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Biologia 1
O METABOLISMO ENERGÉTICO
13
AULA
1. METABOLISMO ENERGÉTICO
Um dos principais fatores limitantes a vida dos seres vivos é a obtenção de energia para as suas atividades. De acordo com
a teoria heterotrófica, os primeiros seres vivos seriam procariontes heterotróficos vivendo num meio aquático, de onde
retirariam nutrientes, formados na atmosfera e acumulados nos lagos e oceanos primitivos.
Devido á sua grande simplicidade, estes seres utilizariam processos igualmente rudimentares para retirar energia dessas
moléculas de que se alimentavam. Esse mecanismo seria semelhante à fermentação realizada ainda por muitos organismos
atuais.
Há mais de 2 bilhões de anos, surgiram os primeiros organismos autotróficos, procariontes capazes de produzir o
seu próprio alimento através da fotossíntese. Este processo revolucionário, além de permitir a sobrevivência dos autotróficos,
também serviu aos heterotróficos, que passaram a alimentar-se deles.
Os organismos retiram energia das mais diversas moléculas orgânicas (açucares, aminoácidos, ácidos graxos, etc.),
mas a glicose é a mais freqüente, tanto na fermentação como na respiração. Para a fermentação ou respiração os organismos
heterotróficos obtém a glicose se alimentado dos únicos que produzem glicose, os organismos autotróficos fotossintetizantes.
Atualmente, apenas algumas bactérias e fungos utilizam o processo de fermentação para obter energia. Todos os
outros organismos, sejam autótrofos (algas e plantas) ou heterótrofos (algumas bactérias, fungos e protozoários e animais), se
utilizam da respiração aeróbica, um processo de obtenção de energia muito mais eficiente do que a fermentação.
2. O PAPEL DA ATP
A energia utilizada pelas células para a fermentação e respiração nunca são usadas diretamente no trabalho celular.
Antes essa energia é armazenada numa substância chamada ATP (adenosina trifosfato) que, oportunamente, transfere essa
energia ao trabalho celular.
A ATP representa uma forma cômoda de armazenar e distribuir energia dentro da célula. Como a ATP é uma substância
solúvel em água, ela facilmente se difunde até qualquer região da célula que necessite de energia.
3. FOTOSSÍNTESE
A fotossíntese é o processo através do qual as plantas, seres autotróficos (seres que produzem seu próprio alimento) e
alguns outros organismos transformam energia luminosa em energia química processando o dióxido de carbono e outros
compostos (CO ), água (H O) e minerais em compostos orgânicos e produzindo oxigênio gasoso (O ).
A equação simplificada do processo é a formação de glicose: 6H O + 6CO + luz→ 6O +C H O .
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Na ilustração abaixo, a planta acumula energia a partir da luz para uso no seu metabolismo, formando adenosina tri-fosfato,
o ATP, a moeda energética dos organismos vivos.
A fotossíntese inicia a maior parte das cadeias alimentares na Terra. Sem ela, os animais e muitos outros seres
heterotróficos seriam incapazes de sobreviver porque a base da sua alimentação estará sempre nas substâncias orgânicas
proporcionadas pelas plantas verdes.
Do mesmo modo que a respiração, a fotossíntese não é uma única reação química, mas uma serie de reações que
dependem uma das outras.
3.1 Fase de “claro” e fase de “escuro”
Fase de “claro” (fotoquímica): nessa fase, as reações dependem da luz. Podem ser subdividias em:
A) fotólise da água: a água é quebrada em átomos de oxigênio
B) fosforilação: ADP + P transforma-se em ATP em presença de luz.
Fase de “escuro” (enzimática) : aqui o CO vai ser reduzido a glicose pelo hidrogênio. Como se trata de uma reação
endotérmica, a energia é fornecida pelos ATP produzidos na fase de claro.
Obs.: a fase de claro tem participação da clorofila e necessidade de luz, já a fase de escuro é indiferente a presença de luz, mas
depende da fase de claro para ocorrer. Portanto as duas fases ocorrem na natureza durante o dia.
Há, no cloroplasto, uma nítida divisão de trabalho: enquanto a fase de claro ocorre nas lamelas e grana (devido à clorofila),
toda a fase de escuro acontece no estroma. Assim água, ADP+P e NADP, que participam da fase de claro, entram nas lamelas
e grana, e transformam-se em oxigênio, NADPH e ATP. Estas duas substâncias, junto com o CO que vem do ambiente,
participam da fase de escuro, havendo produção de glicose. A glicose pode ser enviada para outras partes da planta ou, então,
transformada em amido, que é armazenado.
