ESTUDO DIRIGIDO- MITOCONDRIA E GERAÇÃO DE ENERGIA

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1) Analise o papel e a importância do acoplamento quimiosmótico na química da vida
 para manter seu alto grau de organização em um universo que está constantemente se dirigindo rumo ao caos, as células apresentam uma necessidade contínua de um suprimento abundante de ATP. Nas células eucarióticas, a maior parte do ATP que fornece energia para os processos vitais. acoplamento quimiosmótico, referindo-se a um acoplamento entre as reações de formação de ligações químicas que produzem ATP (“quimio”) e processos de transporte através da membrana (“osmótico”)
2) Compare os mecanismos envolvidos na conversão de energia de mitocôndrias e cloroplastos, destacando as diferenças e similaridades entre eles.
O piruvato e os ácidos graxos entram na mitocôndria (parte superior da figura) e são convertidos em acetil-CoA. A acetil-CoA é metabolizada pelo ciclo do ácido cítrico, que reduz NAD+ a NADH, que então transfere seus elétrons de alta energia ao primeiro complexo da cadeia transportadora de elétrons. No processo de fosforilação oxidativa, esses elétrons são transferidos ao longo da cadeia transportadora de elétrons nas cristas da membrana interna até o oxigênio (O2). Esse transporte de elétrons gera um gradiente de prótons, que é utilizado para direcionar a produção de ATP pela ATP-sintase (ver Figura 14-3). Elétrons provenientes da oxidação do succinato, um intermediário de reação no ciclo do ácido cítrico, seguem um caminho separado para entrar nessa cadeia transportadora de elétrons 
Os cloroplastos requerem somente água e dióxido de carbono como substratos para suas reações de fotossíntese estimuladas pela luz, e eles produzem os nutrientes para a maioria dos outros organismos do planeta. Cada reação de oxidação de duas moléculas de água por um centro de reação fotoquímica na membrana tilacoide produz uma molécula de oxigênio, que é liberada na atmosfera. Ao mesmo tempo, prótons são concentrados no interior dos tilacoides. Esses prótons criam um grande gradiente eletroquímico através da membrana tilacoide, que é usado pela ATP-sintase do cloroplasto para produzir ATP a partir de ADP e fosfato. Os elétrons subtraídos da água são transferidos para um segundo tipo de centro de reação fotoquímica para produzir NADPH a partir de NADP+ . Como indicado, o NADPH e o ATP são usados no ciclo de fixação de carbono para reduzir dióxido de carbono, produzindo desse modo os precursores para açúcares, aminoácidos e ácidos graxos. O CO2 que é capturado da atmosfera nesse processo é a fonte de átomos de carbono para a maioria das moléculas orgânicas da Terra.
A mitocôndria converte a energia de combustíveis químicos. (B) O cloroplasto converte a energia da luz solar. . Dentro da mitocôndria, gorduras e carboidratos das moléculas do alimento são usados no ciclo do ácido cítrico e fornecem elétrons para gerar o composto rico em energia NADH a partir de NAD+ . Esses elétrons fluem a favor de um gradiente de energia à medida que passam de um complexo para o seguinte na cadeia transportadora de elétrons, até se combinarem com O2 molecular no último complexo para produzir água. A energia liberada em cada passo é aproveitada para bombear H+ através da membrana. No cloroplasto, por sua vez, os elétrons são extraídos da água por meio da ação da luz no complexo do fotossistema II e O2 molecular é liberado. Os elétrons passam para o complexo seguinte na cadeia, que usa parte da sua energia para bombear prótons através da membrana, antes de passar para o fotossistema I, onde a luz solar gera elétrons de alta energia que se combinam com NADP+ para produzir NADPH. O NADPH entra então no ciclo de fixação de carbono junto com o CO2 para gerar carboidratos.
3) Discuta sobre os diferentes estágios do metabolismo celular, caracterizando-os. 
A respiração ocorre em três etapas básicas: a glicólise, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa.
A glicólise é uma etapa anaeróbia da respiração celular que ocorre no citosol e envolve dez reações químicas diferentes. Essas reações são responsáveis pela quebra de uma molécula de glicose (C6H12O6) em duas moléculas de ácido pirúvico (C3H4O3).
O processo de glicólise inicia-se com a adição de dois fosfatos, provenientes de duas moléculas de ATP, à molécula de glicose, promovendo a sua ativação. Essa molécula torna-se instável e quebra-se facilmente em ácido pirúvico. Com a quebra, ocorre a produção de quatro moléculas de ATP, entretanto, como duas foram utilizadas inicialmente para a ativação da glicose, o saldo positivo é de duas moléculas de ATP.
Durante a glicólise também são liberados quatro elétrons (e-) e quatro íons H+. Dois H+ e os quatro e- são capturados por duas moléculas de NAD+ (dinucleotídio nicotinamida-adenina), produzindo moléculas de NADH.
