Bioquímica II...Bioquímica II | Bioenergética - parte I 12CEDERJ Uma célula viva é um sistema dinâmico; ela cresce, move, sintetiza macromoléculas complexas e, seletivamente,

Andrea Thompson Da Poian

Debora Foguel

Marílvia Dansa Petretski

Olga Lima Tavares Machado

Volume 1 - Módulos 1 a 3

Bioquímica II

Apoio:

Material Didático

Referências Bibliográfi cas e catalogação na fonte, de acordo com as normas da ABNT.

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ELABORAÇÃO DE CONTEÚDOAndrea Thompson Da PoianDebora FoguelMarílvia Dansa PetretskiOlga Lima Tavares Machado

COORDENAÇÃO DE DESENHO INSTRUCIONAL Cristine Costa Barreto

DESENHO INSTRUCIONAL E REVISÃOAlexandre Rodrigues AlvesCarmen Irene Correia de OliveiraJosé Meyohas

COORDENAÇÃO DE REVISÃOMaria Angélica Alves

REVISÃO TÉCNICAMarta Abdala

P749b

Poian, Andrea Thompson Da.

Bioquímica 2. v.1/ Andrea Thompson Da Poian. –

Rio de Janeiro : Fundação CECIERJ, 2009.

132p.; 19 x 26,5 cm.

ISBN: 85-89200-75-2

1. Bioquímica. 2. Metabolismo. 3. Bioenergética.

I. Foguel, Debora. II. Petretski, Marílvia Dansa.

III. Machado, Olga Lima Tavares. IV. Título.

CDD: 5722009/1

Fundação Cecierj / Consórcio CederjRua Visconde de Niterói, 1364 – Mangueira – Rio de Janeiro, RJ – CEP 20943-001

Tel.: (21) 2334-1569 Fax: (21) 2568-0725

PresidenteMasako Oya Masuda

Vice-presidenteMirian Crapez

Coordenação do Curso de BiologiaUENF - Milton Kanashiro

UFRJ - Ricardo Iglesias RiosUERJ - Cibele Schwanke

EDITORATereza Queiroz

COORDENAÇÃO EDITORIALJane Castellani

REVISÃO TIPOGRÁFICAEquipe CEDERJ

COORDENAÇÃO DE PRODUÇÃOJorge Moura

PROGRAMAÇÃO VISUALAlexandre d´Oliveira Bruno Gomes Cristiane Matos Guimarães

ILUSTRAÇÃOJefferson CaçadorSalmo Dansa

CAPAEduardo Bordoni

PRODUÇÃO GRÁFICAAndréa Dias FiãesFábio Rapello Alencar

Departamento de Produção

Universidades Consorciadas

Governo do Estado do Rio de Janeiro

Secretário de Estado de Ciência e Tecnologia

Governador

Alexandre Cardoso

Sérgio Cabral Filho

UENF - UNIVERSIDADE ESTADUAL DO NORTE FLUMINENSE DARCY RIBEIROReitor: Almy Junior Cordeiro de Carvalho

UERJ - UNIVERSIDADE DO ESTADO DO RIO DE JANEIROReitor: Ricardo Vieiralves

UNIRIO - UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESTADO DO RIO DE JANEIROReitora: Malvina Tania Tuttman

UFRRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL RURAL DO RIO DE JANEIROReitor: Ricardo Motta Miranda

UFRJ - UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROReitor: Aloísio Teixeira

UFF - UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSEReitor: Roberto de Souza Salles

Módulo 1

Aula 1 – Bioenergética - parte I_________________________________ 11 Olga Lima Tavares Machado

Aula 2 – Bioenergética - parte II ________________________________ 15 Olga Lima Tavares Machado

Aula 3 – Conceitos fundamentais do metabolismo __________________ 31 Olga Lima Tavares Machado

Módulo 2

Aula 4 – Fotossíntese I - Princípios gerais _________________________ 41 Marílvia Dansa Petretski

Aula 5 – Fotossíntese II - O processo de fotossíntese _________________ 47 Marílvia Dansa Petretski

Aula 6 – A etapa fotoquímica ou fase clara da fotossíntese ____________ 57 Marílvia Dansa Petretski

Aula 7 – O ciclo de Calvin ou etapa química da fotossíntese ___________ 73 Marílvia Dansa Petretski

Aula 8 – Outros aspectos importantes da fotossíntese________________ 83 Marílvia Dansa Petretski

Módulo 3

Aula 9 – A história da fermentação: do início aos dias de hoje ________ 95 Marílvia Dansa Petretski / Olga Lima Tavares Machado

Aula 10 – Glicólise: oxidação de glicose a piruvato I _______________ 107 Marílvia Dansa Petretski / Olga Lima Tavares Machado

Aula 11 – Glicólise: oxidação de glicose a piruvato II _______________ 119 Marílvia Dansa Petretski / Olga Lima Tavares Machado

Bioquímica II

SUMÁRIO

Volume 1

Introdução ao Metabolismo

Aulas1 - Bioenergética - parte I.

2 - Bioenergética - parte II.

3 - Conceitos fundamentais do metabolismo.

Mód

ulo

1

CEDERJ8

Metabolismo, cujo antepositivo grego metabol – significa

“mudança”, pode ser defi nido como a totalidade dos processos químicos

do organismo. Conseqüentemente podemos admitir que a célula viva seja

uma indústria química em miniatura, onde milhares de reações ocorrem

em nível microscópico.

Você pode pensar no metabolismo celular como um elaborado

mapa rodoviário que representa as reações que ocorrem na célula. As

reações são arranjadas em vias metabólicas intrincadas e bifurcadas, que

transformam moléculas por uma série de etapas. As enzimas aceleram

seletivamente cada etapa no labirinto de reações. Em analogia aos sinais

de trânsito que controlam o fl uxo do tráfego e previnem acidentes,

existem mecanismos que controlam o metabolismo por regulação de

enzimas e, conseqüentemente, mantêm o balanço metabólico, impedindo

defi ciências e excessos de metabólitos.

Poderíamos então começar os nossos estudos apresentando

algumas questões:

1 - Como as enzimas controlam todas estas reações?

2 - Como os seres vivos produzem e armazenam energia?

3 - De onde vem esta energia?

4 - Como um sistema biológico realiza trabalho?

5 - Por que algumas reações químicas liberam e outras

absorvem calor?

6 - Para que servem as vias metabólicas?

Tais questões serão respondidas ao longo de toda a disciplina

Bioquímica II.

Como você pôde observar, energia é o tema central do metabolismo,

por isto é apropriado que comecemos o nosso estudo com uma introdução

à bioenergética, a análise quantitativa de como o organismo ganha e

utiliza energia. A bioenergética é uma parte especial de uma ciência que

estuda as transformações da energia, que é chamada termodinâmica.

INTRODUÇÃO AO METABOLISMO

CEDERJ 9

O módulo Introdução ao metabolismo é composto por três aulas:

Aula 1 – Bioenergética – parte I

Aula 2 – Bioenergética - parte II

Aula 3 – Conceitos fundamentais do metabolismo

Após cada uma das aulas, você verá um resumo da mesma; no

entanto os exercícios; referentes ao módulo serão apresentados após a

Aula 3.

Bioenergética - parte I

Ao fi nal desta aula, você deverá ser capaz de:

• Defi nir conceitos de energia, calor e trabalho.

• Conhecer a primeira lei da termodinâmica.

11AULA

objetivos

Bioquímica II | Bioenergética - parte I

CEDERJ1 2

Uma célula viva é um sistema dinâmico; ela cresce, move, sintetiza

macromoléculas complexas e, seletivamente, direciona substratos para um ou

outro compartimento. Todas estas atividades necessitam de energia; assim, a

célula deve obter energia do meio onde está e deve utilizar esta energia com

a maior efi ciência possível. As plantas a obtêm da luz do sol; animais usam a

energia estocada nas plantas ou em outros animais que consomem.

ENERGIA, CALOR E TRABALHO

Uma palavra que usaremos com freqüência é sistema. Neste

contexto, sistema é uma porção defi nida do espaço que foi selecionada

para o nosso estudo. Pode ser uma simples bactéria, um tubo de ensaio

contendo milhões de células, a Terra ou o universo. Tudo o que estiver

em volta do sistema é o ambiente.

Qualquer sistema pode conter uma certa quantidade de

energia, que chamamos E. Os átomos e moléculas do sistema têm

energia cinética de movimento e energia de vibração e rotação. Além

destas, nós poderíamos incluir toda a energia preservada nas ligações

químicas entre os átomos e a energia de interação não covalente entre

as moléculas.

A menos que um sistema esteja isolado, ele pode, em princípio,

trocar energia com o ambiente e, assim, mudar a sua energia interna.

Esta mudança pode acontecer de duas maneiras. Em uma o calor pode

ser transferido de um sistema para outro. Na outra, o sistema pode

realizar trabalho no seu ambiente ou pode sofrer um trabalho realizado

pelo ambiente. O que denominamos trabalho, neste caso, pode ser, por

exemplo, a contração muscular ou o movimento de um fl agelo de um

protozoário. Certas convenções foram adotadas para descrever estas

trocas de energia:

INTRODUÇÃO

CEDERJ 1 3

AU

LA 1

M

ÓD

ULO

1

Figura 1.1: Esquema geral da fotossíntese.

• Nós denotamos calor pelo símbolo q. Um valor positivo

de q indica que o calor do ambiente foi absorvido pelo

sistema. Um valor negativo de q indica que o sistema

perdeu calor para o ambiente.

• Nós denotamos trabalho pelo símbolo w. Um valor

positivo de w indica que o trabalho é realizado pelo

sistema no seu ambiente. Um valor negativo signifi ca

que o ambiente realizou um trabalho sobre o sistema.

A PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA – LEI DA CONSERVAÇÃO DE ENERGIA

Você já deve ter ouvido, em suas aulas de ciências, a seguinte

expressão: “Energia não se cria nem se perde, apenas se transforma”.

A queda d’água de uma cachoeira (energia mecânica) pode acionar

um dínamo (energia elétrica), que por sua vez pode movimentar um

ventilador (energia mecânica), ou acender uma lâmpada (energia

luminosa). Em todas essas transformações a energia não foi criada nem

perdida, apenas transformada.

De onde vem a energia dos reagentes?

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.

Bioquímica II | Bioenergética - parte I

CEDERJ1 4

Em (A) temos a energia cinética transformada somente

em calor;

Em (B) parte da energia cinética é usada para retirar a água (trabalho),

e uma menor quantidade de energia é liberada como calor;

Em (C) a energia cinética estocada no balde d’água suspenso pode

ser usada para dirigir umamáquina hidráulica ou para

qualquer outro trabalho.

Figura 1.2: Transformação de energia.

R E S U M O

Nesta aula, você aprendeu que um sistema pode trocar energia com o

meio ambiente e assim mudar sua energia. Vimos que esta mudança

pode ocorrer na forma de calor ou trabalho. Você deve ter em mente o

seguinte conceito:

• a primeira lei da Termodinâmica é a lei da conservação da energia, ou

seja, energia não se cria, só se transforma.

Veremos, mais adiante, que os seres vivos são transformadores

naturais de energia. Veja exemplos de transformação de energia na fi gura

1.2. Como mencionada anteriormente, a energia de um sistema pode

ser mudada somente na forma de calor ou de trabalho. Tal mudança

da energia interna de um sistema, a qual chamamos ΔE, pode ser

matematicamente representada por:

ΔE = q – w

Essa equação expressa a primeira lei da Termodinâmica. Considere,

por exemplo, alguns processos nos quais uma certa quantidade de calor

é absorvida por um sistema e este realize trabalho sobre o ambiente. No

caso onde q for igual a w, a ΔE será igual a zero.

Bioenergética - parte II


• Analisar as direções das reações químicas a partir do entendimento dos conceitos de entropia, energia livre e da segunda lei da Termodinâmica.

• Conhecer os compostos ricos em energia, ou seja, as fontes de energia dos sistemas biológicos.

• Defi nir e entender a importância das reações acopladas.

2AULA

objetivos

Bioquímica II | Bioenergética - parte II

CEDERJ16

INTRODUÇÃO

AS DIREÇÕES DAS REAÇÕES QUÍMICAS – A SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA – LEI DA TRANSFERÊNCIA DE ENERGIA

Conceito de entropia

A primeira lei da Termodinâmica não fornece nenhuma

informação sobre o sentido de uma reação química ou sobre o sentido

de transferência de energia. Considere o seguinte exemplo: se colocarmos

um cubo de gelo em um copo d’água à temperatura ambiente, ele derrete.

Por que o inverso não ocorre? Se queimarmos um pedaço de papel, ele

será transformado em CO2 mais água. Mas se misturarmos CO2 com

água não formaremos um pedaço de papel. O tema comum nestes dois

exemplos é este: processos favoráveis ocorrem espontaneamente em

certas direções. Por quê?

A primeira explicação seria a de que os sistemas sempre

caminham para o estado de energia mais baixa. Assim, objetos caem

espontaneamente em virtude do campo gravitacional. Mas tal explicação

não seria adequada para o caso do gelo que se derrete; de fato, energia é

absorvida neste processo. Nós podemos imaginar um outro experimento

muito simples que daria uma indicação clara do que deve estar ocorrendo.

Suponha que nós colocássemos, com muito cuidado, uma camada de

água pura sobre uma solução de sacarose. Depois de algum tempo, nós

verifi caríamos que a solução estaria cada vez mais uniforme, ou seja,

as moléculas de sacarose iriam se distribuir pelo recipiente. Nesse tipo

de transformação nenhuma mudança energética ocorreu. Certamente

o inverso não aconteceria. O que procuramos deixar claro aqui é que

os sistemas formados por moléculas têm uma tendência natural a se

distribuir randomicamente.

Na aula anterior, defi nimos energia, calor e trabalho. Falamos ainda sobre a

primeira lei da Termodinâmica, ou seja, sobre a lei da conservação de energia.

Nesta aula, tentaremos explicar o porquê de algumas reações ocorrerem

espontaneamente e o de outras necessitarem de energia para acontecerem.

Veremos ainda como nosso organismo utiliza reações que liberam energia para

promover reações que necessitam de energia.

CEDERJ 17

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2Figura 2.1: Demonstração das reações espontâneas e não espontâneas.

O grau de distribuição randômica ou grau de desordem é chamado

entropia. Para demonstrarmos a mudança de entropia em um processo

simples, considere a facilidade para desorganizar um quarto e o esforço

para reorganizá-lo. Para isso, veja a Figura 2.1. Diremos então que a

variação de entropia ΔS será a diferença entre a entropia do estado fi nal

(Sf) e a entropia do estado inicial (Si), ou seja,

ΔS = Sf – Si.

Reação espontânea (aumento do grau de desordem, ou seja, aumento da entropia).

Reação não espontânea – requer energia.

Normalmente não medimos a entropia inicial ou fi nal, mas sim

a ΔS. O aumento de entropia é representado por um sinal positivo, e a

redução de entropia por um sinal negativo. Com relação à entropia, dois

aspectos devem ser ressaltados:

a) A entropia total sempre aumenta. A entropia pode aumentar ou

diminuir no sistema ou no ambiente, mas, em todos os processos reais, a

soma entrópica sistema + ambiente é sempre crescente. Pode-se afi rmar

que a entropia do Universo está aumentando continuamente.


CEDERJ18

b) O signifi cado da quantidade de entropia está associado à

quantidade de energia que não realiza trabalho. Esta representa a energia

inaproveitável em processos reais e é obtida pelo produto da variação da

entropia (ΔS) pela temperatura absoluta do processo. Assim, teremos:

Energia entrópica = TΔS

Esta é também a defi nição formal de entropia.

Para entendermos a segunda lei da Termodinâmica, precisamos

ainda conhecer dois conceitos: entalpia e energia livre.

Conceito de entalpia

A entalpia, que chamamos H, é o conteúdo de energia de um

sistema e pode ser percebido por sua variação, ΔH, que aparece em

qualquer processo. Eis alguns exemplos em Bioquímica:

– Entalpia de reação (ΔHr) – energia liberada ou absorvida quando

ocorre uma reação química.

– Entalpia de solução (ΔHs) – energia liberada ou absorvida

quando uma substância se dissolve.

– Entalpia de formação (ΔHf) – energia liberada ou absorvida

quando se forma um composto.

Conforme o comportamento da entalpia, as reações podem ser

exotérmicas ou endotérmicas. Nas reações exotérmicas, o sistema perde

calor; tal perda é indicada pelo sinal negativo do valor de ΔH. Por

exemplo, quando dissolvemos NaOH em água ocorre aquecimento da

solução em função do calor desprendido, fato que pode ser percebido

pelo tato. Este calor irradia, ou seja, se perde pelo ambiente. Nas reações

endotérmicas, o sistema ganha calor, o que é indicado pelo sinal positivo

de ΔH. Quando dissolvemos o sal NH4Cl em água, ocorre resfriamento

do sistema pelo calor absorvido na dissolução, o que também pode

ser percebido pelo tato. A liberação ou absorção de calor não está

diretamente ligada à realização de trabalho pelo sistema. Este aspecto

será visto ao falarmos de energia livre.

Conceito de energia livre – Energia de Gibbs “G”

As moléculas de uma célula viva possuem energia devido às suas

vibrações, rotações, translações e devido à energia que está estocada

entre as ligações de átomos individuais. Veja uma representação disto

na Figura 2.2.

CEDERJ 19

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2

Na realidade, a energia livre é medida pela sua variação ΔG, e é aquela

capaz de realizar trabalho em processos isotérmicos (processos que

ocorrem à temperatura constante) e isobáricos (processos que ocorrem à

pressão constante). Ela resulta da diferença entre a energia total (entalpia,

ΔH) e a energia inefi caz (quantidade de entropia, TΔS).

ΔG = ΔH - TΔS

Energia que produz trabalho = Energia total - Energia inaproveitável

A equação apresentada é a que rege a segunda lei da Termodinâmica.

Ou seja, um processo ocorrerá espontaneamente quando ΔG for negativo

e não será espontâneo quando ΔG for positivo.

Figura 2.2: Descrição da Energia Livre. A Energia Livre (G) mede a energia da molécula que poderia em princípio ser usada para realizar trabalho à temperatura constante, como ocorre nos seres vivos. G é medido em unidades de quilocalorias/mol ou quilojoules/mol.

Conheça abaixo a defi nição de algumas unidades de medida de energia.

O QUE É UM KJ?

É uma unidade de energia. A unidade básica de energia é o Joule,

nome dado em homenagem a um físico famoso. Um quilojoule

(KJ) corresponde a 1.000 joules. A caloria é uma outra unidade de

energia. Uma caloria corresponde a 4,185 joules. Veja um resumo

destas informações na Figura 2.3.

Unidade básica de energia = joule (J)1quilojoule (KJ) = 1.000 J

1 caloria (cal) = 4,185 J1 caloria alimentar = 1.000 cal = 1kcal = 4.185 J

Figura 2.3: Unidades de energia.


CEDERJ20

Quando os reagentes possuem uma energia livre menor do que o

produto, como tornar possível a realização da reação?

A solução é usar reagentes que tenham maior energia livre. Veja

alguns exemplos, acompanhando a seqüência de eventos representada

das Figuras 2.4.a a 2.4.d.

Reagentesalternativos

ReagentesProdutos

Ener

gia

livr

ep

adrã

o

DGÉpositivo

0

U

W

YB

D

U+B V+D

V


Reagentes

Produtos

Ener

gia

livr

ep

adrã

o

DGÉpositivo

0U

W

Y A B C D

A+B C+D

Figura 2.4.a: Os reagentes apresentam energia livre menor do que os produtos. O equilíbrio favorece a formação dos reagentes.

Figura 2.4.b: Os reagentes apresentam energia livre menor do que os produtos. O equilíbrio favorece a formação dos reagentes.

CEDERJ 21

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2

Figura 2.4.c: Os reagentes apresentam energia livre menor do que os produtos. O equilíbrio favorece a formação dos reagentes.

Figura 2.4.d: Os reagentes apresentam energia livre maior do que os produtos. O equilí-brio favorece a formação dos produtos.

Responda você agora à seguinte questão: uma reação endergônica (ΔH positivo), ou seja,

uma reação que requer energia, pode ocorrer espontaneamente dentro de uma célula?

Se você respondeu que sim, desde que o valor em módulo para a entropia (TΔS) seja maior

do que ΔH, você está acompanhando o nosso raciocínio. Bem, podemos ir um pouco mais adiante,

mas antes precisamos entender como a energia livre de um sistema depende da quantidade dos

vários componentes da mistura de reação.


Reagentes Produtos

Ener

gia

livr

ep

adrã

o

DGÉpositivo

0

WY

BD

W+B X+D

X

Reagentesalternativos Reagentes

Produtos

Ener

gia

livr

ep

adrã

o

DGÉpositivo

0

Y B

D

Y+B Z+D

Z


CEDERJ22

Energia livre e concentração das substâncias

Se nós tivermos uma mistura contendo NA moles do componente A e

NB moles do componente B e assim sucessivamente, nós podemos escrever:

G = NAGA + NBGB + NCGC + .....

Ou seja, a energia total do sistema é um somatório das energias

parciais molares ou dos potenciais químicos dos vários componentes.

