Bioenergética - Por Vieira Miguel manuel

Matéria baseada no manual de apoio de Física do 10º Ano.

Na Biofísica a Bioenergética seria o estudo quantitativo da tradução de energia que ocorre em Células vivas e da natureza e também a função do processo químico que fundamentam essas traduções. A Bioenergética está relacionada com o processo catabólico.

A Bioenergética, em termos da Biologia podemos afirmar que significa energia da vida pós também é responsável por armazenamento de sentimentos que desde muito cedo escondido. Exemplo: a nossa respiração.

O nosso cérebro também é responsável na maneira como conseguimos expressar diferentes sentimentos no nosso corpo.

A bioenergética é essencial e dedica-se em vários estudos de processos químicos que tornam possível a vida da célula do ponto de vista energético.

PRODUÇÃO E MOBILIZAÇÃO DE ATP

A energia luminosa ou a energia química dos compostos orgânicos não pode ser utilizada diretamente pela célula. Parte dessa energia é incorporada numa fonte de energia química diretamente utilizável, designada por ATP que significa Adenosina trisfosfato.

 Uma molécula de ATP é formada por:

•          Adenina-base azotada

•          Ribose-açúcar com 5 carbonos

•          3 Grupos Fosfátos-Compostos Inorgânicos

Trifosfáto de adenosina simplesmente ATP: é um nucleótido responsável pelo armazenamento de energia em suas ligações químicas. Está constituido por adenosina e nucleótido associada a 3 radicais Fosfáto conectado em cadeia. A energia é armazenada nas ligações entre fosfátos.

O ATP armazena energia proveniente da respiração celular e da fotossíntese, para o consumo imediato. A molécula actua como uma moeda celular, ou seja é uma forma conveniente da transformação da energia. Ela pode ser utilizada em diversos processo biológicos tais como:

Transporte activo de moléculas, síntese e secreção de substâncias, locomoção e divisão celular, entre outros nao pode ser escutada seu uso é imediato, a energia pode ser estucada na forma de carboidratos.

As principais formais de produção do ATP são Fosforilação oxidativa e a fotofosforilação. Um radical fosfato inorgânico (PI) é adicionada a uma molécula de ADP que significa (Adenosina Difosfato) utilizando energia proveniente de decomposição da glicose ( na fosforilação oxidativa ou da luz na fosforilação. Existem enzimas especializadas no rompimento desta mesma ligação libertando fosfato e energia utilizada) nos processos celulares gerando novamente moléculas de ATP. Em certas ocasiões, o ATP é degradado até sua forma mais simples, o AMP (Adenozina Monofosfato) libertando 2 fosfato e uma quantidade maior de energia.

O corpo humano adulto produz o seu próprio peso de ATP a cada 24 horas, porem consumidos outros tanto mesmo período se anergia gerada na queimada glicose nao fosse armazenada em molécula de ATP provavelmente as células seriam rapidamente destruída pelo calor gerado.

PIGMENTOS FOTOSSINTÉTICOS

Na plantas superior as folhas são os órgãos fotossintéticos mais importantes.

Na maioria das células das folhas encontra-se grande densidade cloroplastos e, consequentemente, uma grande quantidade de fotossintéticos, por esta razão, as folhas são, de um modo geral, os principais órgãos fotossintéticos.

SEPARAÇÃO DE PIGMENTOS FOTOSSINTETICOS

Vimos que na separação de pigmentos fotossintéticos, podemos ver alguns materiais que são:

·         Folhas de espinafres ou de urtigas 

·         Funil

·         Placa de petri

·         Acetona

·         Vareta

·         Papel de filtro

·         Almofariz

·         Área Ffina

·         Tesoura.

Podemos ver como elas são procedidas:

1.      Corte as folhas em pedaços para dentro do almofariz, junte a área e esmague com o pilão;

2.      Adicione um pouco de acetona, agita com a vareta e filtro;

3.      Verta o filtrado para uma caixa de petri, introduza nesse filtrado um rectângalo de papel de filtro dobrado em ângulo;

4.      Aguarde alguns minutos, observe o papel do filtro e registe as alterações que verificares.

Nas experiencia realizada a acetona funciona como solvente, extraindo os pigmento dos cloroplastos, constitui-se assim uma solução de clorofila bruta. Quando se introduz a o papel de filtro nesta solução, o solvente sob capilaridade, transportando os pigmentos.

Esse pigmentos, devido a solubilidade diferencial, ficam depositados a diferentes níveis e, como tal, separados. Ao fim de alguns tempos consegue-se oberservar de baixo para cima diferentes pigmentos constituinte da clorofila bruta:

·         Clorofila b, de cor verde-amarelada;

·         Clorofila a, de cor verde-intensa;

·         Xantofilas, de cor amarela;

·         Carotenos, de cor alaranjada.

CAPTAÇÃO DA ENERGIA LUMINOSA

A energia radiante do Sol é formada por radiações de diferentes comprimentos de ondas, constituindo os aspectos solar. Os olhos humanos captam apenas um pequeno conjunto dessas radiações, que formam a luz branca ou a luz visível, cujos comprimentos de onda variam entre os 380 e os 750 nanómetros (nm).

É possível decompor a luz branca nas suas radiações constituintes. Basta fazer passar a luz através de um prisma óptico e recebem num ecrã o chamado espetro da luz visível que é constituído pelas cores do arco-íris: vermelho, alaranja, amarelo, azul, verde e violeta.

Nas plantas existem dois grandes grupos de pigmentos fotossintéticos que observam a energia luminosa. Sãs as Clorofilas e os carotenoides. 

A luz que incide sobre as folhas pode seguir diferentes percursos. Uma parte é imediatamente refletida, outra é observada e outra ainda atravessa, sendo transmitida.

