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Professora: Katia Queiroz. CONCEITO DE RESPIRAÇÃO É um conjunto de reações de oxirredução para a abtenção de energia a partir de uma fonte energética.

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1 Professora: Katia Queiroz

2 CONCEITO DE RESPIRAÇÃO É um conjunto de reações de oxirredução para a abtenção de energia a partir de uma fonte energética orgânica e que ocorre obrigatoriamente em todas as células. As reações de oxirredução consistem na transferência de H+ de um composto orgânico para outro com desprendimento de energia. A fonte de energia mais utilizada é a glicose (não a mais energética), os aminoácidos e os ácidos graxos fornecem mais energia mas são menos utilizados. C6H12O6 + 6O2 ® 6CO2 + 6H2O DG = 38 ATP

3 RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA: O aceptor final de hidrogênio na cadeia respiração não é o oxigênio, mas outra substância, como o sulfato e o nitrato. AERÓBIA: O aceptor final de hidrogênio na cadeia respiratória é o oxigênio.

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5 Etapas da Respiração Aeróbica A maior rentabilidade da respiração aeróbica em relação à fermentação é explicada pela completa "desmontagem" da molécula da glicose, com seus átomos de carbono separados em moléculas de CO2, e a total remoção dos seus átomos de hidrogênio ricos em energia. A respiração aeróbica (muitas vezes chamada, apenas, de respiração celular) é dividida em 3 etapas: A glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.

6 GLICÓLISE Na glicólise, cada molécula de glicose é desdobrada em dois piruvatos( formados por três átomos de carbono) Ocorre liberação de hidreogênio e energia, por meio de várias reações químicas. O hidrogênio combina-se com moléculas transportadoras de hidrogênio (NAD+), formando o NADH + H+. A energia librada é usada para a síntese de ATP, resultando, no final do processo, um saldo de 2 ATP.

7 Glicólise O piruvato formado na glicólise é um composto chave no metabolismo celular, pois pode ser utilizado tanto em processos aeróbios como em processos anaeróbios. O fator que influencia isso é o oxigênio. Na presença de O2 o piruvato é degradado em CO2 E H2O. Na ausência, é parcialmente degradado nos processos de fermentação.

8 Glicólise Fase que ocorre ainda no citoplasma. A glicose que penetra na célula na forma de glicose 6- fosfato, sofre a degradação, originando 2 ácidos pirúvicos + NADH+H+. NAD - nicotinamida é a substância que transfere o H de um composto para outro ATP - trifosfato de ademosina é formado por por adenina + ribose + 3 radicais fosfato. É a molécula que irá armazenar energia, que não será utilizada imediatamente pela célula. Se toda a energia produzida fosse liberada de forma imediata, a célula literalmente "queimaria".

9 2 ácido pirúvico + 2 co-A + 2 NAD ===> 2 acetil Co-A + 2 NADH + 2 CO2 Até a presente etapa, a partir de uma molécula de glicose foram formadas duas moléculas de acetil Co-A, duas moléculas de CO2, duas moléculas de ATP e quatro moléculas de NADH. A transformação do ácido pirúvico em acetil Co-A se dá na membrana das mitocôndrias. Portanto, todas as etapas posteriores irão se desenvolver no interior desse organóide citoplasmático, e não mais no hialoplasma.

10 Acetil CoA e o ciclo de Krebs O piruvato penetra na matriz mitocondrial e é transformado em acetil. Combina-se com o CoA formando o Acetil CoA e entra no ciclo de Krebs. O acetil CoA combina-se com um composto de 4C e libera a coenzima A.Forma-se o citrato. Ao longo do ciclo, o citrato perde carbonos na forma de CO2 e hidrogênios que são captados por NAD ou FAD.

11 Ao final, forma-se o composto de 4c que novamente se unirá ao acetil CoA reiniciando o ciclo.

12 A glicólise Todas as etapas da glicose acontecem no hialoplasma.

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14 Ciclo de Krebs O Ciclo de Krebs inicia-se com a doação do radical acetil do Acetil-CoA para um composto denominado Oxaloacetato, que é regenerado ao final de cada volta. Esta reação tem como produto o Ácido Cítrico ou Citrato, o primeiro intermediário da via, e é catalizada pela enzima Citrato-Sintase, uma enzima reguladora alostérica. São 8 as etapas enzimáticas do Ciclo de Krebs. Esse processo ocorre na matriz mitocondrial.

