Ciências da Natureza - Biologia PROCESSOS ENERGÉTICOS RESPIRAÇÃO E FERMENTAÇÃO 1. Introdução ao Metabolismo Energético 2. Mitocôndria 3. Respiração Celular 4. Fermentação 1. INTRODUÇÃO AO METABOLISMO ENERGÉTICO Mesmo que você não seja muito bom na disciplina de física, tenho certeza que já ouviu falar no termo ENERGIA e imagina que, para estarmos vivos, estamos consumindo energia o tempo todo. Qualquer tarefa que realizamos gasta energia, inclusive até quando estamos dormindo! Nosso cérebro, coração, pulmões, entre outros órgãos, estão ativos o tempo todo. Aliás, qualquer célula de nosso corpo, enquanto estiver viva, necessita de energia para realizar qualquer tipo de trabalho, como a síntese proteica e replicação do DNA, por exemplo. A pergunta que eu te faço é: como obtemos esta energia para nos mantermos vivos? Primeiro, vamos conhecer a fonte da energia e depois entender como a nossa célula extrai energia dessa fonte. De forma indireta, essa fonte é o sol: sua energia é captada por seres fotossintetizantes e convertida em energia química, a qual é armazenada em moléculas orgânicas. A principal molécula orgânica que contém energia e que é usada para estudos de nós vestibulandos nos processos de metabolismo energético é a glicose! Aquele monossacarídeo pertencente ao grupo dos carboidratos ou glicídios, lembra? Bem, ela que representa o principal alimento, o principal combustível do qual nossa célula extrai energia necessária ao seu metabolismo. Sendo assim, usaremos a glicose como nosso exemplo. Não esqueça que, segundo a física, a energia não pode ser criada nem destruída; ela apenas é convertida, passando de um tipo para outro. Ex: no processo de fotossíntese, há uma conversão da energia luminosa em energia química, a qual fica armazenada em moléculas orgânicas, como a glicose. Quando um ser extrai a energia da glicose, pode converter a energia química que estava armazenada na molécula em energia térmica (calor) ou cinética (de movimento). Um vagalume pode até converter essa energia química em luminosa! :) A energia vem da glicose. E a glicose, de onde vem? Os vegetais produzem a glicose, mas nós seres humanos obtemos esse monossacarídeo ao fazermos gordices, comendo um bolinho, macarrão, batata, fruta, etc. Na verdade, somos seres heterótrofos, ou seja, não produzimos nosso alimento e devemos adquiri-lo do meio. Sendo assim, podemos dividir os seres vivos basicamente em dois grupos quanto a obtenção de alimentos: Autótrofos (ou autotróficos) são seres que possuem a capacidade de produzir o próprio alimento, ou seja, não se alimentam de outros seres e produzem a própria matéria orgânica! A planta, por exemplo, produz o próprio alimento na fotossíntese (ou quimiossíntese) usando moléculas inorgânicas simples (como gás carbônico e água): 6CO 2+ 6H 2O C 6H 12O 6 (glicose) + 6O 2 (equação simplificada da fotossíntese) Heterótrofos (ou heterotróficos) como já vimos, é um grupo ao qual nós pertencemos junto a todos os outros seres vivos que não possuem a capacidade de produzir o próprio alimento. 1
Nós já entendemos como os seres vivos podem conseguir glicose. Depois de adquirida, a célula deve extrair energia desta molécula para se manter viva. Antes de estudarmos os processos realizados para retirar a energia da glicose, vamos estudar uma outra molécula energética: o ATP!!! - TRIFOSFATO DE ADENOSINA (ATP) Quando você quer cantar alguém na festa, na boate, ou até em que está sentado do seu lado no busão, você analisa primeiro a pessoa fisicamente, e depois vai conhecer a pessoa, descobrir o que ela faz da vida, etc. vida: Faremos o mesmo para o ATP: vamos conhece-lo fisicamente (ou estruturalmente) e depois vamos ver o que ele faz da (molécula