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Dopamina: o que é, para que serve – Função

A dopamina tem várias funções. A dopamina é um neurotransmissor que funciona no cérebro. Sempre que você quer aprender alguma, a dopamina sempre age de alguma forma. Ela é um dos impulsionadores centrais de todo o trabalho do cérebro. Sem dopamina, você seria bastante diferente de um ser humano, já que é a principal força por trás da maioria de nossas ações e relacionamentos interpessoais. Veja alguns dos papéis que a dopamina desempenha em seu estilo de vida, aqui está uma lista de nove maneiras diferentes que esse tipo de neurotransmissor afeta sua vida.

Funções da dopamina

Funções da dopamina – o que é dopamina?

A dopamina é uma molécula que o nosso corpo produz naturalmente, é a substância que está por trás dos nossos sonhos e maiores segredos. Dopamina significa luxúria, amor, infidelidade, motivação, atenção, feminilidade, aprendizado e vício.

A dopamina é como um mensageiro químico no cérebro, que é tecnicamente conhecido como um neurotransmissor e é responsável pelo envio de sinais do sistema nervoso central. É o que permite que informações sejam passadas de um neurônio para outro.

Os efeitos da dopamina no cérebro dependem de alguns fatores diferentes e são influenciados pelos outros tipos de neurônios com os quais ela é combinada. Os cientistas pensavam originalmente que esta substância estava relacionada com o prazer real, o prazer que experimentamos. No entanto, recentemente argumentou-se que a dopamina está mais relacionada ao prazer antecipatório e à motivação.

1. Funções da dopamina e movimento

A estrutura principal do seu cérebro que controla todos os tipos de movimentos corporais são os gânglios basais ( como os gânglios basais funcionam? ). Para que seus gânglios basais funcionem com eficiência máxima, ele depende da secreção de uma quantidade específica de dopamina dos neurônios vizinhos. Quando a dopamina não chega aos gânglios da base, os movimentos voluntários podem se tornar atrasados ​​ou descoordenados, o que é comum na  doença de Parkinson . No entanto, se os gânglios da base recebem demasiada dopamina, fará com que o corpo faça movimentos desnecessários, especificamente tiques repetitivos que são um sintoma comum da síndrome de Gilles de la Tourette.

2. Funções de dopamina e memória

No córtex pré-frontal, a parte principal do cérebro associada ao pensamento mais ordenado, as secreções de dopamina ajudam a melhorar sua memória de trabalho. Os níveis de dopamina aqui são extremamente delicados, por isso mesmo pequenos aumentos ou diminuições em relação à quantidade normal podem fazer com que sua memória sofra.

Como a dopamina afeta sua memória, ela também afeta seus processos de aprendizado e como você retém informações. Quando a dopamina está presente durante um evento ou experiência, nós nos lembraremos dela; no entanto, se estiver ausente, geralmente não nos lembraremos de nada. A dopamina está ligada ao seu centro de recompensas, por isso, se você não se interessar por atividades específicas ou aprender certos assuntos, os níveis de dopamina diminuirão em seu córtex pré-frontal. Se isso acontecer, seu cérebro não sentirá a motivação para lembrar os fatos apresentados a você.

Funções da memória de dopamina

Funções da memória de dopamina

Isso é útil notar principalmente para professores que podem se perguntar por que seus alunos não retêm informações da classe, embora tenham recebido explicações detalhadas. A fim de aumentar a motivação de um aluno (e, portanto, aumentar seus níveis de dopamina), um acrônimo para ajudar é o NER . Você tem que apresentar seu conteúdo de uma maneira que seja N ew,  E xciting e Rewarding. Novas – novas maneiras de ensinar, novas tecnologias, novos livros didáticos. Emocionante – tarefas aventureiras, hands-on, resolução de problemas. Recompensa – reforço, dando prêmios, elogios e outras formas de aumentar a auto-estima do aluno.

3.Funções de dopamina e atenção

A dopamina permite que você mantenha o foco e preste atenção. Ele funciona respondendo à visão (os nervos ópticos), o que faz com que você direcione sua atenção para qualquer tarefa ou atividade específica. Este neurotransmissor pode ser responsável pelo conteúdo que permanece na sua memória de curto prazo, uma parte do córtex pré-frontal associada à atenção imediata. Quando a concentração de dopamina é muito baixa aqui, isso pode levar ao Transtorno de Déficit de Atenção (ADD)

4. Funções de dopamina e prazer e compreensão recompensas

funções da dopamina

A dopamina é a substância química central do cérebro que regula o modo como você percebe e experimenta o prazer. Durante momentos ou situações prazerosas, esse neurotransmissor é liberado, o que faz com que uma pessoa procure uma atividade desejável repetidas vezes. Comer (especialmente alimentos com altos níveis de açúcar) e ter relações sexuais são estimulantes da liberação de dopamina no cérebro. Esta é a razão pela qual essas atividades são geralmente agradáveis ​​e por que as pessoas continuamente se engajam nelas.

5. Funções da dopamina e processamento de dor

Junto com experiências emocionantes, a dopamina também é liberada quando você encontra estímulos indesejados ou aversivos, como quando você recebe um corte de papel ou você entra em um confuso argumento com seu melhor amigo.

6. Funções de dopamina e humor

Como a dopamina é a substância química que promove sentimentos de prazer, ela nos deixa ansiosos para aproveitar a vida e várias atividades. Às vezes chamada de “A Molécula da Felicidade”, a dopamina tende a ser a explicação científica para por que podemos ser felizes ou ter satisfação. Uma nova pesquisa sugere que este mensageiro químico pode desempenhar um papel na depressão, juntamente com os outros neurotransmissores serotonina e norepinefrina.

7. Funções de dopamina e dependências

Para a maioria das drogas causadoras de dependência, elas funcionam direcionando os neurotransmissores de dopamina no cérebro. Drogas como cocaína e anfetaminas inibem a recaptação de dopamina em cada sinapse disponível. O que isto significa é que, geralmente, uma sinapse é composta de um neurônio que está liberando um neurotransmissor específico e outro neurônio que está recebendo o referido neurotransmissor com uma lacuna entre os dois, chamada de fenda sináptica.

Há um episódio da temporada 3 de Bill Nye, “Save the World”, chamado The Addiction Episode, onde ele explica como a dopamina desempenha um papel no vício e por que isso está relacionado ao nosso sistema de prazer, incluindo por que existe resistência às drogas e por que nós desejamos mais e mais. Vá para o Netflix e assista!

Os neurônios se comunicam entre si por diferentes meios, e um deles envolve o processo de recaptura. A recaptação refere-se ao que acontece depois que o neurotransmissor é liberado do primeiro neurônio. Para reciclar o neurotransmissor, o primeiro neurônio absorverá o que foi liberado após a conclusão do trabalho do neurotransmissor e, em seguida, o reutilizará quando necessário. A reabsorção também controla a quantidade do referido neurotransmissor disponível para o uso do cérebro, de modo que uma quantidade excessiva não esteja presente.

Uma nova pesquisa da Universidade do Buffalo Research Institute on Addictions identificou um mecanismo-chave em como o exercício aeróbico pode ajudar a impactar o cérebro como tratamento de apoio e até mesmo estratégias de prevenção para o vício.

“O trabalho atual é analisar se o exercício físico pode normalizar as funções de sinalização dopaminérgica que foram alteradas pelo uso crônico de drogas, pois isso pode fornecer um suporte importante para como o exercício poderia servir como uma estratégia de tratamento para o abuso de substâncias” – Panayotis (Peter) Thanos

funções da dopamina

Então, como a cocaína e as anfetaminas inibem a re-captação da dopamina, elas estão impedindo os neurônios de reabsorverem a dopamina usada, de modo que ela permaneça presente no cérebro por longos períodos de tempo. Esta dopamina extra faz com que a pessoa experimente sentimentos intensos de prazer e vício em querer mais da droga.

8. Funções da dopamina e comportamento e cognição

A dopamina liberada no lobo frontal do cérebro regula o fluxo de informações recebidas de outras áreas do cérebro. Se houver distúrbios nessa região, então as funções neuro cognitivas podem diminuir, como as habilidades de resolução de problemas.

9. Funções de dopamina e sono

Níveis aumentados de dopamina no cérebro estão associados a sentimentos aumentados de vigília . Normalmente, seu cérebro secreta mais dopamina durante o dia, para que você possa ficar acordado e sentir-se energizado. No entanto, quando a noite chega, os níveis de dopamina diminuem, e a melatonina química é secretada para que você se sinta sonolento durante as horas escuras. É por isso que os pacientes com doença de Parkinson tendem a sentir sonolência crônica – porque eles estão sempre com falta de liberação de dopamina. Pacientes que sofrem de psicose ou esquizofrenia têm uma quantidade excessivamente alta de dopamina em seus cérebros, então eles geralmente tomam medicamentos antipsicóticos, porque diminuem seus níveis de dopamina e permitem que eles se sintam calmos, tranquilos e sonolentos.

10. Funções da dopamina e motivação

Muitos estudos estabelecem que este neurotransmissor não apenas nos recompensa, mas na verdade age antes disso. A dopamina é liberada para alcançar algo bom e evitar o mal. A falta de dopamina é característica em distúrbios onde há pouca ou nenhuma motivação ou anedonia.

11. Funções da dopamina e criatividade

Estudos sugerem uma relação entre o centro dopaminérgico e a criatividade. Receptores de dopamina estão ligados ao processo de pensamento divergente. Pessoas criativas, assim como pessoas esquizofrênicas, têm mais densidade desses receptores no tálamo. Isso significa que ele intervém na cognição e no raciocínio e mais informações fluirão pelo cérebro. É por isso que pessoas criativas tendem a resolver problemas fazendo associações estranhas porque têm conexões mais incomuns no cérebro.

12. Funções de dopamina e personalidade

Um dos traços de personalidade que mais nos define é o nosso nível de extroversão. A extroversão tem dois componentes principais: interação social e impulsividade. Esta característica é altamente dependente da dopamina. Vários estudos mostram que pessoas impulsivas ativam circuitos de dopamina mais rápido que outros. No entanto, essas pessoas têm mais risco de desenvolver comportamentos impulsivos perigosos .

O que acontece se eu tiver muita ou pouca dopamina?

Algumas doenças ou problemas são causados ​​por falta ou excesso de dopamina.

Quando temos muito pouca dopamina,  tendemos a nos sentir entediados, desmotivados ou deprimidos. Também é possível experimentar anedonia, o que dificulta a sensação e o prazer. Alguns problemas comuns que são caracterizados por baixos níveis de dopamina são  depressão, fobia social, TDAH  e  doença de Parkinson,  e é por isso que a medicação geralmente prescrita para esses problemas aumenta a quantidade de dopamina no cérebro. Esses medicamentos ajudam a aumentar a dopamina em pequenas doses, pois ela pode se tornar viciante.

Esses distúrbios (exceto o mal de Parkinson) não são causados ​​pela falta de dopamina, mas por uma diminuição da procura ativa por estímulos agradáveis ​​e pouca motivação. Isso está relacionado a uma diminuição na produção de dopamina. No entanto, o mal de Parkinson provoca a degeneração das áreas que produzem dopamina, que é chamada de  substantia nigra.

Altos níveis de dopamina  estão associados a transtornos mentais como  esquizofrenia e transtorno bipolar. Medicamentos para tratar esses distúrbios geralmente prescrevem inibidores de dopamina, o que faz com que a dopamina demore mais para ir de neurônio para neurônio.

Como a dopamina desempenha um papel no vício?

O vício implica um intenso desejo por algo, perda de controle de seu uso, e continuar a usá-lo apesar das conseqüências negativas que ele implica. O vício muda a estrutura do cérebro e modifica como o cérebro registra o prazer.

A exposição repetitiva a substâncias ou comportamentos que causam dependência causa células nervosas no núcleo accumbens e o córtex pré-frontal (a parte do cérebro usada no planejamento e na tomada de decisões) se comunica entre si. Isso nos faz associar gostar de algo e querer, fazendo-nos ir atrás dele. Este é o processo que nos motiva a procurar a causa do prazer.

Esse mecanismo foi originalmente benéfico para os seres humanos, pois ajudou nossos ancestrais a relacionarem o prazer a substâncias essenciais que precisavam viver, como comida e sexo.

O acúmulo de dopamina no cérebro faz com que ele continue a criar novos receptores de dopamina. Com o tempo, o cérebro se adapta e a dopamina deixa de ter o mesmo efeito que fazia originalmente, o que nos leva a procurar mais daquilo que desejamos. Esse efeito é chamado de  tolerância. 

Vícios sem substância

Estes são chamados transtornos de controle de impulsos e são o tipo de vícios comportamentais. São vícios de comportamentos, como compras compulsivas, vício em tecnologia, trabalho, sexo, jogos de azar. Esses distúrbios têm muitas semelhanças com o abuso de substâncias.

Assim como nos vícios de substâncias, quando nos sentimos mal, tensos ou ansiosos, nosso comportamento elimina esses sentimentos negativos e busca o prazer. Portanto, você terá mais chances de repetir esse comportamento. No entanto, os níveis de dopamina produzidos pelo comportamento são altos, mas normais. Eles não são artificialmente criados, como com drogas.

Não cria dependência física e não é tão prejudicial ao cérebro.

Então, a dopamina pode levar ao vício?

Apesar da má reputação da dopamina, porque ela está ligada aos vícios, a dopamina, por si só, não pode levar a um vício .

Por exemplo, seria difícil se tornar viciado em curiosidade. Assim como quando estamos curiosos sobre algo, o cérebro libera muita dopamina. Mas o corpo pode eliminá-lo a uma taxa constante, mantendo um equilíbrio. Depende também muito das características de cada pessoa e de como elas podem controlar os impulsos.

A dopamina serve para manter a motivação e promover a aprendizagem. Também nos permite apaixonar, ficar excitados e curtir quando vemos um belo pôr do sol, ou quando vemos o carro que ambos queremos. Os pequenos prazeres são controlados pela dopamina e quem quer desistir deles? A dopamina não é ruim, mas como em tudo, é necessário um equilíbrio. Nós simplesmente não podemos ficar todo o caminho até o topo da dopamina, porque isso acabaria gerando um vício. No entanto, a dopamina sozinha não causa dependência. Eles são comportamentos compulsivos que procuram o pico de dopamina que leva a um vício.

Nós simplesmente não podemos produzir grandes quantidades de dopamina e ficar lá porque acabamos gerando um vício. No entanto, a dopamina sozinha não causa dependência. Eles são comportamentos compulsivos que procuram o pico de dopamina que leva a um vício.

Funções do neurônio dopamina-cocaína

Funções do neurônio dopamina-cocaína

É a felicidade que sentimos real ou falsa?

Quando o cérebro libera dopamina em resposta a estímulos naturais, a felicidade que sentimos é real. Em contraste, quando é o produto de uma ativação por uma droga, é uma “felicidade” artificial. A dopamina é a que mais se relaciona com a sensação de prazer e a motivação para buscar esse prazer. A serotonina é considerada o hormônio do prazer e do humor. E as endorfinas são aquelas que aumentam nossa sensação de bem-estar, melhoram o humor e produzimos felicidade.

A dopamina é a que mais se relaciona com a sensação de prazer e a motivação para buscar esse prazer. A serotonina é considerada o hormônio do prazer e do humor. E as endorfinas são aquelas que aumentam nossa sensação de bem-estar e melhoram nosso humor.

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Ciclo de Calvin Benson: o que é, como ocorre, função – Resumo

Depois que a energia do sol é convertida e empacotada em ATP e NADPH, a célula tem o combustível necessário para construir alimentos na forma de moléculas de carboidratos. As moléculas de carboidratos produzidas terão uma espinha dorsal de átomos de carbono. De onde vem o carbono? Os átomos de carbono usados ​​para construir moléculas de carboidratos vêm do dióxido de carbono, o gás que os animais exalam a cada respiração.

ciclo de Calvin é o termo usado para as reações da fotossíntese que usam a energia armazenada pelas reações dependentes de luz para formar glicose e outras moléculas de carboidratos.

