respiração - Departamento de Biologia ( UFLA )
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE LAVRAS DEPARTAMENTO DE BIOLOGIA SETOR DE FISIOLOGIA VEGETAL RESPIRAÇÃO Amauri Alves de Alvarenga Lavras – MG 2004 RESPIRAÇÃO AMAURI ALVES DE ALVARENGA A fotossíntese fornece substratos orgânicos básicos dos quais dependem as plantas. Com seu metabolismo do C associado, a respiração libera, de forma controlada, a energia armazenada nos compostos de carbono para o uso celular. A respiração aeróbica, comum a quase todos os organismos eucarióticos, é um processo biológico pelo qual os compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e subseqüentemente oxidados de maneira controlada. A energia livre produzida é transitoriamente armazenada na forma de ATP, podendo ser prontamente utilizada nos processos celulares vitais e no desenvolvimento da planta. Os carboidratos produzidos pelas plantas durante a fotossíntese, constituem a principal fonte de energia para os organismos vivos. Embora os lipídeos, ácidos orgânicos e ocasionalmente as proteínas possam servir como substrato respiratório, praticamente toda a energia produzida através do catabolismo advém dos carboidratos. Do ponto de vista químico, a respiração vegetal pode ser expressa como sendo a oxidação da molécula de sacarose (12 átomos de C) e a redução de 12 moléculas de O2, resultando na seguinte reação líquida: C12H22O11 + 12O2 12CO2 + 11H2O A completa oxidação de uma molécula de sacarose rende uma energia livre correspondente a 1.380 kcal, a qual é utilizada em no metabolismo celular para a biossíntese de inúmeras moléculas essenciais ao processo do desenvolvimento e a produção vegetal. Esta expressão simplificada da respiração aeróbica representa uma seqüência de inúmeras reações metabólicas, em quatro etapas distintas e agrupadas: glicólise, ciclo dos ácidos tricarboxílicos (ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs), rota das pentoses fosfato e fosforilação oxidativa. 1. Glicólise De ocorrência citoplasmática, a glicólise tem por definição clássica a conversão de uma molécula de glicose em duas de piruvato através de uma seqüência de 10 reações que podem ocorrer tanto na ausência quanto na presença de O2 (figura 3.1), porém, sem sua participação. Durante a etapa glicolítica, substratos de diferentes origens são canalizados para triose fosfato. Cada molécula de sacarose (C12H22O11) metabolizada no citosol produz quatro moléculas de triose-fosfato. È importante observar que a glicólise inicia-se pela fosforilação de hexoses (glicose e frutose) provenientes da hidrólise da sacarose. Os produtos da fotossíntese tais como hexose e triose-fosfato também constituem substratos respiratórios que abastecem a glicólise. Os amiloplastos, a partir da hidrólise do amido, fornecem glicose que a ser fosforilada (G-6-P), deixa a organela, indo para o citoplasma para ser oxidada, inicialmente pela via glicolítica. CITOSOL PLASTÍDEO Amido GLICÓLISE Sacarose UDP Invertase PPi AT P Hexoquinas e AD P Glicose ADP Glicose quinase Fosfoglico -mutase Hexose fosfato isomerase Fosfofrutoquinas e PPi-dependente Fosfoglico -mutase Glicose-1-P Frutose-6-P Glicose-6-P Hexose fosfato H2O AT P UDP-Glicose pirofosforilas e UT P AT P Hexoquinas e AD P Pi Glicose-1-P UDP-Glicose Frutose Glicose Amilase Amido fosforilase Sacarose sintase Glicose-6-P Hexose fosfato isomerase PPi AT P Pi Glicose-6-P AMILOPLASTOS Fosfofrutoquinase ATP-dependente AD P Frutose-1,6-bifosfato Aldolase Trioses fosfato Gliceraldeido3-fosfato Triose fosfato isomerase Diidroxiacetona fosfato Trioses fosfato CLOROPLASTOS Gliceraldeído-3fosfato desidrogenase Pi Gliceraldeido3-fosfato 1,3-Bifosfoglicerato ADP NAD+ NADH ATP Fosfoglicerato quinase 3-Fosfoglicerato Fosfoglicerato mutase 2-Fosfoglicerato Enolase H2O PEP carboxilase HCO3- Fosfoenolpiruvato Oxaloacetato ADP Piruvato quinase ATP Pi NAD+ Piruvato Malato CO2 Piruvato descarboxilase Acetaldeído NADH NAD+ Etanol Álcool desidrogenase NADH NADH Lactato desidrogenase