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Respiração Celular Apresentação Você se sente, às vezes, desmotivado, sem energia para realizar as tarefas rotineiras? Para viver, é preciso ter muita energia. E não se trata de energia psicoemocional, mas de energia química, necessária para manter as nossas células funcionando. Sem a energia química, não seria possível a sobrevivência. As células obtêm energia por meio da quebra de moléculas orgânicas no processo de respiração celular. A principal molécula usada para a obtenção de energia é a glicose, oxidada por meio de subsequentes processos, sendo que, ao final, são produzidas moléculas de adenosina trifosfato (ATP). Além da respiração celular, alguns organismos podem usar a fermentação para a obtenção de energia. Nesta Unidade de Aprendizagem, você vai estudar os mecanismos e as vias que a célula utiliza para obter a energia necessária para continuar a desempenhar as suas tarefas — por exemplo, de montagem de polímeros, o bombeamento de substâncias através das membranas, o movimento e a reprodução. Bons estudos. Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados: Identificar os mecanismos pelos quais as bactérias obtêm energia para realização de suas funções. • Explicar as três vias-chave da respiração: a glicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. • Contrastar respiração e fermentação.• Infográfico Para obtenção de energia a partir da glicose, as células utilizam dois processos gerais: a respiração e a fermentação. Ambos os processos iniciam com a glicólise, mas seguem vias diferentes posteriormente. O saldo energético de ambos os processos é diferente. Na respiração, é produzido maior número de ATP. No Infográfico a seguir, você vai ter uma visão geral dos dois processos. Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para acessar. https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/df5299f9-e759-4a7f-ab85-1705ed963bd2/dd99e0a1-1a08-4a6b-b563-4092ce59f7f5.png Conteúdo do livro As células obtêm energia a partir de vias metabólicas que liberam energia armazenada nas ligações moleculares de compostos orgânicos com alto potencial energético. Os processos metabólicos (ou catabólicos) que ocorrem na ausência de oxigênio são a fermentação e a respiração anaeróbia. Já a respiração aeróbia ocorre na presença de oxigênio, e a produção de moléculas energéticas (ATP) é maior do que nos dois outros processos. Leia os trechos selecionados do livro Biologia, base teórica desta Unidade de Aprendizagem, para aprofundar os seus conhecimentos sobre a respiração celular. Boa leitura. � � � � � � � � � �� ��� �������� � ����� ���� � �� �� � ��������� �������� � ������� Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à ARTMED® EDITORA S.A. Av. Jerônimo de Ornelas, 670 - Santana 90040-340 Porto Alegre RS Fone (51) 3027-7000 Fax (51) 3027-7070 É proibida a duplicação ou reprodução deste volume, no todo ou em parte, sob quaisquer formas ou por quaisquer meios (eletrônico, mecânico, gravação, fotocópia, distribuição na Web e outros), sem permissão expressa da Editora. SÃO PAULO Av. Embaixador Macedo Soares, 10.735 - Pavilhão 5 - Cond. Espace Center Vila Anastácio 05095-035 São Paulo SP Fone (11) 3665-1100 Fax (11) 3667-1333 SAC 0800 703-3444 IMPRESSO NO BRASIL PRINTED IN BRAZIL Obra originalmente publicada sob o título Biology, 8th Edition ISBN 9780805368444 Authorized translation from the English language edition, entitled BIOLOGY, 8th Edition, by NEIL A. CAMPBELL and JANE B. REECE, published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2008. All rights reserved. No part of this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc. Portuguese language edition published by Artmed Editora, Copyright © 2010. Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa da obra intitulada BIOLOGY, 8ª EDIÇÃO, de autoria de NEIL A. CAMPBELL e JANE B. REECE, publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Benjamin Cummings, Copyright © 2008. Todos os direitos reservados. Este livro não poderá ser reproduzido nem em parte nem na íntegra, nem ter partes ou sua íntegra armazenada em quaisquer meios, seja mecânico ou eletrônico, inclusive fotocópia, sem permissão da Pearson Education, Inc. A edição em língua portuguesa desta obra é publicada por Artmed Editora, Copyright © 2010. Capa: Mário Röhnelt Preparação de originais: Henrique de Oliveira Guerra Leitura final: Magda Regina Chaves Editora Sênior – Biociências: Letícia Bispo de Lima Editora Júnior – Biociências: Carla Casaril Paludo Editoração eletrônica: Techbooks Catalogação na publicação: Renata de Souza Borges CRB-10/1922 C187b Campbell, Neil. Biologia [recurso eletrônico] / Neil Campbell, Jane Reece; tradução Daniel Lorenzini ... [et al.]. – 8. ed. – Dados eletrônicos. – Porto Alegre : Artmed, 2010. Editado também como livro impresso em 2010. ISBN 978-85-363-2351-0 1. Biologia. I. Reece, Jane. II. Título. CDU 573 C O N C E I T O S - C H A V E 9.1 Vias catabólicas produzem energia oxidando combustíveis orgânicos 9.2 Glicólise obtém energia química oxidando glicose a piruvato 9.3 O ciclo do ácido cítrico completa a oxidação que produz energia a partir de moléculas orgânicas 9.4 Durante a fosforilação oxidativa, a quimiosmose acopla o transporte de elétrons com a síntese de ATP 9.5 Fermentação e respiração anaeróbia capacitam as células a produzir ATP sem o uso de oxigênio 9.6 A glicólise e o ciclo do ácido cítrico conectam-se a diversas outras vias metabólicas V I S à O G E R A L Vida é trabalho Células vivas requerem transfusão de energia a partir de fontes ex- ternas para realizarem suas diversas tarefas – por exemplo, monta- gem de polímeros, bombeamento de substâncias através de mem- branas, movimento e reprodução. O panda gigante na Figura 9.1 obtém energia para suas células se alimentando de plantas; alguns animais alimentam-se de outros organismos que se alimentam de plantas. A energia armazenada nas moléculas orgânicas dos ali- mentos vem em última análise do sol. A energia flui para dentro de um ecossistema em forma de luz solar e sai como calor (Figura 9.2). Em contraste, os elementos químicos essenciais para vida são reciclados. Fotossíntese gera oxigênio e moléculas orgânicas utili- zadas pelas mitocôndrias de eucariotos (incluindo plantas e algas) como combustível para respiração celular. A respiração quebra esse combustível, gerando ATP. Os produtos que sobram desse tipo de respiração, dióxido de carbono e água, são as matérias-primas para a fotossíntese. Neste capítulo, consideramos como células colhem a energia química armazenada em moléculas orgânicas e a utilizam para gerar ATP, a molécula que conduz grande parte do trabalho celular. Após a apresentação de alguns conceitos básicos sobre res- piração, enfocaremos três vias chaves da respiração: aglicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. 9.1 Vias catabólicas produzem energia oxidando combustíveis orgânicos Como aprendemos no Capítulo 8, vias metabólicas que liberam energia armazenada pela quebra de moléculas complexas são chamadas vias catabólicas. A transferência de elétrons tem um papel importante nessas vias. Nesta seção, consideramos esses processos centrais para a respiração celular. Figura 9.1 � Como estas folhas fornecem energia para o trabalho vital do panda gigante? 9Respiração Celular – Obtenção de Energia Química ATP ECOSSISTEMA Energia luminosa Fotossíntese nos cloroplastos Respiração celular nas mitocôndrias Energia térmica ATP fornece energia para a maioria do trabalho celular CO2 + H2O Moléculas orgânicas + O2 Figura 9.2 � Fluxo de energia e reciclagem química no ecossiste- ma. Energia fluipara dentro de um ecossistema como luz solar e funda- mentalmente sai como calor, ao passo que os elementos químicos essen- ciais para vida são reciclados. Biologia 163 Vias catabólicas e produção de ATP Compostos orgânicos possuem potencial energético como resul- tado dos seus arranjos de átomos. Compostos que podem par- ticipar de reações exergônicas podem atuar como combustível. Com o auxílio de enzimas, uma célula degrada sistematicamente moléculas orgânicas complexas, ricas em potencial energético, em produtos mais simples com menos energia. Parte da energia retirada do estoque químico pode ser usada para realizar traba- lho; o resto é dissipado como calor. Um processo catabólico, a fermentação, é uma degradação parcial de açúcares que ocorre sem o uso de oxigênio. Entretanto, a mais predominante e eficiente via catabólica é a respiração ae- róbia em que o oxigênio é consumido como reagente junto com combustível orgânico (aerobic vem do grego aer, ar, e bios, vida). As células da maioria dos organismos eucarióticos e de muitos procariotos podem realizar respiração aeróbia. Alguns procariotos utilizam outro tipo de substância além do oxigênio como reagen- tes num processo similar obtendo energia química sem utilizar o oxigênio num todo; esse processo é chamado respiração anaeróbia (o prefixo an- significa “sem”). Tecnicamente, o termo respiração celular inclui tanto o processo aeróbio como o anaérobio. Entre- tanto, originou-se como sinônimo para respiração aeróbia por causa do relacionamento desse processo com a respiração do or- ganismo, na qual um animal inspira oxigênio. Portanto, respiração celular é comumente utilizada para se referir ao processo aeróbio, prática que seguiremos na maior parte deste capítulo. Embora muito diferente no mecanismo, a respiração aeróbia é em princípio similar à combustão da gasolina no motor de um automóvel após a mistura do oxigênio com o combustível (hidro- carbonetos). O alimento fornece o combustível para respiração, e os subprodutos são dióxido de carbono e água. O processo geral pode ser resumido assim: Compostos Orgânicos � Oxigênio → Dióxido de Carbono � Água � Energia Embora todos