Bioenergética

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Bioenergética
PARTE 1 –ENERGIA, CATÁLISE E BIOSSÍNTESE
A maioria das reações químicas que as células executam ocorreria normalmente apenas em temperaturas muito
maiores do que as que existem no interior das células. Em razão disso, cada reação requer um acelerador específico
das reatividades químicas para permitir que ocorram rapidamente no interior das células. Essa aceleração é dada por
proteínas especializadas, denominadas enzimas, sendo que cada uma delas acelera, ou catalisa, apenas um dos
inúmeros tipos possíveis de reações que uma determinada molécula pode realizar. Reações catalisadas por enzimas
geralmente são conectadas em série de modo que o produto de uma reação se torna o material de partida da reação
seguinte.
Duas tendências de reações opostas ocorrem nas
células: as vias catabólicas e as vias anabólicas. As
vias catabólicas (catabolismo) degradam os
alimentos em moléculas menores, gerando tanto uma
forma de energia utilizável pela célula como também
as pequenas moléculas de que as células necessitam
como unidades de construção de outras moléculas. As
vias anabólicas (anabolismo) usam acopladamente a
energia do catobolismo como força motriz para a
síntese das diversas moléculas que formam as células.
O conjunto desses dois grupos de reações constitui o
metabolismo celular.
USO DE ENERGIA PELAS CÉLULAS
A ordem biológica se torna possível pela liberação de energia cinética pelas células
O movimento na direção da desordem é um processo espontâneo, e é necessário um esforço periódico para
revertê lo.
A medida do estado de desordem de um sistema é denominada entropia do sistema, sendo que quanto maior a
desordem, maior a entropia. As células vivas, por sobreviverem, crescerem e formarem organismos complexos,
estão continuamente gerando ordem como se desafiassem a segunda lei da termodinâmica. Entretanto, esse não é
o caso, porque as células não são sistemas isolados. Elas tomam energia dos seus ambientes na forma de
alimento, moléculas inorgânicas e fótons do sol e usam essa energia para gerar ordem para elas mesmas,
forjando novas ligações químicas ou construindo grandes macromoléculas. No curso das reações químicas que
geram ordem, parte da energia que as células usam é convertida em calor. O calor (ou energia cinética) é energia
na sua forma mais desordenada: a colisão aleatória das moléculas. Em virtude do fato de que as células não são
sistemas isolados, a energia cinética que as reações geram é dispersa rapidamente pelos arredores das células,
aumentando a intensidade do movimento cinético das moléculas que ali se encontram, elevando assim a
entropia, ou desordem, do ambiente.
A quantidade de calor liberada pelas células deve ser grande o suficiente para que a ordem gerada dentro das
células seja mais do que compensada pela grande diminuição da ordem do ambiente. As células não podem tirar
qualquer benefício da energia cinética que elas produzem a menos que as reações que geram calor no interior das
células estejam ligadas diretamente aos processos que dão origem à ordem molecular.
Os organismos fotossintéticos utilizam a luz solar para sintetizar moléculas orgânicas
A vida de todos os animais se baseia na energia armazenada nas ligações químicas de moléculas orgânicas feitas
por outros organismos, que são aproveitadas na forma de alimento. As moléculas dos alimentos também
fornecem os átomos de que os animais necessitam para fazerem nova matéria viva. Alguns animais obtêm o
alimento comendo outros animais. A energia que os animais obtêm ao se alimentarem de plantas vêm
originalmente do sol.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A energia solar é incorporada no mundo dos seres vivos pela fotossíntese – processo que, nas células, converte a
energia eletromagnética da luz do sol em energia de ligação química. Os organismos fotossintéticos, que incluem
plantas, algas e algumas bactérias, são capazes de obter de fontes inorgânicas todos os átomos de que necessitam.
As plantas, por exemplo, usam o carbono do dióxido de carbono da atmosfera, o hidrogênio e o oxigênio da água,
o nitrogênio da amônia e de nitratos do solo, e os demais elementos, de que precisam em pequenas quantidades,
de sais inorgânicos do solo. Elas usam a energia derivada da luz solar para formar as ligações químicas entre
esses átomos, ligando-os em unidades químicas pequenas, como os açúcares, os aminoácidos, os nucelotídeos e
os ácidos graxos. Essas moléculas pequenas, por sua vez, são convertidas nas proteínas e nos ácidos nucleicos,
polissacarídeos e lipídeos que formam as plantas. Todas essas substâncias servem de nutrientes para animais,
fungos e bactérias não fotossintéticas que depois se alimentarão de plantas.
As reações da fotossíntese ocorrem em dois estágios: um que depende da energia do sol e outro que não depende.
No primeiro estágio, que depende de luz, a energia da luz solar é capturada e armazenada transitoriamente como
energia de ligação química em pequenas moléculas especializadas que agem como carreadores de energia nos
seus grupos químicos reativos. O oxigênio molecular (gás O2) proveniente da quebra da água é liberado como
produto secundário desse primeiro estágio. No segundo estágio, as moléculas que servem como carreadoras de
energia são usadas para ajudar na realização do processo de fixação de carbono, no qual os açúcares são
produzidos a partir do gás dióxido de carbono (CO2) e de água (H2O). Por produzirem açúcar, essas reações,
que são independentes da luz, geram uma fonte essencial de energia armazenada em ligações químicas e de
materiais, tanto para a própria planta como também para os animais que venham a comê-la.
O resultado líquido dos dois estágios da fotossíntese, no que se refere às plantas verdes, pode ser resumido
simplesmente na equação
energia luminosa + CO2 + H2O → açúcares + O2 + energia cinética
Os açúcares produzidos são então utilizados como fonte de energia de ligação química e como fonte de materiais
para a produção das várias outras moléculas orgânicas, pequenas e grandes, que são essenciais para a célula
vegetal.
As células obtêm energia pela oxidação de moléculas orgânicas
Todas as células animais e vegetais são mantidas pela energia armazenada nas ligações químicas de moléculas
orgânicas, independentemente de serem açúcares sintetizados pela fotossíntese das plantas para nutrirem a si
mesmas ou se forem da mistura de moléculas, grandes ou pequenas, comidas pelos animais. Para que essa
energia seja usada para viverem, crescerem e se reproduzirem, os organismos devem extraí-la de uma forma
utilizável. Tanto nas plantas como nos animais, a energia é retirada das moléculas dos alimentos por um
processo de oxidação gradual ou queima controlada.
A atmosfera terrestre é formada por 21% de oxigênio, e na presença de oxigênio a forma energicamente mais
estável do carbono é o CO2, e a do hidrogênio é a H2O. Uma célula, portanto, é capaz de obter energia a partir
dos açúcares ou de outras moléculas orgânicas porque possibilita que os átomos de carbono e de hidrogênio
dessas moléculas se combinem com o oxigênio – isto é, tornem-se oxidadas –, produzindo CO2 e H2O,
respectivamente, processo este conhecido como respiração celular. A fotossíntese e a respiração são processos
complementares. Isso significa que as interações entre plantas e animais não têm uma única direção. As plantas,
os animais e os microrganismos convivem neste planeta já por tanto tempo que muitos deles se tornaram parte
essencial do ambiente do outro. O oxigênio liberado pela fotossíntese é consumido na combustão de moléculas
orgânicas por praticamente todos os organismos. Parte das moléculas de CO2 que hoje é fixada nas moléculas
orgânicas em uma folha verde por meio da fotossíntese, ontem pode ter sido liberada na atmosfera pela
respiração de um animal ou por um fungo ou bactéria que estivesse decompondo matéria orgânica morta, ou
mesmo pela respiração da própria
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
planta. Dessa forma, vê-se que a utilização do carbono forma um ciclo enorme queenvolve a biosfera (todos os
seres vivos da Terra) como um todo, transpondo as fronteiras entre os indivíduos.
