Unidade VII- RESPIRAÇÃO

Unidade VII- RESPIRAÇÃO

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1 – INTRODUÇÃO

A respiração aeróbica é comum em todos os organismos eucariotos, sendo que a respiração nas plantas apresenta algumas diferenças em relação à respiração de animais. A respiração é um processo biológico no qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e subseqüentemente oxidados de maneira controlada. Durante a respiração, energia livre é liberada e parte é incorporada em forma de ATP, uma fonte de energia que pode ser prontamente utilizada na manutenção e no crescimento da planta.

A equação geral que define a respiração é inversa à utilizada para descrever a fotossíntese:

C6H12O6+ 6 O2 →→→→ 6 CO2 + 6 H2O

Neste caso, glucose é oxidada até CO2 e O2 é reduzido para água. Parte da energia livre, liberada por esta reação, é utilizada para síntese de ATP, a função primária da respiração.

Além disso, muitos intermediários envolvidos nas reações da respiração são utilizados como fontes de carbono para a síntese de muitos outros compostos de planta (por exemplo, aminoácidos).

É importante destacar, que a energia proveniente da oxidação de glucose não é liberada de uma única vez. Para evitar danos na estrutura da célula, a energia resultante da oxidação de glicose, é liberada passo a passo, mediante uma série de reações em seqüência. Estas reações podem ser divididas em três fases: a Glicólise, o Ciclo do Ácido Tricarboxílico (Ciclo de Krebs) e a Cadeia de Transporte de Elétrons.

2 – A RESPIRAÇÃO CELULAR a) Os Substratos da Respiração

Embora a glucose seja geralmente citada como o substrato da respiração, o carbono, na realidade, é derivado de diversas fontes: polímeros de glucose (amido), sacarose, polímeros contendo frutose (frutanas) e outros açúcares, lipídios (trialcilgliceróis), ácidos orgânicos e, ocasionalmente proteínas (a degradação das macromoléculas será estudada na Unidade XIII, Dormência e Germinação).

O tipo de substrato que está sendo respirado pode ser indicado, medindo-se as quantidades relativas de CO2 liberado e O2 consumido. Isto permite calcular o quociente respiratório (QR), que é dado pela seguinte fórmula:

QR = Moles de CO2 liberado Moles de O2 consumido

O valor do QR é função do estado de oxidação do substrato. Note que, quando carboidrato está sendo respirado (ver equação geral da respiração) o valor teórico de QR é igual a um (6 CO2/6 O2). Experimentalmente, os valores obtidos variam de 0,97 a 1,17. Como os lipídios e proteínas se apresentam em um estado mais reduzido que os carboidratos, mais

O2 é requerido para sua completa oxidação e os valores de QR ficam em torno de 0,7. Por outro lado, os ácidos orgânicos, como citrato e malato, são mais oxidados que os carboidratos, e os valores de QR ficam em torno de 1,3. Veja os exemplos abaixo:

Frutose ou Glucose – C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2OQR = 1,0
Ácido Palmítico - C16H32O2 + 23O2 → 16CO2 + 16H2OQR = 0,69
Ácido Málico - C4H6O5 + 3O2 → 4CO2 + 3H2OQR = 1,3

Embora o valor do QR seja útil em alguns casos, deve-se ter cuidado quando da sua interpretação. Por exemplo, é possível que mais de um substrato esteja sendo respirado ao mesmo tempo e, neste caso, o QR representa um valor médio. Além disso, quando a célula está realizando a fermentação nenhum O2 é consumido e o valor do QR torna-se bastante elevado.

consumo de proteínas

Finalmente, é importante destacar que os principais substratos da respiração são os carboidratos. Assim, valor de QR em torno de 1,0 parece ser o mais comum. Valores de QR menores que 1,0 podem indicar deficiência de carboidratos (fome), sendo associados ao b) Glicólise

A glicólise ocorre em todos os organismos vivos e, evolucionariamente, é o mais velho dos três estágios da respiração. As enzimas que catalisam as reações da glicólise estão localizadas no citosol, e em plantas, também nos plastídios, e nenhum oxigênio é requerido para converter glicose a piruvato. Isso sugere que a glicólise deve ter sido, provavelmente, o processo fornecedor de energia nas células primitivas, que realizavam a respiração anaeróbica, antes do aparecimento do O2 na atmosfera e da fotossíntese. Na glicólise (glico = açúcar; lise = quebra), uma molécula de glicose (um açúcar de 6 carbonos) é quebrada e produz duas moléculas de açúcares de três carbonos (trioses). Estas trioses são, então, oxidadas e re-arranjadas para produzir duas moléculas de piruvato.