Para facilitar nossos estudos, químicos e bioquímicos determinaram a

energia livre de alguns componentes de interesse químico/bioquímico

quando a concentração dos mesmos era 1 molar. Denominaram-na

energia do estado fundamental, à qual chamaram G0. Em qualquer

outra situação, a energia desses componentes seria proporcional a essa

energia, conforme podemos expressar na seguinte equação:

GA = GA0 + RT ln[A]

GB = GB0 + RT ln[B],

onde R é a constante absoluta dos gases (8.314 J/mol), T é a

temperatura absoluta expressa em graus Kelvin.

A importância destas equações é que elas nos permitem aplicar

princípios termodinâmicos em problemas práticos. Em particular, elas

nos permitem predizer a direção favorável dos processos reais.

Considere a reação reversível; em equilíbrio:

A + B = C + D

A relação entre energia livre e energia padrão é dada pela equação:

ΔG = ΔG 0 + RT ln [C] x [D]

Em quaisquer concentrações de A, B, C e D quando a reação está

em equilíbrio ΔG = 0, e:

K = [C]eq x [D]eq

[A]eq x [B]eq

K é defi nida como a constante de equilíbrio. Este estado será

atingido quando a velocidade de formação dos produtos C e D for igual

à velocidade de formação (v) dos reagentes A e B.

[A] x [B]

CEDERJ 23

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2

reagentes produtos

No equilíbrio v+ = v- e ΔG = 0 , tem-se

ΔG0 = - RT lnK

V+

V-

4 pares dereagentes

Equilíbrio atingido 8 pares deproduto

Figura 2.5: Representação de uma reação em equilíbrio na qual as concentrações dos produtos e dos reagentes são diferentes.

Agora pense e responda! Será que podemos dizer que no equilíbrio químico a concentração

dos reagentes é igual à concentração dos produtos?

A resposta é não. No equilíbrio químico não é necessário que a concentração dos reagentes seja

igual à concentração do produto. O equilíbrio químico ocorre quando a velocidade da reação

nos dois sentidos é idêntica. No exemplo dado, o equilíbrio ocorre em uma situação em que

existem mais moléculas de produtos do que de reagentes. Veja a Figura 2.5:


CEDERJ24

E a vida? Será que ela existe quando o equilíbrio químico entre ser vivo e meio ambiente

é atingido?

Não. Somente quando um ser morre é que o equilíbrio químico é atingido. Veja a Figura 2.6.

Figura 2.6: O equilíbrio entre sistema e meio é incompatível com a vida.

COMPOSTOS RICOS EM ENERGIA E REAÇÕES ACOPLADAS

O papel central das mudanças de energia em determinadas

direções favoráveis às reações químicas é de grande importância

para a Bioquímica. Para que uma via metabólica ocorra, ela deve ser

termodinamicamente favorável. Entretanto, reações individuais da via

podem ter um ΔG0 positivo e não serem, portanto, favoráveis. Como

então as reações poderiam ocorrer de maneira efi ciente? Em alguns

casos, in vivo, a chave é encontrada no fato de as concentrações entre

os reagentes e produtos se encontrarem muito distantes do equilíbrio.

Assim, se os reagentes se encontram em concentrações muito elevadas

e se os produtos estiverem sendo continuamente removidos, o valor de

ΔG0 pode se tornar ligeiramente negativo, tornando possível a reação.

Outras vezes, poderemos acoplar reações para tornar possível outras

reações. Veja o tópico a seguir.

CEDERJ 25

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2

Reações acopladas

Embora muitas reações possam ser favorecidas pela remoção

efi ciente dos produtos, existem muitos casos em que isto não é sufi ciente.

Há um outro modo muito importante no qual reações intrinsecamente

desfavoráveis podem acontecer. Suponha por exemplo que nós tenhamos

uma reação endergônica que seja parte essencial de uma via que, na sua

totalidade, poderia gerar energia. Busquemos uma situação do nosso

dia-a-dia para você entender melhor este processo: imagine que você

queira montar uma loja para vender um produto de larga aceitação no

mercado. Com certeza você espera ter lucros quando tudo estiver em

pleno funcionamento. Sem dúvida você deverá gastar alguns recursos

para iniciar seu projeto. Assim funcionam algumas vias metabólicas: você

gasta alguma energia para tornar possível uma das etapas da vias, que é

endergônica, para que outras etapas que forneçam energia cubram esse

“gasto” inicial e ainda liberem energia para outras funções metabólicas.

Vejamos como isto fi ca passo a passo:

A ΔG0 = + 10kJ/mol

C D ΔG0 = - 30kJ/mol

Para que a primeira reação aconteça é preciso energia (reação

endergônica), já a segunda reação libera energia. Dizer que as duas

reações ocorrem de maneira acoplada seria o mesmo que somarmos as

equações. Assim teríamos:

A + C B + D

ΔG0 = (+ 10kJ/mol) + (-30 kJ/mol)

ΔG0 = - 20kJ/mol

Acoplar reações endergônicas com reações exergônicas é um dos

princípios mais importantes em Bioquímica. Tais ligações de processos

favoráveis com processos desfavoráveis são usadas não somente para

inúmeras reações, mas também para o transporte de materiais através de

membranas, transmissão de impulsos nervosos e contração muscular.


CEDERJ26

Compostos fosfatos de alta energia como estoque de energia

Como vimos, acoplar reações é muito importante nos processos

vitais; por isso existem diversas moléculas que conservam energia em

sua estrutura e, assim, quando clivadas, podem liberar essa energia para

permitir que uma reação endergônica possa acontecer. As moléculas

consideradas “estoque” de energia mais importantes no nosso organismo

são compostos fosforilados, que por hidrólise liberam seu grupo fosfato.

Alguns deles, como o foso-enol-piruvato (PEP), a creatina-fosfato (CP) e

a adenosina tri-fosfato (ATP), quando hidrolisados, liberam uma grande

quantidade de energia (ΔG0 muito negativo). Talvez o mais importante

destes compostos, e que você poderá encontrar com maior freqüência

nos livros, seja o ATP. Por isso a estrutura dessa molécula, bem como

as possíveis reações de hidrólises que ela pode sofrer, são apresentadas

na Figura 2.7.a, 2.7.b e 2.7.c. Como você pode observar, a hidrólise da

molécula de ATP pode proceder de duas maneiras:

1) o fosfato terminal pode ser clivado, formando uma molécula de

adenosina difosfato (ADP) e uma molécula de fosfato inorgânico

(Pi) (Figura 2.7.b);

2) a clivagem pode ocorrer na segunda ligação fosfo-di-éster para

formar uma molécula de adenosina mono-fosfato (AMP) e uma

molécula de pirofosfato inorgânico (PPi) (Figura 2.7.c). A primeira

reação ocorre com maior freqüência in vivo, mas a energia liberada

em ambas as clivagens é a mesma. A molécula de PPi também pode ser

clivada e, neste caso, uma outra parcela de energia pode ser liberada.

A razão pela qual a molécula de ATP é considerada uma das mais

importantes moléculas de transferência de energia é que ela fi ca bem

no meio da escala de potenciais de transferência de energia. Por isso,

quando reações altamente exergônicas acontecem no nosso organismo,

ou mesmo quando a luz incide sobre os organismos fotossintetizantes,

podemos guardar parte dessa energia formando uma molécula de ATP

e, quando necessitamos de energia para a realização de uma reação

exergônica ou para a realização de um trabalho, podemos utilizar a

energia armazenada nessa molécula.

CEDERJ 27

AU

LA

MÓ

DU

LO 1

2

Figura 2.7.a: Estrutura da adenosina trifosfato (ATP).

Figura 2.7.b: Hidrólise do ATP com clivagem do fosfato terminal. • Libera 31 a 55 kJ/mol como calor.• Libera adenosina difosfato e fosfato inorgânico.

Figura 2.7.c: Hidrólise do ATP com clivagem na segunda ligação fosfo-di-éster.• Libera 31 a 55 kJ/mol como calor.• Libera adenosina monofosfato e pirofosfato inorgânico.

NH2

NN

N N

CC

CHCCH

H H H

O

H

OHOH

H C2O O OAdenina

Ribose

Fosfato

O PO- O- O-

O-


CEDERJ28

Resumindo, podemos dizer: a energia de acoplamento é usada para

permitir que uma reação desfavorável aconteça. O processo substitui a

reação desfavorável por duas reações favoráveis. Na primeira etapa, o

ATP reage para formar um intermediário rico em energia. Na segunda

etapa, o intermediário libera essa energia para formação do produto.

Como as células refazem as moléculas de ATPs gastas?

Elas usam reagentes que possuem mais energia do que o ATP.

Usam, por exemplo, a energia da luz, captada pelos cloroplastos. As

plantas e os animais oxidam açúcares com a ajuda das mitocôndrias,

liberando energia para a formação do ATP. Um detalhamento desses

processos será visto nas aulas de fotossíntese, de glicólise, ciclo de Krebs

e fosforilação oxidativa.

Na próxima aula, após defi nirmos alguns conceitos importantes

para o entendimento do metabolismo, voltaremos a falar da importância

do ATP como molécula transportadora de energia.

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LO 1

2RESUMO

Nesta aula, você aprendeu os conceitos de entropia, entalpia e energia

livre de Gibbs. Você viu como essas grandezas se relacionam, ou seja, você

aprendeu a segunda lei da Termodinâmica. Você aprendeu a identifi car o

sentido das reações químicas e a importância dos compostos ricos em energia

e das reações acopladas. Vamos resumir esses conceitos.

• O conteúdo de energia de um sistema é denominado entalpia; no entanto,

normalmente medimos sua variação durante uma transformação, ou seja, o

ΔH. Quando ΔH é positivo, a reação é endotérmica, e quando ΔH é negativo,

a reação é exotérmica.

• Entropia é o grau de desordem; normalmente medimos a sua variação

durante um processo, a uma determinada temperatura, ou seja, medimos o

TΔS; a entropia do universo é sempre crescente.

• A energia livre das moléculas é denominada G. Ela é a energia de rotação,

de translação e a energia contida entre as ligações químicas. Neste caso,

também, em Bioquímica, usualmente medimos a sua variação durante uma

reação química, ou seja, medimos o ΔG.

• A segunda lei da Termodinâmica dá informações sobre a espontaneidade de

uma reação química, a qual pode ser visualizada pelo sentido do ΔG. Vimos

que ΔG = ΔH - TΔS; para um ΔG negativo a reação é espontânea e para um

ΔG positivo a reação não é espontânea.

• Se acoplarmos uma reação exotérmica a uma reação endotérmica,

poderemos tornar possível a realização de uma reação termodinamicamente

desfavorável.

• O ATP é o composto rico em energia mais utilizado nos organismos vivos. A

energia contida em suas ligações é utilizada nas reações termodinamicamente

desfavoráveis. Ele é reconstituído às custas da energia solar ou da energia

contida em outras moléculas orgânicas.

Conceitos fundamentais do metabolismo


• Conhecer as funções do metabolismo.

• Dividir o metabolismo em estágios ressaltando a importância de cada um deles.

• Conhecer a organização das vias metabólicas.

• Conceituar catabolismo e anabolismo.

• Identifi car os principais mecanismos de regulação metabólica.

3AULA

objetivos

Bioquímica II | Conceitos fundamentais do metabolismo

CEDERJ32

INTRODUÇÃO

FUNÇÕES DO METABOLISMO

O metabolismo desempenha quatro funções básicas:

1 - Obter energia química do ambiente, por captura de energia solar ou

por degradação de nutrientes ricos em energia.

2 - Converter moléculas de nutrientes (exógenas) em moléculas

características do próprio organismo (endógenas).

3 - Polimerizar precursores monoméricos em produtos poliméricos,

como proteínas, ácidos nucléicos, lipídios, polissacarídeos e outros

componentes celulares.

4 - Sintetizar e degradar biomoléculas requeridas em funções celulares

especializadas.

ESTÁGIOS DO METABOLISMO

O metabolismo pode ser dividido em estágios que refl etem o grau

de complexidade ou tamanho das moléculas geradas

No nível 1, temos as reações químicas de conversão de metabólitos

poliméricos, como polissacarídeos, lipídeos e proteínas, em seus

constituintes monoméricos, como monossacarídeos, ácidos graxos +

glicerol e aminoácidos, respectivamente.

No nível 2 do metabolismo, esses monômeros são quebrados em

intermediários simples, como por exemplo:

O destino dos componentes da dieta, após a digestão e absorção, constitui

o metabolismo intermediário. Assim, ele procura não somente descrever a

via metabólica percorrida individualmente pelas moléculas, mas também

compreender suas inter-relações e os mecanismos que regulam o fl uxo de

metabólitos através das vias metabólicas, envolvendo um amplo domínio.

Glicose Piruvato

Ácidos graxos acetil-CoA

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2COH O

2

2

Carregadores de elétronsreduzidos e ATP

GordurasProteínasGlicídeos

Carregadoresde elétronsreduzidos eATP

Aminoácidos Ácidos graxos + glicerolAcúcares simples

(principalmente glicose)

Carregadoresde elétronsreduzidos eATP

Piruvato

Acetil-Co A

Cíclo doácidocítrico

Estágio 3

Estágio 2

Estágio 1

Figura 3.1: Esquema geral dos três estágios do metabolismo.

As reações do metabolismo intermediário não envolvem um

templete de ácido nucléico. A informação necessária para especifi car

cada reação vem da estrutura da enzima que catalisa aquela reação.

Um exemplo de reações metabólicas que dependem de um templete de

ácido nucléico e, portanto, não é considerado metabolismo intermediário,

é a síntese de proteínas.

No nível 3, se tratarmos de organismos aeróbicos (aqueles que

necessitam de oxigênio para sobreviver), a principal via é o ciclo de

Krebs, onde os intermediários do nível 2 sofrem degradação completa

a CO2, H2O.

Por exemplo:

Acetil-CoA CO2 e H2O

Essas relações são esquematizadas na Figura 3.1.

Açúcares simples

(principalmente glicose)


CEDERJ34

Seus metabólitos são formados seqüencialmente até o produto

fi nal (F). Neste caso, o aumento da concentração do substrato (A), ou o

aumento de qualquer intermediário (B, C, D ou E) resulta no aumento

da concentração do produto (F). Um exemplo de via metabólica linear

é a glicólise, a via de degradação da glicose (veja Aulas 9 e 10). Nesta

via, a glicose é o substrato inicial e o piruvato é o produto fi nal.

Nas vias metabólicas cíclicas, o produto fi nal (F) pode regenerar

o substrato inicial (A). Um exemplo desta via é o ciclo de Krebs (veja

Aulas 12 e 13). Este tipo de via metabólica pode ser representada da

seguinte forma:

ORGANIZAÇÃO DAS VIAS METABÓLICAS

O metabolismo é formado por vias metabólicas que podem ser

lineares ou cíclicas

As vias metabólicas lineares podem ser representadas da

seguinte forma:

A B C D E F

A

D

B

CE

F

As vias cíclicas têm particularidades. Ao contrário das vias lineares, o aumento da

concentração do substrato (A) não resulta necessariamente no aumento da concentração do

produto (F). Na verdade, o aumento da concentração de qualquer um dos metabólitos desencadeia

ativação ou aumento da velocidade da via como um todo.

No metabolismo existem pontos de convergência de vias metabólicas diferentes. A molécula

acetil-CoA é um desses pontos de convergência. Isso signifi ca que várias vias metabólicas têm como

produto fi nal acetil-CoA, ou em alguns casos o produto fi nal da via é convertido nessa molécula.

Chamamos então vias metabólicas convergentes aquelas que têm um produto comum.

A B C D E

A B C D E

H

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3

Figura 3.2: Representação esquemática dos principais aspectos do catabolismo e do metabolismo.

Por outro lado, nas vias metabólicas divergentes, um mesmo

substrato pode sofrer reações distintas que vão determinar a rota

metabólica daquela molécula.

H I J K

D E F G

A B C

Qualquer participante de uma reação metabólica, seja ele substrato,

intermediário ou produto, é chamado metabólito, e as moléculas que

não podem mais ser utilizadas pelo organismo e, portanto, devem ser

eliminadas são denominadas catabólitos. Assim, no nosso organismo as

moléculas de CO2 que eliminamos pela respiração e a molécula de uréia

que eliminamos na urina são exemplos de catabólitos.

CATABOLISMO E ANABOLISMO

O metabolismo pode ainda ser dividido em duas principais

categorias:

Anabolismo – processos que envolvem primariamente a síntese de

moléculas orgânicas complexas. Esses processos necessitam de energia.

Catabolismo – processos relacionados à degradação de substâncias

complexas com concomitante geração de energia.

Veja um resumo destas informações na Figura 3.2.


CEDERJ36

Esta distinção é arbitrária, especialmente porque muitos substratos

das vias anabólicas são formados como intermediários nos processos

catabólicos e vice-versa. Durante o catabolismo, observamos a oxidação

das moléculas, e durante o anabolismo verifi camos redução das moléculas.

Relembre que redução é um processo no qual ocorre ganho de elétrons

e oxidação envolve perda de elétrons. No nosso organismo existem

moléculas que auxiliam algumas enzimas nos processos de óxido-redução

e, portanto, são denominadas coenzimas. São exemplos de coenzimas a

nicotina adenina di-nucleotídeo (NAD), a fl avino-adenino dinucleotídeo

(FAD). Veja a estrutura de algumas coenzimas, bem como o mecanismo

pelo qual elas transportam moléculas de hidrogênio, na Figura 3.3.

Quando essas coenzimas estão associadas ao hidrogênio, dizemos que

elas estão reduzidas; quando elas perdem esses hidrogênios, dizemos que

a coenzima está oxidada. Na Figura 3.2 você pode observar que durante

o catabolismo ocorre a redução das coenzimas, ou seja, transformação de

NAD e FAD em NADHH e FADH2, respectivamente. Por outro lado, no

anabolismo ocorre a oxidação de NADPHH em NADP. Em resumo, se

quisermos acompanhar os processos de óxido-redução podemos observar

o teor de hidrogênio de uma molécula. Durante a oxidação, a molécula

perde hidrogênios. Observe a Figura 3.3.

C

H

H H

H

Metano

C

H

H OH

H

Metanol

C

H

O

H

Formaldeído

C

C

H

O

OO

HO

Ácido fórmico

OX

IDA

ÇÃ

O

Figura 3.3: Processo de oxidação da molécula de metano à molécula de dióxido de carbono.

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3

Ao contrário da primeira impressão, as vias de síntese e degradação

de uma dada molécula não são as mesmas.

Quase sempre os dois caminhos são bastante distintos um do

outro. Embora apresentem reações enzimáticas e intermediárias comuns,

são vias diferentes por possuírem diferentes enzimas catalisando pelo

menos parte de suas reações.

Essa é uma estratégia para evitar a redundância e o ciclo vicioso.

Enzimas chaves vão ditar a regulação simultânea das vias opostas.

PRINCIPAIS MECANISMOS DE REGULAÇÃO METABÓLICA

Controle dos níveis das enzimas

As concentrações das diversas enzimas intracelulares podem

ser diferentes; assim, enzimas das vias centrais de produção de energia,

como as da via glicolítica (Aula 10), devem ser mais abundantes do que

as que realizam funções limitadas ou especializadas dentro da célula.

Verifi camos ainda que os níveis de uma mesma proteína podem variar

em função das necessidades de um determinado momento. Imagine, por

exemplo, o que ocorre durante a amamentação: durante este período, os

níveis das enzimas envolvidas na síntese da galactose (açúcar do leite)

e da caseína (proteína do leite) estão muito aumentados, retornando a

níveis basais quando a produção do leite não é mais necessária.

Controle da atividade da enzima

Basicamente, a atividade de uma enzima pode ser controlada de

duas maneiras: 1) pela interação com um ligante; 2) por modifi cação

covalente de uma molécula. Ligantes que controlam a atividade de uma

enzima podem ser poliméricos, como por exemplo, interações proteína-

proteína. No entanto, nós nos concentraremos nas interações com

moléculas de baixo peso molecular, principalmente substratos e efetores

alostéricos (veja a aula sobre enzimas na Bioquímica I). Assim, de um

modo geral, quando a concentração de um substrato estiver aumentada

dentro de uma célula, a atividade da enzima que utiliza este substrato

será aumentada e, uma vez formada a quantidade de produto desejado,

mecanismos de inibição desta enzima serão ativados. Muitas vezes, o

produto fi nal de uma seqüência de reações poderá se associar à primeira

enzima da via, inibindo-a.


CEDERJ38

Modifi cações covalentes de uma enzima representam uma outra

forma efetiva de regulação da atividade de uma determinada enzima.

Você verá que a adição de um grupamento fosfato (fosforilação) a uma

enzima acarretará para algumas delas o aumento de sua atividade;

no entanto, para outras, a fosforilação poderá acarretar inibição da

atividade. Fique atento quando, mais adiante, você for estudar os

mecanismos de ativação das enzimas envolvidas na degradação e

biossíntese do glicogênio (Aulas 27 e 28 desta disciplina)!