A oxidação e a redução envolvem transferência de elétrons
O termo oxidação significa adição de átomos de oxigênio a uma molécula. De uma maneira mais geral,
entretanto, diz-se que ocorre oxidação em qualquer reação na qual há transferência de elétrons de um átomo a
outro. Oxidação, nesse sentido, refere-se à remoção de elétrons. A reação oposta, denominada redução, envolve
a adição de elétrons. Assim, o Fe2+ é oxidado quando perde um elétron (tornando-se Fe3+), e o átomo de cloro é
reduzido se ganhar um elétron, tornando-se Cl–. Uma vez que, em uma reação química o número de elétrons é
conservado (sem perda ou ganho líquido), oxidação e redução sempre ocorrem simultaneamente, isto é, se uma
molécula ganha um elétron na reação (redução), uma segunda molécula deverá perder um elétron (oxidação).
MOLÉCULAS CARREADORAS ATIVADAS E BIOSSÍNTESE
A energia liberada pela oxidação das moléculas dos alimentos deve ser armazenada temporariamente antes de ser
canalizada para a construção tanto de moléculas orgânicas pequenas quanto dos grandes complexos moleculares
necessários para as células. Em muitos casos, a energia é armazenada como energia química em um pequeno
conjunto de “moléculas carreadoras”, que contém uma ou mais ligações covalentes ricas em energia. Essas
moléculas se difundem ligeiramente através das células e assim carregam suas ligações ricas em energia do lugar
onde são geradas para os locais onde a energia é usada para a biossíntese e para outras atividades necessárias
para as células.
Carreadores ativados armazenam energia em uma forma facilmente permutável, tanto na forma de grupos
químicos prontamente transferíveis como na forma de elétrons de alta energia, tendo assim um papel duplo tanto
para grupos de energia como grupos químicos para as reações fotossintéticas. A mais importante dessas
moléculas carreadoras ativadas é o ATP e duas moléculas intimamente relacionadas entre si, NADH e NADPH.
As células usam moléculas carreadoras ativadas da mesma forma que dinheiro para pagarem por reações que do
contrário não ocorreriam.
A formação de carreadores ativados é acoplada a reações energeticamente favoráveis
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
Quando uma molécula de combustível como a glicose é oxidada nas células, reações catalisadas por enzimas
asseguram que uma grande parte da energia livre que é liberada pela oxidação seja capturada de uma forma
quimicamente útil, em vez de ser liberada inutilmente como calor. Nos sistemas vivos, essa captura de energia é
alcançada por meio de reações acopladas, nas quais uma reação energeticamente favorável é usada para fazer
com que ocorra uma reação energeticamente desfavorável que produza uma molécula de carreador ativado ou
alguma outra molécula útil. Os mecanismos de acoplamento necessitam de enzimas, que são fundamentais para
todas as transações de energia das células.
O ATP é a molécula carreadora ativada mais amplamente usada
O mais importante e versátil dos carreadores ativados das células é o ATP (5’-trifosfato de adenosina). O ATP
funciona como um depósito de energia conveniente e versátil, uma forma de moeda corrente, para possibilitar
que uma grande variedade de reações químicas possa ocorrer nas células. O ATP é sintetizado em uma reação de
fosforilação altamente desfavorável, na qual um grupo fosfato é adicionado ao ADP (5’-difosfato de adenosina).
Quando necessário, o ATP doa essa porção de energia por meio de sua hidrólise, muito favorável energicamente,
formando ADP e fosfato inorgânico (P). O ADP assim regenerado fica então disponível para ser utilizado em um
novo ciclo da reação de fosforilação que forma ATP, criando um ciclo do ATP dentro das células.
A reação energeticamente favorável da hidrólise do ATP é acoplada a muitas outras reações que, sem esse
acoplamento, seriam desfavoráveis por meio das quais são sintetizadas outras moléculas. Muitas das reações de
hidrólise envolvem a transferência do fosfato terminal do ATP para alguma outra molécula. Qualquer reação que
envolva a transferência de grupos fosfato para outra molécula é denominada reação de fosforilação.
A energia armazenada no ATP é geralmente atrelada à junção de duas moléculas
Um tipo de reação em geral necessária para as biossínteses é aquela em que duas moléculas, A e B, são ligadas
para produzir A-B em uma reação de condensação altamente desfavorável:
A-H + B-OH → A-B + H2O
A hidrólise do ATP pode ser acoplada diretamente a essa reação para fazer com que ela ocorra. Isto é, a energia
da hidrólise do ATP é primeiramente usada para converter B-OH em um composto intermediário de alta energia
que então reage diretamente com A-H, dando A-B. O mecanismo mais simples envolve a transferência de um
fosfato do ATP para B-OH, produzindo B-O-PO3. Nesse caso, a via conterá apenas duas etapas:
1. B-OH + ATP → B-O-PO3 + ADP
2. A-H + B-O-PO3 → A-B + Pi
Resultado líquido: B-OH + ATP + A-H → A-B + ADP + Pi
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A reação de condensação, que por si mesma é energeticamente desfavorável, é forçada a ocorrer porque ela está
diretamente acoplada à hidrólise do ATP em uma via de reações catalisadas por enzimas. Uma reação
biossintética desse tipo é usada para sintetizar o aminoácido Glutamina.
NADH e NADPH são importantes carreadoras de elétrons
Outras moléculas carreadoras ativadas importantes participam em reações de oxirredução e, em geral, também
são parte de reações acopladas nas células. Esses carreadores ativados são especializados no transporte de
elétrons de alta energia e átomos de hidrogênio. Os mais importantes desses carreadores de elétrons são a NAD+
(nicotinamida adenina dinucleotídeo) e a molécula intimamente relacionada NADP+ (nicotinamida adenina
dinucleotídeo fosfato).
Tanto a NAD+ como a NADP+ carregam um “pacote de energia’’, correspondendo a dois elétrons de alta energia
e um (H+) e são convertidos em NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzida) e em NADPH
(nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato reduzida), respectivamente. Por isso, essas moléculas podem ser
vistas como carreadoras de íons hidreto (o H+ mais dois elétrons, ou H–).
Assim como o ATP, a NADH é um carreador ativado que participa de muitas reações biossintéticas importantes e
que, se não fosse assim, seriam energeticamente desfavoráveis. A NADPH é produzida em uma série especial de
reações catabólicas que produzem energia, um átomo de hidrogênio e dois elétrons são removidos da molécula
de substrato e adicionados ao anel nicotínico da NADP+ para formar NADPH. Essa é uma reação de
oxirredução típica; o substrato é oxidado, e a NADP+ é reduzida.
O íon hidreto carregado pela NADPH é prontamente doado pela reação de oxirredução subsequente, pois sem
íon hidreto o anel fica com um arranjo d elétrons mais estável. Nessas reações subsequentes, que regeneram o
NADP+, a NADPH se torna oxidada, e o substrato fica reduzido, completando assim o ciclo da NADPH. A
NADPH é um doador eficiente de íon hidreto para outras moléculas pela mesma razão pela qual a ATP transfere
fosfatos com facilidade. Em ambos os casos, a transferência é acompanhada por uma grande variação negativa
na energia livre.
Essa diferença de apenas um grupo fosfato não tem efeito nas propriedades de transferência de elétrons da
NADPH em relação à NADH, mas é crucial na determinação de funções específicas. O grupo fosfato extra da
NADPH se localiza longe da região envolvida na transferência de elétrons. Ele, entretanto, deixa a molécula de
NADPH com uma forma um pouco diferente da forma da NADH, de modo que a NADPH e a NADH se ligam
como substratos a grupos de enzimas diferentes. Assim, os dois tipos de carreadores são usados para transferir
elétrons (ou íons hidreto) para destinos diferentes.