Como ocorre o Ciclo de Calvin

Nas plantas, o dióxido de carbono (CO 2 ) entra no cloroplasto através dos estômatos e se difunde no estroma do cloroplasto – o local das reações do ciclo de Calvin, onde o açúcar é sintetizado. As reações são nomeadas em homenagem ao cientista que as descobriu, e referenciam o fato de que as reações funcionam como um ciclo. Outros o chamam de ciclo de Calvin-Benson para incluir o nome de outro cientista envolvido em sua descoberta ( Figura ).

Esta ilustração mostra que o ATP e o NADPH produzidos nas reações de luz são usados ​​no ciclo de Calvin para produzir açúcar.
Reações dependentes de luz aproveitam a energia do sol para produzir ATP e NADPH. Essas moléculas transportadoras de energia viajam para o estroma onde ocorrem as reações do ciclo de Calvin.

As reações do ciclo de Calvin ( Figura ) podem ser organizadas em três estágios básicos: fixação, redução e regeneração. No estroma, além do CO 2 , duas outras substâncias químicas estão presentes para iniciar o ciclo de Calvin: uma enzima abreviada RuBisCO e a molécula ribulose bisfosfato (RuBP). RuBP tem cinco átomos de carbono e um grupo fosfato em cada extremidade.

RuBisCO catalisa uma reação entre CO 2 e RuBP, que forma um composto de seis carbonos que é imediatamente convertido em dois compostos de três carbonos. Esse processo é chamado de fixação de carbono , porque o CO 2 é “fixado” de sua forma inorgânica em moléculas orgânicas.

ATP e NADPH usam sua energia armazenada para converter o composto de três carbonos, 3-PGA, em outro composto de três carbonos chamado G3P. Esse tipo de reação é chamado de reação de redução, porque envolve o ganho de elétrons. Uma redução é o ganho de um elétron por um átomo ou molécula.

As moléculas de ADP e NAD + , resultantes da reação de redução, retornam às reações dependentes de luz para serem re-energizadas.

Uma das moléculas de G3P deixa o ciclo de Calvin para contribuir para a formação da molécula de carboidrato, que é comumente glicose (C 6 H 12 O 6 ). Como a molécula de carboidrato tem seis átomos de carbono, são necessárias seis voltas do ciclo de Calvin para formar uma molécula de carboidrato (uma para cada molécula de dióxido de carbono fixada). As moléculas restantes do G3P ​​regeneram o RuBP, o que permite que o sistema se prepare para a etapa de fixação de carbono. O ATP também é usado na regeneração do RuBP.

Esta ilustração mostra um ciclo circular com três etapas. Três moléculas de dióxido de carbono entram no ciclo. No primeiro estágio, a enzima RuBisCO incorpora o dióxido de carbono em uma molécula orgânica. Seis moléculas de ATP são convertidas em seis moléculas de ADP. No segundo estágio, a molécula orgânica é reduzida. Seis moléculas de NADPH são convertidas em seis íons NADP + e um íon de hidrogênio. Açúcar é produzido. No estágio três, o RuBP é regenerado e três moléculas de ATP são convertidas em três moléculas de ADP. RuBP então inicia o ciclo novamente.
O ciclo de Calvin tem três etapas. No estágio 1, a enzima RuBisCO incorpora dióxido de carbono em uma molécula orgânica. No estágio 2, a molécula orgânica é reduzida. No estágio 3, o RuBP, a molécula que inicia o ciclo, é regenerado para que o ciclo possa continuar.

Em resumo, são necessárias seis voltas do ciclo de Calvin para fixar seis átomos de carbono do CO 2 . Estas seis voltas requerem entrada de energia de 12 moléculas de ATP e 12 moléculas de NADPH no passo de redução e 6 moléculas de ATP no passo de regeneração.

EVOLUÇÃO EM AÇÃO

FotossínteseA história evolutiva compartilhada de todos os organismos fotossintéticos é notável, pois o processo básico mudou pouco ao longo do tempo. Mesmo entre as gigantescas folhas tropicais na floresta tropical e as minúsculas cianobactérias, o processo e os componentes da fotossíntese que usam a água como doador de elétrons permanecem praticamente os mesmos.

Os fotossistemas funcionam para absorver a luz e usam cadeias de transporte de elétrons para converter energia. As reações do ciclo de Calvin montam moléculas de carboidratos com essa energia.

No entanto, como em todas as vias bioquímicas, uma variedade de condições leva a adaptações variadas que afetam o padrão básico. A fotossíntese em plantas de clima seco ( Figura ) evoluiu com adaptações que conservam a água.

No calor seco, cada gota de água e energia preciosa deve ser usada para sobreviver. Duas adaptações evoluíram em tais plantas. Em uma forma, um uso mais eficiente do CO 2 permite que as plantas fotossintetizem mesmo quando o CO 2está em falta, como quando os estômatos estão fechados em dias quentes.

A outra adaptação realiza reações preliminares do ciclo de Calvin à noite, porque a abertura dos estômatos neste momento conserva a água devido a temperaturas mais baixas. Além disso, essa adaptação permitiu que as plantas realizassem baixos níveis de fotossíntese sem abrir estômatos, um mecanismo extremo para enfrentar períodos extremamente secos.

Esta foto mostra um cacto.
Viver nas duras condições do deserto levou plantas como este cacto a evoluir variações nas reações fora do ciclo de Calvin. Essas variações aumentam a eficiência e ajudam a economizar água e energia. (crédito: Piotr Wojtkowski)

Fotossíntese em procariontes

As duas partes da fotossíntese – as reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin – foram descritas, como ocorrem nos cloroplastos. No entanto, os procariontes, como as cianobactérias, não possuem organelas ligadas à membrana.

Os organismos autotróficos fotossintéticos procarióticos possuem um enrolamento da membrana plasmática para fixação de clorofila e fotossíntese ( Figura ). É aqui que organismos como as cianobactérias podem realizar a fotossíntese.

Esta ilustração mostra uma fita verde, representando uma membrana dobrada, com muitas dobras empilhadas em cima de outra, como uma corda ou uma mangueira. A foto mostra uma micrografia eletrônica de uma membrana tilacóide clivada com dobras semelhantes de um organismo unicelular
Um procariota fotossintético possui regiões de membrana plasmática que funcionam como tilacóides. Embora estes não estejam contidos em uma organela, como um cloroplasto, todos os componentes necessários estão presentes para realizar a fotossíntese. (crédito: dados da barra de escala de Matt Russell).
Veja também:

O ciclo da energia

As coisas vivas acessam a energia quebrando as moléculas de carboidratos. No entanto, se as plantas produzem moléculas de carboidratos, por que precisariam quebrá-las? Os carboidratos são moléculas de armazenamento de energia em todos os seres vivos.

Embora a energia possa ser armazenada em moléculas como o ATP, os carboidratos são reservatórios muito mais estáveis ​​e eficientes para a energia química. Os organismos fotossintéticos também realizam as reações de respiração para coletar a energia armazenada nos carboidratos, por exemplo, as plantas possuem mitocôndrias além dos cloroplastos.

Você deve ter notado que a reação geral da fotossíntese:

6CO2+6H2OC6H12O6+6O26CO2+6H2O→C6H12O6+6O2

é o contrário da reação geral da respiração celular:

6O2+C6H12O66CO2+6H2O6O2+C6H12O6→6CO2+6H2O

A fotossíntese produz oxigênio como um subproduto, e a respiração produz dióxido de carbono como um subproduto.

Na natureza, não existe desperdício. Cada átomo de matéria é conservado, reciclando indefinidamente. Substâncias mudam de forma ou se movem de um tipo de molécula para outro, mas nunca desaparecem ( Figura ).

O CO 2 não é mais uma forma de resíduo produzido pela respiração do que o oxigênio é um produto residual da fotossíntese. Ambos são subprodutos de reações que se movem para outras reações. A fotossíntese absorve energia para produzir carboidratos nos cloroplastos e a respiração celular aeróbica libera energia usando oxigênio para decompor os carboidratos.

Ambas as organelas usam cadeias de transporte de elétrons para gerar a energia necessária para impulsionar outras reações. A fotossíntese e a respiração celular funcionam em um ciclo biológico, permitindo que os organismos acessem a energia que sustenta a vida e se origina a milhões de quilômetros de distância em uma estrela.

Esta fotografia mostra um girafa que come as folhas de uma árvore. Os rótulos indicam que a girafa consome oxigênio e libera dióxido de carbono, enquanto a árvore consome dióxido de carbono e libera oxigênio.
No ciclo do carbono, as reações da fotossíntese e da respiração celular compartilham reagentes e produtos recíprocos. (crédito: modificação do trabalho de Stuart Bassil)

Resumo da seção

Usando os vectores de energia formadas na primeira fase da fotossíntese, as reacções do ciclo de Calvin fixar CO 2 a partir do ambiente para construir moléculas de hidratos de carbono. Uma enzima, RuBisCO, catalisa a reação de fixação, combinando CO 2com RuBP.

O composto de seis carbonos resultante é decomposto em dois compostos de três carbonos, e a energia em ATP e NADPH é usada para converter essas moléculas em G3P. Uma das moléculas de três carbonos do G3P ​​deixa o ciclo para se tornar parte de uma molécula de carboidrato.

As moléculas restantes de G3P permanecem no ciclo a ser formado de volta em RuBP, que está pronto para reagir com mais CO 2. A fotossíntese forma um ciclo energético equilibrado com o processo de respiração celular. As plantas são capazes tanto de fotossíntese quanto de respiração celular, já que contêm cloroplastos e mitocôndrias.

Glossário

Ciclo de Calvin
as reações da fotossíntese que usam a energia armazenada pelas reações dependentes de luz para formar glicose e outras moléculas de carboidrato
fixação de carbono
o processo de converter gás de CO 2 inorgânico em compostos orgânicos
Referências
https://www.researchgate.net/publication/275225052_Benson-Bassham-Calvin_cycle_contribution_to_the_organic_life_on_our_planet
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A importância da luz para o seres vivos

Como a luz pode ser usada para fazer comida? É fácil pensar na luz como algo que existe e permite que organismos vivos, como seres humanos, vejam, mas a luz é uma forma de energia. Como toda energia, a luz pode viajar, mudar de forma e ser aproveitada para fazer o trabalho. No caso da fotossíntese, a energia da luz é transformada em energia química, que os autotróficos usam para construir moléculas de carboidratos. No entanto, os autotróficos usam apenas um componente específico da luz solar ( Figura ).

Uma foto mostra a silhueta de uma planta gramínea contra o sol ao pôr do sol.
Os autótrofos captam a energia da luz do sol, convertendo-a em energia química usada para construir moléculas de alimento. (crédito: modificação do trabalho por Gerry Atwell, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA)

O que é energia luminosa?

O sol emite uma enorme quantidade de radiação eletromagnética (energia solar). Os seres humanos podem ver apenas uma fração dessa energia, que é chamada de “luz visível”. A maneira pela qual a energia solar viaja pode ser descrita e medida como ondas.

Os cientistas podem determinar a quantidade de energia de uma onda medindo seu comprimento de onda , a distância entre dois pontos consecutivos semelhantes em uma série de ondas, como de crista a crista ou vale a vale ( Figura ).

Esta ilustração mostra duas ondas. A distância entre as cristas (mostrada como a parte mais alta, em contraste com a calha na parte inferior) é o comprimento de onda.
O comprimento de onda de uma única onda é a distância entre dois pontos consecutivos ao longo da onda.

A luz visível constitui apenas um dos muitos tipos de radiação eletromagnética emitida pelo sol. O espectro eletromagnético é o alcance de todos os possíveis comprimentos de onda de radiação ( Figura ). Cada comprimento de onda corresponde a uma quantidade diferente de energia transportada.

Esta ilustração lista os tipos de radiação eletromagnética em ordem decrescente de comprimento de onda. Estes são raios gama, raios-X, ultravioleta, visível, infravermelho e rádio
O sol emite energia na forma de radiação eletromagnética. Essa radiação existe em diferentes comprimentos de onda, cada qual com sua própria energia característica. A luz visível é um tipo de energia emitida pelo sol.

Cada tipo de radiação eletromagnética tem uma gama característica de comprimentos de onda. Quanto mais longo for o comprimento de onda (ou quanto mais alongado ele aparecer), menos energia será transportada.

Ondas curtas e apertadas carregam mais energia. Isso pode parecer ilógico, mas pense nisso em termos de um pedaço de corda em movimento. É preciso pouco esforço de uma pessoa para mover uma corda em ondas longas e largas. Para fazer uma corda se mover em ondas curtas e apertadas, uma pessoa precisaria aplicar significativamente mais energia.

O sol emite ( Figura ) uma ampla faixa de radiação eletromagnética, incluindo raios X e raios ultravioleta (UV). As ondas de alta energia são perigosas para as coisas vivas; por exemplo, os raios X e os raios UV podem ser prejudiciais aos seres humanos.

Veja também:

Absorção de Luz

A energia da luz entra no processo de fotossíntese quando os pigmentos absorvem a luz. Nas plantas, as moléculas de pigmento absorvem apenas a luz visível para a fotossíntese. A luz visível vista pelos humanos como luz branca realmente existe em um arco-íris de cores.

Certos objetos, como um prisma ou uma gota de água, dispersam a luz branca para revelar essas cores ao olho humano. A porção de luz visível do espectro eletromagnético é percebida pelo olho humano como um arco-íris de cores, com violeta e azul tendo comprimentos de onda mais curtos e, portanto, maior energia. No outro extremo do espectro em direção ao vermelho, os comprimentos de onda são mais longos e têm menor energia.

Noções básicas sobre pigmentos

Diferentes tipos de pigmentos existem, e cada um absorve apenas certos comprimentos de onda (cores) da luz visível. Os pigmentos refletem a cor dos comprimentos de onda que eles não conseguem absorver.

Todos os organismos fotossintéticos contêm um pigmento chamado clorofila a , que os humanos vêem como a cor verde comum associada às plantas. A clorofila a absorve os comprimentos de onda de qualquer das extremidades do espectro visível (azul e vermelho), mas não do verde. Porque o verde é refletido, a clorofila parece verde.

Outros tipos de pigmentos incluem clorofila b (que absorve a luz azul e vermelho-laranja) e os carotenóides. Cada tipo de pigmento pode ser identificado pelo padrão específico de comprimentos de onda que ele absorve da luz visível, que é seu espectro de absorção .

Muitos organismos fotossintéticos possuem uma mistura de pigmentos; entre eles, o organismo pode absorver energia de uma faixa mais ampla de comprimentos de onda da luz visível. Nem todos os organismos fotossintéticos têm acesso total à luz solar.

Alguns organismos crescem debaixo d’água, onde a intensidade da luz diminui com a profundidade, e certos comprimentos de onda são absorvidos pela água. Outros organismos crescem em competição pela luz. Plantas no chão da floresta tropical devem ser capazes de absorver qualquer pedacinho de luz, porque as árvores mais altas bloqueiam a maior parte da luz do sol ( Figura ).

Esta foto mostra o mato em uma floresta.
As plantas que comumente crescem na sombra se beneficiam de ter uma variedade de pigmentos que absorvem luz. Cada pigmento pode absorver diferentes comprimentos de onda de luz, o que permite que a planta absorva qualquer luz que passe através das árvores mais altas. (crédito: Jason Hollinger)

Como funcionam as reações dependentes da luz

O objetivo geral das reações dependentes da luz é converter a energia da luz em energia química. Essa energia química será usada pelo ciclo de Calvin para abastecer a montagem de moléculas de açúcar.

As reações dependentes de luz começam em um agrupamento de moléculas de pigmento e proteínas chamado de fotossistema . Existem fotossistemas nas membranas dos tilacóides. Uma molécula de pigmento no fotossistema absorve um fóton , uma quantidade ou “pacote” de energia luminosa, de cada vez.