Após a glicólise, inicia-se uma etapa aeróbia, a qual inclui o ciclo de krebs, também chamado de ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico. Essa etapa ocorre no interior da organela celular conhecida como mitocôndria e inicia-se com o transporte do ácido pirúvico para a matriz mitocondrial.
Na matriz, o ácido pirúvico reage com a coenzima A (CoA) ali existente, produzindo uma molécula de acetilcoenzima A (acetil-CoA) e uma molécula de gás carbônico. Durante esse processo, uma molécula de NAD+ é transformada em uma de NADH em razão da captura de 2 e- e 1 dos 2 H+ que foram liberados na reação.
A molécula de acetil-CoA sofre com o processo de oxidação e dá origem a duas moléculas de gás carbônico e a uma molécula intacta de coenzima A. Esse processo, que envolve várias reações químicas, é o chamado ciclo de Krebs
A última etapa da respiração celular também ocorre no interior das mitocôndrias, mais precisamente nas cristas mitocondriais. Essa etapa é chamada de fosforilação oxidativa, uma vez que se refere à produção de ATP a partir da adição de fosfato ao ADP (fosforilação). A maior parte da produção de ATP ocorre nessa etapa, na qual acontece a reoxidação das moléculas de NADH e FADH2.
Nas cristas mitocondriais são encontradas proteínas que estão dispostas em sequência, as chamadas cadeias transportadoras de elétrons ou cadeias respiratórias. Nessas cadeias ocorre a condução dos elétrons presentes no NADH e no FADH2 até o oxigênio. As proteínas responsáveis por transferir os elétrons são chamadas de citocromos.
Os elétrons, ao passarem pela cadeia respiratória, perdem energia e, no final, combinam-se com o gás oxigênio, formando água na reação final. Apesar de participar apenas no final da cadeia, a falta de oxigênio gera o interrompimento do processo.
A energia liberada através da cadeia respiratória faz com que os íons H+ concentrem-se no espaço entre as cristas mitocondriais, voltando à matriz. Para voltar ao interior da mitocôndria, é necessário passar por um complexo proteico chamado de sintase do ATP, onde ocorre a produção de ATP. Nesse processo são formadas cerca de 26 ou 28 moléculas de ATP.
4) Analise a estrutura das mitocôndrias ressaltando o papel das diferentes moléculas e compartimentos no metabolismo energético. 
as mitocôndrias possuem uma membrana externa e outra interna. As duas membranas possuem funções e propriedades distintas, e delineiam compartimentos separados dentro da organela. A membrana interna, que delimita o compartimento da matriz mitocondrial interna , é altamente enovelada para formar invaginações conhecidas como cristas, que contêm nas suas membranas as proteínas da cadeia transportadora de elétrons. Onde a membrana interna dispõe-se em paralelo com a membrana externa, entre as cristas, ela é denominada membrana de limite interno. O espaço estreito (20 a 30 nm) entre a membrana de limite interno e a membrana externa é conhecido como espaço intermembranas. As cristas são discos ou túbulos de membrana de 20 nm de largura que se projetam profundamente na matriz e delimitam o espaço da crista. A membrana da crista é contínua com a membrana de limite interno, e onde suas membranas se unem, formam-se tubos ou fendas, conhecidos como junções da crista. Assim como a membrana externa bacteriana, amembrana mitocondrial externa é livremente permeável a íons e a moléculas pequenas de até 5 mil dáltons. Isso ocorre porque ela contém muitas moléculas de porinas, uma classe especial de proteínas de membrana do tipo barril b que cria poros aquáticos através da membrana
Na membrana mitocondrial interna, supõe-se que a região de limite de membrana interna contenha a maquinaria para importar proteínas, novas inserções de membrana e a montagem dos complexos da cadeia respiratória. As membranas das cristas, que são contínuas com a membrana de limite interna, contêm a enzima ATP-sintase que produz a maior parte do ATP celular; elas também contêm os grandes complexos proteicos da cadeia respiratória – o nome dado para a cadeia transportadora de elétrons mitocondrial. Nas junções das cristas, onde as membranas das cristas se unem à membrana de limite interna, complexos proteicos especiais fornecem uma barreira de difusão que segrega as proteínas de membrana nas duas regiões da membrana interna; esses complexos supostamente ancoram as cristas à membrana externa, mantendo, desse modo, a topologia altamente enovelada da membrana interna. As membranas das cristas contêm uma das densidades de proteínas mais altas de todas as membranas biológicas, com um conteúdo lipídico de 25% e um conteúdo proteico de 75% por peso. O enovelamento da membrana interna formando as cristas aumenta grandemente a área de membrana disponível para fosforilação oxidativa. Em células musculares cardíacas altamente ativas, por exemplo, a área total das membranas das cristas pode ser até 20 vezes superior à área da membrana plasmática celular. Ao todo, a área de superfície das membranas das cristas em cada corpo humano corresponde ao tamanho de cerca de um campo de futebol americano.