Por que existe essa divisão de trabalho? A resposta se baseia na necessidade da regulação independente de dois
conjuntos de reações de transferência de elétrons. A NADPH funcionaprincipalmente com enzimas que
catalisam reações anabólicas, provendo os elétrons de alta energia que são necessários para a síntese de
moléculas biológicas ricas em energia. A NADH, ao contrário, tem um papel específico como intermediário no
sistema de reações catabólicas que geram ATP pela oxidação das moléculas dos alimentos. A geração de NADH
a partir da NAD+ e a da NADPH a partir da NADP+ se dá por vias diferentes que são reguladas
independentemente, de maneira que a célula pode ajustar o suprimento de elétrons para essas duas finalidades
antagônicas de maneira independente. No interior das células, a proporção entre NAD+ e NADH é mantida alta,
e a relação entre NADP+ e NADPH é mantida baixa. Isso mantém uma enorme disponibilidade da NAD+ para
funcionar como agente oxidante, e NADPH em abundância para agir como agente redutor, como é exigido pelas
suas funções específicas no catabolismo e no anabolismo, respectivamente.
As células utilizam muitas outras moléculas carreadoras ativadas
Outros carreadores ativados também recolhem e carregam grupos químicos por meio da transferência de ligações
de alta energia que ocorrem com facilidade. Por exemplo, a FADH2, assim como a NADH e NADPH, também
carreiam hidrogênio e elétrons de alta energia. A coenzima A, por outro lado, pode carrear um grupo acetila por
meio de uma ligação prontamente transferível. Essa molécula ativada é conhecida como acetil-CoA (acetil
coenzima A). Na biossíntese de moléculas grandes, a acetil-CoA é utilizada para adicionar unidades de dois
carbonos.
PARTE 2 – COMO AS CÉLULAS OBTÊM ENERGIA A PARTIR DOS ALIMENTOS
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
As plantas produzem seus próprios açúcares a partir de CO2 pela fotossíntese. Os animais obtêm açúcares – e
outras moléculas, como o amido, que são facilmente quebradas em açúcares – alimentando-se de outros
organismos. Todavia, o processo pelo qual esses açúcares são oxidados para gerar energia é muito semelhante
tanto em animais como em plantas. Em ambos os casos, as células que formam o organismo obtêm energia útil a
partir da energia das ligações químicas contidas nos açúcares quando a molécula de açúcar é quebrada e oxidada
a dióxido de carbono (CO2) e água (H2O). Essa energia é armazenada na forma de ligações químicas de “alta
energia” – ligações covalentes que liberam grandes quantidades de energia quando hidrolisadas – em moléculas
carreadoras ativadas, como ATP e NADPH. Essas moléculas carreadoras, por sua vez, servem de fontes portáteis
de grupos químicos e elétrons necessários para a biossíntese.
A QUEBRA E A UTILIZAÇÃO DE AÇÚCAR2ES E GORDURAS
Se uma molécula combustível como a glicose fosse oxidada em CO2 e H2O em uma única etapa (como acontece
em sistemas inanimados), ela liberaria uma quantidade de energia muitas vezes maior do que a que qualquer
molécula carreadora poderia capturar. Ao contrário, células vivas utilizam enzimas para conduzir a oxidação dos
açúcares em uma série de reações rigorosamente controladas. A molécula de glicose é degradada passo a passo,
despendendo energia em pequenos pacotes para ativar moléculas carreadoras por meio de reações acopladas.
Dessa forma, grande parte da energia liberada pela oxidação da glicose é preservada, em ligações de alta energia
de ATP e outras moléculas carreadoras ativadas, e disponibilizada para exercer trabalho útil para a célula.
As células animais produzem ATP de duas maneiras. Primeiro, certas etapas em uma série de reações catalisadas
por enzimas são diretamente acopladas à reação energeticamente desfavorável ADP + Pi → ATP. A oxidação de
moléculas de alimento fornece energia que permite que essa reação desfavorável ocorra. Entretanto, a maior parte
da síntese de ATP ocorre na mitocôndria e utiliza a energia de moléculas carreadoras ativadas para conduzir a
produção de ATP.
As moléculas de alimento são quebradas em três estágios
As proteínas, os lipídeos e os polissacarídeos que compõem a maior parte de alimento que consumimos devem
ser antes quebrados em moléculas menores para que nossas células possam utilizá-los – tanto como fonte de
energia quanto como subunidades estruturais para outras moléculas. O processo de quebra – que utiliza enzimas
para degradar moléculas complexas em moléculas mais simples – é chamado de catabolismo. O catabolismo
deve agir sobre alimentos vindos do exterior, porém não sobre as macromoléculas do interior de nossas próprias
células. Portanto, o estágio 1 da quebra enzimática de moléculas de alimento – a digestão – ocorre ou no exterior
celular (em nosso intestino) ou em uma organela especializada dentro das células chamada de lisossomo.
As enzimas digestórias reduzem as grandes moléculas poliméricas do alimento em subunidades monoméricas:
proteínas em aminoácidos, polissacarídeos em açúcares e gorduras em ácidos graxos e glicerol. Após a digestão,
as pequenas moléculas orgânicas derivadas do alimento entram no citosol da célula, onde sua oxidação gradual
inicia. Como ilustrado na Figura 13-2, essa oxidação ocorre em dois outros estágios adicionais: o estágio 2 se
inicia no citosol e termina nas mitocôndrias, e o estágio 3 é confinado nas mitocôndrias.
No estágio 2 do catabolismo celular, uma cadeia de reações chamada de glicólise converte cada molécula de
glicose em duas moléculas menores de piruvato. Outros açúcares que não a glicose também podem ser utilizados
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
depois de serem primeiro convertidos a um dos açúcares intermediários dessa via glicolítica. Durante a formação
do piruvato, dois tipos de moléculas carreadoras ativadas são produzidos – ATP e NADH. O piruvato é então
transportado do citosol para o compartimento interno, ou matriz, da mitocôndria. Lá, um complexo enzimático
gigante converte cada molécula de piruvato em CO2 mais acetil-CoA, outra das moléculas carreadoras. Grandes
quantidades de acetil-CoA também são produzidas pela quebra em etapas e pela oxidação de ácidos graxos
derivados das gorduras.
O estágio 3 da quebra oxidativa das moléculas de alimento ocorre inteiramente nas mitocôndrias. O grupo acetila
em acetil-CoA é transferido para uma molécula denominada oxaloacetato para formar citrato, que entra em uma
série de reações chamadas de ciclo do ácido cítrico. O grupo acetila transferido é oxidado a CO2 nessas reações,
e grande quantidade do carreador de elétrons de alta energia NADH é gerada. Finalmente, os elétrons de alta
energia de NADH são passados ao longo de uma série de enzimas dentro da membrana mitocondrial interna
chamada de cadeia transportadora de elétrons, onde a energia liberada pela sua transferência é utilizada para
conduzir o processo que produz ATP e consome oxigênio molecular (gás O2). São nessas etapas finais que a
maior parte da energia liberada pela oxidação é aproveitada para produzir a maior parte de
ATP celular. Por meio da produção de ATP, a energia derivada da quebra de açúcares e gorduras é redistribuída
como pacotes de energia química em uma forma conveniente para utilização na célula. Aproximadamente 109
moléculas de ATP estão em solução em uma célula típica a qualquer instante, e, em muitas células, todo o seu
ATP é renovado (isto é, usado e reposto) a cada 1-2 minutos. Uma pessoa em repouso hidrolisará seu peso em
moléculas de ATP a cada 24 horas. No total, quase a metade da energia que poderia em teoria ser derivada da
oxidação da glicose ou dos ácidos graxos a H2O e CO2 é capturada e utilizada para conduzir a reação
energeticamente desfavorável Pi + ADP → ATP. Em contrapartida, uma máquina moderna de combustão, como
o motor de um carro, não pode converter mais de 20% da energia disponível em seu combustível em trabalho
útil. Nos dois casos, o restante da energia é liberado na forma de calor, o que em animais auxilia a manter os
corpos
quentes.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa
Araújo
A glicólise é uma via central de produção de ATP
O mais importante processo do estágio 2 da quebra de moléculas de alimento é a degradação da glicose na
sequência de reações conhecidascomo glicólise, que produz ATP sem o envolvimento de O2. Ela ocorre no
citosol da maioria das células, incluindo muitos organismos anaeróbios. A glicólise provavelmente evoluiu cedo
na história da vida, antes de os organismos fotossintéticos introduzirem o oxigênio na atmosfera.