os carboidratos, as gorduras e as proteínas possam ser processados e consumidos como combustível, é útil aprender os passos da respiração celular seguindo a degradação do açúcar glicose (C6H12O6): C6H12O6 � 6O2 → 6CO2 � 6H2O � Energia (ATP � calor) A glicose é o combustível que as células utilizam com mais fre- quência; discutiremos outras moléculas orgânicas contidas nos alimentos mais adiante no capítulo. Essa quebra de glicose é exergônica, possuindo uma mudan- ça de energia livre de �686 kcal (2,870 kJ) por mol de glicose decomposta (�G � �686kcal/mol). Lembre-se que um �G nega- tivo indica que os produtos da reação química armazenam menos energia que os reagentes, e que a reação pode ocorrer esponta- neamente – em outras palavras, sem a adição de energia. Vias catabólicas não movem flagelos, nem bombeiam solu- tos através de membranas, nem polimerizam monômeros, nem realizam outra tarefa celular diretamente. O catabolismo está co- nectado ao trabalho por um eixo químico de direção – ATP, que aprendemos no Capítulo 8. Para continuar trabalhando, a célula deve regenerar seu estoque de ATP a partir de ADP e P i (ver Fi- gura 8.12). Para entender como a respiração celular alcança esse objetivo, vamos examinar o processo químico fundamental co- nhecido como oxidação e redução. Reações redox: oxidação e redução Como uma via catabólica que decompõe glicose e outros combus- tíveis orgânicos fornece energia? A resposta baseia-se na transfe- rência de elétrons durante as reações químicas. A realocação dos elétrons libera energia armazenada nas moléculas orgânicas; essa energia é por fim utilizada para sintetizar ATP. O princípio redox Em muitas reações químicas, existe a transferência de um ou mais elétrons (e�) de um reagente para outro. Essas transferências de elétrons são chamadas de reações oxidação-redução, ou reações redox para abreviar. Em uma reação redox, a perda de elétrons de uma substância é chamada de oxidação, e a adição de elétrons para outra substância é conhecida como redução. (Notem que a adição de elétrons é chamada de redução; elétrons negativamen- te carregados adicionados a um átomo reduzem a quantidade de cargas positivas desse átomo.) Por meio de um exemplo simples, não biológico, considere a reação entre os elementos sódio (Na) e cloro (Cl) que formam o sal de cozinha: Torna-se oxidado (perde elétrons) Na + Cl Na+ + Cl– Torna-se reduzido (ganha elétrons) Podemos generalizar uma reação redox desta maneira: Torna-se oxidado Xe– + Y X + Ye– Torna-se reduzido Na reação generalizada, a substância Xe�, o doador de elétrons, é chamado de agente redutor; ele reduz Y, que aceita o elétron do- ado. A substância Y, o aceptor de elétrons, é o agente oxidante; ele oxida Xe� removendo seu elétron. Pelo fato de que a transfe- rência de elétrons necessita tanto doador quanto aceptor, a oxi- dação e redução sempre ocorrem juntas. Nem todas as reações redox envolvem a transferência com- pleta de elétrons de uma substância para outra; algumas mudam o grau do compartilhamento de elétrons em ligações covalen- tes. A reação entre metano e oxigênio, mostrada na Figura 9.3 na próxima página, é um exemplo. Como explicado no Capítulo 2, os elétrons covalentes no metano são compartilhados quase que igualmente entre os átomos ligados, isso porque carbono e hidrogênio possuem quase a mesma afinidade por elétrons de valência: são quase igualmente eletronegativos. Quando o me- tano reage com o oxigênio, formando dióxido de carbono, elé- trons acabam compartilhados menos igualmente entre o átomo de carbono e seus novos parceiros covalentes, os átomos de oxi- 164 Campbell & Cols. gênio, muito eletronegativos. Com efeito, o átomo de carbono “perde” parcialmente seus elétrons compartilhados; portanto, o metano é oxidado. Agora vamos examinar o destino do reagente O2. Os dois átomos da molécula de oxigênio (O2) compartilham seus elétrons igualmente. Entretanto, quando o oxigênio reage com o hidrogê- nio do metano formando água, os elétrons das ligações covalen- tes passam mais tempo perto do oxigênio (ver Figura 9.3). Como consequência, cada átomo de oxigênio “ganha” parcialmente elétrons; então, a molécula de oxigênio é reduzida. Por causa de sua alta eletronegatividade, o oxigênio é um dos mais poderosos agentes oxidantes. Energia deve ser adicionada para puxar um elétron de um áto- mo para outro, assim como energia é necessária para chutar uma bola morro acima. Quanto mais eletronegativo for o átomo (quanto mais forte ele arrasta elétrons), maior é a energia necessária para re- tirar o elétron dele. Um elétron perde potencial energético quando muda de um átomo menos eletronegativo para outro mais eletrone- gativo, assim como a bola perde potencial energético quando rola morro abaixo. Portanto, uma reação redox que move elétrons para mais perto do oxigênio, como a queima (oxidação) de metano, mes- mo assim libera energia química que pode ser posta para trabalho. Oxidação de moléculas de combustível orgânico durante a respiração celular A oxidação do metano pelo oxigênio é a principal reação de com- bustão que ocorre no forno de um fogão a gás. A combustão da gasolina no motor de um automóvel também é uma reação redox; a energia liberada move os pistões. Entretanto, o processo redox fornecedor de energia de maior interesse dos biólogos é a respi- ração: a oxidação da glicose e de outras moléculas no alimento. Examine novamente a equação resumida da respiração celular, porém desta vez pense nela como processo redox: Torna-se oxidado C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O+ + Energia+ Torna-se reduzido Como na combustão do metano ou da gasolina, o combustível (glicose) é oxidado e o oxigênio é reduzido. Os elétrons perdem potencial energético ao longo do caminho, e energia é liberada. Em geral,moléculas orgânicas com abundância de hidrogê- nio são excelentes combustíveis, porque suas ligações são fontes de elétrons, cuja energia pode ser liberada à medida que esses elétrons “decaem” no gradiente de energia quando são transferi- dos ao oxigênio. A equação resumida para respiração indica que o hidrogênio é transferido da glicose para o oxigênio. Porém, o fato importante, não visível na equação resumida, é que o esta- do energético dos elétrons muda quando o hidrogênio (com seu elétron) é transferido para o oxigênio. Na respiração, a oxidação da glicose transfere elétrons para um estado energético menor, liberando energia que se torna disponível para síntese de ATP. Os principais alimentos energéticos, carboidratos e gorduras, são reservatórios de elétrons associados ao hidrogênio. Somente a barreira da energia de ativação contém o fluxo de elétrons para um estado energético mais baixo (ver Figura 8.14). Sem essa barreira, substâncias alimentares como a glicose combinar-se-iam quase que imediatamente com o O2. Quando fornecemos a energia de ativa- ção por meio do consumo de glicose, ela queima no ar, liberando 686 kcal (2.870 kJ) de calor por mol de glicose (cerca de 180 g). A temperatura corporal não é suficiente para iniciar essa queima, ob- viamente. Ao contrário, se você ingerir certa quantidade de glicose, enzimas nas suas células irão baixar a barreira da energia de ativa- ção, permitindo que o açúcar seja oxidado numa série de passos. A energia é colhida gradualmente via NAD� e a cadeia transportadora de elétrons Se a energia fosse liberada de um combustível de uma vez só, ela não poderia ser controlada eficientemente para o trabalho cons- trutivo. Por exemplo, se um tanque de combustível explode, ele não pode levar o carro muito longe. A respiração celular também não oxida glicose em uma única etapa explosiva. Preferivelmente, a glicose e outros combustíveis orgânicos são decompostos numa série de etapas, cada uma catalisada por uma enzima. Nas etapas essenciais, elétrons são removidos da glicose. Como é comum na reação de oxidação, cada elétron viaja com um próton – ou seja, como um átomo de hidrogênio. Os átomos de hidrogênio não são transferidos diretamente para o oxigênio; ao invés disso, primeiro costumam ser passados a um carregador de elétrons, uma coen- zima chamada de NAD� (nicotinamida adenina dinucleotídeo, um derivado da vitamina niacina). Como um aceptor de elétrons, o NAD� funciona como agente oxidante durante a respiração. Como o NAD� prende os elétrons da glicose e de outros com- bustíveis orgânicos? Enzimas chamadas desidrogenases removem um par de átomos de hidrogênio (dois elétrons e dois prótons) do substrato (glicose, neste exemplo), por fim oxidando o substrato. A enzima entrega os dois elétrons junto com um próton para essa coezima NAD� (Figura 9.4). O outro próton é liberado como íon de hidrogênio (H�) na solução: H C OH + NAD+ O + NADH + H+Desidrogenase C C H H H H O O O C O H O H Metano (agente redutor) CH4 2 O2 CO2 Energia+ 2 H2O++ Oxigênio (agente oxidante) Reagentes Produtos Torna-se oxidado Torna-se reduzido Dióxido de carbono Água Figura 9.3 � Combustão do metano como reação redox fornece- dora de energia. A reação libera energia para o meio, porque o elétron perde potencial energético quando não é compartilhado igualmente, pas- sando mais tempo perto de átomos eletronegativos, como o oxigênio. Biologia 165 Por receber dois elétrons carregados negativamente, mas apenas um próton positivamente carregado, o NAD� tem sua carga neu- tralizada quando é reduzido a NADH. O nome NADH mostra que o hidrogênio foi recebido na reação. NAD� é o mais versátil aceptor de elétrons na respiração celular e funciona em diversos passos redox durante a decomposição da glicose. Elétrons perdem muito pouco de seus potenciais energéticos quando são transferidos da glicose para o NAD�. Cada molécula de NADH formada durante a respiração representa energia ar- mazenada que pode ser direcionada para produzir ATP quando os elétrons