BioquimicaII fermentação

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BioquimicaII
Tomemos como exemplo a fermentação láctica em células musculares. Neste processo, a molécula de hexose é fragmentada em duas moléculas de ácido láctico. Juntas, estas duas moléculas de ácido láctico contêm menos energia que a molécula de hexose original. Esta pequena diferença de energia é o ganho da célula. Alternativamente a molécula de hexose pode ser submetida à combustão, gerando CO2 e H2O. No último caso, grande quantidade de energia livre é desperdiçada.
A fermentação é o mais simples dos dois processos. Ao mesmo tempo ele é pouco econômico, pois a maior parte da energia da molécula de hexose permanece nas moléculas de ácido láctico. Por volta de 30 vezes mais energia é liberada por oxidação. Conseqüentemente, a fermentação pode manter somente as formas de vida mais simples. Esta seqüência de eventos se reflete em nossas células, nas quais nós encontramos oxidação e fermentação intimamente misturadas e entrelaçadas em um sistema produtor de energia.
A íntima relação entre os dois processos tem ocupado muitos bioquímicos, como Pasteur, a descobrir suas interdependências quantitativas, agora conhecidas como “Reação de Pasteur”. Pasteur descobriu que existe algum tipo de equilíbrio entre oxidação e fermentação. Se a oxidação é suprimida por remoção do oxigênio, a fermentação se inicia. Se nós promovemos outra vez a oxidação, a fermentação cessa. O mecanismo desta relação tem sido um dos mais atraentes quebra-cabeças da Bioquímica desde então.
Desta forma, Krebs mostrou que qualquer um dos substratos utilizados aumentava a taxa de respiração em relação ao controle (sem adição do substrato). Como nos músculos de pombo de Szent-Györgyi, Krebs viu que o rim também era capaz de respirar, utilizando como substratos ácidos dicarboxílicos de quatro carbonos (succinato, fumarato e malato), além de acetato (dois carbonos) e piruvato (três carbonos). Enquanto isso, no laboratório de Warburg, após um acidente experimental com um de seus respirômetros, os tecidos de músculo foram carbonizados e, por descuido do seu técnico, o mesmo respirômetro foi utilizado em um outro experimento. Qual não foi a surpresa de Otto Warburg, quando constatou um grande aumento na respiração do tecido. Análises do material contido nas paredes do respirômetro mostraram altos níveis de um composto orgânico associado ao ferro. Warburg prosseguiu seus estudos com a intenção de identificar este fator, que chamou “Atmungsferment” (enzima), pois, uma vez inativado, todo o processo de respiração cessava.
Keilin, em 1925, que redescobriu uma substância que ele denominou cytochrome (CITOCROMO). Esta substância, como o Atmungsferment, estava intimamente ligada aos processos oxidativos. Segundo Keilin, o citocromo era diretamente oxidado na sua forma divalente para a forma trivalente (férrica).
Falando mais precisamente, o citocromo oxida dois átomos de hidrogênio da molécula de ácido succínico. Pela perda de dois átomos de hidrogênio, o ácido succínico é convertido a ácido fumárico. Estes dois átomos de H perdidos são recolocados novamente por hidrogênios oriundos do alimento. O alimento, entretanto, não cede seus dois hidrogênios imediatamente ao ácido fumárico. Ele cede seus 2 átomos de hidrogênio para o ácido oxaloacético, que é também um ácido dicarboxílico (C4). Por tomar 2H, o ácido oxaloacético volta a ácido málico. Ácido málico, então, cede seus dois hidrogênios ao ácido fumárico, e, assim, o ácido fumárico é convertido a ácido succínico. Este pode ser outra vez oxidado por citocromo, enquanto o ácido málico, após ceder seus 2Hs, torna-se ácido oxaloacético, que pode tomar hidrogênio do alimento novamente, e assim o jogo recomeça, hidrogênios sendo transmitidos todo o tempo do alimento via oxaloacético – málico – fumárico – succínico ao sistema W.K.”
