Amido e Sacarose

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  • 7/21/2019 Amido e Sacarose

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    Material didtico de apoio disciplina BVE 270

    Ateno: Material provisrio ainda em fase de redao e correo. Por favo, no reproduza. Espere a verso

    devidamente corrigida. Correo parcial efetuada em 07/05/2003

    SSnntteessee ddee ccaarrbbooiiddrraattooss ddee rreesseerrvvaass ee RReessppiirraaoo

    Prof. Marcelo Ehlers Loureiro

    Prof. Marco Aurlio Pedron e Silva

    Reviso de texto: Pedro Eisenlohr

    1) Sintese de Reservas pelas Folhas: Sntese de Amido e Sacarose...........................................................................1 2) Regulao da Sintese de Amido...............................................................................................................................3 3) Regulao da Sintese de Sacarose............................................................................................................................4 4) Respirao...................................................................................................................................................................5 4.1) Aspectos Gerais ......................................................................................................................................................5

    4.2) Mitocndria .........................................................................................................................................................6 4.3) Gliclise ................................................................................................................................................................7 4.4) Ciclo de Krebs......................................................................................................................................................9

    4.4.1) Oxidao do Piruvato...................................................................................................................................9 4.4.2) Ciclo do cido ctrico....................................................................................................................................9 4.4.3) Cadeia de transporte de eltrons e fosforilao oxidativa......................................................................10 4.4.4) Vias alternativas de mitocndrias de plantas ............................................... Erro! Indicador no definido.

    5) Regulao da gliclise ..............................................................................................................................................16 6) Alteraes na Gliclise em Plantas sob Condies de Hipoxia.............................................................................18 7) Via da pentose-fostato (PPP)...................................................................................................................................18 8) Fatores que afetam a respirao.............................................................................................................................20

    8.1) Disponibilidade de substrato............................................................................................................................20 8.2) Disponibilidade de Oxignio.............................................................................................................................20 8.3) Temperatura......................................................................................................................................................22 8.4) Tipo e idade da planta.......................................................................................................................................22

    11)) SSnntteessee ddee RReesseerrvvaass ppeellaass FFoollhhaass:: SSnntteessee ddee AAmmiiddoo ee SSaaccaarroossee

    A fotossntese transforma a energia luminosa em energia bioqumica, a qual utilizada nas

    reaes biossintticas de outras molculas necessrias s clulas. Essa energia encontra-se

    armazenada na molcula de triose-fosfato (triose-P) produzida no Ciclo de Calvin. Essa triose(gliceraldedo-3-fosfato, 3-PAG - em portugus: 3-GAP - ou dihidroxiacetona-3-fosfato) pode ser

    utilizada no prprio cloroplasto para a sntese do amido transitrio, ou pode ser transportada para o

    citosol por uma protena de membrana chamada translocador de triose. Para que esse transporte

    ocorra, dever ocorrer o contra-transporte de um Pi, do citosol para o cloroplasto. Para cada triose

    transportada para o citosol, um Pi ser transportado para o cloroplasto. A triose que chega ao citosol

    poder ser utilizada nas reaes de sntese de sacarose (ou alternativamente, na respirao), que

    ocorrem basicamente no citosol da clula da folha.

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    Fig. 1. Destinos da triose produzida pelo ciclo de Calvin para a sntese de reservas energticas pela planta.

    As trioses-P produzidas pelo Ciclo de Calvin podem seguir duas rotas metablicas distintas:

    ou permanecem no estroma e seguem sntese de amido, ou so transportadas ao citosol para a

    sntese de sacarose.

    A sntese de amido s ocorre durante o dia, visto que o acmulo de triose para a sua sntese

    s ocorre na presena da luz. Na sntese de amido, primeiro as trioses-P so utilizadas para a sntese

    de hexoses, as quais so transportadas como ADP-glicose (ADPG) pela enzima ADPGase

    (Pirofosforilase da ADPG), enzima-chave no controle da sntese de amido. ADPGase ativada pelo

    sistema ferredoxina-tioredoxina, o qual tambm s ativo durante o dia. O acmulo de grandes

    quantidades de amido nos cloroplastos pode levar a um desarranjo nas membranas dos tilacides,

    afetando a perfeita estrutura dos fotossistemas e, conseqentemente, afetando a captao de energia

    luminosa e diminuio das taxas fotossintticas. Assim, o controle da sntese de amido essencial,

    de forma a no prejudicar a fotossntese.

    Fig.2: Micrografia eletrnica mostrando a

    acumulao. Tanto a regio mais clara comoa mais escura faz parte do gro de amido.

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    A triose transportada ao citosol utilizada na sntese da sacarose, em vrias reaes

    similares quelas da sntese de amido. A sntese da sacarose leva liberao de quatro fosfatos (Pi),

    que so essenciais para que o transporte de triose continue (Fig.3). Visto que a taxa de sntese de

    sacarose excede em at 10 vezes a taxa de sntese de amido, a maior parte da triose produzida no

    Ciclo de Calvin transportada para o citosol e utilizada na sntese da sacarose. O principal destino

    da sacarose sintetizada no citosol sua exportao para os rgos dreno (rgos que no sintetizam

    a energia suficiente que precisam). Tambm ocorre um transporte de sacarose para dentro do

    vacolo, o qual, junto com o amido transitrio do cloroplasto, servem como substrato para manter a

    respirao e o transporte de sacarose noite, perodo no qual no h sntese de triose-P. Em

    algumas plantas, como cevada, no acumulado amido transitrio durante o dia, sendo a sacarose

    ou os frutanos acumulados no vacolo a principal fonte energtica para sustentar a respirao

    noturna.