do ATP simplificada) (molécula do ATP detalhada quimicamente) * O ATP é formado por uma adenina + uma ribose e + 3 fosfatos; * O grupo adenina + ribose é chamado de adenosina. Daí o seu nome trifosfato de adenosina. Vamos agora entender o papel do ATP: Ele funciona para nossa célula de uma maneira parecida com que uma bateria funciona para nosso celular. A glicose funciona como fonte de energia direta para a célula. A verdade é que a energia desta molécula é transmitida à uma outra: o nosso querido ATP! O ATP fica carregado, e quando a célula precisa de energia para realizar trabalho, o ATP a fornece! A glicose serve para recarregar o ATP. Daí a analogia do ATP com a bateria de um celular: 2
A energia fica armazenada nas ligações entre os fosfatos. Quando a célula precisa realizar algum trabalho, o um fosfato se solta liberando a energia de sua ligação. Como resultado da retirada de energia do ATP temos um íon de fosfato inorgânico liberado (P i) e um ADP (difosfato de adenosina). Pi. O ADP ainda pode fornecer mais energia ainda à célula, virando AMP (monofosfato de adenosina) e liberando mais um íon O processo de recarga do AMP/ADP (adição de um íon fosfato) é chamado de fosforilação. A fosforilação pode ser de dois tipos: Fotofosforilação: quando a energia para recarga vem da luz. Isto acontece no processo de fotossíntese. Fosforilação Oxidativa: quando a energia vem da oxidação de moléculas orgânicas (oxidação da glicose, por exemplo). Muito bem! Agora que sabemos tudo de ATP, vamos ver como a energia da glicose é extraída para sintetizar tal molécula. Primeiro, veremos um processo mais complexo, onde a glicose é totalmente desmontada (e gera mais ATP): a respiração celular. Depois, veremos um processo mais simples em que a glicose é parcialmente desmontada (e que gera menos ATP): a fermentação. Mas antes de tudo isso, vamos ver uma organela onde o processo de respiração celular é consumado: A MITOCÔNDRIA! 3
2. MITOCÔNDRIA Ela possui uma dupla membrana: a membrana externa e a membrana interna, a qual apresenta várias cristas (dobras). Observe: A membrana interna possui enzimas que participam da cadeia transportadora de elétrons última etapa da respiração celular, sendo a etapa de maior produção de ATP. A vantagem de a membrana interna possuir várias dobras que assim ela pode ter um aumento de superfície e alojar um maior número de enzimas, otimizando o processo de produção de ATP. Células com grande número de mitocôndrias ou com mitocôndrias que tem muitas cristas é uma evidência de que estamos analisando uma célula metabolicamente muito ativa. Como temos duas membranas, formamos dois compartimentos: um mais interno, chamado matriz mitocondrial, onde encontramos o DNA e os ribossomos dessa organela; mais externamente, entre a membrana interna e externa, há o chamado de espaço intermembranoso. Segundo a teoria da endossimbiose, a mitocôndria deriva de uma célula procariota primitiva (seria uma bactéria primitiva). Uma outra coisa importante a ser mencionada é que a mitocôndria é passada apenas de mãe para filho, seguindo uma linhagem matrilinear: Os espermatozoides não transmitem as mitocôndrias do pai no processo de fecundação. 3. RESPIRAÇÃO CELULAR A equação resumida deste processo é a seguinte: C 6H 12O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2O + Energia (armazenada no ATP) (equação simplificada da respiração celular) Esta equação é um resumo de todas as etapas da extração da energia da glicose. Na verdade, a equação é uma mentirinha, pois mostra a energia sendo retirada de uma só vez, o que NÃO acontece na prática. A verdade é que temos várias etapas intermediarias até que a glicose e o oxigênio possam produzir gás carbônico, água e ATP. A energia é retirada da glicose gradativamente em várias etapas intermediárias. Se a energia fosse retirada toda de uma só vez, seria fatal para a célula: A extração em uma única etapa, em apenas uma única reação conforme foi mostrado, a energia liberada seria muito grande como vimos, um processo de combustão, que significa produção de fogo! Na verdade a equação simplificada da respiração celular mostra uma reação de combustão (queima) da glicose, onde a energia é liberada de uma única só vez. 4