completam a queda no gradiente energético de NADH a oxigênio. Como os elétrons extraídos da glicose e armazenados como potenciais energéticos no NADH finalmente alcançam o oxigênio? Ajuda comparar a química redox da respiração celu- lar com uma reação bem mais simples: a reação entre o hidrogênio e oxigênio para formar água (Figura 9.5a). Misture H2 e O2, forneça uma descarga elétrica como energia de ativação, e os gases combinam explosivamente. Na reali- dade, a combustão de H2 líquido e O2 líquido é controlada para ativar os motores principais de um ônibus espacial após seu lançamento, impulsionando-o em órbita. A explosão repre- senta uma liberação da energia conforme os elétrons do hidrogênio “caem” mais perto de átomos de oxigênio eletronegativo. A respira- ção celular também une hidrogênio e oxigênio para formar água, porém existem duas impor- tantes diferenças. Primeiro, na respiração ce- lular, o hidrogênio que reage com o oxigênio é derivado de moléculas orgânicas, ao contrário do H2. Segundo, no lugar de ocorrer uma rea- ção explosiva, a respiração utiliza uma cadeia transportadora de elétrons para frear a queda de elétrons ao oxigênio em diversas etapas liberadoras de energia (Figura 9.5b). Uma cadeia transpor- tadora de elétrons consiste em várias moléculas, a maioria proteí- nas, incrustadas na membrana interna das mitocôndrias de células eucarióticas e da membrana plasmática de procariotos aeróbios. Elétrons removidos da glicose são transportados pelo NADH ao “topo”, extremidade de alta energia da cadeia. Na parte “inferior”, a extremidade de baixa energia, o O2 captura esses elétrons junta- mente com o hidrogênio (H�), formando água. Figura 9.4 � NAD� como transportador de elétrons. O nome completo do NAD�, ni- cotinamida adenina dinucleotídeo, descreve sua estrutura: a molécula consiste em dois nu- cleotídeos ligados por seus grupos fosfatos (mostrados em amarelo). (A nicotinamida é uma base nitrogenada, embora não esteja presente no DNA ou RNA.) A transferência enzimática de dois elétrons e um próton (H�) de uma molécula orgânica do alimento para o NAD� reduz o NAD� para NADH; o segundo próton (H) é liberado. A maioria dos elétrons removidos do alimento é transferida inicialmente ao NAD�. NH2 O C 2[H] (do alimento) + 2 e– + 2 H+ 2 e– + H+ H+ H+ O– O– O O Nicotinamida (forma oxidada) Nicotinamida (forma reduzida) CH 2 CH 2 H H H HO H OH O NH 2 N N H HO OH O N+ N H N O O O P P H NAD+ NH2 O C H N H NADH Oxidação do NADH Redução do NAD+ Desidrogenase + Liberação explosiva de energia térmica e luminosa ATP ATP ATP En er gi a liv re , G En er gi a liv re , G (do alimento via NADH) 2 H+ 2 e– 2 H+ 2 e– Liberação controlada de energia para síntese de ATP (a) Reação não controlada. (b) Respiração celular. + H2 + 2 H +O2 1/2 H2O H2O O2 1/2 Cadeia transportadora de elétrons 1 2 O2 Figura 9.5 � Introdução à cadeia transportadora de elétrons. (a) A reação exergônica, de etapa única, do hidrogênio com oxigênio para formar água libera grande quantidade de energia na forma de calor e de luz: uma explosão. (b) Na respiração celular, a mesma reação ocorre em passos: uma cadeia transportadora de elétrons freia a “queda” dos elétrons nesta reação em uma série de pequenas etapas e armazena parte da energia liberada em uma forma que possa ser uti- lizada para produzir ATP. (O restante da energia é liberado como calor). 166 Campbell & Cols. A transferência dos elétrons a partir do NADH até o oxigênio é uma reação exergônica, com mudança de energia livre de �53 kcal (�222 kJ/mol). Em vez dessa energia ser liberada e desperdi- çada em uma única e explosiva etapa, os elétrons descem em cas- cata de uma molécula carreadora para a próxima em uma série de reação redox, perdendo uma pequena quantidade de energia em cada etapa, até finalmente alcançarem o oxigênio, o aceptor finalde elétrons, que tem grande afinidade por elétrons. Cada carre- ador do nível “mais abaixo” é mais eletronegativo e, portanto, mais capaz de oxidar do que o vizinho “superior”, com oxigênio no inferior da cadeia. Portanto, os elétrons removidos da glicose pelo NAD� caem um gradiente de energia na cadeia transporta- dora de elétrons até uma posição mais estável no átomo oxigênio eletronegativo. Isto é, o oxigênio puxa os elétrons para baixo da cadeia numa queda produtora de energia análoga à gravidade que puxa objetos ladeira abaixo. Resumindo, durante a respiração celular, a maioria dos elétrons viaja seguindo a rota “morro abaixo”: glicose→NADH→cadeia transportadora de elétrons→oxigênio. No final deste capítulo, vamos aprender mais sobre como as células utilizam a energia liberada da queda exergônica dos elétrons para regenerar o esto- que de ATP. Por ora, tendo visto os mecanismos redox básicos da respiração celular, vamos dar uma olhada no processo inteiro. Os estágios da respiração celular: uma prévia A respiração é uma função cumulativa de três estágios metabó- licos: Glicólise (código de cor ao longo do capítulo - verde)1. Ciclo do ácido cítrico (código de cor - salmão)2. Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e quimiosmose (código de cor - violeta) 3. Tecnicamente, a respiração celular inclui somente o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. Incluímos a glicólise por- que a maioria das células respirando deriva energia a partir da glicose e utiliza esse processo para produzir a matéria-prima para o ciclo do ácido cítrico. Como diagramado na Figura 9.6, os dois estágios iniciais da respiração celular – glicólise e ciclo do ácido cítrico – são as vias catabólicas que degradam a glicose e outros combustíveis orgâ- nicos. A glicólise, que ocorre no citoplasma, começa o proces- so de degradação quebrando a glicose em duas moléculas de um composto chamado de piruvato. O ciclo do ácido cítrico, que acontece dentro da matriz mitocondrial de células eucarióticas ou simplesmente no citosol de procariotos, completa a quebra da glicose pela oxidação de um derivado do piruvato em dióxido de carbono. Desse modo, o dióxido de carbono produzido pela res- piração representa fragmentos de moléculas orgânicas oxidadas. Alguns passos da glicólise e do ciclo do ácido cítrico são rea- ções redox em que desidrogenases transferem elétrons a partir dos substratos até o NAD�, formando NADH. No terceiro estágio da respiração, a cadeia transportadora de elétrons aceita os elétrons dos produtos degradados dos dois primeiros estágios (a maioria deles via NADH) e passa esses elétrons de uma molécula a outra. No final da cadeia, os elétrons são combinados com uma molécula de oxigênio e íons de hidrogênio (H�), formando água (ver Figura 9.5b). A energia liberada em cada passo da cadeia é armazenada numa forma que a mitocôndria (ou célula procariótica) consiga utilizá-la para produzir ATP. Esse modo de síntese de ATP é cha- mado de fosforilação oxidativa pelo fato de ser impulsionado pe- las reações redox da cadeia transportadora de elétrons. Nas células eucarióticas, a membrana interna da mitocôndria é o sítio do transporte de elétrons e da quimiosmose, os proces- sos que juntos constituem a fosforilação oxidativa. Em procario- tos, esses processos ocorrem na membrana plasmática. A fosfo- rilação oxidativa responde por aproximadamente 90% do ATP gerado pela respiração. Uma pequena parcela de ATP é formada diretamente em poucas reações da glicólise e do ciclo do ácido cítrico por um mecanismo chamado de fosforilação em nível de substrato (Figura 9.7). Esse modo de síntese de ATP ocorre Figura 9.6 � Visão geral da respiração celu- lar. Durante a glicólise, cada molécula de glicose é degradada em duas moléculas de um composto piru- vato. Nas células eucarióticas, como mostradas aqui, o piruvato entra na mitocôndria, onde o ciclo do áci- do cítrico a oxida em dióxido de carbono. O NADH e outro carreador de elétrons similar, a coenzima FADH2, transferem elétrons derivados da glicose até a cadeia transportadora de elétrons, construída na membrana interna da mitocôndria. (Em procariotos, a cadeia transportadora de elétrons está localizada na membrana plasmática.) Durante a fosforilação oxida- tiva, a cadeia transportadora de elétrons converte a energia química numa forma usada para síntese de ATP num processo chamado de quimiosmose. Glicólise Ciclo do ácido cítrico Fosforilação oxidativa Fosforilação em nível de substrato Fosforilação em nível de substrato Glicose Piruvato Citosol Mitocôndria ATPATPATP Elétrons carregados via NADH Elétrons carregados via NADH e FADH2 Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e quimiosmose Biologia 167 quando uma enzima transfere um grupo fosfato de uma molécula de substrato ao ADP, em vez de adicionar um fosfato inorgânico ao ADP como na fosforilação oxidativa. “Molécula substrato” aqui se refere a uma molécula orgânica gerada como intermediário durante o catabolismo da glicose. Para cada molécula de glicose degradada em dióxido de carbo- no e água pela respiração, a célula produz cerca de 38 moléculas de ATP, cada uma com 7,3 kcal/mol de energia livre. A respiração tro- ca a cédula de alto valor energético guardada em uma única molé- cula de glicose (686 kcal/mol) por moedas de diversas moléculas de ATP, mais práticas para a célula gastar no seu trabalho. Nesta introdução, apresentamos como a glicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa se encaixam no processo da respiração celular. Agora estamos prontos para darmos uma olhada em cada um desses três estágios da respiração. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Compare e diferencie a respiração aeróbia e anaeróbia. 2. E SE...? Se a seguinte reação redox ocorresse, qual composto seria oxidado e qual seria reduzido? C4H6O5 � NAD� → C4H4O5 � NADH � H� Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. 