Durante a glicólise, uma molécula de glicose, com seis átomos de carbono, é clivada em duas moléculas de
piruvato, cada uma das quais contendo três átomos de carbono. Para cada molécula de glicose, duas moléculas de
ATP são consumidas para prover energia para conduzir as etapas iniciais, porém quatro moléculas de ATP são
produzidas nas etapas finais. Portanto, no final da glicólise, há um ganho líquido de duas moléculas de ATP para
cada molécula de glicose quebrada. A glicólise envolve uma sequência de 10 reações separadas, cada uma
produzindo um açúcar intermediário diferente e cada uma catalisada por uma enzima diferente.
Embora o oxigênio molecular não esteja envolvido na glicólise, a oxidação ocorre: elétrons são removidos de
alguns carbonos derivados da molécula de glicose pela NAD+, produzindo NADH. A natureza gradual do
processo permite que a energia da oxidação seja liberada em pacotes pequenos, de forma que grande quantidade
dela possa ser armazenada em moléculas carreadoras, em vez de ser liberada na forma de calor. Parte da energia
liberada por essa oxidação conduz a síntese de moléculas de ATP a partir de ADP e Pi. A síntese de ATP na
glicólise é conhecida como fosforilação em nível de substrato, pois ocorre pela transferência de um grupo
fosfato diretamente a partir de uma molécula de substrato – um intermediário de açúcar – até ATP. O restante da
energia obtida durante a glicólise é armazenada nos elétrons em NADH.
Duas moléculas de NADH são formadas por molécula de glicose no curso da glicólise. Em organismos aeróbios,
essas moléculas de NADH doam seus elétrons para a cadeia transportadora de elétrons. Os elétrons são passados
ao longo dessa cadeia para o O2, formando água, e a NAD+ formada a partir da NADH é reutilizada na glicólise.
As fermentações possibilitam a produção de ATP na ausência de oxigênio
Para a maioria das células animais e vegetais, a glicólise é apenas um prelúdio para o terceiro e o último estágio
da quebra de moléculas nutritivas, no qual grandes quantidades de ATP são geradas por fosforilação oxidativa na
mitocôndria com o consumo de oxigênio. Entretanto, para vários microrganismos anaeróbios, os quais não
utilizam O2 e podem crescer e dividir-se em sua ausência, a glicólise é a principal fonte de ATP. Isso também se
aplica para certos tecidos animais, como o músculo esquelético, que podem continuar funcionando com baixos
níveis de O2. Nessas condições anaeróbias, o piruvato e a NADH permanecem no citosol. O piruvato é
convertido em produtos que são excretados pela célula: em lactato no músculo, por exemplo, ou em etanol e
CO2 nas leveduras usadas na preparação de bebidas fermentadas e de pães. Nesse processo, a NADH doa seus
elétrons e é convertida novamente em NAD+. Essa regeneração de NAD+ é necessária para manter as reações de
glicólise. Vias anaeróbicas produtoras de energia como essas são chamadas de fermentações.
Muitas Bacteria e Archaea também podem gerar ATP na ausência de oxigênio por respiração anaeróbia, um
processo que utiliza uma molécula diferente de oxigênio como aceptora final de elétrons. A respiração anaeróbia
difere da fermentação, uma vez que envolve uma cadeia transportadora de elétrons embebida na membrana.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
Os açúcares e as gorduras são degradados em acetil-CoA nas mitocôndrias
No metabolismo aeróbio de células eucarióticas, o
piruvato produzido pela glicólise é bombeado
ativamente para dentro da matriz mitocondrial, o
principal compartimento interno dessa organela (ver
Figura 14-12). Lá ele é rapidamente descarboxilado
por um complexo gigante de três enzimas, chamado
de complexo piruvato-desidrogenase. Os produtos
da descarboxilação do piruvato são uma molécula de
CO2 (um produto de refugo), uma molécula de
NADH e acetil-CoA.
Os ácidos graxos, derivados das gorduras, são um combustível alternativo para os açúcares para geração de
energia. Assim como o piruvato derivado da glicólise, os ácidos graxos são convertidos em acetil-CoA na
mitocôndria. Cada molécula longa de ácido graxo (na forma da molécula ativada, acil-CoA graxo) é quebrada
completamente por um ciclo de reações que poda dois carbonos de cada vez de sua extremidade carboxílica,
gerando uma molécula de acetil-CoA em cada volta do ciclo. Uma molécula de NADH e uma molécula de
outro carreador de elétrons, FADH2, também são produzidas nesse processo.
Açúcares e gorduras constituem as principais fontes de energia para a maioria dos organismos não
fotossintetizantes, incluindo humanos. No curso do seu processamento em acetil-CoA, apenas uma pequena
parte da energia útil armazenada nesses alimentos é extraída e convertida em ATP ou NADH. A maior parte da
energia permanece armazenada em acetil-CoA. O próximo estágio na respiração, no qual o grupo acetila da
acetil-CoA
é oxidado a CO2 e H2O no ciclo do ácido cítrico, é, portanto, central para o metabolismo de energia dos
organismos aeróbios. Nos eucariotos, o ciclo do ácido cítrico ocorre nas mitocôndrias, as organelas para as
quais o piruvato e os ácidos graxos são direcionados para a produção de acetil-CoA.
Além do piruvato e ácidos graxos, alguns aminoácidos são transportados do citosol para dentro das
mitocôndrias, onde também são convertidos em acetil-CoA ou um dos intermediários do ciclo do ácido cítrico.
Assim, na célula eucariótica, a mitocôndria é o local central para o qual todos os processos geradores de
energia conduzem, independentemente de iniciarem com açúcares, gorduras ou proteínas. Nas bactérias
aeróbias, que não possuem mitocôndrias, todas essas reações – glicólise, produção de acetil-CoA e ciclo do
ácido cítrico – ocorrem no único compartimento do citosol.
O ciclo do ácido cítrico gera NADH pela oxidação de grupos acetila a CO2
O terceiro e último estágio na quebra oxidativa de moléculas de alimento para gerar energia requer O2 abundante.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
No século XIX, os biólogos perceberam que, na ausência de ar (condições anaeróbias), as células produzem
ácido láctico (no músculo, por exemplo) ou etanol (em leveduras, por exemplo), e, na presença de ar
(condições aeróbias), as células consomem O2 e produzem CO2 e H2O. Os intensos esforços para definir as
vias do metabolismo aeróbio finalmente enfocaram a oxidação do piruvato e levaram, em 1937, à descoberta
do ciclo do ácido cítrico, também conhecido como o ciclo do ácido tricarboxílico ou o ciclo de Krebs. O ciclo
do ácido cítrico é responsável por cerca de dois terços da oxidação total de compostos de carbono na maioria
das células, e seus principais produtos finais são CO2 e elétrons de alta energia na forma de NADH. O CO2 é
liberado como produto de refugo, e os elétrons de alta energia da NADH são passados para uma série de
enzimas ligadas à membrana coletivamente conhecidas como cadeia transportadora de elétrons. No final da
cadeia, esses elétrons se combinam com O2 para produzir H2O. Embora o ciclo do ácido cítrico propriamente
dito não utilize O2, ele requer O2 para proceder, pois a cadeia transportadora de elétrons permite que NADH se
livre dos seus elétrons e, dessa forma, regenere a NAD+ necessária para manter o ciclo em andamento.
O ciclo do ácido cítrico, o qual ocorre dentro da matriz mitocondrial, catalisa a oxidação completa dos átomos
de carbono do grupo acetila em acetil-CoA, convertendo-os em CO2. Contudo, o grupo acetila não é oxidado
diretamente. Ao contrário, ele é transferido da acetil-CoA a uma molécula maior de quatro carbonos,
oxaloacetato, para formar um ácido tricarboxílico de seis carbonos, o ácido cítrico, que dá nome ao ciclo
subsequente de reações. Essa molécula de ácido cítrico é então gradualmente oxidada, e a energia dessa
oxidação é aproveitada para produzirmoléculas carreadoras de alta energia, de uma forma muito semelhante à
que foi descrita para a glicólise. A cadeia de oito reações forma um ciclo, porque o oxaloacetato que inicia o
processo é regenerado no final.