Um fóton de energia luminosa viaja até atingir uma molécula de clorofila. O fóton faz com que um elétron na clorofila se torne “excitado”. A energia dada ao elétron permite que ele se liberte de um átomo da molécula de clorofila. Portanto, diz-se que a clorofila “doa” um elétron ( Figura ).

Para substituir o elétron na clorofila, uma molécula de água é dividida. Essa divisão libera um elétron e resulta na formação de oxigênio (O 2 ) e íons hidrogênio (H + ) no espaço tilacoide. Tecnicamente, cada quebra de uma molécula de água libera um par de elétrons e, portanto, pode substituir dois elétrons doados.

Esta ilustração mostra o fotossistema II, que possui um complexo de coleta de luz ao redor do centro de reação. Moléculas de clorofila são encontradas no complexo de coleta de luz. No centro de reação, um elétron excitado é passado para o aceptor primário de elétrons. Uma molécula de água é dividida, liberando um oxigênio, dois prótons e um elétron. O elétron substitui o doado ao principal aceptor de elétrons.
A energia luminosa é absorvida por uma molécula de clorofila e é passada por um caminho para outras moléculas de clorofila. A energia culmina em uma molécula de clorofila encontrada no centro de reação. A energia “excita” um de seus elétrons o suficiente para deixar a molécula e ser transferida para um aceptor de elétrons primários próximo. Uma molécula de água se divide para liberar um elétron, que é necessário para substituir o doado. O oxigênio e os íons de hidrogênio também são formados pela divisão da água.

A substituição do elétron permite que a clorofila responda a outro fóton. As moléculas de oxigênio produzidas como subprodutos encontram seu caminho para o ambiente circundante. Os íons de hidrogênio desempenham papéis críticos no restante das reações dependentes de luz.

Tenha em mente que o propósito das reações dependentes de luz é converter energia solar em transportadores químicos que serão usados ​​no ciclo de Calvin. Em eucariotos e alguns procariotos, existem dois fotossistemas. O primeiro é chamado de fotossistema II, que foi nomeado para a ordem de sua descoberta e não para a ordem da função.

Depois que o fóton é atingido, o fotossistema II transfere o elétron livre para o primeiro de uma série de proteínas dentro da membrana dos tilacoides chamada de cadeia de transporte de elétrons. À medida que o elétron passa ao longo dessas proteínas, a energia do elétron abastece as bombas de membrana que movem ativamente os íons de hidrogênio contra seu gradiente de concentração do estroma para o espaço dos tilacoides.

Isso é bastante análogo ao processo que ocorre na mitocôndria no qual uma cadeia de transporte de elétrons bombeia íons de hidrogênio do estroma mitocondrial através da membrana interna e no espaço intermembranar, criando um gradiente eletroquímico. Depois que a energia é usada, o elétron é aceito por uma molécula de pigmento no próximo fotossistema, que é chamado de fotossistema I ( Figura ).

Esta ilustração mostra os componentes envolvidos nas reações de luz. O fotossistema II usa a luz para excitar um elétron, que é passado para a cadeia de transporte de elétrons do cloroplasto. O elétron é então passado para o fotossistema I e para a NADP + redutase, que faz o NADPH. Este processo forma um gradiente eletroquímico que é usado pela enzima ATP sintase para produzir ATP.
Do fotossistema II, o elétron viaja ao longo de uma série de proteínas. Este sistema de transporte de elétrons usa a energia do elétron para bombear íons de hidrogênio para o interior do tilacoide. Uma molécula de pigmento no fotossistema eu aceito o elétron.

Gerando um transportador de energia: ATP

Nas reações dependentes de luz, a energia absorvida pela luz solar é armazenada por dois tipos de moléculas transportadoras de energia: ATP e NADPH. A energia que essas moléculas carregam é armazenada em uma ligação que contém um único átomo para a molécula.

Para o ATP, é um átomo de fosfato e, para o NADPH, é um átomo de hidrogênio. Lembre-se de que o NADH era uma molécula semelhante que transportava energia na mitocôndria do ciclo do ácido cítrico para a cadeia de transporte de elétrons. Quando essas moléculas liberam energia no ciclo de Calvin, cada uma delas perde os átomos para se tornarem as moléculas ADP e NADP + de menor energia .

O acúmulo de íons de hidrogênio no espaço tilacoide forma um gradiente eletroquímico devido à diferença na concentração de prótons (H + ) e a diferença na carga através da membrana que eles criam. Esta energia potencial é colhida e armazenada como energia química em ATP através de quimiosmose, o movimento de íons de hidrogênio abaixo do seu gradiente eletroquímico através da enzima transmembrana ATP sintase, assim como na mitocôndria.

Os íons de hidrogênio podem passar através da membrana tilacóide através de um complexo proteico incorporado chamado ATP sintase. Esta mesma proteína gerou o ATP do ADP na mitocôndria. A energia gerada pela corrente de íon hidrogênio permite que a ATP sintase ligue um terceiro fosfato ao ADP, que forma uma molécula de ATP em um processo chamado fotofosforilação.

O fluxo de íons de hidrogênio através da ATP sintase é chamado quimiosmose, porque os íons se movem de uma área de alta para baixa concentração através de uma estrutura semipermeável.

Gerando outro transportador de energia: NADPH

A função remanescente da reação dependente da luz é gerar a outra molécula portadora de energia, NADPH. À medida que o elétron da cadeia de transporte de elétrons chega ao fotossistema I, ele é re-energizado com outro fóton capturado pela clorofila.

A energia deste elétron conduz a formação de NADPH de NADP + e um íon de hidrogênio (H + ). Agora que a energia solar é armazenada em portadores de energia, ela pode ser usada para fazer uma molécula de açúcar.

Resumo da seção

Na primeira parte da fotossíntese, a reação dependente de luz, as moléculas de pigmento absorvem energia da luz solar. O pigmento mais comum e abundante é a clorofila a . Um fóton atinge o fotossistema II para iniciar a fotossíntese.

A energia viaja através da cadeia de transporte de elétrons, que bombeia íons de hidrogênio no espaço tilacoide. Isso forma um gradiente eletroquímico. Os íons fluem através da ATP sintase do espaço dos tilacóides para o estroma em um processo chamado quimiosmose para formar moléculas de ATP, que são usadas para a formação de moléculas de açúcar no segundo estágio da fotossíntese.

O fotossistema I absorve um segundo fóton, que resulta na formação de uma molécula NADPH, outra portadora de energia para as reações do ciclo de Calvin.

Referências:

Glossário

espectro de absorção
o padrão específico de absorção de uma substância que absorve radiação eletromagnética
clorofila a
a forma de clorofila que absorve luz azul-violeta e vermelha
clorofila b
a forma de clorofila que absorve luz azul e vermelho-laranja
espectro eletromagnético
o alcance de todas as freqüências possíveis de radiação
fóton
uma quantidade distinta ou “pacote” de energia luminosa
fotossistema
um grupo de proteínas, clorofila e outros pigmentos que são usados ​​nas reações de fotossíntese dependentes de luz para absorver a energia da luz e convertê-la em energia química
Comprimento de onda
a distância entre pontos consecutivos de uma onda
Categorias
Bioquímica

Fotossíntese: o que é, como ocorre, processo, equação – Resumo

Todos os organismos vivos da Terra consistem em uma ou mais células. Cada célula funciona com a energia química encontrada principalmente em moléculas de carboidratos (alimentos), e a maioria dessas moléculas é produzida por um processo: a fotossíntese. Através da fotossíntese, certos organismos convertem energia solar (luz solar) em energia química, que é então usada para construir moléculas de carboidratos.

A energia usada para manter essas moléculas juntas é liberada quando um organismo quebra os alimentos. As células então usam essa energia para realizar o trabalho, como a respiração celular.

A energia que é aproveitada da fotossíntese entra nos ecossistemas do nosso planeta continuamente e é transferida de um organismo para outro. Portanto, direta ou indiretamente, o processo de fotossíntese fornece a maior parte da energia necessária para as coisas vivas na Terra.

A fotossíntese também resulta na liberação de oxigênio na atmosfera. Em suma, para comer e respirar, os seres humanos dependem quase inteiramente dos organismos que realizam a fotossíntese.

Dependência Solar e Produção de Alimentos

Alguns organismos podem realizar a fotossíntese, enquanto outros não podem. Um autotrófico é um organismo que pode produzir sua própria comida. As raízes gregas da palavra autotrof significa “eu” ( auto ) “alimentador” ( troph ).

As plantas são os autotróficos mais conhecidos, mas existem outros, incluindo certos tipos de bactérias e algas ( Figura ). As algas oceânicas contribuem com enormes quantidades de alimento e oxigênio para as cadeias alimentares globais.

As plantas também são fotoautotróficas , um tipo de autótrofo que usa a luz do sol e o carbono do dióxido de carbono para sintetizar energia química na forma de carboidratos. Todos os organismos que realizam a fotossíntese requerem luz solar.

A foto mostra uma folha de samambaia verde. A foto b mostra um píer projetando-se em um grande corpo de água parada; a água perto do cais é colorida de verde com algas visíveis. A foto c é uma micrografia de cianobactérias.
(a) Plantas, (b) algas, e (c) certas bactérias, chamadas cianobactérias, são fotoautotróficas que podem realizar a fotossíntese. As algas podem crescer sobre enormes áreas na água, às vezes cobrindo completamente a superfície. (crédito a: Steve Hillebrand, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA; crédito b: “eutroficação e hipóxia” / Flickr; crédito c: NASA; dados de barra de escala de Matt Russell)

Os heterotróficos são organismos incapazes de fotossíntese, que devem, portanto, obter energia e carbono dos alimentos consumindo outros organismos. As raízes gregas da palavra heterotroph significa “outro” ( hetero ) “alimentador” ( troph), significando que sua comida vem de outros organismos.

Mesmo que o organismo alimentar seja outro animal, esse alimento tem suas origens nos autótrofos e no processo de fotossíntese. Os humanos são heterotróficos, assim como todos os animais. Os heterotróficos dependem dos autotróficos, direta ou indiretamente.

Veados e lobos são heterotróficos. Um cervo obtém energia comendo plantas. Um lobo comendo um cervo obtém energia que originalmente veio das plantas comidas por esse cervo. A energia na planta veio da fotossíntese e, portanto, é o único autotrófico neste exemplo ( Figura ). Usando esse raciocínio, todos os alimentos ingeridos pelos seres humanos também se ligam aos autótrofos que realizam a fotossíntese.

Esta foto mostra os cervos que correm através da grama alta na borda de uma floresta.
A energia armazenada nas moléculas de carboidratos da fotossíntese passa pela cadeia alimentar. O predador que come estes cervos está recebendo energia que se originou na vegetação fotossintética que os cervos consumiam. (crédito: Steve VanRiper, Serviço de Pesca e Vida Selvagem dos EUA)

Veja também:

BIOLOGIA EM AÇÃO

Fotossíntese na mercearia

Esta foto mostra pessoas comprando em uma mercearia
A fotossíntese é a origem dos produtos que compõem os principais elementos da dieta humana. (crédito: Associação Brasileira de Supermercados)

Grandes mercearias nos Estados Unidos são organizadas em departamentos, como laticínios, carnes, produtos, pão, cereais e assim por diante. Cada corredor contém centenas, se não milhares, de diferentes produtos para os clientes comprarem e consumirem ( Figura ).

Embora exista uma grande variedade, cada item se conecta à fotossíntese. Carnes e produtos lácteos ligam-se à fotossíntese porque os animais foram alimentados com alimentos à base de plantas. Os pães, cereais e massas vêm em grande parte de grãos, que são as sementes das plantas fotossintéticas.

E quanto a sobremesas e bebidas? Todos esses produtos contêm açúcar – a molécula básica de carboidrato produzida diretamente a partir da fotossíntese. A conexão da fotossíntese se aplica a todas as refeições e a todos os alimentos que uma pessoa consome.

Principais estruturas e resumo da fotossíntese

A fotossíntese requer luz solar, dióxido de carbono e água como reagentes iniciais ( Figura ). Depois que o processo é concluído, a fotossíntese libera oxigênio e produz moléculas de carboidratos, mais comumente glicose. Essas moléculas de açúcar contêm a energia que os seres vivos precisam para sobreviver.

Esta foto mostra uma árvore. As setas indicam que a árvore usa dióxido de carbono, água e luz solar para produzir açúcares e liberar oxigênio.
A fotossíntese usa energia solar, dióxido de carbono e água para liberar oxigênio e produzir moléculas de açúcar que armazenam energia.

As reações complexas da fotossíntese podem ser resumidas pela equação química mostrada na Figura .

A equação da fotossíntese é mostrada. De acordo com essa equação, seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água produzem uma molécula de açúcar e uma molécula de oxigênio. A molécula de açúcar é feita de 6 carbonos, 12 hidrogênios e 6 oxigênios. A luz solar é usada como fonte de energia.
O processo de fotossíntese pode ser representado por uma equação, em que o dióxido de carbono e a água produzem açúcar e oxigênio usando energia da luz solar.

Embora a equação pareça simples, as muitas etapas que ocorrem durante a fotossíntese são na verdade bastante complexas, como no modo como a reação que resume a respiração celular representou muitas reações individuais. Antes de aprender os detalhes de como os fotoautotróficos transformam a luz solar em alimento, é importante familiarizar-se com as estruturas físicas envolvidas.

Nas plantas, a fotossíntese ocorre principalmente nas folhas, que consistem em muitas camadas de células e têm lados superior e inferior diferenciados. O processo de fotossíntese ocorre não nas camadas superficiais da folha, mas sim na camada intermediária chamada mesofilo ( Figura ). A troca gasosa de dióxido de carbono e oxigênio ocorre através de pequenas aberturas reguladas chamadas estômatos .

Em todos os eucariontes autotróficos, a fotossíntese ocorre dentro de uma organela chamada cloroplasto . Nas plantas, existem células contendo cloroplastos no mesofilo. Os cloroplastos possuem uma membrana dupla (interna e externa).

Dentro do cloroplasto existe uma terceira membrana que forma estruturas empilhadas em forma de disco, chamadas thylakoides . Embutidos na membrana tilacoide são moléculas de clorofila , um pigmento(uma molécula que absorve a luz) através da qual todo o processo de fotossíntese começa.

A clorofila é responsável pela cor verde das plantas. A membrana tilacoide envolve um espaço interno chamado espaço tilacoide.

Outros tipos de pigmentos também estão envolvidos na fotossíntese, mas a clorofila é de longe a mais importante. Como mostrado na Figura , uma pilha de tilacoides é chamada de granum , e o espaço ao redor do granum é chamado de estroma (não deve ser confundido com estômatos, as aberturas nas folhas).

CONEXÃO VISUAL
A parte superior desta ilustração mostra uma seção transversal da folha. Na seção transversal, o mesofilo é imprensado entre a epiderme superior e a epiderme inferior. O mesofilo tem uma parte superior com jaulas retangulares alinhadas em uma linha e uma parte mais baixa com jaulas ovais. Uma abertura chamada estomata existe na epiderme inferior. A parte central desta ilustração mostra uma célula vegetal com um vacúolo central proeminente, um núcleo, ribossomos, mitocôndrias e cloroplastos. A parte inferior desta ilustração mostra o cloroplasto, que tem pilhas de membranas semelhantes a panquecas no interior.
Nem todas as células de uma folha executam a fotossíntese. Células dentro da camada média de uma folha possuem cloroplastos, que contêm o aparato fotossintético. (credit “leaf”: modificação do trabalho de Cory Zanker)

Em um dia quente e seco, as plantas fecham seus estômatos para conservar a água. Que impacto isso terá na fotossíntese?

As duas partes da fotossíntese

A fotossíntese acontece em dois estágios: as reações dependentes da luz e o ciclo de Calvin. Nas reações dependentes da luz, que ocorre na membrana tilacoide, a clorofila absorve energia da luz solar e, em seguida, converte-a em energia química com o uso de água.

As reações dependentes de luz liberam oxigênio da hidrólise da água como subproduto. No ciclo de Calvin, que ocorre no estroma, a energia química derivada das reações dependentes de luz impulsiona tanto a captura de carbono em moléculas de dióxido de carbono quanto a subsequente montagem de moléculas de açúcar.