15 Na década de 1930, foi descoberta uma seqüência cíclica de reações, que se tornou conhecida por ciclo de Krebs (também chamado ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos). Todas as etapas desse ciclo acontecem no interior das mitocôndrias, mais especificamente na matriz mitocondrial. Esse ciclo remove os átomos de hidrogênio ricos em energia do acetil Co-A. Com a retira dos átomos de hidrogênio, há liberação dos átomos de carbono na forma de CO2, que deixa a célula como o produto estável da respiração aeróbica. Cada volta do ciclo de Krebs é movimentada por uma molécula de acetil Co-A. As principais etapas são representadas a seguir. Não há nenhum interesse em memorizá-las. São colocadas apenas para que possamos localizar os pontos de maior liberação de energia química

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17 Inicialmente, a molécula do acetil Co-A se funde a uma molécula de ácido oxalacético. A molécula resultante da fusão, o ácido cítrico, tem seis átomos de carbono. Em algumas etapas dessa seqüência cíclica são perdidos átomos de carbono e átomos de hidrogênio. Os átomos de carbono entram na formação de moléculas de CO2, liberadas pela célula. Os átomos de hidrogênio, ricos em energia, são recolhidos por aceptores. Um deles é o NAD, anteriormente citado. O outro é o FAD (flavina-adenina-dinucleotídeo). Em uma das etapas da seqüência, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP se converta em ATP. Portanto, em cada volta do ciclo de Krebs, são geradas duas moléculas de CO2, uma molécula de ATP, três moléculas de NADH e uma de FADH. Como cada molécula de glicose origina duas moléculas de acetil Co-A, permite que o ciclo de Krebs seja adicionado duas vezes. No total, o ciclo de Krebs produz, por molécula de glicose:

18 moléculas de CO2 2 moléculas de ATP 6 moléculas de NADH 2 moléculas de FADH As moléculas de CO2 são liberadas pela célula, juntamente com as outras geradas na glicólise, totalizando seis moléculas. As duas moléculas de ATP se tornam disponíveis para serem empregadas nas diversas formas de trabalho celular. As seis moléculas de NADH e as duas de FADH irão levar os átomos de hidrogênio que estão conduzindo para a cadeia respiratória, última etapa da respiração aeróbica.

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20 A cadeia respiratória A cadeia respiratória, também conhecida como cadeia transportadora de elétrons, é composta de uma série de enzimas aceptoras de elétrons, os citocro-mos. Todos eles estão presentes junto das cristas mitocondriais, onde a cadeia respiratória acontece.

21 CADEIA RESPIRATÓRIA E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Os processos ocorrem associados as cristas mitocondriais. Podem ser consideradas em 2 etapas; A cadeia respiratória,que é uma cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa. Por meio da cadeia respiratória, há transferência dos hidrogênios transportados pelo NAD+ e pelo FAD para o O2 FORMANDO ÁGUA.

22 O oxigênio é o aceptor final de hidrogênios e participa diretamente apenas na última etapa da cadeia respiratória. Na transferência de hidrogênios ao longo da cadeia respiratória, há liberação de elétrons excitados, que vão sendo captados por transportadores intermediários, dentre eles o citocromos. Os citocromos bombeiam prótons de H+.

23 Os prótons vão para o espaço entre as membranas interna e externa das mitocôndrias. Os prótons participarão da fosforilação oxidativa. Para cada molécula de glicose que entra na fosforilação oxidativa, formam-se 34 ATP.

24 Cada NADH + H+ libera energia p ara formar 3 ATP Cada FADH2 libera energia para formar 2 moléculas de ATP. Como são formados 10 NADH + H+ e 2 FADH2 nas etapas anteriores da respiração, teremos um total de 34 ATP.

25 Como o saldo energético da glicólise é de duas moléculas de ATP e o ciclo de KREBS também, o saldo energético final é de 38 ATP. Em certas células eucarióticas, como as musculares esqueléticas e provavelmente o cérebro, o saldo energético da respiração por molécula degradada é de 36ATP.Isso ocorre em função de um mecanismo relacionado á entrada de NADH na mitocôndria, em que há gasto de 1 ATP por NADH. Como são 2 NADH produzidos na glicólise por molécula de glicose, o gasto total é de 2 ATP.