Junto com as cristas que se projetam dentro dela, a matriz é a principal parte operante da mitocôndria. As mitocôndrias podem utilizar tanto o piruvato quanto os ácidos graxos como combustível. O piruvato é derivado da glicose e de outros açúcares, enquanto os ácidos graxos são derivados das gorduras. Ambas as moléculas de combustível são transportadas através da membrana mitocondrial interna por proteínas transportadoras especializadas, e elas podem ser convertidas no intermediário metabólico crucial acetil- -CoA por enzimas localizadas na matriz mitocondrial
5) Sintetize os principais passos da Glicólise e do Ciclo de Krebs, destacando os compartimentos em que acontecem em procariotos e eucariotos. 
A glicólise tem dez passos. A glicólise ocorre no citoplasma da célula e pode ser dividida em duas fases principais: a fase de investimento de energia, acima da linha pontilhada da imagem abaixo e a fase de rendimento de energia, abaixo da linha pontilhada.
Fase de investimento de energia. Nessa fase, a molécula inicial de glicose é reorganizada e duas moléculas de fosfato são ligadas a ela. Os grupos fosfato tornam o açúcar modificado - agora chamado de frutose-1,6 bifosfato - instável, permitindo que seja dividido na metade para formar dois açúcares fosfato de três carbonos. Na medida em que os fosfatos utilizados nesses passos vêm do ATP, duas moléculas de ATP são investidas.
Fase de rendimento de energia. Nessa fase, cada açúcar de três carbonos é convertido em outra molécula de três carbonos, o piruvato, através de uma série de reações. Nessas reações, duas moléculas de ATP e NADH são produzidas. Já que essa fase acontece duas vezes, uma para cada açúcar de três carbonos, são produzidos quatro ATP e dois NADH no geral.
Nos procariontes, a glicólise e o ciclo de Krebs ocorrem no citoplasma, e a cadeia respiratória ocorre na face da membrana plasmática voltada para o citoplasma. Nos eucariontes, a glicólise ocorre no citosol, o ciclo de Krebs acontece na matriz mitocondrial, cadeia transportadora de elétrons, e ocorre nas cristas mitocondriais.
6) Analise os diferentes caminhos do piruvato nas diversas condições do microambiente celular. 
A glicose é parcialmente oxidada, na glicólise, em duas moléculas de piruvato, gerando ATP através da fosforilação e NADH. Após a degradação da glicose, as moléculas de piruvato entram no ciclo de Krebs, dando continuidade à segunda parte da degradação da glicose. Para a glicose entrar no ciclo do ácido cítrico, ela é quebrada em duas moléculas de piruvato na via glicolítica que ocorre em duas fases. A primeira, que é a fase preparatória da glicose, onde ela investe duas moléculas de ATP na reação de fosforilação dando origem ao gliceraldeído 3P. Na segunda fase, o gliceraldeído 3P é oxidado pelo NAD e fosforilado, dando origem às moléculas de ATP, NADH e piruvato.[3]
Glicose a piruvato
Glicose + 2NAD+  2 PIRUVATO + 2NADH  +  2H+
Primeiro destino: A acetil-CoA.
Para gerar o grupo acetil-coenzima A, o piruvato tem que ser oxidado, liberando CO². A partir daí, o grupo acetil é totalmente oxidado no ciclo do ácido cítrico.
Segundo destino: O piruvato é reduzido a lactato através de fermentação láctica, recebendo os elétrons do NADH, e assim fazendo a regeneração do NAD1, que é necessário para continuar a glicólise. Quando o músculo esquelético é contraído vigorosamente, ele trabalha em hipóxia (condição de baixa pressão de oxigênio), que é quando o NADH não pode ser reoxidado a NAD1, que é necessário como aceptor de elétron para a oxidação do piruvato.
Terceiro destino: Fermentação alcóolica
Local: citosol ou hialoplasma.
7) Discuta o papel da cadeia transportadora de elétrons e seus respectivos componentes no metabolismo energético das mitocôndrias, ressaltando a origem e o papel do gradiente de prótons.
Assim, tanto as mitocôndrias como os cloroplastos usam a cadeia transportadora de elétrons para produzir um gradiente de H+ que fornece energia às reações que são críticas para a célula. ) Nas reações de oxidação biológicas, cerca de metade da energia liberada é armazenada em uma forma útil para a célula por meio da cadeia transportadora de elétrons (a cadeia respiratória) na membrana das cristas da mitocôndria. Nas pontas das cristas, as ATP-sintases formam um escoadouro para os prótons. As bombas de prótons da cadeia transportadora de elétrons estão localizadas nas regiões de membrana em cada lado da crista. Como ilustrado, os prótons tendem a se difundir ao longo da membrana, partindo de sua fonte para os escoadouros de prótons criados pela ATP-sintase. Isso possibilita uma produção eficiente de ATP, a despeito do pequeno gradiente de H+ existente entre o citosol e a matriz. Setas vermelhas mostram a direção do fluxo dos prótons.
8) Avalie o balanço energético a partir do metabolismo de 1 molécula de glicose por células eucarióticas, ressaltando a contribuição de NADs e FADs.