As duas reações usam moléculas transportadoras para transportar a energia de um para o outro. Os portadores que movem a energia das reações dependentes da luz para as reações do ciclo de Calvin podem ser considerados “cheios” porque trazem energia. Depois que a energia é liberada, os portadores de energia “vazios” retornam às reações dependentes de luz para obter mais energia.

Resumo da seção

O processo de fotossíntese transformou a vida na terra. Aproveitando a energia do sol, a fotossíntese permitiu que as coisas vivas acessassem enormes quantidades de energia. Por causa da fotossíntese, os seres vivos ganharam acesso a energia suficiente, permitindo-lhes desenvolver novas estruturas e alcançar a biodiversidade que é evidente hoje.

Apenas certos organismos, chamados autótrofos, podem realizar a fotossíntese; eles exigem a presença de clorofila, um pigmento especializado que pode absorver a luz e converter a energia da luz em energia química.

A fotossíntese usa dióxido de carbono e água para montar moléculas de carboidratos (geralmente glicose) e libera oxigênio no ar. Autótrofos eucarióticos, como plantas e algas, têm organelas chamadas cloroplastos nas quais ocorre a fotossíntese.

Referências:

Glossário

autotrófico
um organismo capaz de produzir sua própria comida
clorofila
o pigmento verde que capta a energia luminosa que impulsiona as reações da fotossíntese
cloroplasto
a organela onde a fotossíntese ocorre
granum
uma pilha de tilacoides localizados dentro de um cloroplasto
heterótrofo
um organismo que consome outros organismos para alimentação
reação dependente de luz
o primeiro estágio da fotossíntese onde a luz visível é absorvida para formar duas moléculas transportadoras de energia (ATP e NADPH)
mesofilo
a camada intermediária de células em uma folha
fotoautotrofo
um organismo capaz de sintetizar suas próprias moléculas de alimento (armazenando energia), usando a energia da luz
pigmento
uma molécula que é capaz de absorver energia luminosa
estoma
a abertura que regula as trocas gasosas e a regulação da água entre as folhas e o meio ambiente; plural: estomas
estroma
o espaço cheio de líquido que circunda o grana dentro de um cloroplasto onde ocorrem as reações da fotossíntese no ciclo de Calvin
tilacoide
estrutura membranosa em forma de disco dentro de um cloroplasto onde as reações de fotossíntese dependentes de luz ocorrem usando clorofila embutida nas membranas
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Bioquímica

Principais vias metabólicas

Você aprendeu sobre o catabolismo da glicose, que fornece energia para as células vivas. Mas as coisas vivas consomem mais do que apenas glicose como alimento. Como um sanduíche de peru, que contém proteína, fornece energia para suas células? Isso acontece porque todas as vias catabólicas de carboidratos, proteínas e lipídios eventualmente se conectam à glicólise e às vias do ciclo do ácido cítrico ( Figura ). As vias metabólicas devem ser consideradas como porosas – isto é, as substâncias entram de outras vias e outras deixam outras vias. Esses caminhos não são sistemas fechados. Muitos dos produtos em uma determinada via são reagentes em outras vias.

Conexões de outros açúcares ao metabolismo da glicose

Glicogênio, um polímero de glicose, é uma molécula de armazenamento de energia de curto prazo em animais. Quando há ATP adequado presente, o excesso de glicose é convertido em glicogênio para armazenamento. Glicogênio é feito e armazenado no fígado e músculo.

O glicogênio será retirado do armazenamento se os níveis de açúcar no sangue caírem. A presença de glicogênio nas células musculares como fonte de glicose permite que o ATP seja produzido por mais tempo durante o exercício.

A sacarose é um dissacarídeo feito de glicose e frutose ligados entre si. A sacarose é decomposta no intestino delgado e a glicose e frutose são absorvidas separadamente. A frutose é um dos três monossacarídeos da dieta, juntamente com a glicose e galactose (que é parte do açúcar do leite, o dissacarídeo lactose), que são absorvidos diretamente na corrente sanguínea durante a digestão. O catabolismo da frutose e da galactose produz o mesmo número de moléculas de ATP que a glicose.

Conexões de Proteínas ao Metabolismo da Glicose

As proteínas são decompostas por uma variedade de enzimas nas células. Na maioria das vezes, os aminoácidos são reciclados em novas proteínas. Se houver excesso de aminoácidos, no entanto, ou se o corpo estiver em estado de fome, alguns aminoácidos serão desviados para caminhos de catabolismo da glicose.

Cada aminoácido deve ter seu grupo amino removido antes de entrar nessas vias. O grupo amino é convertido em amônia. Nos mamíferos, o fígado sintetiza a ureia a partir de duas moléculas de amônia e uma molécula de dióxido de carbono. Assim, a ureia é o principal resíduo de mamíferos do nitrogênio originário de aminoácidos e deixa o corpo na urina.

Veja também:

Conexões de Lipídios ao Metabolismo da Glicose

Os lipídios que estão conectados às vias de glicose são colesterol e triglicérides. O colesterol é um lipídio que contribui para a flexibilidade da membrana celular e é um precursor dos hormônios esteróides. A síntese do colesterol começa com acetil-CoA e prossegue em apenas uma direção. O processo não pode ser revertido e o ATP não é produzido.

Triglicerídeos são uma forma de armazenamento de energia a longo prazo em animais. Triglicerídeos armazenam cerca de duas vezes mais energia que carboidratos. Triglicerídeos são feitos de glicerol e três ácidos graxos. Os animais podem produzir a maioria dos ácidos graxos de que precisam.

Os triglicerídeos podem ser feitos e decompostos em partes das vias do catabolismo da glicose. O glicerol pode ser fosforilado e prossegue através da glicólise. Os ácidos graxos são quebrados em duas unidades de carbono que entram no ciclo do ácido cítrico.

Esta ilustração mostra que glicogênio, gorduras e proteínas podem ser catabolizados por meio da respiração aeróbica. O glicogênio é decomposto em glicose, que se alimenta da glicólise. As gorduras são decompostas em glicerol, que é processado pela glicólise, e ácidos graxos, que são convertidos em acetil CoA. As proteínas são divididas em aminoácidos, que são processados ​​em vários estágios da respiração aeróbica, incluindo a glicólise, a formação de acetil-CoA e o ciclo do ácido cítrico.
Glicogênio do fígado e músculos, juntamente com gorduras, podem alimentar as vias catabólicas para carboidratos.
EVOLUÇÃO EM AÇÃO

Vias de Fotossíntese e Metabolismo Celular Afotossíntese e o metabolismo celular consistem em várias vias muito complexas. Geralmente acredita-se que as primeiras células surgiram em um ambiente aquoso – uma “sopa” de nutrientes.

Se essas células se reproduzissem com sucesso e seu número subisse constantemente, as células começariam a esgotar os nutrientes do meio em que viviam, à medida que transferissem os nutrientes para suas próprias células.

Essa situação hipotética teria resultado em seleção natural favorecendo os organismos que poderiam existir usando os nutrientes que permaneceram em seu ambiente e manipulando esses nutrientes em materiais que eles poderiam usar para sobreviver. Além disso, a seleção favoreceria os organismos que poderiam extrair o valor máximo dos nutrientes disponíveis.

Uma forma inicial de fotossíntese desenvolveu-se e aproveitou a energia do sol usando compostos que não a água como fonte de átomos de hidrogênio, mas essa via não produzia oxigênio livre. Acredita-se que a glicólise se desenvolveu antes dessa época e poderia tirar vantagem da produção de açúcares simples, mas essas reações não foram capazes de extrair totalmente a energia armazenada nos carboidratos.

Uma forma posterior de fotossíntese usou a água como fonte de íons de hidrogênio e gerou oxigênio livre. Com o tempo, a atmosfera tornou-se oxigenada. Coisas vivas adaptadas para explorar essa nova atmosfera e permitiram a respiração como a conhecemos evoluir. Quando todo o processo de fotossíntese, tal como o conhecemos, se desenvolveu e a atmosfera ficou oxigenada,

Resumo da seção

A decomposição e síntese de carboidratos, proteínas e lipídios se conectam com as vias do catabolismo da glicose. Os carboidratos que também podem alimentar o catabolismo da glicose incluem galactose, frutose e glicogênio. Estes se conectam com a glicólise.

Os aminoácidos das proteínas conectam-se com o catabolismo da glicose através do piruvato, acetil-CoA e componentes do ciclo do ácido cítrico. A síntese de colesterol começa com acetil-CoA, e os componentes dos triglicerídeos são captados por acetil-CoA e entram no ciclo do ácido cítrico.

Referências:

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Bioquímica

Fermentação: o que é, tipos, etapas, processos – Resumo

Na respiração aeróbica, o aceptor de elétrons final é uma molécula de oxigênio, O 2 . Se a respiração aeróbica ocorrer, então o ATP será produzido usando a energia dos elétrons de alta energia transportados por NADH ou FADH 2 para a cadeia de transporte de elétrons. Se a respiração aeróbica não ocorrer, o NADH deve ser reoxidado para NAD + para reutilização como um transportador de elétrons para a glicólise continuar. Como isso é feito? Alguns sistemas vivos usam uma molécula orgânica como o aceitador final de elétrons. Processos que usam uma molécula orgânica para regenerar NAD + de NADH são coletivamente referidos como fermentação.

Em contraste, alguns sistemas vivos usam uma molécula inorgânica (diferente de oxigênio) como um aceptor de elétrons final para regenerar o NAD.+ ; ambos os métodos são anaeróbicos (não requerem oxigênio) para alcançar a regeneração de NAD + e permitir que os organismos convertam energia para seu uso na ausência de oxigênio.

Fermentação Ácida Láctica

O método de fermentação usado pelos animais e algumas bactérias como as do iogurte é a fermentação do ácido láctico ( Figura ). Isso ocorre rotineiramente em glóbulos vermelhos de mamíferos e no músculo esquelético que tem suprimento insuficiente de oxigênio para permitir que a respiração aeróbica continue (isto é, nos músculos usados ​​até o ponto da fadiga).

Nos músculos, o ácido láctico produzido pela fermentação deve ser removido pela circulação sanguínea e levado ao fígado para posterior metabolização. A reação química da fermentação do ácido láctico é a seguinte:

Ácido pirúvico  NADH  ácido láctico NAD+

A enzima que catalisa essa reação é a lactato desidrogenase. A reação pode prosseguir em qualquer direção, mas a reação da esquerda para a direita é inibida por condições ácidas. Este acúmulo de ácido lático causa rigidez muscular e fadiga. Uma vez que o ácido láctico tenha sido removido do músculo e circulado para o fígado, ele pode ser convertido novamente em ácido pirúvico e catabolizado para energia.

CONEXÃO VISUAL
Um gráfico mostra glicose passando por glicólise para se tornar duas moléculas de piruvato, que então passam por fermentação para se tornarem duas moléculas de lactato. Durante a glicólise, dois NAD + são convertidos em duas moléculas de NADH de alta energia, mas durante a fermentação, essas duas moléculas de NADH são reoxidadas para se tornarem duas NAD + novamente. NAD + pode então ser usado na glicólise.
A fermentação do ácido lático é comum em músculos que se esgotaram pelo uso.

Tremetol, um veneno metabólico encontrado na raiz de cobra branca, impede o metabolismo do lactato. Quando as vacas comem esta planta, o Tremetol está concentrado no leite. Os seres humanos que consomem o leite ficam doentes. Os sintomas dessa doença, que incluem vômitos, dor abdominal e tremores, pioram após o exercício. Por que você acha que este é o caso?

Veja também:

Fermentação Alcoólica

Outro processo de fermentação familiar é a fermentação alcoólica ( Figura ), que produz etanol, um álcool. A reação de fermentação alcoólica é a seguinte:

Gráfico mostrando a reação de fermentação de álcool em uma equação.
A reação resultante na fermentação do álcool é mostrada.

Na primeira reação, um grupo carboxila é removido do ácido pirúvico, liberando dióxido de carbono como um gás. A perda de dióxido de carbono reduz a molécula em um átomo de carbono, produzindo acetaldeído. A segunda reação remove um elétron do NADH, formando NAD + e produzindo etanol a partir do acetaldeído, que aceita o elétron.

A fermentação do ácido pirúvico pela levedura produz o etanol encontrado nas bebidas alcoólicas ( Figura ). Se o dióxido de carbono produzido pela reação não é ventilado da câmara de fermentação, por exemplo, em cerveja e vinhos espumantes, ele permanece dissolvido no meio até que a pressão seja liberada. Etanol acima de 12% é tóxico para levedura, então os níveis naturais de álcool no vinho ocorrem em no máximo 12%.

Esta foto mostra grandes tanques cilíndricos de fermentação de cor prateada.
Fermentação de suco de uva para fazer vinho produz CO 2 como subproduto. Os tanques de fermentação possuem válvulas para que a pressão dentro dos tanques possa ser liberada.

Respiração Celular Anaeróbica

Certos procariontes, incluindo algumas espécies de bactérias e Archaea, usam a respiração anaeróbica. Por exemplo, o grupo de Archaea chamado metanogênicos reduz o dióxido de carbono em metano para oxidar o NADH. Esses microrganismos são encontrados no solo e no trato digestivo de ruminantes, como vacas e ovelhas. Da mesma forma, as bactérias redutoras de sulfato e Archaea, a maioria das quais são anaeróbias ( Figura ), reduzem o sulfato ao sulfeto de hidrogênio para regenerar o NAD + do NADH.

Esta foto mostra uma flor das bactérias verdes na água.
A cor verde vista nessas águas costeiras é de uma erupção de sulfeto de hidrogênio. As bactérias anaeróbias, redutoras de sulfato, liberam gás sulfídrico ao decompor algas na água. (credit: NASA imagem cedida por Jeff Schmaltz, equipe de resposta rápida do Land MODIS no NASSF GSFC)

Outros métodos de fermentação ocorrem em bactérias. Muitos procariontes são facultativamente anaeróbicos. Isso significa que eles podem alternar entre respiração aeróbica e fermentação, dependendo da disponibilidade de oxigênio. Certos procariontes, como as bactérias Clostridia , são anaeróbios obrigatórios.

Obrigue os anaeróbios a viver e crescer na ausência de oxigênio molecular. O oxigênio é um veneno para esses microorganismos e os mata após a exposição. Deve-se notar que todas as formas de fermentação, exceto a fermentação de ácido láctico, produzem gás. A produção de determinados tipos de gás é usada como um indicador da fermentação de carboidratos específicos, que desempenha um papel na identificação laboratorial das bactérias. Os vários métodos de fermentação são usados ​​por diferentes organismos para garantir um suprimento adequado de NAD +para o sexto passo na glicólise. Sem esses caminhos, esse passo não ocorreria, e nenhum ATP seria colhido da quebra da glicose.

  • Resumo da seção

    Se o NADH não puder ser metabolizado pela respiração aeróbica, outro aceptor de elétrons é usado. A maioria dos organismos usará alguma forma de fermentação para realizar a regeneração de NAD + , garantindo a continuação da glicólise. A regeneração de NAD + na fermentação não é acompanhada pela produção de ATP; portanto, o potencial para o NADH produzir ATP usando uma cadeia de transporte de elétrons não é utilizado.

    Referências:

  • https://biologydictionary.net/fermentation/
  • https://www.ck12.org/biology/fermentation/lesson/Fermentation-BIO/

    Glossário

    respiração celular anaeróbica
    o uso de um receptor de elétrons diferente do oxigênio para completar o metabolismo usando a quimiosmose baseada em transporte de elétrons
    fermentação
    as etapas que seguem a oxidação parcial da glicose via glicólise para regenerar NAD + ; ocorre na ausência de oxigênio e usa um composto orgânico como o aceptor de elétrons final
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Bioquímica

Ciclo do ácido cítrico: o que é, fases – resumo

Nas células eucarióticas, as moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise são transportadas para as mitocôndrias, que são locais de respiração celular. Se oxigênio estiver disponível, a respiração aeróbica irá para frente. Em mitocôndrias, piruvato vai ser transformado num grupo de acetilo de dois carbonos (por remoção de uma molécula de dióxido de carbono) que vai ser apanhada por um composto portador chamado coenzima A (CoA), que é feita a partir de vitamina B 5 . O composto resultante é chamado acetil CoA. ( Figura ) O acetil-CoA pode ser usado de várias maneiras pela célula, mas sua principal função é fornecer o grupo acetila derivado do piruvato para a próxima via no catabolismo da glicose.