NAD+ Lactato Para a MITOCÔNDRIA Reações de fermentação Figura 3.1: Reações da glicólise e via fermentativa em plantas superiores (adaptado de Taiz & Zeiger, 2004). Na fase de conversão de energia da glicólise, a triose fosfato é convertida a piruvato. A forma oxidada do NAD+ é reduzida a NADH pela gliceraldeido-3-fosfato desidrogenase. O ATP é sintetizado nas reações catalisadas pela fosfoglicerato quinase e piruvato quinase. Um produto final alternativo, fosfoenolpiruvato, pode ser convertido a malato para oxidação mitocondrial; podendo o NADH ser reoxidado durante a fermentação ou pela lactato desidrogenase ou pela álcool desidrogenase. Embora seja uma das funções da glicólise gerar ATP, a primeira fase representa uma fase de gasto. Nos animais, a glicose é o principal substrato da respiração, enquanto na maioria das plantas, é a sacarose. Nos vegetais, por ação da sacarose sintase no citosol, a sacarose na presença de UDP é convertida em frutose e UDP-glicose. Na primeira fase da glicólise, por ação da UDP-glico pirofosforilase, a UDP-glicose + 2Pi se transforma em glicose-6-fosfato. Em alguns tecidos, a sacarose por ação da invertase citosólica é hidrolisada em hexoses (frutose e glicose). Nesta fase, a glicose é fosforilada pela enzima hexoquinase, produzindo glicose-6 fosfato, que em seguida vai a frutose-6-fosfato por ação de uma isomerase hexose-fosfato. A geração de frutose 1,6 bifosfato se dará pela ação da fosfofrutoquinase dependente de ATP ou por quinase dependente de PPi. Aqui reside um ponto de controle da glicólise. Da frutose 1,6 bifosfato, há formação de duas moléculas com 3 átomos de carbono cada uma (triose-fosfato), a dihidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato. Nota-se então que nesta fase são gastas duas moléculas de ATP. Na segunda fase, ocorre a produção de energia que é conservada através da fosforilação de quatro moléculas de ADP a ATP, por ocasião da conversão das duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato em duas moléculas de ácido pirúvico. Nesta fase, ocorre também a redução de duas moléculas de NAD+ a NADH. A expressão abaixo representa a equação geral da glicólise: Glicose + 2NAD+ + 2 ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2ATP + 2H2O Embora 4 moléculas de ATP sejam formadas na segunda fase da glicólise, o rendimento líquido final é de apenas 2 moléculas de ATP por molécula de glicose degradada, uma vez que duas moléculas de ATP foram gastas na primeira fase. Sob condições aeróbicas, as duas moléculas de NADH são reoxidadas na membrana interna da mitocondria produzindo 4 moléculas de ATP. Desse modo, sob condições aeróbicas a produção líquida de ATP por molécula de glicose degradada é igual a 6. A figura 3.1 apresentada anteriormente mostra o rendimento energético na via glicolítica. Respiração anaeróbica Na ausência de oxigênio, o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa não operam, logo, a glicólise não continua a operar pelo fato do suprimento de NAD ser limitado, ficando todo ele na forma reduzida (NADH). Para superar tal problema, plantas e outros organismos prosseguem o metabolismo do piruvato utilizando as rotas fermentativas. Desta maneira, sob condições anaeróbicas, o produto final da respiração é o etanol ou lactato (Figura 3.1). O termo fermentação anaeróbica significa degradação anaeróbica da glicose. Na fermentação alcoólica, mais comum em plantas (mais conhecida como fermento de cervejaria) as enzimas piruvato descarboxilase álcool desidrogenase atuam sobre o piruvato produzindo ao final, etanol e CO2 e oxidando o NADH a NAD+. Na fermentação do ácido láctico (comum em músculos de mamíferos), mas encontrada também em plantas, a lactato desidrogenase utiliza o NADH para reduzir o piruvato a lactato, regenerando assim, o NAD+. Esta situação é comum quando plantas são submetidas a condições de solos alagados com pouco ou nenhum O 2, levando as células radiculares ao metabolismo fermentativo. No caso do milho, por