Controles através de ligações covalentes normalmente estão

associados com regulações em cascata, ou seja, a modifi cação ativa

uma enzima, a qual ativa uma segunda enzima, que pode ativar uma

terceira enzima, que fi nalmente atua sobre um substrato. Na Figura 3.4,

observamos que cada molécula da primeira enzima ativada pode ativar

dez moléculas da segunda enzima, ou seja, uma amplifi cação do sinal em

dez vezes, e que cada uma dessas pode ativar dez moléculas da terceira

enzima, amplifi cação do sinal em cem vezes, e por fi m cada uma destas

pode ativar dez moléculas da quarta enzima. Teremos no fi nal deste

processo uma amplifi cação de mil vezes do sinal inicial.

Figura 3.4: Reações de ativação enzimática em cascata.

Enzimainativa A

Sinalmodificador

Enzimainativa A

Enzimainativa C

Substrato Produto

Enzimainativa C

Enzimaativa B

Enzimaativa B

amplificação 10 X

amplificação 100 X

amplificação 1000 X

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3

Controle por compartimentalização

Outra estratégia efi ciente é a compartimentalização. Em geral, a

via de síntese de uma dada molécula ocorre em um compartimento celular

distinto daquele onde ocorre a sua via de degradação. Por exemplo, a

via de degradação de ácidos graxos (Aula 24) ocorre nas mitocôndrias,

enquanto a via de síntese de ácidos graxos (Aula 26) ocorre no citoplasma

das mesmas células.

Regulação hormonal

Sobrepondo e permeando os mecanismos que operam dentro

de uma célula estão as mensagens disparadas de um outro tecido ou

órgão. Tais mensagens são transmitidas por hormônios. Um hormônio

é um mensageiro químico, uma substância sintetizada em uma célula

especializada que é transportada pela circulação até uma célula alvo, onde

interage com receptores, resultando em mudanças específi cas na célula

alvo. Estas mudanças são efetivadas por mecanismos regulatórios, tais

como: mudanças na atividade de uma enzima em particular, mudanças na

concentração de uma enzima e mudanças na permeabilidade da membrana

para um substrato em particular. A ação dos hormônios será discutida

em maiores detalhes no último módulo desta disciplina.


CEDERJ40

RESUMO

Nesta aula, você aprendeu que o metabolismo é o conjunto de reações que

ocorre dentro da célula, tendo como funções obter energia química do ambiente;

converter moléculas de nutrientes (exógenas) em moléculas características do

próprio organismo (endógenas); sintetizar e degradar biomoléculas requeridas

em funções celulares especializadas.

O metabolismo pode ser dividido em três estágios; no nível 1 ocorrem as reações

de conversão de metabólitos poliméricos em seus constituintes monoméricos;

no nível 2 estes monômeros são quebrados em intermediários simples tais

como moléculas de acetil coA; no nível 3 essas moléculas são transformadas em

catabólitos para excreção.

As vias metabólicas podem ser lineares ou cíclicas, convergentes ou divergentes.

As reações de degradação, normalmente convergentes e associadas com liberação

de energia, e a formação de coenzimas reduzidas fazem parte do catabolismo,

enquanto as reações dependentes de energia e com utilização de coenzimas

reduzidas fazem parte do anabolismo.

O controle do metabolismo é feito por regulação dos níveis e das atividades das

enzimas. Este controle é norteado por regulações alostéricas, por modulações

covalentes, por compartimentalização e por regulação hormonal.

Fotossíntese I - Princípios gerais

4AULA

Bioquímica II | Fotossíntese I - Princípios gerais

CEDERJ4 2

INTRODUÇÃO Um ecossistema consiste do conjunto de organismos de uma determinada área,

mais os fatores abióticos com os quais eles interagem; em outras palavras, uma

comunidade e o seu ambiente físico. Podemos considerar como um ecossistema

um terrário ou um lago, uma fl oresta ou a biosfera inteira.

Um ecossistema mantém-se através de dois processos que serão discutidos

tomando-se a biosfera como ecossistema referência. São eles:

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.

• Fluxo de energia e

• Ciclos biogeoquímicos.

Fotossíntese:

Energia luminosa Energia química

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.

Energia luminosa Energia química Trabalho celular

Normalmente, na natureza, os elementos químicos, como carbono,

nitrogênio etc. são reciclados entre os componentes abióticos e bióticos

do ecossistema.

Organismos fotossintéticos ou fotossintetizantes adquirem estes

elementos na forma inorgânica, do ar e solo, e os assimilam para a

construção de moléculas orgânicas, algumas das quais serão consumidas

por animais.

Os elementos retornam na forma inorgânica ao solo e ar através

do metabolismo de plantas e animais e por outros organismos (como

bactérias e fungos) que degradam lixo orgânico e organismos mortos

(os decompositores).

Figura 4.1: Um gafanhoto se alimentando de uma folha. Esta imagem repre-senta a relação de inter-dependência metabólica entre os organismos.

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Figura 4.2: O ciclo do carbono. Vegetais e outros organismos convertem CO2 e água em glicose e O2 através do processo de fotossíntese. Animais e outros organismos heterotrófi cos utilizam glicose e O2 no processo de respiração celular, devolvendo CO2 e H2O à atmosfera.

Fluxo de energia e reciclagem química estão relacionados porque

ambos ocorrem por transferência de substâncias através dos diferentes

níveis alimentares (trófi cos) do ecossistema. Assim, o carbono que hoje

é parte do corpo de um animal amanhã poderá estar na forma de CO2.

Este gás será utilizado por vegetais e o carbono voltará à sua forma

orgânica como amido, por exemplo. Esta molécula (que você conhece

da Bioquímica I) é fonte de alimento para muitos animais e, assim, o

carbono voltará a fazer parte da constituição de algum consumidor de

amido. Não há desperdício. A matéria é reciclada.

Entretanto, a energia (diferente da matéria) não pode ser

reciclada, um ecossistema deve sobreviver graças a um contínuo infl uxo

de energia nova de uma fonte externa (o sol).

Nossas próximas aulas falam de como se dá esse fl uxo de energia

que mantém a biosfera. Temos por objetivo mostrar a interdependência

entre os diferentes processos usados pelos organismos para obtenção de

energia e como essa interdependência é crucial para o equilíbrio biológico

no nosso planeta.

+CO +H O2 2

Glicose +O2

respiração

fotossíntese


CEDERJ4 4

O CICLO DO CARBONO

Na natureza, CO2 e H2O são combinados para formar carboidratos

na fotossíntese.

CO2 + H2O Carboidratos (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.

Carboidratos CO2 + H2O (respiração celular)

ATP

LUZ

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.

Pense na situação atual: o CO2 fi xado na forma de combustíveis fósseis retorna à

atmosfera rapidamente, certo? Ao mesmo tempo, diminui a cobertura vegetal. O que

acontece com o nível de CO2 atmosférico? Você pode imaginar as conseqüências disso?

!

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2

Alguns processos, entretanto, podem remover carbono por

milhões de anos. Em alguns ambientes, o material orgânico é acumulado

mais rapidamente do que os decompositores podem quebrar. Sob estas

condições, no passado, estes depósitos formaram carvão e petróleo, os

combustíveis fósseis.

FLUXO DE ENERGIA

A cada dia a Terra é bombardeada por 1022 joules de energia solar,

o equivalente à energia de 100 milhões de bombas atômicas do tamanho

da que foi lançada sobre Hiroshima na 2ª Guerra Mundial. A maior parte

dessa energia é absorvida, desviada ou refl etida pela atmosfera ou pela

superfície da Terra. Da radiação (luz visível, que atinge folhas e algas),

somente 1% é convertido em energia química pela fotossíntese – a efi ciência

varia com o tipo de planta, o nível de luz e outros fatores. Mesmo assim,

isto é sufi ciente para a produção de, aproximadamente, 170 bilhões de

toneladas de matéria orgânica por ano, globalmente. Vamos discutir aqui

como acontece essa conversão.

A fotossíntese, portanto, não somente fornece carboidratos para obtenção de energia

por plantas e animais, mas é também o principal caminho pelo qual o carbono retorna

à biosfera e é a principal fonte de O2 na atmosfera terrestre.

!

EVOLUÇÃO, OXIGÊNIO E FOTOSSÍNTESE

Acredita-se que, antes do surgimento dos organismos

fotossintéticos, a atmosfera terrestre era pobre em O2 e rica em CO2.

Organismos pré-fotossintéticos devem ter utilizado moléculas ricas

em energia, presentes no meio e sintetizadas abioticamente. Sem a

fotossíntese, estas fontes de energia teriam se esgotado e teria sido

impossível a sobrevivência de organismos vivos. Os registros fósseis

sugerem que fotossintetizantes apareceram há 3 bilhões de anos.

A conversão gradual, de atmosfera primitiva não oxidante a

uma atmosfera terrestre oxidante, permitiu o boom de organismos com

metabolismo aeróbico e a evolução de animais (veja a Figura 4.3).


Níveis de oxigênio na atmosfera

(%)

Bilhões de anos

Formação da terra

Formação de oceanos

e continentes

Primeiras células vivas

Primeiras células

fotossintetizante

Liberação de O2 a partir da

fotólise da água

Respiração celular

Origem das células

eucarióticas fotossintetizantes

Primeirasplantas

e animais multicelula

Primeirasvertebrados

Hoje

20

10 Rápido acúmulo de O2 pela saturação do Fe12

nos oceanos

0 1 2 3 4

CEDERJ4 6

Figura 4.3: Seqüência de eventos evolutivos e sua relação com os níveis de O2 atmosférico.

Hoje a fotossíntese representa a última e única fonte de energia

direta ou indireta para a maior parte dos organismos vivos (exceto

bactérias terosófi las, que usam H2S e H2 como fonte de energia).

Você viu nesta aula a importância da Fotossíntese para a manutenção da vida. Nas próximas

aulas você verá os detalhes deste processo.

Fotossíntese II –O processo de fotossíntese 5AULA

Bioquímica II | Fotossíntese II - O processo de fotossíntese

CEDERJ48

INTRODUÇÃO

LOCALIZAÇÃO

Cloroplastos

Em todas as plantas e algas, a fotossíntese está localizada em

estruturas especializadas chamadas cloroplastos. Em plantas, a maior

parte dos cloroplastos é encontrada em células mesófi las, logo abaixo da

superfície (cutícula) da folha (veja a Figura 5.1); cada célula contém entre

20 a 50 dessas organelas. As algas também têm cloroplastos, mas em

geral apresentam um único cloroplasto muito grande em cada célula.

Como as mitocôndrias, os

cloroplastos são organelas semi-

autônomas: carregam seu próprio DNA,

que codifi ca algumas de suas proteínas, e

os ribossomos necessários para a tradução

de seus RNAs mensageiros. Existem

evidências de que cloroplastos evoluíram

de organismos unicelulares similares a

cianobactérias. Como os procariontes

fotossintetizantes não possuem cloroplastos,

mas possuem membranas que desempenham

o mesmo papel das membranas de

cloroplastos, as cianobactérias lembram

cloroplastos de vida livre.

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.

Na aula passada, falamos da importância da fotossíntese para a vida no planeta

e já sabemos um pouco sobre os eventos evolutivos que culminaram na vida

como a conhecemos hoje. Agora falaremos dessa via metabólica, sua localização

celular, o que ocorre em cada uma das etapas e, é claro, um pouco da história.

Vamos destacar as enzimas chaves quando chegar a hora. Não se preocupe com

os nomes pontualmente, mas prefi ra sempre entender o processo e a lógica

metabólica e fi siológica. Os nomes virão como conseqüência.

Figura 5.1: Microscopia óptica de campo claro de células vegetais. Os cloroplastos aparecem como pequenos círculos em tom mais escuro.

Cloroplastos

Você conhece mito-côndrias e cloroplastos do ensino médio e também das aulas de Biologia Celular.

!

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5

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.

Singular = granumPlural = grana

Figura 5.2: Estrutura de um cloroplasto.

Granum

Membrana Interna

EstromaTilacóide

Membrana Externa

Lamela

Figura 5.3: Microscopia eletrônica de transmissão de uma célula vegetal (A) e um cloroplasto em destaque (B).

Parede Celular

Espaçocom ar

Núcleo

Cloroplasto

Vacúolo

Citoplasma

Membrana plasmática

Grana

Membrana do tilacóide

Estroma

Membranas interna eexterna do cloroplasto

Grânulode amido

a b


CEDERJ50

AS ETAPAS

A fotossíntese é descrita, de uma maneira bem geral, como:

onde (CH2O)n representa um carboidrato qualquer.

CO2 + H2O (CH2O)n + O2,

luz

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.

Figura 5.4: Equação geral do processo de fotossíntese.

CO2 + H2O + energia solar açúcar + CO2

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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).

Figura 5.5: Nicotinamida Adenina dinucleotideo fosfato (NADP).

O

O

O

O

H

H

H

H

H

H

H

H

H

HOHO

HO

C

N+N+

N

CH2

CH2

NH2

NH2

O

O

P

P

O-

O-

O

O

OPO H3 22-

N

N+

Assim, já na primeira etapa, a célula libera oxigênio (pela quebra

da água) e forma um composto de alta energia (o NADPH). Na etapa

fotoquímica há também a síntese de outra molécula de alta energia,

conhecida como ATP (adenosina trifosfato). Essa etapa pode, então, ser

representada da seguinte maneira:

Dizemos então que, nesta fase, há conversão de energia solar em

energia química (NADPH e ATP).

H2O + NADP + ADP + Pi ½ O2 + H+ + NADPH + ATP

luz

RESUMINDO

Na etapa fotoquímica, a energia luminosa é utilizada para quebrar

a molécula de água e sintetizar NADPH e ATP.


CEDERJ52

Esquema 1 ATP + NADPH + CO2 (CH2O)n + NADP + ADP + Pi

Esquema 2 ATP + NADPH + 6CO2 C6H12O6 + NADP + ADP+ Pi

Etapa química ou Ciclo de Calvin

A etapa química não depende diretamente da energia solar.

Ela utiliza os produtos da etapa anterior para formar carboidratos.

Lembre-se sempre de que sintetizar moléculas custa caro. A etapa

química é uma fase de síntese de glicose e, portanto, precisa de energia.

Esta energia é transferida pelas moléculas de alta energia produzidas

na etapa fotoquímica (NADPH e ATP). Além de energia, é preciso

matéria-prima para a construção. A matéria-prima é o CO2, que fornece

os elementos necessários à construção do esqueleto carbonado. A seguir,

representamos um esquema da etapa química, no qual o carboidrato

construído é (CH2O)n (esquema 1) e um esquema em que este carboidrato

é a glicose (esquema 2).

Dizemos que esta fase é a fase de fi xação do CO2 em uma molécula

orgânica.

RESUMINDO

Na etapa química, O CO2 é assimilado e fi xado, para sua posterior

conversão em uma molécula orgânica. Este processo de síntese

requer NADPH e ATP, sintetizados na etapa fotoquímica.

Assim, somando-se as duas etapas:

Etapa fotoquímica H2O + NADP+ + ADP + Pi O2 + ATP + NADPH

Etapa química ATP + NADPH + CO2 NADP+ + ADP + Pi + glicose

Temos:

6 H2O + 6 CO

2 C6H12O6 + 6 O2

luz

luz

Lembre-se de que para somar as duas etapas podemos cortar os componentes que aparecem nos dois lados das reações. Portanto, na soma, NADP+, ADP, Pi, ATP e NADPH podem ser eliminados.

!

CEDERJ 53

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5

HISTÓRICO

Até 1930, o modelo da fotossíntese especulava que o dióxido

de carbono era quebrado e então a água era adicionada ao carbono

resultante.

1 - CO2 C + O2

2 - C + H2O CH2O

Neste modelo, era proposto que o O2 liberado durante a

fotossíntese vinha como resultado da quebra do CO2. Este modelo caiu

por terra graças a Cornelis Bernardus van Niel, um estudante (na época)

que investigava a fotossíntese em bactérias que produziam carboidratos

a partir de CO2 mas não liberavam oxigênio.

Van Niel concluiu que, pelo menos em bactérias, o CO2 não é

quebrado em carbono + O2.

Esse grupo de bactérias requer H2S (sulfeto de H) e não H2O para

a fotossíntese, formando glóbulos amarelos de enxofre como produto

de excreção.

Assim:

CO2 + 2H2S CH2O + H2O + 2S

Van Niel ponderou que a bactéria deveria quebrar H2S e usar o

hidrogênio para produzir açúcar. Ele generalizou que todos os organismos

fotossintetizantes requerem uma fonte de hidrogênio, mas que essa fonte

pode variar:

Em sulfobactérias:

CO2 + 2H2 CH2O + H2O + 2S

Em plantas:

CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2

Esquema geral:

CO2 + H2X CH2O + H2O + 2X

Cornelis Bernardus van Niel (1897-

1985) era um engenheiro químico

que trabalhava como microbiologista

estudando taxonomia de bactérias.

Trabalhou na estação marinha Hopkins,

da Universidade de Stanford, na

Califórnia, até 1962. Retirado de http:

//www.asmusa.org/mbrsrc/archive/pdfs/

530287p75.pdf


CEDERJ54

Desta forma, Van Niel levantou a hipótese de que as plantas

quebram água como fonte de hidrogênio, liberando O2 como um produto

desta quebra.

Nos vinte anos seguintes, a hipótese de Van Niel foi confi rmada

graças ao uso de 18O – um isótopo pesado do oxigênio, utilizado como um

traçador para mostrar o destino dos átomos de oxigênio na fotossíntese.

Esses experimentos mostraram que o O2 gerado na fotossíntese é 18O

somente se a H2O é a fonte do traçador. Se o 18O foi introduzido na planta

na forma de CO2, a marcação não aparece no oxigênio produzido.

Experimento 1: CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2

Experimento 2: CO2 + 2H2O CH2O + H2O + O2

É importante lembrar que os elétrons associados ao hidrogênio

têm uma energia potencial muito maior em moléculas orgânicas do que

na água. A energia é estocada em açúcares e outras moléculas orgânicas

na forma de elétrons de alta energia.

CEDERJ 55

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5R E S U M O

Você viu nesta aula que a fotossíntese ocorre no cloroplasto das células

vegetais e que ela pode ser dividida em etapa fotoquímica e etapa

química. Na primeira etapa, a molécula de água é quebrada e os

hidrogênios associam-se a aceptores de elétrons. O oxigênio molecular

(O2), liberado na atmosfera, também é resultado desta etapa. Nesta fase

são sintetizados NADPH e ATP. Na etapa seguinte, estas moléculas serão

a fonte de energia para a síntese de glicose.

Nas próximas duas aulas, você verá cada uma dessas etapas

separadamente. Vamos discutir como cada uma acontece e qual a bateria

enzimática responsável pela catálise das reações. Na Aula 6, veremos a

etapa fotoquímica – aquela que depende de luz. Você conhecerá o papel

da clorofi la e de outros pigmentos neste processo. Na aula seguinte (Aula

7), veremos como a célula vegetal utiliza o ATP e o NADPH, gerados na

primeira fase, para sintetizar glicose e outros compostos. Lembre que os

exercícios só virão no fi nal do módulo. Então... estamos prontos?

Você já sabe o básico sobre fotossíntese. Agora vamos descrever a etapa fotoquímica – processo pelo qual a energia solar é capturada pelo cloroplasto – as moléculas envolvidas e a seqüência de reações. Na aula seguinte (Aula 7), explicaremos como ocorre a etapa química.

A etapa fotoquímica oufase clara da fotossíntese 6AULA

obje

tivo

s

Bioquímica II | A etapa fotoquímica ou fase clara da fotossíntese

CEDERJ58

COMO AS REAÇÕES DA FASE CLARACAPTURAM ENERGIA SOLAR?

Como vimos anteriormente, a primeira etapa da fotossíntese

transforma energia luminosa em energia química, como ATP e NADPH.

Isso acontece graças a um conjunto organizado de moléculas presentes

na membrana do tilacóide, presente nos cloroplastos. O evento mais

importante, que é a origem de todo o processo, é a fotólise da água.

A energia do sol é uma forma de energia conhecida como ENERGIA

ELETROMAGNÉTICA OU RADIAÇÃO. A energia eletromagnética viaja em ondas.

O comprimento de onda varia de menos de um nanômetro (para raios

gama) até mais de 1km (para ondas de rádio). Essa variação é conhecida

como espectro eletromagnético. A radiação conhecida como luz visível

(400 a 700nm de comprimento de onda) é o segmento mais importante

para a vida.

EN E R G I A

E L E T RO M A G N É T I C A O U R A D I A Ç Ã O

A luz do sol é uma forma de energia eletromagnética ou radiação.

Figura 6.1: Espectro eletromagnético. O olho humano é capaz de perceber apenas os comprimentos de onda correspondentes ao espectro visível. A maior parte do espectro eletromagnético é invisível.

CEDERJ 59

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6

Não esqueça!

A quantidade de energia é inversamente relacionada ao comprimento de onda da luz.

!

A radiação também pode ser vista como partículas chamadas

quanta ou fótons. A quantidade de energia é inversamente relacionada

ao comprimento de onda da luz.

Assim, um fóton de luz violeta tem duas vezes mais energia que

o fóton de luz vermelha.

A mesma parte do espectro que pode ser vista – a luz visível – é

também a radiação que dirige a fotossíntese. Azul e vermelho são os dois

comprimentos de onda mais efi cientemente absorvidos pela clorofi la

(Figura 6.2) e, portanto, as cores mais usadas como energia para as

reações da fotossíntese.