Um gráfico mostra o piruvato se tornando um grupo acetila de dois carbonos removendo uma molécula de dióxido de carbono. O grupo acetilo de dois carbonos é recolhido pela coenzima A para se tornar acetil CoA. O acetil-CoA entra então no ciclo do ácido cítrico. Três NADH, um FADH2, um ATP e duas moléculas de dióxido de carbono são produzidos durante este ciclo.
O piruvato é convertido em acetil-CoA antes de entrar no ciclo do ácido cítrico.

Como a conversão de piruvato em acetil CoA, o ciclo do ácido cítrico em células eucarióticas ocorre na matriz das mitocôndrias. Ao contrário da glicólise, o ciclo do ácido cítrico é um ciclo fechado: a última parte da via regenera o composto usado na primeira etapa.

Os oito passos do ciclo são uma série de reações químicas que produzem duas moléculas de dióxido de carbono, uma molécula de ATP (ou um equivalente) e formas reduzidas (NADH e FADH 2 ) de NAD + e FAD + , importantes coenzimas na célula. Parte disso é considerada uma via aeróbica (requer oxigênio) porque o NADH e FADH 2produzidos devem transferir seus elétrons para o próximo caminho no sistema, que usará oxigênio. Se o oxigênio não estiver presente, essa transferência não ocorrerá.

Dois átomos de carbono entram no ciclo do ácido cítrico de cada grupo acetil. Duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas a cada volta do ciclo; no entanto, estes não contêm os mesmos átomos de carbono contribuídos pelo grupo acetil nessa curva da via. Os dois átomos de carbono-acetil serão eventualmente libertados em voltas posteriores do ciclo. Dessa forma, todos os seis átomos de carbono da molécula de glicose original serão eventualmente liberados como dióxido de carbono.

São necessárias duas voltas do ciclo para processar o equivalente a uma molécula de glicose. Cada volta do ciclo forma três moléculas NADH de alta energia e uma FADH 2 de alta energia .molécula. Esses portadores de alta energia se conectarão com a última porção de respiração aeróbica para produzir moléculas de ATP. Um ATP (ou um equivalente) também é feito em cada ciclo. Vários dos compostos intermediários no ciclo do ácido cítrico podem ser usados ​​na síntese de aminoácidos não essenciais; Portanto, o ciclo é anabólico e catabólico.

Veja também:

Fosforilação oxidativa

Você acabou de ler sobre duas vias no catabolismo da glicose – a glicólise e o ciclo do ácido cítrico – que geram o ATP. A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo aeróbico da glicose, no entanto, não é gerada diretamente a partir dessas vias. Pelo contrário, deriva de um processo que começa com a passagem de elétrons através de uma série de reações químicas até um aceptor de elétrons final, o oxigênio.

Estas reações ocorrem em complexos proteicos especializados localizados na membrana interna das mitocôndrias de organismos eucarióticos e na parte interna da membrana celular de organismos procariotas. A energia dos elétrons é coletada e usada para gerar um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia potencial deste gradiente é usada para gerar ATP. A totalidade deste processo é chamada fosforilação oxidativa .

A cadeia de transporte de elétrons ( Figura a ) é o último componente da respiração aeróbica e é a única parte do metabolismo que usa o oxigênio atmosférico. O oxigênio se difunde continuamente em plantas para esse propósito. Nos animais, o oxigênio entra no corpo através do sistema respiratório. O transporte de elétrons é uma série de reações químicas que se assemelham a uma brigada de balde em que os elétrons passam rapidamente de um componente para o próximo, para o ponto final da cadeia, onde o oxigênio é o receptor final de elétrons e a água é produzida.

Existem quatro complexos compostos de proteínas, identificadas de I a IV na Figura c , e a agregação desses quatro complexos, juntamente com os portadores de elétrons acessórios móveis associados, é chamada de cadeia de transporte de elétrons.. A cadeia de transporte de elétrons está presente em múltiplas cópias na membrana mitocondrial interna de eucariotos e na membrana plasmática de procariontes.

Em cada transferência de um elétron através da cadeia de transporte de elétrons, o elétron perde energia, mas com algumas transferências, a energia é armazenada como energia potencial usando-a para bombear íons de hidrogênio através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembranoso, criando um gradiente eletroquímico .

CONEXÃO VISUAL
Parte a: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons embutida na membrana mitocondrial interna. A cadeia de transporte de elétrons consiste em quatro complexos de elétrons. O complexo I oxida NADH para NAD + e simultaneamente bombeia um próton através da membrana para o espaço intermembranar. Os dois elétrons liberados do NADH são transportados para a coenzima Q, depois para o complexo III, para o citocromo c, para o complexo IV e depois para o oxigênio molecular. No processo, mais dois prótons são bombeados através da membrana para o espaço intermembranar, e o oxigênio molecular é reduzido para formar água. O complexo II remove dois elétrons do FADH2, formando assim o FAD. Os elétrons são transportados para a coenzima Q, depois para o complexo III, citocromo c, complexo I e oxigênio molecular, como no caso da oxidação de NADH. Parte b: Esta ilustração mostra uma enzima ATP sintase incorporada na membrana mitocondrial interna. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. A ATP sintase permite que os prótons se movam de uma área de alta concentração no espaço intermembranoso para uma área de baixa concentração na matriz mitocondrial. A energia derivada desse processo exergônico é usada para sintetizar o ATP a partir do ADP e do fosfato inorgânico. Parte c: Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP. Esta ilustração mostra a cadeia de transporte de elétrons e a enzima ATP sintase embutidos na membrana mitocondrial interna, e o ciclo do ácido cítrico na matriz mitocondrial. O ciclo do ácido cítrico alimenta o NADH e o FADH2 na cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons oxida esses substratos e, no processo, bombeia prótons para o espaço intermembranar. A ATP sintase permite que os prótons vazem de volta para a matriz e sintetize o ATP.
(a) A cadeia de transporte de elétrons é um conjunto de moléculas que suporta uma série de reações de redução da oxidação. (b) A ATP sintase é uma máquina molecular complexa que usa um gradiente de H + para regenerar o ATP do ADP. (c) A quimiosmose depende da energia potencial fornecida pelo gradiente de H + através da membrana.

O cianeto inibe a citocromo c oxidase, um componente da cadeia de transporte de elétrons. Se ocorrer envenenamento por cianeto, você esperaria que o pH do espaço intermembranar aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?

Elétrons de NADH e FADH 2são passados ​​para complexos proteicos na cadeia de transporte de elétrons. À medida que são passados ​​de um complexo para outro (há um total de quatro), os elétrons perdem energia, e parte dessa energia é usada para bombear íons de hidrogênio da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar.

No quarto complexo proteico, os elétrons são aceitos pelo oxigênio, o receptor terminal. O oxigênio com seus elétrons extras, em seguida, combina com dois íons de hidrogênio, aumentando ainda mais o gradiente eletroquímico, para formar água. Se não houvesse oxigênio presente na mitocôndria, os elétrons não poderiam ser removidos do sistema, e toda a cadeia de transporte de elétrons voltaria e pararia. As mitocôndrias seriam incapazes de gerar novo ATP dessa forma, e a célula acabaria morrendo por falta de energia. Esta é a razão pela qual devemos respirar para atrair novo oxigênio.

Na cadeia de transporte de elétrons, a energia livre da série de reações que acabamos de descrever é usada para bombear íons de hidrogênio através da membrana. A distribuição desigual dos íons H + através da membrana estabelece um gradiente eletroquímico, devido à carga positiva dos íons H + e sua maior concentração em um dos lados da membrana.

Os íons de hidrogênio se difundem através da membrana interna através de uma proteína de membrana integral chamada ATP sintase ( Figura b ). Essa proteína complexa atua como um minúsculo gerador, transformado pela força dos íons de hidrogênio que se difundem através dela, para baixo de seu gradiente eletroquímico a partir do espaço intermembranoso, onde há muitos íons de hidrogênio que se repelem mutuamente na matriz, onde há poucos. O giro das partes dessa máquina molecular regenera o ATP do ADP. Este fluxo de íons de hidrogênio através da membrana através da ATP sintase é chamado de quimiosmose .

A quimiosmose ( Figura c ) é usada para gerar 90% do ATP produzido durante o catabolismo da glicose aeróbica. O resultado das reações é a produção de ATP a partir da energia dos elétrons removidos dos átomos de hidrogênio. Esses átomos eram originalmente parte de uma molécula de glicose.

No final do sistema de transporte de elétrons, os elétrons são usados ​​para reduzir uma molécula de oxigênio a íons de oxigênio. Os elétrons extras nos íons de oxigênio atraem íons de hidrogênio (prótons) do meio circundante, e a água é formada. A cadeia de transporte de elétrons e a produção de ATP através da quimiosmose são coletivamente chamadas de fosforilação oxidativa.

Rendimento ATP

O número de moléculas de ATP geradas a partir do catabolismo da glicose varia. Por exemplo, o número de íons de hidrogênio que os complexos da cadeia de transporte de elétrons podem bombear através da membrana varia entre as espécies. Outra fonte de variância decorre da lançadeira de elétrons através da membrana mitocondrial.

O NADH gerado a partir da glicólise não pode entrar facilmente nas mitocôndrias. Assim, os elétrons são captados no interior da mitocôndria por NAD + ou FAD + . Menos moléculas de ATP são geradas quando o FAD + atua como um portador. O NAD + é usado como transportador de elétrons no fígado e FAD + no cérebro, portanto, o rendimento de ATP depende do tecido que está sendo considerado.

Outro fator que afeta o rendimento das moléculas de ATP geradas a partir da glicose é que compostos intermediários nessas vias são utilizados para outros fins. O catabolismo da glicose se conecta com os caminhos que constroem ou quebram todos os outros compostos bioquímicos nas células, e o resultado é um pouco mais confuso do que as situações ideais descritas até agora. Por exemplo, outros açúcares além da glicose são alimentados na via glicolítica para extração de energia.

Outras moléculas que de outro modo seriam utilizadas para colher energia na glicólise ou no ciclo do ácido cítrico podem ser removidas para formar ácidos nucleicos, aminoácidos, lípidos ou outros compostos. No geral, em sistemas vivos, essas vias do catabolismo da glicose extraem cerca de 34% da energia contida na glicose.

CARREIRAS EM AÇÃO

Médico de Doença MitocondrialO que acontece quando as reações críticas da respiração celular não prosseguem corretamente? As doenças mitocondriais são distúrbios genéticos do metabolismo. Os distúrbios mitocondriais podem surgir de mutações no DNA nuclear ou mitocondrial e resultam na produção de menos energia do que o normal nas células do corpo.

Os sintomas das doenças mitocondriais podem incluir fraqueza muscular, falta de coordenação, episódios de acidente vascular cerebral e perda de visão e audição. As pessoas mais afetadas são diagnosticadas na infância, embora existam algumas doenças de início na idade adulta. Identificar e tratar distúrbios mitocondriais é um campo médico especializado. A preparação educacional para esta profissão requer uma educação universitária, seguida pela escola de medicina com especialização em genética médica.

Resumo da seção

O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações químicas que remove elétrons de alta energia e os utiliza na cadeia de transporte de elétrons para gerar ATP. Uma molécula de ATP (ou equivalente) é produzida a cada turno do ciclo.

A cadeia de transporte de elétrons é a parte da respiração aeróbica que usa oxigênio livre como o aceptor de elétrons final para os elétrons removidos dos compostos intermediários no catabolismo da glicose. Os elétrons passam por uma série de reações químicas, com uma pequena quantidade de energia livre usada em três pontos para transportar íons de hidrogênio através da membrana.

Isso contribui para o gradiente utilizado na quimiosmose. Como os elétrons são passados ​​de NADH ou FADH 2na cadeia de transporte de elétrons, eles perdem energia. Os produtos da cadeia de transporte de elétrons são a água e o ATP. Um número de compostos intermediários pode ser desviado para o anabolismo de outras moléculas bioquímicas, tais como ácidos nucléicos, aminoácidos não essenciais, açúcares e lipídios. Essas mesmas moléculas, exceto os ácidos nucléicos, podem servir como fontes de energia para a via da glicose.

Referências:

Glossário

acetil-coA
a combinação de um grupo acetil derivado do ácido pirúvico e coenzima A, que é feito de ácido pantotênico (uma vitamina do grupo B)
Sintase de ATP
um complexo de proteínas incorporado à membrana que regenera o ATP do ADP com energia dos prótons difundindo-se através dele
quimiosmose
o movimento de íons de hidrogênio abaixo de seu gradiente eletroquímico através de uma membrana através de ATP sintase para gerar ATP
ciclo do ácido cítrico
uma série de reações químicas catalisadas por enzimas de importância central em todas as células vivas que recolhem a energia em ligações carbono-carbono de moléculas de açúcar para gerar ATP; o ciclo do ácido cítrico é uma via metabólica aeróbica porque requer oxigênio nas reações posteriores para prosseguir
cadeia de transporte de elétrons
uma série de quatro complexos multiproteínas grandes incorporados na membrana mitocondrial interna que aceitam elétrons de compostos doadores e extrai energia de uma série de reações químicas para gerar um gradiente de íons de hidrogênio através da membrana
fosforilação oxidativa
a produção de ATP pela transferência de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons para criar um gradiente de prótons que é usado pela ATP sintase para adicionar grupos fosfato às moléculas de ADP
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Bioquímica

Glicólise: o que é, processos, função – Resumo

Mesmo reações exergônicas de liberação de energia requerem uma pequena quantidade de energia de ativação para prosseguir. No entanto, considere as reações endergônicas, que exigem muito mais energia porque seus produtos têm mais energia livre que seus reagentes. Dentro da célula, de onde vem a energia para o poder? A resposta está em uma molécula que fornece energia, chamada trifosfato de adenosina, ou ATP.

O ATP é uma molécula pequena, relativamente simples, mas dentro de seus enlaces contém o potencial para uma rápida explosão de energia que pode ser aproveitada para realizar o trabalho celular. Essa molécula pode ser pensada como a principal moeda energética das células, da mesma forma que o dinheiro é a moeda que as pessoas trocam por coisas de que precisam. O ATP é utilizado para alimentar a maioria das reações celulares que exigem energia.

ATP em sistemas vivos

Uma célula viva não pode armazenar quantidades significativas de energia livre. O excesso de energia livre resultaria em um aumento de calor na célula, o que desnaturaria enzimas e outras proteínas e, assim, destruiria a célula. Em vez disso, uma célula deve ser capaz de armazenar energia com segurança e liberá-la para uso somente quando necessário. As células vivas conseguem isso usando o ATP, que pode ser usado para preencher qualquer necessidade de energia da célula. Como? Funciona como uma bateria recarregável.

Quando o ATP é decomposto, geralmente pela remoção de seu grupo fosfato terminal, a energia é liberada. Essa energia é usada para fazer o trabalho da célula, geralmente pela ligação do fosfato liberado a outra molécula, ativando-a. Por exemplo, no trabalho mecânico de contração muscular, o ATP fornece energia para mover as proteínas musculares contráteis.

Estrutura e função do ATP

No coração do ATP está uma molécula de monofosfato de adenosina (AMP), que é composta de uma molécula de adenina ligada a uma molécula de ribose e a um único grupo fosfato ( Figura ). A ribose é um açúcar de cinco carbonos encontrado no RNA e o AMP é um dos nucleotídeos do RNA. A adição de um segundo grupo fosfato a esta molécula central resulta em di fosfato de adenosina (ADP); a adição de um grupo fosfato terceira forma a adenosina tri fosfato (ATP).