exemplo, sob baixas concentrações de oxigênio no meio de cultivo, é comum acumular ácido láctico no início e, posteriormente, etanol, que possivelmente seje menos fitotóxico que o lactato que acumula no citosol, acidificando-o. Do ponto de vista de rendimento energético, pode-se dizer que a fermentação é um processo de baixo rendimento energético na forma de ATP. Para se ter o mesmo rendimento energético por mol de glicose oxidada em relação à respiração aeróbica, serão necessárias 18 moléculas de glicose. O balanço da glicólise em condições anaeróbica passa a ser então: 2 lactato + 2ATP + 2H2O + 2 H+ Glicose + 2ADP + 2Pi Nota-se então que a redução de uma molécula de glicose gera energia suficiente para síntese de 2 moléculas de ATP (4 moléculas a menos que em condições aeróbicas). Veja a figura 3.1 apresentada anteriormente. 1. Rota das Pentoses Fosfato A partir dos anos 50 ficou estabelecido que os tecidos vegetais utilizam a via oxidativa das pentoses fosfato para a oxidação de carboidratos no citosol (Figura 3.2). Nas células vegetais, a glicólise não é a única rota para a oxidação de açúcares. Partilhando metabólitos comuns, a rota oxidativa das pentoses fosfato pode realizar com eficiência tal tarefa (figura 3.2). As reações são catalizadas por enzimas solúveis presentes nos plastídeos e citosol. Geralmente, a via plastídica predomina em relação a via citosólica. As duas primeiras reações representam um evento oxidativo onde a glicose 6-fosfato (6 carbonos) é convertida em ribulose 5-fosfato (5 carbonos) com a liberação de CO2 e formação de NADPH. A partir da ribulose são produzidos pentoses, hexoses (glicose P e frutose P) que poderão ser utilizadas na via glicolítica. Estudos com 14C-glucose indicam que a glicólise representa uma via predominante, contabilizando de 80-95% do fluxo total de C na maioria dos tecidos vegetais. Em tecidos já diferenciados, a rota da RPF aumenta normalmente em relação aos tecidos meristemáticos. Em plantas atacadas por doenças tem sido observado um aumento na degradação de glicose via RPF. Essa rota desempenha diversos papéis no metabolismo vegetal, tais como a produção de poder redutor extramitocondrial e extracloroplastídeo, pois aquele produzido pelas reações fotoquímicas da fotossíntese é insuficiente para cobrir a demanda celular. O NADPH pode ser mobilizado para as vias de biossíntese de lipídios, esteróides, aminoácidos e componentes da parede celular. A redução de nitrato, especialmente em tecidos aclorofilados como raízes é dependente de NADPH. Parte da força redutora dessa rota pode ainda contribuir para a redução do O2, gerando ATP. A ribose produzida na RPF participa da biossíntese de nucleotídeos (ácidos nucléicos), o mesmo acorrendo com a eritrose-4-P, importante composto para a síntese de compostos fenólicos, aminoácidos aromáticos, lignina, flavonóides, fitoalexinas e reguladores de crescimento. A RPF pode ser considerada também como um atalho alternativo para a glicólise. Tem sido constatado também que plantas deficientes em boro apresentam um aumento na degradação de açúcar via RPF. Acredita-se que nos estádios iniciais do enverdecimento da plântula, fase ainda heterotrófica, a rota oxidativa das pentoses fosfato esteja envolvida em gerar intermediários do ciclo de Calvin. Ribulose – 5 – fosfato Pentose fosfato isomerase Pentose fosfato epimerase Ribose-5-fosfato Xilulose- 5-fosfato Glicose-6-fosfato NADP+ Glicose-6fosfatodesidrogenase Trancetolase NADPH 6-Fosfogluconato NADP+ Gliceraldeído-3-fosfato Sedo- heptulose-7Gluconato-6fosfatodesidrogenase fosfato NADP H Trancetolase Ribulose-5-fosfato Frutose-6-fosfato Eritrose- 4-fosfato Hexose fosfato isomerase Xilulose-5-fosfato Trancetolase Gliceraldeído-3-fosfato Figura 3.2: Reações da rota das pentoses fosfato em plantas superiores (adaptado de Taiz & Zeiger, 2004). 