As clorofilas observam, principalmente, as radiações do espectro visível de comprimentos de ondas correspondentes ao azul-violeta e ao vermelho-alaranjado. As radiações com comprimentos de onda correspondente à zona verde do espectro não são absorvidas. São refletidas e daí vemos as folhas com cores verdes. Carotenoides observem radiações de comprimentos de ondas correspondentes, aproximadamente à faixa violeta-azul do espectro.

Engelmann, em 1981, utilizando o espectro da luz branca, efectou uma experiencia que permitiu estabelecer essa relação.

Engelmann observou que as bactérias utilizadas se aglomeravam mais densamente nas zonas do filamento de espirogira que recebiam radiações correspondentes às faixas vermelhas-alaranjada, bem como as faixas azul-violetas. Essa distribuição evidencia que nessas zonas há maior libertação de oxigénio, sendo oxigénio um dos produtos da fotossíntese as sua maior ou menos libertação revela a maior ou menos intensidade fotossintética.

MECANISMO DA FOTOSSÍNTESE

A fotossíntese é um processo complexo cujo conhecimento tem constituído um desafio para inúmeros investigadores desde há séculos.

Dentre os problemas abordados pelos investigadores pode referir-se:

-        Qual a proveniência do oxigénio libertado? Tem origem na água? Provém do oxigénio de carbono?

-        Os mecanismos fotossintéticos dependem todos diretamente da energia luminosa?

 Van Niel, um dos primeiro investigador a estudar aspectos comparativos em fotossíntese, trabalhou com algumas bactérias sulfurosas e verificou o seguinte:

·         Essas bactérias são anaeróbias;

·         Utilizam no processo fotossintético sulfereto de hidrogénio (H₂S) em vez de água;

·         Na presença da luz, sintetizam compostos orgânicos e libertam enxofre.

Com base neste dados, a equação que traduz o processo fotossintético nestas bactérias é:

	Luz

 

                              

	Clorofilas

 

A partir desta comparação, Van Niel propôs o seguinte raciocínio: como na actividade fotossintética destas bactérias a ruptura da molécula de sulfureto de hidrogénio é  efectuada em presença da luz, então, no caso da fotossíntese das plantas, a luz também interfere na ruptura da molécula de água em hidrogénio e oxigénio, o qual é libertado.

Na hipótese de Van Niel, o oxigénio libertado na fotossíntese tem, portanto, origem na água e não no dióxido de carbono. Em 1941, foram feitas experiências no sentido de testar esta hipótese.

Os resultados da experiência referida foram concludentes quanto à origem do oxigénio, resolvendo definitivamente uma polémica que há muito se arrastava. Como contra prova poder-se-ia ter colocado a alga Chlorella em água normal (H₂¹⁶O), fornecendo-se dióxido de carbono marcado com ¹⁸O. Se o oxigénio libertado provém da água, nesta experiência deve libertar-se ¹⁶O e não ¹⁸O. O resultado desta contraprova mostrou que, durante a fotossíntese, o oxigénio que se liberta provém da água e não do dióxido de carbono.

Relativamente ao processo fotossintético, muitos outros problemas foram sendo solucionados devido ao contributo de numerosas experiências.

Experiências de Calvin e de Gaffron

1-      No início da década de 40, Calvin e os seus colaboradores colocaram suspensões de algas verdes, do género Chlorella, num meio contendo dióxido de carbono, em que o carbono era radiactivo (¹⁴C0₂). Por métodos apropriados verificaram que as substâncias orgânicas sintetizadas eram radiactivas.

2-      Em 1951, Gaffron e os seus colaboradores introduziram numa suspensão de algas, fortemente iluminada, dióxido de carbono radiactivo (¹⁴C0₂). Após uma permanência de 10 minutos à luz, colocaram essa suspensão de algas na obscuridade. Verificaram que o dióxido de carbono continuava a ser absorvido durante 15 a 20 segundos. Se a iluminação prévia não tiver ocorrido, ou se ela tiver sido reduzida, não há formação de substâncias orgânicas.

Os resultados da segunda experiência vieram revelar que a captação do dióxido de carbono que intervém na formação de substâncias orgânicas continua a realizar-se durante algum tempo na obscuridade se, previamente, houver um período de iluminação suficiente. No entanto, se a iluminação prévia não tiver ocorrido, não há formação de substâncias orgânicas.

Estes resultados sugerem que a luz é necessária para iniciar o processo fotossintético, o qual poderá depois continuar durante alguns segundos, mesmo na sua ausência. Pode admitir-se então que a fotossíntese compreende duas fases sucessivas: uma cujas reações dependem da luz e outra que compreende reacções que não dependem da luz.

Fase dependente da luz - ocorrem várias reacções fotoquímicas:

·         A energia luminosa é captada pelos pigmentos fotossintéticos, provocando a excitação dos centros de reacção dos fotossistemas.

·         Verifica-se a dissociação da água em oxigénio e hidrogénio - fotólise da água:

·         O hidrogénio que se liberta na fotólise da água, após uma série de reacções complexas, vai reduzir uma molécula transportadora, o NADP+ (nicotinamida adenina dinucleótido fosfatada), que se transforma em NADPH.

·         Ocorre a fosforilação de ADp, formando-se o ATP, processo que se designa por fotofosforilação.

Fase não dependente da luz - é incorporado o dióxido de carbono, sendo utilizada a energia química do ATP e do NADPH, provenientes. da primeira fase, na síntese de moléculas orgânicas.

Embora se considerem classicamente as duas fases da fotossítese, sabe-se hoje que nem todas as reacções da primeira dependem directamente da luz e que algumas enzimas que intervêm na segunda têm de ser activadas, previamente, pela luz.