26 Os citocromos são proteínas dotadas de um anel central, com íons ferro. Quando um citocromo recebe um par de elétrons, os seus íons Fe+++ se transformam em íons Fe++. Quando o par de elétrons é cedido para o citocromo seguinte, os íons ferro retornam ao seu estado inicial. Os pares de elétrons provenientes dos átomos de hidrogênio, ao passarem de um citocromo para outro, vão liberando energia e alcançando níveis energéticos progressivamente mais baixos. Ao mesmo tempo, os prótons H+ circulam pelo espaço existente entre as membranas interna e externa das mitocôndrias. Em algumas etapas da passagem dos pares de elétrons pela cadeia respiratória, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP seja ligada a mais um grupo fosfato, formando uma molécula de ATP. Como essa fosforilação se faz graças à energia proveniente da oxidação da glicose, é chamada fosforilação oxidativa.

27 Quando os elétrons entram na cadeia respiratória vindos dos átomos de hidrogênio trazidos pelo NADH, permitem a produção de três moléculas de ATP. Quando são trazidos pelo FADH, apenas duas moléculas de ATP são geradas. No final da passagem dos pares de elétrons pela cadeia transportadora, eles são recolhidos, juntamente com os seus respectivos prótons H+, pelo oxigênio, o que resulta em moléculas de água. O oxigênio é o aceptor final de elétrons da cadeia respiratória.

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33 APLICABILIDADE A falta de oxigênio faz com que os elétrons não sejam removidos do complexo de citocromos. Retrogradamente, os outros componentes da cadeia respiratória passam a reter elétrons, por não poder passá-los adiante. Com a parada na progressão dos pares de elétrons, cessa a produção de ATP e a célula morre por falência energética

34 Balanço Energético da Respiração Aeróbica. Até a década de 1980, admitia-se a rentabilidade energética da respiração aeróbica como sendo de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose degradada. Entretanto, com a descoberta de que a molécula de NADH produzida fora da mitocôndria origina apenas duas moléculas de ATP, esse valor foi revisto. Hoje, considera-se como correto que uma molécula de glicose produz, na respiração aeróbica, 36 moléculas de ATP. Há algumas células, como as células do coração, do fígado e dos rins humanos, que obtêm rendimento de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose. Entretanto, para a maioria delas, o rendimento é de 36 moléculas de ATP.

35 Rendimento Energético da Glicólise Anaeróbia

36 FOTOSSÍNTESE

37 A fotossíntese é um processo onde ocorre absorção de luz. É através dela que os vegetais produzem alimentos, o combustível indispensável para a vida da planta, do homem e de outros animais. As folhas possuem células denominadas fotossintetizadoras, que contém clorofila e são muito sensíveis à luz. Quando a luz incide em uma molécula de clorofila, esta absorve parte da energia luminosa que permite a reação do gás carbônico com água, produzindo carboidratos e liberando oxigênio.

38 A reação química que ocorre na fotossíntese pode ser esquematizada da seguinte forma: Fórmula Geral da Fotossíntese 6 CO H2O ----luz---+--clorof----> C6H12O6 + 6 H2O + 6 O2

39 Conceito A fotossíntese é um processo complexo, constituído por diversos fenómenos. Tudo começa quando a luz incide nas folhas e é captada pela clorofila. Este pigmento, com a energia da luz do sol, vai reagir com a água da seiva bruta, decompondo-a nos seus componentes básicos, ou seja, quebram-se as ligações entre os componentes que formam a água e dessa quebra liberta-se energia química (a energia das ligações), que fica armazenada na célula dentro de "caixinhas de energia".

40 Assim, a partir do dióxido de carbono do ar e da água que retira do solo, a planta fabrica os seus alimentos, convertendo a energia dos raios solares em energia química da matéria orgânica produzida. A folha, portanto, prende a energia da luz do sol e armazena-a na forma de energia química, nas ligações químicas entre os componentes dos hidratos de carbono. Depois, a partir do amido e dos sais minerais que retira do solo, a planta produz todos os outros materiais que precisa para viver e crescer, nomeadamente as proteínas. Para fabricar as proteínas as plantas necessitam de elementos químicos suplementares, tais como o azoto, o enxofre e o fósforo, que vão buscar aos sais minerais.

41 ETAPAS A energia é capturada do sol Esta energia é utilizada para decompôr a água e produzir energia química A energia química é utilizada para formar substâncias orgânicas, a partir do dióxido de carbono do ar

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43 Resumidamente dois estágios sequenciais ocorrem nos cloroplastos: a) Primeiro, a luz com certos comprimentos de onda são capturadas e convertidas em energia química por uma série de passos chamados de reações de luz ou reações luminosas ou ainda fase clara. Essas reações são processadas nas membranas internas do cloroplasto (tilacóides). b) Segundo, o CO2 é fixado e reduzido à compostos orgânicos, particularmente açúcares, por uma série de passos chamados de reações no escuro ou fixação de CO2 ou ainda fase escura. Esse processo ocorre na matriz fluída do cloroplasto (estroma).