Szent-Györgyi reportou experimentos em 1935 e 1936 que sugeriam que o ácido succínico e seus derivados ácido fumárico, ácido málico e ácido oxaloacético cataliticamente promovem oxidação em tecidos musculares. Provas conclusivas deste efeito catalítico foram apresentadas por Stare & Baumann em dezembro de 1936. Estes autores mostraram que pequenas quantidades destas substâncias eram sufi cientes para provocar um aumento na respiração e que o aumento é um múltiplo da quantidade de oxigênio necessária para a oxidação das substâncias adicionadas. Além disso, a substância adicionada não foi usada, mas pode ser subseqüentemente detectada no meio. Assim, não permanece nenhuma dúvida de que o ácido succínico e substâncias relacionadas podem atuar como catalisadores na respiração.
EFEITO CATALÍTICO DO ÁCIDO CÍTRICO
O passo seguinte foi a descoberta de que o ácido cítrico também atua como ativador catalítico (Krebs e Johnson, 1937). Adicionado ao músculo em pequenas quantidades, ele acelera a oxidação de carboidratos da mesma maneira que o ácido succínico. A análise experimental deste efeito revelou não somente o mecanismo da ação catalítica do ácido cítrico, mas também do ácido succínico e compostos relacionados. Em adição, isto levou à elucidação dos principais passos na degradação oxidativa de carboidratos.
O DESTINO DO ÁCIDO CÍTRICO
O ácido cítrico, por longo tempo, foi conhecido como sendo facilmente oxidável em tecidos vivos, embora os detalhes de seu metabolismo intermediário tenham permanecido obscuros até março de 1937, quando Martius e Knoop descobriram que o ácido α-cetoglutárico é um produto da oxidação do ácido cítrico.
A SUBSEQÜENTE ELABORAÇÃO DO CICLO DOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS
No mesmo período, Ochoa e Lynem mostraram que a acetil- coenzima A (acetil-CoA) é o intermediário que reage com o oxaloacetato para formar citrato. Além disso, a coenzima A foi também encontrada como participante na formação de succinato a partir de α-cetoglutarato, formando succinil coenzima A (succinil-CoA) como intermediário.
células obtêm energia por processos 
fermentativos em que a molécula de glicose é quebrada na ausência de 
oxigênio. Para a maioria das células eucarióticas e para algumas bactérias, sob condições aeróbicas, seus combustíveis orgânicos são transformados em CO2 mais água, sendo a glicólise o primeiro estágio da degradação completa da 
glicose. Após esse estágio, você viu que a molécula de piruvato poderia seguir 
diversos caminhos metabólicos; entre eles, podia ser convertida em etanol e em 
lactato, se a célula estivesse na ausência de oxigênio. No entanto, a molécula 
de piruvato pode também ser convertida a acetil-CoA. Na realidade, o grupo 
acetil, na forma de acetil-CoA, é um intermediário comum ao metabolismo de 
quase todos os compostos biológicos. Ele pode ser formado a partir de glicídios, 
lipídeos e proteínas (veja a Figura 14.1).
A oxidação de grupos acetila é um dos principais processos metabólicos, e mais 
de dois terços dos ATPs utilizados pelas células são produzidos como resultado 
da transferência de elétrons de grupos acetila para o oxigênio molecular na 
mitocôndria. 
Durante o metabolismo, os grupos acetila são ligados como tioéster à coenzima 
A, um tiol que tem como função transportar grupos acetil dentro da célula. 
Qualquer que seja a fonte, grande parte da molécula de acetil é convertida em CO2 mais água, mas qualquer excesso pode ser utilizado para a síntese de ácidos graxos, corpos cetônicos e colesterol. 
