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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 12
Lição 1: Introdução à respiração celular- ATP: adenosina trifosfato
- Mecanismo de hidrólise do ATP
- Introdução à respiração celular
- Revisão sobre oxidação e redução do ponto de vista biológico
- Oxidação e redução na respiração celular
- Introdução à respiração celular e redox
- Introdução à respiração celular
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Introdução à respiração celular e redox
Introdução à redox na respiração celular. Nível de substrato versus fosforilação oxidativa. Transportadores de elétrons.
Introdução
Vamos imaginar que você é uma célula. Você acabou de receber uma molécula grande e suculenta de glicose e quer converter uma parte da energia dessa molécula de glicose em uma forma mais utilizável, uma que você possa usar para acionar suas reações metabólicas. Como você pode fazer isso? Qual é a melhor forma para tirar o máximo de energia possível dessa molécula de glicose e de captar sua energia de maneira prática?
Felizmente, as nossas células – e as de outros organismos vivos – são excelentes em extrair energia da glicose e de outras moléculas orgânicas, como gorduras e aminoácidos.
Aqui, iremos ter uma visão geral de como as células quebram seus combustíveis e, posteriormente, examinaremos algumas das reações de transferência de elétrons (reações redox), essenciais para este processo.
Visão geral das vias de quebra de combustível
As reações que extraem energia de moléculas como a glicose são chamadas de reações catabólicas. Isto significa que elas envolvem a quebra uma molécula maior em pedaços menores. Por exemplo, quando a glicose é quebrada na presença de oxigênio, ela é convertida em seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água. A reação geral deste processo pode ser escrita da seguinte forma:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text delta, G, equals, minus, 686, start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text
Em uma célula, esta reação geral é realizada em várias etapas menores. A energia contida nas ligações da glicose é liberada em pequenos pacotes, e parte dela é armarzenada na forma de adenosina trifosfato (ATP), uma pequena molécula que fornece energia às reações celulares. Grande parte da energia da glicose é dissipada como calor, mas o suficiente é armazenado para manter o metabolismo celular em funcionamento.
Quando uma molécula de glicose é gradualmente quebrada, algumas das etapas de quebra liberam energia que é capturada diretamente como ATP. Nessas etapas, um grupo fosfato é transferido de uma via intermediária diretamente para ADP, um processo conhecido como fosforilação a nível de substrato.
Muitas outras etapas, no entanto, produzem ATP de forma indireta. Nessas etapas, os elétrons da glicose são transferidos para pequenas moléculas conhecidas como carreadoras de elétrons. As carreadoras de elétrons levem os elétrons para um grupo de proteínas na membrana interna da mitocôndria, a cadeia de transporte de elétrons. Quando os elétrons se movem pela cadeia de transporte de elétrons, eles vão de um nível de energia superior para um inferior e, finalmente, são passados ao oxigênio (formando água).
Conforme o elétron passa pela cadeia de transporte de elétrons, ele libera energia que é usada para bombear prótons (start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript) para fora da matriz da mitocôndria, formando um gradiente eletroquímico. Quando os start text, H, end text, start superscript, plus, end superscript retornam a favor do gradiente de concentração, eles passam por uma enzima chamada ATP sintase, dirigindo a síntese de ATP. Esse processo é conhecido como fosforilação oxidativa. O diagrama abaixo mostra exemplos de fosforilação oxidativa e fosforilação a nível de substrato.
Quando combustíveis orgânicos como a glicose são quebrados usando uma cadeia de transporte de elétrons, o processo de quebra é conhecido como respiração celular.
Carreadores de elétrons
Carreadores de elétrons, também chamados de transportadores de elétrons, são pequenas moléculas orgânicas que desempenham um papel fundamental na respiração celular. O nome é uma boa descrição do seu trabalho: eles pegam os elétrons de uma molécula e os levam até outra. Você pode ver um carreador de elétrons transportando elétrons das reações de degradação de glicose para a cadeia de transporte de elétrons no diagrama acima.
Existem dois tipos de transportadores de elétrons que são particularmente importantes na respiração celular: NADstart superscript, plus, end superscript (nicotinamida adenina dinucleótido, mostrado abaixo) e FAD (flavina adenina dinucleótido).