A retirada de energia da glicose acontece em 3 etapas: 1- Glicólise (que ocorre no hialoplasma). 2- Ciclo de Krebs (que ocorre na matriz mitocondrial lá no espaço dentro da membrana interna da mitocôndria) 3 - Cadeia Respiratória (que ocorre nas cristas mitocondriais quer dizer, nas dobras da membrana interna). Esta aula irá abordar as etapas da respiração celular de forma resumida, dando um foco maior para a glicólise, etapa compartilhado pelo processo de fermentação. 1- Glicólise Esta etapa ocorre no hialoplasma e não necessita de gás oxigênio. Aqui a glicose é quebrada em duas moléculas de ácido pirúvico (C 3H 4O 3) e sobram 4 hidrogênios. Por que sobram 4? A glicose tem 12 hidrogênios 8 estão nas duas moléculas de ácido pirúvico e restam 4 da quebra. Os hidrogênios são recebidos (temporariamente) pelo NAD (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo). Este NAD vira então NADH 2 e vai entrar lá na etapa 3 (cadeia respiratória). Dizemos que o NAD é um aceptor temporário de hidrogênios. Para realizar a glicólise, são gastos 2 ATP, porém são produzidos 4. Logo, a célula tem um saldo positivo de 2 ATP na glicólise. 2- Ciclo de Krebs Antes de começar esta etapa, que ocorre na matriz mitocondrial, o ácido pirúvico que entra na mitocôndria reage com uma substância chamada coenzima A (CoA) e libera CO 2 e dois hidrogênios (captados por mais um NAD, que vira NADH 2). O resultado é a formação de uma substância chamada Acetil Coenzima A (Acetil CoA). Este NADH 2 que foi formado também entrará na última etapa, a cadeia respiratória. Após a formação de Acetil CoA, ele entra em um ciclo de reações o ciclo de Krebs que começa com a reação do Acetil CoA com o ácido oxalacético, (substância que já se encontra na matriz da mitocôndria) formando o ácido cítrico. Este passa por uma sequência de reações terminando de ser desmontado e um dos produtos finais é uma nova molécula de ácido oxalacético, que vai reagir com outro Acetil CoA proveniente da quebra de outra glicose. Veja que formou-se um ciclo de reações: 5
Não se assuste com a quantidade de reações que temos aqui! O mais importante é sabermos que os resíduos da molécula de glicose (moléculas de acetil CoA) acabam de ser desmontados, liberando os carbonos que eram da glicose na forma de CO 2 e os hidrogênios mais uma vez são captados pelo NAD e desta vez também são por uma molécula similar: O FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo), que também é um aceptor intermediário de hidrogênios. Tanto o NAD quanto o FAD que ganham hidrogênios e são convertidos em NADH 2 e FADH 2 participam da última etapa: a cadeia respiratória! No ciclo de Krebs também há produção de ATP, que não foi representado no esquema. 