Após a abordagem global do processo fotossintético que acabámos de considerar, vamos agora, para cada uma das fases, tratar o processo mais pormenorizadamente. Faremos referência especial às transformações químicas e às estruturas do cloroplasto onde ocorrem essas reacções, procurando responder às seguintes questões:

- Como é transformada a energia luminosa em energia química?

- Como é utilizada a energia química na síntese de substâncias

orgânicas?

REACÇÕES QUE ENVOLVEM A MEMBRANA DOS TILACÓIDES

A captação da energia luminosa e a sua conversão em energia biologicamente utilizável requer estruturas organizadas. Estas estruturas podem ser consideradas a vários níveis, desde, por exemplo, o arranjo dos pigmentos nos fotossistemas aos tilacóides, aos cloroplastos e à própria folha.

Através do microscópio electrónico constata-se a existência de dois tipos de fotossistemas na membrana dos tilacóides: fotossistema I e fotossistema II.

Estes fotossistemas distinguem-se pelos respectivos pigmentos dos seus centros de reacção.

O centro de reacção do fotossistema I é referido como P₇₀₀ e o centro de reacção do fotossistema II é referido por P₆₈₀ (P significa pigmento e ₇₀₀ e ₆₈₀ são relativos aos comprimentos de onda das radiações absorvidas pelos respectivos centros de reacção). Os fotossistemas captam energia luminosa; os centros de reacção são excitados pela luz e emitem fluxos de electrões. Os fluxos de electrões passam através de uma cadeia de transportadores e vão condicionar a fosforilação de ADP.

Atendendo ao modo como ocorrem esses fluxos de electrões, a fotofosforilação de ADP pode classificar-se de duas maneiras: fotofosforilação acíclica e fotofosforilação cíclica.

Fotofosforilação Acíclica

Nos processos de fotofosforilação acíclica intervêm o fotossistema I e o fotossistema II.

As reacções químicas da fotossíntese iniciam-se quando os fotossistemas I e os fotossistemas II captam energia luminosa e a transferem para a clorofila a dos respectivos centros de reacção. A clorofila a dos centros de reacção fica excitada, perdendo electrões que são transferidos para determinados aceptores.

As transformações que ocorrem na fotofosforilação acíclica podem sequenciar-se do seguinte modo:

- A energia luminosa é captada pelos pigmentos do fotossistema I e do fotossistemall que a transferem para a clorofila a dos respectivos centros de reacção.

- A clorofila a do centro de reacção de cada fotossistema fica excitada e perde electrões que são transferidos para uma cadeia de transportadores. A clorofila a fica oxidada e os receptores electrónicos ficam reduzidos (reacção de oxirredução).

- A energia luminosa transforma-se em energia química no momento em que um electrão é transferido da molécula de clorofila a para a molécula de uma substância aceptora de electrões.

- Os electrões que abandonam o centro de reacção do fotossistema II vão percorrer uma cadeia de transportadores, ao longo da qual o nível energético dos electrões vai decaindo, sendo finalmente aceites pela clorofila a oxidada do centro de reacção do fotossistema I. Deste modo, a clorofila a deste centro de reacção readquire os electrões que perdeu quando excitada pela luz.

- Durante o fluxo eletrónico dá-se a fosforilação de ADP, que passa a ATP.

- Na fosforilação de ADP intervêm complexos enzimáticos, ATP-sintetases, localizados, tal como os fotossistemas, na membrana dos tilacóides.

- Os electrões cedidos pela clorofila a do fotossistema I vão ser recebidos por um aceptor electrónico, sendo transferidos, depois, através de transportadores de electrões, para o NADP⁺, que fica reduzido.

- Como recupera o fotossistema II os electrões perdidos?

- A redução de fotossistemall é feita através dos electrões provenientes da fotólise da água, os quais vão ser recebidos por um aceptor e transferidos para o centro de reacção do fotossistema II.

A água é, assim, o dado r electrónico primário. Os electrões, após terem percorrido várias cadeias de transportadores, passando sucessivamente pelo centro de reacção do fotossistema II e pelo centro de reacção do fotossistema I, vão reduzir o NADP⁺.

- Os protões provenientes da fotólise da água, juntamente com os electrões provenientes da cadeia transportadora, vão participar na redução do NADP^+.

FOTOFOSFORILAÇÃO CÍCLICA

Existe um segundo processo de transporte de electrões que põe em jogo apenas o fotossistema I.

- o fotossistema I capta a energia luminosa e transfere-a para a clorofila a do respectivo centro de reacção.

- A clorofila a, fotoexcitada, perde electrões que são transferidos ao longo de uma cadeia de transportadores.

- A transferência de energia que ocorre nas reacções de oxirredução ao longo da cadeia transportadora de electrões é, em parte, utilizada na fosforilação de ADP.

- Os electrões retornam ao centro de reacção do mesmo fotossistema, o fotossistema 1- fluxo cíclico de electrões.

As moléculas intervenientes no fluxo acíclico e no fluxo cíclico de electrões encontram-se localizadas nas membranas dos tilacóides. Essas moléculas incluem os pigmentos fotossintéticos dos fotossistemas I e II, os aceptores e transportadores de electrões, bem

como complexos enzimáticos como ATPsintetases, ao nível dos quais se forma ATP.

Reacções Ao Nível Do Estroma

No sentido de descobrirem o trajecto seguido pelo dióxido de carbono absorvido pelas plantas, Calvin e os seus colaboradores, de 1946 a 1953, efectuaram uma série de investigações.

Estes investigadores conseguiram:

I - Identificar diferentes passos de fixação do carbono radiactivo.

II - Verificar que o carbono radiactivo aparecia integrado em moléculas de glicose 30 segundos depois de se ter iniciado a fotossíntese.