2. Ciclo de Krebs O ciclo de Krebs, também conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos ocorre integralmente na mitocondria sob condições aeróbicas. O nome ciclo de Krebs foi dado em homenagem ao bioquímico inglês Hans A. Krebs, ao postular em 1937, a via de oxidação do piruvato em músculo do peito de pomba. Posteriormente à sua descoberta, o ciclo do ácido cítrico tem sido observado em todos os tecidos de animais, plantas e microorganismo aeróbicos (Figura 3.3). A semelhança dos cloroplastos, as mitocôndrias são organelas semiautônomas constituídas por ribossomos, RNA e DNA que permitem a síntese de um certo número de enzimas e a transmissão de informações genéticas. As mitocôndrias se proliferam por divisões do tipo fissão e não por biogênese de novo. O número por células varia de acordo com a atividade do tecido, refletindo seu papel no metabolismo energético. O ciclo de Krebs constitui o segundo estádio da respiração (oxidação da glicose), iniciando com a entrada do piruvato citosólico no interior da mitocôndria através de uma proteína transportadora específica. Na matriz mitocondrial por ação de um complexo piruvato desidrogenase, em três etapas, o piruvato é descarboxilado, gerando CO2, NADH e acetil-CoA. Obseva-se que o ciclo de Krebs funciona de maneira circular onde uma volta no ciclo, inicia-se pela doação do grupo acetil do acetil-CoA ao composto de 4 carbonos (oxalacetato) que por ação da citrato sintase, resulta na formação de citrato, um composto de 6 carbonos. Após 9 passos seqüenciais catalizados enzimaticamente, regenerase o oxalacetato, que por sua vez está pronto para reagir com outro grupo acetil da molécula de acetil-CoA e iniciar uma nova volta no ciclo. Conclui-se então que não ocorre consumo líquido de oxalacetato. Teoricamente apenas uma molécula desse ácido é suficiente para a oxidação de um número infinito de piruvato. O piruvato citosólico pode ser regenerado via ciclo de Krebs, a partir do malato na presença de malato desidrogenase, via descarboxilação, produzindo também poder redutor (NADH). Uma característica do ciclo dos ácidos tricarboxílicos nas plantas, às vezes ausente em outros organismos, é a atividade significativa da enzima málica desidrogenase dependente de NAD+. Considerando-se que duas moléculas de piruvato são produzidas por molécula de glicose, a equação geral do ciclo de Krebs fica assim esquematizada: 2 Piruvato + 8 NAD + 2ADP + 2FAD 6CO2 + 8 NADH + 2 FADH2 + 2 ATP Piruvato CO2 NADH Enzima málica NAD+ CoA NAD+ A enzima málica descarboxila o malato a piruvato, permitindo as mitocôndrias vegetais oxidarem o malato. NADH Piruvato Desidrogenase CO2 Acetil-CoA Malato desidrogenase Oxalacetato NADH Citrato sintase CoA Citrato Aconitase NAD+ Isocitrato Malato NAD+ NADH Ciclo do Ácido Cítrico Fumarase H2O Isocitrato desidrogenase CO2 Fumarato 2-Oxoglutarato FADH2 Succinato desidrogenase Uma molécula de ATP é sintetizada por uma reação fosforilativa ao nível de substrato, durante a reação catalisada pela succinil-CoA sintetase. FAD Succinat o CoA NAD+ CoA NADH Succinil-CoA ATP ADP H2O CO2 2-Oxoglutarato desidrogenase Succinil-CoA sintetase Figura 3.3: Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos, ou de Krebs (adaptado de Taiz e Zeiger, 2004). 3. Rendimento Energético da Respiração Ao final do ciclo de Krebs, pode-se calcular o número de ATP formado quando uma molécula de glicose é oxidada à CO2 via glicólise e ciclo de Krebs (Figura 3.4). Figura 3.4: Rendimento energético da respiração aeróbica (Buchanan, 2000). Na glicólise há um consumo inicial de 2 ATP e uma produção posterior de 4 ATP e 2 NADH, dando um rendimento líquido de 6 ATP. No ciclo de Krebs são produzidos mais 30 ATP. Conclui-se assim que na respiração aeróbica há produção de 36 ATP, equivalente a 288 Kcal (36X 8 Kcal), dando um rendimento energético de aproximadamente 42% (288 Kcal / 686 Kcal), sendo o restante da energia perdida na forma de calor. Por outro lado, na respiração anaeróbica o rendimento energético é muito baixo, ou seja, cerca de 2% (2 ATP X 8 Kcal / 686 Kcal). 