A oxidação completa de acetil-CoA para CO2 e água ocorre em uma série de reações conhecidas como ciclo do ácido cítrico, ciclo do ácido tricarboxílico ou 
Ciclo de Krebs. É sobre essas transformações que falaremos nesta aula, que 
começa com a conversão da molécula de piruvato em acetil-CoA e pela entrada 
dos grupos acetil no Ciclo de Krebs. Nós então analisaremos as reações do Ciclo 
de Krebs e as enzimas que as catalisam. Como alguns desses intermediários 
podem também ser usados por outras vias, nós falaremos de algumas vias de 
reposição desses intermediários.
PULEI PARA A AULA 16
A cadeia transportadora de elétrons (CTE) é um conjunto de reações que ocorre nas cristas mitocondriais(ver Aula 14) e fornece energia para outro processo, a fosforilação oxidativa. Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa são, portanto, eventos relacionados, ou melhor, acoplados. Entretanto, cada um deles pode ocorrer independentemente e tem componentes e produtos diferentes.
A cadeia transportadora de elétrons utiliza os aceptores (NADH e FADH2) reduzidos em outras vias metabólicas tais como glicólise ou ciclo do ácido cítrico. A síntese de ATP por fosforilação oxidativa é dependente da energia gerada durante o transporte de elétrons da cadeia mitocondrial.
O que foi gerado no ciclo do ácido cítrico encontra-se na matriz mitocondrial, onde ele acontece. O que foi gerado na glicólise está no citoplasma da célula. Portanto, para que o NADH, reduzido durante a glicólise, possa estar disponível para a cadeia transportadora de elétrons, ele precisa atravessar as membranas mitocondriais, particularmente a interna, que é menos permeável. Para isso, existem transportadores específi cos na membrana interna mitocondrial. O NADH glicolítico pode entrar na mitocôndria por dois caminhos diferentes, ou seja, existem dois transportadores capazes de carregar esta molécula do citoplasma para a matriz mitocondrial. Estes transportadores são chamados lançadeira malato-aspartato e lançadeira do glicerofosfato.
Assim, cada NADH reduzido na glicólise será transformado em FADH2 para participar da CTE na mitocôndria. Neste caso, portanto, temos uma diferença essencial quanto ao saldo de ATPs após a CTE. Lembre que cada NADH gera energia sufi ciente para a síntese de 3 ATPs, enquanto o FADH2 apenas para 2 ATPs. Agora temos todo NADH na matriz mitocondrial. Além do FADH2, é claro. Estes aceptores são o ponto de partida para a síntese de ATP. Cada NADH que transfere seus hidrogênios para a cadeia transportadora gera energia sufi ciente para a síntese de 3 moléculas de ATP. Cada FADH2 gera energia para a síntese de apenas 2 moléculas de ATP.
A CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS (CTE)
Na membrana interna mitocondrial existem partículas organizadas em uma seqüência defi nida. Esta organização obedece a um padrão baseado no potencial redox de cada um dos componentes. Alguns componentes são complexos protéicos integrais de membrana, outros são componentes móveis.
As proteínas estão organizadas em quatro complexos protéicos responsáveis pelas reações de oxirredução que ocorrem nesta membrana. São eles: 
Complexo I – também chamado NADH desidrogenase ou NADH: CoQ oxidorredutase. Complexo II – também chamado succinato desidrogenase ou succinato: CoQ oxidorredutase. Complexo III – também chamado citocromo bc1. Complexo IV – também chamado citocromo oxidase. Além desses complexos protéicos, existem dois componentes móveis da cadeia: a ubiquinona (também chamada coenzima Q e representada como UQ ou CoQ) e o citocromo c.
VERIFICAR SE É NECESSÁRIO SABER CADA COMPLEXO
A FOSFORILIZAÇÃO OXIDATIVA – COMPLEXO V- ATP SINTASE
A ATP sintase é uma enzima que catalisa a síntese de ATP. No processo de respiração celular, esta enzima é responsável pela etapa chamada FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA. Nesta etapa, a energia do fluxo de elétrons é convertida em ATP. Até o complexo IV, o resultado da cadeia transportadora de elétrons é a síntese de duas moléculas de água e um aumento da concentração de prótons no espaço intermembranas. Lembre que esses prótons foram bombeados pelos complexos I, III e IV. O bombeamento de prótons estabelece um gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna. Esta gradiente protônica é também um gradiente eletroquímico, pois ocorre uma diferença de potencial (ddp) entre um lado e outro da membrana mitocondrial interna (Figura 16.12). Em outras palavras, a concentração de prótons em um lado da membrana determina que este lado seja mais positivo que o outro.