    Fig. 3. Rota biossinttica da sacarose, mostrando os grupos Pi liberados na rota e sua importncia para o transportedas trioses-P para o citosol.

    22)) RReegguullaaoo ddaa SSiinntteessee ddee AAmmiiddoo

    Como comentado no item anterior, a sntese de sacarose cerca de 10 vezes superior

    sntese de amido. A enzima-chave na regulao desse processo a ADPGase, a qual regulada

    alostericamente pelos metablitos Pi (inibidor da atividade enzimtica) e pelo 3-PGA (glicerato 3-

    fosfato - ativador da atividade enzimtica). O Pi oriundo da prpria sntese do amido ou oriundo do

    citosol (produto da sntese da sacarose) pode se acumular no cloroplasto e inibir a ADPGase

    alostericamente. Isso ocorre, por exemplo, quando uma reduo significativa nas reaes

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    fotoqumicas ocorre. Essas reaes consomem a grande maioria do Pi, para que possam sintetizar

    ATP. Se houver reduo nas reaes fotoqumicas, acumular-se- Pi no cloroplasto, inibindo ento

    a ADPGase. Essa inibio importante para evitar que a sntese de amido compita com o Ciclo de

    Calvin, visto que ambas as rotas bioqumicas utilizam a triose-P como substrato. Assim, a

    acumulao da reserva na forma de amido no ocorre de forma a prejudicar o Ciclo de Calvin. Ainibio pelo Pi pode ser superada pelo estmulo do regulador alostrico 3-PGA. Assim, se a sntese

    de amido aumentar muito, ao mesmo tempo muito Pi se acumular no cloroplasto, inibindo a

    ADPGase. Essa regulao da sntese do amido por Pi e 3-PGA vem explicar o mecanismo pelo qual

    a sntese de amido uma vlvula de superfluxo de produo de energia na forma de carboidratos:

    quando a sacarose se acumula, devido saturao de seu transporte (ou inibio), menos Pi

    liberado no citosol, diminuindo tambm o Pi no cloroplasto, acumulando-se triose-P. Diminuio de

    Pi no cloroplasto significa alvio da inibio da ADPGase pelo Pi, e acmulo de triose significatambm acmulo de 3-PGA, o regulador positivo da ADPGase. Assim, aumenta dramaticamente a

    atividade da ADPGase quando diminui a sntese da sacarose, visto que aumenta a concentrao do

    estimulador e diminui a do inibidor.

    Fig 4: Esquema da regulao da

    ADPGase, enzima-chave da sntese de

    amido, pelos seus efetores (Pi e 3-

    fosfoglicerato).

    -+

    33)) RReegguullaaoo ddaa SSiinntteessee ddee SSaaccaarroossee

    Duas enzimas-chaves so os principais responsveis pela regulao da sntese da sacarose:

    SPS (Sintase da sacarose-fosfato) e FBPase (frutose 1,6-bifosfatase). A regulao da enzima

    FBPase ser abordada no tem Regulao da Gliclise. Concentraremo-nos agora somente na

    regulao da SPS.

    A enzima SPS, quando fosforilada pela enzima cinase da SPS, transforma-se em sua forma

    menos ativa. A ativao da SPS, ao contrrio, depende de sua desfosforilao pela enzima SPS-

    fosfatase. Dois metablitos regulam o nvel da forma ativa (fosforilada) da SPS, bem como do nvel

    de atividade enzimtica da forma ativada. Glicose-6-fosfato (G-6-P) inibe a cinase da SPS,inibindo, portanto, a sua inativao. A G-6-P , tambm, um regulador alostrico da SPS ativa: ela

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    liga-se enzima diretamente, aumentando a sua velocidade de reao. G-6-P um sinal, traduzindo

    o tamanho do reservatrio de hexoses de uma clula, o que ajuda no equilbrio entre duas rotas

    competitivas: fotossntese e gliclise. Traduz, tambm, o nvel de triose, indicando o nvel de

    atuao do Ciclo de Calvin. Assim, se G-6-P alto, significa que a gliclise est satisfeita, e que

    o ciclo de Calvin est atuando em nveis elevados, sendo, ento, o sinal verde para a sntese dasacarose. Por outro lado est o Pi, cujo efeito exatamente o contrrio ao da G-6-P. Alta

    concentrao de Pi no citosol significa alta sntese de sacarose, e/ou alta taxa de metabolismo +

    respirao insuficiente a essa demanda, ou reduo do nvel de atividade do Ciclo de Calvin (menos

    triose sendo transportada para o citosol, acumulando Pi no citosol). Pi um freio sntese de

    sacarose, e esse freio importante de forma a permitir que a clula de uma folha no sacrifique

    outras rotas metablicas custa da exportao da sacarose pela folha. Pi ento inibe a fosfatase, que

    ativaria a SPS, e atua tambm ao nvel da enzima SPS ativada (desfosforilada), inibindo avelocidade da reao catalisada por essa enzima. Pi tambm regula a sntese da sacarose, quando da

    regulao da enzima FBPase (ver adiante).