CLOROFILA a

CLOROFILA b

R

R

= CH3

= CH

O

CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH3 CH3

CH3

CH3

CH3

CHCH

CH

CH

CH

CH2

C

C

C

H C3

H C3

H C2

HC

H

H

H

O

O

O O

O

N N

N N

Mg

R

CH3 CH3

CH2 CH2

CH2

CH2

CH2

CH2

CH CH

CH3

Figura 6.2: A molécula de clorofi la. Note o anel porfi rínico semelhante ao heme da hemoglobina (que você viu em Bioquímica I). No caso da clorofi la, o átomo central do anel é o magnésio. O grupo na posição representada por R diferencia as várias clorofi las. Observe a longa cauda de hidrocarboneto. Como você classifi caria essa molécula? Fonte: fai.unne.edu.ar/biologia/planta/fotosint.htm

Substâncias que absorvem luz visível são chamadas pigmentos.

Diferentes pigmentos absorvem diferentes comprimentos de onda, e o

comprimento de onda absorvido desaparece, enquanto os outros são

refl etidos. Se o pigmento absorve todos os comprimentos de ondas

ele aparece preto. A habilidade de um pigmento para absorver vários

comprimentos de onda de luz pode ser medida colocando-se uma solução

do pigmento em um instrumento chamado espectrofotômetro.

Então pense... por que a clorofi la é verde?


CEDERJ60

O pigmento chave quando se fala de fotossíntese é a clorofi la

(Figura 6.2). Isso porque apenas a clorofi la pode participar diretamente

das reações da fase clara que convertem energia solar em química. Mas

outros pigmentos podem absorver luz e transferir a energia para a

clorofi la, que então iniciará as reações.

Alguns pigmentos encontrados nos cloroplastos:

• Clorofi la a

• Clorofi la b

• β- Caroteno

• Ficoeritrina

• Ficocianina

Figura 6.3: O espectro de absorção de luz de diferentes pigmentos.

Ab

sorç

ão

Clorofila a

Clorofila b Ficoeritrina Ficocianina

�- Caroteno

violeta azul verde amarelo vermelho

Comprimento de onda (nm)

250 300 350 400 450 500 550 600 650 700

CEDERJ 61

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6

COMO OS PIGMENTOS ESTÃO ORGANIZADOS?

Os pigmentos estão organizados na membrana tilacóide em

conjuntos de poucas centenas (~300) de moléculas de pigmentos. Essas

membranas são ricas em glicolipídios e contêm grande quantidade

de proteína. Os pigmentos estão ligados a algumas dessas proteínas.

Clorofi las também interagem com lipídios de membrana por suas caudas

hidrofóbicas.

Estes conjuntos de pigmentos e proteínas estão organizados em

fotossistemas. Existem dois fotossistemas na membrana tilacóide:

• Fotossistema I

• Fotossistema II

COMO OS FOTOSSISTEMAS TRABALHAM?

Em cada um dos fotossistemas há uma única clorofi la capaz de

iniciar a reação. A localização dessa clorofi la no fotossistema é chamada

centro de reação (alguns autores sugerem a existência de um par de

moléculas de clorofi las a especializadas no centro de reação).

Robert Emerson e Willian Arnold, em 1930, mostraram que,

quando o sistema fotossintético da alga Chlorella operava na efi ciência

máxima, somente uma molécula de O2 era produzida para cada 2.500

moléculas de clorofi la.

A maior parte dessas moléculas não está diretamente engajada no

processo fotoquímico, mas atua como moléculas antenas ou clorofi las

antenas ou, ainda, complexo antena, absorvendo fótons e transferindo

energia para os centros de reação. Em outras palavras:

A energia de um fóton absorvido por qualquer molécula do

complexo antena viaja pelo sistema de uma forma randômica, aleatória.

Eventualmente (~10-10seg) a energia encontra o seu caminho para a

molécula de clorofi la a no centro de reação.


CEDERJ62

A clorofi la do centro de reação difere das outras moléculas de

clorofi la porque se encontra em um ambiente diferente, de forma que

o seu nível de energia (no estado excitado) é um pouco menor. Desta

forma, ela atua como uma armadilha para a energia absorvida pelos

outros pigmentos do fotossistema.

Complexoantena Centro de

reação

Energiaredutora

Energia luminosa

Figura 6.4: A organização das moléculas de clorofi la nos fotossistemas. A maioria das moléculas de clorofi la absorve luz e transfere a energia para o complexo antena, também chamado molécula antena ou proteína antena.

CEDERJ 63

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Cada complexo antena possui aproximadamente 300 moléculas

de clorofi las.

A energia é absorvida pelo centro de reação e os elétrons da clorofi la

passam de um estado fundamental para um estado excitado. Estes elétrons

de alta energia são então transferidos dos centros de reação para uma

cadeia de tranportadores até o NADP para formar o NADPH.

Figura 6.5: Seqüência de excitação do elétron da molécula aceptora pela luz solar.

ener

gia

Moléculaaceptora deelétrons e-

ener

gia

ener

gia

Estadofundamental

e-e-

e-

Estadoexcitado

Fóton

e-


CEDERJ64

AS REAÇÕES NOS FOTOSSISTEMAS

Os dois fotossistemas realizam diferentes reações e dependem

de luz de diferentes comprimentos de onda.

O fotossistema I pode ser excitado por luz de comprimentos

de onda mais curtos que 700nm e o fotossistema II requer luz de

comprimentos de onda mais curtos que 680nm para sua excitação.

Fotossistema I - 700nm

Fotossistema II - 680nm

Os dois fotossistemas operam no cloroplasto para produzir

NADPH (poder redutor), ATP e O2, porque estão interligados por uma

cadeia de transporte de elétrons. Os dois fotossistemas são estruturalmente

distintos no cloroplasto. No centro de reação do fotossistema I, uma

clorofi la especializada é chamada P700; e no fotossistema II a clorofi la

é chamada P680.

Ambas absorvem luz vermelha e são moléculas idênticas. Suas

poucas diferenças estão associadas com diferentes proteínas de membrana

que afetam sua distribuição de elétrons e, portanto, apresentam pequenas

diferenças no espectro de absorção.

A absorção de luz nos centros de reação dos fotossistemas I e II

produz um estado excitado de alta energia em suas clorofi las. Esse evento

dispara uma série de REAÇÕES REDOX.

RE A Ç O E S RE D O X

Reações redox ou reações de

oxidação e redução são reações de

transferência de elétrons. Lembre-

se: redução é ganho de elétrons

e oxidação é perda de elétrons.

CEDERJ 65

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ATP

fótonfóton

Estroma

Membranatilacóide

Quinone

NADPRedutaseFerredoxina

Citocromobf

plastocianina

e

e

Tilacoide

Gradiente deprótons usadospara gerar

2 H O

O 4H 2H

e-

ePSIIP680

NADPH

PSIP700

2

2+ +

–

––

+

Figura 6.6: As reações luminosas da fotossíntese produzem ATP e NADPH. A energia requerida nesta etapa é derivada da oxidação da água (fotólise). Em plantas esse processo envolve dois centros de rea-ção fotossintéticos ligados em série por uma cadeia transportadora de elétrons. O fotossistema II (FSII) usa energia luminosa para oxidar a água a O2 e então passa os elétrons para o fotossistema I (FSI). No fotos-sistema I o elétron é excitado novamente pela luz e é usado para reduzir a ferredoxina. A ferredoxina reduzida então reduz NADP+ a NADPH.

Em ambos os fotossistemas, a primeira etapa é a transferência do

elétron excitado pela luz do centro de reação para a cadeia de transporte

de elétrons.

A fonte desse elétron é a água, e o destino fi nal é a molécula de

NADP+, que será reduzida a NADPH.

Durante as reações luminosas, existem duas possíveis rotas para

o fl uxo de elétrons.

Fluxo cíclico – produz apenas ATP

Fluxo não cíclico – produz ATP, NADPH, O2

Antes de falar dos tipos de fl uxos de elétrons, vamos apresentar

os componentes do transporte de elétrons da fotossíntese na ordem em

que estão presentes na membrana interna do cloroplasto, que é a ordem

de funcionamento da cadeia transportadora:

1. Fotossistema II (P680) - conjunto de pigmentos ligados

a proteínas.

2. Plastoquinona (PQ) - Chamada plastoquinona pela

primeira vez em 1959 por Crane, por ser uma quinona

encontrada em grandes quantidades no cloroplasto de

vegetais superiores.

No cloroplasto

Elétron de baixa energia + luz = elétron de alta


CEDERJ66

Reação:

PQ PQH2

O

O

H C3

H C3

CH3 CH3CH3

CH3

OH

H C3

H C3

CH3 CH3 CH3

CH3

OH

Figura 6.7: Plastoquinona oxidada (A) e reduzida (B).

3. Citocromo bf - recebe os elétrons da plastoquinona.

O complexo protéico é formado por quatro subunidades:

um citocromo f de 33kDa, um citocromo b563 de 23kDa

(dois hemes), uma proteína ferro-enxofre (Fe-S) de 20kDa

e uma proteína de 17kDa.

4. Plastocianina (Pc) - também é uma proteína integral de

membrana que apresenta uma única cadeia polipeptídica

de 10 500 Da. Esta proteína tem um centro constituído

de um átomo de cobre envolvido por duas pontes de

nitrogênio e duas pontes de enxofre, que lhe confere uma

geometria tetraédrica.

5. Fotossistema I (P700) - conjunto de pigmentos ligados

a proteínas.

6. Ferredoxina - é uma proteína ferro-enxofre solúvel,

presente no estroma do cloroplasto.

Figura 6.8: Plastocianina. Fonte: http://www.biologie. uni-hamburg.de/b-online/e17/plasto.htm

Cys

Cys S

S

Fe

S

S

Fe

S

S

Cys

Cys

Cys

Cys S

S

Fe S

S

Fe

S

S

Cys

CysFe

SS

Fe

A B C

Figura 6.9: Ferredoxina. (A) complexo ferro-enxofre de uma proteína Fe2S2 - presente em ferredoxinas vegetais;(B) complexo ferro-enxofre de proteínas Fe4S4 - presentes em ferredoxinas de bactérias; (C) estrutura tridimensional de uma ferredoxina.

CEDERJ 67

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6

7. NADP redutase - último componente da cadeia

transportadora de elétrons, a NADP redutase é a enzima

que catalisa a reação:

NADP+ NADPH + H+, usando 2 e- e 2 H+ da FdH2

(ferredoxina reduzida).

O fl uxo cíclico de elétrons

O fl uxo cíclico de elétrons é o mais simples. Envolve somente

o fotossistema I e gera ATP, mas não produz NADPH nem O2 . Ele é

chamado cíclico porque os elétrons excitados que saem da clorofi la do

centro de reações retornam.

Figura 6.10: Ferredoxina Fe4S4. Fonte:http://www.life.uiuc.edu/crofts/bioph354/4fe4s.html

Figura 6.11: Transporte cíclico. Quando os níveis de NADPH são altos, os níveis de NADP+ são baixos, e os elétrons na ferredoxina reduzida não têm para onde ir. Nessas condições, a ferredoxina transfere seus elétrons para o citocromo bf, onde eles serão transferidos novamente para a clorofi la do fotossistema I. Este processo é chamado transporte de elétrons cíclico e permite o bombeamento de prótons e a síntese de ATP, mas não fornece NADPH.

Para o lúmen do

e-

2H+

e-

tilacóide

fóton

ferredoxina

Pod

er r

edu

tor

Citocromoo bf

pc

(P700)(P700)

(P700)(P700)


CEDERJ68

Quando pigmentos do complexo antena do fotossistema I absorvem

luz, a energia atinge, no centro de reação, a clorofi la P700. Isto excita dois

elétrons da P700. Os elétrons de alta energia são aprisionados por um aceptor

primário de elétrons para uma ferroproteína – ferredoxina (Fd).

A ferredoxina passa os elétrons para a plastoquinona (Pq). Daí os

elétrons vão para um complexo de dois citocromos. Estes citocromos doam

seus elétrons para outra proteína, plastocianina (Pc), que contém cobre.

Figura 6.12: Seqüência de transferência de elétrons na etapa fotoquímica da fotossíntese. Fd = ferredoxina; PQ = plastoquinona; Pc = plastocianina.

A cada etapa da cadeia de transporte, os elétrons perdem energia

potencial. Esse caminho, energeticamente “morro abaixo”, é usado pela

cadeia de transporte para bombear prótons H+ através da membrana

tilacóide. O gradiente de prótons gerado ativa a ATP-sintase, a enzima

que catalisa a síntese de ATP, que veremos mais adiante.

Certos transportadores de elétrons somente transportam elétrons

na companhia de íons H+, que são levados de um lado da membrana

tilacóide para o lado oposto.

O processo é similar à fosforilação oxidativa da mitocôndria

(que veremos na Aula 16).

Nos cloroplastos, a síntese de ATP é um processo de fosforilação.

Ela é chamada fotofosforilação por ser dirigida por energia luminosa.

No caso da fotofosforilação cíclica há somente síntese de ATP.

Nenhum NADPH é gerado.

CEDERJ 69

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O fl uxo não cíclico de elétrons

No caso do fl uxo não cíclico de elétrons, os dois fotossistemas

cooperam. Elétrons passam da H2O para o NADP+ para formar

NADPH.

Como no fl uxo cíclico, a luz excita um par de elétrons da clorofi la

P700. Entretanto, os elétrons não retornam, mas são armazenados como

elétrons de alta energia na forma de NADPH. Este será utilizado na fase

escura como doador de elétrons para a síntese de carboidrato.

NADP+ NADPH

ADP + Pi ATP

H2O 1/2O2 + 1H+

Elétrons ejetados da clorofi la P680 são repostos por elétrons

removidos da água. Os elétrons excitados fl uem pela cadeia de transporte

de elétrons até a clorofi la P700 do fotossistema I, fornecendo energia

para a síntese de ATP. A iluminação do fotossistema I leva os elétrons

novamente para um estado de alta energia. Os elétrons excitados passam

por uma aceptor primário – a ferrodoxina, e fi nalmente ao NADP+

redutase, que catalisa a formação de NADPH.

Figura 6.13: Fluxo não cíclico de elétrons na etapa fotoquímica da fotossíntese. Neste caso, ATP e NADPH são formados.

Pod

er r

edu

tor

Ferredoxina

Redutase

NADP+

NA

DPH

Citocromoo bf

fóton

(P660)(P660)

(P660)(P660)

fóton

(P700)(P700)

(P700)(P700)

2H O2

e-e-O +4H2 +


CEDERJ70

A SÍNTESE DE ATP

Tanto nas mitocôndrias quanto nos cloroplastos, o ATP é gerado

por um mecanismo básico chamado quimiosmótico.

A membrana tilacóide bombeia H+ do estroma (onde ocorreu

a hidrólise da água) para dentro do tilacóide, que funciona como

reservatório de H+. Os prótons concentrados no lúmen do tilacóide geram

um gradiente de concentração de prótons (gradiente eletroquímico).

Esses prótons encontram uma única saída para voltar ao estroma: passar

através de uma ATP-sintase. A ATP-sintase usa a energia de retorno dos

prótons para sintetizar ATP. A ATP-sintase produz ATP no estroma e é

utilizada no ciclo de Calvin que ali acontece.

F (80 A )1 °

F (50 A )0 °

Talo 50 A°

Canal transportador de H+

Superfície voltadapara a matriz

Outras superfícies

a ab

ab b

F (80 A )1 °

F (50 A )0 °

VISTA PERSPECTIVADA VISTA LATERALSIMPLIFICADA

CEDERJ 71

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MÓ

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6RESUMO

Você viu nesta aula que a primeira etapa da fotossíntese transforma energia

luminosa em energia química, como ATP e NADPH. O evento mais importante, que

é a origem de todo o processo, é a fotólise da água. O pigmento chave, quando

se fala de fotossíntese, é a clorofi la. Mas outros pigmentos podem absorver luz e

transferir a energia para a clorofi la, que então iniciará as reações.

Esses conjuntos de pigmentos e proteínas estão organizados em fotossistemas:

o fotossistema I e o fotossistema II, em plantas e cianobactérias. A fotólise

da água, promovida pela fotooxidação do fotossistema II, libera elétrons

que fl uem através de um complexo citocromo bf, passam pelo fotossistema

I e fi nalmente para o NADP+. O fl uxo dos elétrons pode ser não cíclico,

resultando na redução do NADP+, ou cíclico, no qual os prótons adicionais

são transferidos para o lúmen do tilacóide. Os prótons liberados pela

oxidação da água e aqueles transferidos para o lúmen do tilacóide geram

um gradiente transmembrana de prótons, que é usado pela ATP-sintase do

cloroplasto para realizar a fosforilação do ADP (síntese de ATP).

Na próxima aula você verá como ocorre a etapa química, ou ciclo de Calvin. É neste

ciclo que o CO2 será utilizado como matéria-prima para a síntese de moléculas

orgânicas, especialmente glicose. Lembre que os exercícios serão apresentados

no fi nal do módulo. Portanto, não perca a visão geral da fotossíntese.

O ciclo de Calvin ouetapa química da fotossíntese 7AULA

Bioquímica II | O ciclo de Calvin ou etapa química da fotossíntese

CEDERJ7 4

Na aula passada, nós falamos da etapa fotoquímica ou fase clara da fotossíntese.

Você viu como o oxigênio é produzido e ATP e NADPH são sintetizados e o

papel da luz do sol neste processo. Agora, vamos falar da etapa seguinte,

chamada etapa química ou ciclo de Calvin ou ainda fase escura da fotossíntese.

Antes, lembre-se de que você já viu, na aula 05, que na etapa química o CO2

atmosférico é fi xado em carboidratos.

A estequiometria global do ciclo de Calvin é:

INTRODUÇÃO

18 ATP 18 ADP + 18 Pi

6 CO2 + 12 NADPH C6H12O6 + 12 NADP+

UM POUCO DE HISTÓRIA

A etapa química da fotossíntese acontece através de uma série de

reações cíclicas que deram a Melvin Calvin, um bioquímico americano, o

Prêmio Nobel de Química em 1961. Tal etapa foi elucidada por Calvin,

James Bassham e Andrew Benson entre 1946 e 1953. Estes pesquisadores

descreveram o destino metabólico do CO2 marcado com 14C (14CO2)

em uma cultura de células de algas. Os primeiros experimentos em que

o 14CO2 era incubado com as células de algas por um minuto ou mais

indicaram que estas sintetizavam uma mistura complexa de metabólitos,

dentre eles açúcares e aminoácidos.

14CO2 + células de algas em cultura 5 minutos

ou mais

Açúcares, aminoácidos e

outros compostos orgânicos

Entretanto, se o tempo de incubação das algas com o 14CO2

era reduzido para cinco segundos, a análise do material sintetizado

mostrava que o primeiro composto radioativo estável formado era o

3-fosfoglicerato (3PG).

CEDERJ 7 5

AU

LA 7

M

ÓD

ULO

2

14CO2 + células de algas em cultura 5 segundos 2 moléculas de

3-fosfoglicerato

A análise do composto marcado com 14CO2 mostrava que ele era

inicialmente marcado no seu grupo carboxila. Calvin sugeriu que o 3PG

era formado pela carboxilação de um composto de dois carbonos. Este

composto foi, por muito tempo, procurado por vários pesquisadores, mas

nunca encontrado. A reação de carboxilação que realmente ocorre envolve

uma pentose chamada ribulose 1,5-bisfosfato (RuBP).

O CICLO DE CALVIN

A carboxilação de uma pentose tem como produto dois compostos

de três carbonos cada: as moléculas de 3-fosfogliceratos. A rota completa

envolve a carboxilação da pentose, a formação de carboidratos como

produto principal da via e a regeneração de RuBP. Para que isso ocorra,

existem várias reações catalisadas por diferentes enzimas.

Mas não esqueça, no ciclo...

1- O CO2 é aprisionado na forma de um carboxilato e

reduzido, o que resulta na síntese de carboidratos.

2- A molécula aceptora de CO2 (ribulose 1,5-fosfato) é

regenerada.

O CO2 difunde-se no estroma do cloroplasto, onde é adicionado ao

grupamento carbonil da ribulose 1,5-bisfosfato (RuBP), reação catalisada

pela enzima ribulose 1,5-Bisfosfato Carboxilase/Oxigenase – RuBisCO

(veja a Figura 7.2).

CH O2

CHOH

CHOH

CH O2

C O

P

P

Figura 7.1: Ribulose 1,5 - bisfosfato (RuBP).

A molécula aceptora

de CO2 é a ribulose

1,5-bisfosfato.


CEDERJ7 6

Figura 7.2: Estrutura tridimensional da RuBisCO. A. Esta enzima é composta por oito grandes subunidades e nove subunidades menores. Esta imagem mostra quatro subunidades de cada tipo. Ela fi xa CO2 catalisando a reação da ribulose 1,5-bisfosfato com o CO2, produzindo duas moléculas de 3-fosfoglicerato. RuBisCO é a proteína mais abundante do mundo. Esta abundância, assim como a fi xação de CO2, é fundamental para todas as formas de vida; B. Detalhe de A mostrando as subunidades maiores da RuBisCO que ligam o substrato da enzima e íons magnésio.