A membrana mitocondrial interna não é permeável a prótons e, portanto, qualquer movimento deles requer um transportador específi co. O complexo ATP sintase tem uma estrutura complexa: parte da enzima funciona como um canal de prótons e é por ali que estes retornarão à matriz mitocondrial, desfazendo o gradiente. Segundo Peter Mitchell, a ATP sintase usa a energia do gradiente de prótons para sintetizar ATP, a partir de ADP e Pi. Esta teoria é chamada Teoria Quimiosmótica, e é a mais aceita nos dias de hoje. Você lembra de quando dissemos, no início da aula, que a cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa eram eventos acoplados? Pois bem, veja um esquema completo, representando tal acoplamento na Figura 16.13.
Os componentes da cadeia transportadora de elétrons estão organizados segundo seu potencial de oxirredução (Figura 16.15). O potencial de redução padrão dos diferentes componentes da membrana interna mitocondrial permite a progressiva passagem dos elétrons do NADH e do FADH2 do menor ao maior potencial de redução padrão. Conforme os elétrons atravessam sucessivamente os complexos I, II e IV, é gerada energia livre sufi ciente para a síntese de uma molécula de ATP. No caso do FADH2, o complexo II não é capaz de bombear prótons. Assim, a energia livre gerada na reoxidação desta molécula é menor, e portanto menos ATP é gerado por molécula de FADH2.
A REGULAÇÃO DA CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS E FOSFORILIZAÇÃO OXIDATIVA
A cadeia transportadora de elétrons é regulada pela disponibilidade dos substratos, NADH, FADH2, ADP, Pi e oxigênio. Assim, ela e a fosforilação oxidativa estarão inibidas nas seguintes situações: a) NADH/NAD+ – baixa – nesta situação o poder redutor é baixo e existe uma baixa concentração de doadores de elétrons para a CTE. ATP/ADP – alta – nesta situação a carga energética da célula é alta, e, portanto, a síntese de ATP não precisa ser estimulada. O2 – baixo – o oxigênio é o aceptor fi nal dos elétrons e, na ausência dele, os transportadores fi cam saturados e não são mais capazes de aceitar novos elétrons, paralisando a cadeia transportadora. É por isso que precisamos respirar oxigênio.
DESACOPLAMENTO
Você já sabe que a CTE e a fosforilação oxidativa são eventos acoplados, interdependentes. Para que a mitocôndria sintetize ATP, é necessário que os elétrons passem através dos componentes da cadeia e que os prótons sejam bombeados. Entretanto, em alguns casos é possível desacoplar os dois processos. Isso pode ocorrer com a utilização de substâncias químicas chamadas desacopladores, como o 2,4-dinitrofenol (DNP) ou o carbonilcianeto-p-trif luorometoxifenilhidrazona (FCCP) (ver Figura 16.16). Estas moléculas, por serem capazes de atravessar facilmente a membrana interna mitocondrial por difusão, podem levar os prótons do espaço intermembranas de volta para a matriz, desfazendo o gradiente eletroquímico. Na presença dessas substâncias, então, a cadeia transportadora de elétrons funciona sem que haja síntese de ATP.
Por outro lado, existem situações fi siológicas especiais em que o desacoplamento ocorre. Esse é o caso do tecido adiposo marrom de recém-nascidos e organismos hibernadores, nos quais o desacoplamento é um importante mecanismo para manter o corpo aquecido. Nesses tecidos, a membrana interna mitocondrial apresenta uma proteína desacopladora conhecida como termogenina. Esta proteína é um canal de prótons que, como os desacopladores químicos, deixa passar os prótons de volta para a matriz mitocondrial, desfazendo o gradiente eletroquímico. A energia, neste caso, é dissipada em forma de calor.