Os carboidratos estocados na forma de amido, frutanas ou sacarose devem ser, portanto, hidrolisadas para liberar os monossacarídeos (glucose e frutose).

A degradação do amido pode ocorrer através de duas vias: uma hidrolítica e outra fosforolítica (Figura 1). Na degradação Hidrolítica, o amido é degradado liberando glucose, mediante a ação de quatro enzimas: α-amilase, β-amilase, Enzima desramificadora e a α-1,4- glucosidase. Na via Fosforolítica o amido é degradado liberando glicose 1-fosfato, pela ação da enzima fosforilase do amido (Figura 1).

É importante destacar que o amido é estocado e degradado dentro dos plastídios, porém, a etapa inicial da respiração, ou seja, a glicólise, ocorre no citosol. Assim, o produto da degradação do amido deve atravessar a membrana do plastídio, por meio de carreadores específicos, para ter acesso à maquinaria respiratória. A glucose, produto da degradação hidrolítica, pode deixar o plastídio através de um transportador de hexoses. A glucose-1- fosfato, o produto da via fosforolítica, é primeiro convertido para triose-fosfato (gliceraldeído- 3-fosfato), a qual deixa o plastídio através de um transportador que troca uma triose-fosfato (para o citosol) por um fosfato inorgânico (entra no plastídio)

A sacarose, outro importante substrato para a respiração vegetal, é degradada por ação de duas enzimas: sintase da sacarose e a invertase (invertase alcalina e a invertase ácida). A sintase da sacarose e a invertase alcalina são localizadas principalmente no citosol, enquanto a invertase ácida é encontrada associada às paredes celulares e aos vacúolos (locais em que o pH fica próximo de 5,0). As equações catalisadas são:

Sintase da Sacarose -Sacarose + UDP ⇐⇒ Frutose + UDP-Glucose
Invertase -Sacarose + H2O ⇐⇒ Frutose + Glucose

A importância destas enzimas depende do local onde a sacarose está sendo metabolizada. Algumas evidências indicam que a sintase da sacarose é a principal enzima que degrada sacarose em órgãos que estocam amido (semente em desenvolvimento, tubérculos) e em tecidos em rápido crescimento, os quais precisam utilizar a sacarose translocada no processo de respiração (produção de energia e de esqueletos de carbono). No entanto, quando o descarregamento do floema ocorre via apoplasto, a invertase ácida presente na parede celular pode converter a sacarose em hexoses (frutose e glicose) antes que elas entrem na célula. No caso de células maduras, a invertase citosólica pode ter importância na degradação de sacarose, fornecendo glicose e frutose para a respiração.

Na via glicolítica, os monossacarídeos gerados são primeiramente convertidos para

Frutose-1,6-bisfosfato, com gasto de energia na forma de ATP (Figura 1). Em geral, são consumidos 2 ATP/molécula de hexose (glucose ou frutose), que entra nesta etapa da glicólise (Figura 1, reações 1 ou 3 e 4). No entanto, apenas um ATP é requerido quando o amido é degradado pela via fosforolítica. Isto ocorre porque o produto da via fosforolítica é glicose-1- fosfato.

Figura 1 – Primeira etapa da glicólise, produzindo Frutose-1,6-bisfosfato. Enzimas: (1) hexoquinase, (2) isomerase da hexosefosfato, (3) frutoquinase e (4) fosfofrutoquinase (Hopkins, 2000).

OBS: Células de plantas possuem uma Fosfofrutoquinase dependente de pirofosfato, que, ao contrário da Fosfofrutoquinase dependente de ATP, permite que a reação 4 (Figura 1)

Starch Starch (Phosphorolytic) (Hidrolytic)

FructoseGlucose

Fructose-1,6 BP

Glucose-6-P Fructose-6-P

Starch

Glucose-1-P ATP

ADP 1

(gluconeogênese)

seja reversível. Isto pode ser importante na conversão de lipídios em glucose

Na etapa seguinte da glicólise, a frutose-1,6-bisfosfato é inicialmente clivada e produz duas moléculas de três carbonos, Dihidroxiacetona-fosfato e Gliceraldeído-3-fosfato (Figura 2). A molécula de dihidroxicetona-fosfato é prontamente convertida para gliceraldeído-3- fosfato e vice-versa. Isto indica que uma molécula de frutose-1,6-bisfosfato (6 C) poderá produzir duas moléculas de piruvato (3C), considerando que as moléculas de dihidroxicetonafosfato são convertidas para gliceraldeído-3-fosfato, que continuam no ciclo.