B

A

Esta enzima é uma das mais importantes enzimas conhecidas e

certamente a mais abundante – 40 milhões de toneladas de RuBisCO

no mundo. Como o seu nome diz, ela alterna a atividade carboxilase e

oxigenase. Mas isso nós discutiremos mais tarde, ainda nesta aula.

A incorporação de CO2 em 3-fosfoglicerato representa o processo

de fixação de CO2 em si; as reações subseqüentes convertem o 3-

fosfoglicerato em gliceraldeído 3-fosfato. Isto acontece de uma forma

similar à gliconeogênese (que você verá na aula 30), exceto por uma

única característica: as reações requerem NADPH e não NADH, como

na gliconeogênese.

CH O2

C

C

C

CH O2

O

OHOH

OHH

P

P

COOH

C

CH O2

OHH

P

COOH

C

CH O2

OHH

P

CO2

Rubisco

Ribulose 1,5-bisfosfato

2 moléculas de

3-fosfogliceratoReação 1

CO2

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2

Após serem formadas, as duas moléculas de 3-fosfoglicerato são

convertidas a 1,3-bisfosfoglicerato (BPG), uma molécula duplamente

fosforilada. Esta reação é catalisada pela enzima fosfoglicerato quinase.

A reação de fosforilação requer a hidrólise de uma molécula de ATP para

cada BPG formado. Lembre que uma ribulose 1,5-bisfosfato, ao sofrer

carboxilação, foi capaz de gerar duas moléculas de 3-fosfoglicerato. Logo,

serão gastos 2 ATPs por ciclo.

CH2P O CH

OH

CO

O—CH2P O CH

OH

CO

O

ATP ADP + Pi

P

1,3 - bisfosfoglicerato3 - fosfoglicerato

ATP ADP

Cada molécula de 1,3-bisfosfoglicerato formada pode ser convertida

a gliceraldeído 3-fosfato (GAP). A enzima que catalisa esta reação é a

gliceraldeído 3-fosfato desidrogenase.

Você lembra, das aulas de Bioquímica I, o que fazem as enzimas denominadas

desidrogenases?

!

Reação 2

Neste caso, a enzima reoxida o NADPH gerado durante a fase

clara da fotossíntese.

1,3 - bisfosfoglicerato

NADPH NADP+Reação 3

CH2P O CH

OH

CO

O PCH2P O CH

OH

CO

H

gliceraldeído 3-fosfato


CEDERJ7 8

A conversão de 3-fosfoglicerato em gliceraldeído-3fosfato e, a

seguir, em glicose é a etapa da fotossíntese conhecida como ciclo de

Calvin, fase escura ou ainda etapa química. Neste ponto, uma molécula

de CO2 foi incorporada e duas moléculas de G3P foram produzidas às

custas de 2 ATPs e 2 NADPHs. Entretanto, seis moléculas de CO2 são

necessárias para produzir uma molécula de glicose (porque a glicose é

uma molécula de seis carbonos). Portanto, as seis moléculas de CO2 irão

formar doze moléculas de 3-fosfoglicerato que, então, serão convertidas

em doze moléculas de gliceraldeído 3P.

O gliceraldeído 3P pode ser drenado do ciclo para uso em vias

biossintéticas.

Quando gliceraldeído 3-P é formado, ele pode ter dois destinos:

1) Produção de açúcares de 6 carbonos (glicose).

2) Regeneração de ribulose 1,5-bisfosfato.

O resumo das reações pode ser visto na fi gura 7.3.

Ribulose 1,5-bisP

Ribulose-5P

6

6ATP

6

12

12NADPH

12

Regeneraçãoda ribulose 1,5-bisP

6

ATP

CO2

Síntese de glicose

3-fosfoglicerato 12 x 1,3-bisPglicerato

Gliceraldeído 3P ou(ou DHAP)

de

Gliceraldeído 3P ou(ou DHP)

6

Frutose-6P

Gicose 1P

Frutose-6P

2

Figura 7.3: Resumo das reações do ciclo de Calvin. O ciclo ocorre para cumprir duas funções: uma é a síntese de glicose e outras moléculas orgânicas; a outra é a regeneração da ribulose 1,5-bisfosfato, molécula essencial para reiniciar o ciclo.

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2

PRODUÇÃO DE GLICOSE

Seis moléculas de CO2 podem gerar doze moléculas de gliceraldeído

3-fosfato (G3P). As doze moléculas de gliceraldeído-3-fosfato podem seguir

vários destinos diferentes e, portanto, ser substrato para a síntese de muitas

outras moléculas orgânicas ou regenerar o aceptor inicial de CO2 (ribulose

1,5-bisfosfato).

Duas dessas moléculas de G3P são utilizadas para produzir uma

glicose-fosfato (via gliconeogênese), e as outras dez são usadas para

regenerar as seis moléculas iniciais de ribulose 1,5-bisfosfato. Estas são

necessárias para ligar outras seis moléculas de CO2 e reiniciar o ciclo.

Das dez G3P envolvidas na regeneração da RBP, quatro formarão duas

moléculas de frutose 6-fosfato.

Muitas das reações do ciclo de Calvin são comuns à via das pentoses-

fosfato (Aula 20). As duas moléculas de frutose 6-fosfato reagem com 6

G3P. Gliceraldeído 3P pode ainda ser isomerizado a dihidroxiacetona-

fosfato (DHAP). As enzimas transcetolase, aldolase, fosfatase e outra

transcetolase geram intermediários combinando G3P e DHAP. Estes

intermediários incluem xilulose 5-fosfato e ribulose 5-fosfato. A ribulose

5P pode ser convertida a ribulose 1,5-bisfosfato, cuja reação requer um

ATP por molécula convertida. A conversão de seis moléculas de ribulose

1,5-bisfosfato, necessárias para fi xar 6 CO2, requer seis moléculas de

ATP. A síntese de uma molécula de glicose requer dezoito ATPs e doze

NADPHs.

Assim, o gliceraldeído 3-P, um dos produtos mais importantes

da fotossíntese, é usado em uma grande variedade de rotas metabólicas,

tanto dentro como fora do cloroplasto. Como você viu, ele pode, por

exemplo, ser convertido a frutose 6-fosfato. A frutose 6-fosfato pode ser

convertida a glicose 1-fosfato pela ação da fosfoglicose isomerase e pela

fosfoglicomutase. A glicose 1-fosfato é uma molécula importante, pois é

precursora de carboidratos complexos característicos de vegetais. Entre eles

destaca-se a sacarose, o principal açúcar de transporte para fornecimento

de carboidratos para células não fotossintetizantes; o amido, o principal

polissacarídeo de reserva; e a celulose, o principal componente estrutural

de paredes celulares. Na síntese de todas essas substâncias, a glicose 1-P é

ativada pela formação de ADP-, CDP-, GDP- ou UDP-glicose, dependendo

da espécie e da via metabólica. A unidade de glicose é, então, transferida

para o terminal não redutor de uma cadeia crescente de polissacarídeo,

como ocorre na síntese do glicogênio.

Figura 7.4: Algas fotossin-tetizantes. Fonte: http: //old.jccc.net/~pdecell/photosyn/photoframe.html

CH2P O CH

OH

CO

H

Gliceraldeído-3P

Figura 7.5

A síntese dog l i cogên io você verá nas Aulas 26 e 27.

!


CEDERJ8 0

REGENERAÇÃO DA RIBULOSE 1,5-BISFOSFATO

A seguir, temos as possíveis reações do ciclo de Calvin até a regeneração

de ribulose 1,5-bisfosfato. Note que esta seqüência possibilita a síntese de

várias moléculas orgânicas, com diferentes números de carbonos.

1) 2X Gliceraldeído 3P 2Dihidroxicetona P

2) Gliceraldeído 3P + Dihidroxicetona-P Frutose 1,6-bisfosfato

3)Frutose 1,6-bisfosfato Frutose 6P + Pi

4) Frutose 6P + Gliceraldeído 3P Eritrose 4P + Xilulose 5P

5) Eritrose 4P + Dihidroxicetona Sedoheptulose 1,7-bisfosfato

6)Sedoheptulose 1,7-bisfosfato Sedoheptulose 7P + Pi

7) Sedoheptulose 7P + Gliceraldeído 3P Ribulose 5P + Vilulose 5P

8) Ribulose 5P Ribulose 5P

9) 2 Xilulose 5P 2 Ribulose 5P

10) 3 Ribulose 5P + 3ATP 3 Ribulose 1,5-bisP + ADP

= 5 Gliceraldeído 3P + 3ATP 3Ribulose 1,5-bisP + 3ADP

2X 3C 2X 3C

3C 3C 6C +

6C 6C

6C 3C 4C 5C

3C 4C 7C

7C 7C

7C + 3C 5C

5C 5C

2X 5C 2X 5C

3X 5C 3X 5C

3X 5C

5C

5X 3C

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TRANSPORTE DE TRIOSES FOSFATO

As trioses fosfato (3-fosfoglicerato, 1,3-bisfosfoglicerato, gliceraldeído

3-fosfato, dihidroxiacetona-fosfato) são críticas para o metabolismo de

açúcares em plantas. No estroma do cloroplasto, as trioses fosfato são

usadas como substrato para a gliconeogênese (síntese de glicose).

Sacarose

Citoplasma

Estroma docloroplasto

ATP ADP NADH NAD+

1,3BPG

Pi

G3PPi

PiATP

ADP

DHAP

NADP+

1,3BPG G3P

3-PG

NADPH

Figura 7.6: Transporte de trioses fosfato.

Trioses fosfato são também transportadas do estroma do cloroplasto

para o citoplasma da célula, por transportadores específicos. Estes

transportam Pi do citoplasma para o estroma, onde ele será necessário

para a síntese de ATP, enquanto transfere dihidroxiacetona fosfato (DHAP)

para o citoplasma, onde ele pode ser convertido a 3-PG (produzindo ATP

e NADPH). DHAP pode também ser usado no citoplasma para a síntese

de sacarose (veja a Figura 7.7).

Síntese de sacarose – a reação de UDP-glicose com frutose 6P é catalisada pela

enzima sacarose 6P sintase.

!


CEDERJ8 2

Figura 7.7: ATP e NADPH podem ser transferidos do cloroplasto para o citoplasma da célula vegetal por trans-portadores específi cos. Estas moléculas são usadas no citoplasma como fonte de energia e equivalentes redutores para converter as trioses fosfato em sacarose, que é transportada através do sistema circulatório do vegetal para tecidos não fotossintéticos (como as raízes) onde será usada no metabolismo energético.

R E S U M O

Nesta aula, você viu que as reações da fase escura usam ATP e NAPH produzidos

na fase clara para realizar a síntese de carboidratos a partir de CO2. O primeiro

evento do ciclo de Calvin é a fi xação do CO2 através de sua reação com a ribulose

1,5-bisfosfato para formar, em última análise, duas moléculas de gliceraldeído

3P (GAP). As reações remanescentes do ciclo regeneram o aceptor inicial de

CO2, ribulose 1,5-bisfosfato. A próxima aula será a última do módulo, e nela

falaremos de fotorrespiração e regulação da fotossíntese. Finalmente, teremos

também os exercícios e auto-avaliação do módulo. Vamos então à Aula 8.

UDP-Glicose

Frutose 6-P

HOCH2

H H

HO

OH

HOH

OHHO

OO P O

O

O—O—

CH2

O

O N

HN

O

OH OH

H HHH

HOCH2

CH OPO2 32 —

H

HOHHO

HOH

O

Outros aspectosimportantes da fotossíntese 8AULA

Bioquímica II | Outros aspectos importantes da fotossíntese

CEDERJ84

OUTROS ASPECTOS IMPORTANTES DA FOTOSSÍNTESE

Você viu na aula passada o ciclo de Calvin. Até aqui, as aulas

deste módulo concentraram-se em mostrar as etapas da fotossíntese, os

objetivos de cada etapa e as moléculas envolvidas como matéria-prima,

intermediários, enzimas, ou produtos. A Aula 8 é a última do módulo e

aqui discutiremos o papel da RuBisCO como oxigenase, participando do

processo conhecido como FOTORRESPIRAÇÃO. Conheceremos ainda algumas

plantas que apresentam desvios metabólicos para aumentar a efi ciência da

fotossíntese. Finalmente, discutiremos um pouco de como este processo,

tão importante para a vida, é regulado.

Fotorrespiração

A RuBisCO é uma enzima peculiar. Ela pode comportar-se como

uma oxigenase quando a concentração de O2 na atmosfera é alta e a

concentração de CO2 baixa.

Neste caso, a ribulose 1,5-bisfosfato reage com o oxigênio e é

convertida em fosfoglicolato e 3-fosfoglicerato (fi gura 8.1).

Figura 8.1: A dupla atividade da RuBisCO.

FO T O R RE S P I R A Ç Ã O

Uma série de reações que ocorrem nas plantas quando a RuBisCO funciona como oxigenase.

Fosfoglicolato pode ser convertido a 3-fosfoglicerato por uma

série de reações que requerem ATP e O2. Como O2 é consumido e CO2

é produzido, este processo é chamado fotorrespiração. Esta reação

desperdiça 3-fosfoglicerato e ATP, porque o processo não resulta em

fi xação de carbono.

CH2

CH2 OCCC

HH

OHOH

O

O

HHO CC

Ch2 O

O–

O

O– OCCCH2 O

H OH

CH2 OC

O– O

O– OCCH OHCH2 O

+

+

CarboxilaseCo2

Oxigenase

Grupo fosfato (Po )2–3=

2-fosfoglicolato 3-fosfoglicerat

RuBisCO(ribulosebisfosfato carboxilase/oxigenase)

2-moléculas de fosfoglicerato

Ribulose 1,5bisfosfato

P

P

P

P

P

P

P

O2

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8

Desta forma, a enzima inicia a via

conhecida como fotorrespiração, onde a

ribulose 1,5-fosfoglicerato é convertida a

fosfoglicolato (Figura 8.2).

Figura 8.2: A localização de cada etapa da fotorrespiração.

-

Cloroplastos

Peroxissomas(microcorpos)

Mitocôndrias

Ciclo deCalvin

Ribulose1,5 -bisP

RuBisCO

fosfoglicolato

Glioxilato

Glicina

Glicina

O2O2 CO2

3 PG ADPP1

O2O2

H2O2O2

CO +NH2 3

Serine

Serine

ATP

Glicolato Glicerato

O fosfoglicolato é então desfosforilado e passa para os pero-

xissomos, onde ele é oxidado, formando peróxido de hidrogênio e

glioxilato.

Fosfoglicolato H2O2 + Glioxilato

O H2O2 tóxico é quebrado pela catalase e o glioxilato é transa-

minado, produzindo glicina.

A glicina entra na mitocôndria e duas moléculas são convertidas

em uma serina. Neste processo há descarboxilação e desaminação: CO2

e amônia são liberados. A serina novamente é convertida a glicerato. No

cloroplasto, sofre fosforilação pelo ATP, formando 3-fosfoglicerato.

Assim, neste processo:

1. A ribulose 1,5-bisfosfato não pode ser usada no ciclo de Calvin.

2. A fi xação de CO2 é revertida, pois o O2 é consumido e CO2

é liberado.

3. ATP é gasto desnecessariamente.


CEDERJ86

Plantas C4

Portanto, até hoje se acredita que a fotorrespiração trabalha

contra a fotossíntese.

Isto acontece com a maior parte dos vegetais e tem-se trabalhado

no sentido de criar em laboratório, por engenharia genética, plantas que

não tenham esse comportamento.

Algumas plantas, entretanto, ao longo da evolução, conseguiram

uma solução para esse problema. Esta solução não é uma enzima modi-

fi cada. Na verdade, as plantas chamadas plantas C4 desenvolveram uma

rota metabólica que ajuda a conservar o CO2. Esta rota é chamada Ciclo

C4 ou Hatch - Slack. Este ciclo, encontrado em plantas como o milho e

a cana-de-açúcar, é importante em plantas tropicais que são expostas a

intensa luz solar e altas temperaturas.

Embora fotorrespiração ocorra sempre, em maior ou menor grau,

em todas as plantas, é mais ativa sob condições de muita luminosidade,

altas temperaturas e baixa concentração de CO2.

Plantas C4 concentram sua fotossíntese em uma camada de células

que se localiza logo abaixo das células mesófi las, as células da bainha da

lâmina foliar. As células mesófi las, neste caso, mais diretamente expostas

ao CO2, contêm as enzimas do ciclo C4.

A denominação C4 se deve à síntese de um composto de quatro

carbonos, o oxaloacetato.

A enzima chave, fosfoenol piruvato carboxilase, fi xa CO2, con-

densando-o com o fosfoenol piruvato para formar oxalacetato.

Para plantas C4, ver também: http://www.icb.ufmg.br/prodabi/grupo5/Photosynthesis/c4/c4.htmlExplore a página: tem muita coisa legal sobre fotossíntese.

!

As células mesófi las e as células da bainha (vascular) formam a camada mediana ou mais interna da folha.

!

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Figura 8.3: Metabolismo de fi xação de CO2 em plantas C4.

Plantas CAM

Outra modifi cação de fi xação de carbono é encontrada em plan-

tas suculentas (armazenadoras de água), incluindo plantas de gelo,

cactos, que são adaptados para climas muito secos. Essas plantas abrem

seus estômatos durante a noite e fecham durante o dia, exatamente

o inverso de como outras plantas se comportam. Estômatos fechados

ajudam a preservar água durante o dia, mas também impedem a entrada

de CO2. Durante a noite, quando seus estômatos abrem, essas plantas

tomam CO2 e o incorporam em uma variedade de ácidos orgânicos.

Este modo de fi xação de CO2 é chamado metabolismo do ácido cras-

suláceo (em inglês, CAM), por causa da família Crassulacea, onde foi

primeiro descrito.

Regulação da fotossíntese

Plantas possuem dois sistemas dependentes de luz para regular o

ciclo de Calvin. O primeiro sistema tem como alvo a RuBisCO, ativando

a enzima em resposta à luz.

CO2

Co2

CO2

Pi COO

COO-

COO

COO-Pi

COO

PEPcarboxilase

CH2

CH2

CH2

COO

Ch3

C O

Oxaloacetato

NADPH+H+

CH OH

C O PO32

NADP+

Malate

C O

fosfoenolpiruvato

AMP+PPi ATP+Pi

piruvato

Malate NADP+

NADPH

Células da bainha

Ciclode

Calvin+


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Fotofosforilação bombeia prótons do estroma para o lúmen do tilacóide

e Mg+2 do lúmen do tilacóide para o estroma. Este bombeamento causa

um aumento no pH e na concentração de Mg do estroma. Os dois efeitos

ativam a RuBisCO.

O segundo sistema responde ao estado redox do estroma

dependente de luz. Durante a fotofosforilação, os elétrons da água são

usados para reduzir a ferredoxina. Parte da ferredoxina reduzida é usada

para reduzir tiorredoxina. Tiorredoxina reduzida pode reduzir diversas

enzimas chaves do ciclo de Calvin, levando à ativação destas enzimas.

Figura 8.4: Regulação da fotossíntese. Os níveis de prótons e Magnésio no estroma do cloroplasto modulam a atividade da RuBisCO. O estado redox das enzimas do ciclo de Calvin é outro importante mecanismo de regulação das enzimas.

Estroma do

cloroplasto

Ativação da

RuBisCO

Elétrons gerados por

fotofosforilação

Tioredoxina

reduzida

Ferredoxina

reduzida

Ferredoxina

oxidada

Tiorredoxina

oxidadaH+

Mg2+

[ ]Mg2+

[ ]H+

2e–

2H+

2e–

2H+

SHSH

SH

SH S

S

S

S

citoplasma

Lúmen

do

tilacóide

Enzimas do ciclode calvin oxidadas(inativas)

Enzimas do ciclode calvin reduzidas(ativas)

Destino dos produtos fotossintéticos

A fotossíntese é um processo onde a energia fl ui dos fótons às

moléculas orgânicas. As reações luminosas capturam a energia solar e

a usam para produzir ATP e transferir elétrons da água até o NADP+.

No ciclo de Calvin, ATP e NADPH são usados para sintetizar açúcar a

partir de CO2. A energia que entra no cloroplasto como luz solar torna-

se energia química estocada nas ligações das moléculas de açúcar.

O açúcar produzido nos cloroplastos sustenta a planta inteira

com energia química e esqueletos de carbono para sintetizar todas as

principais moléculas orgânicas das células. Aproximadamente 50%

do material orgânico produzido na fotossíntese, entretanto, são con-

sumidos como combustível para a respiração celular na mitocôndria

das células vegetais.

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8Figura 8.5: Síntese de sacarose a partir de UDP-glicose.

Tecnicamente, células verdes são a única parte autotrófi ca da

planta. O resto da planta depende de moléculas orgânicas exportadas

pelas folhas nos sistemas vasculares. Na maioria das plantas, carboidratos

são transportados das folhas na forma de sacarose, um dissacarídeo

(Figura 8.5). Quando chega às células não fotossintetizantes, a sacarose

é usada na respiração celular e em uma grande variedade de vias

anabólicas. Uma considerável parte da glicose é usada para produzir

celulose. Celulose é a molécula orgânica mais abundante na planta e

provavelmente na superfície do planeta.

