EE PROF.ª SUELY MARIA CAÇÃO AMBIEL BATISTA Rua Onório Novachi, 410 Jardim Colonial- Indaiatuba SP CEP 13345-806 FONE: 3834 1820-3801 1046 BIOLOGIA SEGUNDA SÉRIE DO ENSINO MÉDIO Wéliton Ribeiro Rodrigues Mota. E. E. Suely Maria Cação Ambiel Batista. Biologia Química. cbio.wrodrigues@outlook.com. (19) 9 93067979 BIOQUÍMICA FOTOSSÍNTESE E RESPIRAÇÃO CELULAR Resumo final FOTOSSÍNTESE Fotossíntese é, de maneira resumida, um conjunto de fenômenos bioquímicos no qual os seres vivos participantes, os autótrofos (aqueles que produzem seu próprio alimento) produzem seus compostos energéticos, sendo o mais comum entre estes compostos a glicose. Participam deste processo as plantas (reino Plantae), as algas (reino Protoctista) e as cianobactérias (reino Monera). Os substratos (reagentes) da fotossíntese são o gás carbônico, extraído da atmosfera e a água, obtida a partir do solo. Abaixo podemos observar uma representação simplificada da fotossíntese e a equação química básica. Lembrando que na representação simplificada, seis moléculas de H2O foram omitidas. Fonte: <http://tanya-biologia.blogspot.com.br/2012/08/metabolismo-celular-respiracao-e.html>. Acesso em: 21 mar. 2016. 20h 23min.
FASES DA FOTOSSÍNTESE: Fase Clara ou Fotoquímica 1. Assimilação da luz solar pela planta. A luz atinge as células vegetais e chega às organelas cloroplastos. Nos cloroplastos, a energia luminosa atinge uma região chamada complexo antena do fotossistema II, onde é direcionada ao centro de reação. Representação de uma organela cloroplasto, responsável pela fotossíntese. A clorofila se encontra na membrana tilacóide. Fonte: < http://www.sobiologia.com.br/conteudos/bioquimica/bioquimica10.php>. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 13min. 2. No centro de reação, a energia luminosa atinge a substância clorofila, que dá às células a coloração esverdeada (Khloros" ou χλωρός significa verde claro). No centro da molécula de clorofila, o elemento magnésio (Mg) é excitado (carregado), liberando dois elétrons. *Vale lembrar que a clorofila aproveita todas as cores do espectro luminoso exceto o verde, do qual ele devolve ao meio.
Representação molecular e esquemática de uma molécula de clorofila. Note o elemento magnésio (Mg) no centro da molécula, onde se dá a excitação dos elétrons. Fonte: < http://mundoeducacao.bol.uol.com.br/biologia/tipos-clorofila.htm>. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 19min. 3. Os dois elétrons excitados passam por um conjunto de enzimas (grandes moléculas que realizam reações bioquímicas) onde a energia é retirada dos elétrons aos poucos e utilizados para produzir a substância ATP- adenosina trifosfato a partir do ADP adenosina difosfato e Pi fosfato inorgânico. Os dois elétrons agora descarregados recuperam o magnésio da clorofila do fotossistema I. Esquema estrutural da adenosina trifosfato (esquerda) e tridimensional da adenosina trifosfato- ATP (direita, acima) e da adenosina difosfato - ADP e do fosfato inorgânico Pi (direita, abaixo). Fonte: < http://www.seara.ufc.br/donafifi/mitocondrias/mitocondrias04.htm>. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 07min.
4. No fotossistema I, o mesmo processo ocorre: a energia luminosa faz com que dois elétrons sejam excitados e lançados às enzimas, onde a energia é aproveitada agora para formar uma substância denominada NADPH nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato-reduzido a partir do NADP + - nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato-oxidase e H + - íon de hidrogênio. Representação simplificada da fotossíntese, evidenciando a produção de NADPH. Fonte< http://salabioquimica.blogspot.com.br/2014_06_01_archive.html>. Editado. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 41min. 5. Observe que os elétrons perdidos do fotossistema I são recuperados pelos elétrons do fotossistema II. Porém, há a necessidade de recuperação também do fotossistema II, para que o processo da fotossíntese não estacione. Para isso, é utilizada a água, em um processo chamado fotohidrólise. Neste, a molécula da água é quebrada, liberando 2 íons H + e ½ O2. A partir desta quebra e liberação de elétrons (2 elétrons), o fotossistema II é recuperado. Equação química da fotólise da água. Nela, a água é o substrato (reagentes) e dois íons de hidrogênio, meia molécula de gás oxigênio e dois elétrons são os produtos. Fonte: < http://pedropimpaocn.blogspot.com.br/2013/06/fotossintese-e-quimiossintese.html>. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 32min. Em resumo, podemos dizer que a função da Fase Clara ou Fotoquímica é a de aproveitar a luz solar na produção das moléculas ATP e NADPH*, que serão utilizadas em seguida no processo seguinte. *NADPH é tido como uma molécula aceptora de elétrons.