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4. QUIMIOSSÍNTESE
A quimiossíntese é uma reação que produz energia química, convertida da energia de ligação dos compostos inorgânicos
oxidados. Sendo a energia química liberada, empregada na produção de compostos orgânicos e gás oxigênio (O ), a partir da
reação entre o dióxido de carbono (CO ) e água molecular (H O), conforme demonstrado abaixo:
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- Primeira etapa:
Composto Inorgânico + O → Compostos Inorgânicos oxidados + Energia Química
- Segunda etapa:
CO + H O + Energia Química → Compostos Orgânicos + O
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Esse processo autotrófico de síntese de compostos orgânicos ocorre na ausência de energia solar. É um recurso
normalmente utilizado por algumas espécies de bactérias e arqueobactérias (bactérias com características primitivas ainda
vigentes), recebendo a denominação segundo os compostos inorgânicos reagentes, podendo ser: ferrobactérias e nitrobactérias
ou nitrificantes (nitrossomonas e nitrobacter, gênero de bactérias quimiossíntetizantes).
As ferrobactérias oxidam substâncias à base de ferro para conseguirem energia química, já as nitrificantes, utilizam
substâncias à base de nitrogênio.
Presentes no solo, as nitrossomonas e nitrobacter, são importantes organismos considerados biofixadores de nitrogênio,
geralmente encontradas livremente no solo ou associadas às plantas, formando nódulos radiculares.
A biofixação se inicia com a assimilação no nitrogênio atmosférico (N ), transformando-o em amônia (NH ), reagente oxidado
pela nitrossomona, resultando em nitrito (NO ) e energia para a produção de substâncias orgânicas sustentáveis a esse gênero
de bactérias.
O nitrito, liberado no solo e absorvido pela nitrobacter, também passa por oxidação, gerando energia química destinada à
produção de substâncias orgânicas a esse gênero e nitrato (NO ), aproveitado pelas plantas na elaboração dos aminoácidos.
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Reação quimiossintética nas Nitrossomonas:
NH3 (amônia) + O → NO (nitrito) + Energia
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6 CO + 6 H O + Energia → C H O (Glicose - Compostos Orgânicos) + 6 O
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Reação quimiossintética nas Nitrobacter:
NO2 (nitrito) + O2 → NO3 (nitrato) + Energia
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6 CO + 6 H O + Energia → C H O + 6 O
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Assim, podemos perceber que o mecanismo de quimiossíntese, extremamente importante para a sobrevivência das
bactérias nitrificantes, também é bastante relevante ao homem. Conforme já mencionado, o nitrito absorvido pelas plantas,
convertidos em aminoácidos, servem como base de aminoácidos essenciais à nutrição do homem (um ser onívoro: carnívoro e
herbívoro).
Dessa forma, fica evidente a interdependência existente entre os fatores bióticos (a diversidade dos organismos) e os fatores
abióticos (aspectos físicos e químicos do meio ambiente).
5. RESPIRAÇÃO AERÓBICA
A respiração aeróbica se desenvolve, sobretudo, nas mitocôndrias, organelas citoplasmáticas que atuam como verdadeiras
"usinas" de energia.
C H O + O -> 6 CO + 6 H O + energia
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Nessa equação, verifica-se que a molécula de glicose (C H O ) é "desmontada" de maneira a originar substâncias
relativamente mais simples (CO e H O). A "desmontagem" da glicose, entretanto, não pode ser efetuada de forma repentina, uma
vez que a energia liberada seria muito intensa e comprometeria a vida da célula. É preciso, portanto, que a glicose seja
"desmontada" gradativamente. Assim, a respiração aeróbica compreende, basicamente, três fases: glicólise, ciclo de Krebs e
cadeia respiratória.
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5.1 Glicólise
Glicólise significa "quebra". Nesse processo, a glicose converte-se em duas moléculas de um ácido orgânico dotado de 3
carbonos, denominado ácido pirúvico (C H O ). Para a ser ativada e tornar-se reativa a célula consome 2 ATP (armazena energia
química extraída dos alimentos distribuindo de acordo com a necessidade da célula). No entanto, a energia química liberada no
rompimento das ligações químicas da glicose permite a síntese de 4 ATP. Portanto, a glicólise apresenta um saldo energético
positivo de 2 ATP.
Na conversão da glicose em ácido pirúvico, verifica-se a ação de enzimas denominadas desidrogenases, responsáveis,
como o próprio nome diz, pela retirada de hidrogênios. Nesse processo, os hidrogênios são retirados da glicose e transferidos a
dois receptores denominados NAD (nicotinamida adenina dinucleotídio). Cada NAD captura 2 hidrogênios. Logo, formam-se 2
NADH .
Obs: A glicólise é um fenômeno que ocorre no hialoplasma, sem a participação do O2.
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5.2 Ciclo de Krebs
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O ácido pirúvico, formado no hialoplasma durante a glicose, penetra na mitocôndria, onde perde CO , através da ação de
enzimas denominadas descarboxilases. O ácido pirúvico então converte-se em aldeído acético.
O aldeído acético, pouco reativo, combina-se com uma substância chamada coenzima A (COA), originando a acetil-coenzima
A (acetil-COA), que é reativa. Esta, por sua vez combina com um composto. Nesse momento inicia-se o ciclo de Krebs, fenômeno
biológico ocorrido na matriz mitocondrial.
Da reação da acetil-CoA, ocorrem series de desidrogênações e descarboxilações até originar uma nova molécula de ácido
oxalacético, definido um ciclo de reações, que constitui o ciclo de Krebs.