9.2 Glicólise obtém energia química oxidando glicose a piruvato A palavra glicólise significa “açúcar dividido”, e é exatamente isso que acontece durante essa via. A glicose, açúcar de seis carbo- nos, é dividida em dois açúcares de três carbonos. Esses açúcares menores são oxidados e seus átomos remanescentes rearranjados para formar duas moléculas de piruvato. (Piruvato é a forma ioni- zada do ácido pirúvico.) Como resumido na Figura 9.8, a glicólise pode ser dividida em duas fases: investimento energético e compensação energéti- ca. Durante a fase de investimento energético, a célula na verdade gasta ATP. Esse investimento é recompensado com juros duran- te a fase de compensação energética, quando o ATP é produzi- do pela fosforilação em nível de substrato e NAD� é reduzido a NADH pelos elétrons liberados da oxidação da glicose. A energia líquida obtida a partir da glicose, por molécula de glicose, é de 2 ATP mais 2 NADH. Os dez passos da via glicolítica estão descri- tos em mais detalhes na Figura 9.9, nas próximas duas páginas; é recomendável estudá-la cuidadosamente antes de prosseguir. No fim, todos os carbonos originalmente presentes na glico- se estão contabilizados em duas moléculas de piruvato; nenhum CO2 é liberado durante a glicólise. A glicólise ocorre na presen- ça ou na ausência de O2. Entretanto, se o O2 estiver presente, a energia química armazenada no piruvato e no NADH pode ser extraída pelo ciclo do ácido cítrico e pela fosforilação oxidativa. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Durante a reação redox na glicólise (passo 6 na Figura 9.9), qual molécula age como agente oxidante? E como agente redutor? 2. E SE...? O passo 3 na Figura 9.9 é principal ponto da regulação da glicólise. A enzima fosfofrutocinase é regulada alostericamente pelo ATP e pelas moléculas relacionadas. Considerando o resultado global da glicólise, você esperaria que o ATP inibisse ou ativasse essa enzima? (Dica: certifi- que-se de que você está considerando o ATP como regula- dor alostérico e não como substratoda enzima.) Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. Produto + ATP ADP Substrato Enzima Enzima P Figura 9.7 � Fosforilação em nível de substrato. Parte do ATP é produzida pela transferência direta de um grupo fosfato de um substrato orgânico para ADP por uma enzima. (Para exemplos em glicólise, ver Figura 9.9, passos 7 e 10.) ? Você acha que o potencial energético é maior para os reagentes ou os produtos? Explique. Glicose Fase de investimento energético Fase de compensação energética Retorno líquido 2 ADP + 2 2 Piruvato + 2 H2O ATP Glicólise Ciclodo ácido cítrico Fosforilação oxidativa ATP ATP 2 ATP utilizados formados + 2 H+ 4 ATP 2 NADH 4 ATP formados – 2 ATP utilizados Glicose 2 NAD+ + 4 e– + 4 H+ 2 Piruvatos + 2 H2O 2 ATP 2 NADH + 2 H+ P 4 ADP + 4 P 2 NAD+ + 4 e– + 4 H+ Figura 9.8 � A energia consumida e produzida na glicólise. 168 Campbell & Cols. O HO Glicose ATP ADP H OH CH2O H H HO Frutose-6-fosfato CH2CH2O ATP ADP OHH H HO H CH2OH O OH OH H H OHH H HO H O OH OH H H CH2OH O HO H OHH H HO Frutose-1-6- bifosfato CH2O C O CH2OH Di-hidroxiacetona fosfato CH2 O C CHOH C OH Gliceraldeído-3- fosfato Isomerase Hexocinase CH2O Glicose-6-fosfato O FASE DE INVESTIMENTO ENERGÉTICO Glicose entra na célula e é fosforilada pela enzima hexocinase, que transfere um grupo fosfato do ATP para o açúcar. A carga do grupo fosfato prende o açúcar na célula porque a membrana plasmática é impermeável a grandes íons. Fosforilação também faz a glicose ficar mais quimicamente reativa. Neste diagrama, a transferência do grupo fosfato ou par de elétrons de um reagente para outro é indicado por setas acopladas: Glicose-6-fosfato é convertida em seu isômero, frutose-6-fosfato. Esta enzima transfere um grupo fosfato do ATP para o açúcar, investindo outra molécula de ATP na glicólise. Até aqui, 2 ATP foram utilizados. Com grupos fosfatos nas extremidades opostas, o açúcar agora está pronto para ser dividido em dois. Este é um passo chave na regulação da glicólise; fosfofrutocinase é regulada alostericamente pelo ATP e seus produtos. Esta é a reação que dá nome à glicólise. A enzima quebra a molécula de açúcar em dois diferentes carbonos de três açúcares: di-hidroxiacetona fosfato e gliceraldeído-3-fosfato. Estes dois açúcares são isômeros um do outro. A isomerase catalisa a conversão reversível entre os dois açúcares de três carbonos. Esta reação nunca alcança o equilíbrio na célula porque a próxima enzima da glicólise utiliza somente gliceraldeído-3-fosfato como substrato (e não a di-hidroxiacetona fosfato). Isso desloca o equilíbrio na direção do gliceraldeído-3- fosfato, que é removido assim que se forma. Desse modo, o resultado líquido dos passos 4 e 5 é uma clivagem de um açúcar de seis carbonos em duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato; cada um deles prossegue nos passos restantes da glicólise. P P P P P P 1 1 2 3 4 5 5 Fosfoglicoisomerase 2 Fosfofrutocinase 3 Aldolase 4 ATP Glicólise Ciclodo ácido cítrico Fosforilação oxidativa ATP ATP Figura 9.9 � Visão detalhada da glicólise. A orientação do dia- grama à direita relaciona a glicólise ao processo inteiro da respiração. Não deixe que os detalhes quími- cos no diagrama bloqueiem sua vi- são da glicólise como fonte de ATP e NADH. E SE...? O que aconteceria se você removesse a di-hidroxiacetona fosfato tão rapidamente como ela é produzida? Biologia 169 2 NAD+ O CHOH 1, 3-Bifosfoglicerato C O CH2 O 2 3-Fosfoglicerato2 C O CHOH CH2 O 2-Fosfoglicerato2 C O C CH2OH OH Piruvato2 C O C CH3 O Fosfoenoilpiruvato2 C O C CH2 O 2 ADP 2 ATP + 2 H+ 2 2 H2O 2 ADP FASE DE COMPENSAÇÃO ENERGÉTICA Esta enzima reposiciona o grupo fosfato remanescente, preparando o substrato para a próxima reação. Esta enzima causa uma ligação dupla para moldar o substrato pela extração de uma molécula de água, produzindo fosfoenoilpiruvato (PEP). Os elétrons do substrato são rearranjados de tal modo que o composto fosforilado resultante possua alto potencial energético, permitindo o passo 10. A última reação da glicólise produz mais ATP por meio da transferência do grupo fosfato PEP para o ADP, um segunda fosforilação em nível de substrato. Visto que este passo ocorre duas vezes para cada molécula de glicose, 2 ATP são produzidos. No geral, a glicólise utilizou 2 ATP na fase de investimento energético (passos 1 e 3) e produziu 4 ATP na fase de compensação energética (passos 7 e 10), para um ganho líquido de 2 ATP. A glicólise recebeu seu investimento de ATP com 100% de juros. Energia adicional foi armazenada pelo passo 6 em NADH, que pode ser usada para produzir ATP através da fosforilação oxidativa se o oxigênio estiver presente. Glicose foi quebrada e oxidada a duas moléculas de piruvato, o produto final da via glicolítica. Se o oxigênio estiver presente, a energia química no piruvato pode ser extraída pelo ciclo do ácido cítrico. Se o oxigênio não estiver presente, a fermentação pode ocorrer; isto será descrito mais adiante no capítulo. NADH O– 2 ATP 2 O– O– O– P P P P P P i 6 7 8 9 10 Esta enzima catalisa duas reações sequenciais enquanto o gliceraldeído-3-fosfato estiver no seu sítio ativo. Primeiro, o açúcar é oxidado através da transferência de elétrons e H+ para o NAD+, formando NADH (reação redox). Essa reação é uma reação bastante exergônica, e a enzima utiliza a energia liberada para fixar um grupo fosfato ao substrato oxidado, formando um produto com alto potencial energético. A fonte dos fosfatos é um reservatório de íons fosfato inorgânico sempre presentes no citosol. Note que o coeficiente 2 precede todas as moléculas na fase de compensação energética; estes passos ocorrem após a glicose ter-se dividido em dois açúcares de três carbonos (passo 4). A glicólise produz algum ATP pela fosforilação em nível de substrato. O grupo fosfato adicionado no passo anterior é transferido ao ATP numa reação exergônica. Para cada molécula de glicose que inicia a glicólise, o passo 7 produz 2 ATP, desde que cada produto após a quebra do açúcar (passo 4) seja duplicado. Lembre-se que 2 ATP foram investidos para preparar o açúcar para sua quebra; este ATP depositado agora está sendo recompensado. A glicose foi convertida em duas moléculas de 3-fosfoglicerato, que não é um açúcar. O grupo carbonila que caracteriza um açúcar foi oxidado a um grupo carboxila (— COO–), a marca registrada dos ácidos orgânicos. O açúcar foi oxidado no passo 6, e agora a energia tornou-se disponível para produzir ATP por oxidação. Fosfoglicerocinase 7 Fosfogliceromutase 8 Enolase 9 Piruvato cinase 10 Triose fosfato desidrogenase 6 170 Campbell & Cols. 9.3 O ciclo do ácido cítrico completa a oxidação que produz energia a partir de moléculas orgânicas A glicólise libera menos de um quarto da energia química armaze- nada na glicose; a maioria da energia permanece armazenada nas duas moléculas de piruvato. Se o oxigênio molecular estiver pre- sente, o piruvato entra na mitocôndria (em células eucarióticas), onde as enzimas do ciclo do ácido cítrico completam a oxidação da glicose. (Em células procarióticas, esse processo ocorre no citosol.) Ao entrar na mitocôndria via transporte ativo, o piruvato é primeiramente convertido a um composto chamado de acetil co- enzima A, ou acetil-Coa (Figura 9.10). Esse passo, a junção en- tre glicólise e ciclo do ácido cítrico, é realizado por um comple- xo multienzimático que catalisa três reações: 1 ) grupo carboxila (—COO�) do piruvato, já completamente oxidado e, portanto, com pouca energia química, é removido e liberado em forma de molé- cula de CO2. (Esse é o primeiro passo em que o CO2 é liberado durante a respiração.) 