Uma importante função da glicólise é a produção de energia, que pode ocorrer de duas maneiras. A primeira é a formação de poder redutor na forma de NADH. Na reação 3 (Figura 2), duas moléculas de NADH são produzidas quando gliceraldeído-3-P é oxidado para 1,3- bisfosfoglicerato. Esta oxidação parcial não requer O2 e também não resulta na liberação de

CO2. O NADH gerado pode ser usado como poder redutor para a síntese de outras moléculas (principalmente na fermentação) ou, na presença de oxigênio, pode ser metabolizado na mitocôndria para produzir ATP (respiração aeróbica).

Figura 2 – A segunda etapa da glicólise, convertendo Frutose-1,6-bisfosfato em piruvato. Enzimas: (1) aldolase, (2) isomerase da triosefosfato, (3) desidrogenase do gliceraldeído-3-fosfato, (4) Quinase do fosfoglicerato, (5) mutase do fosfoglicerato, (6) enolase e (7) quinase do piruvato (Hopkins, 2000).

P= phosphategroup=PO3H-

Dihydroxyacetone - P Glyceraldehyde – 3 – P 1,3 - Biphosphoglycerate

Fructose -1,6 - bisphosphate

ATP 3 -Phosphoglycerate

3 -Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate

Pi NAD-

P= phosphategroup=PO3H-P= phosphategroup= PO3H-

Dihydroxyacetone - P Glyceraldehyde – 3 – P 1,3 - Biphosphoglycerate

Fructose -1,6 - bisphosphate

ATP 3 -Phosphoglycerate

3 -Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate

A energia contida nas moléculas de hexoses é também conservada na forma de ATP, nas reações 4 e 7 (Figura 2). A formação de ATP ocorre em um tipo de reação referida como FOSFORILAÇÃO AO NÍVEL DO SUBSTRATO, por que envolve a transferência direta de um grupo fosfato da molécula substrato para o ADP. Os compostos 1,3-bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato armazenam energia livre suficiente para gerar uma molécula de ATP. Em geral, para cada molécula de hexose que entra na glicólise, 4 ATP são formados (dois para cada triose). Como na fase inicial da glicólise ocorre o gasto de 2 ATP, o SALDO é de 2 ATP para cada molécula de hexose convertida para duas moléculas de piruvato. Este saldo poderá ser de 3 ATP se o amido for degradado pela via fosforolítica, visto que, o gasto inicial neste caso é de apenas 1 ATP.

OBS: No final da glicólise, em adição à Quinase do Piruvato, as plantas apresentam duas vias alternativas para o metabolismo do fosfoenolpiruvato (PEP):

Carboxilase do PEPDesidrogenase

PEP + CO2 →→→→→→ Pi + Oxaloacetato →→→→→ Malato (vai para a mitocôndria)

OBS 1: Estas reações são chamadas de Anapleróticas ou de Suplementação (ver item g) OBS 2: Pi (fosfato inorgânico)

Fosfatase do PEP

PEP + H2O →→→→→ Piruvato + Pi (a enzima se localiza nos vacúolos e sua atividade aumenta sob condições de deficiência de fósforo)

O destino do piruvato formado na glicólise depende das condições em que as células ou o organismo estão crescendo. Sob condições aeróbicas, o piruvato passa do citosol para a mitocôndria onde é completamente oxidado até CO2 e H2O (Figura 3).

Figura 3 – O destino do piruvato produzido pela glicólise. Enzimas: (1) descarboxilase do piruvato, (2) desidrogenase alcoólica, (3) desidrogenase do lactato (Hopkins, 2000).