Esta ilustração mostra a estrutura molecular do ATP. Esta molécula é um nucleotídeo de adenina com ribose e uma cadeia de três grupos fosfato ligados a ela. Os grupos fosfato são denominados alfa, beta e gama em ordem crescente de distância do açúcar ribose ao qual estão ligados.
A estrutura do ATP mostra os componentes básicos de uma adenina de dois anéis, ribose de cinco carbonos e três grupos de fosfato.

A adição de um grupo fosfato a uma molécula requer uma quantidade elevada de energia e resulta em uma ligação de alta energia. Grupos fosfato são carregados negativamente e assim se repelem quando estão dispostos em série, como são em ADP e ATP. Esta repulsão torna as moléculas de ADP e ATP inerentemente instáveis. A liberação de um ou dois grupos fosfato do ATP, um processo chamado de hidrólise, libera energia.

Veja também:

Glicolise

Você leu que quase toda a energia usada pelos seres vivos vem para eles nos grilhões do açúcar, a glicose. A glicólise é o primeiro passo na quebra da glicose para extrair energia para o metabolismo celular. Muitos organismos vivos realizam a glicólise como parte de seu metabolismo. A glicólise ocorre no citoplasma da maioria das células procarióticas e eucarióticas.

A glicólise começa com a estrutura em forma de anel de seis carbonos de uma única molécula de glicose e termina com duas moléculas de um açúcar de três carbonos chamado piruvato. A glicólise consiste em duas fases distintas.

Na primeira parte da via da glicólise, a energia é usada para fazer ajustes de modo que a molécula de açúcar de seis carbonos possa ser dividida igualmente em duas moléculas de piruvato de três carbonos. Na segunda parte da glicólise, o ATP e o dinueleotídeo nicotinamida-adenina (NADH) são produzidos ( Figura ).

Se a célula não puder catabolizar ainda mais as moléculas de piruvato, colherá apenas duas moléculas de ATP de uma molécula de glicose. Por exemplo, os glóbulos vermelhos de mamíferos maduros são capazes apenas de glicólise, que é sua única fonte de ATP. Se a glicólise for interrompida, essas células acabarão por morrer.

Um gráfico mostra a glicose no topo com uma seta apontando para frutose difosfato, que então se divide em duas moléculas de gliceraldeído 3-fosfato. Cada uma dessas formas forma uma molécula de NADH e duas moléculas de ATP no processo de cada uma se tornar uma molécula de piruvato.
Na glicólise, uma molécula de glicose é convertida em duas moléculas de piruvato.

Resumo da seção

O ATP funciona como a moeda de energia das células. Ele permite que as células armazenem energia brevemente e a transportem para apoiar reações químicas endergônicas. A estrutura do ATP é a de um nucleotídeo de RNA com três grupos fosfato ligados. Como o ATP é usado para energia, um grupo fosfato é separado e o ADP é produzido. A energia derivada do catabolismo da glicose é usada para recarregar ADP em ATP.

A glicólise é o primeiro caminho usado na quebra da glicose para extrair energia. Por ser usado por quase todos os organismos da Terra, deve ter evoluído no início da história da vida. A glicólise consiste em duas partes: A primeira parte prepara o anel de seis carbonos de glicose para a separação em dois açúcares de três carbonos.

A energia do ATP é investida na molécula durante este passo para energizar a separação. A segunda metade da glicólise extrai ATP e elétrons de alta energia de átomos de hidrogênio e os liga ao NAD + . Duas moléculas de ATP são investidas no primeiro semestre e quatro moléculas de ATP são formadas durante o segundo semestre. Isso produz um ganho líquido de duas moléculas de ATP por molécula de glicose para a célula.

Referências:

Glossário

ATP
(também, trifosfato de adenosina) a moeda energética da célula
glicolise
o processo de quebrar a glicose em duas moléculas de três carbonos com a produção de ATP e NADH
Categorias
Bioquímica

O que é metabolismo – anabolismo, catabolismo e energia

Os cientistas usam o termo bioenergética para descrever o conceito de fluxo de energia ( Figura ) através de sistemas vivos, como as células. Processos celulares, como a construção e a quebra de moléculas complexas, ocorrem através de reações químicas graduais. Algumas dessas reações químicas são espontâneas e liberam energia, enquanto outras requerem energia para prosseguir. Assim como as coisas vivas precisam consumir continuamente alimentos para reabastecer seu suprimento de energia, as células precisam continuamente produzir mais energia para repor o que é usado pelas muitas reações químicas que exigem energia e que ocorrem constantemente. Juntas, todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que consomem ou geram energia, são referidas como o metabolismo da célula .

Este diagrama mostra a energia do sol sendo transferida para os produtores, como plantas. Os produtores, por sua vez, transferem energia para consumidores e decompositores. Os animais também transferem energia para os decompositores.
Em última análise, a maioria das formas de vida obtém sua energia do sol. As plantas usam a fotossíntese para capturar a luz solar e os herbívoros comem as plantas para obter energia. Os carnívoros comem os herbívoros e a eventual decomposição de material vegetal e animal contribui para a reserva de nutrientes.

Vias metabólicas

Considere o metabolismo do açúcar. Este é um exemplo clássico de um dos muitos processos celulares que usam e produzem energia. As coisas vivas consomem açúcares como uma importante fonte de energia, porque as moléculas de açúcar têm uma grande quantidade de energia armazenada dentro de suas ligações. Na maior parte, organismos fotossintetizantes como plantas produzem esses açúcares.

Durante a fotossíntese, as plantas usam energia (originalmente da luz solar) para converter gás de dióxido de carbono (CO 2 ) em moléculas de açúcar (como a glicose: C 6 H 12 O 6 ). Eles consomem dióxido de carbono e produzem oxigênio como um produto residual. Esta reação é resumida como:

6CO2+6H2O−−>C6H12O6+6O2

Como esse processo envolve a síntese de uma molécula armazenadora de energia, ela requer a entrada de energia para prosseguir. Durante as reações de luz da fotossíntese, a energia é fornecida por uma molécula chamada trifosfato de adenosina (ATP), que é a moeda de energia primária de todas as células. Assim como o dólar é usado como moeda para comprar bens, as células usam moléculas de ATP como moeda de energia para realizar o trabalho imediato.

Em contraste, as moléculas de armazenamento de energia, como a glicose, são consumidas apenas para serem decompostas para usar sua energia. A reação que colhe a energia de uma molécula de açúcar nas células que necessitam de oxigênio para sobreviver pode ser resumida pela reação inversa à fotossíntese. Nesta reação, o oxigênio é consumido e o dióxido de carbono é liberado como um produto residual. A reação é resumida como:

C6H12O6+6O2−−>6H2O+6CO2

Ambas as reações envolvem muitos passos.

Os processos de fabricação e quebra de moléculas de açúcar ilustram dois exemplos de vias metabólicas. Uma via metabólica é uma série de reações químicas que toma uma molécula inicial e a modifica, passo a passo, através de uma série de intermediários metabólicos, eventualmente produzindo um produto final. No exemplo do metabolismo do açúcar, a primeira via metabólica sintetizava açúcar a partir de moléculas menores e a outra via quebrava o açúcar em moléculas menores.

Esses dois processos opostos – o primeiro exigindo energia e o segundo produzindo energia – são referidos como vias anabólicas (polímeros prediais) e vias catabólicas (decompondo polímeros em seus monômeros), respectivamente. Consequentemente, o metabolismo é composto de síntese (anabolismo) e degradação (catabolismo) (Figura ).

É importante saber que as reações químicas das vias metabólicas não ocorrem sozinhas. Cada etapa da reação é facilitada ou catalisada por uma proteína chamada enzima. As enzimas são importantes para catalisar todos os tipos de reações biológicas – aquelas que requerem energia, bem como aquelas que liberam energia.

As vias anabólicas e metabólicas são mostradas. Na via anabólica, quatro pequenas moléculas têm energia adicionada a elas para formar uma grande molécula. Na via catabólica, uma grande molécula é dividida em dois componentes: quatro pequenas moléculas e mais energia.
Caminhos catabólicos são aqueles que geram energia ao quebrar moléculas maiores. Vias anabólicas são aquelas que requerem energia para sintetizar moléculas maiores. Ambos os tipos de caminhos são necessários para manter o equilíbrio energético da célula.
Veja também:

Energia

Termodinâmica refere-se ao estudo da energia e transferência de energia envolvendo matéria física. O assunto relevante para um caso particular de transferência de energia é chamado de sistema, e tudo fora desse assunto é chamado de ambiente. Por exemplo, ao aquecer uma panela de água no fogão, o sistema inclui o fogão, a panela e a água. A energia é transferida dentro do sistema (entre o fogão, a panela e a água).

Existem dois tipos de sistemas: aberto e fechado. Em um sistema aberto, a energia pode ser trocada com o ambiente. O sistema de fogão está aberto porque o calor pode ser perdido para o ar. Um sistema fechado não pode trocar energia com o ambiente.

Organismos biológicos são sistemas abertos. A energia é trocada entre eles e seus arredores à medida que eles usam energia do sol para realizar a fotossíntese ou consomem moléculas armazenadoras de energia e liberam energia para o meio ambiente realizando trabalho e liberando calor. Como todas as coisas no mundo físico, a energia está sujeita às leis físicas. As leis da termodinâmica governam a transferência de energia em e entre todos os sistemas do universo.

Em geral, energia é definida como a capacidade de realizar trabalho ou criar algum tipo de mudança. A energia existe em diferentes formas. Por exemplo, energia elétrica, energia luminosa e energia térmica são todos tipos diferentes de energia. Para apreciar a maneira pela qual a energia entra e sai dos sistemas biológicos, é importante entender duas das leis físicas que governam a energia.

Termodinâmica

A primeira lei da termodinâmica afirma que a quantidade total de energia no universo é constante e conservada. Em outras palavras, sempre houve e sempre haverá exatamente a mesma quantidade de energia no universo.

A energia existe em muitas formas diferentes. De acordo com a primeira lei da termodinâmica, a energia pode ser transferida de um lugar para outro ou transformada em diferentes formas, mas não pode ser criada ou destruída. As transferências e transformações de energia acontecem ao nosso redor o tempo todo. As lâmpadas transformam energia elétrica em luz e energia térmica.

Os fogões a gás transformam a energia química do gás natural em energia térmica. Plantas executar um dos mais biologicamente útil transformações de energia na terra: o de converter a energia da luz solar em energia química armazenada dentro de moléculas orgânicas ( Figura). Alguns exemplos de transformações de energia são mostrados na figura .

O desafio para todos os organismos vivos é obter energia de seus arredores em formas que eles possam transferir ou transformar em energia utilizável para realizar o trabalho. As células vivas evoluíram para enfrentar esse desafio.

A energia química armazenada em moléculas orgânicas, como açúcares e gorduras, é transferida e transformada através de uma série de reações químicas celulares em energia dentro de moléculas de ATP. Energia nas moléculas de ATP é facilmente acessível para fazer o trabalho. Exemplos dos tipos de trabalho que as células precisam fazer incluem construir moléculas complexas, transportar materiais, alimentar o movimento de cílios ou flagelos e contrair fibras musculares para criar movimento.

O lado esquerdo deste diagrama mostra a energia sendo transferida de um cone de sorvete para dois garotos andando de bicicleta. O lado direito representa uma planta que converte energia luminosa em energia química: a energia luminosa é representada pelo sol e a energia química é representada por uma folha verde em um ramo.
São mostrados alguns exemplos de energia transferida e transformada de um sistema para outro e de uma forma para outra. A comida que consumimos fornece às nossas células a energia necessária para realizar funções corporais, assim como a energia da luz fornece às plantas os meios para criar a energia química de que precisam. (crédito “sorvete”: modificação do trabalho de D. Sharon Pruitt; crédito “kids”: modificação do trabalho de Max de Providence; crédito “folha”: modificação do trabalho de Cory Zanker)

As principais tarefas da célula viva de obter, transformar e usar energia para fazer o trabalho podem parecer simples. No entanto, a segunda lei da termodinâmica explica por que essas tarefas são mais difíceis do que parecem. Todas as transferências e transformações de energia nunca são completamente eficientes. Em toda transferência de energia, alguma quantidade de energia é perdida de uma forma inutilizável. Na maioria dos casos, essa forma é energia térmica.

Termodinamicamente, a energia térmica é definida como a energia transferida de um sistema para outro que não é trabalho. Por exemplo, quando uma lâmpada é ligada, parte da energia que está sendo convertida de energia elétrica em energia luminosa é perdida como energia térmica. Da mesma forma, alguma energia é perdida como energia de calor durante as reações metabólicas celulares.

Um conceito importante nos sistemas físicos é o da ordem e da desordem. Quanto mais energia é perdida por um sistema em seu entorno, menos ordenado e mais aleatório é o sistema. Os cientistas referem-se à medida de aleatoriedade ou desordem dentro de um sistema como entropia.

Entropia alta significa desordem alta e baixa energia. Moléculas e reações químicas têm entropia variada também. Por exemplo, a entropia aumenta à medida que moléculas em alta concentração em um lugar se difundem e se espalham. A segunda lei da termodinâmica diz que a energia sempre será perdida como calor nas transferências ou transformações de energia.

As coisas vivas são altamente ordenadas, exigindo constante entrada de energia para serem mantidas em um estado de baixa entropia.

Energia Potencial e Cinética

Quando um objeto está em movimento, há energia associada a esse objeto. Pense em uma bola de demolição. Mesmo uma bola de demolição lenta pode causar muitos danos a outros objetos. A energia associada aos objetos em movimento é chamada de energia cinética ( figura ). Uma bala em alta velocidade, uma pessoa que anda e o movimento rápido de moléculas no ar (que produz calor) têm energia cinética.

Agora, e se essa mesma bola de demolição imóvel for levantada dois andares acima do solo com um guindaste? Se a bola de demolição suspensa estiver imóvel, há energia associada a ela? A resposta é sim. A energia necessária para levantar a bola de demolição não desapareceu, mas agora está armazenada na bola de demolição em virtude de sua posição e da força da gravidade atuando sobre ela. Este tipo de energia é chamado energia potencial ( Figura).

Se a bola caísse, a energia potencial seria transformada em energia cinética até que toda a energia potencial estivesse esgotada quando a bola pousasse no chão. Bolas de demolição também balançam como um pêndulo; através do balanço, há uma mudança constante de energia potencial (mais alta no topo do balanço) para energia cinética (mais alta na parte inferior do balanço). Outros exemplos de energia potencial incluem a energia da água mantida atrás de uma represa ou uma pessoa prestes a saltar de um avião.

A foto à esquerda mostra a água atrás de uma represa como energia potencial. A foto à direita mostra uma cascata como energia cinética.
Ainda a água tem energia potencial; a água em movimento, como em uma cachoeira ou em um rio que flui rapidamente, tem energia cinética. (credit “dam”: modificação do trabalho de “Pascal” / Flickr; credit “waterfall”: modificação do trabalho de Frank Gualtieri)

A energia potencial não está associada apenas à localização da matéria, mas também à estrutura da matéria. Mesmo uma mola no solo tem energia potencial se for comprimida; o mesmo acontece com um elástico que é esticado.

Em um nível molecular, as ligações que mantêm os átomos das moléculas juntas existem em uma estrutura particular que possui energia potencial. Lembre-se de que as vias celulares anabólicas requerem energia para sintetizar moléculas complexas das mais simples e as vias catabólicas liberam energia quando moléculas complexas são quebradas. O fato de que a energia pode ser liberada pela quebra de certas ligações químicas implica que essas ligações têm energia potencial.

De fato, há energia potencial armazenada nas ligações de todas as moléculas de alimentos que comemos, que eventualmente é aproveitada para uso. Isso ocorre porque esses laços podem liberar energia quando quebrados. O tipo de energia potencial existente nas ligações químicas e liberado quando essas ligações são quebradas é chamado de energia química. A energia química é responsável por fornecer às células vivas energia dos alimentos. A liberação de energia ocorre quando as ligações moleculares dentro das moléculas dos alimentos são quebradas.