Quando os NADstart superscript, plus, end superscript e FAD captam elétrons, eles também ganham um ou mais átomos de hidrogênio, mudando para uma forma ligeiramente diferente:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text plus start text, space, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript
E quando eles perdem elétrons, eles voltam para sua forma original:
start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end textstart text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text right arrow start text, start color #6495ed, N, A, D, end color #6495ed, end text, start superscript, plus, end superscript plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus start text, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, start color #9d38bd, H, end color #9d38bd, end text, start subscript, start color #9d38bd, 2, end color #9d38bd, end subscript right arrow start text, start color #28ae7b, F, A, D, end color #28ae7b, end text plus 2, start text, e, end text, start superscript, minus, end superscript plus 2, start text, start color #9d38bd, space, H, end color #9d38bd, end text, start superscript, plus, end superscript
As reações nas quais NADstart superscript, plus, end superscript e FAD ganham ou perdem elétrons são exemplos de uma classe de reações chamadas de reações redox. Vamos examinar o que são essas reações e por que elas são tão importantes na respiração celular.
Reações redox: O que são elas?
A respiração celular envolve muitas reações nas quais elétrons são passados de uma molécula a outra. Reações envolvendo transferências de elétrons são conhecidas como reações de oxidação-redução (ou reações redox).
Você deve ter aprendido em química que uma reação redox é quando uma molécula perde elétrons e é oxidada, enquanto uma outra molécula ganha elétrons (aqueles perdidos pela primeira molécula) e é reduzida. Mnemônico útil: "LEO vira GER": Libera Elétrons, Oxidação; Ganha Elétrons, Redução.
A formação do cloreto de magnésio é um exemplo de uma reação redox que segue muito bem a nossa definição acima:
Nesta reação, o átomo de magnésio perde dois elétrons, portando é oxidado. Estes dois elétrons são aceitos pelo cloro, que é reduzido.
No entanto, como Sal comenta em seu vídeo sobre oxidação e redução na biologia, nós realmente deveríamos colocar aspas em "ganha elétrons" e "perde elétrons" em nossa descrição do que acontece às moléculas numa reação redox. Isso porque também podemos ter uma reação na qual uma molécula puxa elétrons, em vez de ganhá-los totalmente, ou os tem puxados de si em vez de perdê-los totalmente.
O que queremos dizer com isso? Para ilustrar, vamos usar o exemplo do vídeo de Sal:
2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript plus start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 2start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text plus start text, c, a, l, o, r, end text
Essa reação não envolve uma transferência de elétrons óbvia, mas ainda assim é um exemplo de reação redox. Isso se deve à quantidade de densidade eletrônica nos átomos start text, H, end text e start text, O, end text, que difere entre os produtos e reagentes.
Essa verdade não é óbvia, então vamos decompô-la usando as propriedades dos átomos. Quando os átomos start text, H, end text são ligados um ao outro em start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, eles compartilham elétrons igualmente: nenhum dos dois pode ganhar o cabo-de-guerra pelos elétrons. O mesmo é verdade para os átomos start text, O, end text ligados um ao outro em start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript. Todavia, a situação é diferente no produto start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text. O oxigênio é muito mais eletronegativo, ou "faminto por elétrons". que o hidrogênio, portanto, numa ligação start text, O, end text, minus, start text, H, end text numa molécula de água, os elétrons serão puxados pelo átomo start text, O, end text e gastarão mais tempo próximos a ele que ao start text, H, end text.
Então, mesmo que nenhum elétron tenha sido totalmente ganho ou perdido na reação acima:
- start text, O, end text tem mais eletrodensidade após a reação do que tinha antes (foi reduzido)
- start text, H, end text tem menos eletrodensidade do que tinha antes (foi oxidado).
Para vocês, aficionados por química, essa mudança no acúmulo de elétrons durante a reação pode ser mais precisamente descrita como mudança nos estados de oxidação dos átomos de start text, O, end text e start text, H, end text. Dê uma olhada no Vídeo do Sal para ver como os estados de oxidação podem ser usados como "ferramentas de escrituração" para representar mudanças no compartilhamento de elétrons.
E quanto ao ganho e perda de átomos de start text, H, end text e start text, O, end text?
As reações de oxidação e redução dizem respeito fundamentalmente à transferência e/ou acúmulo de elétrons. No entanto, no contexto da biologia, há um pequeno truque que podemos usar com frequência para descobrir para onde os elétrons estão indo. Este truque nos permite usar o ganho ou a perda de átomos de start text, H, end text e start text, O, end text como indicador para a transferência de elétrons.