FOTOSSÍNTESE
A luz do sol é a fonte original de energia. No processo de fotossíntese, as plantas assimilam a luz do sol através de pigmentos especiais. Açúcares são sintetizados utilizando essa energia e passam a ser fonte de energia química que poderá ser utilizada para formação de outras moléculas. Observe esse processo na Figura 1.1.
A energia necessária para a manutenção da vida entra no ecossistema na forma de luz solar ou energia luminosa. Esta energia é convertida em energia química através da fotossíntese. Os organismos capazes de realizar a fotossíntese são chamados autotrófi cos.Os autotrófi cos convertem parte da energia solar que chega à superfície da Terra em energia química, e esta energia química pode ser estocada nas células ou convertida em trabalho celular. Como vimos anteriormente, este processo é baseado em transdução de energia.
O CICLO DO CARBONO
Na natureza, CO2 e H2O são combinados para formar carboidratos na fotossíntese.
Tanto nos próprios vegetais como nos herbívoros, estes carboidratos são reoxidados para gerar CO2 e H2O, no processo conhecido como respiração celular. Parte da energia é aprisionada na forma de ATP.
Os vegetais adquirem CO2 da atmosfera, por difusão através dos estômatos de suas folhas, e o incorporam à matéria orgânica que será parte de sua biomassa. Parte desse material orgânico torna-se fonte de carbono para os organismos heterotrófi cos (consumidores). A respiração de autotrófi cos e heterotrófi cos retorna o CO2 para a atmosfera (veja a Figura 4.2). O ciclo do carbono é relativamente rápido porque as plantas têm alta demanda de CO2, mas o gás está presente na atmosfera a uma concentração relativamente baixa (~0,03%). A cada ano, plantas removem 1/7 do CO2 da atmosfera, e isto é equilibrado pela respiração, que devolve esse CO2 à atmosfera. Parte do carbono pode ser desviado desse ciclo por um longo período de tempo. Isto acontece quando ele é acumulado em madeira e outros materiais orgânicos duráveis. O processo de decomposição desses materiais eventualmente recicla esse carbono para a atmosfera na forma de CO2, mas o fogo pode oxidar o material orgânico acumulado em madeira a CO2 mais rapidamente.
A fotossíntese ocorre no cloroplasto. Os cloroplastos são formados por uma membrana externa livremente permeável e uma membrana interna seletivamente permeável (veja as Figuras 5.2 e 5.3). A membrana interna envolve um material análogo à matriz mitocondrial – que é chamado estroma.
Mergulhados no estroma estão os tilacóides, estruturas formadas por membranas que lembram sacos. Estes estão organizados empilhados como moedas, formando unidades chamadas grana. Grana são irregularmente conectados por extensões dos tilacóides chamadas lamela. A membrana dos tilacóides envolve um espaço interior chamado lúmen do tilacóide.
A divisão de trabalho no cloroplasto é única. Absorção de luz e todas as reações que dependem de luz ocorrem na membrana dos tilacóides. As outras reações ocorrem no estroma.
AS ETAPAS:
A fotossíntese é descrita, de uma maneira bem geral, como:
onde (CH2O)n representa um carboidrato qualquer.
Entretanto, o processo pode ser dividido em duas etapas:
1) Reações do claro ou fase clara ou etapa fotoquímica.
2) Reações do escuro ou fase escura ou etapa química.
A etapa fotoquímica 
Nesta etapa, a molécula de água é quebrada. O oxigênio de duas moléculas de água se combinam e formam O2. Os hidrogênios restantes se associam com moléculas chamadas aceptores de elétrons. Neste caso, o aceptor é o NADP (Nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato), cuja forma reduzida é representada por NADPH. (veja a Figura 5.5).