante a glicólise, que foram capturados sintetizados em duas moléculas de NADH2. Na reação de cada ácido pirúvico com a coenzima A formam-se mais duas moléculas de NADH2. No ciclo de Krebs, dos oito hidrogênios liberados, seis se combinam com três moléculas de NAD, formando três moléculas de NADH2, e dois se combinam com outro aceptor, o FAD, formando uma molécula de FADH2. O destino final dos hidrogênios liberados pela respiração é a combinação com átomos do atmosférico [sendo assim, o oxigênio é chamado de aceptor final de hidrogênios], formando água e evitando a acidose [diminuição do ph] da célula. Antes de reagirem com o O2, porém, os hidrogênios, percorrem uma longa trajetória, na qual se combinam sucessivamente com diversas substâncias aceptoras intermediárias. Somente ao final dessa trajetória, os hidrogênios se encontram com seus parceiros definitivos, os átomos de oxigênio. Esse conjunto de substâncias transportadoras de hidrogênio constitui a cadeia respiratória [também chamada de cadeia transportadora de elétrons ou fosforilação oxidativa], que ocorre nas cristas mitocondriais.

13 Na transferência de hidrogênios ao longo da cadeia respiratória, há liberação de elétrons excitados, que vão sendo captados por transportadores intermediários, dentre eles os citocromos. Desgastados, ao chegarem no final da cadeia respiratória, os elétrons são captados pelo oxigênio [aceptor final de hidrogênios e elétrons]. As moléculas de NAD, de FAD e de citocromos que participam da cadeia respiratória captam hidrogênios e os transferem, através de reações que liberam energia, para um aceptor seguinte. Os aceptores de hidrogênio que fazem parte da cadeia respiratória estão dispostos em sequência na parede interna da mitocôndria. Com o último aceptor de hidrogênios na cadeia respiratória ocorre a formação de moléculas de ATP, processo chamado de fosforilação oxidativa. Cada molécula de NADH2 que inicia a cadeia respiratória leva à formação de três moléculas de ATP a partir de três moléculas de ADP e três grupos fosfato. 1 : :=+3 = 1 +3 >=+1 : Já a FADH2 formado no ciclo de Krebs leva à formação de apenas duas moléculas de ATP. 1 5: :=+2 = 1 +2 >=+1 5: Desse modo, tradicionalmente [há novas pesquisas que contestam os resultados, mas por serem muito recentes ainda não são admitidas] considera-se que a cadeia respiratória gera 34 moléculas de ATP. Somando esse número ao saldo de dois ATP formados na glicólise e de dois ATP formados no ciclo de Krebs, o rendimento energético total da respiração é de 38 ATP. O oxigênio participa diretamente apenas da última etapa da cadeia respiratória. Apesar disso, é um reagente fundamental para que a respiração ocorra, pois todas as demais reações da fase aeróbia cessam na sua ausência. Sem o gás oxigênio, alguns organismos e mesmo

14 células do tecido muscular esquelético humano continuam a realizar glicólise [por se tratar de uma etapa anaeróbia da respiração aeróbia], mas como o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória necessitam dele para funcionar, não ocorrem, e a célula desvia o metabolismo para a fermentação. FERMENTAÇÃO Por meio da fermentação, a glicose é parcialmente degradada na ausência de oxigênio, originando substâncias mais simples, como o ácido lático [na fermentação lática] e o álcool etílico [na fermentação alcoólica]. Nesses processos, há saldo de apenas duas moléculas de ATP. Um dos produtos da glicólise é o NADH2 que se forma a partir do %&' (. Esta substância é essencial para a quebra da molécula de glicose, mas existe em quantidades muito inferiores às necessárias para que a glicólise ocorra. Assim, o : ( deve ser recuperado. Para isso existem dois mecanismos: Usando oxigênio para oxidar o NADH2: caracterizando a respiração aeróbia, que obviamente depende do oxigênio. Na ausência de oxigênio, usando o próprio piruvato formado na glicólise: caracterizando a fermentação. Todos os tipos de fermentação ocorrem exclusivamente no citosol ou hialoplasma e são processos autossuficientes, diferenciando-se somente quanto ao produto final da reação. Entre os tipos de fermentação destacam-se a fermentação lática e a fermentação alcoólica. Os lactobacilos [bactérias presentes no leite] executam fermentação lática, em que o produto final é o ácido lático. Para isso, eles utilizam como ponto de partida, a lactose, o açúcar do leite, que é desdobrado, por ação enzimática que ocorre fora das células bacterianas, em glicose e galactose. A seguir, os monossacarídeos entram nas células, onde ocorre a fermentação. Cada molécula do ácido pirúvico é convertida em ácido lático, que também contém três átomos de carbono.

15 O sabor azedo do leite fermentado se deve ao ácido lático formado e eliminado pelos lactobacilos. A diminuição do ph causado pelo ácido lático provoca a coagulação das proteínas do leite e a formação do coalho, usado na fabricação de iogurtes e queijos. Às vezes a quantidade de oxigênio que as células musculares recebem para a respiração aeróbia é insuficiente para a liberação da energia necessária para a atividade muscular intensa. Nessas condições, ao mesmo tempo em que as células musculares continuam respirando, elas começam a fermentar uma parte da glicose, na tentativa de liberar energia extra. O ácido láctico acumula-se no interior da fibra muscular produzindo dores, cansaço e cãibras. Depois, uma parte desse ácido é conduzida pela corrente sanguínea ao fígado, onde é convertido em ácido pirúvico, e o restante é metabolizado pelas células musculares quando o teor de oxigênio é restabelecido. As leveduras e algumas bactérias fermentam açúcares, produzindo álcool etílico e gás carbônico [CO2], processo denominado fermentação alcoólica. Na fermentação alcoólica, as duas moléculas de ácido pirúvico produzidas são convertidas em álcool etílico [também chamado de etanol], com a liberação de duas moléculas de CO2 e a formação de duas moléculas de ATP. Esse tipo de fermentação é realizado por diversos microrganismos, destacando-se os chamados fungos de cerveja, da espécie Saccharomyces cerevisiae. O homem utiliza os dois produtos dessa fermentação: o álcool etílico, empregado há milênios na fabricação de bebidas alcoólicas [vinhos, cervejas, cachaças etc.], e o gás carbônico, importante na fermentação de massas como os pães.