O excesso de glicose é usado na síntese de amido que é estocado em folhas (no próprio

cloroplasto) e em células de armazenagem como raízes, tubérculos e frutos. Isto tudo é substrato

oxidativo para heterotrófi cos, incluindo humanos.

Em uma escala global, a produtividade do cloroplasto é prodigiosa. Estima-se que a fotossín-

tese produza 160 bilhões de toneladas métricas de carboidratos por ano (ton métrica = 1000 Hg).

Nenhum outro processo químico na Terra tem essa produtividade e nenhum é mais impor-

tante para a manutenção da vida no planeta.

CH OH2

H H

H

H

H

H H

H H

HH

H

H

HH

H H

H

H

CH OH2

CH OH2

CH OH2

HOHO

H

HOH

HOHO

HOHO

H H

O

O

O

O

OO

O

O

O

O

O

OH OH

OH

OHOH

OH

OH

OH OH

H

CH2

CH2

HOCH2

HOCH2

HOCH2

UDP P

P

UDP

Pi

UDP-glicose Frutose-6-fosfato

Sacarose 6-fosfato sintase

Sacarose 6-fosfato

Sacarose 6-fosfato fosfatase

Sacarose

1 2

1 2

1 2+


CEDERJ90

R E S U M O

Nessa aula falamos de fotorrespiração, um desvio metabólico da fotossíntese que

ocorre quando a RuBisCO passa a trabalhar como oxigenase. Geralmente isso

acontece em altas temperaturas e quando a concentração de O2 na atmosfera é

alta e a concentração de CO2 baixa. Mostramos que algumas plantas, como as

C4 e as CAM, apresentam adaptações metabólicas que otimizam a fotossíntese,

aumentando a concentração de CO2 nas células. Além disso, nesta aula discutimos

a regulação da fotossíntese. Lembre que a velocidade do ciclo de Calvin é regulada

por dois sistemas: um é a concentração de prótons e magnésio no estroma do

cloroplasto que ativa a RuBisCO; o outro são as reações de oxi-redução promovidas

pelos elétrons e prótons da cadeia transportadora. Falamos, fi nalmente, do destino

da glicose gerada na fotossíntese, mais especifi camente da síntese de sacarose

e formação de amido.

Com isso terminamos o módulo Fotossíntese. Espero que você

tenha gostado, entendido e, acima de tudo, percebido a importância

deste processo bioquímico. Nas próximas aulas falaremos de

fermentação e de respiração celular. Esses dois processos formam, com

a fotossíntese, o pacote básico do metabolismo energético. Como você

já percebeu desde as primeiras aulas de fotossíntese, eles caminham

em paralelo e são interdependentes. Esta interdependência é a base do

fenômeno biológico.

Antes de continuar, faça os exercícios de fi xação que estão a seguir.

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EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1. O que é fotossíntese?

2. Que afi rmativa(s) sobre a fotossíntese não é correta?

a) As reações luminosas são dirigidas pela energia derivada da oxidação da água.

( )

b) Fotossistema II usa energia luminosa para oxidar água a O2 e então passa os

eletrons para o fotossistema I. ( )

c) No fotossistema I, o elétron é outra vez excitado pela luz e é usado para reduzir

a ferredoxina. ( )

d) A produção de ATP e NADPH é dirigida pela energia que é derivada da absorção

de luz. ( )

e) Ferredoxina reduzida reduz NADP+ a NADPH. ( )

3. Ao contrário da fosforilação oxidativa, a fotofosforilação não envolve complexos

protéicos ligados à membrana. Falso ou verdadeiro? Por quê?

4. Quando a cadeia transportadora de elétrons está em pleno funcionamento, o

pH do lúmen do tilacóide será (maior que, menor que

ou igual a) o pH do estroma.

5. Analisando as equações da fotossíntese e da quimiossíntese abaixo, o que se

pode concluir da origem do oxigênio molecular formado?

Fotossíntese: H2O + CO2 glicose + O2 + Energia

Quimiossíntese: H2S + CO2 glicose + 2S + Energia

6. O que não acontece na fosforilação cíclica?

a) produção de ATP;

b) atividade do centro de reação do FSI;

c) o transporte de elétrons na membrana fotossintética;

d) utilização de energia luminosa;

e) formação de NADPH.


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7. O reagente DCMU, 3-(3,4-diclorofenil)-1,1-dimetil urea, inibe a transferência de

elétrons para a plastoquinona no fotossistema II. Que efeito fi nal você esperaria

encontrar, se fosse administrado DCMU a uma suspensão de cloroplastos iluminada?

8. Por que nossos olhos detectam como verde estruturas contendo clorofi la?

9. Suponha um breve pulso de 14CO2 em uma planta verde.

a) Trace o caminho percorrido pelo 14C até a síntese de frutose 1,6-bisfosfato,

mostrando que os átomos de carbono em cada intermediário devem carregar a

marcação em cada ciclo.

b) Todas as moléculas de frutose 1,6-bisfosfato apresentarão dois átomos de

carbono marcados?

10. As plantas C3 e C4 são mantidas juntas numa caixa selada e iluminada, a planta

C4 viceja, enquanto a planta C3 adoece e, eventualmente, morre. Explique.

RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO

1. O que é fotossíntese?

É a via metabólica de síntese de glicose a partir de CO2 e H2O que ocorre em células

especializadas com energia derivada do sol (energia luminosa).

2. Que afi rmativa (s) sobre a fotossíntese não é correta?

a) As reações luminosas são dirigidas pela energia derivada da oxidação da água

( x ).

b) Fotossistema II usa energia luminosa para oxidar água a O2 e, então passa os

elétrons para o fotossistema I ( ).

c) No fotossistema I, o elétron é outra vez excitado pela luz e é usado para reduzir

a ferredoxina ( ).

d) A produção de ATP e NADPH é dirigida pela energia que é derivada da absorção

de luz ( ).

e) Ferredoxina reduzida reduz NADP+ a NADPH ( ).

3. Ao contrário da fosforilação oxidativa, a fotofosforilação não envolve complexos

protéicos ligados à membrana. Falso ou verdadeiro? Por quê?

Errado. Os fotossistemas, assim como os transportadores, são proteínas.

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4. Quando a cadeia transportadora de elétrons está em pleno funcionamento, o

pH do lúmen do tilacóide será menor que (maior que, menor que ou igual a) o

pH do estroma.

5. Analisando as equações da fotossíntese e da quimiossíntese abaixo, o que se

pode concluir da origem do oxigênio molecular formado?

Fotossíntese: H2O + CO2 glicose + O2 + Energia

Quimiossíntese: H2S + CO2 glicose + 2S + Energia

O oxigênio liberado na fotossíntese se origina da molécula de água.

6. O que não acontece na fosforilação cíclica?

a) produção de ATP.

b) atividade do centro de reação do FSI.

c) o transporte de elétrons na membrana fotossintética.

d) utilização de energia luminosa.

e) formação de NADPH.

7. O reagente DCMU, 3-(3,4-diclorofenil)-1,1-dimetil urea, inibe a transferência

de elétrons para a plastoquinona no fotossistema II. Que efeito fi nal você

esperaria encontrar, se fosse administrado DCMU a uma suspensão de

cloroplastos iluminada?

A inibição do transporte de elétrons da plastoquinona para o fotossistema II

interrompe o início do transporte de elétrons, não permitindo que ocorra a síntese

de ATP nem a redução de NADPH.

8. Por que nossos olhos detectam como verde estruturas contendo clorofi la?

Porque a clorofi la absorve os comprimentos de onda azul e vermelho. Nossos olhos

detectam os comprimentos de onda restantes. A percepção dos comprimentos de

onda transmitidos é verde.

9. Suponha um breve pulso de 14CO2 em uma planta verde.

a) Trace o caminho percorrido pelo 14C até a síntese de frutose 1,6-bisfosfato,

mostrando que átomos de carbono em cada intermediário devem carregar a

marcação em cada ciclo.

Para responder, veja a ordem dos intermediários do ciclo de Calvin e observe suas

estruturas. Nem todas são mostradas na aula. Pesquise nos livros de bioquímica

do pólo.


CEDERJ94

b) Todas as moléculas de frutose 1,6-bisfosfato apresentarão dois átomos de

carbono marcados?

Discuta com seus colegas e seu tutor, procure nos livros, siga a pista dada para a

pergunta anterior.

10. As plantas C3 e C4 são mantidas juntas numa caixa selada e iluminada; a planta

C4 viceja, enquanto a planta C3 adoece e eventualmente morre. Explique.

Plantas C4 são mais efi cientes na utilização do CO2.

A história da fermentação:do início aos dias de hoje 9AULA

Bioquímica II | A história da fermentação: do início aos dias de hoje

CEDERJ96

Desde a Antigüidade, o processo de fermentação era conhecido

e muito utilizado na fabricação de vinhos, queijos e pães. Aristóteles

descreveu quatro etapas na formação do vinho: a infância, quando a uva

estava na parreira; a adolescência, com o suco de uva; a maturidade com

o vinho; e fi nalmente a velhice e morte, quando o vinho se transformava

em vinagre.

Uma das primeiras definições do processo fermentativo foi

elaborada em 1684, por Willis:

A fermentação é um movimento intestino de partículas ou

princípios de cada corpo, tendendo para a perfeição ou para a

transformação em outro. As partículas elementares postas em

movimento, devido à sua própria natureza ou ocasionalmente

vibrando maravilhosamente, são aprisionadas e transformam-se

em outras: as sutis e mais ativas esforçam-se na tentativa de escapar

suavemente, mas estando entrelaçadas com outras mais espessas

são impedidas de fazê-lo. Também as mais espessas são mantidas

unidas pelo intento e expansão das mais sutis e são enfraquecidas até

que cada uma alcance sua própria grandeza e exaltação. Elas fi xam

em si a devida perfeição ou completam as alterações e mutações

designadas pela natureza.

Até o início do século XIX, a conservação dos alimentos era

feita utilizando-se basicamente a técnica da salmoura. Nessa época, o

Império Napoleônico estava em expansão. Entretanto, um dos maiores

empecilhos para a conquista de novos territórios era a alimentação de

seus soldados. Napoleão, ofereceu, então, um prêmio de 12000 francos

para quem inventasse uma maneira efi ciente de conservar os alimentos

por um longo período de tempo.

Nesse contexto, destacou-se o francês Mr. Nicolas Appert, dono

de uma loja de secos e molhados, que exportava alimentos para diversas

localidades e pessoas, inclusive para o Czar da Rússia. Sua técnica de

conservação de alimentos, herdada de seu pai, consistia em adicionar

grandes quantidades de açúcar às frutas e ferver os alimentos, que

deveriam imediatamente ser tampados e selados com parafi na.

Figura 9.1: Capa do livro de Mr. Appert, A arte de preservar alimentos de origem animal e veg-etal, 1810.

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9

Suas receitas foram publicadas em um livro (Figura 9.1), considerado

por muitos como o primeiro livro de Bioquímica.

Hoje o processo fermentativo é amplamente

conhecido e mundialmente utilizado em escala

industrial. A cerveja é um exemplo de produto obtido

a partir deste processo, onde o organismo fermentador

é uma levedura.

A IMPORTÂNCIA DA HISTÓRIA DA FERMENTAÇÃO NA HISTÓRIA DA BIOQUÍMICA

Com base no livro de Mr. Appert, um físico-químico da época

chamado Gay-Lussac fez a seguinte experiência (Figura 9.2):

Aqueceu duas vasilhas com caldo de carne e cobriu apenas uma

delas com uma camada de mercúrio.

Em qual das vasilhas você esperaria que ocorresse fermentação?

Por quê?

Na metade do século XIX a qualidade dos vinhos na França era

muito baixa. Já se tinha conhecimento, na época, de que a qualidade

do vinho dependia do tipo de uva utilizada, bem como do repique (uma

porção de um vinho de boa qualidade já fermentado). A adição do

repique acelerava o processo de fermentação e uniformizava o paladar

do vinho.

Na tentativa de solucionar o problema da qualidade do vinho

de paladar ruim, uma vinícola francesa contratou Louis Pasteur, um

químico simples e muito religioso.

Ao analisar o vinho ao microscópio, Pasteur observou a

existência de grande quantidade de “glóbulos castanhos”, alguns

inclusive se dividindo (Figura 9.3).

Figura 9.2: O experimento de Gay-Lussac. Em A a vasilha com caldo de carne; em B a vasilha com caldo de carne coberta por uma camada de mercúrio.

A B

Figura 9.3: Glóbulos castanhos observados por Pasteur ao analisar o vinho ao microscópio.

Pense sobre isso!

Acesse http://perso.magic. f r / o r m e r r y /newindex.html para saber mais sobre Nicolas Appert e suas importantes contribuições para a indústria de alimentos.e http://members.nbci.com/_XMCM/cervas/fabricacao.htm) se você quer saber mais sobre como se fabrica cerveja.

!


CEDERJ98

Pasteur lançou mão de suas experiências anteriores como cientista

para tentar desvendar os segredos da fermentação. Antes de ser contratado

pela fábrica de vinhos, Pasteur havia se dedicado ao estudo da polarização

da luz por ácidos orgânicos e observou, usando um polarímetro, que ácidos

orgânicos extraídos de tecidos de seres vivos eram capazes de desviar o

plano da luz polarizada. Ao contrário, os ácidos orgânicos sintéticos não

eram capazes de desviar o plano da luz polarizada.

Pasteur concluiu que os ácidos orgânicos eram constituídos de uma

MISTURA RACÊMICA e que somente os seres vivos eram capazes de transformá-los

em um grupo homogêneo de substâncias capazes de desviar o plano da luz.

Pense sobre isso!

Isolando ácidos orgânicos de um repique e colocando-os em um

polarímetro, Pasteur observou que esses compostos eram capazes de

desviar a luz.

O que você concluiria no lugar de Pasteur?

Assim, Pasteur propõe que os glóbulos castanhos são organismos

vivos e que somente na presença destes pode haver fermentação. Pasteur

associou não só a fermentação, mas também outros processos à presença

de organismos vivos e formulou, assim, a Teoria Vitalista.

Surgem imediatamente críticas ferozes à sua teoria. A mais

contundente e irônica foi escrita por um renomado químico da época

chamado Liebig:

MI S T U R A R A C Ê M I C A

Mistura racêmica é uma mistura de substâncias capazes de desviar o plano de luz polarizado para a esquerda (levrógiras) com substâncias capazes de desviar o plano de luz polarizado para a direita (dextrógiras).

SOLUÇÃO DO SEGREDO DA

FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

O levedo de cerveja, quando disperso em água, quebra-se em um número

infi nito de pequenas esferas. Se estas esferas são transferidas para uma

solução aquosa de açúcar, elas desenvolvem-se em pequenos animais.

Estes animais são dotados de uma espécie de trompa de sucção com a

qual eles devoram o açúcar da solução. A digestão é reconhecível clara

e imediatamente por causa da descarga de excrementos. Estes animais

evacuam álcool etílico dos seus intestinos e dióxido de carbono dos seus

órgãos urinários. Deste modo pode-se observar que um fl uido especifi camente mais claro é

exudado de seu ânus e ascende verticalmente, ao passo que um jato de dióxido de carbono

é ejetado em intervalos muito curtos dos seus genitais enormemente grandes.

(WOEHLER E LIEBIG,1893).

Pense sobre isso!

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9

Essa passagem mostra que havia uma forte resistência à idéia

de que a fermentação era um processo biológico que dependia do

metabolismo dos “glóbulos” observados por Pasteur. Ao contrário,

Liebig e boa parte da comunidade científi ca da época acreditavam

que a fermentação era, na verdade, um processo meramente químico,

decorrente da reação entre substâncias albuminóides (nitrogenadas),

presentes na superfície dos “glóbulos”, com o açúcar do meio, na

presença de ar.

Para responder às críticas, Pasteur mostrou que os “glóbulos”

presentes no meio contendo açúcar eram capazes de promover a

fermentação, mesmo na ausência de ar (Figura 9.4).

Com os resultados obtidos a partir das experiências realizadas na

ausência de oxigênio, Pasteur afi rma que a fermentação pode ocorrer

mesmo em condições de anaerobiose, descrevendo pela primeira vez

La vie sans l’air (“A vida sem ar”).

Foram necessários mais de cinqüenta anos para que fossem

acrescentados novos conhecimentos à área da fermentação.

Dois irmãos, Hans e Edward Büchner, após terem sido expulsos de

laboratórios de pesquisa por serem muito desastrados, resolveram abrir

em sociedade uma pequena fábrica para produzir um xarope contra a

tuberculose. Hans era microbiologista e Edward, botânico e químico; este

último tendo inclusive trabalhado com o renomado químico Adolf von

Bayer. Ambos decidiram investir em um negócio que lhes fosse rentável.

No início do século XIX, as principais doenças eram a sífi lis e a

tuberculose. Por não haver tratamento efetivo para ambas as doenças,

possuí-las signifi cava sentença de morte para o paciente. Era costume, na

época, internar os portadores de tuberculose em sanatórios localizados

nas montanhas, onde respiravam ar puro, repousavam e eram obrigados

a beber uma cerveja escura e amarga. Na opinião de muitos especialistas,

o levedo depositado no fundo da cerveja produzia antitoxinas capazes de

combater os microorganismos causadores da tuberculose. Entretanto, para

o total efeito terapêutico eram necessários vários litros dessa cerveja.

Valendo-se disto, os irmãos Büchner resolveram preparar um

xarope dessa levedura e poupar o sofrimento dos doentes, que poderiam

adquirir um xarope com extrato concentrado de antitoxinas, dispensando

assim a ingestão dos litros de cerveja amarga.

Figura 9.4: Resultado do experimento de Pasteur. Foi medido CO2 em função do tempo de fermentação na presença (c/O2) ou na ausên-cia (s/O2) de oxigênio.

s/O2

c/O2c/O

pro

du

zid

o2

Tempo (min)


CEDERJ100

Para preparar o xarope, eles montaram uma estratégia que

consistia em:

1 – fazer crescer grandes quantidades de levedura em frascos contendo

caldo de açúcar (leveduras em cultura);

2 – isolar as leveduras do meio de cultura através de centrifugação

(leveduras íntegras isoladas);

3 – romper as leveduras (a ruptura das células era realizada através de

um processo trabalhoso que utilizava uma espécie de prensa, chamada

prensa francesa, com a capacidade de gerar até 300 atmosferas) (extrato

de levedura);

4 – e, por fi m, fi ltrar o extrato de leveduras para obter um concentrado

livre de células (extrato livre de células).

Para conservar o xarope, recorreram ao clássico livro de Mr. Appert

sobre conservar os alimentos e adicionaram grandes quantidades de açúcar

(xarope de levedura).

Seria esse procedimento efi ciente para conservar o xarope?

Para surpresa dos irmãos Büchner, o xarope continuou a fermentar.

Baseando-se nas experiências de Pasteur, eles pensaram prontamente

que se tratava de uma contaminação com células intactas. Para resolver

o problema, passaram o xarope pela prensa francesa diversas vezes e

certifi caram-se, utilizando um microscópio, de que não havia mais células

íntegras. No entanto, o xarope continuava a fermentar.

Por quê ?

Hans, o microbiologista, cansado de trabalhar sem obter

resultado, desfez a sociedade com o irmão. Edward, consciente de que

a fermentação obtida com o xarope não era por erro experimental,

continuou seu trabalho. Após repetir inúmeras vezes o processo de quebra

das leveduras, Edward teve certeza de que a presença de célula íntegra de

levedura não era necessária para que a fermentação ocorresse. E, assim,

submeteu sua descoberta à comunidade científi ca.

Edward Büchner (Figura 9.5) recebeu, em 1907, o 1º Prêmio

Nobel de Química por seu trabalho Der Einfl uss des Sauerstoffs auf

Gärungen (A infl uência do oxigênio na fermentação), publicado em

1885, e o seguinte comentário de Bayer, seu antigo chefe:

“Esse rapaz, apesar de não ter nenhum talento para química, vai

fi car famoso.”

Que conseqüências os resultados acima proporcionaram à teoria

Vitalista de Pasteur e à pesquisa bioquímica?

Pense sobre isso!

Figura 9.5: Edward Buchner. 1º Prêmio Nobel de Química. Der Einfluss des Sauerst-offs auf Gärungen (A infl uência do oxigênio na fermentação), pub-licado em 1885.

Pense sobre isso!

Pense sobre isso!

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LO 3

9

A FERMENTAÇÃO E A VIA GLICOLÍTICA

Paralelamente à descoberta dos irmãos Büchner, de

que a fermentação ocorria mesmo na ausência de vida,

Arthur Harden e William John Young, dois pesquisadores

ingleses, foram contratados por uma fábrica de cerveja para

estudar a fermentação.

Em 1903, eles estabeleceram a relação de 1:1 entre gás

carbônico e etanol produzidos pela fermentação do açúcar.

Utilizando o extrato de levedura na presença de glicose e

medindo a produção de CO2, eles observaram que a fermentação ocorria

durante algum tempo, sendo porém interrompida após certo período.