III- Identificar os compostos intermediários, bem como a sua relação com as fontes de energia química gerada durante a fase dependente da luz, interrompendo o processo em intervalos de tempo definidos.

- O ciclo de Calvin inicia-se pela combinação de dióxido de carbono com um composto de cinco átomos de carbono - ribulose difosfato (RuDP) -, originando um composto instável com seis átomos de carbono. Este composto desdobra-se imediatamente em duas moléculas com três átomos de carbono - ácido fosfoglicérico (PGA).

- O ácido fosfoglicérico é fosforilado pelo ATP e reduzido pelo NADPH, dando origem ao aldeído fosfoglicérico (PGAL).

- O aldeído fosfoglicérico vai seguir dois caminhos diferentes: uma parte vai regenerar a ribulose monofosfato, o resto é utilizado para diversas sínteses no estroma, entre as quais se destaca a síntese de glicose.

- Por cada seis moléculas de dióxido de carbono que entram no ciclo formam-se doze moléculas de PGAL, das quais dez vão regenerar a ribulose, restando duas para formar, por exemplo, uma molécula de glicose. Neste conjunto de reacções são utilizadas dezoito moléculas de ATP (três por cada ciclo) e doze moléculas de NADPH (duas por cada cicio).

ACTIVIDADE FOTOSSINTÉTICA E OUTRAS BIOSSÍNTESES

Embora se considere essencialmente como produto final da fotossíntese a glicose, outros compostos orgânicos podem ser sintetizados a partir de alguns dos compostos intermediários do ciclo de Calvin. Entre esses produtos podem destacar-se aminoácidos, ácidos gordos, glicerol e lípidos.

O aldeído fosfoglicérico (PGAL), molécula com três carbonos (3 C), para além de intervir na regeneração de ribulose monofosfato, está na base da formação de diversos compostos orgânicos essenciais às células das plantas.

FOTOSSÍNTESE E PRODUÇÃO DE COMPOSTOS ORGÂNICOS

Material:

- Vaso com pelargónio em que as folhas têm rebordo esbranquiçado

- Papel de estanho

-Tina

- Gobelé

- Placa de aquecimento

- Placa de Petri

-Água

-Álcool

- Água iodada

Modo de proceder:

1 - Coloque o vaso de pelargónio num ambiente sem luz, durante 36 horas.

2 - Cubra então uma das folhas do pelargónio com papel de estanho e exponha a planta à luz solar durante umas horas.

3 - Retire o papel de estanho e corte essa folha, bem como uma outra que não tenha sido coberta,

4 - Mergulhe as duas folhas em água fervente, durante cinco minutos.

5 -Introduza as folhas em álcool em ebulição, aquecido em banho-maria, até ficarem descoradas.

6 - Coloque as duas folhas numa placa de Petri contendo água iodada.

Na actividade realizada foi detectado amido apenas nos órgãos expostos à luz e nas zonas que possuíam cloroplastos.

- O amido é um polissacarídeo resultante da polimerização de numerosas moléculas de glicose, cada uma das quais é formada a partir de duas moléculas de aldeído fosfoglicérico (PGAL)

O amido fica temporariamente nas folhas, sendo hidrolisado durante a noite. Os produtos resultantes da hidrólise são transportados, após algumas transformações, para outros órgãos da planta.

- Uma quantidade considerável de glicose é utilizada na produção de celulose, a molécula orgânica mais abundante nas plantas. A parte restante pode ser armazenada sob a forma de substâncias de reserva em diferentes órgãos, como folhas, caules, frutos e sementes.

- A síntese de lípidos é também realizada a partir do PGAL, verificando-se diversas reacções químicas que conduzem à formação de glicerol e de ácidos gordos.

- Parte do PGAL permite também a formação de certos compostos intermediários que, reagindo com o amoníaco proveniente de nitratos absorvidos do meio pela planta, constituem aminoácidos.

- Outras moléculas intermediárias do ciclo de Calvin, como o ácido fosfoglicérico (PGA). podem igualmente intervir na síntese de biomoléculas importantes.

Cerca de 50 dos produtos orgânicos constituídos na fotossíntese são consumidos pelas plantas no metabolismo celular.

FACTORES QUE INTERFEREM NA ACTIVIDADE FOTOSSINTÉTICA

Qualquer variação relativa aos intervenientes no processo fotossintético influencia, logicamente, a intensidade desse processo. Assim, por exemplo, a quantidade de água, a variação da intensidade luminosa, a quantidade de dióxido de carbono, a própria temperatura, fazem variar a intensidade da fotossíntese.

A intensidade fotossintética pode ser avaliada pela quantidade de oxigénio libertada ou pela quantidade de dióxido de carbono absorvida por unidade de tempo.

Variação da actividade fotossintética com a intensidade luminosa

Colocou-se um dispositivo exposto a um foco luminoso, fazendo-se variar, em diferentes momentos, a distância desse foco ao dispositivo.

Os resultados da experiência apresentada permitem inferir que, para as intensidades luminosas consideradas, a actividade fotossintética aumenta em função dessas intensidades luminosas.

Os resultados de várias experiências relativas à variação da actividade fotossintética com a intensidade luminosa permitem concluir que, para intensidades luminosas pouco elevadas, a actividade fotossintética aumenta quando aumenta a intensidade luminosa. Porém, constata-se que a partir de um dado valor (variável de acordo com as espécies), a intensidade fotossintética estabiliza mesmo que a intensidade luminosa aumente.