Energia Livre e Energia de Ativação

Depois de saber que as reações químicas liberam energia quando se quebram os laços que armazenam energia, uma próxima pergunta importante é a seguinte: Como a energia associada a essas reações químicas é quantificada e expressa? Como a energia liberada de uma reação pode ser comparada à de outra reação? Uma medida de energia livre é usada para quantificar essas transferências de energia.

Lembre-se de que, de acordo com a segunda lei da termodinâmica, todas as transferências de energia envolvem a perda de alguma quantidade de energia de uma forma inutilizável, como o calor. Energia livre refere-se especificamente à energia associada a uma reação química que está disponível após as perdas serem contabilizadas. Em outras palavras, energia livre é energia utilizável, ou energia que está disponível para fazer o trabalho.

Se a energia é liberada durante uma reação química, então a mudança na energia livre, significada como ∆G (delta G), será um número negativo. Uma mudança negativa na energia livre também significa que os produtos da reação têm menos energia livre que os reagentes, porque liberam energia livre durante a reação. Reações que têm uma mudança negativa na energia livre e, consequentemente, liberam energia livre são chamadas de reações exergônicas . Pense: ex ergônico significa que a energia é exo sistema. Essas reações também são chamadas de reações espontâneas, e seus produtos têm menos energia armazenada que os reagentes.

Uma distinção importante deve ser feita entre o termo espontâneo e a idéia de uma reação química ocorrendo imediatamente. Ao contrário do uso cotidiano do termo, uma reação espontânea não é aquela que repentina ou rapidamente ocorre. A ferrugem do ferro é um exemplo de uma reação espontânea que ocorre lentamente, pouco a pouco, com o passar do tempo.

Se uma reação química absorve energia ao invés de liberar energia em equilíbrio, então o forG para essa reação será um valor positivo. Neste caso, os produtos têm mais energia livre que os reagentes. Assim, os produtos dessas reações podem ser pensados ​​como moléculas armazenadoras de energia. Essas reações químicas são chamadas de reações endergônicas e não são espontâneas. Uma reação endergônica não ocorrerá sozinha sem a adição de energia livre.

CONEXÃO VISUAL
Quatro fotos, da esquerda para a direita, mostram uma pilha de compostagem, um pintinho emergindo de um óvulo fertilizado, o conteúdo de cor escura do saquinho de chá se difundindo em uma caneca clara de água e uma bola rolando morro abaixo.
São mostrados alguns exemplos de processos endergônicos (aqueles que requerem energia) e processos exergônicos (aqueles que liberam energia). (crédito a: modificação do trabalho de Natalie Maynor; crédito b: modificação do trabalho pelo USDA; crédito c: modificação do trabalho de Cory Zanker; crédito d: modificação do trabalho de Harry Malsch)

Observe cada um dos processos mostrados e decida se é endergônico ou exergônico.

Há outro conceito importante que deve ser considerado em relação às reações endergônicas e exergônicas. Reações exergônicas requerem uma pequena quantidade de energia para prosseguir, antes que eles possam prosseguir com seus passos de liberação de energia. Estas reações têm uma liberação líquida de energia, mas ainda requerem alguma entrada de energia no começo. Essa pequena quantidade de energia necessária para que todas as reações químicas ocorram é chamada de energia de ativação .

Enzimas

Uma substância que ajuda uma reação química a ocorrer é chamada de catalisador, e as moléculas que catalisam reações bioquímicas são chamadas de enzimas.. A maioria das enzimas são proteínas e executam a tarefa crítica de diminuir as energias de ativação de reações químicas dentro da célula.

A maioria das reações críticas a uma célula viva ocorre muito lentamente a temperaturas normais para ser de alguma utilidade para a célula. Sem enzimas para acelerar essas reações, a vida não poderia persistir. As enzimas fazem isso ligando-se às moléculas reagentes e mantendo-as de modo a tornar mais fáceis os processos de quebra e formação de ligações químicas.

É importante lembrar que as enzimas não mudam se a reação é exergônica (espontânea) ou endergônica. Isso ocorre porque eles não alteram a energia livre dos reagentes ou produtos. Eles só reduzir a energia de ativação necessária para a reação de ir para a frente ( figura). Além disso, uma enzima em si é inalterada pela reação que catalisa. Uma vez que uma reação tenha sido catalisada, a enzima é capaz de participar de outras reações.

Este gráfico mostra que um catalisador diminui a energia de ativação de uma reação, mas não altera a energia livre de Gibbs.
Enzimas diminuem a energia de ativação da reação, mas não alteram a energia livre da reação.

Os reagentes químicos aos quais uma enzima se liga são chamados de substratos da enzima . Pode haver um ou mais substratos, dependendo da reação química específica. Em algumas reações, um único substrato reagente é dividido em vários produtos.

Em outros, dois substratos podem se unir para criar uma molécula maior. Dois reagentes também podem entrar em uma reação e ambos se modificam, mas deixam a reação como dois produtos. A localização dentro da enzima onde o substrato se liga é chamada de sítio ativo da enzima. O site ativo é onde a “ação” acontece.

Como as enzimas são proteínas, existe uma combinação única de cadeias laterais de aminoácidos no sítio ativo. Cada cadeia lateral é caracterizada por propriedades diferentes. Eles podem ser grandes ou pequenos, fracamente ácidos ou básicos, hidrofílicos ou hidrofóbicos, carregados positiva ou negativamente, ou neutros. A combinação única de cadeias laterais cria um ambiente químico muito específico dentro do local ativo. Este ambiente específico é adequado para se ligar a um substrato químico específico (ou substratos).

Sites ativos estão sujeitos a influências do ambiente local. Aumentar a temperatura ambiente geralmente aumenta as taxas de reação, catalisadas por enzimas ou outras. Entretanto, temperaturas fora de uma faixa ótima reduzem a taxa na qual uma enzima catalisa uma reação.

Temperaturas quentes eventualmente causarão desnaturação das enzimas, uma mudança irreversível na forma tridimensional e, portanto, a função da enzima. As enzimas também são adequadas para funcionar melhor dentro de um certo pH e faixa de concentração de sal e, como ocorre com a temperatura, o pH extremo e as concentrações de sal podem causar a desnaturação das enzimas.

Por muitos anos, os cientistas pensaram que a ligação enzima-substrato ocorria de uma maneira simples, “fechadura e chave”. Este modelo afirmou que a enzima e o substrato se encaixam perfeitamente em uma etapa instantânea.

No entanto, a pesquisa atual suporta um modelo chamado ajuste induzido ( Figura ). O modelo de ajuste induzido expande o modelo chave-fechadura, descrevendo uma ligação mais dinâmica entre a enzima e o substrato. À medida que a enzima e o substrato se juntam, sua interação causa uma ligeira mudança na estrutura da enzima que forma um arranjo de ligação ideal entre a enzima e o substrato.

Quando uma enzima liga seu substrato, um complexo enzima-substrato é formado. Esse complexo reduz a energia de ativação da reação e promove sua rápida progressão em uma das várias maneiras possíveis. Em um nível básico, as enzimas promovem reações químicas que envolvem mais de um substrato, reunindo os substratos em uma orientação ideal para a reação.

Outra maneira pela qual as enzimas promovem a reação de seus substratos é criar um ambiente ideal dentro do sítio ativo para que a reação ocorra. As propriedades químicas que emergem do arranjo particular dos grupos R de aminoácidos dentro de um sítio ativo criam o ambiente perfeito para os substratos específicos de uma enzima reagirem.

O complexo enzima-substrato também pode diminuir a energia de ativação, comprometendo a estrutura da ligação, de modo que é mais fácil de quebrar. Finalmente, as enzimas também podem diminuir as energias de ativação participando da reação química em si. Nestes casos, é importante lembrar que a enzima sempre retornará ao seu estado original pela conclusão da reação. Uma das propriedades marcantes das enzimas é que elas permanecem inalteradas pelas reações que elas catalisam. Depois que uma enzima catalisa uma reação, ela libera seu (s) produto (s) e pode catalisar uma nova reação.

Neste diagrama, um substrato liga-se ao sítio ativo de uma enzima e, no processo, tanto a forma da enzima como a forma do substrato mudam. O substrato é convertido em produto, o que deixa o site ativo.
O modelo de ajuste induzido é um ajuste do modelo chave-fechadura e explica como enzimas e substratos sofrem modificações dinâmicas durante o estado de transição para aumentar a afinidade do substrato pelo sítio ativo.

Seria ideal ter um cenário em que todas as enzimas de um organismo existissem em oferta abundante e funcionassem de maneira ideal sob todas as condições celulares, em todas as células, em todos os momentos. No entanto, uma variedade de mecanismos garante que isso não aconteça. As necessidades e condições celulares variam constantemente de célula para célula e mudam dentro das células individuais ao longo do tempo.

As enzimas necessárias das células do estômago diferem das células de armazenamento de gordura, células da pele, células do sangue e células nervosas. Além disso, uma célula de órgão digestivo trabalha muito mais para processar e quebrar os nutrientes durante o tempo que segue de perto uma refeição em comparação com muitas horas após uma refeição. Como essas demandas e condições celulares variam, o mesmo acontece com as quantidades e a funcionalidade de diferentes enzimas.

Como as taxas de reações bioquímicas são controladas pela energia de ativação e as enzimas são mais baixas e determinam as energias de ativação para reações químicas, as quantidades relativas e o funcionamento da variedade de enzimas em uma célula determinam quais reações irão prosseguir e em quais taxas. Essa determinação é rigidamente controlada nas células. Em certos ambientes celulares, a atividade enzimática é parcialmente controlada por fatores ambientais como pH, temperatura, concentração de sal e, em alguns casos, cofatores ou coenzimas.

As enzimas também podem ser reguladas de maneiras que promovem ou reduzem a atividade enzimática. Existem muitos tipos de moléculas que inibem ou promovem a função enzimática e vários mecanismos pelos quais o fazem.

Em alguns casos de inibição enzimática, uma molécula inibidora é semelhante a um substrato que pode se ligar ao sítio ativo e simplesmente bloquear o substrato da ligação. Quando isso acontece, a enzima é inibida através da inibição competitiva , porque uma molécula inibidora compete com o substrato pela ligação ao sítio ativo.

Por outro lado, na inibição não competitiva , uma molécula inibidora se liga à enzima em um local diferente do sítio ativo, chamado de sítio alostérico, mas ainda consegue bloquear a ligação do substrato ao sítio ativo. Algumas moléculas inibidoras se ligam a enzimas em um local onde sua ligação induz uma mudança conformacional que reduz a afinidade da enzima por seu substrato. Este tipo de inibição é chamado de inibição alostérica ( Figura). A maioria das enzimas reguladas alostericamente é composta de mais de um polipeptídeo, o que significa que eles têm mais de uma subunidade proteica.

Quando um inibidor alostérico se liga a uma região em uma enzima, todos os sítios ativos nas subunidades de proteína são alterados ligeiramente de forma que eles liguem seus substratos com menos eficiência. Existem ativadores alostéricos, bem como inibidores. Ativadores alostéricos ligam-se a locais de uma enzima longe do sítio ativo, induzindo uma mudança conformacional que aumenta a afinidade do (s) sítio (s) ativo (s) da enzima por seu (s) substrato (s) ( Figura ).

A parte esquerda deste diagrama mostra a inibição alostérica. O inibidor alostérico se liga à enzima em um local diferente do sítio ativo. A forma do sítio ativo é alterada para que a enzima não possa mais se ligar ao substrato. A parte direita deste diagrama mostra a ativação alostérica. O ativador alostérico se liga à enzima em um local diferente do sítio ativo. A forma do site ativo é alterada, permitindo que o substrato se ligue.
A inibição alostérica funciona induzindo indiretamente uma mudança conformacional ao sítio ativo, de tal forma que o substrato não se encaixa mais. Em contraste, na ativação alostérica, a molécula ativadora modifica a forma do sítio ativo para permitir um melhor ajuste do substrato.
CARREIRAS EM AÇÃO

Desenvolvedor de Medicamentos Farmacêuticos

Esta foto mostra várias pílulas cápsulas vermelhas.
Você já se perguntou como as drogas farmacêuticas são desenvolvidas? (crédito: Deborah Austin)

As enzimas são componentes fundamentais das vias metabólicas. Entender como as enzimas funcionam e como elas podem ser regulamentadas são os princípios-chave por trás do desenvolvimento de muitos medicamentos farmacêuticos no mercado atualmente. Os biólogos que trabalham neste campo colaboram com outros cientistas para projetar drogas ( Figura ).

Considere estatinas, por exemplo, estatinas é o nome dado a uma classe de drogas que podem reduzir os níveis de colesterol. Estes compostos são inibidores da enzima HMG-CoA redutase, que é a enzima que sintetiza o colesterol a partir de lipídios no corpo.

Ao inibir esta enzima, o nível de colesterol sintetizado no corpo pode ser reduzido. Da mesma forma, o acetaminofeno, popularmente comercializado sob a marca Tylenol, é um inibidor da enzima ciclooxigenase. Embora seja usado para aliviar a febre e a inflamação (dor), seu mecanismo de ação ainda não é completamente compreendido.

Como as drogas são descobertas? Um dos maiores desafios na descoberta de medicamentos é identificar um alvo de drogas. Um alvo de drogas é uma molécula que é literalmente o alvo da droga. No caso das estatinas, a HMG-CoA redutase é o alvo da droga. Alvos de drogas são identificados através de pesquisa meticulosa no laboratório. Identificar o alvo sozinho não é suficiente; os cientistas também precisam saber como o alvo age dentro da célula e quais reações dão errado no caso de doença.

Uma vez que o alvo e o caminho são identificados, o processo real de desenvolvimento de drogas começa. Nesse estágio, químicos e biólogos trabalham juntos para projetar e sintetizar moléculas que possam bloquear ou ativar uma reação em particular. No entanto, este é apenas o começo: se e quando um protótipo de droga for bem sucedido no desempenho de sua função,

Muitas enzimas não funcionam otimamente, ou mesmo de todo, a menos que se liguem a outras moléculas auxiliares não proteicas específicas. Eles podem se ligar temporariamente através de ligações iônicas ou de hidrogênio, ou permanentemente através de ligações covalentes mais fortes.

A ligação a estas moléculas promove a ótima forma e função de suas respectivas enzimas. Dois exemplos destes tipos de moléculas auxiliares são cofatores e coenzimas. Cofactores são íons inorgânicos, como íons de ferro e magnésio. As coenzimas são moléculas auxiliares orgânicas, aquelas com uma estrutura atômica básica composta de carbono e hidrogênio.

Como as enzimas, essas moléculas participam de reações sem serem modificadas e, por fim, são recicladas e reutilizadas. As vitaminas são a fonte de coenzimas. Algumas vitaminas são precursoras de coenzimas e outras agem diretamente como coenzimas.

A vitamina C é uma coenzima direta para múltiplas enzimas que participam na construção do importante tecido conjuntivo, o colágeno. Portanto, a função enzimática é, em parte, regulada pela abundância de vários co-fatores e coenzimas, que podem ser fornecidos pela dieta de um organismo ou, em alguns casos, produzidos pelo organismo.

Inibição do feedback nas vias metabólicas

Moléculas podem regular a função enzimática de várias maneiras. A questão principal permanece, no entanto: quais são essas moléculas e de onde elas vêm? Alguns são cofatores e coenzimas, como você aprendeu. Que outras moléculas na célula fornecem regulação enzimática, como modulação alostérica e inibição competitiva e não competitiva?

Talvez as fontes mais relevantes de moléculas reguladoras, no que diz respeito ao metabolismo celular enzimático, sejam os produtos das próprias reações metabólicas celulares. De uma maneira mais eficiente e elegante, as células evoluíram para usar os produtos de suas próprias reações para inibir a atividade enzimática.

A inibição de feedback envolve o uso de um produto de reação para regular sua própria produção adicional ( Figura). A célula responde a uma abundância dos produtos diminuindo a produção durante reações anabólicas ou catabólicas. Tais produtos de reação podem inibir as enzimas que catalisaram sua produção através dos mecanismos descritos acima.