    Fig. 5: Regulao da sntese da sacarose atravs da regulao da SPS

    44)) RReessppiirraaoo

    44..11)) AAssppeeccttooss GGeerraaiiss

    A respirao um processo de xido-reduo, no qual a energia armazenada nas molculas

    orgnicas reduzidas (compostos orgnicos de reserva) liberada de forma controlada. A respirao aerbica

    comum a todos os organismos eucariontes e, em termos gerais, o processo respiratrio nas clulas

    vegetais e animais similar.

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    A equao simplificada da respirao, geralmente, representada pela oxidao de uma molcula

    de glicose:

    C6H12O6 + 6O2 + 6H2 O 12H2 O + 6CO2

    (G = -2880 kJ/mol glicose)

    Nesta equao, que representa uma reao de xido-reduo, a glicose completamente oxidada

    a CO2. O oxignio, que serve como ltimo aceptor de eltrons, reduzido para formar gua.

    Geralmente, a glicose citada como o substrato respiratrio. As fontes de glicose so polmeros,

    como o amido, ou dissacardeos, como a sacarose. No entanto, no metabolismo celular, outros acares,

    lipdeos (principalmente triacilglicerol), cidos orgnicos e, em determinadas circunstncias, protenas,

    podem ser utilizados como substratos respiratrios.

    A respirao celular ocorre em trs etapas definidas:

    -A gliclise, catalisada por enzimas solveis localizadas no citosol, que permite a oxidao de uma

    molcula de glicose, produzindo dois piruvatos, ATP e gerando NADH;

    -O ciclo de Krebs (ou ciclo do cido ctrico ou ainda ciclo dos cidos tricarboxlicos), que ocorre na matriz

    da mitocndria, atravs do qual o piruvato oxidado completamente, liberando CO2, gerando ATP e uma

    considervel quantidade de NADH;

    -A cadeia de transporte de eltrons, que ocorre na membrana interna das mitocndrias, atravs da qual so

    transferidos eltrons do NADH para o O2, gerando-se um gradiente eletroqumico de prtons que permite a

    sntese de ATP via enzimasintetase do ATP (comumente referida como ATPase).

    4.2) Mitocndria

    A mitocndria uma organela celular de poucos micrmetros (m) de dimetro e comprimento,

    onde ocorre o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de eltrons. Esta organela est limitada por duasmembranas, uma externa e uma interna invaginada. A fase aquosa do interior da membrana interna

    denominada matriz. A regio limitada pelas duas membranas o espao intermembranar. As invaginaes

    da membrana interna formam estruturas denominadas cristas. As cristas permitem incrementar

    significativamente a rea superficial da membrana interna.

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    Fig. 6 A mitocndria

    A teoria endossimbionte hipotetiza que um microrganismo foi absorvido por outro,

    desenvolvendo um processo de endossimbiose, o que levou ao surgimento da mitocndria (como tambm

    citado para a origem do cloroplasto). Como evidncias, temos, na mitocndria, a presena de cromossoma e

    ribossomas de procariotos, e a presena de um processo de replicao, transcrio e traduo, tambm

    caractersticos de eucariotos. Durante a evoluo, tambm vemos um processo contnuo de fluxo gnico,

    possuindo os mamferos um genoma mitocondrial muito menor do que o genoma mitocondrial das plantas,

    as quais so menos evoludas.

    4.3) Gliclise

    A degradao da sacarose considerada uma primeira fase da gliclise. Duas rotas de

    degradao da sacarose so possveis: uma via invertase e outra via sintase da sacarose (SuSy; Fig

    7). A reao via invertase irreversvel, e no aproveita a energia glicosdica que ligava a frutose

    glicose na molcula de sacarose. A reao catalisada pela SuSy aproveita essa energia, a qual

    mantida na ligao UDP-glicose, e aproveitada finalmente na reao seguinte na produo de UTP.

    Qualquer via de degradao ir originar, no final, frutose-6-fosfato (F-6-P), a qual segue ento para

    a segunda fase da gliclise (Fig.7).

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    Fig. 7: Primeira fase da gliclise. A degradao da sacarose pode ocorrer por duas rotas distintas, as quais confluem

    para o mesmo ponto final (produo de frutose 6-fosfato).

    Fig. 8: Esquema das reaes da gliclise a partir da F-6-P.

    At a formao de 3-GAP, a partir de uma hexose (imagine a

    hexose ou a frutose formada pela reao da invertase), ocorre o

    gasto de duas molculas de ATP. Mas a funo da respirao

    exatamente o contrrio (transformar a energia presente nas ligaes

    qumicas de uma molcula de acar em ATP). Na verdade, essas

    primeiras reaes esto preparando a molcula de acar, de forma

    que as reaes posteriores possam aproveitar melhor a energia

    presente. A produo de energia comea a partir do 3-GAP. Esse

    aldedo transformado em um cido, sendo sua energia utilizada na

    incorporao de mais um fosfato molcula, bem como na gerao

    de um NADH. Esse fosfato introduzido nessa reao poder, ento,

    ser utilizado na prxima reao, onde 1,3-PGA transformado em

    PGA, produzindo ATP. A ltima reao produtora de energia nagliclise a formao de piruvato a partir do fosfoenolpiruvato

    (PEP), onde ser, ento, produzido um ATP. Cada hexose oxidada

    na gliclise consumir, portanto, 2 ATPs, e produzir 4 ATPs (saldo

    lquido de 2 ATPs) e 2 NADH.