Eles observaram também que a fermentação alcoólica da glicose,

por suco de levedura (o extrato de levedura dos irmãos Büchner), era

muito aumentada pela adição de mais suco de levedura, o qual tinha sido

previamente fervido e fi ltrado. Este líquido fervido, por si só, era incapaz

de fermentar quando em presença de glicose. Observe o Gráfi co 9.1. Ele

representa o andamento da fermentação ao longo do tempo.

Gráfi co 9.1: Medida de dióxido de carbono em função do tempo de fermentação.Curva A: na presença de 25 mL de suco de levedura + 25 mL de água + 5g de glicose; Curva B: na presença de 25 mL do mesmo suco de levedura que na curva A + 25 mL de suco de levedura fervido + 5g de glicose.

O que sugere esse resultado?

Harden e Young submeteram o suco de levedura fervido à DIÁLISE

e assim separaram duas frações distintas (Tabela 9.1). Uma fração era

composta de moléculas pequenas que passaram pela membrana de diálise.

Outra fração era composta de moléculas grandes, que não passaram na

membrana de diálise e, portanto, foram chamadas resíduo.

DIÁLISE

Diálise é um procedimento através

do qual se separam moléculas grandes de moléculas pequenas.

A diálise baseia-se na capacidade de estas

moléculas atravessarem os poros de uma

membrana. O limitante, então, será

o tamanho, ou seja, moléculas pequenas passam e moléculas grandes não passam

pelos poros. Para que esta seletividade seja efi ciente, você pode

imaginar o tamanho que estes poros devem ter?

Figura 9.6: Uma placa de estrada na Inglaterra anunciando Young e Harden. Para onde esses dois levaram a Bioquímica?

Pense sobre isso!

B

Dió

xid

o d

e ca

rbo

no

Tempo em horas

0 10 20 30 40 60 70 9080 100

120011001000900800700600500400300200

0100

A

50


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No Água(mL)

Suco fervido

(mL)

Resíduo(mL)

Dialisado(mL)

Tempo(horas)

Dióxido de car-bono

(grama)

1

2

2500

250

0250

00

0025

00

000

025

484848

4848

0,2530,5610,264

0,1540,251

Levando-se em consideração os resultados, que característica

teria, então, o ativador da fermentação?

Como resultado de um grande número de tentativas de isolar o

constituinte do suco de levedura responsável pelo aumento da

fermentação, observou-se que quando ácido fosfórico na forma

de um fosfato solúvel estava presente era produzido um aumento

na taxa de fermentação. O efeito da adição de fosfatos solúveis ao

suco de levedura foi então examinado e encontrou-se uma evolução

inicial rápida bem marcada de dióxido de carbono produzido.

Além disso, os sucos de levedura usados invariavelmente contêm

fosfatos, precipitáveis por mistura magnésia; nesse ponto não

pode haver nenhuma dúvida de que o fenômeno inicial é devido à

presença destes (HARDEN e YOUNG, 1906).

Com estas descobertas, Harden e Young afi rmaram que o processo

fermentativo necessitava tanto da fração residual da diálise do suco não

fervido, que chamaram zimazes (proteínas), quanto da fração dialisável

do suco de levedura, que eles chamaram cozimazes. A observação

de fosfatos durante o processo fermentativo levou–os a supor que as

cozimazes fossem compostas por fosfato.

Adicionando sucessivamente Pi (fosfato inorgânico) a um extrato

de leveduras, observaram que a retomada da fermentação ocorria até

certo ponto, e a partir daí tanto a adição de Pi como a adição de glicose

não mais ativavam o processo. Por outro lado, a adição de mais suco de

levedura fervido ainda era capaz de ativar a fermentação (Gráfi co 9.2).

Tabela 9.1: Diálise do suco de levedura fervido: 25 mL de suco de levedura+ 5 gramas glicose

Pense sobre isso!

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Gráfi co 9.2: Efeito da adição de fosfato na fermentação.Mistura da reação: 25 mL de suco de levedura + 20 mL de água + 5 g de glicose.Curva A: representa a fermentação na ausência de fosfato adicionado;Curva B e C: representam o efeito da adição sucessiva de duas quantidades de 5 mL de fosfato de sódio (0,3 M).

Qual seria então o destino do fosfato inorgânico?

Utilizando um sal de prata, Harden e Young foram capazes de

isolar, por precipitação, um composto fosforilado com seis carbonos

(6C) e dois fosfatos, e identifi caram como sendo frutose-1,6-bisfosfato,

denominado Éster de Harden e Young, o primeiro intermediário da via

glicolítica identifi cado. Na época, os autores fi caram em dúvida se o

composto era uma hexose difosfatada ou duas trioses monofosfatadas.

Como você faria para provar que este composto realmente

participa do processo fermentativo?

A seguir, Otto Meyerhoff, um pesquisador alemão, trabalhando

com músculo de rã, peito de pombo e de coelho, mostrou que o músculo

se contraía na ausência de oxigênio e isso resultava na produção de

ácido lático.

Esse processo pode ser ativado por duas frações do extrato de

músculo, uma termossensível (fração sensível ao calor, também chamada

zimazes) e outra termorresistente (fração insensível ao calor, chamada

cozimazes). Mas este não foi o único paralelo entre a fermentação da

levedura e os músculos do pombo: Meyerhoff testou Pi nos músculos

e obteve os mesmos resultados de Harden e Young. Assim, sabendo

que a glicose é consumida pelo extrato de levedura na fermentação,

resultando em etanol e dióxido de carbono, e que a adição de glicose em

macerados de músculo de coelho resultava no aparecimento de lactato,

Otto Meyerhoff levantou a possibilidade de as proteínas envolvidas nos

dois processos serem também semelhantes.

Que experiência você faria para testar esta hipótese?

Pense sobre isso!

Pense sobre isso!

Pense sobre isso!

Dió

xid

o d

e ca

rbo

no

Tempo em minutos

120

130

110

100

90

80

70

60

50

40

30

20

0

10

10 20 30 40 60 70 9080 100 110 120 130 140 15050

A

B

C


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É uma fração termossensível, porque o aquecimento a 50º C por

somente um minuto resulta num considerável grau de inativação.

(...) O ativador tem as propriedades de uma enzima. Eu proponho,

portanto, designá-la “hexoquinase”, pois ela atua especifi camente

em hexoses fermentáveis. (...) Com certas variações, a velocidade

inicial de formação de ácido lático é proporcional à quantidade de

hexoquinase. Levedura é o único material do qual foi possível isolar

o ativador. (...) A procura da “hexoquinase” em leveduras lisadas

foi baseada na idéia de que extratos de levedura apresentam uma

esterifi cação rápida das hexoses fermentáveis, com subseqüente

fermentação. Extrato de músculos, ao contrário, não apresenta

qualquer acumulação de ésteres. Esta diferença deve ser devida

ao fato de o fator essencial para a esterifi cação da glicose ser mais

concentrado em leveduras. A validade dessa hipótese é ilustrada por

observações simultâneas da formação de ácido lático e esterifi cação

de hexoses em extratos de músculo ativados (MEYERHOFF,

1930).

Já nessa época, se conhecia o efeito letal de alguns compostos,

seja em bactérias e leveduras, como também em mamíferos. Entretanto,

o mecanismo de ação de tais compostos ainda não era conhecido.

Nesse contexto, alguns pesquisadores decidiram testar o efeito

desses venenos durante o processo fermentativo e, após análise dos

produtos, obtiveram o seguinte resultado:

DROGA EFEITO

1. Fluoreto de sódio Acúmulo de 2-fosfoglicerato e a seguir 3-fosfoglicerato.

2. Cloro-acetal-fosfato (CAP) Acúmulo de dihidroxicetona fosfato e frutose 1,6-bisfosfato.

3. Iodoacetato Um súbito acúmulo de gliceraldeído 1,3-bisfosfato seguido do seu rápido

desaparecimento e de um grande acúmulo de frutose 1,6- bisfosfato.

A partir destes dados, deduza as possíveis etapas envolvidas na

degradação da glicose.

Pista 1: Uma via metabólica pode ser descrita como

A B C D

Onde A é o substrato ou matéria-prima da via, B e C são os

Células lisadas são células cujas membranas foram rompidas. Isso pode ocorrer por uma grande variedade de técnicas, como congelamento/descongelamento, pressão, choque osmótico etc.

Pense sobre isso!

Tabela 9.2: Efeito de diferentes inibidores em reações da via glicolítica.

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intermediários e D é o produto fi nal.

Se um determinado inibidor interrompe a reação B D, qual

dos intermediários será acumulado? O que não será mais produzido?

Utilize esta lógica para cada uma das linhas da tabela e encontre

as reações isoladamente.

Pista 2: A glicólise é uma via de degradação ou quebra da glicose

e, portanto, os produtos são moléculas menores. Observe as reações

isoladamente. Consulte as fórmulas das moléculas, veja quais delas são

maiores e quais são menores. Observe também o grau de semelhança

entre elas.

Se você chegou até aqui, entendeu como uma via metabólica

pode ser desvendada. Na próxima aula mostraremos a glicólise na sua

totalidade. Agora, a maior parte da via você já conhece. Então vai ser

fácil compreender o que falta. Vamos lá?

Para saber mais, visite estes endereços:Harden e Young: http://ir2lcb.cnrs-mrs.fr/~athel/harden.htmEdward Büchner: http://ir2lcb.cnrs-mrs.fr/~athel/buchner.htm#buch;http://ir2lcb.cnrs-mrs.fr/~athel/buchner.htmLouis Pasteur: http://www.woodrow.org/teachers/chemistry/institutes/1992/Pasteur.htmlhttp://www.pasteur.net/louis/index.htmBaseado no material organizado pelo departamento de Bioquímica Médica, CCS, UFRJ.

H d Y htt //i 2l b f / th l/h d ht

Glicólise: oxidaçãode glicose a piruvato I 10A

UL

A

Bioquímica II | Glicólise: oxidação de glicose a piruvato I

CEDERJ108

Na aula anterior, você conheceu a história da Glicólise e soube como se chegou

ao conhecimento disponível sobre esta via metabólica. Agora podemos falar um

pouco mais sobre ela, suas funções, seus intermediários, enzimas, cofatores etc.

Essa é uma via importante, pois a glicose (que você já conhece da Bioquímica I)

é, quantitativamente, o principal substrato oxidável na maioria dos seres vivos:

dos microorganismos ao homem. A glicólise é a principal via para a utilização da

glicose e ocorre no citosol da maioria das células, sendo considerada, portanto,

uma via universal. Ela pode ocorrer se o oxigênio estiver disponível (aerobiose)

ou na total ausência dele (anaerobiose).

A GLICOSE COMO SUBSTRATO OXIDÁVEL

Quase todas as células são capazes de atender às suas demandas

energéticas apenas a partir de glicose. Esse açúcar é imprescindível para

algumas células e tecidos, como hemácias e tecido nervoso, por constituir

o único substrato que eles são capazes de utilizar para obter energia.

Você viu nas nossas aulas iniciais que a energia contida nas moléculas

oxidáveis, como a glicose, são derivadas em última análise da radiação

solar. Esse tipo de energia é transformado em energia química durante

a síntese de moléculas orgânicas (principalmente glicose) que ocorre na

fotossíntese. Os organismos chamados heterotrófi cos são capazes de

utilizar tal energia presente nas ligações químicas das moléculas orgânicas

para realizar suas atividades celulares. Mas essa utilização não ocorre de

forma direta: primeiro a energia precisa ser convertida em ATP.

INTRODUÇÃO

CO2 + H2O (CH2O)n piruvato

Luz solar ADP + Pi ATP

fotossíntese glicólise

Uma das vias metabólicas de extração de energia, acoplada à

síntese de ATP, é a glicólise, também chamada via glicolítica. Nela,

a glicose é oxidada (degradada, quebrada) e, durante esse processo

oxidativo, a célula é capaz de utilizar a energia liberada para sintetizar

duas moléculas de ATP.

Esquema 10.1

CEDERJ 109

AU

LA 1

0 M

ÓD

ULO

3

A GLICOSE COMO INDICADOR METABÓLICO

O nível sangüíneo de glicose é chamado glicemia. Variações

na glicemia são indicadores do estado fisiológico do organismo.

Assim, quando a glicemia está baixa (hipoglicemia), as células têm

um comportamento metabólico distinto daquele que ocorre quando a

glicemia está alta (hiperglicemia).

Hiperglicemia indica um estado fi siológico de fartura e, portanto,

de armazenamento ou biossíntese (anabolismo – como você viu nas aulas

de introdução ao metabolismo).

Hipoglicemia indica um estado fi siológico de privação, mesmo

que momentânea, e as células respondem derivando seu metabolismo

para a degradação (catabolismo).

Os níveis sangüíneos de glicose são mantidos dentro de uma

faixa estreita, graças a diferentes vias metabólicas de síntese de glicose

(gliconeogênese) ou armazenamento de glicose na forma de glicogênio

(glicogenogênese), em contraposição a vias de oxidação de glicose

(glicólise). Esse processo, que procura manter os níveis de glicose no sangue

constantes, chama-se homeostase e é fi namente regulado por hormônios.

Pequenas variações nesse nível indicam, para as células, o que fazer.

Glossário:

Glicogênio – um polímero de glicose.

Gliconeogênese ou neo-glicogênese – síntese de glicose a partir de precur-sores não glicídicos.

Glicogenogênese – sín-tese de glicogênio.

Glicólise – quebra da glicose.

Glicogenólise – quebra do glicogênio.

Figura 10.1: A homeostase de glicose é mantida pelas vias de síntese e de degradação.

Glicogênio, amido

Fotossíntese

GlicoseGlicose

Gliconeogênese

Co eluz solar

2 Piruvatoe

Alanina

ATP NADPH eribose-5-P

Glicólise e ciclode Krebs

Via daspentoses-fosfato


CEDERJ110

GLICÓLISE – ASPECTOS GERAIS

Na via glicolítica, uma molécula de glicose (seis carbonos

– Figura 10.2) é quebrada, produzindo duas moléculas de três carbonos

denominadas piruvato. É um processo oxidativo no qual duas moléculas

de NAD+ (Figura 10.3) são reduzidas a duas moléculas de NADH + H+.

Figura 10.3: Nicotinamida adenina dinucleotídeo – NAD. O NAD pode estar na sua forma oxidada NAD+ ou na sua forma reduzida NADH.

Para que esta via ocorra, existem etapas que consomem energia

(através da hidrólise de ATP - Figura 10.4): etapas endergônicas, onde a

molécula de glicose é preparada para ser clivada; e etapas que sintetizam

ATP: etapas exergônicas, onde moléculas de ATP são formadas a partir

da energia liberada durante o processo oxidativo.

Figura 10.4: Adenosina trifosfato – ATP. Em destaque, a ligação fosfoéster entre a adenosina e o fosfato e as ligações fosfoanidras, entre fosfatos.

Figura 10.2: Glicose ou α-D- glicopiranose (projeção de Haworth).

H H HO O

R

+HC CNH2 NH2

2H+

2e-

+N

O-O

O

O

P

O

O-

O

O H

OH OH

H HHP

CH2

O

H

OH OH -

H H

CH2

..N

NADHReduzido

NAD+

(oxidado)

Adenina

NH2

N

H

N

N

N

ATP

AMP

Adenosina

ADP

OO

O O O

O

OO

OP P

Ligaçõesfosfoanidras

fosfoéster

O

O

P

H

OH OH -

H H

CH2

H

NH2

N

N

N

N

��

HHO

HO

H OH

OH H OH

H

CH2OH

23

4

5

6

1

CEDERJ 111

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ULO

3

No processo completo, associando-se consumo e formação de

ATP, temos um saldo líquido de duas dessas moléculas. Vale ressaltar

que, na realidade, conservamos parte da energia liberada nesse processo

oxidativo na formação de ligações éster–fosfato (ligações ricas em energia)

entre a molécula de ADP e fosfato inorgânico (Pi). Uma visão geral deste

processo é apresentada na Figura 10.5.

Como produtos desta via temos, além de ATP e NADH, duas

moléculas de piruvato. O destino deste piruvato depende da célula e da

presença ou ausência de oxigênio, como veremos mais adiante.

Figura 10.5: Resumo da via glicolítica. Uma molécula de glicose (seis carbonos) é quebrada em duas moléculas de piruvato (três carbonos). Neste processo, a energia liberada é utilizada para a síntese de duas moléculas de ATP. O produto fi nal (piruvato) pode ter des-tinos diferentes (lactato, CO2 e H2O ou etanol e CO2), como veremos mais adiante.

Glicólise

Glicose

2 piruvato

Frutose - 1,6 -bisfosfato

2NAD+2ADP+ 2Pii

2NADH2ATP

Lactato CO +H O

2222 Etanol

+ CO22


CEDERJ112

A VIA GLICOLÍTICA PASSO A PASSO

A glicólise pode ser dividida em dois estágios. O estágio 1 é chamado

estágio de investimento; e o estágio 2, o de pagamento ou de síntese de

ATP. Nesta aula, nós iremos mostrar o primeiro estágio apenas. Na aula

seguinte você verá a última fase, o estágio 2.

Estágio 1: Neste primeiro estágio da via glicolítica, são gastas duas

moléculas de ATP, sendo a molécula de glicose (seis carbonos) convertida

em duas moléculas de três carbonos (gliceraldeído 3-fosfato).

Glicose 2 x gliceraldeído 3P

A glicose entra na via glicolítica por fosforilação, na hidroxila do

carbono 6, formando uma molécula de glicose 6-fosfato (G6P).

Glicose + ATP Glicose 6-fosfato + ADPReação 1:

Resumo do estágio 1:

CEDERJ 113

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3

Esta reação é dependente de energia, sendo, portanto, acoplada à

clivagem de uma molécula de ATP e é catalisada pela enzima hexoquinase.

(Figura 10.6).

Figura 10.6: Hexoquinase e seu mecanismo de ação. A seta indica o substrato (glicose) em (a) se aproximando do sítio ativo. Em (b) a mudança conformacional induzida pela ligação do substrato (fi t induzido).

Entretanto, nas células do parênquima hepático e nas ilhotas

pancreáticas, tal reação é catalisada pela enzima glicoquinase, cuja

atividade é induzida e afetada por mudanças no estado nutricional. A

hexoquinase é inibida de maneira alostérica pelo produto de sua reação,

a G6P. A hexoquinase está presente em baixas concentrações em todos

os tecidos extra-hepáticos e possui alta afi nidade (baixo Km) por seu

substrato, a glicose. Sua função é permitir que a glicose seja utilizada pelos

tecidos, mesmo quando os níveis de glicose no sangue estejam baixos.

No momento em que uma molécula de glicose entra na célula e é

fosforilada, ela permanece dentro da célula mesmo contra um gradiente

de concentração. A hexoquinase pode catalisar a fosforilação dos

isômeros α (alfa) e β (beta) da glicose, bem como de outros açúcares de

seis carbonos. A função da glicoquinase é remover glicose do sangue após

a alimentação. Ao contrário da hexoquinase, a glicoquinase tem um alto

Km por glicose e opera em condições ótimas quando os níveis de glicose

do sangue são elevados, sendo específi ca para este tipo de açúcar.

A glicose 6-fosfato, além de ser a molécula utilizada nas próximas

etapas da via glicolítica, é um componente importante na junção de diversas

outras vias metabólicas, tais como gliconeogênese, via das pentoses,

glicogenogênese e glicogenólise, como estudaremos mais adiante.

Para relembrar os conceitos de enzima alostérica e Km – ver as aulas de enzimas da Bioquímica I.

!

a b


CEDERJ114

EN Z I M A I N D U Z Í V E L

Uma enzima cuja síntese pode ser aumentada (induzida) em uma determinada situação metabólica. Em contraposição, utilizamos o termo enzima constitutiva, cujo nível é constante, independente da situação metabólica.

Além disso, essa primeira reação da glicólise tem conseqüências

importantes para a célula: ao ser fosforilada, a glicose não pode mais

sair da célula, pois os mecanismos de transporte dessa molécula não

servem para aquela que já foi fosforilada. Isto mantém o nível de glicose,

na célula, sempre baixo em relação à concentração extracelular. Como

o transporte de glicose é dependente da concentração (ver difusão

facilitada e glicose, em Biologia Celular I), a tendência da glicose é

sempre entrar na célula.

Outra conseqüência desta primeira reação é indicar o caminho

metabólico que a glicose vai seguir. A fosforilação no carbono 6 indica

que a glicose será degradada na via glicolítica. Como veremos mais

tarde, a glicose pode receber diferentes “etiquetas” que indicam outros

destinos metabólicos.

Na segunda reação da glicólise, a glicose 6P é convertida em

frutose 6P (Fru 6P). Essa é uma reação do tipo isomerização aldose-cetose

e é catalisada por uma fosfo-hexoisomerase (reação 2).

Glicose 6P Frutose 6PReação 2:

Na etapa seguinte, também dependente da energia de clivagem de

ATP, a molécula de frutose 6P é fosforilada na hidroxila do carbono 1,

formando uma molécula de Frutose 1-6-bisfosfato (Fru 1,6-bisP) (reação

3). Tal reação é catalisada pela enzima fosfofrutoquinase (PFK). (Veja

reação 3 e Figura 10.7). A PFK é tanto uma enzima alostérica quanto

uma ENZIMA INDUZÍVEL, cuja atividade é considerada o principal ponto de

regulação da velocidade da via glicolítica.