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5.3 Cadeia respiratória
Essa fase ocorre nas cristas mitocondriais. Os hidrogênios retirados da glicose e presentes nas moléculas de FADH e
NADH são transportados até o oxigênio, formando água. Dessa maneira, na cadeia respiratória o NAD e o FAD funcionam como
transportadores de hidrogênios.
Na cadeia respiratória, verifica-se também a participação de citocromos, que tem papel de transportar elétrons dos
hidrogênios. À medida que os elétrons passam pela cadeia de citocromos, liberam energia gradativamente. Essa energia é
empregada na síntese de ATP.
Depois de muitos cálculos..., podemos dizer que o processo respiratório aeróbico pode, então, ser equacionado assim:
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C H O + 6 O -> CO + 6 H O + 38 ATP
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6. RESPIRAÇÃO ANAERÓBICA
O processo de extração de energia de compostos sem utilização de oxigênio (O ) é denominado respiração anaeróbica.
Alguns organismos, como o bacilo de tétano, por exemplo, têm na respiração anaeróbica o único método de obtenção de energia
– são os chamados anaeróbicos estritos ou obrigatórios. Outros como os levedos de cerveja, podem realizar respiração aeróbica
ou anaeróbica, de acordo com a presença ou não de oxigênio – são por isso chamados de anaeróbicos facultativos.
Na respiração aeróbica, o O funciona como aceptor final de hidrogênios. Na respiração anaeróbica, também fica evidente a
necessidade de algum aceptor de hidrogênios. Certas bactérias anaeróbicas utilizam nitratos, sulfatos ou carbonatos como
aceptores finais de hidrogênios. Os casos em que os aceptores de hidrogênios são compostos orgânicos que se originam da
glicólise. Esses tipos de respiração anaeróbica são chamados de fermentações.
6.1 Fermentação – rendimento energético inferior
Nos processos fermentativos, a glicose não é totalmente " desmontada ". Na verdade, a maior parte da energia química
armazenada na glicose permanece nos compostos orgânicos que constituem os produtos finais da fermentação.
Há 2 tipos principais de fermentação: a alcoólica e a láctica. Ambas produzem 2 ATP no final do processo. Portanto, o
processo fermentativo apresenta um rendimento energético bem inferior ao da respiração aeróbica, que produz 38 ATP .
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6.1.1 A fermentação alcoólica
Na fermentação alcoólica, a glicose inicialmente sofre a glicólise, originando 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 NADH E um
saldo energético positivo de 2 ATP, em seguida o ácido pirúvico é descarboxilado, originando aldeído acético e CO2, sob a ação
de enzimas denominadas descarboxilases. O aldeído acético, então, atua como receptor de hidrogênios do NADH e se converte
em álcool etílico.
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6.1.2 A fermentação láctica
Na fermentação láctica, a glicose sofre glicólise exatamente como na fermentação alcoólica. Porém enquanto na
fermentação alcoólica o aceptor de hidrogênios é o próprio aldeído acético, na fermentação láctica o aceptor de hidrogênios é o
próprio ácido pirúvico, que se converte em ácido láctico. Portanto não havendo descarboxilação do ácido píruvico, não ocorre
formação de CO .
Veja abaixo a equação simplificada da fermentação láctica:
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C H O -> 2C H O + 2ATP
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A fermentação láctica é realizada por microorganismos (certas bactérias, fungos e protozoários) e por certos animais.
As bactérias do gênero Lactobacillus são muito empregadas na fabricação de coalhadas, iogurtes e queijos. Elas promovem o
desdobramento do açúcar do leite (lactose) em ácido láctico. O acúmulo de ácido láctico no leite torna-o "azedo", indicando uma
redução do pH. Esse fato provoca a precipitação das proteínas do leite, formado o coalho.
7. EXERCÍCIOS
01) (UFF) A fotossíntese é o processo biológico predominante para a produção do oxigênio encontrado na atmosfera.
Aproximadamente 30% do nosso planeta é constituído por terra, onde se encontram grandes florestas, e 70% por água,
onde vive o fitoplâncton.
Considerando-se estas informações e o ciclo biogeoquímico do oxigênio, pode-se afirmar que:
a) As florestas temperadas e a Floresta Amazônica produzem a maior parte do oxigênio da Terra.
b) A Floresta Amazônica é a principal responsável pelo fornecimento de oxigênio da Terra.
c) As algas microscópicas são as principais fornecedoras de oxigênio do planeta.
d) A Mata Atlântica é a maior fonte de oxigênio do Brasil.
e) Os manguezais produzem a maior parte do oxigênio da atmosfera.
02) Na respiração aeróbia, NADs e FADs:
a) São produzidos no estroma das mitocôndrias.
b) Evitam, de forma definitiva, a acidose no citoplasma.
c) Participam de reações de fosforilação do Ciclo de Krebs.
d) Cumprem o mesmo papel de quando participam na fotossíntese.
e) Podem ser reduzidos, aceptando hidrogênios provenientes da degradação de compostos orgânicos.
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