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 ?

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.

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Curso: Biblioteca de Biologia > Unidade 12

Lição 1: Introdução à respiração celular

Introdução à respiração celular e redox

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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:

$C_{6} H_{12} O_{6}$ ‍ + $6 O_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $6 {CO}_{2}$ ‍ + $6 H_{2} O$ ‍ $Δ G = - 686 kcal/mol$ ‍

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 (

H^{+}

) para fora da matriz da mitocôndria, formando um gradiente eletroquímico. Quando os

H^{+}

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.

_Imagem adaptada de "Etc4" de Fvasconcellos (domínio público)._

Não exatamente! Isso é um diagrama simplificado que foi desenhado para nos ajudar a perceber como a fosforilação oxidativa funciona. Numa mitocôndria de verdade, a matriz seria um espaço bem maior que o mostrado aqui e a membrana mitocondrial interna que a rodeia conteria muitas sobras e túneis. Essas dobras e túneis aumentam sua área de superfície, assim ela pode abrigar muitas cópias das enzimas (como a ATP sintase e as proteínas da cadeia respiratória) que estão envolvidas na colheita de energia.

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: NAD $^{+}$ ‍ (nicotinamida adenina dinucleótido, mostrado abaixo) e FAD (flavina adenina dinucleótido).

Quando os NAD

^{+}

e FAD captam elétrons, eles também ganham um ou mais átomos de hidrogênio, mudando para uma forma ligeiramente diferente:

${NAD}^{+}$ ‍ $+$ ‍ $2 e^{-}$ ‍ $+$ ‍ $2 H^{+}$ ‍ $\to$ ‍ $NAD$ ‍ $H$ ‍ $+$ ‍ $H^{+}$ ‍

$FAD$ ‍ $+$ ‍ $2 e^{-}$ ‍ $+$ ‍ $2 H^{+}$ ‍ $\to$ ‍ ${FAD H}_{2}$ ‍

E quando eles perdem elétrons, eles voltam para sua forma original:

$NAD$ ‍ $H$ ‍ $\to$ ‍ ${NAD}^{+}$ ‍ $+$ ‍ $2 e^{-}$ ‍ $+$ ‍ $H^{+}$ ‍

${FAD H}_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $FAD$ ‍ $+$ ‍ $2 e^{-}$ ‍ $+$ ‍ $2 H^{+}$ ‍

As reações nas quais NAD

^{+}

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:

$Mg + {Cl}_{2} \to {Mg}^{2 +} + 2 {Cl}^{-}$ ‍

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:

$2$ ‍ $H_{2}$ ‍ $+$ ‍ $O_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $2$ ‍ $H_{2} O$ ‍ $+$ ‍ $calor$ ‍

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

H

O

, que difere entre os produtos e reagentes.

Essa verdade não é óbvia, então vamos decompô-la usando as propriedades dos átomos. Quando os átomos

H

são ligados um ao outro em

H_{2}

, eles compartilham elétrons igualmente: nenhum dos dois pode ganhar o cabo-de-guerra pelos elétrons. O mesmo é verdade para os átomos

O

ligados um ao outro em

O_{2}

. Todavia, a situação é diferente no produto

H_{2} O

. O oxigênio é muito mais eletronegativo, ou "faminto por elétrons". que o hidrogênio, portanto, numa ligação

O - H

numa molécula de água, os elétrons serão puxados pelo átomo

O

e gastarão mais tempo próximos a ele que ao

H

Então, mesmo que nenhum elétron tenha sido totalmente ganho ou perdido na reação acima:

$O$ ‍ tem mais eletrodensidade após a reação do que tinha antes (foi reduzido)
$H$ ‍ 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

O

H

. 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 $H$ ‍ e $O$ ‍?

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

H

O

como indicador para a transferência de elétrons.