Em adição às três moléculas de NADH, cada volta do ciclo também produz uma molécula de FADH2 (flavina
adenina dinucleotídeo reduzida) a partir de FAD e uma molécula do ribonucleotídeo GTP (trifosfato de
guanosina) a partir de GDP. O GTP é um parente próximo do ATP, e a transferência de seu grupo fosfato
terminal ao ADP produz uma molécula de ATP em cada ciclo. Como a NADH, a FADH2 é uma carreadora de
elétrons de alta energia e de hidrogênio. Como discutimos brevemente, a energia que é armazenada nos elétrons
de alta energia prontamente transferíveis de NADH e FADH2 será subsequentemente utilizada para produzir
ATP pelo processo de fosforilação oxidativa, que ocorre na membrana mitocondrial. A fosforilação oxidativa é
a única etapa no catabolismo oxidativo do alimento que requer diretamente O2 a partir da atmosfera.
Muitas vias biossintéticas são iniciadas com a glicólise ou com o ciclo do ácido cítrico
As reações catabólicas, como as da glicólise e do ciclo do ácido cítrico, produzem tanto energia para a célula
como para os precursores a partir dos quais muitas outras moléculas da célula são construídas. Muitos dos
intermediários formados na glicólise e no ciclo do ácido cítrico são desviados para outras vias biossintéticas, ou
anabólicas, onde são convertidos por uma série de reações catalisadas por enzimas em aminoácidos,
nucleotídeos, lipídeos e outras moléculas orgânicas pequenas de que a célula necessita.
O transporte de elétrons impulsiona a síntese da maior parte do ATP na maioria das células
Retornaremos a última etapa da oxidação de uma molécula de alimento – o estágio no qual a maior porção de
sua energia química é liberada. Nesse processo final, os carreadores de elétrons NADH e FADH2 transferem os
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
elétrons que ganharam ao oxidar outras moléculas para a cadeia transportadora de elétrons. Essa cadeia
especializada de carreadores de elétrons está embebida na membrana mitocondrial interna nas células
eucarióticas (na membrana plasmática de bactérias). Ao passar ao longo dessa série de moléculas aceptoras e
doadoras de elétrons que formam a cadeia, esses caem sucessivamente a estados de energia mais baixos. A
energia liberada nesse processo é utilizada para impulsionar íons H+ (prótons) através da membrana, do
compartimento interno da mitocôndria para o exterior. Isso gera um gradiente transmembrana de íons H+ que
serve como fonte de energia (como uma bateria) que pode ser explorada para conduzir uma variedade de
reações que requerem energia. Na mitocôndria, a mais proeminente dessas reações é a fosforilação de ADP
para gerar ATP.
No final da cadeia de transporte, os elétrons são adicionados a moléculas de O2 que difundiram para dentro das
mitocôndrias; as moléculas de O2 reduzi- das resultantes combinam simultaneamente com prótons (H+) a partir
da solução circundante para produzir água. Nesse momento, os elétrons alcançaram seu nível de energia mais
baixo, e toda a energia disponível foi extraída das moléculas de alimento sendo oxidadas. A geração de ATP que
requer oxigênio é chamada fosforilação oxidativa. A fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias das células
eucarióticas e na membrana plasmática de bactérias aeróbias e é uma das mais extraordinárias realizações da
evolução celular. No total, a oxidação completa de uma molécula de glicose a H2O e CO2 produz em torno de
30 moléculas de ATP. Em contrapartida, apenas duas moléculas de ATP são produzidas por molécula de glicose
pela glicólise sozinha.
Respiração aeróbica: C6H12 O6 + O2� 6CO2 + 6H2O = Geração de 36-38 ATPs
REGULAÇÃO DO METABOLISMO
A regulação da retroalimentação permite que as células troquem de degradação de glicose para
biossíntese de glicose
O corpo necessita de um suprimento constante de glicose para atingir suas necessidades metabólicas. Por
exemplo, as células do cérebro dependem quase que completamente de glicose para a respiração. Durante
períodos de jejum e durante o exercício físico pesado, a glicose na corrente sanguínea é utilizada com mais
velocidade do que é sintetizada a partir do alimento. Uma maneira de repor a glicose do sangue é sintetizá-la a
partir de pequenas moléculas orgânicas, que não são carboidrato, como lactato, piruvato ou aminoácidos em um
processo denominado gliconeogênese. Um padrão confuso de regulação por retroali- mentação permite que as
células troquem de quebra da glicose pela glicólise para síntese de glicose pela gliconeogênese.
Em humanos e outros mamíferos, a gliconeogênese ocorre principalmente nas células hepáticas, que podem
manter a corrente sanguínea suprida de glicose pelo uso de várias moléculas diferentes como ponto de início.
Um depósito comum é o lactato: essa molécula, produzida pelas células musculares sobrecarregadas, é captada
pelo fígado, onde é convertida de volta em glicose para recarregar os músculos esgotados. O equilíbrio entre
glicólise e gliconeogênese deve ser bastante regulado, de modo que a glicose seja quebrada rapidamente
quando as reservas de energia baixarem, mas seja sintetizada e exportada para outros tecidos quando a célula
hepática tiver reservas de energia suficientes na forma de piruvato, citrato ou ATP.
As células armazenam moléculas de alimento em reservatórios especiais para se preparar para períodos
de necessidade
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A gliconeogênese é um processo caro que requer quantidades substanciais de energia a partir da hidrólise de
ATP e GTP. Portanto, não pode ocorrer indefinidamente. Para compensar os longos períodos de ausência de
alimento, os animais estocam reservas de alimento dentro de suas células. A glicose é estocada como
subunidades de um grande polissacarídeo ramificado, glicogênio, o qual está presente como pequenos grânulos
no citoplasma de muitas células, principalmente fígado e músculos.
A síntese e a degradação do glicogênio ocorrem por vias metabólicas bastante separadas, que podem ser
reguladas rápida e coordenadamente de acordo com a necessidade. Quando mais ATP é necessária do que o que
pode ser gerado a partir das moléculas de alimento vindas da corrente sanguínea, as células quebram glicogênio
em uma reação que produz glicose 1-fosfato, que é então convertida em glicose 6-fosfato que entra na via
glicolítica. As vias de síntese e degradação do glicogênio são coordenadas por enzimas em cada via que são
reguladas alostericamente pela glicose 6-fosfato, mas em direções opostas: a glicogênio-sintase na via de
síntese é ativada por glicose 6-fosfato, e a glicogênio-fosforilase que catalisa a quebra do glicogênio é inibida
tanto pela glicose 6-fosfato como pelo ATP. Essa regulação ajuda a prevenir a quebra do glicogênio quando
ATP está abundante e favorece a sua síntese quando a concentração de glicose 6-fosfato está alta. O equilíbrio
entre a síntese e a quebra de glicogênio também é regulado por vias de sinalização intracelular que são
controladas pelos hormônios insulina, adrenalina e glucagon.
Quantitativamente, a gordura é uma forma de armazenagem muito mais importante do que o glicogênio, em
parte porque a oxidação de um grama de gordura libera cerca de duas vezes mais energia do que a oxidação de
um grama de glicogênio. Além disso, o glicogênio se associa a um grande volume de água, produzindo uma
diferença de seis vezes na massa efetiva de glicogênio necessária para estocar a mesma quantidade de energia
que a gordura.
As reservas de alimento tanto em animais como em plantas formam uma parte vital da dieta humana. As plantas
convertem uma parte dos açúcares que produzem pela fotossíntese durante o dia em gorduras e amido, um
polímero ramificado de glicose análogo ao glicogênio dos animais. As gorduras das plantas são triacilgliceróis,
assim como as gorduras nos animais, e diferem apenas nos tipos predominantesde ácidos graxos.