CEDERJ 115

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3

Frutose 6P Frutose 1,6-bisfosfatoReação 3:

Figura 10.7: Fosfofrutoquinase (PFK). A PFK é uma enzima chave da glicólise. Preste atenção nas características da enzima e da reação que ela catalisa. Esta reação é um importante ponto de regulação da via, como veremos na próxima aula.

A seguir, a molécula de frutose 1-6-bisfosfato sofre uma clivagem

pela ação da enzima aldolase, gerando duas moléculas isômeras, que

possuem três carbonos: gliceraldeído 3P (G3P) e dihidroxiacetona

fosfato (DHAP). Pela ação de uma triose-isomerase específi ca, a DHAP

é convertida em G3P. Assim, iniciaremos os passos seguintes com duas

moléculas de G3P.

Fique atento. Em alguns livros você vai encontrar notações diferentes para as moléculas. A frutose 1,6-bisfosfato pode ser encontrada como frutose 1,6-bifosfato ou frutose 1,6-difosfato; a fosfofrutoquinase pode ser encontrada como fosfo-frutose-quinase ou ainda fosfofrutocinase, junto ou separado.

!

Frutose 1,6-bisfosfato dihidroxiacetona-P + gliceraldeído 3PReação 4:

ΔG10 = 23.8 kJ/mol

O P O CH2

O

O

- 6

-

HH HO

HOH

OH

O CH2 OH5

4 3

2

1 ATP ADPMg2+

26

HH HO

HOH

OH

O CH

5

4 3

2

2CH1

O P O

O

O-

-O P O

O

O-

-

Frutose 6-fosfato frutose 1,6-bisfosfato

Gº = -14,2 kJ/mol

O P O CH 2

O

OO

CH O P O

O

O

-

-

OH

HO

H

HH OH

2

2

34

5

6

CH O P O

C O

C H OH

2

2

-

-O

OCH O P O2

HCOH O

O

-

-

C

O H

+

Frutose 1,6-bisfosfatoGliceraldeído

3-fosfatoDihidroxiacetona

3-fosfato

aldolase


CEDERJ116

dihidroxiacetona-P gliceraldeído 3PReação 5:

Até aqui uma molécula de seis carbonos (a glicose) foi parcialmente

quebrada em duas moléculas de três carbonos (gliceraldeído 3-P). Note

que as duas moléculas geradas são fosforiladas e apresentam a metade

do número de carbonos que a molécula original de glicose.

Se você prestou atenção, provavelmente reparou que até aqui não

ocorreu síntese de ATP. Pelo contrário, a célula gastou duas moléculas

de ATP (reações 1 e 3). Por este motivo, essa primeira fase é chamada

etapa de investimento ou etapa preparatória. Tal etapa é fundamental,

pois nela a célula coloca à disposição do processo a energia já

existente, e esse investimento possibilita, em etapas posteriores, não

só a recuperação do investimento inicial, como também a síntese de

mais ATP. Isto acontece através de um conjunto de reações conhecido

por etapa de pagamento ou etapa de conversão de energia ou simplesmente

etapa de síntese de ATP.

ΔG10 = 7,5 kJ/mol

CH OH2

C O

CH O P O

O

O -

-2

HCOH

CH O P O2

O

O-

-

CO H

Triose fosfatoisomerase

Dihidroxiacetonafosfato

Gliceraldeído3-fosfato

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3

Figura 10.8: Resumo das reações da etapa de investimento ou etapa preparatória da glicólise. Nessa fase, os eventos principais são a fosforilação da glicose e sua conversão a gliceraldeído-3P.

Clivagem de um açúcar-fosfato de seis

carbonos em dois açúcares- fosfato de

três carbonos.

Lembre-se de que esse assunto não acabou. Na próxima aula, você

verá o estágio 2 da glicólise, e como a célula usa a energia da quebra

da glicose, para sintetizar ATP. Não esqueça que, embora por motivos

didáticos os dois estágios estejam separados, o processo é um só.

Glicólise: oxidaçãode glicose a piruvato II 11A

UL

A

Bioquímica II | Glicólise: oxidação de glicose a piruvato II

CEDERJ120

INTRODUÇÃO Nesta aula continuaremos a falar da glicólise. Dessa vez, exploraremos a etapa

de pagamento ou de síntese de ATP. Lembre-se de que:

• Na primeira fase, dois ATPs foram hidrolisados para fosforilar a molécula

de glicose.

• Os produtos da primeira fase são duas moléculas de gliceraldeído 3P, um

açúcar fosforilado de três carbonos.

É daí que partiremos agora. Recorde-se de que, com uma molécula de glicose,

duas moléculas de gliceraldeído 3P são geradas e, portanto, a partir delas, duas

moléculas de todos os intermediários são produzidas também.

Estágio 2: Nesse último estágio da glicólise, as duas moléculas de

três carbonos (G3P) são convertidas em duas moléculas de piruvato.

2 Gliceraldeído 3-fosfato 2 Piruvato

A molécula de G3P é oxidada e ao mesmo tempo fosforilada,

formando uma molécula de 1,3-bisfosfoglicerato. Observe que, nessa

etapa, uma molécula de fosfato inorgânico (Pi) é incorporada à molécula

de G3P no entanto não há consumo de qualquer molécula de ATP

(reação 6).

De onde vem então a energia para formar uma ligação covalente

entre o G3P e o Pi?

Resumo do estágio 2:

Reação 6: O HC

HCOH

CH OPO2 32–

P+

O–

O

HO O–

OC

HCOH

CH OPO2 32–

P

O–

O

O O–

NAD+

NADH + H+ +

Gliceraldeído3-fosfato

desidrogenaseFosfato

inorgânicoGliceraldeído

3-fosfato1,3

bifosfoglicerato

�G´ = 6,3 kJ/mol0

Bifosfoglicerato

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3

Parte da energia que foi liberada no processo oxidativo

(transformação de gliceraldeído em glicerato) foi conservada na formação

de uma molécula de 1,3-BISFOSFOGLICERATO, que possui, então, um potencial

energético maior do que o G3P. Nesta reação, uma molécula de NAD+

é reduzida a NADH + H+. Esta é uma reação típica, catalisada por uma

classe de enzimas denominadas desidrogenases ligadas ao NAD+.

Na etapa seguinte, a energia conservada na molécula de 1,3-

bisfosfoglicerato (BPG) será utilizada na formação de uma molécula de

ATP (ligação éster-fosfórica entre ADP + Pi), sendo o BPG convertido,

então, em 3-fosfoglicerato (3PG).

1,3-B I S F O S F O G L I -C E R A T O

É a primeira molécula de alta energia formada

na glicólise.

Reação 7:

Essa reação é catalisada pela enzima fosfoglicerato quinase. Uma

vez que duas moléculas de triose fosfato são formadas por molécula de

glicose, duas moléculas de ATP são geradas nesse estágio. Este processo de

formação de ATP é um exemplo de fosforilação em nível de substrato.

Pela ação de uma fosfoglicerato mutase, o 3PG será convertido

em 2-P-Glicerato (2PG).

OC

HCOH

CH OPO2 32–

P

O–

O

O O–

1,3bifosfoglicerato �G´ = –18,5 kJ/mol0

O

P

P

Rib Adenina

+

ADP

OC

HCOH

CH OPO2 32–

O–

O

P

P

Rib Adenina

P

O–

–O O

ATP

3–fosfoglicerato

+fosfoglicerato

quinase

Mg2+


CEDERJ122

Reação 8:

A etapa subseqüente é catalisada pela enolase e envolve a

desidratação e redistribuição da energia dentro da molécula. A

proximidade do grupamento funcional hidroxila com o íon fosfato

favorece a formação de um enol-fosfato, o fosfoenolpiruvato (PEP),

que é também considerado um composto de alta energia.

Reação 9:

O passo seguinte é também uma fosforilação em nível do substrato.

O fosfoenolpiruvato transfere seu grupo fosfato para o ADP, formando

ATP. O produto é o piruvato, e a reação é catalisada pela piruvato

quinase.

FO S F O E N O L P I R U-V A T O

É a segunda molécula de alta energia formada na glicólise.

3-fosfoglicerato

O—

O

HC

CH

C

2 P O—

O—

O

O

OHMg2+

fosfogliceratomutase

O—

O

HC

CH

C

2

P O—

O—

O

OH

O

2-fosfoglicerato

G´°= 4,4 kJ/mol

H C O P O

HO CH 2 O

OCOO

-

-

-

C O P O

CH2 O

OCOO

-

-

-H O2

2-fosfoglicerato fosfoenolpiruvato

enolase

G´º= 7,5 kJ/mol

OC

C

Ch2

O–

Fosfoenolpiruvato

�G´ = –31,4 kJ/mol0

O

P

P

Rib Adenina

+

OC

C

Ch3

O

O

P

P

Rib Aden

P

O–

–O O

ATP

Piruvato

+Piruvatoquinase

Mg , K2+ +

P

O–

O

O O–

O

Fosfoenolpiruvato

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3

Devemos lembrar que, nesse segundo estágio, partimos de duas

moléculas de gliceraldeído 3P e, portanto, duas moléculas de piruvato,

duas de NADH + H+ e quatro moléculas de ATP foram formadas. Ao

calcularmos o rendimento energético em termos de formação de ATPs,

veremos que foram gastas duas moléculas no primeiro estágio da via e

que foram ressintetizadas quatro moléculas, ou seja ocorreu formação

líquida de duas moléculas de ATP (Figura 11.1).

Figura 11.1: Fase de pagamento da glicólise. Também chamada etapa de conservação de energia ou, simplesmente, etapa de síntese de ATP.

Fase de pagamento

Conversão oxidativa de gliceraldeído 3-fosfato em piruvato e a formação acoplada de ATP e NADH.

!


CEDERJ124

UTILIZAÇÃO DO PIRUVATO E REOXIDAÇÃO DO NADH

Já vimos no início da aula que o piruvato pode ter vários destinos.

O estado redox do tecido e a presença ou ausência de O2 determinam

qual via deverá ser seguida.

1o destino – Quando em condições anaeróbicas, o piruvato é

reduzido pelo NADH, formando lactato (na fermentação lática) ou

etanol e CO2 (na fermentação alcoólica).

Fermentação lática

Na fermentação lática a reação é catalisada pelo complexo

enzimático piruvato desidrogenase. Nessas condições, a molécula de

NAD+ é regenerada, estando pronta para ser reutilizada em um outro

ciclo da via glicolítica.

Piruvato + NADH + H+ L(+)-Lactato + NAD+

A fermentação lática ocorre em alguns microorganismos e também

no músculo de vertebrados e invertebrados.

Fermentação alcoólica

Na fermentação alcoólica a conversão de piruvato em etanol e CO2

envolve duas reações sucessivas. A primeira reação é a conversão de

piruvato em acetaldeído, uma reação de descarboxilação, na qual o CO2

é liberado. Esta reação é catalisada pela piruvato descarboxilase.

piruvato acetaldeído

CO2

piruvatodescarboxilase

A segunda reação é a reoxidação do NADH a NAD+. Esta última

reação é catalisada pela enzima álcool desidrogenase. Os produtos fi nais

da fermentação alcoólica são, portanto, o etanol, uma molécula de dois

carbonos, CO2 e NAD+.

acetaldeído etanol

NADH NAD+

álcool desidrogenase

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3

2o destino – Quando em condições aeróbicas, o piruvato é

transferido para as mitocôndrias e, após conversão em acetil-Coenzima A

(Acetil-CoA), é oxidado em CO2 no ciclo do ácido cítrico. Os equivalentes

do NADH + H+ produzidos na via glicolítica são também levados para

as mitocôndrias, onde serão transferidos para aceptores específi cos,

em um processo que veremos mais tarde e que é denominado cadeia

transportadora de elétrons.

Piruvato + NAD+ + CoA Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2

REGULAÇÃO DA VIA GLICOLÍTICA

Embora a maioria das reações da via glicolítica

seja reversível, três delas são marcadamente

exergônicas e são consideradas irreversíveis do ponto

de vista fi siológico. Essas reações são catalisadas

pela HEXOQUINASE E GLICOQUINASE, FOSFOFRUTOQUINASE

e PIRUVATO QUINASE e são consideradas os principais

sítios de regulação da glicólise.

A regulação da via ocorre segundo

o princípio da máxima economia. A via será

inibida se o organismo estiver em um estado fi siológico energeticamente

favorável, ou seja, quando o balanço ATP/ADP for positivo. Em outras

palavras, se a célula tem muito ATP, as vias metabólicas de síntese de

ATP serão inibidas. Em baixas concentrações de ATP (altas concentrações

de ADP), a via será ativada. Entretanto, não se engane... Não existe

nenhuma situação fi siológica em que a via esteja parada. Ela pode

funcionar a uma velocidade maior ou menor, mas qualquer inibidor

ou situação metabólica que paralise a via glicolítica certamente levará

o organismo à morte.

GLICOQUINASE E HEXOQUINASE

glicose + ATP glicose –6P + ADP + Pi

FOSFOFRUTOQUINASE

frutose 6-P + ATP frutose 1,6-bisfosfato + ADP + Pi

PIRUVATUVATO QUINASE

fosfoenolpiruvato + ADP + Pi piruvato + ATP

Enzimas chaves da via glicolítica:HEXOQUINASE FOSFOFRUTO-QUINASE PIRUVATO QUINASE

!


CEDERJ126

Tabela 11.1: Reguladores das enzimas chaves da via glicolítica.

Enzima Inibidor (-) Ativador (+)

Hexoquinase

Fosfofrutoquinase

Piruvato quinase

Glicose 6-fosfato; ATP

ATP; citrato AMP; ADP

O detalhamento dessa regulação será visto após estudarmos outras

vias metabólicas, uma vez que os processos metabólicos ocorrem de

maneira integrada.

R E S U M O

A glicólise é uma seqüência de dez reações catalisadas por enzimas e por

meio das quais uma molécula de glicose é convertida em duas moléculas de

piruvato, com a produção de duas moléculas de ATP e duas de NADH. A via

glicolítica pode ser dividida em uma etapa de investimento e uma etapa de

pagamento. Na primeira etapa, a célula investe dois ATPs e quebra a glicose em

duas moléculas de gliceraldeído 3P. Na segunda etapa, duas moléculas de alta

energia são produzidas: 1,3-bisfosfoglicerato e fosfenolpiruvato. A formação

dessas moléculas é fundamental para a síntese de quatro moléculas de ATP.

Além de ATP, dois NAD+ são reduzidos a NADH, para cada molécula de glicose

quebrada. A via glicolítica é regulada principalmente pela carga energética da

célula. O indicador da carga energética é a relação entre a concentração de

ATP e a concentração de ADP e/ou AMP. Os principais pontos de regulação são

as enzimas hexoquinase, fosfofrutoquinase e piruvato quinase, todas as três

metabolicamente irreversíveis. A via trabalha tanto em condições aeróbicas

quanto em condições anaeróbicas.

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3

Nas três últimas aulas, você conheceu uma das vias metabólicas

mais importantes do metabolismo energético. Não perca de vista a

totalidade dessas aulas, pois, mais importante que saber detalhes da via

metabólica, é a compreensão do seu sentido fi siológico, ou seja, para

que ela serve. Isso vai orientar você quanto ao que precisar ser fi xado

realmente. Não deixe de entender os conceitos de máxima economia, de

moléculas de alta energia, de acoplamento entre reações. Tais conceitos

são universais quando se trata de Bioquímica e entendê-los facilita a

compreensão dessa e de cada uma das outras vias metabólicas que você

verá na Bioquímica II.

O próximo módulo chama-se respiração celular. Ele fala das vias

complementares à glicólise que ocorrem na presença de oxigênio (ciclo

de Krebs ou ciclo do ácido cítrico e cadeia transportadora de elétrons).

Portanto, não esqueça que a glicólise também é parte desse processo.

EXERCÍCIOS

De 1 a 6, assinale a(s) afi rmativa(s) correta(s):

1. Sobre os aspectos gerais da via glicolítica:

a) na via glicolítica são produzidas seis moléculas de ATP;

b) duas moléculas de piruvato são formadas por cada molécula de glicose que entra

na via;

c) ocorrem duas reações de condensação na via;

d) a regulação alostérica é importante para esta via;

e) a via glicolítica só ocorre em organismos anaeróbicos.

2. A glicólise apresenta duas etapas:

a) ambas requerem ATP para ativação;

b) somente uma é catalisada pela aldolase;

c) somente uma produz piruvato;

d) ambas são catalisadas por quinases.


CEDERJ128

3. Qual enzima não é importante para a via glicolítica?

a) aldolase;

b) enolase;

c) piruvato carboxilase;

d) piruvato quinase.

4. A conversão de gliceraldeído 3P em 1,3-bisfosfoglicerato.

a) requer ATP;

b) é inibida por frutose 1,6 bi-P;

c) é catalisada por uma desidrogenase NAD+ dependente;

d) é uma reação de condensação.

5. A produção de frutose 1,6-bisP.

a) libera energia;

b) é uma etapa comprometida na via glicolítica;

c) é catalisada pela hexoquinase;

d) é inibida por ATP.

6. A produção de ATPs na glicólise.

a) ocorre em duas reações separadas;

b) ocorre na ausência de 2P-glicerato;

c) requer a produção de lactato;

d) requer a produção de piruvato.

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7 . Com relação ao processo de fermentação alcoólica (etanólica), podemos dizer que:

a) as reações da glicólise são diferentes daquelas que ocorrem nos organismos que

produzem lactato;

b) o acetaldeído é um composto intermediário nesta transformação;

c) NAD+ é convertido em NADH;

d) grandes quantidades de oxigênio são necessárias para que tal processo ocorra.

8 . Estabeleça os aspectos comparativos entre as enzimas hexoquinase e glicoquinase.

9. Como você explicaria a existência de uma mesma via metabólica presente desde

os microorganismos até os seres mais complexos que conhecemos?

10. Você reparou que todos os compostos da via glicolítica, exceto a molécula

de piruvato, encontram-se fosforilados? Pense/especule sobre uma razão

para este fato.


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RESPOSTAS DOS EXERCÍCIOS AVALIATIVOS

Assinale a(s) afi rmativa(s) correta(s)

1. Sobre os aspectos gerais da via glicolítica.

a) na via glicolítica são produzidas seis moléculas de ATP:

b) duas moléculas de piruvato são formadas por cada molécula de glicose que

entra na via; CORRETA

c) ocorrem duas reações de condensação na via;

d) a regulação alostérica é importante para esta via; CORRETA

e) a via glicolítica só ocorre em organismos anaeróbicos.

2. A glicólise apresenta duas etapas e:

a) ambas requerem ATP para ativação;

b) somente uma é catalisada pela aldolase;

c) somente uma produz piruvato; CORRETA

d) ambas apresentam reações catalisadas por quinases. CORRETA

3. Qual dessas enzimas não é importante para a via glicolítica?

a) enolase;

b) aldolase;

c) piruvato carboxilase; CORRETA

d) piruvato quinase.

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4. A conversão de gliceraldeído 3P a 1,3-bisfosfoglicerato:

a) requer ATP; CORRETA

b) é inibida por frutose-1,6 bisP;

c) é catalisada por uma desidrogenase NAD+ dependente;

d) é uma reação de condensação.

5. A produção de frutose 1,6-bisP:

a) libera energia;

b) é a reação fi nal na via glicolítica;

c) é catalisada pela hexoquinase;

d) é inibida por ATP. CORRETA

6. A produção de ATPs na glicólise:

a) ocorre em duas reações separadas; CORRETA

b) ocorre na ausência de 2P-glicerato;

c) requer a produção de lactato;

d) requer a produção de piruvato.

7 . Com relação ao processo de fermentação alcoólica (etanólica), podemos dizer que:

a) as reações da glicólise são diferentes daquelas que ocorrem nos organismos que

produzem lactato;

b) o acetaldeído é um composto intermediário nesta transformação; CORRETA

c) NAD+ é convertido em NADH;

d) grandes quantidades de oxigênio são necessárias para que este processo ocorra.


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8 . Estabeleça os aspectos comparativos entre as enzimas hexoquinase e glicoquinase.

Ambas são enzimas que catalisam a reação de fosforilação de glicose em glicose

6-P. Ambas são inibidas pelo produto. Hexoquinase é a isoforma presente na

maior parte dos tecidos extra-hepáticos, enquanto a glicoquinase é a isoforma

encontrada no fígado. As isoformas têm diferentes afi nidades pelo substrato

(glicose). Enquanto a hexoquinase é uma enzima generalista, que catalisa a

fosforilação de hexoses, como glicose, manose e frutose, a glicoquinase é bastante

específi ca para glicose. A hexoquinase possui alta afi nidade (baixo Km) por seu

substrato glicose, enquanto a glicoquinase possui baixa afi nidade.

9. Como você explicaria a existência de uma mesma via metabólica presente desde

os microorganismos até os seres mais complexos que conhecemos?

Falar de relações evolutivas entre os organismos.

10. Você reparou que todos os compostos da via glicolítica, exceto a molécula

de piruvato, encontram-se fosforilados? Pense/especule sobre uma razão

para este fato.

Falar de organização celular, fosfato como etiqueta de endereçamento.

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