É importante destacar que embora as plantas superiores sejam organismos aeróbicos obrigatórios, seus tecidos ou órgãos podem, ocasionalmente, estar sujeitos a condições anaeróbicas. Situações típicas ocorrem quando as suas raízes estão submetidas a condições de

Aerobic Anaerobic - FermentacionAerobic Anaerobic - Fermentacion solo alagado com água, no início do processo germinativo de sementes grandes, na mobilização e sob condições de estresse hídrico e salino. Nestes casos, ocorre uma mudança no metabolismo e o processo respiratório predominante é a fermentação (Figura 3). Nas plantas predomina a fermentação alcoólica, em que as enzimas descarboxilase do piruvato e desidrogenase alcoólica convertem o piruvato em etanol e CO2 e o NADH (produzido na

Na fermentação láctica (comum em

reação 3 da Figura 2) é oxidado, regenerando o NAD+ animais e também presente nas plantas), a enzima desidrogenase do lactato usa o NADH para reduzir piruvato a lactato, regenerando o NAD+ . Acredita-se que o etanol é um produto menos tóxico do que o lactato, pois o acúmulo deste último promove acidificação do citosol.

OBS: Note que as reações da fermentação (láctica ou alcoólica) regeneram o NAD+ .

c) Ciclo do Ácido Tricarboxílico (Krebs)

A quebra de uma molécula de glicose produzindo duas moléculas de piruvato libera menos de 25% da energia total da glicose. A energia restante permanece estocada nas duas moléculas de piruvato. Os dois próximos estágios da respiração (ciclo de Krebs e CTE) que completam a oxidação da glucose ocorrem em uma organela circundada por uma dupla membrana, a mitocôndria.

As mitocôndrias possuem duas membranas: uma externa (sem invaginação) e outra interna que se apresenta completamente invaginada, formando as conhecidas cristas mitocondriais (Figura 4). A fase aquosa contida dentro da membrana interna é conhecida como matriz e a região entre as duas membranas é conhecida como espaço intermembranar. Estes compartimentos possuem composições diferentes, o que se deve aos diferentes graus de permeabilidade das membranas externa e interna. A membrana externa permite a passagem de íons e moléculas com tamanho abaixo de 10.0 Da. A membrana interna restringe a entrada de íons e pequenas moléculas e possui carreadores específicos que promovem a troca de íons e de moléculas entre a matriz mitocondrial e o espaço intermembranar.

Figura 4 – Um diagrama mostrando os diferentes compartimentos da mitocôndria (Taiz & Zeiger, 1998).

Para que o piruvato formado na glicólise (citosol) seja utilizado na respiração aeróbica é necessário, portanto, que ele seja transportado para a matriz mitocondrial. Isto ocorre através de um translocador localizado na membrana interna da mitocôndria, o qual catalisa uma troca eletroneutra de piruvato por OH- . Na matriz mitocondrial, o piruvato é oxidativamente descarboxilado pela enzima desidrogenase do piruvato e produz NADH, CO2 e acetil-CoA. O acetil-CoA é combinado com um ácido de 4 carbonos (Oxaloacetato), reação catalisada pela sintase do citrato, produzindo um ácido tricarboxílico de 6 carbonos (ácido cítrico). Esta reação inicia a série de reações conhecida como ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico ou ciclo de Krebs (Figura 5). Este ciclo de reações representa o segundo estágio da respiração e ocorre na matriz mitocondrial.

Figura 5 – As reações do ciclo do ácido cítrico (Taiz & Zeiger, 1998)

O ciclo de Krebs mostrado anteriormente apresenta algumas diferenças entre a respiração dos vegetais e a dos animais. Por exemplo, na etapa em que o composto Succinil- CoA é convertido para Succinato, ocorre produção de ATP em plantas (Figura 5), enquanto que nos animais ocorre inicialmente a produção de GTP.

Outra feição característica do ciclo de Krebs de plantas é a atividade da enzima málica dependente de NAD+ . A atividade desta enzima permite a completa oxidação de ácidos orgânicos, na ausência do substrato normal do ciclo, o piruvato. Por exemplo, o fosfoenolpiruvato no citosol pode ser convertido para oxaloacetato e fosfato inorgânico (Pi) por ação da carboxilase do PEP. Ainda no citosol, a desidrogenase do malato converte oxaloacetato em malato, consumindo NADH (As reações mostradas abaixo são chamadas de Reações Anapleróticas). O malato é transportado para a matriz mitocondrial através de um translocador de dicarboxilatos, na membrana interna da mitocôndria. Na mitocôndria, por ação da enzima málica dependente de NAD+ (presente nas plantas), o malato é convertido para piruvato, o qual pode ser oxidado no ciclo de Krebs (ver reações abaixo).

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