Temos então o esquema simplificado da primeira fase da fotossíntese: Esquema simplificado da fase fotoquímica da fotossíntese. Fonte: < http://www.sobiologia.com.br/conteudos/bioquimica/bioquimica15.php>. Acesso em: 21 mar. 2016. 21h 55min. Fase Escura ou Ciclo de Calvin-Benson Fixação do carbono 6. O gás dióxido de carbono é capturado por uma molécula denominada RuBP ribulose 1,5- bifosfato, formando 3-fosfoglicerato (também conhecido como ácido fosfoglicérico) *A enzima que participa desta fase é chamada RuBisCO ribulose 1,5-bifosfato carboxilaseoxigenase, a enzima mais comum do mundo. Redução do carbono 7. Um conjunto de reações adiciona energia às moléculas recém-formadas. Esta energia deriva dos ATPs e NAPDHs formados na fase fotoquímica. Recuperação da RuBP 8. Nesta fase, a molécula RuBP é recuperada, para que novamente possa capturar uma molécula de dióxido de carbono e continuar o ciclo. 9. Este conjunto de processos ocorre seis vezes (seis voltas), onde a cada volta um carbono é adicionado. Ao final, forma-se a molécula da glicose, esta que possui seis carbonos
Temos então o esquema simplificado da segunda fase da fotossíntese: Esquema simplificado do Ciclo de Calvin-Benson da fotossíntese. Fonte: < http://www.prof2000.pt/users/geologia/testes/calvin.jpg>. Acesso em: 21 mar. 2016. 22h 12min. http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/fi siologia_celular/imagenes/ciclo_de_calvin_bort.gif Link de acesso para esquema simplificado animado do Ciclo de Calvin-Benson da fotossíntese. Fonte: < http://recursos.cnice.mec.es/biosfera/alumno/2bachillerato/fisiologia_celular/contenidos10.htm>. Acesso em: 21 mar. 2016. 22h 15min. Em resumo, podemos dizer que a fase escura da fotossíntese tem como função assimilar os carbonos provenientes do gás dióxido de carbono, fixa-los por meio do uso da energia armazenada nas moléculas ATP e NADPH (lembrando que estas moléculas foram formadas na fase fotoquímica) e formar, após seis voltas e seis carbonos assimilados a molécula da glicose.
Temos então o esquema simplificado final da fotossíntese: Esquema simplificado das fases clara (fotoquímica) e escura (Ciclo de Calvin-Benson). Fonte: < http://vestibular.uol.com.br/ultnot/resumos/fotossintese-e-fermentacao.jhtm>. Acesso em: 21 mar. 2016. 22h 20min. RESPIRAÇÃO CELULAR Respiração celular ou respiração aeróbia é o nome dado ao conjunto de fenômenos que ocorrem na grande maioria dos seres vivos do planeta. Este processo pode ser encarado como o inverso da fotossíntese, pois na anterior, os compostos energéticos são produzidos, enquanto que na respiração celular eles são oxidados ou quebrados para que haja a liberação da energia armazenada nestes compostos. Para cada molécula de glicose utilizada temos um saldo de 38 ATPs sintetizados. A organela responsável por este processo é a mitocôndria. A respiração celular é dividida em três fases, como descritas a seguir: Glicólise 1. *o número e letra C indicados dentro dos parênteses servirão para indicar o número de carbonos presentes nas substâncias) 2. A glicose (6C) presente no interior da célula recebe um fosfato e se torna glicose 6-fosfato (6C); 3. A glicose 6-fosfato (6C) é isomerizada (transformada em uma molécula semelhante) em frutose 6-fosfato (6C);
4. A frutose 6-fosfato (6C) recebe mais um fosfato e se torna frutose 1,6-fosfato (6C); 5. A frutose 1,6-fosfato (6C) é quebrada, formando duas moléculas: gliceraldeído 3 -fosfato (3C) e diidroxiacetona fosfatada (3C); 6. A diidroxiacetona fosfatada (3C) é isomerizada em outra molécula de gliceraldeído 3-fosfato (3C), sendo que o saldo após essa reação é de 2 gliceraldeído 3-fosfato (3C); 7. As duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato (3C) passam por uma série de reações (1,3- bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvado), formando duas moléculas de fosfoenolpiruvado (3C); 8. Cada uma das duas moléculas de fosfoenolpiruvado (3C) é transformada em piruvato (3C). Podemos dizer de forma resumida que a função da glicólise é a de transformar cada molécula de glicose (6C) em duas moléculas de piruvato (3C). Neste processo, também são formadas as primeiras duas moléculas de ATP das 38 totais. Também são formadas duas moléculas de NADH. Esquema simplificado da glicólise, evidenciando a quantidade de carbono em cada molécula (esferas). Fonte: <http://bioquimica.faculdade.zip.net/>. Acesso em: 22 mar. 2016. 01h 10min.