QUIMIOSSÍNTESE

Existem seres vivos que conseguem reduzir o dióxido de carbono sem utilizar a energia luminosa. São os seres quimioautotróficos. também chamados seres quimiossintéticos:

Em 1890, Winogradsky verificou que a oxidação do amoníaco existente no solo liberta energia. Partindo deste conhecimento, admitiu que bactérias do solo pudessem oxidar compostos azotados neles existentes, utilizando a energia transferida para reduzir o CO₂ e formar substâncias orgânicas. Essas bactérias foram designadas por bactérias nitrificantes.

O diagrama da figura traduz, de um modo muito simples, processos em que intervêm as bactérias consideradas.

Tal como na fotossíntese, podem distinguir-se na quimiossíntese duas etapas. Na primeira há a oxidação de substratos minerais. Dessa oxidação resulta um fluxo de electrões e de protões proveniente do substrato considerado, formando-se um composto redutor, o NADPH, e moléculas de ATP, para as quais é transferida parte da energia mobilizada.

Na segunda etapa, equivalente à fase química da fotossíntese, ocorre a redução de dióxido de carbono, o que conduz à síntese de substâncias orgânicas.

As bactérias nitrificantes são seres quimioautotróficos. São quimiossintéticos porque utilizam a energia resultante da oxidação de compostos químicos e autotróficos porque a fonte de carbono é um composto mineral, o dióxido de carbono ou o monóxido de carbono. No fundo dos oceanos existem também bactérias quimioautotróficas.

As água emitidas por fontes hidrotermais, localizadas junto de dorsais oceânicas, são ricas em H₂S e em bactérias termo-resistentes. Estas bactérias são capazes de incorporar o dióxido de carbono para a síntese de moléculas orgânicas, utilizando a energia química resultante da oxidação do sulfureto de hidrogénio. São bactérias "sulfo-oxidantes" e quimioautotróficas.

Apesar de o processo quimiossintético representar uma pequena fracção do processo de produção de compostos orgânicos, as bactérias quimiossintéticas desempenham actividades importantes na biosfera, nomeadamente na manutenção da fertilidade dos solos, através da sua intervenção na reciclagem de compostos azotados.

RESPIRAÇÃO E FERMENTAÇÃO

A formação de moléculas de ATP, fonte imediata de energia para as células, ocorre, como já vimos, ao nível da fotossíntese. Mas é a oxidação de moléculas orgânicas que garante a renovação constante de ATP nas células de todos os seres vivos.

Apesar de uma célula ser capaz de degradar variadas moléculas orgânicas, é a glicose o principal composto orgânico utilizado como fonte de energia química.

Entre as diversas vias catabólicas responsáveis pela transferência de energia de compostos orgânicos para moléculas de ATP, vamos considerar os processos de respiração aeróbia e de fermentação.

Desde o século passado muitas investigações têm sido levadas a cabo, permitindo um esclarecimento cada vez maior dos processos catabólicos considerados. A actividade experimental que lhe propomos baseia-se numa experiência efectuada por Pasteur, no século XIX.

MULTIPLICAÇÃO DE LEVEDURAS EM CONDIÇÕES AERÓBIAS E EM CONDIÇÕES ANAERÓBIAS

Material

- Garrafas-termo de 1/2 L

- Rolhas perfuradas: umas com dois orifícios e outras com três

- Termómetros

- Gobelés

- Tubos de vidro dobrados como mostra a figura [401

- Pipetas

- Varetas de vidro

- Microscópio

- Lâminas e lamelas

- Suspensão de leveduras

- Solução de glicose a 30

-Água de cal

Modo de proceder:

Realize a montagem de dois dispositivos experimentais, conforme os representados.

1 - Coloque no interior de cada garrafa solução de glicose até cerca de metade da altura.

2 - Junte 100 ml da suspensão de leveduras depois de a agitar, misturando-a com uma vareta de vidro.

3 - Retire uma gota e observe ao microscópio com grande ampliação.

4 - Procure contar o número de leveduras no campo do microscópio.

5 - Tape as garrafas com as rolhas perfuradas.

6 - Registe a temperatura observada nos termómetros.

7 - Ao fim de 48 horas, repita as observações efectuadas inicialmente e com os resultados preencha uma tabela como a seguinte.

As leveduras são fungos unicelulares que se multiplicam rapidamente quando as condições do meio lhes são propícias. A multiplicação das leveduras necessita de energia, que provém da degradação da glicose. Parte dessa energia dissipa-se sob a forma de calor, o que determina a elevação da temperatura observada nos termómetros, e a restante é utilizada não só para a sobrevivência das leveduras como também para a sua multiplicação. Na garrafa 8, a multiplicação das leveduras foi mais activa, o que implicou uma maior mobilização de energia.

- Na ausência de oxigénio, ou seja, em anaerobiose, além do dióxido de carbono forma-se álcool etílico (etanol). Este é um composto orgânico ainda muito rico em energia potencial que não foi mobilizada, não sendo, portanto, utilizada pelas leveduras. O conjunto de reacções ocorridas designa-se por fermentação alcoólica e verifica-se num meio desprovido de oxigénio.

- Em aerobiose, os produtos finais são moléculas simples - dióxido de carbono e água. As leveduras aproveitam mais energia proveniente da degradação da glicose e daí o aumento muito mais significativo da quantidade de leveduras. O processo designa-se por respiração aeróbia e verifica-se em presença de oxigénio.

As equações químicas A e B representadas e referentes à respiração aeróbia e à fermentação consideram apenas os reagentes e os produtos finais de sequências de reacções catabólicas complexas.

GLICÓLISE, UMA ETAPA COMUM À FERMENTAÇÃO E À RESPIRAÇÃO

Ainda que a descoberta da glicólise se tenha verificado em 1897, a investigação bioquímica deste processo, ao longo do nosso século, tem vindo a permitir uma compreensão cada vez mais clarificada. da sequência de fenómenos que nela ocorrem.