    Sob condies de anaerobiose, os NADH produzidos na gliclise no podem ser reciclados na

    cadeia mitocondrial de transporte de eltrons. Assim sendo, ainda no citosol, o piruvato pode ser utilizado

    como substrato para aFermentao Lctica ou para aFermentao Alcolica. NaFermentaoLctica, o

    prprio piruvato reduzido a lactato, utilizando-se o poder redutor do NADH, visando a recuperao de

    NAD+. NaFermentao Alcolica, o piruvato inicialmente descarboxilado, resultando em acetaldedo, e

    este reduzido (utilizando o poder redutor do NADH), resultando em lcool etlico. As fermentaes

    caracterizam-se por envolverem uma oxidao apenas parcial do substrato orgnico inicial (glicose, em

    geral), e pelo fato de um composto orgnico ser o aceptor final de eltrons. Assim sendo, compostos

    orgnicos esto entre os produtos finais (lactato ou lcool etlico + CO2) e o rendimento energtico de

    apenas 2 ATPs, que correspondem ao saldo da gliclise.

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    4.4) Ciclo de Krebs

    Sob condies aerbicas, o piruvato transportado para o interior das mitocndrias, onde oxidado

    completamente, no ciclo de Krebs, liberando CO2.O ciclo de Krebs, tambm denominado de ciclo do cido ctrico ou dos cidos tricarboxlicos

    (TCA), ocorre fundamentalmente na matriz mitocondrial. Na verdade, a oxidao mitocondrial do piruvato

    ocorre em duas etapas. Na primeira, o piruvato oxidado at acetil-CoA. Na segunda, os grupamentos de

    acetil so oxidados completamente a CO2, no ciclo do cido ctrico.

    4.4.1) Oxidao do Piruvato

    Na oxidao do piruvato, uma molcula de piruvato convertida em acetil, em uma srie cclica de

    reaes que removem dois eltrons, dois H+ e um carbono na forma de CO2. Os eltrons e prtons so

    utilizados para reduzirem o NAD+ a NADH. A unidade acetil transferida para a coenzima A, para formar

    acetil-CoA. As unidades acetil, carregadas pela acetil-CoA, servem como combustvel intermedirio para

    alimentar o ciclo do cido ctrico. Os eltrons carregados pelo NADH representam energia potencial que

    eventualmente utilizada para sntese de ATP, como conseqncia da operao da cadeia de transporte de

    eltrons.

    acetil + 3NAD+

    + FAD + ADP + Pi 2CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP

    4.4.2) Ciclo do cido ctrico

    No ciclo de Krebs, os dois carbonos do acetil, carregados pela acetil-CoA, so transferidos para o

    oxaloacetato para formar citrato, que um cido tricarboxlico. Essa primeira reao catalisada pela

    citrato sintase, principal enzima reguladora do ciclo. Nas etapas seguintes, o citrato oxidado, formando

    diversos cidos orgnicos tri ou dicarboxlicos. Nas diferentes etapas do ciclo, eltrons e prtons so

    transferidos ao NAD+ e FAD+ para formar NADH e FADH2, respectivamente. Ocorre, tambm, sntese

    direta de ATP (fosforilao ao nvel de substrato) e a formao de intermedirios, utilizveis em outros

    processos biossintticos.

    piruvato + coenzima A + NAD+

    acetil CoA + NADH + CO2

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    Fig. 9: O ciclo de Krebs

    4.4.3) Cadeia de transporte de eltrons e fosforilao oxidativa

    O sistema de transporte de eltrons formado por quatro complexos proticos inseridos namembrana interna da mitocndria:

    -Complexo I = NADH desidrogenase (NADH-ubiquinona oxidoredutase)-Complexo II = Succinato desidrogenase (succinato-ubiquinona oxidoredutase)-Complexo III = Citocromo b-c1 (ubiquinona-citocromo c oxidoredutase)-Complexo IV = Oxidase terminal (citocromo c - O2 oxidoredutase)

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    Fig. 10 A cadeia transportadora de eltrons

    Nesse sistema, eltrons do NADH so transferidos de um complexo a outro at o aceptor final,

    que o oxignio. Alm dos complexos indicados, tambm participam do transporte as ubiquinonas e o

    citocromo c. A passagem dos eltrons atravs dos complexos resulta em um transporte vetorial de prtons

    da matriz para o espao intermembranar. Esse bombeamento de prtons gera um gradiente eletroqumico deprtons (fora prton-motora), que utilizado posteriormente para a sntese de ATP.

    Fig. 11: Representao esquemtica dos complexos 1 e 2, indicando o transporte de eltrons atravs desses dois complexos

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    Fig. 12: Representao esquemtica dos complexos 3 e 4, indicando o transporte de eltrons atravs desses dois complexos. As

    duas figuras do complexo 3 representam a oxidao sucessiva de duas molculas de ubiquinona reduzida e a realizao de um

    ciclo Q, regenerando uma segunda molcula de ubiquinona reduzida.

    O gradiente de prtons gerado permite a sntese de ATP no complexo sintetase do ATP, quando

    os prtons retornam do espao intermembranar para a matriz, atravs do canal protnico deste complexo.