Mapa metabólico da glicólise, evidenciando cada reação e cada enzima participante. Fonte: <http://slideplayer.com.br/slide/4267000/>. Acesso em: 22 mar. 2016. 01h 12min.
Ciclo de Krebs Para esta fase, consideraremos apenas um dos piruvato formados a partir da glicose. 1. Em primeiro lugar, o piruvato (3C) que se formou na glicólise no citoplasma adentra a mitocôndria, onde perde um carbono na forma de dióxido de carbono (1C), formando acetil (2C). Logo em seguida o Acetil se une à uma coenzima denominada CoA, formando acetil-coa (3C); Formação do acetil-coa a partir do piruvato e liberação do dióxido de carbono Fonte: < http://imagem.casadasciencias.org/online/39116005/respirao_aerbia.html>. Acesso em: 22 mar. 2016. 01h 25min. 2. O acetil-coa (3C) se une ao Oxaloacetato (4C), formando citrato (6C). Tem início o ciclo de Krebs; 3. O citrato (6C) passa por uma série de reações químicas (cis-aconitato (6C) D- isocitrato α-cetoglutarato (5C) succinil-coa (4C) succinato (4C) fumarato (4C) malato (4C) Oxaloacetato (4C)) regenerando ao final o oxaloacetato. Neste percurso, são perdidos dois carbonos na forma de dióxido de carbono (1C) e são formados três NADH e um FADH2. Em resumo, podemos dizer que a função do ciclo de Krebs é quebrar as ligações entre as moléculas do piruvato, liberando dióxido de carbono e formando as moléculas NADH e FADH2.
Esquema simplificado do ciclo de Krebs, evidenciando as moléculas envolvidas Fonte: < http://www.minutobiomedicina.com.br/postagens/2014/04/03/ciclo-do-acido-citrico-ou-de-krebs/>. Acesso em: 22 mar. 2016. 01h 37min. https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/ciclo_de_kre bs.svg Link para acesso ao mapa metabólico do ciclo de Krebs Fonte: <https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7f/ciclo_de_krebs.svg>. Acesso em: 22 mar. 2016. 01h 39min. Cadeia Transportadora de Elétrons 1. As moléculas NADH e FADH2 que se encontram na matriz mitocondrial liberam seus íons H + diretamente no espaço intermembrana. Dessa forma o espaço intermembrana se torna hipertônico em relação à matriz mitocondrial. Os elétrons presentes no NADH e FADH2 são transferidos para outras substâncias chamadas proteínas transportadoras de elétrons.
Representação de uma organela mitocôndria, evidenciando a membrana interna e a membrana externa. A matriz se localiza dentro da membrana interna e o espaço intermembrana entre a membrana interna e a membrana externa. Fonte: < http://endocreate.blogspot.com.br/2014/06/fluidos-circulantes-fluidoscirculantes_13.html>. Acesso em: 22 mar. 2016. 02h 12min. 2. Havendo a tendência natural do H + querer retornar à matriz mitocondrial para estabelecer a isotonia entre os dois meios a passagem desta partícula se dá por uma enzima denominada ATP-sintase. Ao passar por essa enzima, o íon H + auxilia a enzima a formar ATP a partir de ADP + Pi; 3. O íon H + que retornou à matriz mitocondrial reage com o gás oxigênio formando água (4H + + ½ O2 H2O). Podemos dizer de forma resumida que a função da cadeia transportadora de elétrons é aproveitar as substâncias NADH e FADH2 produzidas no ciclo de Krebs para liberar íons H + no espaço intermembrana, tornando-o hipertônico em relação à matriz mitocondrial. Isso forçaria o retorno dos íons, o que se daria por intermédio de uma enzima denominada ATPsintase, que utilizaria esse movimento de retorno dos íons para impulsionar a síntese de moléculas de ATP, as moléculas energéticas essenciais aos seres vivos.
Representação esquemática da cadeia transportadora de elétrons e das enzimas envolvidas Fonte: < http://diariodenutris.blogspot.com.br/2014/04/metabolismo-dos-carboidratos.html>. Acesso em: 22 mar. 2016. 02h 07min. Ressumo final dos fenômenos da fotossíntese e da respiração celular, evidenciando as organelas participantes, as substancias reagentes e produtos e a energia absorvida e liberada. Fonte: < http://biologiadaweb.blogspot.com.br/2013/07/respiracao-celular-vs-fotossintese.html>. Acesso em: 22 mar. 2016. 02h 19min.