7.1: Energia em sistemas vivos

Habilidades para desenvolver

• Discuta a importância dos elétrons na transferência de energia em sistemas vivos
• Explique como o ATP é usado pela célula como fonte de energia

A produção de energia dentro de uma célula envolve muitas vias químicas coordenadas. A maioria dessas vias são combinações de reações de oxidação e redução. A oxidação e a redução ocorrem em conjunto. Uma reação de oxidação retira um elétron de um átomo em um composto, e a adição desse elétron a outro composto é uma reação de redução. Como a oxidação e a redução geralmente ocorrem juntas, esses pares de reações são chamados de reações de redução de oxidação ou reações redox.

Elétrons e energia

A remoção de um elétron de uma molécula, oxidando-a, resulta em uma diminuição na energia potencial no composto oxidado. O elétron (às vezes como parte de um átomo de hidrogênio), no entanto, não permanece desligado no citoplasma de uma célula. Em vez disso, o elétron é deslocado para um segundo composto, reduzindo o segundo composto. A mudança de um elétron de um composto para outro remove alguma energia potencial do primeiro composto (o composto oxidado) e aumenta a energia potencial do segundo composto (o composto reduzido). A transferência de elétrons entre moléculas é importante porque a maior parte da energia armazenada nos átomos e usada para alimentar as funções das células está na forma de elétrons de alta energia. A transferência de energia na forma de elétrons permite que a célula transfira e use energia de forma incremental — em pacotes pequenos, em vez de em uma única explosão destrutiva. Este capítulo se concentra na extração de energia dos alimentos; você verá que, ao rastrear o caminho das transferências, você está rastreando o caminho dos elétrons que se movem pelas vias metabólicas.

Portadores de elétrons

Em sistemas vivos, uma pequena classe de compostos funciona como ônibus eletrônicos: eles se ligam e transportam elétrons de alta energia entre os compostos nas vias. Os principais portadores de elétrons que consideraremos são derivados do grupo da vitamina B e são derivados dos nucleotídeos. Esses compostos podem ser facilmente reduzidos (ou seja, eles aceitam elétrons) ou oxidados (eles perdem elétrons). O dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NAD) (Figura\(\PageIndex{1}\)) é derivado da vitamina\(B_3\) niacina. NAD ⁺ é a forma oxidada da molécula; NADH é a forma reduzida da molécula depois de aceitar dois elétrons e um próton (que juntos são equivalentes a um átomo de hidrogênio com um elétron extra).

O NAD ⁺ pode aceitar elétrons de uma molécula orgânica de acordo com a equação geral:

\[ \underset{\text{reducing agent}}{\ce{RH}} + \underset{\text{oxidizing agent}}{\ce{NAD^+}} \rightarrow \underset{\text{reduced}}{\ce{NADH}} + \underset{\text{oxidized}}{\ce{R^+}} \nonumber\]

Quando os elétrons são adicionados a um composto, eles são reduzidos. Um composto que reduz outro é chamado de agente redutor. Na equação acima, o RH é um agente redutor e o NAD ⁺ é reduzido para NADH. Quando os elétrons são removidos do composto, ele é oxidado. Um composto que oxida outro é chamado de agente oxidante. Na equação acima, o NAD ⁺ é um agente oxidante e o RH é oxidado em R.

Da mesma forma, o dinucleotídeo de flavina adenina (FAD ⁺) é derivado da vitamina\(B_2\), também chamada de riboflavina. Sua forma reduzida é FADH ₂. Uma segunda variação do NAD, o NADP, contém um grupo extra de fosfato. Tanto o NAD ⁺ quanto o FAD ⁺ são amplamente utilizados na extração de energia dos açúcares, e o NADP desempenha um papel importante nas reações anabólicas e na fotossíntese.

Figura\(\PageIndex{1}\): A forma oxidada do transportador de elétrons (NAD ⁺) é mostrada à esquerda e a forma reduzida (NADH) é mostrada à direita. A base nitrogenada no NADH tem mais um íon hidrogênio e dois elétrons a mais do que no NAD ⁺.