A análise de um diagrama simplificado ajuda a compreender a sequência de reacções basilares da glicólise.

A glicólise é uma via catabólica na qual se podem considerar duas fases:

·         Primeira fase - engloba as reacções pelas quais a glicose é transformada em duas moléculas de aldeído fosfoglicérico (PGAL). É de salientar a ocorrência de duas fosforilações, ou seja, a ligação de dois fosfatos provenientes de duas moléculas de ATP à molécula de glicose. Estas reacções convertem a molécula estável de glicose numa molécula reactiva de frutose-difosfato. A molécula de frutose- difosfato desdobra-se em duas oléculas de aldeído fosfoglicérico (PGAL) com três carbonos cada uma.

·         Segunda fase - é constituída pelas reacções em que duas moléculas de aldeído fosfoglicérico são transformadas em duas moléculas de ácido pirúvico, produto final da glicólise. É de salientar a oxidação de cada molécula de aldeído fosfoglicérico (PGAL) por desidrogenação, isto é, por remoção de dois átomos de hidrogénio (2 e^- + 2H⁺). Os dois hidrogénios vão de imediato reduzir a molécula da coenzima NAD⁺ (nicotinamida adenina dinucleótido), formando NADH + H⁺.

As moléculas de NADH são moléculas de elevado nível energético. Parte da energia mobilizada pela oxidação do composto AH₂, no caso da glicólise o PGAL, é transferida para o NADH.

Ocorre também nesta fase a síntese de quatro moléculas de ATP.

Uma vez que foram utilizadas duas moléculas de ATP para a fosforilação e activação da glicose, o rendimento energético da glicólise é apenas de 2 ATP por molécula de glicose. As reacções da glicólise ocorrem no hialoplasma, pois é nele que se localizam as enzimas que catalisam as diversas reacções.

O rendimento energético da glicólise é muito pequeno comparado com a energia total da glicose.

Duas moléculas de ATP correspondem apenas a cerca de 14 kcal/mole, enquanto que se a glicose em laboratório for completamente oxidada, formando H₂O e CO₂, liberta, sob a forma de calor, 686 kcal/mole.

Assim, as moléculas de ATP formadas directamente na glicólise representam apenas cerca de 2% da energia total da glicose. São as duas moléculas de NADH, e especialmente as duas moléculas de ácido pirúvico, que contêm a maior parte da energia química inicialmente presente na glicose.

O aproveitamento da energia contida no ácido pirúvico depende da organização estrutural das células e da existência ou não de oxigénio no meio.

DEGRADAÇÃO DO ÁCIDO PIRÚVICO EM CONDIÇÕES AERÓBIAS

Grande número de seres vivos é capaz de aproveitar, com certa eficácia, a energia do ácido pirúvico. Este composto, em presença do oxigénio livre, entra numa sequência de reacções enzimáticas que permitem a sua completa oxidação, originando-se compostos

muito simples - CO₂ e H₂O.

- Qual a importância do oxigénio na respiração?

- De onde provém o dióxido de carbono?

Uma investigação experimental simples pode fornecer alguns dados para responder a estes problemas.

RESPIRAÇÃO CELULAR

- Tubos de ensaio

- Tina de dissecção

- Tesoura

- Bisturi

- Pinça

- Gobelé

- Bico de Bunsen

- Suportes para tubos de ensaio

- Solução de Ringer

-Água de cal

- Azul-de-metileno

- Azeite

-Algodão

- Material biológico sugerido (mexilhão, amêijoa, nabo)

Modo de proceder:

1 - Numere os tubos de ensaio de 1 a 3.

2 - Coloque em cada um dos tubos solução de Ringer até 2/3 de altura e adicione três ou quatro gotas de azul-de-metileno.

3 - Ao tubo 2 adicione uma amêijoa ou mexilhão vivos (sem concha) ou uma porção de nabo.

Ao tubo 3 adicione o mesmo tipo de material biológico, mas previamente cozido.

4 - Deite em todos os tubos um pouco de azeite para formar uma camada isoladora à superfície.

5 - Coloque os tubos numa tina com água tépida, durante uma hora.

6 - Observe e registe as alterações que notar.

7 - Sabendo que o azul-de-metileno se pode apresentar sob duas formas - oxidado (azul) ou reduzido (incolor) procure interpretar os resultados obtidos.

8 - Nas células o oxigénio desempenha uma função idêntica à do azul-de-metileno nesta experiência.

Durante a respiração, as células vivas libertam CO₂ gasoso que pode ser detectado através da turvação de água de cal. Esse CO₂ resulta da reacção de descarboxilação de compostos orgânicos por acção de enzimas específicas - as descarboxilases.

Simultaneamente, ocorrem reacções de oxidação por desidrogenação, do substrato, catalisadas por desidrogenases. A presença do hidrogénio pode ser detectada experimentalmente, utilizando uma substância que facilmente se combine com ele. Na experiência foi utilizado o azul-de-metileno.

O azul-de-metileno pode encontrar-se sob duas formas: oxidado (cor azul) ou reduzido (incolor). Quando se introduz um tecido vivo numa solução diluída de azul-de-metileno (azul), verifica-se que a solução, passado algum tempo, fica descorada, isto é, o azul-de-metileno fica reduzido. Durante a respiração, compostos orgânicos são oxidados, sendo o hidrogénio recebido por um aceptor, que neste processo experimental foi o azul-de-metileno.

Com um tecido morto por fervura, não há redução do azul-de-metileno, pois o calor desnatura as desidrogenases que catalisam as oxidações. Nas condições naturais da célula viva, o oxigénio desempenha a função do azul-de-metileno na experiência, ou seja, é o aceptordo hidrogénio, formando com ele água.