PARTE 3 – A GERAÇÃO DE ENERGIA EM MITOCÔNDRIAS E CLOROPLASTOS
As células mais primitivas devem ter produzido ATP pela degradação de moléculas orgânicas remanescentes de
processos geoquímicos anteriores, uti lizando alguma forma de fermentação. As reações de fermentação
ocorrem no citosol das células atuais. Entretanto, nos primeiros tempos da história da vida, surgiu um método
muito mais eficiente de geração de energia e síntese de ATP. Esse processo se baseia no transporte de elétrons
através de membranas. Esse mecanismo com base em membranas é utilizado pelas células para adquirir energia
a partir de uma variedade de fontes: por exemplo, ele é central na conversão da energia luminosa em energia
química na fotossíntese e para a respiração aeróbia, que nos permite utilizar oxigênio para produzir grandes
quantidades de ATP a partir de moléculas nutrientes.
As células obtêm a maior parte da sua energia a partir de um mecanismo com base em membranas
A principal moeda corrente de energia química nas células é o ATP. Em células eucarióticas, pequenas
quantidades de ATP são geradas durante a glicólise no citosol. O mecanismo pelo qual grande parte de ATP é
produzida na mitocôndria difere da maneira pela qual ela é gerada na glicólise, envolvendo uma membrana: a
fosforilação oxidativa depende do transporte de elétrons no interior da membrana mitocondrial e do transporte
de íons através dela. O mesmo tipo de processo gerador de ATP ocorre na membrana plasmática das bactérias.
O mecanismo para produzir ATP com base na membrana surgiu muito cedo na história da vida e teve um
sucesso tão grande que suas características essenciais têm sido mantidas ao longo da jornada evolutiva desde os
procariotos até as células modernas. Nas bactérias fotossintéticas, nas plantas e nas algas, um processo com
base na membrana produz ATP durante a fotossíntese.
O processo consiste em dois estágios interligados, ambos conduzidos por complexos proteicos embebidos em
uma membrana.
Estágio 1: Elétrons derivados da oxidação de moléculas nutrientes ou de outras fontes são transferidos ao longo
de uma série de carreadores de elétrons – chamados de cadeia transportadora de elétrons – embebidos na
membrana. As transferências de elétrons liberam energia, que é utilizada para bombear prótons (H+), derivados
da água que está onipresente nas células, através da membrana e, portanto, gerando um gradiente eletroquímico
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
de prótons. Um gradiente de íons através de uma membrana é uma forma de estocar energia que pode ser
aproveitada para produzir um trabalho útil quando os íons são permitidos a fluir de volta, novamente através da
membrana, a favor do seu gradiente eletroquímico.
Estágio 2. Os H+ fluem de volta, a favor do gradiente eletroquímico, através de um complexo proteico
chamado de ATP-sintase, o qual catalisa a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). Essa
enzima onipresente funciona como uma turbina, fazendo com que o gradiente de prótons propulsione a
produção de ATP.
A união do transporte de elétrons, do bombeamento de prótons e da síntese de ATP é conhecida como
acoplamento quimiosmótico. O acoplamento quimiosmótico evoluiu primeiro nas bactérias. As células
eucarióticas aeróbias parecem ter adotado o me canismo quimiosmótico bacteriano de forma intacta, primeiro
pelo engolfamento de bactérias aeróbias para formar as mitocôndrias e, de alguma forma mais tarde – nas
linhagens que levaram às algas e às plantas.
AS MITOCÔNDRIAS E A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
É nas mitocôndrias que a maior parte do ATP celular é produzido. Sem elas, os eucariotos atuais seriam
dependentes do processo relativamente ineficiente de glicólise para a produção de todo o seu ATP. Quando a
glicose é convertida em piruvato na glicólise, somente duas moléculas de ATP são produzidas por molécula de
glicose (menos de 10% da energia livre total potencialmente disponível). Em comparação, nas mitocôndrias, o
metabolismo dos açúcares é completado, e a energia liberada é aproveitada tão eficientemente que cerca de 30
moléculas de ATP são produzidas para cada molécula de glicose oxidada.
As mesmas reações metabólicas que ocorrem nas mitocôndrias também ocorrem em bactérias aeróbias, as quais
não possuem essas organelas; nesses organismos, a membrana plasmática conduz o processo de acoplamento
quimiosmótico. Contudo, diferente mente da célula de bactéria, a qual também deve cumprir muitas outras
funções, a mitocôndria se tornou altamente especializada para geração de energia.
Uma mitocôndria possui uma membrana externa, uma membrana interna e dois compartimentos internos
As mitocôndrias contêm seu próprio DNA e RNA, bem como um sistema completo de transcrição e tradução,
incluindo ribossomos, o que as permite sintetizar algumas de suas próprias proteínas. Essas organelas podem
formar longas cadeias móveis em associação com microtúbulos do citoesqueleto. Em outras células, elas
permanecem fixas em um local da célula para direcionar ATP de modo direto a um sítio de consumo
atipicamente alto de ATP. Em uma célula muscular cardíaca, por exemplo, as mitocôndrias estão localizadas
próximas aos aparelhos contráteis, ao passo que, no espermatozoide, elas estão firmemente presas ao redor do
flagelo motor.
Cada mitocôndria é envolta por duas membranas altamente especializadas– uma cobrindo a outra – que
executam uma parte crucial das suas atividades. As membranas mitocondriais externa e interna criam dois
compartimentos mitocondriais: um grande espaço interno chamado de matriz e um espaço inter-membranas
muito mais estreito.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A membrana externa contém muitas moléculas de uma proteína de transporte denominada porina, a qual,
forma largos canais aquosos através da BL. Como resultado, a membrana externa é como uma peneira,
permeável, incluindo pequenas proteínas. Isso torna o espaço intermembranas quimicamente equivalente ao
citosol em relação às pequenas moléculas que contêm. Em contrapartida, a membrana interna, como outras
membranas da célula, é impermeável à passagem de íons e à maioria das pequenas moléculas, exceto onde uma
rota é fornecida por proteínas de transporte de membrana. A matriz mitocondrial, portanto, contém apenas
moléculas que podem ser seletivamente transportadas à matriz através da membrana interna, e o seu conteúdo é
altamente especializado.
A membrana mitocondrial interna é o sítio de transporte de elétrons e bombeamento de prótons e contém a ATP
sintase. A maioria das proteínas embebidas na membrana mitocondrial interna são componentes da cadeia
transportadora de elétrons, necessários para a fosforilação oxidativa. Essa membrana tem uma composição
lipídica distinta e uma variedade de proteínas de transporte que permitem a entrada de moléculas pequenas
selecionadas, como piruvato e ácidos graxos, na matriz.
A membrana interna é normalmente rica em convoluções, formando uma série de invaginações, conhecidas por
cristas, que se projetam para o espaço da matriz para aumentar enormemente a área de superfície da membrana
interna. Esses dobramentos fornecem uma ampla superfície onde pode ocorrer a síntese de ATP.
Elétrons de alta energia são gerados pelo ciclo do ácido cítrico
As mitocôndrias utilizam tanto o piruvato quanto os ácidos graxos como combustíveis. O piruvato provém
principalmente da glicose e de outros açúcares, e os ácidos graxos são provenientes das gorduras. Essas
moléculas combustíveis são transportadas pela membrana mitocondrial interna e então convertidas no crucial
metabólito intermediário acetil-CoA por enzimas localizadas na matriz mitocondrial. Os grupos acetilas do
acetil-CoA são então oxidados na matriz por meio do ciclo do ácido cítrico. O ciclo converte os átomos de
carbono do acetil
CoA em CO2, o qual é liberado pela célula como subproduto. Além disso, o ciclo gera elétrons de alta energia
transportados pelas moléculas carreadoras ativadas NADH e FADH2.
Embora o ciclo do ácido cítrico seja consideradocomo parte do metabolismo aeróbio, ele não utiliza oxigênio
molecular (O2). O oxigênio é diretamente consumido somente no final das reações catabólicas que ocorrem na
membrana mitocondrial interna.