    Este tipo de sntese de ATP, que utiliza a energia do gradiente eletroqumico de prtons, denominado

    fosforilao oxidativa. Neste caso, diz-se que a fosforilao est acoplada ao funcionamento da cadeia de

    transporte de eltrons. por isso que a sintase do ATP tambm denominada Fator de acoplamento.

    Assim, para cada NADH oxidado na cadeia respiratria, so sintetizados 3 ATPs, e a oxidao de cada

    FADH2 resulta na sntese de 2 ATPs.

    Energeticamente, a oxidao completa de 2 piruvatos permite a formao de 8 NADH e 2

    FADH2, que possibilita a sntese de 28 ATPs que, somados aos 2 ATPs sintetizados diretamente na

    fosforilao ao nvel de substrato, perfazem um total de 30 ATPs.

    Na gliclise, so produzidos 2 ATPs ao nvel do substrato e 2 NADH. Os NADH citoplasmticos

    no conseguem penetrar no interior das mitocndrias e no tm acesso direto ao complexo I da cadeia

    respiratria. Entretanto, os seus eltrons podem ser transferidos para alguns dos transportadores da cadeia

    respiratria, via sistema de lanadeira (catapulta de NADH) ou atravs de uma NADH desidrogenase

    adicional, localizada na face externa da membrana mitocondrial interna, presente apenas em mitocndrias

    de plantas. Neste caso, a energia liberada suficiente para a produo de apenas 2 ATPs para cada NADH

    citoplasmtico que for oxidado.

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    Figura 13: Reaes metablicas da Catapulta de NADH.Ao invs do PEP originar piruvato na srie de reaesglicolticas normais, ele originar malato, consumindoNADH no citosol. O malato ento transportado para a

    mitocndria aonde ser transformado em piruvato ouoxalacetato, gerando o NADH agora dentro damitocndria, o qual poder entoser utilizado pelocomplexo 1.

    Em resumo, a oxidao completa de 1 mol de glicose pelo processo respiratrio permite

    recuperar 36 ATPs que, energeticamente representam 40% do total da energia contida em um mol de

    glicose.

    Na verdade, este rendimento pode variar, dependendo de estarem, ou no, em operao as

    chamadas vias alternativas, que podem estar presentes nas mitocndrias vegetais.

    4.4.4) Vias alternativas de mitocndrias de plantas

    Na figura abaixo podemos visualizar a via predominante e algumas vias alternativas encontradas

    nas mitocndrias das plantas:

    Fig 14: Esquema representativo do transporte de eltrons pelas vias normais e alternativas na membrana interna da

    mitocndria.

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    As mitocndrias de tecidos vegetais podem apresentar certos complexos proticos adicionais na

    sua membrana interna, que no ocorrem nas organelas de animais. Tais complexos so constituintes do

    sistema de transporte de eltrons, sendo considerados como vias alternativas, que estariam atuantes apenas

    em certas situaes especiais. Eles so (ver tambm figura acima):

    a- Uma NAD(P)H desidrogenase adicional externa, localizada na face externa da membrana interna

    mitocondrial. Ela capaz de oxidar NADH e NADPH provenientes do citosol, dirigindo os pares de

    eltrons e hidrognios para as ubiquinonas, que seguem o caminho normal do restante da cadeia de

    transporte de eltrons. Neste caso, os eltrons no passam pelo complexo I, no havendo, portanto, a

    conservao de energia correspondente ao primeiro stio de ejeo de prtons. por isso que a oxidao

    de cada NAD(P)H citoplasmtico rende apenas 2 ATPs;

    b- Uma NADH desidrogenase adicional interna, localizada na face interna da membrana interna

    mitocondrial. Ela capaz de oxidar NADH da matriz mitocondrial, embora tenha menor afinidade que o

    complexo I por estas coenzimas. Tambm neste caso, os eltrons no passam pelo primeiro stio de

    conservao de energia (complexo I), resultando na sntese de apenas 2 ATPs por NADH que entra na

    cadeia respiratria por esta via;

    c- Uma oxidase terminal alternativa, localizada na face interna da membrana interna mitocondrial. Ela

    tambm denominada de oxidase insensvel ao cianeto, pelo fato de no ser inibida por cianeto, ao

    contrrio do que acontece com a citocromo oxidase. Esta oxidase alternativa recebe eltrons diretamente

    das ubiquinonas, entregando-os definitivamente ao O2, para formar H2O. Neste caso, os eltrons no

    passam pelos complexos citocromo bc1 e citocromo oxidase. Sem o envolvimento destes dois stios de

    ejeo de prtons, a produo de ATP reduzida, podendo resultar em apenas 1 ATP para cada NADH,

    caso a cadeia tenha se iniciado pelo complexo I. Se a cadeia respiratria for iniciada por uma das NADH

    desidrogenases adicionais e finalizada pela oxidase terminal alternativa, nenhum ATP ser produzido, e

    toda a energia ter sido perdida como calor;

    d- Uma enzima desacopladora PUMP, localizada na membrana interna mitocondrial, a qual, atravs dotransporte de fosfolipdeos, provoca o transporte de prtons do espao intermembranar para a matriz

    mitocondrial. Essa enzima pode ser ativada em plantas sob baixas temperaturas e na presena de outros

    estresses abiticos (mostrada somente na figura abaixo).