Geralmente:
- Se uma molécula contendo carbono ganha átomos de start text, H, end text ou perde átomos de start text, O, end text durante uma reação, é provável que ela tenha sido reduzida (ganhou elétrons ou eletrodensidade)
- Por outro lado, se uma molécula contendo carbono perde átomos de start text, H, end text ou ganha átomos de start text, O, end text, ela provavelmente foi oxidada (perdeu elétrons ou eletrodensidade)
Por exemplo, voltemos à reação de quebra da glicose:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text
Na glicose, o carbono está associado com átomos start text, H, end text, enquanto no dióxido de carbono, ele não está associado a nenhum start text, H, end text. Assim, poderíamos predizer que a glicose está oxidada nessa reação. Da mesma forma, os átomos start text, O, end text em start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript acabam sendo associados a mais start text, H, end texts após a reação do que antes, então nós poderíamos predizer que o oxigênio está reduzido. (Sal confirma isso sob uma perspectiva de transferência de elétrons em seu vídeo sobre reações redox na respiração.)
Por que esse truque funciona? Aqui está uma maneira de pensar sobre isso: a partir do vídeo do Sal sobre oxidação e redução na biologia:
- Os átomos aos quais o start text, H, end text é usualmente ligado em moléculas orgânicas, como start text, C, comma, space, O, comma, space, N, comma, end text and start text, P, end text, comma são mais eletronegativos que o próprio start text, H, end text. Então, se um átomo start text, H, end text e seu elétron se juntarem a uma molécula, as chances são de que, independentemente do que tenha sido ligado ao novo start text, H, end text, ele monopolizará o elétron e se reduzirá.
- O start text, O, end text é mais eletronegativo do que qualquer um dos demais átomos principais comumente encontrados nas moléculas biológicas. Se ele se juntar a uma molécula, é provável que puxe a densidade de elétrons de tudo o que estiver ligado a ela, oxidando-a.
Qual a importância das reações redox?
Agora que temos uma melhor noção de o que é uma reação redox, vamos pensar um momento no porquê. Por que uma célula se dá ao trabalho de arrancar elétrons da glicose, transferindo-os para carreadores de elétrons e passando-os por uma cadeia de transporte de elétrons (ou cadeia respiratória) em uma longa série de reações redox?
A resposta básica é: para obter energia fora da molécula de glicose! Aqui está a reação de degradação da glicose que vimos no início do artigo:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text Δ, G, equals, minus, 686, start text, k, c, a, l, slash, m, o, l, end text
Podemos reescrevê-la mais claramente como:
start text, C, end text, start subscript, 6, end subscript, start text, H, end text, start subscript, 12, end subscript, start text, O, end text, start subscript, 6, end subscript + 6, start text, O, end text, start subscript, 2, end subscript right arrow 6, start text, C, O, end text, start subscript, 2, end subscript + 6, start text, H, end text, start subscript, 2, end subscript, start text, O, end text + start text, e, n, e, r, g, i, a, !, end text
Como Sal explica em seu vídeo sobre reações redox na respiração, os elétrons estão num nível mais alto de energia quando estão associados a átomos menos eletronegativos (como start text, C, end text ou start text, H, end text) e num nível de energia mais baixo quando associados a um átomo mais eletronegativo (como start text, O, end text). Assim, numa reação como a quebra da glicose (acima), a energia é liberada porque os elétrons então se movendo para um nível inferior de energia, mais "confortável", à medida que viajam da glicose ao oxigênio.
A energia que é liberada conforme os elétrons se movem a um estado inferior de energia pode ser capturada e usada para realizar trabalho. Na respiração celular, elétrons da glicose se movem gradualmente através da cadeia de transporte de elétrons até o oxigênio, passando por estados mais e mais baixos de energia e liberando-a em cada etapa. O objetivo da respiração celular é capturar esta energia na forma de ATP.
Nos próximos artigos e vídeos acompanharemos a respiração celular passo a passo, vendo como a energia liberada em transferências redox é capturada como ATP.
Quer participar da conversa?
Resumindo: as reações redox (ou oxidativas) são reações responsáveis por tirar elétrons de moléculas de ATP (com a ajuda do oxigênio) para assim, gerar nessas quebras, energia ?(1 voto)
São reações químicas nas quais ocorre transferencia de elétrons entre moléculas. Nessa reações, a molécula que doa eletróns, oxida, e é chamada de agente redutor. Já a molécula que recebe os elétrons, reduz, e é chamada de agente oxidante. Na maioria das reações metabolicas de transferencia de elétrons, os agentes redutores e oxidantes são as coenzimas NAD+, NADP+ e FAD.(6 votos)