3- Cadeia Respiratória Esta é a última etapa, onde Todos os NADH 2 e FADH 2 são utilizados. Os hidrogênios cedem elétrons para um complexo de proteínas chamadas citocromos. Nos citocromos, a energia dos elétrons é extraída para produção de mais ATP. Os hidrogênios que perderam tais elétrons e viraram íons H + se juntam com um átomo de oxigênio o qual recebe os elétrons dos hidrogênios após passarem pelos citocromos. Resumindo: no final das contas, os íons H +, junto com seus elétrons, são recebidos pelo átomo de oxigênio formando H 2O. Tal átomo de oxigênio é proveniente do gás O 2 que captamos da atmosfera. Veja que no final, ao termos a captura de dois íons H + e dois elétrons por um átomo de oxigênio (que vem do gás oxigênio - O 2) haverá produção de água! Dizemos que a função do oxigênio na respiração celular é ser o ACEPTOR FINAL DE HIDROGÊNIOS! O NAD e o FAD são aceptores temporários! - TEORIA DA QUIMIOSMOSE Vimos que a energia dos elétrons que passam pelos citocromos é utilizada para a síntese de ATP. Êêêê!!!! Que legaal, já aprendemos tudo sobre cadeia respiratória!!!! Só que não. Nosso conhecimento deve ir além. Nós temos que saber que esse fluxo de 6
elétrons pelos citocromos é o que permite um bombeamento de prótons (íons H + ) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranoso: O espaço intermembranoso fica com alta concentração de prótons, e estes tendem a voltar para a matriz. O que acontece é que quando esse retorno se dá por uma enzima chamada ATP sintase, e a energia cinética proveniente do movimento de retorno dos prótons à matriz gira uma turbina molecular na ATP sintase. Esse movimento da turbina permite a geração de ATP pela proteína, assim como o girar de uma turbina de usina hidrelétrica permite a produção de energia elétrica a partir da conversão da energia cinética da queda da água. Mas nem todos os prótons retornam à matriz pela ATP sintase. Muitos deles retornam pela proteína termogina (ou termogenina) a qual serve de canal para a passagem direta, sem girar nenhuma turbina. A passagem de prótons pela termogina gera calor, o que contribui para a homeotermia (temperatura constante) e homeostase (harmonia) dos organismos. * Desacopladores São substâncias que aumentam a permeabilidade da membrana interna, permitindo uma maior passagem de prótons em direção à matriz o que acarreta em uma maior produção de calor pela célula, em detrimento da produção de ATP. 7
* Inibidores São substâncias que se ligam aos citocromos na cadeia transportadora de elétrons e impedem o fluxo dos mesmos. Com isso, não há bombeamento de íons H+ para o espaço intermembranoso nem geração de ATP e calor pela célula. Um inibidor muito famoso é o cianeto! 4. FERMENTAÇÃO Em alguns casos, a célula pode obter energia só com a etapa da glicólise, sem passar pelas outras etapas que utilizam O 2. Este é o processo de fermentação. Neste caso, a glicose é apenas parcialmente quebrada (não termina de ser quebrada com a utilização do oxigênio no ciclo de krebs e na cadeia respiratória). O produto da Fermentação não é o ácido pirúvico em si, produzido na glicólise. Após a produção do ácido pirúvico nesta etapa, ele pode ser transformado em outras substâncias, dependendo do tipo de fermentação: *Fermentação láctica Aqui as duas moléculas de ácido pirúvico (C 3H 4O 3) provenientes da glicólise recebem os 4 hidrogênios que estão nos dois NADH 2 (cada molécula de ácido pirúvico recebe dois hidrogênios de um dos NAD s). Com isso temos a produção do ácido lático (C 3H 6O 3). A fermentação láctica pode ser realizada pelos nossas células musculares, quando precisamos produzir muita energia e não temos oxigênio o suficiente para reagir com todas as moléculas de glicose que sofrem glicólise (situação de atividade física intensa). As moléculas de ácido pirúvico que não podem terminar de ser quebradas pela falta de O 2 sofrem este tipo de fermentação. A fermentação láctica também é realizada por bactérias que utilizamos na produção de iogurte e coalhada, por exemplo. *Fermentação alcoólica Nela, antes duas moléculas de ácido pirúvico (C 3H 4O 3) receberem 2 hidrogênios cada, há uma perda de CO 2 Por cada uma delas. Como resultado da