Um processo quimiosmótico converte em ATP a energia de moléculas carreadoras ativadas
Quase toda a energia disponível da queima de carboidratos, gorduras e outros alimentos nos estágios iniciais da
sua oxidação é inicialmente armazenada na forma de moléculas carreadoras ativadas geradas durante a glicólise
e o ciclo do ácido cítrico – NADH e FADH2. Essas moléculas carreadoras doam seus elétrons de alta energia
para a cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial e, portanto, são oxidadas à NAD+ e FAD.
Os elétrons são rapidamente passados ao longo da cadeia até o oxigênio molecular (O2) para formar água
(H2O). A energia liberada durante a passagem dos elétrons ao longo da cadeia transportadora é utilizada para
bombear prótons através da membrana mitocondrial interna. O gradiente de prótons resultante, por sua vez,
promove a síntese de ATP.
Assim, a membrana mitocondrial interna serve como um dispositivo que converte a energia presente nos
elétrons de alta energia da NADH em ligações de fosfato de alta energia do ATP. Esse mecanismo
quimiosmótico de síntese do ATP é chamado de fosforilação oxidativa porque envolve tanto o consumo de O2
quanto a síntese de ATP pela adição de um grupo fosfato ao ADP. Ainda que o acoplamento quimiosmótico
não tenha sido descoberto por muitos anos, a maioria dos organismos vivos usa esse mecanismo para gerar
ATP. A origem dos elétrons que propulsionam o bombeamento difere larga mente entre diferentes organismos e
diferentes processos. Na respiração aeróbia das mitocôndrias e em bactérias aeróbias, os elétrons são derivados
da glicose ou de ácidos graxos. Na fotossíntese, os elétrons necessários são oriundos da ação da luz sobre o
pigmento verde clorofila. Muitas bactérias utilizam substancias inorgânicas, como hidrogênio, ferro e enxofre,
como fonte de elétrons de alta energia necessários para produzir ATP.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A cadeia transportadora de elétrons bombeia prótons através da membrana mitocondrial interna
Os três complexos enzimáticos respiratórios, na ordem em que recebem elétrons, são (1) o complexo NADH
desi drogenase, (2) o complexo do citocromo b-c1 e (3) o complexo citocromo-oxidase. Cada um contém íons
metálicos e outros grupos químicos que formam a rota para a passagem de elétrons através do complexo. Os
complexos respiratórios são os sítios do bombeamento de prótons, e cada um pode ser entendido como uma
máquina proteica que bombeia prótons através da membrana à medida que elétrons são transferidos por meio
dela. O transporte de elétrons inicia quando um íon hidreto (H-) é removido da NADH e convertido em um
próton e dois elétrons de alta energia: H– → H+ + 2e-. Essa reação é catalisada pelo primeiro dos complexos
enzimáticos respiratórios, a NADH-desidrogenase, a qual é aceptora de elétrons da NADH. Os elétrons são
então transferidos ao longo da cadeia para cada um dos outros complexos enzimáticos, utilizando carreadores
de elétrons móveis que transportam os elétrons entre os complexos. A transferência de elétrons através da
cadeia é energeticamente favorável: os elétrons iniciam com uma energia muito alta e perdem-na a cada etapa à
medida que passam ao longo da cadeia, eventualmente entrando na citocromo-oxidase, onde são combinados
com uma molécula de O2 para formar água. Essa é a etapa dependente de oxigênio da respiração celular, e ela
consome quase todo o oxigênio que respiramos.
O bombeamento dos prótons gera um gradiente eletroquímico abrupto de prótons através da membrana
interna da mitocôndria
Sem um mecanismo para aproveitar a energia liberada pela transferência de elétrons, essa energia iria
simplesmente ser dispensada como calor. Entretanto, as células utilizam grande parte da energia de transferência
de elétrons realizando essa transferência no interior de proteínas que são capazes de bombear prótons. Dessa
forma, o fluxo energeticamente favorável dos elétrons, ao longo da cadeia transportadora de elétrons, resulta no
bombeamento de prótons, através da membrana, para fora da matriz mitocondrial e para o interior do espaço
entre as membranas mitocondriais interna e externa.
Primeiro, o bombeamento ativo de prótons gera um gradiente de concentração de H+ – um gradiente de pH –
através da membrana interna da mitocôndria, onde o pH é cerca de 0,5 unidades maior na matriz (em torno do
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pH 7,5) do que no espaço intermembranas (o qual é próximo a 7, o mesmo pH do citosol). Segundo, o
bombeamento de prótons gera um potencial de membrana através da membrana mitocondrial interna, com a sua
face interna (região da matriz) negativa, e a face externa, positiva, como resultado do fluxo de saída de H+.
A força que promove o fluxo passivo de um íon através de uma membrana é proporcional ao gradiente
eletroquímico para o íon através dessa membrana. Esse estado depende da voltagem através da membrana, a
qual é medida como potencial de membrana e como gradiente de concentração do íon. Como os prótons são
positivamente carregados, eles se moverão mais rapidamente através de uma membrana se a membrana possuir
um excesso de carga elétrica negativa no outro lado. No caso da membrana mitocondrial interna, o gradiente de
pH e o potencial de membrana agem juntos para criar um elevado gradiente eletroquímico de prótons, tornando
energeticamente muito favorável o fluxo de H+ de volta para a matriz mitocondrial. Na produção de energia o
potencial de membrana se soma à força que impulsiona o arraste de retorno do H+ através da membrana, a qual
é denominada força próton-motriz. Por essa razão, o potencial de membrana aumenta a quantidade de energia
armazenada no gradiente de prótons.
O gradiente de prótons promove a síntese de ATP
O gradiente eletroquímico de prótons através da membrana mitocondrial interna é utilizado para promover a
síntese de ATP. O dispositivo que torna isto possível é uma grande enzima denominada de ATP-sintase, a qual
também se encontra embebida na membrana mitocondrial interna. A ATP-sintase cria uma via hidrofílica
através da membrana mitocondrial interna que permite aos prótons fluírem de volta através da membrana, a
favor do seu gradiente eletroquímico. À medida que os prótons fazem a sua passagem através da enzima, eles
são utilizados para dirigir a reação energetica mente desfavorável entre ADP e Pi para produzir ATP. A
ATP-sintase é de origem remota; a mesma enzima ocorre nas mitocôndrias de células animais, de cloroplastos
de plantas e algas e na MP de bactérias.
A ATP-sintase é uma grande proteína com várias subunidades. Uma grande porção enzimática, com o formato
semelhante à cabeça de um pirulito, projeta-se para o interior da matriz e realiza a reação de fosforilação. Essa
estrutura enzimática está fixada por meio de uma fina “haste” com várias subunidades a um carreador de
prótons transmembrânico. À medida que os prótons passam através de um estreito canal dentro do carreador
transmembrânico, seu movimento causa uma rotação rápida da haste dentro da cabeça, induzindo a cabeça a
produzir ATP. A sintase age essencialmente como um motor molecular gerador de energia, convertendo a
energia do fluxo de prótons a favor de um gradiente, na energia mecânica de dois conjuntos de proteínas
friccionados um contra o outro – proteínas da haste em rotação empurrando proteínas fixas da cabeça. O
movimento da haste muda a conformação das subunidades dentro da cabeça. Essa deformação mecânica
converte a energia em ligações químicas quando as subunidades produzem o ATP.
A ATP-sintase é um dispositivo de acoplamento reversível. Ela pode tanto aproveitar o fluxo de prótons a favor
do seu gradiente eletroquímico para produzir ATP (sua função normal nas mitocôndrias e nas membranas
plasmáticas de bactérias crescendo aerobicamente) quanto utilizar a energia da hidrólisedo ATP para bombear
prótons pela membrana. Do último modo, a ATP-sintase funciona de forma semelhante à bomba de H+. Em
muitas bactérias que podem crescer tanto em condições aeróbias quanto anaeróbias a direção na qual funciona a
ATP-sintase é rotineiramente revertida quando a bactéria fica sem O2. Nesse ponto, a ATP-sintase utiliza parte
do ATP gerado no interior da célula pela glicólise para bombear prótons para fora da célula, criando um
gradiente de prótons que a célula bacteriana necessita para importar seus nutrientes essenciais po trans porte
acoplado.