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    Fig. 15: Mecanismo proposto para a ao da PUMP.

    As funes fisiolgicas destas vias no esto ainda completamente esclarecidas. Dentre elas,

    considera-se que as vias alternativas sejam importantes para:

    1- Possibilitar a oxidao mitocondrial de NADH e NADPH produzidos no citoplasma;

    2- permitir a operao da gliclise e do ciclo de Krebs mesmo sob nveis elevados de ATP, no sentido de

    garantir a produo de intermedirios metablicos, que podem ser desviados para outras vias

    metablicas;

    3- permitir a continuidade de operao da cadeia respiratria (visando reciclar NAD+), quando a via que

    envolve os citocromos estiver saturada;4- em certos casos, canalizar a energia da respirao para a produo de calor (rompimento da camada de

    gelo ou volatizao de compostos para atrao de insetos polinizadores);

    5- contribuir para um mecanismo antioxidativo, reduzindo a sobrecarga de eltrons ou a excessiva

    polarizao da membrana interna da mitocndria, reduzindo o nvel de produo de radicais livres.

    Merece destaque a situao especial que ocorre nas espdices de algumas espcies da famlia das

    Arceas. Nestes casos, a maturidade funcional das inflorescncias acompanhada por uma acentuadaexpresso da oxidase terminal alternativa. As reservas energticas so oxidadas rpida e intensamente e a

    operao desta via alternativa resulta em liberao de calor, que pode elevar a temperatura das

    inflorescncias em at cerca de 15C acima da temperatura ambiente. Isto permite a volatilizao de

    compostos aromticos, importantes na atrao de insetos para a polinizao.

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    55)) RReegguullaaoo ddaa gglliicclliissee

    No metabolismo de carbono de folhas de plantas, a regulao da gliclise est intimamente ligada

    regulao da sntese da sacarose.

    A regulao da gliclise realizada principalmente por duas enzimas-chaves, que catalisam duas

    reaes praticamente irreversveis, e que decidem se a frutose-1,6-bifosfato, formada a partir da triose que

    foi transportada do cloroplasto ao citosol, segue em direo sntese de sacarose ou a piruvato via gliclise.

    Estas enzimas so a PFK-PPi e a FBPase. Essas duas enzimas so antagonicamente reguladas por um

    metablito presente em concentraes muito baixas: a frutose-2,6-bifosfato (F-2,6-BP). A concentrao

    desse metablito regulador , por sua vez, regulada pela concentrao de Pi no citosol, o qual regular a

    atividade de duas enzimas ligadas sntese / degradao da F-2,6-BP (Fig. 9).

    A sntese de F-2,6-BP depende da atividade da cinase da F-6-BP, enquanto a degradao dependeda fosfatase da F-2,6-BP. o balano entre a atividade dessa cinase e atividade da fosfatase que determinar

    a concentrao desse metablito regulador (F-2,6-BP) no citosol de uma folha.

    Fig.16 : Esquema da regulao da gliclise, apresentando a regulao por metablitos das enzimas envolvidas na

    sntese e degradao da F-2,6-BP, e seu conseqente efeito no direcionamento ou no da F-6-P para a gliclise.

    Como comentado anteriormente, a sntese da sacarose compete com a gliclise pela F-1,6-BP. Um freio necessrio para controlar a sntese da sacarose, de forma a no colocar em risco a

    respirao. Assim, a concentrao de Pi no citosol aumenta quando da sntese da sacarose, o que

    ativa a cinase da F-6-P e inibe a atividade da fosfatase da F-2,6-BP, resultando em um dramtico

    aumento da concentrao de F-2,6-BP no citosol. Esse aumento resulta na ativao da PFK-PPi e na

    inibio da FBPase, o que acarreta aumento dos nveis da gliclise e diminuio da sntese de

    sacarose. Essa regulao resulta, ento, na diminuio da sntese de sacarose, evitando a reduo da

    gliclise a nveis crticos, que poderiam prejudicar o metabolismo da planta.

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    Outros nveis de regulao ocorrem ao nvel da regulao alostrica de outras enzimas, as

    quais respondem a sinais de fome e de saciedade, os quais muitas vezes atuam ao nvel de uma

    mesma enzima (veja figura abaixo).

    Fig. 17: Efeito de diferentes metablitos na

    regulao da respirao pela demanda.

    Tringulos representam efeito positivo dos

    efetores metablitos enumerados ao

    lado.Crculos com um xs, em vermelho,representam efeito negativo dos efetores

    metablitos enumerados ao lado.

    Entre os efetores alostricos de sinais de fome, esto, principalmente, o Pi, AMP e o ADP,

    os quais resultam na ativao das enzimas, resultando em estmulo respirao (estmulo sntese

    de ATP). So sinais de fartura os metablitos ATP, PEP, NADH, os quais, quando possuem suas

    concentraes celulares acrescidas, promovem a inibio da respirao (inibio da sntese de ATP

    e NADH). A atuao em conjunto desses sinais metablicos essencial na regulao da respirao

    pela demanda energtica da clula, e tambm mantm a homeostase das concentraes dos

    metablitos da respirao.