4. Cadeia de Transporte de Elétrons (CTE) Como foi visto anteriormente, para cada molécula de glicose oxidada envolvendo a glicólise e ciclo de Krebs, são geradas no citoplasma 2 moléculas de NADH e 8 moléculas de NADH e 2 moléculas de FADH 2 na mitocôndria. Esses compostos, ao serem reoxidados repassam seus elétrons ao oxigênio que é o aceptor final no processo via cadeia de transporte de elétrons (CTE). Veja a figura 3.5. A CTE consiste de uma série de proteínas transportadoras (Figura 3.5) que recebem e doam elétrons, através de reações de óxido-redução. Neste sistema, cada componente da cadeia recebe elétrons do componente precedente, transferindo-os para o seguinte em uma seqüência específica até o O2. Os elétrons, ao fluírem pela CTE perdem parte de sua energia que é conservada na forma de ATP, por meio da fosforilação oxidativa, onde há participação do O2. Figura 3.5: Cadeia transportadora de elétrons mitocondrial Nota-se por esta figura que existem 3 sítios de formação de ATP. Os pares de elétrons doados pelo NADH mitocondrial passam por todos esses sítios conservadores de energia formando um máximo de 3 ATP. Por outro lado, os elétrons doados pelo NADH (citoplasmático) e FADH 2 entram na CTE ao nível da ubiquinona, ou seja, um sítio adiante do primeiro, levando portanto, a formação de 2 ATP. 5. Cociente Respiratório (CR) Denomina-se cociente respiratório a relação entre o CO 2 liberado e o O2 consumido durante o processo respiratório, caracterizado ou identificado pela expressão CR = CO2 liberado / O2 consumido. A principal fonte de reserva de tecidos ou órgãos como sementes, por exemplo, pode ser identificada pelo seu CR. Veja os exemplos a seguir. O CR de cereais como milho, arroz, aveia e trigo é aproximadamente igual a 1 (um), indicando que o AMIDO é a principal reserva encontrada nas sementes; em sementes de oleaginosas como girassol, algodão, amendoin por serem ricas em lipídeos, o seu CR é menor ou igual a 0,7. Entretanto, órgãos vegetais com CR superior a 1 (um) é indicativo de oxidação predominante de ácidos orgânicos ou de oxidação por via fermentativa, onde o consumo de O2 é muito baixo, ou quase nulo. Vejamos alguns exemplos. (A) C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O + x ATP (CR=1) (glicose) (B) C18H36O2 + 26O2 18CO2 +18H2O + x ATP (CR=0,69) (Ácido oléico) (C) C4H4O5 + 2,5O2 4CO2 + 2H2O (CR=1,6) (Ácido oxalacético) Medindo-se o CR de uma semente ou de um outro órgão da planta, pode ser obtida a informação de qual o principal composto de reserva está sendo oxidado. A identificação do substrato que está sendo oxidado não é tão simples, pois vários tipos de compostos podem ser oxidados ao mesmo tempo. Portanto, o CR é tão somente um valor médio dependente da contribuição de cada substrato e de seu conteúdo relativo de C, H,e O. 6. Produção de Compostos Intermediários na respiração de Plantas A primeira vista, pode-se imaginar que a respiração tem como única função à produção de energia. Na realidade é um processo complexo que envolve uma série de reações que não só levam a produção de energia, mas, também a compostos intermediários imprescindíveis para a produção de aminoácidos, pigmentos fotossintéticos, celulose, fitohormônios, alcalóides, ácidos graxos, ácidos nucléicos e inúmeras outras biomoléculas essenciais às células (Figura 3.6). Em casos das células apresentarem um suprimento adequado de ATP, os substratos respiratórios serão completamente oxidados, gerando esqueletos de carbono para a biossíntese de outras moléculas. Outro aspecto importante é o fato da remoção de ácidos orgânicos do ciclo de Krebs prevenir a regeneração do oxalacetato. Neste caso, o ciclo é interrompido ou diminui sua velocidade até que haja, por exemplo, outros mecanismos capazes de regenerar estes importantes ácidos orgânicos. A esses mecanismos enzimáticos especiais pelos quais os intermediários do ciclo podem ser repostos, denominam-se “Reações anapleróticas”. Amido ADP ATP NAD NADP FMN CoA Citocininas Ácidos Nucléicos Glicose-1-fosfato Nucleotideo s Ácido Indolacético (auxina) Alcalóides