Estes fenómenos são realizados ao longo de cadeias de reacções complexas, controladas por enzimas, havendo, simultaneamente, um aproveitamento progressivo de energia que vai sendo transferida.

Vai considerar-se o processo de degradação do ácido pirúvico em aerobiose.

O ácido pirúvico proveniente da glicólise entra na mitocôndria, onde vai participar numa série de reacções complexas. Por cada molécula de glicose degradada formam-se duas moléculas de ácido pirúvico, como já vimos, experimentando cada uma delas igual processamento.

Em termos muito gerais, nas células eucarióticas podem considerar-se três fases fundamentais na degradação do ácido pirúvico em condições aeróbias:

·         formação de acetil-CoA;

·         ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico;

·         fosforilação oxidativa.

Tal como já se procedeu com a glicólise, vamos pormenorizar cada uma das etapas da degradação do ácido pirúvico em aerobiose.

Formacão de acetil-coenzima A

Na formação de acetil-coenzima A ocorre um conjunto de reacções através do qual cada molécula de ácido pirúvico é descarboxilada e oxidada devido a um complexo multienzimático. Estas reacções ocorrem na matriz mitocondrial.

O CO₂ difunde-se e é libertado, enquanto o hidrogénio vai reduzir uma molécula de NAD⁺, formando NADH. O radical oxidado com dois átomos de carbono ligados à coenzima A constitui acetil-CoA.

Ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs

O ciclo do ácido cítrico é também conhecido por ciclo de Krebs, como homenagem ao bioquímico alemão Hans Krebs.  Foi ele que,  na década de 30, investigou a sequência de reacções desse ciclo, pelo que recebeu o prémio Nobel, .

O ciclo do ácido cítrico consiste numa série de reacções metabólicas que ocorrem ao nível da matriz mitocondrial nas quais intervém  a acetil-CoA.

Cada ciclo de Krebs inicia-se com a formação de ácido cítrico (composto com 6 C), que resulta da reacção de uma molécula de acetil-CoA (2 C) com um composto com 4 C (ácido oxaloacético). Em seguida desencadeia-se uma série de reacções quimicas, entre as quais se podem salientar:

·         duas descarboxilações, sendo removidas duas moléculas de CO₂. Os dois carbonos que fazem parte destas moléculas provêm da acetil-CoA que entra no ciclo de Krebs;

·         quatro oxidações do substrato, removendo-se oito hidrogénios (8 e^- + 8 H⁺). Seis dos hidrogénios vão reduzir três moléculas de NAD⁺, formando-se 3 NADH, e os outros dois hidrogénios vão reduzir uma molécula de outro transportador de hidrogénio, o FAD (flavina adenida dinucleótido), formando FADH₂.

Durante um ciclo de Krebs, apenas se constitui uma molécula de ATP. No final de cada ciclo regenera-se ácido oxaloacético, com-posto com 4 C, podendo iniciar-se um novo ciclo.

Uma vez que por cada molécula de glicose se constituem duas moléculas de ácido pirúvico e, consequentemente, duas moléculas de acetil-CoA.

O ciclo de Krebs ocorre apenas em condições aeróbias, isto é, em presença do oxigénio, embora nesta fase o oxigénio não seja directamente utilizado.

Transporte de electrões e fosforilação oxidativa

Nas etapas anteriores da respiração o rendimento em termos de moléculas de ATP, por cada molécula de glicose, é:

·         duas moléculas de ATP na glicólise;

·         uma molécula de ATP em cada ciclo de Krebs.

Contudo, ocorre uma série de oxidações, por desidrogenação de compostos orgânicos, quer durante a glicólise quer na formação de acetil-CoA e ainda no ciclo de Krebs. Os hidrogénios removidos desses substratos reduzem moléculas transportadoras, as coenzimas NAD⁺ e FAD, constituindo-se moléculas de elevado nível energético - NADH e FADH₂. Todas essas moléculas transportam hidrogénios, que vão ser dissociados pela acção de enzimas localizadas na membrana interna da mitocõndria: os electrões são transferidos ao longo de cadeias de transportadores - cadeias respiratórias - e os protões são libertados.

Muitos transportadores de electrões de cada cadeia respiratória são proteínas ligadas a coenzimas que podem aceitar e ceder electrões, participando assim em reacções de oxirredução.

A primeira molécula de uma cadeia respiratória recebe hidrogénios do NADH, ficando este na forma oxidada, NAD⁺. Os electrões fluem através dos vários transportadores. De entre esses transportadores podem destacar-se os citocromos (cit.) que se distinguem por meio de letras.

Do último transportador os electrões fluem para o oxigénio, o qual capta um par de iões H⁺ da matriz, formando-se água. O oxigénio é, portanto, o aceptor final dos electrões na respiração aeróbia. Por cada conjunto de duas moléculas de NADH é reduzida uma

molécula de O₂, formando-se duas moléculas de água.

Os diferentes transportadores de uma cadeia respiratória estão inseridos na membrana interna das mitocôndrias, existindo muitas cadeias respiratórias numa só mitocôndria.

A disposição das moléculas transportadoras de electrões na membrana interna condiciona o fluxo dos electrões. Cada transportador tem maior afinidade para os electrões do que o transportador anterior, de modo que o fluxo de electrões é unidireccional no sentido do oxigénio.

O fluxo de electrões através das cadeias respiratórias mobiliza muita energia. Se essa energia fosse transferida toda de uma só vez, seria suficiente para destruir a célula e dissipar-se-ia sob a forma de calor. Mas não é isso que acontece, pois os electrões ao serem transferidos vão passando para níveis energéticos sucessivamente mais baixos, havendo uma transferência gradual de energia.

Parte da energia transferida vai permitir a síntese de moléculas de ATP.