44 A fotossíntese é a conversão de energia luminosa em energia química, onde ocorre a produção de carboidratos a partir do dióxido de carbono e água na presença de clorofila. As reações fotossintetizantes ocorrem em duas etapas: fase luminosa e fase escura. A fase luminosa ocorre na presença de luz. A energia proveniente da luz solar energiza um elétron da clorofila (que obtém esse elétron da água e gera O2 como subproduto), capacitando-o a se mover por uma cadeia transportadora de elétrons, aonde vão perdendo a energia produzindo ATP. Este caminho é chamado de transporte cíclico e utiliza o fotossistema I. O transporte acíclico ocorre com a participação de dois fotossistemas. Os elétrons da clorofila do Fotossistema I é bombeado juntamente com o íon H+, que são recolhidos pelo NADP+, convertendo-o em NADPH. Esta síntese é também chamada de fosforilação acíclica. Na fase escura, acontecem as reações de fixação do carbono, que ocorre no estroma. O ATP e o NADPH produzidos na fase luminosa servem como fonte de energia e como força redutora, respectivamente, para converter o CO2 em carboidratos e muitas outras moléculas orgânicas.

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46 Fase clara A fotossíntese é dividida em duas fases: clara e escura. A fase clara, também chamada de fotoquímica, consiste na incidência da luz solar sob a clorofila A. Elétrons são liberados e recebidos pela plastoquinona (aceptor primário de elétrons). Estes elétrons passam por uma cadeia transportadora liberando energia utilizada na produção de ATP. Os elétrons com menos energia entram na molécula de clorofila A repondo os liberados pela ação da luz. A molécula de clorofila absorve energia luminosa. Este energia é acumulada em elétrons que, por este fato, escapam da molécula sendo recolhidos por substâncias transportadoras de elétrons. A partir daí, estes irão realizar a fotofosforilação, que, dependendo da substância transportadora, poderá ser cíclica ou acíclica. Em todos os dois processos, os elétrons cedem energia, que é utilizada para a síntese de ATP através de fosforilação (processo em que adiciona um fosfato rico em energia no ADP).

47 Fotofosforilação acíclica Esta relacionada basicamente com a fotólise da água Fotofosforilação cíclica: O elétron sai da clorofila A, é captado pela ferrodoxina e passa por transportadores de elétrons, havendo nos cloroplastos. liberação de energia, que será utilizada na síntese de ATP. É importante citar que estes processos acontecem simultaneamente nos cloroplastos.

48 Fase escura Ocorre no estroma dos cloroplastos e é nesta fase que se forma a glicose, pela reação inicial entre o gás carbônico atmosférico e um composto de 5 carbonos, a ribulose difosfato (RDP), que funciona como suporte para a incorporação do CO2.

49 Ciclo de Calvin A molécula de CO2 se liga ao suporte de RDP desencadeando um ciclo de reações no qual se formam vários compostos de carbono. Para formação de uma molécula de glicose é necessário que ocorram 6 ciclos destes. Os átomos de Hidrogênio da água são adicionados a compostos de carbonos, obtidos a partir de CO2, havendo uma redução de gás, com produção de glicose.

50 Fatores que afetam a Fotossíntese A fotossíntese é afetada por vários fatores, tais como a intensidade luminosa, a temperatura e a concentração de gás carbônico no ar. Por exemplo: em uma planta mantida em um ambiente com temperatura e concentração de CO2 constantes, a quantidade de fotossíntese realizada passa a depender exclusivamente da luminosidade

51 FATORES - INTERFERÊNCIA Qualquer temperatura abaixo ou acima da ótima resulta em condição limitante para as reações de fotossíntese. Abaixo da temperatura ótima a energia cinética das moléculas reagentes (CO2, H2O) é insuficiente para conseguir o rendimento químico. Acima da temperatura ótima as enzimas vão se desnaturando, podendo até parar as reações.

52 A construção do gráfico acima utiliza dados obtidos em condições experimentais de laboratório. Observa-se que a concentração ótima é atingida em 0,2% de CO2, pois acima dessa concentração a taxa de fotossíntese

53 A observação do gráfico acima demonstra que as intensidades luminosas abaixo do ponto de saturação luminosa são valores limitantes do processo fotossintético. Acima dessa intensidade ótima já não haverá mais melhoria na taxa de rendimento.

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