Metabolismo energético

Energia para a vida

• Energia dos alimentos:  

- Os sistemas biológicos, assim como tudo tudo no universo, seguem duas leis básicas da termodinâmica:

-> Nos processos físicos e químicos, a energia pode ser ganha ou perdida por um sistema, transferido-se para outro, mas não pode ser criada e nem destruída.

-> A energia inevitavelmente se dissipa.

• Anabolismo e catabolismo: 

- Metabolismo: intensa e incessante atividade de transformações catalizada por enzimas.

- Anabolismo: reações de síntese.

- Catabolismo: reações de degradação.

• Reações endergônicas e reações exergônicas:

- Endergônicas: reações que absorvem energias.

- Exergônicas: reações que liberam energias.

• Energia de ativação e enzimas: 

- Energia de ativação: quantidade mínima de energia inicial que as moléculas reagentes devem possuir para que uma reação química inicie-se.

- Enzimas: são proteínas catalisadoras que diminuem a quantidade de energia necessária para ativar os reagentes.

ATP, a "moeda energética" do mundo vivo

• Estrutura química do ATP: 

- Trifosfato de adenosina: moléculas dessa substância armazenam a energia liberada na degradação de moléculas orgânicas. O trifosfato de adenosina é um nucleotídio formado pela base nitrogenada adenina unida ao glicídio ribose, que se une a uma cadeia de três grupos fosfatos. As ligações entre os fosfatos 

costumam ser de alta energia

-Durante a oxidação de moléculas orgânicas do alimento, parte da energia liberada pelos elétrons é usada para a síntese de moléculas de ATP, ficando armazenada nas ligações químicas entre seus grupos fosfatos. A energia que não é transferida para o ATP dissipa-se como calor. O ATP é normalmente sintetizado a partir de uma molécula precursora semelhante a ele, mas que possui apenas dois fosfatos; difosfato de adenosina (ADP). A síntese de ATP ocorre pela adição de um grupo fosfato inorgânico, simbolizado por P, ao ADP. Essa reação é endergônica. A forma mais comum de fornecer energia para os processos celulares é pela transferência de um grupo fosfato do  ATP a outras moléculas, o que possibilita a realização do trabalho celular. Nos movimentos celulares, a energia transferida pelo ATP faz com que moléculas da proteína miosina adquiram uma configuração instável, com alta energia potencial, arrastando as fibras da proteína actina sobre as de miosina, sendo responsável por muitos tipos de movimentos celulares. 

Respiração celular

• Mitocôndrias:

- O ATP na maioria dos seres vivos é produzido por meio da respiração celular, que é um processo de oxidação em que o gás oxigênio atua como agente oxidante de moléculas orgânicas. Nesse processo são degradadas moléculas de ácidos graxos ou de glicídios, principalmente glicose, originando-se moléculas de gás carbônico e de água e liberando energia, utilizada na produção de moléculas de ATP a partir de ADP e P.

                                                 C6H12O6 +  6O2 -> 6CO2+ 6H2O

- Estrutura das mitocôndrias: são organelas membranosas. A mitocôndria é delimitada por duas membranas lipoproteicas; a membrana externa é lisa e semelhante às demais membranas celulares; a membrana interna possui dobras e pregas, chamadas cristas mitocondriais, que se projetam para o interior da organela. O fluido viscoso que preenche o espaço interno é denominado matriz mitocondrial, que possui várias enzimas, DNA, RNA e ribossomos pequenos, parecidos com os ribossomos bacterianos. A membrana mitocondrial interna é muito organizada. Nela se dispõem, em posições estratégicas, substâncias capazes de receber elétrons, íons e outras substâncias e complexos proteicos, entre os quais se destaca a sinapse do ATP.

- Autonomia das mitocôndrias: acredita-se que as mitocôndrias tenham originado os seres procarióticos primitivos, por causa de sua complexidade, sua capacidade de autoduplicação e a semelhança com certas bactérias, sendo denominada hipótese endossimbiótica ou simbiogênese.

• Etapas da respiração celular:

- Glicóse: é uma sequência de dez reações químicas catalisadas por enzimas livres no citosol.

A glicose é uma molécula obtida através da alimentação ou então da degradação do glicogênio armazenado em nosso corpo. O processo para a quebra dessa substância começa com a adição de dois fosfatos em uma molécula de glicose, tornando-a muito estável e fácil de ser quebrada. Esse processo é chamado de ativação e ocorre com gasto de ATP.