Flavonóides Lignina Triptofano Tirosina Fenilalanin a Proteínas Pentose fosfato Celulose Glicose-6-fosfato Eritrose-4-fosfato Gliceraldeido-3-fosfato Ácido chiquímico Fosfoenolpiruvat o Alanin a Glicerol-3-fosfato Lipídeos e substâncias relacionadas Piruvato Acetil-CoA Aspartato Oxaloacetato Malato Ácidos graxos Citrato Ciclo do Ácido Cítrico Diidroxiacetona fosfato Giberelinas Carotenóides Esteróis Ácido abscísico Isocitrato Proteínas Fumarat o 2 - Oxoglutarato Succinat o Clorofilas Ficocianinas Fitocromo Citocromo Catalase Glutamato Outros aminoácidos Figura 3.6: Produção de compostos intermediários na respiração de plantas (adaptado de Taiz & Zeiger, 2004). 7. Respiração em plantas e órgãos vegetais A grande maioria dos estudos de respiração foram desenvolvidos em organelas isoladas e em extratos livres de células. O questionamento que se faz é, como o processo respiratório se realiza em nível de planta ou em ecossistemas naturais e agrícolas. As plantas de uma maneira geral, respiram aproximadamente a metade da produção fotossintética diária. Fatores relevantes incluem a espécie, hábito de crescimento da planta, tipo e idade do órgão, além de variáveis ambientais, como concentração de oxigênio, temperatura, suprimento de nutrientes e água. Estudos em plantas herbáceas revelam que 30 a 60% do ganho diário de carbono na fotossíntese é perdido pela respiração. Em espécies tropicais, essa perda de carbono pela respiração pode chegar a valores na ordem de 70 a 80%, devido a temperaturas noturnas elevadas. De maneira geral, quanto maior for a atividade metabólica de um tecido, maior sua taxa respiratória. Gemas em desenvolvimento, por exemplo, mostram elevadas taxas de respiratórias por unidade de matéria seca. Em regiões mais distantes dos meristemas essa taxa tende a decrescer significativamente. Tecidos vegetativos maduros e em caules geralmente são os que apresentam as menores taxas de respiração. Normalmente a atividade respiratória é mais intensa nas regiões de crescimento ativo, pois, além da demanda considerada normal de energia metabólica, há aquela demanda adicional para formação dos mais diversos componentes celulares. O principal substrato utilizado no processo respiratório é a sacarose, um dissacarídeo oriundo da fotossíntese e transportado via floema para as mais diversas regiões de consumo da planta. 7.1 Respiração de Frutos O desenvolvimento dos frutos encontra-se nas dependência dos carboidratos produzidos pela fotossíntese nas folhas vizinhas e dos nutrientes minerais absorvidos pelas raízes e translocados das folhas. Logo após a fertilização, há uma intensa divisão celular acompanhada de forte atividade respiratória que declina nas fases subseqüentes do desenvolvimento do fruto até a sua senescência. Certos frutos como banana, abacate, mamão, maçã, dentre outros, apresentam um aumento na atividade respiratória e depois um decréscimo, no fim da fase de maturação. A esse fenômeno, denomina-se de “Climatério”, fase essa antecedida por uma maior produção de Etileno. Parece que na maioria dos frutos, há pelo menos um pequeno aumento no teor de etileno, antes de se iniciar o aumento na respiração. Nestes frutos, acredita-se que o etileno seja a causa do climatério, este se antecipa e ocorre a “Maturação Induzida” (Figura 3.7). Nesses frutos, a aplicação exógena de substâncias que liberam etileno como o Ethrel (ácido 2-cloro-etilfosfônico) promove o mesmo tipo de efeito, fazendo com a maturação seja mais precoce. Os frutos não climatérios como os citrus, exibem padrões diferentes de respiração. O metabolismo do etileno, atualmente é bem conhecido, especialmente a sua biossíntese, o que vem a facilitar a compreensão do seu modo de ação no processo de maturação dos frutos climatérios, muito embora, estejam envolvidos outros fitohormônios como ácido indolacético (AIA), giberelinas e ácido abscísico. Isto tem permitido o desenvolvimento de metodologias para o controle da maturação desses frutos, como o uso de