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    66)) AAlltteerraaeess nnaa GGlliicclliissee eemm PPllaannttaass ssoobb CCoonnddiieess ddee HHiippooxxiiaa

    Em condies de hipoxia, ocorre uma dramtica inibio do Ciclo de Krebs e da cadeia de

    transporte de eltrons, resultando em um acmulo de piruvato no citosol. Esse acmulo o

    gatilho que ir acionar a respirao anaerbica. A inibio dessas duas outras fases da respirao

    resulta, ento, em dramtica reduo do ATP ao nvel celular. Para sobreviver essa deficincia,

    plantas desenvolveram mecanismos de tolerncia hipoxia

    Duas formas de fermentao ocorrem em plantas: a lctica e a etanlica. Energeticamente, a

    lctica mais favorvel, sendo sempre a primeira forma de respirao anaerbica que ocorre em

    plantas, sendo seguida da fermentao etanlica, a qual leva a maior perda de energia (tanto na

    descarboxilao do piruvato como na queima do NADH). As plantas possuem uma capacidade

    limitada para a fermentao lctica, devido ao fato de que o lactato resulta em decrscimo do pH

    celular, prejudicando o metabolismo da planta. Assim a reduo no pH inibe a enzima lactatodesidrogenase e ativa a piruvato descarboxilase; isto faz com que a planta mude para uma

    fermentao etanlica, a qual predomina em relao lctica.

    Fig. 18: Regulao das rotas fermentativasnas plantas. Mecanismo tambm explica apredominncia da fermentao etanlicaem relao a fermentao ltica (efeito

    diferencial do pH nas duas enzimasapresentadas.

    A funo da respirao anaerbica repor o NAD+ oxidado, substrato da gliclise, sem a

    qual o resultado seria a inibio da gliclise.

    77)) VViiaa ddaa ppeennttoossee--ffoossttaattoo ((PPPPPP))

    Tambm denominada de Via Oxidativa das Pentoses, Desvio da Hexose-Fosfato, ou Via do

    Fosfogluconato. Corresponde a uma oxidao da molcula de glicose, onde um dos primeiros

    intermedirios o gluconato-6-fosfato, que sofre uma oxidao descarboxilativa, resultando em ribulose-5-

    fosfato e NADPH. Os dois produtos principais so o aldedo fosfoglicrico (PAG) e a frutose-6-fosfato,

    ambos tambm intermedirios da gliclise e do ciclo de Calvin. A via da pentose-fosfato, alm de ser uma

    fonte de poder redutor (NADPH) no citosol, apresenta ribose-5-fosfato e eritrose-4-fosfato como

    intermedirios importantes, que podem ser desviados para a sntese de nucleotdeos e de compostos

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    fenlicos, respectivamente. Esta via ocorre principalmente no citosol, mas noite tambm ocorre nos

    cloroplastos, onde inibida pela luz e por NADPH.

    Fig. 19: A via da pentose-fosfato

    A seguinte equao simplificada pode representar globalmente o que ocorre nesta via:

    6 Glicoses 6 CO2 + 5 Glicoses + 12 NADPH

    Os NADPH produzidos podem ser oxidados nas mitocndrias, com consumo de O2 eaproveitamento da energia para sntese de ATP, ou podem ser utilizados em processos biossintticosdiversos, como a sntese de lipdeos.

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    88)) FFaattoorreess qquuee aaffeettaamm aa rreessppiirraaoo

    8.1) Disponibilidade de substrato

    Dentre os compostos orgnicos disponveis, os carboidratos so os mais freqentemente

    utilizados. Como, de um modo geral, os carboidratos so os compostos produzidos de imediato pela

    fotossntese, a taxa respiratria vai depender da quantidade de carboidratos que ser direcionada para os

    processos oxidativos. Assim, quanto maiores forem as taxas fotossintticas, maior ser a disponibilidade de

    substratos e maiores tendem a ser as taxas de respirao. Conseqentemente, fatores diversos, como a

    posio e a idade da folha, assim como o perodo do dia, interferem na intensidade das taxas respiratrias.

    Assim, a respirao mais elevada durante o dia que noite, menor numa folha mantida sombra do que

    numa folha sob luz solar, e menor no final do perodo noturno do que logo aps o anoitecer.

    8.2) Disponibilidade de Oxignio

    Em condies normais, o oxignio raramente chega a representar problema para a respirao das

    plantas. Isto porque a citocromo oxidase tem afinidade extremamente elevada pelo oxignio, podendo

    operar sob tenses de 0,05% da tenso de O2 do ar.

    Fig 20: Efeito da concentrao de oxignio

    na taxa respiratria. O incremento da

    respirao a baixas tenses de oxignio

    chamado de Efeito Pasteur

    Limitaes respirao podem ocorrer em rgos volumosos, que podem apresentar menor nvel

    de oxignio disponvel na parte mais interna dos tecidos. Neste caso, importante a participao dos

    espaos intercelulares na difuso de gases, do exterior at o interior do rgo. Tais espaos podem

    representar de 2 a 45% do volume total do rgo. Por exemplo, em batata existe cerca de 1% de espaosareos, que se elevam para 8% em razes de milho, chegando a 26 % em razes de arroz. Em razes de

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    plantas mantidas em solos alagados (sob condies de hipoxia ou anoxia), podem ocorrer adaptaes,

    como o desenvolvimento de aernquimas, razes adventceas, ou de pneumatforos (tpicos de plantas de

    mangue).

    Fig 21: Mecanismos de tolerncia do sistema radicular a baixos nveis de oxignio no solo.