2 ) O fragmento de dois carbonos restantes é oxidado, formando um composto chamado de acetato (a forma ionizada do ácido acético). Uma enzima transfere os elétrons ex- traídos para o NAD�,armazenando energia na forma de NADH. 3 ) Finalmente, a coenzima A (CoA), composto contendo enxofre derivado da vitamina B, é anexada ao acetato por uma ligação não estável (linha ondulada na Figura 9.10) tornando o grupo acetila (o acetato anexado) muito reativo. Devido à natureza química do gru- po CoA, o produto dessa interação química, acetil-CoA, possui alto potencial energético; em outras palavras, a reação do acetil-CoA para produzir produtos de baixa energia é altamente exergônica. Essa molécula agora está pronta para fornecer seu grupo acetila ao ciclo do ácido cítrico para oxidação posterior. O ciclo do ácido cítrico também é chamado de ciclo do ácido tricarboxílico ou ciclo de Krebs, em homenagem a Hans Krebs, o cientista germano-britânico que foi o principal responsável por trabalhar na via durante os anos 1930. O ciclo funciona como uma fornalha metabólica que oxida combustíveis orgânicos derivados do piruvato. A Figura 9.11 resume as entradas e saídas à medida que o piruvato é decomposto em três moléculas de CO2, incluindo a molécula de CO2 liberada durante a conversão do piruvato em acetil-CoA. O ciclo gera 1 molécula de ATP por turno pela fos- forilação em nível de substrato, porém a maior parte da energia química é transferida ao NAD� e a um transportador de elétrons relacionado, a coenzima FAD (flavina adenina dinucleotídeo, de- rivada da riboflavina, uma vitamina B), durante as reações redox. As coenzimas reduzidas, NADH e FADH2, lançam suas cargas de elétrons de alta energia na cadeia transportadora de elétrons. Agora vamos detalhar o ciclo do ácido cítrico. O ciclo pos- sui oito passos, cada um catalisado por uma enzima específica. É possível ver na Figura 9.12 que para cada turno do ciclo do ácido cítrico, dois carbonos (vermelho) entram na forma reduzida de um CH3 O– C CH3 O C Coenzima A Acetil-CoA O S CoA C O NADH + H+NAD+ Piruvato Proteína transportadora 2 1 3 CO2 CITOSOL MITOCÔNDRIA Figura 9.10 � Conversão do piruvato a acetil-CoA, a junção entre a glicólise e o ciclo do ácido cítrico. O piruvato é uma molécula carregada; então, em células eucarióticas, ele deve entrar na mitocôndria via transporte ativo, com ajuda de uma proteína transportadora. Depois, um complexo de diversas enzimas (o complexo piruvato desidrogenase) catalisa os três pas- sos numerados, descritos no texto. O grupo acetila do acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico. A molécula de CO2 se difundirá na célula. CO2 CO2 NADH FADH2 NAD+ 3 Acetil-CoA Piruvato (da glicólise, 2 moléculas por glicose) FAD ADP + Ciclo do ácido cítrico ATP + 3 H+ + H+ 3 NAD+ NADH P i CoA CoA CoA ATP Glicólise Ciclodo ácido cítrico Fosforilação oxidativa ATP ATP 2 Figura 9.11 � Visão geral do ciclo do ácido cítrico. Para calcular as entradas e saídas à base de glicose, multiplique por 2, porque cada molécu- la de glicose é dividida durante a glicólise em duas moléculas de piruvato. Biologia 171 CO2 CO2 CoA é substituído por um grupo fosfato, o qual é transferido ao GDP, formando GTP, uma molécula similar ao ATP. Acetil-CoA Succinato Succinil-CoA α-cetoglutarato + H+ NADH NAD+ H2O GTP GDP ADP ATP + H+ NADH NAD+ H2O Oxaloacetato Malato Fumarato Isocitrato Citrato Ciclo do ácido cítrico + H+ NADH NAD+ FAD FADH2 Acetil-Coa adiciona seu grupo acetila ao oxaloacetato, produzindo citrato. CH3 OC S CoA Outra molécula de CO2 é perdida e o composto é oxidado, reduzindo NAD+ a NADH. A molécula remanescente é anexada à coenzima A por uma ligação instável. Dois hidrogênios são transferidos ao FAD formando FADH2 e oxidando o succinato. Adição de uma molécula de água rearranja suas ligações no substrato. O substrato é oxidado, reduzindo NAD+ a NADH e regenerando oxaloacetato. 1 3 4 5 6 7 8 P i Citrato é convertido em seu isômero, isocitrato, através da remoção de uma molécula de água e adição de outra. 2 COO– COO– COO–HC CH2 CHHOCOO – COO– COO–C CH2 HO CH2 COO– COO– CH2 O C COO– COO– CH CH2 HO COO– COO– CH HC COO– COO– CH2 CH2 O COO– COO– C CH2 CH2 ATP Glicólise Ciclo do ácido cítrico Fosforilação oxidativa ATP ATP S CoA O COO– C CH2 CH2 Outra molécula de CO2 é perdida e o composto é oxidado, reduzindo NAD+ a NADH. A molécula remanescente é anexada à coenzima A por uma ligação instável. 1 2 3 4 5 6 7 8 CoA SH CoA SH CoA SH Figura 9.12 � Visão detalhada do ciclo do ácido cítrico. Nas estruturas químicas, a figura vermelha rastreia o destino de dois átomos de carbono que entram o ciclo via acetil-CoA (passo 1), e a figura azul indica os dois átomos de car- bono que saem do ciclo como CO2 nos passos 3 e 4. (A legenda vermelha vai somente até o passo 5, porque a molécula de succinato é simétrica; as duas extremidades não podem ser distinguidas uma da outra.) Note que os átomos de carbono que entram no ciclo a partir do acetil-CoA não saem do ciclo no mesmo turno. Eles permane- cem no ciclo ocupando uma localização diferen- te nas moléculas nos seus próximos turnos, após outro grupo acetil ser adicionado. Como conse- quência, o oxaloacetato regenerado no passo 8 é composto de diferentes átomos de carbono cada vez. Em células eucarióticas, todas as enzimas do ciclo do ácido cítrico estão localizadas na matriz mitocondrial com exceção da enzima que catali- sa o passo 6, que fica na membrana interna da mitocôndria. Ácidos carboxílicos estão represen- tados em suas formas ionizadas, como –COO�, pelo fato das formas ionizadas prevalecerem no pH dentro da mitocôndria. Por exemplo, citrato é a forma ionizada do ácido cítrico. 172 Campbell & Cols. grupo acetila (passo 1) e dois carbonos diferentes (azul) na forma oxidada completa de moléculas de CO2 (passos 3 e 4). O grupo acetila do acetil-CoA junta-se ao ciclo combinando-se com o com- posto oxaloacetato, formando citrato (passo 1). (Citrato é a forma ionizada do ácido cítrico, que dá o nome ao ciclo.) Os próximos sete passos decompõem o citrato novamente a oxaloacetato. É essa regeneração do oxaloacetato que faz desse processo um ciclo. Agora vamos calcular as moléculas ricas em energia produzi- das pelo ciclo do ácido cítrico. Para cada grupo acetila que entra no ciclo, 3 NAD� são reduzidos a NADH (passos 3, 4 e 8). No passo 6, elétrons são transferidos não ao NAD�, mas ao FAD, que aceita 2 elétrons e 2 prótons para tornar-se FADH2. Em diversas células de tecidos animais, o passo 5 produz uma molécula de trifosfato de guanosina (GTP) por fosforilação em nível de substrato como mos- trado na Figura 9.12. GTP é uma molécula similar ao ATP em estru- tura e em função celular. Esse GTP pode ser utilizado para produzir uma molécula de ATP (como mostrado) ou diretamente impulsio- nar o trabalho na célula. Em células vegetais, bactérias e alguns te- cidos animais, o passo 5 forma uma molécula de ATP diretamente por fosforilação em nível de substrato. A saída do passo 5 representa o único ATP gerado diretamente pelo ciclo do ácido cítrico. A maior parte do ATP produzido pela respiração resulta da fosforilação oxidativa, quando NADH e FADH2 produzidos pelo ciclo do ácido cítrico transmitem os elétrons extraídos do alimen- to para a cadeia transportadora de elétrons. Nesse processo, eles fornecem a energia necessária para a fosforilação do ADP a ATP. Exploraremos esse processo na próxima seção. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Nomeie as moléculas que conservam a maior parte da energia das reações redox do ciclo do ácido cítrico. Como essa energia é convertida numa forma que possa ser utili- zada para produzir ATP? 2. Qual processo celular produz o CO2 que você exala? 3. E SE...? As conversões mostradas na Figura 9.10 e no passo 4 da Figura 9.12 são catalisadas cada uma por um grande complexo multienzimático. Quais as semelhanças que existem entre as reações que ocorrem nesses dois casos?Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. 9.4 Durante a fosforilação oxidativa, a quimiosmose acopla o transporte de elétrons com a síntese de ATP Nosso principal objetivo neste capítulo é aprender como a célula coleta a energia da glicose e de outros nutrientes nos alimentos para produzir ATP. Os componentes metabólitos da respiração que analisamos até agora, a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, produzem somente 4 moléculas de ATP por molécula de glico- se, todos por fosforilação em nível de substrato: 2 ATP líquidos a partir da glicólise e 2 ATP a partir do ciclo do ácido cítrico. Até esse ponto, moléculas de NADH (e FADH2) respondem pela maior parte da energia extraída da glicose. Esses elétrons acom- panhantes ligam a glicólise e o ciclo do ácido cítrico à maquinaria da fosforilação oxidativa, que utiliza energia liberada pela cadeia transportadora de elétrons para impulsionar a síntese de ATP. Nesta seção, vamos aprender como a cadeia transportadora de elétrons funciona, e então como o fluxo de elétrons cadeia abaixo está acoplado com a síntese de ATP. A via do transporte de elétrons A cadeia transportadora de elétrons é uma compilação de mo- léculas fixadas na membrana interna da mitocôndria nas células eucarióticas (nos procariotos, eles residem na membrana plas- mática). A dobra da membrana interna que forma as cristas au- menta sua área superficial, fornecendo espaço para milhares de cópias da cadeia em cada mitocôndria. (Mais uma vez, vimos que a estrutura é adequada à função.) A maioria dos componentes da cadeia são proteínas, existentes em complexos multiproteicos numerados de I a IV. Firmemente ligados a essas proteínas estão grupos prostéticos, componentes não proteicos essenciais para as funções catalíticas de certas enzimas. A Figura 9.13 mostra a sequência de carreadores de elétrons na cadeia transportadora de elétrons e a queda na energia livre confor- me os elétrons viajam cadeia abaixo. Durante o transporte de elé- trons ao longo da cadeia, os carreadores de elétrons alternam entre estado oxidado e reduzido conforme aceitam