A molécula instável de glicose, quando se quebra, origina duas moléculas de ácido pirúvico e gera quatro moléculas de ATP. Como no início do processo são utilizados fosfatos provenientes de duas moléculas de ATP, o saldo líquido é de duas moléculas. Além disso, no processo de glicólise, ocorre a liberação de quatro elétrons e quatro íons H⁺. Das quatro moléculas H⁺, duas ficam livres no citoplasma, enquanto as outras duas, juntamente aos quatro elétrons, são capturadas pelo dinucleotídio de nicotinamida-adenina (NAD⁺) e originam o NADH. Em razão da capacidade de receber elétrons e os íons H⁺, o NAD⁺ é considerado um aceptor de elétrons. O ácido pirúvico formado no processo de glicólise, com a presença de oxigênio, é utilizado na mitocôndria no processo de respiração celular. Quando, no entanto, não existe oxigênio suficiente, o piruvato é transformado em ácido lático ou etanol (fermentação).

C₆H₁₂O₆ + 2ADP + 2P_i+ 2NAD⁺ → 2C₃H₄0₃ + 2ATP + 2NADH + 2H⁺

- Ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs: o ciclo de Krebs começa com a entrada do acetil-CoA produzido antes. O grupo acetil da acetil-CoA reage com o oxaloacetato, um ácido formado por quatro carbonos, formando o citrato (forma oxidada do ácido cítrico), que é formado por seis carbonos. A coenzima-A é, então, liberada para se ligar a um novo grupo acetil. A seguir ocorrem reações que causam a degradação do citrato gradualmente. Nesse processo, ocorrem a remoção e a oxidação de dois de seus átomos de carbono, formando CO2. O oxaloacetato é regenerado e pode reagir com outro acetil-CoA, iniciando novamente o ciclo. É importante destacar que cada etapa do ciclo de Krebs é catalizada por uma enzima específica. À medida que ocorre a oxidação do citrato, energia é liberada e utilizada na produção de moléculas carreadoras de energia. Em cada ciclo, para cada grupo acetil, uma molécula de ADP é convertida em ATP; 3 NAD+ são reduzidas a NADH;  a FAD recebe dois elétrons e dois prótons, formando FADH2. Algumas células animais podem  formar também GTP (trifosfato de guanosina). Essa molécula assemelha-se ao ATP, podendo ser utilizada para a produção de ATP ou diretamente pela célula. Considerando que cada  molécula de glicose produz dois acetil-CoA, ao final do ciclo de Krebs, terão sido produzidos 6 NADH, 2 FADH2 e 2 ATP.

- Fosforilação oxidativa: a síntese de grande parte do ATP gerado na respiração celular está acoplada à reoxidação das moléculas de NADH e FADH2, que se transforma em NAD+ e FAD, respectivamente. Na reoxidação são liberados elétrons com grande nível de energia que depois de perderem seu excesso energético, reduzem o gás oxigênio a moléculas de água. A energia liberada gradativamente pelos elétrons durante sua transferência até o gás oxigênio é usada na produção de ATP.

-> Cadeia transportadora de elétrons: é realizada por quatro grandes complexos proteicos, arranjados em sequência na membrana interna da mitocôndria ( a transferência de elétrons e de íons do hidrogênio do NADH e do FADH2 para o gás oxigênio).  Um conjunto de proteínas ganha o nome de cadeia transportadora de elétrons ou cadeia respiratória. Cada tipo de complexo proteico é capaz de capturar elétrons com certo nível de energia e transferi-los com um nível de energia menor, para o complexo proteico imediatamente seguinte.

A passagem dos elétrons no decorrer da cadeia respiratória começa  quando o NADH doa seu par de elétrons ao primeiro aceptor da cadeia respiratória, que  os transfere ao seguinte e assim sucessivamente. Essa transferência dos elétrons de um componente da cadeia a outro faz com que eles percam energia gradativamente e possam, ao final da cadeia, combinar-se com o gás oxigênio, produzindo água na reação. A energia liberada pelos elétrons na passagem pela cadeia respiratória, denominada por alguns força eletromotiva, é utilizada para concentrar íons H+ no pequeno espaço entre as membranas mitocondriais. Em alta concentração nesse espaço, a tendência desses íons é voltar à matriz mitocondrial interna. Nesse processo a energia potencial é convertida em energia mecânica e depois em energia química, armazenada na ligação entre os fosfatos do ATP, mecanismo conhecido como teoria quimiosmótica.

- Rendimento energético na respiração celular: a energia liberada pelos elétrons de alta energia em sua passagem pela cadeia respiratória pode formar 34 moléculas de ATP, mas em condições normais o rendimento é menor, formando-se até no máximo de 26 moléculas de ATP. Somando-se essas 26 moléculas aos dois ATP formados na glicólise e aos dois originados no ciclo de Krebs, chega-se a um rendimento máximo de 30 moléculas de ATP por moléculas de glicose, entretanto o rendimento teórico seja de 38 ATP por molécula de glicose.