Por cada molécula de NADH, cujos electrões são transferidos para uma cadeia respiratória ao nível do primeiro transportador, formam-se três moléculas de ATP.

Por cada molécula de FADH₂ cujos electrões entram na cadeia respiratória a um nível energético mais baixo, originam-se duas moléculas de ATP.

Pelo facto da produção de ATP estar associada a fenómenos de oxirredução, o processo é designado por fosforilação oxidativa.

Investigações com mitocôndrias permitiram concluir que a síntese de ATP ocorre ao nível de esferas pedunculadas da membrana interna das mitocôndrias observáveis ao microscópio electrónico.

As estruturas pedunculadas observadas são ATPsintetases, ao nível das quais se forma ATP.

Além da ATPsintetase, mais de uma centena de enzimas estão envolvidas no processo de respiração aeróbia, umas inseridas na membrana interna, outras na matriz mitocondrial.

BALANÇO ENERGÉTICO DA RESPIRAÇÃO

Considerando as substâncias que se vão formando nas diferentes etapas da respiração aeróbia, pode finalmente efectuar-se o balanço energético dessa via catabólica. Salvaguarda-se que o rendimento possa ser parcialmente afectado pelas necessidades energéticas da célula.

Parte da energia quimica armazenada na molécula de glicose é transferida para moléculas de ATP, sendo a restante dissipada sob a forma de calor.

UTILIZAÇÃO DO ÁCIDO PIRÚVICO EM CONDIÇÕES ANAERÓBIAS

Muitos organismos, particularmente microrganismos que vivem em meios onde o oxigénio é quase ou completamente ausente, obtêm energia por processos anaeróbios. A fermentação é um dos processos catabólicos que ocorrem na ausência de oxigénio. As leveduras, como vimos, podem viver na presença de oxigénio, realizando respiração aeróbia. Contudo, na ausência de oxigénio realizam o processo de fermentação. Existem diversos tipos de fermentação. Consideraremos apenas a fermentação alcoólica e a fermentação láctica. Esses dois processos iniciam-se pela glicólise, de modo idêntico ao que acontece com a respiração aeróbia.

Os produtos finais da fermentação alcoólica e da fermentação láctica diferem em função das reacções que ocorrem durante a degradação do ácido pirúvico.

FERMENTAÇÃO ALCOÓLICA

Na fermentação alcoólica, após a glicólise o ácido pirúvico é desdobrado em etanol. Neste processo ocorre a descarboxilação do ácido pirúvico, originando-se um composto com dois átomos de carbono - o aldeído acético -, que, por redução, origina o etanol, regenerando-se consequentemente NAD⁺.

FERMENTAÇÃO LÁCTICA

Na fermentação táctica, o ácido pirúvico, resultante da fase glicoltica, experimenta uma redução, combinando-se com o hidrogénio transportado pelo NADH, que se forma na glicólise. Origina-se ácido táctico ficando a coenzima NAD⁺ oxidada livre para outras reacções de desidrogenação.

A fermentação alcoólica é largamente utilizada na indústria de álcool, na produção de cerveja e na vinicultura. As leveduras que intervêm no processo de transformação do sumo de uvas em vinho encontram-se na casca das bagas.

No fabrico do pão ocorre também uma fermentação alcoólica, na qual intervêm leveduras que fazem parte do fermento de padeiro. O álcool evapora-se facilmente e o dióxido de carbono, constituindo bolhas, torna a massa mais fofa. É o chamado «levedar» do pão. A fermentação táctica, que ocorre em diversos microrganismos, é responsável pelo azedar e coalhar do leite, fenómenos que se devem à presença de ácido táctico, que, alterando o pH do meio, provoca a coagulação das proteínas. Daí a sua importância na indústria de lacticínios.

Nas células musculares humanas, durante um exercício físico intenso, pode ocorrer fermentação táctica além de respiração aeróbia, sintetizando-se assim um maior número de moléculasde ATP.

É O ácido láctico que causa as dores musculares que ocorrem, por vezes, após um exercício físico intenso.

FERMENTAÇÃO E RESPIRAÇÃO - ASPECTOS COMPARATIVOS

Foram considerados os principais processos implicados na síntese de ATP a partir de moléculas orgânicas.

Fermentação e respiração são dois processos que mobilizam energia potencial de moléculas orgânicas, transferindo-a para moléculas de ATP.

O ATP é produzido no hialoplasma de todas as células durante o processo glicolítico, comum à fermentação e à respiração. É também produzido nas mitocôndrias, por via aeróbia, em reacções do ciclo de Krebs e, principalmente, durante a fosforilação oxidativa.

O rendimento energético da fermentação e da respiração é, no entanto, diferente.

Durante a fermentação sintetizam-se quatro moléculas de ATP na fase glicolítica. Uma vez que são utilizadas duas moléculas de ATP na activação da glicose, o rendimento é, portanto, de duas moléculas de ATP.

Na respiração, para além das duas moléculas de ATP, como rendimento da glicólise, sintetizam-se mais 34 ou 36 moléculas devido aos processos que ocorrem após a formação do ácido pirúvico. Os produtos finais da respiração, CO₂ e H₂O, são moléculas simples com pouca energia potencial, ao contrário do etanol, produto final da fermentação alcoólica, que é um composto de elevada energia potencial.

Sabendo que na síntese de uma molécula de ATP se transferem cerca de 7 kcal, as células, na fermentação, aproveitam cerca de 14 kcal da energia potencial da glicose, sendo o rendimento energético de cerca de 2%. Na respiração a eficácia do processo é muito superior. Assim, 38 ATP x 7 kcal = 266 kcal. O rendimento energético é de cerca de 40%. A energia restante é libertada sob a forma de calor ou fica retida nos produtos finais, não sendo mobilizada.