Geralmente:

Se uma molécula contendo carbono ganha átomos de $H$ ‍ ou perde átomos de $O$ ‍ 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 $H$ ‍ ou ganha átomos de $O$ ‍, ela provavelmente foi oxidada (perdeu elétrons ou eletrodensidade)

Por exemplo, voltemos à reação de quebra da glicose:

$C_{6} H_{12} O_{6}$ ‍ + $6 O_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $6 {CO}_{2}$ ‍ + $6 H_{2} O$ ‍

Na glicose, o carbono está associado com átomos

H

, enquanto no dióxido de carbono, ele não está associado a nenhum

H

. Assim, poderíamos predizer que a glicose está oxidada nessa reação. Da mesma forma, os átomos

O

O_{2}

acabam sendo associados a mais

H

s 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 $H$ ‍ é usualmente ligado em moléculas orgânicas, como $C, O, N,$ ‍ and $P,$ ‍ são mais eletronegativos que o próprio $H$ ‍. Então, se um átomo $H$ ‍ e seu elétron se juntarem a uma molécula, as chances são de que, independentemente do que tenha sido ligado ao novo $H$ ‍, ele monopolizará o elétron e se reduzirá.
O $O$ ‍ 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:

$C_{6} H_{12} O_{6}$ ‍ + $6 O_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $6 {CO}_{2}$ ‍ + $6 H_{2} O$ ‍ $Δ G = - 686 kcal/mol$ ‍

Podemos reescrevê-la mais claramente como:

$C_{6} H_{12} O_{6}$ ‍ + $6 O_{2}$ ‍ $\to$ ‍ $6 {CO}_{2}$ ‍ + $6 H_{2} O$ ‍ + $energia!$ ‍

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

C

H

) e num nível de energia mais baixo quando associados a um átomo mais eletronegativo (como

O

). 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.

Imagem modificada de Carbohydrate metabolism: Figure 1 by OpenStax College, Anatomy & Physiology, CC BY 3.0

Boa pergunta! Não, o processo não é tão direto. Este diagrama está apenas ilustrando o conceito, não o mecanismo.

O que realmente acontece? A energia liberada em transferências de elétrons na cadeia de transporte de elétrons é capturada como um gradiente de prótons (discutido no começo do artigo), e o gradiente de prótons provê energia para a conversão de ADP a ATP por uma enzima chamada ATP sintase.

Em outras palavras, a energia não se torna ATP. (É bastante difícil transformar energia em matéria fora da relatividade especial!) Ao invés disso, parte da energia liberada é usada para unir um fosfato inorgânico a um ADP para fazer ATP. A energia é armazenada na recém-formada ligação presente no ATP, ausente no ADP.

Nos próximos artigos e vídeos acompanharemos a respiração celular passo a passo, vendo como a energia liberada em transferências redox é capturada como ATP.

Créditos:

Este artigo foi adaptado de “Energy in living systems,” de OpenStax College, Biology (CC BY 3.0). Baixe o artigo original de graça em http://cnx.org/contents/185cbf87-c72e-48f5-b51e-f14f21b5eabd@9,85:34/Energy-in-Living-Systems.

O artigo adaptado está autorizado sob a licença CC BY-NC-SA 4.0

Referências:

Reece, J. B., Urry, L. A., Cain, M. L., Wasserman, S. A., Minorsky, P. V., and Jackson, R. B. (2011). Cellular respiration and fermentation. In Campbell biology (10th ed., pp. 162-184). San Francisco, CA: Pearson.

Outras referências

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Berg, J.M., Tymoczko, J.L., and Stryer, L. (2002). Metabolic pathways contain many recurring motifs. In Biochemistry (5th ed., section 14,3). New York, NY: W. H. Freeman. Disponível em: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22398/.

Berg, J.M., Tymoczko, J.L., and Stryer, L. (2002). Oxidative phosphorylation depends on electron transfer. In Biochemistry (5th ed., section 18,2). New York, NY: W. H. Freeman. Disponível em: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK22352/.

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Gute, B. (2008). Chapter 5: oxidation-reduction reactions. In General chemistry I. Disponível em: http://www.d.umn.edu/~bgute2/chem1151/lecture/exams/Redox_StudyGuide.pdf.

Gutierrez, R. (2011). Bio41 Week 6 — Biochemistry Lectures 7-9. Biosci 41, Stanford.

Kimball, J. W. (2000, February 1). Redox potentials. In Kimball’s biology pages. Disponível em: http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/R/RedoxPotentials.html.

McMichael, Kirk. (2001). Oxidation and reduction of carbonyl groups. In Chemistry 240. Disponível em: http://chemistry2.csudh.edu/rpendarvis/OxRed.html.

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Redox. (n.d.). In Weak interactions: screen science explained. Disponível em: https://weakinteractions.wordpress.com/primers/redox/.

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BARBARA AZEVEDO
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- Gabriella Leal
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