O transporte acoplado através da membrana mitocondrial interna é também promovido pelo gradiente
eletroquímico de prótons
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
A síntese de ATP não é o único processo promovido pelo gradiente eletroquímico de prótons. Nas mitocôndrias,
muitas moléculas com carga, como piruvato, ADP e Pi, são bombeadas para a matriz a partir do citosol,
enquanto outras, como ATP, devem ser carreadas na direção oposta. Proteínas carreadoras que se ligam a essas
moléculas podem acoplar o seu transporte ao fluxo energeticamente favorável de H+ para a matriz
mitocondrial. Por exemplo, o piruvato e o fosfato inorgânico (Pi) são cotransportados para dentro junto com
H+ , à medida que esse último se move para a matriz.
Outros transportadores aproveitam a vantagem do fato de que o gradiente eletroquímico de prótons gera um
potencial de ação na membrana, de tal forma que a membrana mitocondrial interna é mais negativamente
carregada do que o espaço intermembrana do outro lado. Uma proteína carreadora antiporte aproveita esse
gradiente de voltagem para expulsar ATP – e importar ADP – da matriz mitocondrial. Como a molécula de ATP
possui uma carga negativa a mais do que o ADP, a permuta desse nucleotídeo resulta no movimento de uma
carga negativa para fora da mitocôndria. Essa troca de nucleotídeos – a qual envia ATP para o citosol – é assim
promovida pela diferença de carga através da membrana mitocondrial interna.
Consequentemente, o gradiente eletroquímico de prótons em células eucarióticas é utilizado tanto para
promover a formação de ATP quanto para transportar certos metabólitos através da membrana mitocondrial
interna. Em bactérias, o gradiente de prótons pela membrana plasmática serve para todas essas funções. No
entanto, nas bactérias, esse gradiente também é uma importante fonte de energia diretamente utilizável: em
bactérias móveis, um fluxo de prótons para o interior da célula promove a rápida rotação do flagelo bacteriano,
o qual propulsiona a bactéria no ambiente.
A fosforilação oxidativa produz a maior parte do ATP celular
A glicólise sozinha produz, como resultado líquido, duas moléculas de ATP para cada molécula de glicose, e a
completa oxidação da glicose – a qual inclui a glicólise e a oxidação – gera cerca de 30 ATPs. Na glicólise, é
óbvio de onde provêm essas moléculas de ATP: duas moléculas de ATP são consumidas nicialmente no
processo, e quatro moléculas de ATP são produzidas próximo ao final. Contudo, para a fosforilação oxidativa, a
conta é menos direta, porque os ATPs não são produzidos diretamente como na glicólise. Ao contrário, eles são
produzidos a partir da energia carreada por NADH e FADH2, as quais são geradas durante a glicólise e durante
o ciclo do ácido cítrico. Essas moléculas carreadoras ativadas doam seus elétrons para a cadeia de transporte de
elétrons que se encontra na membrana mitocondrial interna. O movimento desses elétrons ao longo da cadeia
respiratória abastece a formação do gradiente de prótons, o qual impulsiona a formação de ATP.
A quantidade máxima de ATP que cada molécula carreadora produz depende de vários fatores, incluindo o local
em que os seus elétrons entram na cadeia respiratória. As moléculas de NADH produzidas durante o ciclo do
ácido cítrico, o qual ocorre no interior das mitocôndrias, transferem seus elétrons para a NADH-desidrogenase –
o primeiro complexo enzimático da cadeia respiratória. Então, esses elétrons passam de um complexo
enzimático para o próximo, promovendo o bombeamento de prótons pela membrana mitocondrial interna, em
cada etapa ao
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longo do caminho. Essas moléculas de NADH fornecem energia para a formação final de cerca de 2,5
moléculas de ATP.
Por outro lado, a FADH2 produz um ganho líquido de 1,5 molécula de ATP durante o ciclo do ácido cítrico.
Isso ocorre porque a molécula de FADH2 evita o complexo NADH-desidrogenase, transferindo os seus
elétrons para o carreador móvel ubiquinona. Esses elétrons entram mais abaixo na cadeia respiratória,
promovendo um menor bombeamento de prótons e gerando menos
A oxidação de ácidos graxos também produz grandes quantidades de NADH e FADH2, as quais induzem a
formação de grandes quantidades de ATP por meio da fosforilação oxidativa. Assim, a grande maioria do ATP
produzido em uma célula animal é gerado pelo mecanismo quimiosmótico na membrana mitocondrial.
A rápida conversão de ADP em ATP nas mitocôndrias mantém uma alta razão ATP: ADP nas células
As moléculas de ADP produzidas pela hidrólise do ATP no citosol são rapidamente devolvidas para o interior
das mitocôndrias para serem recarregadas, e as moléculas de ATP são rapidamente bombeadas para o citosol,
onde são necessárias. Uma pequena parte desse ATP é usada pela própria mitocôndria, provendo energia para a
replicação de seu DNA, síntese protei ca e outras reações que consomem energia. No total, uma molécula típica
de ATP do corpo humano é transportada para fora da mitocôndria e retorna a ela (como ADP) para ser
recarregada mais de uma vez por minuto, mantendo a concentração de ATP na célula cerca de 10 vezes mais
alta do que a de ADP. O estoque de ATP é utilizado para promover os processos celulares de forma muito
semelhante a uma bateria que propulsiona aparelhos elétricos. Se a atividade das mitocôndrias fosse impedida,
os níveis de ATP cairiam, e a bateria celular terminaria; algumas vezes, reações energeticamente desfavoráveis
não poderiam mais ocorrer, e a célula morreria. O veneno cianeto, o qual bloqueia o transporte de elétrons na
membrana mitocondrial interna, causa a morte exatamente por esse processo.
OS CLOROPLASTOS E A FOTOSSÍNTESE
Praticamente todos os materiais orgânicos necessários pelas células vivas atuais são produzidos pela
fotossíntese – séries de reações promovidas pela luz que criam moléculas orgânicas a partir do dióxido de
carbono atmosférico (CO2). Plantas, algas e as mais avançadas das bactérias fotossintetizantes, como as
cianobactérias, utilizam elétrons da água e a energia da luz solar para converter CO2 atmosférico em
compostos orgânicos. No curso de quebra da água, elas liberam na atmosfera vastas quanti dades de gás
oxigênio. Esse oxigênio é, por seu turno,
requerido para a respiração celular – não somente em animais, mas também em plantas e muitas bactérias.
Desse modo, a atividade de bactérias fotossintetizantes primitivas, as quais encheram a at mosfera com
oxigênio, permitiram a evolução de formas de vida que usam metabolismo aeróbio para produzir seu ATP.
Nas plantas, a fotossíntese é conduzida em uma organela intracelular especializada – o cloroplasto, que possui
pigmentos, como o pigmento verde clorofila, que capturam a luz. Todas as partes verdes de um vegetal possuem
cloroplastos; mas para a maioria das plantas, as folhas é que são o principal local da fotossíntese. Os
cloroplastos realizam a fotossíntese durante as horas diurnas. O processo produz ATP e NADPH, as quais são
utilizadas para converter CO2 em açúcares dentro dos cloroplastos.
AS ORIGENS DOS CLOROPLASTOS E DAS MITOCÔNDRIAS
Hoje é bastante aceito que os cloroplastos e as mitocôndrias tenham evoluído de bactérias que foram engolfadas
por células eucarióticas ancestrais há mais de um bilhão de anos. Como uma relíquia desse passado
evolucionário, os dois tipos de organelas contêm seus próprios genomas, assim como sua própria maquinaria
biossintética para produzir RNA e as proteínas da organela.O modo como as mitocôndrias e os cloroplastos se
reproduzem – por crescimento e divisão de organelas preexistentes – fornece evidência adicional de sua
descendência bacteriana.
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo
Autor do Resumo: Felipe Barbosa Araújo