e doam elétrons. Cada componente da cadeia se torna reduzido quando aceita elétrons do seu vizinho “de cima”, que tem menor afinidade para elétrons (é me- nos eletronegativo). Ele retorna à sua forma oxidada conforme passa os elétrons para o vizinho “de baixo”, mais eletronegativo. Agora vamos olhar mais de perto a cadeia transportadora de elétrons da Figura 9.13. Primeiro, descrevemos a passagem de elé- trons pelo complexo I em detalhes, para ilustrar o princípio geral envolvendo o transporte de elétrons. Elétrons removidos da glicose pelo NAD� durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico são transfe- ridos do NADH até a primeira molécula da cadeia transportadora de elétrons no complexo I. Essa molécula é uma flavoproteína, cha- mada assim por possuir um grupo prostético chamado de flavina mononucleotídeo (FMN). Na próxima reação redox, a flavoproteína retorna à forma oxidada conforme passa os elétrons a uma proteína ferro-enxofre (Fe•S no complexo I), representante de uma família de proteínas ligadas firmemente tanto com ferro quanto com en- xofre. A proteína ferro-enxofre então passa os elétrons a um com- posto chamado de ubiquinona (Q na Figura 9.13). Esse carreador de elétrons é uma pequena molécula hidrofóbica, único membro não proteico da cadeia transportadora de elétrons. A ubiquinona é individualmente móvel dentro da membrana, ao invés de residir num dado complexo. (Outro nome para ubiquinona é coenzima Q, ou CoQ; comumente vendida como suplemento alimentar.) Em sua maioria, os carreadores de elétrons restantes entre a ubiquinona e o oxigênio são proteínas chamadas de citocromos. Biologia 173 Seus grupos prostéticos, chamados de grupo heme, possuem um átomo de ferro capaz de aceitar e doar elétrons. (Ele é semelhante ao grupo heme da hemoglobina, a proteína das células vermelhas do sangue, exceto que o ferro na hemoglobina carrega oxigênio, e não elétrons.) A cadeia transportadora de elétrons possui di- versos tipos de citocromos, cada proteína em particular com um grupo heme carreador de elétrons levemente diferente. O último citocromo da cadeia, cyt a3, passa seus elétrons ao oxigênio, al- tamente eletronegativo. Cada átomo de oxigênio também coleta um par de íons hidrogênio da solução aquosa, formando água. Outra fonte de elétrons para cadeia transportadora é o FADH2, o segundo produto reduzido do ciclo do ácido cítrico. Note na Figura 9.13 que o FADH2 adiciona elétrons à cadeia transportadora de elétrons no complexo II, num nível energético menor do que o NADH. Consequentemente, embora NADH e FADH2 doem, cada um, um número equivalente de elétrons (2) para redução do oxigênio, a cadeia transportadora de elétrons fornece cerca de um terço menos da energia para síntese do ATP quando o doador de elétrons é o FADH2 em vez de NADH. Vere- mos por que na próxima seção. A cadeia transportadora de elétrons não produz ATP dire- tamente. Ela funciona para facilitar a queda dos elétrons do ali- mento até o oxigênio, fracionando uma grande queda de ener- gia livre numa série de passos menores que liberam energia em quantidades gerenciáveis. Como a mitocôndria (ou a membrana plasmática de procariotos) conecta esse transporte de elétrons à energia liberada para síntese de ATP? A resposta está no meca- nismo chamado quimiosmose. Quimiosmose: o mecanismo acoplado de energia Habitando a membrana interna da mitocôndria ou a membrana plasmática de procariotos estão diversas cópias de um comple- xo proteico chamado de ATP-sintase, a enzima que literalmente produz ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. A ATP-sintase trabalha como uma bomba de íons funcionando ao contrário. Lembre-se do Capítulo 7 que bombas de íons geralmente utili- zam ATP como fonte energética para transportar íons contra seus gradientes. Na realidade, a bomba de prótons mostrada na Figura 7.19 é uma ATP-sintase. Como mencionamos no Capítulo 8, en- zimas podem catalisar uma reação em qualquer direção, depen- dendo do �G para a reação, o qual é afetado pelas concentrações locais dos reagentes e produtos. Em vez de hidrolisar ATP para bombear íons contra seus gradientes de concentração, sob condi- ções de respiração celular, a ATP-sintase utiliza a energia de um gradiente iônico já existente para impulsionar a síntese de ATP. A fonte de energia para a ATP-sintase é uma diferença na con- centração de H� nas extremidades opostas da membrana interna da mitocôndria. (Podemos também pensar nesse gradiente como uma diferença de pH, já que o pH é uma medida da concentração de H�.) Esse processo, no qual a energia armazenada em forma de um gradiente de íons hidrogênio através da membrana é uti- lizada para promover trabalhos celulares como síntese de ATP, é chamado de quimiosmose (do grego osmos, esforço). Utilizamos previamente a palavra osmose na discussão do transporte de água, mas aqui se refere ao fluxo de H� através da membrana. A partir do estudo da estrutura da ATP-sintase, cientistas aprenderam como o fluxo de H� nessa grande enzima impulsiona a geração de ATP. A ATP-sintase é um complexo de multissubuni- dades com quatro partes principais, cada uma composta de múlti- plos polipeptídeos. Os prótons movimentam-se um a um em dire- ção aos sítios de ligação sobre uma das partes (o rotor), fazendo o rotor girar de modo a catalisar a produção de ATP a partir de ADP NADH NAD+ FAD 50 40 30 20 10 0 FMN I II III IV Fe•S Q Fe•S FAD Cyt b Complexos multiproteicos Fe•S Cyt c1 Cyt c Cyt a Cyt a3 2 H+ + (do NADH ou FADH2) 2 FADH2 En er gi a liv re (G ) r el at iv a ao O 2 (k ca l/m ol ) ATP Glicólise Ciclo do ácido cítrico ATP ATP H2O 1 2 O2 e– 2 e– 2 e– Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e quimiosmose Figura 9.13 � Mudança na energia livre durante o transporte de elétrons. A queda na energia total (�G) para elétrons viajando do NADH aooxigênio é 53 kcal/mol, mas essa “queda” é fracionada em uma série de passos menores pela cadeia transportadora de elétrons. (Um átomo de oxigênio é aqui representado como 1/2 O2 para enfatizar que a cadeia transportadora de elétrons reduz o oxigênio molecular, O2, e não átomos individuais de oxigênio.) 174 Campbell & Cols. e fosfato inorgânico. Portanto, o fluxo de prótons comporta-se como um córrego que gira uma roda d’água (Figura 9.14). A ATP-sintase é o menor motor rotacional molecular conhe- cido na natureza. A pesquisa que levou à descrição detalhada da atividade dessa enzima havia primeiramente mostrado que, na verdade, parte do complexo rotacionava dentro da membrana quando a reação procedia na direção da hidrólise de ATP. Embora os bioquímicos presumissem que o mesmo mecanismo rotacio- nal fosse responsável pela síntese de ATP, não existia base para esse modelo até 2004, quando diversas instituições de pesquisa em colaboração com uma companhia privada foram capazes de abordar essa questão utilizando nanotecnologia (técnicas envol- vendo controle da matéria em escala molecular; do grego nanos, significando “anão”). A Figura 9.15 descreve o elegante experi- mento realizado por esses pesquisadores para demonstrar que a Rotor H+ Estator ADP + MATRIZ MITOCONDRIAL ESPAÇO INTERMEMBRANAS Eixo interno Botão catalítico Íons H+ entram nos sítios de ligação dentro do rotor, mudando a forma de cada subunidade para que o rotor gire dentro da membrana. 2 Íons H+ fluindo através de seu gradiente entram num meio canal no estator, ancorado na membrana. 1 Cada íon H+ realiza um giro completo antes de deixar o rotor e passar até o segundo meio canal no estator dentro da matriz mitocondrial. 3 A rotação do rotor provoca também uma rotação no eixo interno. Este eixo prolonga-se como um suporte para dentro do botão abaixo dele, mantido estacionário por uma parte do estator. 4 O giro do eixo ativa os sítios catalíticos no botão que produz ATP a partir de ADP e Pi. 5ATPP i Figura 9.14 � ATP-sintase, um moinho molecular. O complexo pro- teico ATP-sintase funciona como um moinho, impulsionado pelo fluxo de íons hidrogênio. Esse complexo reside nas membranas dos cloroplastos e das mitocôndrias de eucariotos e nas membranas plasmáticas de proca- riotos. Cada uma das quatro partes da ATP sintase consiste em diversas subunidades polipeptídicas. Figura 9.15 � Pesquisa A rotação do eixo interno da ATP-sintase é responsável pela síntese de ATP? EXPERIMENTO Experimentos prévios sobre ATP-sintase demonstra- ram que o “eixo interno” rotaciona quando o ATP é hidrolisado (ver Figura 9.14). Hiroyasu Itoh e colaboradores resolveram investigar se simplesmen- te girando o eixo na direção oposta poderia causar a síntese de ATP. Eles isolaram o eixo interno e o botão catalítico, que foi ancorado a uma placa de níquel. Uma esfera magnética foi ligada ao eixo. Esse complexo foi posicionado numa câmara contendo um conjunto de eletromagnetos, e a esfera foi manipulada pela ativação sequencial dos magnetos para rotacio- nar o eixo interno em qualquer direção. Os investigadores propuseram que se a esfera fosse girada na direção oposta à observada durante a hi- drólise, a síntese de ATP ocorreria. Os níveis de ATP foram monitorados por uma “enzima repórter” em uma solução que emite uma quantidade isolada de luz (um fóton) quando ela cliva ATP. A hipótese era de que a rotação numa direção resultaria em mais fótons que rotação em outra di- reção ou na ausência de rotação. Eletromagneto Amostra Esfera magnética Eixo interno Botão catalítico Placa de níquel RESULTADOS Mais fótons foram emitidos pela rotação do eixo por cinco minutos numa direção (barras amarelas) do que na ausência de rota- ção (barras cinzas) ou com rotação na direção oposta (barras azuis). N úm er o de f ót on s de te ct ad os (� 10 3 ) 0 20 25 30 Testes em sequência Rotação numa direção Rotação na direção oposta Ausência de rotação CONCLUSÃO Os pesquisadores concluíram que a rotação mecânica