fermentação alcoólica, é formado além do CO 2, o Etanol ou álcool etílico (C 2H 5OH). Esta fermentação é realizada leveduras (fungos), e o homem tira benefício deste processo na produção de cerveja (neste caso o álcool é aproveitado) ou de fermentos biológicos (neste caso, o CO 2 é aproveitado, pois quando liberado, faz criar bolhas em massas; com as bolhinhas de CO 2 a massa cresce e fica fofa, podendo resultar em uma pizza bem gostosa com muito queijo, orégano e calabresa em cima). Atenção!!!! Para a produção de álcool pelos fungos, eles não podem entrar em contato com o oxigênio. Caso tenha O 2 disponível ele vai fazer a respiração celular, processo que tem maior rendimento energético e que não produz o álcool! Logo, se deixarmos o fungo com a cevada em tonéis destampados, não produziremos cerveja! OBS: imagina se as nossas células musculares realizassem fermentação alcóolica ao invés de láctica! Quando a gente fizesse um exercício intenso, o álcool produzido pela fermentação nas células do músculo iria deixar a gente doidão! :D Resumindo: 8
Questão 1 EXERCÍCIOS Após algum tempo, professor Astrogildo chamou a turma de volta ao ônibus, pois ainda iriam visitar uma fábrica de cerveja que ficava no caminho. Na fábrica, um funcionário explicou todo o processo de produção da cerveja, ressaltando que, para isso, se utilizava o fungo anaeróbio facultativo. Professor Astrogildo apontou dois barris que estavam no galpão da fábrica, reproduzidos no esquema a seguir. Considerando que ambos contêm todos os ingredientes para a produção de cerveja, a formação de álcool ocorre no barril a) II, onde a glicose não é totalmente oxidada. b) I, onde há um maior consumo de oxigênio. c) II, onde a pressão do oxigênio é maior. d) I, onde a glicose será degradada a ácido pirúvico. Questão 2 A produção de álcool combustível a partir do açúcar da cana está diretamente relacionada a qual dos processos metabólicos de microrganismos a seguir relacionados? a) Respiração. b) Fermentação. c) Digestão. d) Fixação de N 2. e) Quimiossíntese. Questão 3 Existem muitas espécies de leveduras (fermentos) usadas na fabricação de bebidas, pães, bolos etc. Na produção da cerveja, utilizamse duas espécies: Saccharomyces cerevisae, para a cerveja de maior teor alcoólico, e Saccharomyces carlsbergensis, para a cerveja com baixo teor alcoólico. O processo biológico referido no texto caracteriza-se por: a) Ocorrer no interior das mitocôndrias dos fermentos produzindo teores variados de álcool etílico. b) Utilizar o oxigênio como aceptor final de hidrogênio. c) Ocorrer no citosol (hialoplasma) dos fungos Saccharomyces quando o teor de oxigênio no meio ambiente é insuficiente para a respiração aeróbica. d) Realizar-se nas células de fungos, bactérias e protozoários quando a quantidade de glicose é insuficiente para a respiração aeróbica. e) Ocorrer apenas nas células de procariontes e produzir um baixo rendimento energético. Questão 4 9
Na fabricação de pão caseiro, costuma-se colocar uma bolinha de massa ainda crua num copo com água. Essa bolinha, inicialmente, vai ao fundo do copo. Enquanto ela fica na água, os pães descansam e o fermento biológico utilizado na massa promove a liberação de CO2. Em relação a esse processo, é correto afirmar: a) Com a produção de CO2, ocorre a formação de pequenas bolhas no interior da massa, diminuindo sua densidade. b) Com a liberação do CO2 na bolinha, o empuxo diminui fazendo com que ela suba para a superfície. c) A bolinha desce devido à diferença de pressão entre a boca e o fundo do copo. d) A bolinha vai ao fundo pois a densidade dela é menor que a da água. Questão 5 Com relação aos processos de respiração e fermentação nos organismos vivos, pode-se