    De um modo geral, quando se submete um rgo a tenses reduzidas de O2, observa-se uma

    reduo da sua atividade respiratria, proporcional concentrao de O2 utilizada. Entretanto, se o O2 cair a

    nveis muito baixos (prximos da anoxia), a atividade fermentativa estimulada, resultando em consumo

    intenso dos substratos respiratrios e conseqente liberao de grandes quantidades de CO2 (Figura 34).

    Este estmulo liberao de CO2 (pela fermentao), resultante de baixas tenses de O2, denominado

    Efeito Pasteur. Por isto, quando se armazena frutos sob atmosfera controlada (geralmente com reduo na

    tenso de O2, aumento na concentrao de CO2 e reduo da temperatura), deve-se tomar o cuidado para

    no reduzir demais a concentrao de O2 da cmara.

    A fermentao freqente em algumas sementes (especialmente as de maior tamanho), pelo

    menos no incio da germinao, uma vez que seus tegumentos tendem a ser impermeveis, dificultando a

    penetrao tanto de gua como de O2. Existe um caso extremo de adaptao, apresentado por sementes de

    arroz. Se tais sementes estiverem germinando em solos alagados, a sua atividade fermentativa suficiente

    para garantir, em primeiro lugar, o desenvolvimento do coleptile, ao invs da radcula, como acontece na

    maioria das sementes. A parte area da plntula continua o seu alongamento, at que seja atingida aatmosfera, quando os ramos transferem oxignio para permitir a iniciao e o crescimento das razes.

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    As plantas apresentam as seguintes estratgias de tolerncia a hipoxia:

    1) Aumento da gliclise e paralela induo da fermentao anaerbica: resultam no aumento da

    mobilizao das reservas, de forma a manter os nveis mnimos de ATP requeridos para a sobrevivncia

    e/ou crescimento.

    2) Diferenciao de tecidos ou rgos de forma a aumentar o transporte de ar entre os diferentes rgos da

    planta (Ex: lenticelas, razes adventcias, pneumatforos, diferenciao do aernquima)

    Fig. 22: Representao esquemtica do mecanismo de diferenciao de um aernquima lisgeno por uma raiz na presena de

    baixos nveis de oxignio.

    8.3) Temperatura

    A temperatura afeta de maneira ampla a atividade de respirao. Ela capaz de alterar a difusode gases, a integridade de membranas e, especialmente, a atividade enzimtica. A temperatura tima varia

    com a espcie e o tecido considerado. Em geral, a respirao aumenta at cerca de 30-35 C, sendo que em

    torno de 40 C inicia-se o processo de desnaturao das enzimas. Comparativamente, o efeito da

    temperatura mais pronunciado na fotossntese do que na respirao.

    8.4) Tipo e idade da planta

    A taxa respiratria dos diversos rgos vegetais pode variar amplamente, dependendo dosdiversos tipos celulares que podem estar presentes. Por exemplo, rgos que apresentem grande nmero de

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    clulas muito vacuoladas ou uma grande proporo de clulas mortas (como no lenho), tendem a

    apresentar taxa respiratria mdia reduzida, apesar de terem atividade respiratria semelhante a de um outro

    rgo qualquer. A atividade similar torna-se evidente quando se expressa a respirao em relao ao

    contedo de protenas do rgo.

    Em geral, existe uma correlao direta entre a taxa de crescimento da planta e a taxa derespirao. Assim, a respirao elevada durante o perodo de maior crescimento vegetativo e, aps um

    perodo de estabilidade, observa-se uma queda gradual da taxa respiratria global com a idade da planta,

    embora ela possa manter-se alta em certas partes, como folhas, razes e flores em crescimento (Figura 35).

    Em sementes, comum encontrarmos taxas respiratrias extremamente baixas, podendo chegar a zero em

    certos casos, onde a dessecao resulta no desligamento do metabolismo.

    Fig 23: Taxa respiratria durante o desenvolvimento de uma espcie de planta de ciclo anual.

    Em frutos, a taxa de respirao elevada durante a sua formao, quando as clulas esto se

    dividindo e crescendo rapidamente. Em seguida, a respirao declina gradualmente. Entretanto, alguns tipos

    de frutos, durante a sua maturao, voltam a apresentar um pico respiratrio, denominado climatrio,

    acompanhado por uma rpida acelerao no processo de amadurecimento (Figura 36). Mas, tomates,

    abacates, bananas e caquis so alguns exemplos de frutos climatricos. Ao contrrio, laranjas, uvas,

    abacaxis e morangos so exemplos defrutos no climatricos.

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    Fig. 24: Respirao em frutos climatricos e no climatricos. Frutos climatricos apresentam um surto respiratrioaps o final da maturao de um fruto.

    Este aumento da respirao em frutos climatricos corresponde a um pico na produo de etileno

    (um hormnio), o qual proposto estar associado ao aumento da respirao e induo da expresso gnica

    de protenas envolvidas em modificaes no metabolismo de carboidratos (transformao de amido em

    acares solveis) e da parede celular (degradao de componentes da parede por poligalacturonase,

    galactosidases, por exemplo). Nos frutos no climatricos, essas modificaes j se realizaram durante todoo perodo de maturao do fruto, enquanto nos frutos climatricos, essa fase se concentra no final da

    maturao.