do eixo interno numa dada direção dentro da ATP-sintase parece ser tudo que é necessário para gerar ATP. Como a ATP-sintase é o menor motor rotacional conhecido, um dos objetivos desse tipo de pesquisa é aprender como utilizar sua atividade de maneiras artificiais. FONTE H. Itoh et al., Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase, Nature 427:465-468 (2004). Pesquisaemação Leia e analise o artigo original em Pesquisa em Ação: Interpretando Artigos Científicos. E SE...? As barras “na ausência de rotação” (cinza) representam o ní- vel basal de ATP no experimento. Quando a enzima é rotacionada numa direção (barras amarelas), o aumento do nível de ATP sugere que a síntese está ocorrendo. Para enzimas girando na outra direção (barras azuis), que nível de ATP você esperaria comparado às barras cinzas? (Observação: pode ser que isso não seja efetivamente observado.) Biologia 175 direção da rotação de uma das partes do complexo proteico em relação à outra é responsável unicamente ou pela síntese de ATP ou pela hidrólise de ATP. Como a membrana interna da mitocôndria ou a membrana plasmática de procariotos gera e mantém o gradiente de H� que direciona a síntese de ATP pelo complexo proteico ATP-sintase? Estabelecer o gradiente H� é a função da cadeia transportadora de elétrons, mostrada em sua localização mitocondrial na Figu- ra 9.16. A cadeia é um conversor energético que utiliza o fluxo exergônico de elétrons do NADH e FADH2 para bombear H� através da membrana, da matriz mitocondrial até o espaço inter- membranas. O H� tem a tendência de se mover de volta através da membrana, difundindo seu gradiente. As ATP-sintases são os únicos sítios que fornecem uma rota pela membrana para o H�. Conforme descrevemos anteriormente, a passagem dos prótons H� pelo ATP-sintase utiliza o fluxo exergônico de H� para di- recionar a fosforilação de ADP. Portanto, a energia armazenada em um gradiente de H� através da membrana acopla as reações redox da cadeia transportadora de elétrons à síntese de ATP, num exemplo de quimiosmose. A esta altura, você pode estar pensando: como a cadeia trans- portadora de elétrons bombeia os íons hidrogênio? Pesquisado- res descobriram que certos membros da cadeia transportadora de elétrons aceitam e liberam prótons (H�) juntamente com os elé- trons. (As soluções aquosas dentro e ao redor da célula são uma fonte pronta de H�.) Em passos específicos da cadeia, em virtude Figura 9.16 � Quimiosmose acopla a ca- deia transportadora de elétrons com a sín- tese de ATP. 1 NADH e FADH2 lançam elétrons altamente energéticos extraídos do alimento durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico para a cadeia transportadora de elétrons construída dentro da membrana interna da mitocôndria. As setas douradas indicam o transporte de elétrons, que finalmente chegam ao oxigênio na parte de “baixo” da cadeia. Como a Figura 9.13 mostrou, a maioria dos carreadores de elétrons da cadeia está agrupada em quatro complexos. Dois carre- adores móveis, ubiquinona (Q) e citocromo c (Cyt C), movimentam-se rapidamente transportando elétrons entre os grandes complexos. À medida que os complexos I, III e IV aceitam e então doam elétrons, eles bombeiam prótons da matriz mito- condrial para dentro do espaço intermembranas. (Em procariotos, prótons são bombeados para fora da membrana plasmática.) Note que o FADH2 de- posita seus elétrons via complexo II e assim resulta em menos prótons sendo bombeados para den- tro do espaço intermembranas que ocorre como NADH. A energia química originalmente obtida do alimento é transformada numa força motriz de prótons, um gradiente de H� através da membra- na. 2 Durante a quimiosmose, os prótons retor- nam ao seu gradiente via ATP-sintase inserida na membrana adjacente. A ATP-sintase induz a for- ça próton-motriz a fosforilar ADP, formando ATP. Juntos, o transporte de elétrons e a quimiosmose compõem afosforilação oxidativa. E SE...? Se o complexo IV não fosse funcio- nal, a quimiosmose poderia produzir algum ATP? E se fosse, a velocidade da síntese seria diferente? Membrana mitocondrial interna Espaço intermembranas Membrana mitocondrial interna Matriz mitocondrial Cadeia transportadora de elétrons Transporte de elétrons e bombeamento de prótons (H+), que criam um gradiente de H+ através da membrana Fosforilação oxidativa Quimiosmose Síntese de ATP impulsionada pelo fluxo de H+ de volta através da membrana ATPADP + H2O2 H + + O2 NAD+ FAD (carregando elétrons do alimento) Cyt c Q Complexo proteico de carreadores de elétrons I III IV ATP- sintase P i 1 2 II H+ H+ H+ H+ H+ ATP Glicólise Ciclodo ácido cítrico Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e quimiosmose ATP ATP NADH FADH2 1 2 176 Campbell & Cols. da transferência de elétrons, o H� é captado e liberado para den- tro da solução circundante. Em células eucarióticas, os carrea- dores de elétrons são espacialmente arranjados na membrana de modo que o H� seja recebido a partir da matriz mitocondrial e depositado no espaço intermembranas (ver Figura 9.16). O gra- diente de H� resultante é referido como força próton-motriz, enfatizando a capacidade do gradiente em realizar tarefas. A for- ça dirige o H� de volta através da membrana pelos canais de H� fornecidos pelas ATP-sintases. Em termos gerais, quimiosmose é um mecanismo acoplador de energia que utiliza energia armazenada na forma de um gra- diente de H� através de uma membrana que direciona o traba- lho celular. Na mitocôndria, a energia para formação do gradiente vem das reações redox exergônicas, e a síntese de ATP é o trabalho realizado. Mas a quimiosmose também ocorre em outros locais e em outras variações. Cloroplastos utilizam quimiosmose para gerar ATP durante a fotossíntese; nessas organelas, a luz (em vez de energia química) direciona o fluxo de elétrons tanto para uma cadeia transportadora de elétrons quanto para a formação do gra- diente H� resultante. Procariotos, conforme mencionado, geram gradiente de H� através de suas membranas plasmáticas. Eles po- dem então ativar a força próton-motriz não somente para produ- zir ATP dentro da célula, mas também para girar seus flagelos e para bombear nutrientes e subprodutos através da membrana. Por causa de sua importância central na conversão de energia em pro- cariotos e eucariotos, a quimiosmose ajudou a unificar o estudo da bioenergética. Peter Mitchell recebeu o Prêmio Nobel em 1978 por ser o primeiro a propor o modelo quimiosmótico. Um balanço da produção de ATP pela respiração celular Nas últimas seções, observamos mais atentamente os processos essenciais da respiração celular. Agora, voltaremos uma etapa e lembraremos da sua função geral: coleta de energia da glicose para síntese de ATP. Durante a respiração, a maioria da energia flui na sequên- cia: glicose→NADH→cadeia transportadora de elétrons→força próton-motriz→ATP. Podemos fazer uma contabilidade para calcular o lucro de ATP quando a respiração celular oxida uma molécula de glicose em seis moléculas de dióxido de carbono. Os três principais departamentos dessa iniciativa metabólica são gli- cólise, ciclo do ácido cítrico e cadeia transportadora de elétrons que direciona a fosforilação oxidativa. A Figura 9.17 dá uma des- crição detalhada do fornecimento de ATP gerado por molécula de glicose oxidada. A contagem adiciona os 4 ATP produzidos diretamente por fosforilação em nível de substrato durante a gli- cólise e o ciclo do ácido cítrico às diversas moléculas de ATP ge- radas pela fosforilação oxidativa. Cada NADH que transfere um par de elétrons da glicose para cadeia transportadora de elétrons contribui suficientemente para a força próton-motriz gerar um máximo de cerca de 3 ATP. Por que os números da Figura 9.17 são inexatos? Existem três razões para que não possamos estimar com exatidão o número de moléculas de ATP gerado pela quebra de uma molécula de glicose. Primeiro, a fosforilação oxidativa e as reações redox não estão diretamente associadas entre elas; por isso, a proporção do número de moléculas de NADH e do número de moléculas cerca de 36 ou 38 ATP por fosforilação em nível de substrato + 2 ATP por fosforilação em nível de substrato + cerca de 32 ou 34 ATP por fosforilação oxidativa, dependendo de quem lançar os elétrons do NADH para o citosol CITOSOL MITOCÔNDRIALançadores de elétrons através das membranas Máximo por glicose: + 2 ATP Ciclo do ácido cítrico Glicólise Glicose 2 piruvato 2 Acetil- CoA 2 NADH 6 NADH 2 FADH2 2 FADH2 2 NADH or 2 NADH Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e quimiosmose Figura 9.17 � Rendimento de ATP por molécula de glicose em cada estágio da respiração celular. Biologia 177 de ATP não é um número inteiro. Sabemos que 1 NADH resulta em 10 H� sendo transportados para fora da membrana interna da mitocôndria e também sabemos que entre 3 e 4 H� devem entrar novamente na matriz mitocondrial via ATP-sintase para gerar 1 ATP. Portanto, uma única molécula de NADH gera for- ça próton-motriz suficiente para a síntese de 2,5 a 3,3 ATP; em geral, arredondamos e dizemos que 1 NADH pode gerar cerca de 3 ATP. O ciclo do ácido cítrico também fornece elétrons à ca- deia transportadora de elétrons via FADH2, mas, uma vez que ele entra na cadeia mais tarde, cada molécula desse carreador de elétrons é responsável pelo transporte de apenas H� suficiente para a síntese de 1,5 a 2 ATP. Esses números também levam em conta os pequenos custos energéticos de mover o ATP formado na mitocôndria para fora em direção ao restante do citoplasma onde será utilizado. Segundo, o rendimento de ATP varia ligeiramente depen- dendo do tipo de lançador utilizado no transporte de elétrons do citosol para dentro da mitocôndria. A membrana mitocondrial in- terna é impermeável ao NADH, assim o NADH no citosol é sepa- rado da maquinaria da fosforilação oxidativa. Os