• Fontes de energia para a respiração celular:

Todas as nossas células oxidam glicídios para ganhar energia. A maior parte da energia usada por nosso organismo é proveniente de lipídios. Os triglicerídeos são armazenados no citoplasma das células adiposas ( geralmente localizadas sob a pele), na forma de gotículas de gorduras. Quando necessário, suas moléculas são quebradas em seus constituintes básicos, glicerol e ácidos graxos, e estes últimos são lançados na corrente sanguínea. As células do corpo humano, exceto as do sistema nervoso e as hemácias, captam os ácidos graxos do sangue, usando-os na produção de ATP. No interior das células, os ácidos graxos são transportados para as mitocôndrias, onde originam moléculas de acetil-CoA. Assim como as moléculas de acetil-CoA produzidas na oxidação de glicídios, as moléculas de acetil-CoA produzidas pela oxidação de ácidos graxos entram no ciclo de Krebs e são degradadas a gás carbônico e água.

Fermentação

• Fermentação como forma de obter energia:

- Os organismos eucarióticos só consegue viver em presença do gás oxigênio, sendo chamados de aeróbicos obrigatórios. Muitas espécies de bactéria não precisam de oxigênio para viver, por isso são chamadas de anaeróbias. Outras são incapazes de tolerar a presença de gás oxigênio, sendo chamadas de anaeróbias obrigatórias. Os organismos eucarióticos entre eles as leveduras, que podem viver na presença ou na ausência de O2, sendo por isso denominados anaeróbios facultativos. O principal processo anaeróbico de produção de ATP a partir de substâncias orgânicas é a fermentação, usada por vários fungos e bactérias que vivem em ambientes pobres em gás oxigênio. 

Fotossíntese

• Aspectos gerais da fotossíntese:

É um processo pelo qual grande parte dos seres autotróficos produz substâncias orgânicas, geralmente açúcares. Na fotossíntese a energia luminosa transforma-se em energia potencial química, armazenada nas moléculas de glicídios produzidas no processo.

• Cloroplasto: onde ocorre a  fotossíntese.

• Etapas da fotossíntese: 

1. Absorção de luz.
2. Transporte de elétrons com redução de NADP+ a NADPH.
3.  Produção de ATP.
4. Fixação de carbono.

- Absorção de luz e fotólise da água: 

Ao absorver a luz, principalmente as radiações luminosas, a clorofila reflete a cor verde, ou seja, ela não absorve o verde.

- Transporte de elétrons: a excitação eletrônica da clorofila pela luz e a captura dos elétrons energizados pelos aceptores marcam o momento em que acontece a transformação de energia luminosa em energia química. À medida que os elétrons são transferidos do primeiro aceptor para um segundo, para um terceiro e assim sucessivamente, no que os cientistas denominam cadeia transportadora de elétrons. Ao receber os elétrons da cadeia transportadora da qual faz parte, a molécula de NADP passa do estado oxidado (NADP+) em que se encontrava para um estado reduzido (NADPH).

- Produção de ATP: a energia que os elétrons liberam em sua passagem pelas cadeias transportadoras é usada para "forçar" o transporte de prótons (H+) do estroma do cloroplasto para dentro do lúmen do tilacoide. À medida que aumenta a concentração de íons H+ no interior do tilacoide, eles tendem a se difundir de volta ao estroma, mas só podem fazê-lo se passarem pelas sintaxes do ATP presentes na membrana tilacoide.

OBS:  a produção de ATP no cloroplasto é chamada de fotofosforilação.

- Fixação do carbono: o NADPH e o ATP gerados nas etapas iniciais da fotossíntese fornecem, respectivamente, hidrogênios e energia para a produção de glicídios a partir do gás carbônico.

-> Fixação do gás carbono: transformação em que o carbono passa a formar moléculas orgânicas. A fixação do carbono na fotossíntese se dá por meio de uma série de reações químicas que compõem o ciclo de Calvin-Benson, que acontece no estoma do cloroplasto e no citosol das bactérias fotossintetizantes.

-> RuBP: 6 moléculas de CO2 reagem com 6 moléculas de 1,5- biofosfato e produzem no final 2 moléculas de substância gliceraldeído-3-fosfato, além de regenerar as 6 moléculas de RuBP. A fixação do carbono é catalizada por uma enzima chamada rubisco.

- Destino dos produtos da fotossíntese: as moléculas de gliceraldeído-3-fosfato (PGAL) originadas no ciclo de Calvin-Benson podem seguir dois caminhos: a maioria sai do cloroplasto e transforma-se em sacarose, no citosol; as que continuam no cloroplasto são convertidas diretamente em amido. Durante a noite, o amido é modificado em sacarose e sai para o citosol, de onde é exportado pelo floema para as demais partes da planta. Assim, o principal produto da fotossíntese das plantas é a sacarose, apesar de ser comum a utilização de equações simplificadas em que aparece glicose como produto direto da fotossíntese.

Quimiossíntese

Algumas bactérias e arqueas são autotróficas e produzem substâncias orgânicas por meio da quimiossíntese.

CO2+4H2 -> CH4+ 2H2O + ENERGIA.