inibidores da síntese de etileno Sabe-se que estes fitohormônios podem estar ligados direta ou indiretamente com a produção de enzimas hidrolíticas e respiratórias. Durante o processo de maturação dos frutos, ocorre uma diminuição dos ácidos orgânicos e um acúmulo de açúcares livres (hexoses e sacaroses) devido, neste último caso, à hidrólise de amido, pectinas e outros polissacarídeos. Com o conhecimento dos fatores que afetam o climatério, pode-se retardar ou acelerar o amadurecimento do fruto. Os frutos climatérios estão na fase ótima para serem consumidos, próximo ao climatério. Figura 3.7: Produção de etileno e respiração: amadurecimento de banana, sugerindo a participação do etileno. 7.2 Respiração em Raízes Nas raízes, a respiração é intensa, sendo a energia produzida empregada na formação de novas raízes e no crescimento daquelas já existentes. A absorção e o acúmulo de íons minerais no sistema radicular são processos altamente dependentes de energia metabólica fornecida pelo processo respiratório. Neste contexto, há de ressaltar a importância da rota das pentoses monofosfato (RPF) nas raízes como geradora de poder redutor (NADPH) utilizado no processo de redução do nitrato a nitrito. O estudo respiratório merece uma atenção especial quando se trata de plantas submetidas à condições de baixa disponibilidade de oxigênio, sobretudo, em situações de enxarcamento e/ou inundação periódica comum em épocas de chuva, uma vez que predominará o metabolismo respiratório fermentativo ou anaeróbico. 7.3 Respiração nas Folhas Nas folhas, a liberação de CO2 é mais ou menos constante, não sofrendo alterações substanciais com a idade do tecido. Em tecidos vegetativos maduros, a respiração varia com a espécie e as condições sob as quais as plantas se desenvolvem. Antes que ocorra a abscisão foliar, a respiração geralmente aumenta rapidamente, decrescendo em seguida (senescência foliar) quando as folhas encontram-se praticamente mortas. Há evidências de que parte do CO2 liberado seja proveniente de outros processos metabólicos, como por exemplo, a Rota da Pentose Fosfato (RPF) e a fotorrespiração, sobretudo, em plantas C3. 7.4 Respiração nas Sementes em Germinação O processo de germinação de uma semente inicia-se com a embebição de água, seguida pelo desencadeamento de uma série de alterações metabólicas representadas pela hidrólise de compostos armazenados na semente (Figura 3.8). Os produtos de hidrólise destes compostos, sobretudo de carboidratos e lipídeos, constituem os principais substratos para a respiração e a síntese de componentes celulares essenciais ao desenvolvimento inicial da plântula. Durante o processo de germinação, a massa seca da semente decresce continuamente devido a oxidação de compostos ricos em energia acompanhado pela liberação de CO2. Vários substratos armazenados nas sementes podem ser utilizados na respiração como o polissacarídeo amido (mais utilizado) e lipídeos, principalmente. Malato NAD+ desidrogenase Triacilgliceróis são hidrolisados para produzir ácidos graxos. Lipase Ácidos graxos são metabolizados por β- oxidação a acetil-CoA no glioxissomo. OLEOSSOMO Triacilgliceróis Ácido Graxo O malato é transportado para o citosol e oxidado a oxalacetato, o qual é convertido a fosfoenolpiruvato pela enzima PEP carboxiquinase. O PEP resultante é, então, metabolizado para produzir sacarose pela rota gliconeogênica. Citrato Citrato sintase Acil-CoA (Cn) Acetil-CoA n/2.O2 Aconitase CoA CoA Citrato Ciclo do Oxaloacetato Glioxilato NADH Isocitrato Β- oxidação n. H2O Malato CoA n.NAD+ n.NADH Isocitrato Malato sintase Isocitrato liase Glioxilato n.FADH2 Succinato n.FAD O succinato move-se para dentro da mitocôndria e é convertido a malato. GLIOXISSOMO Fosfoenolpiruvato (PEP) ADP Succinato CITOSOL ATP PEP Carboxiquinase Frutose-6-P Malato Fumarato NADH NAD+ MITOCONDRIA Oxaloacetato SACAROSE Malato desidrogenase Malato Figura 3.8: Mobilização de reservas durante a germinação de sementes (adaptado de Taiz & Zeiger, 2004).