dois elétrons do NADH capturados na glicólise devem ser conduzidos para dentro da mitocôndria por um dos diversos sistemas de lançamento de elétrons. Dependendo do tipo do lançamento em um tipo celular específico, os elétrons são passados tanto para o NAD� quanto para o FAD na matriz mitocondrial (ver Figura 9.17). Se os elé- trons são passados ao FAD, como nas células do cérebro, somente cerca de 2 ATP podem resultar de cada NADH citosólico. Se os elétrons são passados ao NAD� mitocondrial, como nas células hepáticas e cardíacas, o resultado é cerca de 3 ATP. Uma terceira variável que reduz o rendimento do ATP é o uso da força próton-motriz gerada pelas reações redox da respi- ração que direciona outros tipos de tarefas. Por exemplo, a força próton-motriz impulsiona a captação mitocondrial de piruvato do citosol. Entretanto, se toda a força próton-motriz gerada pela cadeia transportadora de elétrons fosse utilizada para dirigir a síntese de ATP, uma molécula de glicose poderia gerar um má- ximo de 34 ATP produzidos pela fosforilação oxidativa mais os 4 ATP (líquidos) da fosforilação em nível de substrato, gerando um total de 38 ATP (ou cerca de somente 36 ATP se um sistema de lançamento menos eficiente estiver funcionando). Agora podemos fazer uma estimativa aproximada da eficiên- cia da respiração – isto é, a percentagem da energia química per- tencente a glicose transferida para o ATP. Lembre-se que a oxida- ção completa de um mol de glicose libera 686 kcal de energia sob condições padrão (�G � �686 kcal/mol). A fosforilação de ADP para formar ATP armazena no mínimo 7,3 kcal por mol de ATP. Portanto, a eficiência da respiração é 7,3 kcal por mol de ATP vezes 38 moles de ATP por mol de glicose dividido por 686 kcal por mol de glicose, o que resulta em 0,4. Então, cerca de 40% do potencial energético químico na glicose foram transferidos para o ATP; a porcentagem real é provavelmente maior porque o �G é menor sob condições celulares. O resto da energiaarmazenada é perdida como calor. Nós, humanos, utilizamos esse calor para manter nossa relativamente alta temperatura corporal (37°C) e dissipamos o resto por meio do suor e de outros mecanismos de resfriamento. A respiração celular tem eficiência considerável em termos de conversão de energia. A título de comparação, o mais eficiente automóvel converte somente cerca de 25% da energia armazenada na gasolina em energia que movimenta o carro. R E V I S à O D O C O N C E I T O 1. Que efeito a ausência de O2 teria sob o processo mostrado na Figura 9.16? 2. E SE...? Na ausência de O2, como na questão 1, o que você esperaria acontecer se você diminuísse o pH do espaço intermembranas da mitocôndria? Explique sua resposta. Ver as respostas sugeridas no Apêndice A. 9.5 Fermentação e respiração anaeróbia capacitam as células a produzir ATP sem o uso de oxigênio Em virtude de que a maior parte do ATP da respiração celular é gerada pelo trabalho da fosforilação oxidativa, nossa estimativa do rendimento de ATP da respiração aeróbia é condicionada a um suprimento adequado de oxigênio para a célula. Sem o oxigê- nio eletronegativo para empurrar os elétrons “morro abaixo” na cadeia transportadora, a fosforilação oxidativa cessa. Entretanto, existem dois mecanismos gerais pelos quais certas células podem oxidar combustível orgânico e gerar ATP sem o uso de oxigênio: respiração anaeróbia e fermentação. A distinção entre esse dois se baseia na presença da cadeia transportadora de elétrons. (A cadeia transportadora de elétrons também é chamada de cadeia respiratória devido ao seu papel na respiração celular.) Mencionamos também a respiração anaeróbia, que aconte- ce em certos organismos procarióticos que vivem em ambientes sem oxigênio. Esses organismos possuem uma cadeia transpor- tadora de elétrons, porém não utilizam o oxigênio como aceptor final de elétrons no final da cadeia. O oxigênio realiza muito bem essa função por ser extremamente eletronegativo, porém outras substâncias menos eletronegativas também podem atuar como aceptor final de elétrons. Algumas bactérias marinhas “redutoras de sulfato”, por exemplo, utilizam o íon sulfato (SO42�) no final de sua cadeia respiratória. A operação da cadeia estabelece uma força próton-motriz utilizada para produzir ATP, mas H2S (hidrogênio sulf ídrico) é produzido como um coproduto, em vez da água. A fermentação é uma maneira de obter energia química sem utilizar oxigênio nem qualquer cadeia transportadora de elétrons – em outras palavras, sem respiração celular. Como o alimento pode ser oxidado sem respiração celular? Lembre-se, oxidação simplesmente se refere à perda de elétrons para um aceptor de elétrons; então, não é necessário o envolvimento de oxigênio. A 178 Campbell & Cols. glicólise oxida glicose em duas moléculas de piruvato. O agente oxidante da glicólise é o NAD�, sem que o oxigênio ou qualquer outra cadeia transferidora de elétrons esteja envolvida. No geral, a glicólise é exergônica, e parte da energia disponível é utilizada para produzir 2 ATP (líquidos) por fosforilação ao nível do subs- trato. Se o oxigênio estiver presente, então ATP adicional será produzido pela fosforilação oxidativa quando o NADH passar os elétrons removidos da glicose para a cadeia transportadora de elétrons. Mas a glicólise gera 2 ATP na presença ou na ausência de oxigênio, ou seja, sob condições aeróbias ou anaeróbias. Como uma alternativa à oxidação respiratória de nutrientes orgânicos, a fermentação é uma expansão da glicólise que permi- te geração contínua de ATP por fosforilação ao nível do substrato da glicólise. Para isso ocorrer, deve existir um estoque suficien- te de NAD� para aceitar elétrons durante o passo de oxidação da glicólise. Sem mecanismos para reciclar NAD� a partir do NADH, a glicólise rapidamente esgotaria o reservatório celular de NAD� pela total redução à NADH e cessaria por completo pela falta de um agente oxidante. Sob condições aeróbias, o NAD� é reciclado a partir do NADH pela transferência de elétrons até a cadeia transportadora de elétrons. Uma alternativa anaeróbia é transferir os elétrons do NADH para o piruvato, o produto final da glicólise. Tipos de fermentação A fermentação consiste em glicólise mais reações que regeneram o NAD� pela transferência de elétrons do NADH até o piruvato ou derivados do piruvato. O NAD� pode então ser reutilizado para oxidar açúcar pela glicólise, o que rende duas moléculas de ATP por fosforilação ao nível de substrato. Existem diversos tipos de fermentação, que diferem nos produtos finais formados a par- tir do piruvato. Dois tipos comuns são a fermentação alcoólica e a fermentação ácido láctica. Na fermentação alcoólica (Figura 9.18a), piruvato é con- vertido em etanol (álcool etílico) em dois passos. O primeiro passo libera dióxido de carbono do piruvato, a seguir convertido no composto de dois carbonos acetaldeído. No segundo passo, acetaldeído é reduzido pelo NADH a etanol. Isso regenera o su- primento de NAD� necessário para a continuação da glicólise. Diversas bactérias conduzem fermentação alcoólica sob condi- ções anaeróbias. Leveduras (um tipo de fungo) também realizam fermentação alcoólica. Desde a antiguidade, os seres humanos utilizam leveduras na fabricação de cerveja, vinhos e pães. As bo- lhas de CO2 geradas pelas leveduras de padaria durante a fermen- tação alcoólica permitem que o pão cresça. Durante a fermentação ácido láctica (Figura 9.18b), o pi- ruvato é reduzido diretamente pelo NADH para formar lacta- to como um produto final, sem a liberação de CO2. (Lactato é a forma ionizada do ácido láctico.) A fermentação ácido láctica por certos fungos e bactérias é utilizada na indústria de laticínios para produzir queijo e iogurte. Células musculares humanas produzem ATP por fermenta- ção ácido láctica quando o oxigênio é escasso. Isso ocorre durante os primeiros estágios de um exercício extenuante, quando o cata- bolismo do açúcar para produção de ATP esgota o fornecimento do oxigênio do sangue no músculo. Sob essas condições, as células mudam da respiração aeróbia para a fermentação. Acreditava-se que o lactato acumulado estivesse relacionado com as causas da fadiga e da dor musculares. Porém, em vez disso, estudos recen- tes sugerem que um aumento nos níveis de íons potássio (K�) podem ser os responsáveis pela fadiga muscular, ao passo que o lactato parece aumentar a performance muscular. Em qualquer caso, o excesso de lactato é gradualmente conduzido ao f ígado, onde é convertido de volta a piruvato pelas células hepáticas. 2 ATP GlicóliseGlicose 2 NAD+ 2 ADP + 2 2 Piruvato 2 Acetaldeído + 2 H+ 2 NADH O O– H OC CH3 C OC CH3 2 2 ATP Glicose 2 NAD+ 2 Lactato 2 ADP + 2 Piruvato + 2 H+ 2 NADH O O– C OC CH3 2 (a) Fermentação alcoólica. (b) Fermentação ácido láctica. O– OHCH CH3 OC 2 Etanol H OHCH CH3 P i P i Glicólise CO2 Figura 9.18 � Fermentação. Na ausência do oxigênio, diversas células utilizam fermentação para produzir ATP via fosforilação em nível de subs- trato. Piruvato, o produto final da glicólise, serve como aceptor de elétrons para oxidar NADH de volta a NAD�, que pode então ser reutilizado na glicólise. Dois produtos finais comuns formados na fermentação são (a) etanol e (b) lactato, a forma ionizada do ácido láctico. Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual da Instituição, você encontra a obra na íntegra. Dica do professor Para que as células dos seres vivos continuem a desempenhar todas as suas funções, é necessária energia. Essa energia é obtida por meio da quebra de moléculas orgânicas em processos complexos como a respiração celular e a fermentação. Ambos os processos ocorrem no interior celular e, ao final, produzem, entre outras moléculas, o ATP, que vai ser utilizado pela célula como molécula energética. Nesta Dica do Professor, você vai saber mais detalhes