Este diagrama mostra uma via metabólica em que três enzimas convertem um substrato, em três etapas, em um produto final. O produto final inibe a primeira enzima na via por inibição de feedback.
Vias metabólicas são uma série de reações catalisadas por múltiplas enzimas. A inibição por retroalimentação, em que o produto final da via inibe um processo a montante, é um mecanismo regulador importante nas células.

A produção de aminoácidos e nucleotídeos é controlada através da inibição de feedback. Além disso, o ATP é um regulador alostérico de algumas das enzimas envolvidas na quebra catabólica do açúcar, o processo que cria o ATP.

Desta forma, quando o ATP está em abundância, a célula pode impedir a produção de ATP. Por outro lado, o ADP serve como um regulador alostérico positivo (um ativador alostérico) para algumas das mesmas enzimas que são inibidas pelo ATP. Assim, quando os níveis relativos de ADP são altos em comparação com o ATP, a célula é acionada para produzir mais ATP através do catabolismo do açúcar.

Resumo da seção

Células executam as funções da vida através de várias reações químicas. O metabolismo de uma célula se refere à combinação de reações químicas que ocorrem dentro dela. Reações catabólicas dividem substâncias químicas complexas em mais simples e estão associadas à liberação de energia. Processos anabólicos constroem moléculas complexas a partir de moléculas mais simples e requerem energia.

No estudo de energia, o termo sistema refere-se ao assunto e ambiente envolvidos nas transferências de energia. A entropia é uma medida do distúrbio de um sistema. As leis físicas que descrevem a transferência de energia são as leis da termodinâmica. A primeira lei afirma que a quantidade total de energia no universo é constante.

A segunda lei da termodinâmica afirma que toda transferência de energia envolve alguma perda de energia de uma forma inutilizável, como a energia térmica. A energia vem em diferentes formas: cinética, potencial e livre. A mudança na energia livre de uma reação pode ser negativa (libera energia, exergônica) ou positiva (consome energia, endergônica). Todas as reações requerem uma entrada inicial de energia para prosseguir, chamada energia de ativação.

As enzimas são catalisadores químicos que aceleram as reações químicas, diminuindo sua energia de ativação. As enzimas têm um sítio ativo com um ambiente químico único que se ajusta a reagentes químicos específicos para essa enzima, chamados substratos. Pensa-se que as enzimas e substratos se ligam de acordo com um modelo de ajuste induzido. A ação enzimática é regulada para conservar recursos e responder de maneira otimizada ao meio ambiente.

Referências:

Glossário

energia de ativação
a quantidade de energia inicial necessária para que as reações ocorram
Site ativo
uma região específica na enzima onde o substrato se liga
inibição alostérica
o mecanismo para inibir a ação da enzima no qual uma molécula reguladora se liga a um segundo sítio (não o sítio ativo) e inicia uma mudança de conformação no sítio ativo, impedindo a ligação com o substrato
anabólico
descreve o caminho que requer uma entrada de energia líquida para sintetizar moléculas complexas das mais simples
bioenergética
o conceito de fluxo de energia através de sistemas vivos
catabólico
descreve o caminho no qual moléculas complexas são divididas em moléculas mais simples, produzindo energia como um produto adicional da reação
inibição competitiva
um mecanismo geral de regulação da atividade enzimática no qual uma molécula diferente do substrato da enzima é capaz de se ligar ao sítio ativo e impedir que o próprio substrato se ligue, inibindo assim a taxa total de reação da enzima
endergônico
descreve uma reação química que resulta em produtos que armazenam mais energia potencial química do que os reagentes
enzima
uma molécula que catalisa uma reação bioquímica
exergonic
descreve uma reação química que resulta em produtos com menos energia potencial química do que os reagentes, além da liberação de energia livre
inibição de feedback
um mecanismo de regulação da atividade enzimática no qual o produto de uma reação ou o produto final de uma série de reações seqüenciais inibe uma enzima para uma etapa anterior na série de reações
energia termica
a energia transferida de um sistema para outro que não é trabalho
energia cinética
o tipo de energia associada a objetos em movimento
metabolismo
todas as reações químicas que ocorrem dentro das células, incluindo aquelas que usam energia e aquelas que liberam energia
inibição não competitiva
um mecanismo geral de regulao da actividade enzimica, no qual uma molula reguladora se liga a um local diferente do local activo e evita que o local activo se ligue ao substrato; assim, a molécula inibidora não compete com o substrato pelo sítio ativo; inibição alostérica é uma forma de inibição não competitiva
energia potencial
o tipo de energia que se refere ao potencial para fazer o trabalho
substrato
uma molécula em que a enzima age
termodinâmica
a ciência das relações entre calor, energia e trabalho
Categorias
Bioquímica

Transporte Ativo: tipos, função, exemplos – Resumo

Mecanismos de transporte ativo requerem o uso da energia da célula, geralmente na forma de adenosina trifosfato (ATP). Se uma substância precisa se mover para dentro da célula contra seu gradiente de concentração, ou seja, se a concentração da substância dentro da célula deve ser maior que sua concentração no fluido extracelular, a célula deve usar energia para mover a substância. Alguns mecanismos de transporte ativo movem material de pequeno peso molecular, como íons, através da membrana.

Além de mover pequenos íons e moléculas através da membrana, as células também precisam remover e absorver moléculas e partículas maiores. Algumas células são capazes de englobar microrganismos unicelulares inteiros. Você pode ter formulado a hipótese de que a captação e liberação de partículas grandes pela célula requer energia. Uma partícula grande, no entanto, não pode passar através da membrana, mesmo com energia fornecida pela célula.

Gradiente eletroquímico

Discutimos gradientes de concentração simples – concentrações diferenciais de uma substância através de um espaço ou uma membrana – mas, nos sistemas vivos, os gradientes são mais complexos. Como as células contêm proteínas, a maioria das quais são negativamente carregadas, e como os íons se movem para dentro e para fora das células, há um gradiente elétrico, uma diferença de carga, através da membrana plasmática.

O interior das células vivas é eletricamente negativo em relação ao fluido extracelular no qual eles são banhados; ao mesmo tempo, as células têm maiores concentrações de potássio (K + ) e menores concentrações de sódio (Na + ) do que o líquido extracelular.

Assim, em uma célula viva, o gradiente de concentração e gradiente elétrico de Na +Promove a difusão do íon na célula, e o gradiente elétrico de Na + (um íon positivo) tende a direcioná-lo para dentro do interior carregado negativamente. A situação é mais complexa, no entanto, para outros elementos, como o potássio.

O gradiente elétrico de K + promove a difusão do íon na célula, mas o gradiente de concentração de K + promove a difusão para forada célula ( Figura ). O gradiente combinado que afeta um íon é chamado de gradiente eletroquímico e é especialmente importante para as células musculares e nervosas.

Uma membrana celular é mostrada com um canal de proteína que permite a passagem de íons para dentro e para fora da célula. O citoplasma tem maior concentração de potássio e o líquido extracelular tem maior concentração de sódio. Uma seta mostra o movimento de um íon de potássio para fora da célula através do canal de proteína.
Gradientes eletroquímicos surgem dos efeitos combinados de gradientes de concentração e gradientes elétricos. (crédito: modificação do trabalho por “Synaptitude” / Wikimedia Commons)
Veja também:

Movendo-se contra um gradiente

Para mover substâncias contra uma concentração ou um gradiente eletroquímico, a célula deve usar energia. Esta energia é colhida do ATP que é gerado pelo metabolismo celular. Mecanismos de transporte ativo, coletivamente chamados de bombas ou proteínas transportadoras, trabalham contra gradientes eletroquímicos.

Com exceção dos íons, pequenas substâncias passam constantemente pelas membranas plasmáticas. O transporte ativo mantém concentrações de íons e outras substâncias necessárias às células vivas frente a essas mudanças passivas. Muito do suprimento de energia metabólica de uma célula pode ser gasto na manutenção desses processos. Como os mecanismos de transporte ativo dependem do metabolismo celular para obter energia, eles são sensíveis a muitos venenos metabólicos que interferem no suprimento de ATP.

Existem dois mecanismos para o transporte de material de pequenas massas moleculares e macromoléculas. O transporte ativo primário move os íons através de uma membrana e cria uma diferença de carga através dessa membrana.

O sistema de transporte ativo primário usa o ATP para mover uma substância, como um íon, para a célula e, muitas vezes, ao mesmo tempo, uma segunda substância é removida da célula. A bomba de sódio-potássio, uma bomba importante em células animais, gasta energia para mover íons de potássio para a célula e um número diferente de íons de sódio para fora da célula ( Figura ). A ação desta bomba resulta em uma diferença de concentração e carga através da membrana.

Esta ilustração mostra a bomba de sódio-potássio. Inicialmente, a abertura da bomba está voltada para o citoplasma, onde três íons de sódio se ligam a ele. A bomba hidrolisa ATP para ADP e, como resultado, sofre uma mudança conformacional. Os íons de sódio são liberados no espaço extracelular. Dois íons de potássio do espaço extracelular agora ligam a bomba, que muda a conformação novamente, liberando os íons de potássio no citoplasma.
A bomba de sódio e potássio move os íons potássio e sódio através da membrana plasmática. (crédito: modificação do trabalho por Mariana Ruiz Villarreal)

O transporte ativo secundário descreve o movimento do material usando a energia do gradiente eletroquímico estabelecido pelo transporte ativo primário. Usando a energia do gradiente eletroquímico criado pelo sistema de transporte ativo primário, outras substâncias, como aminoácidos e glicose, podem ser trazidas para a célula através de canais de membrana. O próprio ATP é formado através de transporte ativo secundário usando um gradiente de íons de hidrogênio na mitocôndria.

Endocitose

A endocitose é um tipo de transporte ativo que move partículas, como grandes moléculas, partes de células e até mesmo células inteiras, para dentro de uma célula. Existem diferentes variações de endocitose, mas todas compartilham uma característica comum: a membrana plasmática da célula invagina, formando uma bolsa ao redor da partícula alvo. O bolso aperta, resultando na contenção da partícula em um vacúolo recém-criado que é formado a partir da membrana plasmática.

Três tipos de endocitose são mostrados: (a) fagocitose, (b) pinocitose, e (c) endocitose mediada por receptor. A parte a mostra a membrana plasmática formando uma bolsa em torno de uma partícula no fluido extracelular. A membrana subsequentemente engole a partícula, que fica presa em um vacúolo. A parte b mostra uma membrana plasmática formando uma bolsa ao redor do fluido no fluido extracelular. A membrana subsequentemente engole o fluido, que fica preso em um vacúolo. A parte c mostra uma parte da membrana plasmática que é revestida por clatrina no lado citoplasmático e tem receptores no lado extracelular. Os receptores se ligam a uma substância, depois se comprimem para formar uma vesícula revestida.
Três variações de endocitose são mostradas. (a) Em uma forma de endocitose, fagocitose, a membrana celular envolve a partícula e se espreme para formar um vacúolo intracelular. (b) Em outro tipo de endocitose, pinocitose, a membrana celular envolve um pequeno volume de fluido e se espreme, formando uma vesícula. (c) Na endocitose mediada por receptor, a captação de substâncias pela célula é direcionada para um único tipo de substância que se liga ao receptor na membrana celular externa. (crédito: modificação do trabalho por Mariana Ruiz Villarreal)

A fagocitose é o processo pelo qual partículas grandes, como células, são captadas por uma célula. Por exemplo, quando microrganismos invadem o corpo humano, um tipo de glóbulo branco chamado neutrófilo remove o invasor através desse processo, cercando e englobando o microrganismo, que é então destruído pelo neutrófilo ( Figura ).

Uma variação da endocitose é chamada pinocitose . Isso significa literalmente “beber de celular” e foi nomeado em um momento em que a suposição era de que a célula estava propositalmente absorvendo o líquido extracelular. Na realidade, esse processo leva em solutos que a célula precisa do fluido extracelular ( Figura ).

Uma variação direcionada de endocitose emprega proteínas de ligação na membrana plasmática que são específicas para certas substâncias ( Figura ). As partículas se ligam às proteínas e a membrana plasmática invagina, levando a substância e as proteínas para dentro da célula. Se a passagem através da membrana do alvo de endocitose mediada por receptoré ineficaz, não será removido dos fluidos dos tecidos ou do sangue. Em vez disso, ele permanecerá nesses fluidos e aumentará sua concentração.

Algumas doenças humanas são causadas por uma falha na endocitose mediada pelo receptor. Por exemplo, a forma de colesterol denominada lipoproteína de baixa densidade ou LDL (também conhecida como colesterol “ruim”) é removida do sangue por endocitose mediada por receptor. Na doença genética humana, hipercolesterolemia familiar, os receptores de LDL estão com defeito ou faltando completamente. As pessoas com essa condição têm níveis de colesterol com risco de vida em seu sangue, porque suas células não conseguem remover a substância química do sangue.

Exocitose

Em contraste com estes métodos de movimentação de material para uma célula é o processo de exocitose. A exocitose é o oposto dos processos discutidos acima, em que seu objetivo é expelir o material da célula para o fluido extracelular. Uma partícula envolta em membrana se funde com o interior da membrana plasmática. Essa fusão abre o envelope membranoso para o exterior da célula e a partícula é expelida para o espaço extracelular ( Figura ).

Uma vesícula contendo produtos residuais é mostrada no citoplasma. A vesícula migra para a membrana celular. A membrana da vesícula funde-se com a membrana celular e o conteúdo da vesícula é liberado para o fluido extracelular.
Na exocitose, uma vesícula migra para a membrana plasmática, liga-se e libera seu conteúdo para o exterior da célula. (crédito: modificação do trabalho por Mariana Ruiz Villarreal)

Resumo da seção

O gradiente combinado que afeta um íon inclui seu gradiente de concentração e seu gradiente elétrico. As células vivas precisam de certas substâncias em concentrações maiores do que existem no espaço extracelular. Subir as substâncias pelos seus gradientes eletroquímicos requer energia da célula. O transporte ativo usa energia armazenada no ATP para abastecer o transporte.

O transporte ativo de material de pequeno tamanho molecular usa proteínas integrais na membrana celular para mover o material – essas proteínas são análogas às bombas. Algumas bombas, que realizam transporte ativo primário, acoplam-se diretamente ao ATP para conduzir sua ação. No transporte secundário, a energia do transporte primário pode ser usada para mover outra substância para dentro da célula e aumentar seu gradiente de concentração.

Os métodos de endocitose requerem o uso direto de ATP para alimentar o transporte de partículas grandes, como macromoléculas; partes de células ou células inteiras podem ser englobadas por outras células em um processo chamado fagocitose.

Na fagocitose, uma porção da membrana invagina e flui ao redor da partícula, eventualmente se separando e deixando a partícula completamente envolvida por um envelope de membrana plasmática. Os vacúolos são decompostos pela célula, com as partículas usadas como alimento ou despachadas de alguma outra forma. A pinocitose é um processo semelhante em menor escala.

A célula expele resíduos e outras partículas através do processo reverso, exocitose. Os resíduos são movidos para fora da célula, empurrando uma vesícula membranosa para a membrana plasmática, permitindo que a vesícula se funda com a membrana e se incorpore na estrutura da membrana.

Referências:

Glossário

transporte Ativo
o método de transporte de material que requer energia
gradiente eletroquímico
um gradiente produzido pelas forças combinadas do gradiente elétrico e do gradiente químico
endocitose
um tipo de transporte ativo que move substâncias, incluindo fluidos e partículas, para uma célula
exocitose
um processo de passar material de uma célula
fagocitose
um processo que leva macromoléculas que a célula precisa do fluido extracelular; uma variação de endocitose
pinocitose
um processo que leva solutos que a célula precisa do fluido extracelular; uma variação de endocitose
endocitose mediada por receptores
uma variante de endocitose que envolve o uso de proteínas de ligação específica na membrana plasmática para moléculas ou partículas específicas
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