afirmar que: a) Através dos dois processos ocorre produção de glicose. b) Em ambos os processos ocorre formação de ácido pirúvico. c) Na respiração anaeróbica não ocorre produção de ATP. d) A respiração aeróbica produz menos ATP do que a fermentação. e) Na respiração aeróbica não ocorre produção de ATP. Questão 6 Uma célula, com o auxílio de enzimas, degrada moléculas orgânicas ricas em energia em produtos mais simples que contêm menos energia. Existem diferentes caminhos pelos quais uma célula pode obter essa energia. Um dos processos mais simples utilizados pelos seres vivos é a fermentação, na qual um dos possíveis produtos é o álcool etílico (etanol). Assinale a alternativa que contém a equação que representa a fermentação etílica e um organismo que realiza este processo. a) C 6H 12O 6 2 C 2H 5OH + CO 2 + energia ; leveduras. b) C 6H 12O 6 2 C 2H 5OH + CO 2 + energia ; algas. c) 12H 2O + 6CO 2 + luz C 6H 12O 6 + 6O 2 + 6H 2O; bactérias e fungos. d) 12H 2O + 6CO 2 + luz C 6H 12O 6 + 6O 2 + 6H2O; vegetais e algas. e) C 6H 12O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2O + energia; bactérias e fungos. Questão 7 No gráfico a seguir, observa-se a produção de CO2 e ácido lático no músculo de um atleta que está realizando atividade física. Sobre a variação da produção de CO2 e ácido lático em A e B, analise as seguintes afirmativas. I. A partir de T1 o suprimento de O2 no músculo é insuficiente para as células musculares realizarem respiração aeróbica. II. O CO2 produzido em A é um dos produtos da respiração aeróbica, durante o processo de produção de ATP pelas células musculares. III. Em A, as células musculares estão realizando respiração aeróbica e, em B, um tipo de fermentação. IV. A partir de T1, a produção de ATP pelas células musculares deverá aumentar. Das afirmativas anteriores, estão corretas: a) Apenas I e II. 10
b) Apenas III e IV. c) Apenas I, II e III. d) Apenas I, II e IV. e) Apenas II, III e IV. Questão 8 Enquanto os organismos superiores utilizam a respiração aeróbia para obter energia, algumas bactérias e fungos utilizam a fermentação. Esses processos compreendem um conjunto de reações enzimáticas, nos quais compostos orgânicos são degradados em moléculas mais simples. As afirmativas a seguir estão relacionadas a esses processos. I. A glicólise é o processo inicial da respiração e fermentação. II. As leveduras quando fermentam açúcares produzem álcool etílico, CO 2 e ATP. III. A fermentação é mais eficiente em rendimento energético do que a respiração. Com relação às afirmativas, assinale a alternativa correta. a) I e II são verdadeiras. b) II e III são verdadeiras. c) I, II e III são verdadeiras. d) I e III são verdadeiras. e) Apenas a II é verdadeira. Questão 9 Há milhares de anos o homem faz uso da biotecnologia para a produção de alimentos como pães, cervejas e vinhos. Na fabricação de pães, por exemplo, são usados fungos unicelulares, chamados de leveduras, que são comercializados como fermento biológico. Eles são usados para promover o crescimento da massa, deixando-a leve e macia. O crescimento da massa do pão pelo processo citado é resultante da a) liberação de gás carbônico. b) formação de ácido lático. c) formação de água. d) produção de ATP. e) liberação de calor Questão 10 A fabricação de vinho e pão depende dos produtos liberados pelas leveduras durante sua atividade fermentativa. Quais os produtos que interessam mais diretamente à fabricação do vinho e do pão, respectivamente? a) Álcool etílico, gás carbônico. b) Gás carbônico, ácido lático. c) Ácido acético, ácido lático. d) Álcool etílico, ácido acético. e) Ácido lático, álcool etílico. 1) a 2) b 3) c 4) a 5) b 6) a 7) c GABARITO 11
8) a 9) a 10) a 12