ATP em sistemas vivos

Uma célula viva não pode armazenar quantidades significativas de energia livre. O excesso de energia livre resultaria em um aumento do calor na célula, o que resultaria em movimento térmico excessivo que poderia danificar e depois destruir a célula. Em vez disso, uma célula deve ser capaz de lidar com essa energia de uma forma que permita que a célula armazene energia com segurança e a libere para uso somente quando necessário. As células vivas conseguem isso usando o composto trifosfato de adenosina (ATP). O ATP é frequentemente chamado de “moeda de energia” da célula e, como a moeda, esse composto versátil pode ser usado para preencher qualquer necessidade de energia da célula. Como? Funciona de forma semelhante a uma bateria recarregável.

Quando o ATP é decomposto, geralmente pela remoção de seu grupo fosfato terminal, a energia é liberada. A energia é usada para fazer o trabalho da célula, geralmente pelo fosfato liberado se ligando a outra molécula, ativando-a. Por exemplo, no trabalho mecânico da contração muscular, o ATP fornece a energia para mover as proteínas musculares contráteis. Lembre-se do trabalho ativo de transporte da bomba de sódio-potássio nas membranas celulares. O ATP altera a estrutura da proteína integral que funciona como bomba, alterando sua afinidade por sódio e potássio. Dessa forma, a célula realiza o trabalho, bombeando íons contra seus gradientes eletroquímicos.

Estrutura e função do ATP

No coração do ATP está uma molécula de monofosfato de adenosina (AMP), que é composta por uma molécula de adenina ligada a uma molécula de ribose e a um único grupo fosfato (Figura\(\PageIndex{2}\)). 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 essa molécula central resulta na formação de adenosina di fosfato (ADP); a adição de um terceiro grupo fosfato forma trifosfato de adenosina (ATP).

Figura\(\PageIndex{2}\): O ATP (trifosfato de adenosina) tem três grupos fosfato que podem ser removidos por hidrólise para formar ADP (adenosina difosfato) ou AMP (monofosfato de adenosina). As cargas negativas no grupo fosfato naturalmente se repelem, exigindo energia para uni-las e liberando energia quando esses laços são quebrados.

A adição de um grupo fosfato a uma molécula requer energia. Os grupos fosfato são carregados negativamente e, portanto, se repelem quando estão dispostos em série, como estão em ADP e ATP. Essa repulsão torna as moléculas de ADP e ATP inerentemente instáveis. A liberação de um ou dois grupos fosfato do ATP, um processo chamado desfosforilação, libera energia.

Energia do ATP

A hidrólise é o processo de separar macromoléculas complexas. Durante a hidrólise, a água é dividida ou lisada e o átomo de hidrogênio resultante (H ⁺) e um grupo hidroxila (OH ^-) são adicionados à molécula maior. A hidrólise do ATP produz ADP, junto com um íon fosfato inorgânico (P _i), e a liberação de energia livre. Para realizar processos vitais, o ATP é continuamente dividido em ADP e, como uma bateria recarregável, o ADP é continuamente regenerado em ATP pela reconexão de um terceiro grupo de fosfato. A água, que foi decomposta em seu átomo de hidrogênio e grupo hidroxila durante a hidrólise do ATP, é regenerada quando um terceiro fosfato é adicionado à molécula de ADP, reformando o ATP.

Obviamente, a energia deve ser infundida no sistema para regenerar o ATP. De onde vem essa energia? Em quase todos os seres vivos na Terra, a energia vem do metabolismo da glicose. Dessa forma, o ATP é uma ligação direta entre o conjunto limitado de vias exergônicas do catabolismo da glicose e a infinidade de vias endergônicas que alimentam as células vivas.

Fosforilação

Lembre-se de que, em algumas reações químicas, as enzimas podem se ligar a vários substratos que reagem entre si na enzima, formando um complexo intermediário. Um complexo intermediário é uma estrutura temporária e permite que um dos substratos (como o ATP) e os reagentes reajam mais facilmente entre si; em reações envolvendo ATP, o ATP é um dos substratos e o ADP é um produto. Durante uma reação química endergônica, o ATP forma um complexo intermediário com o substrato e a enzima na reação. Esse complexo intermediário permite que o ATP transfira seu terceiro grupo fosfato, com sua energia, para o substrato, um processo chamado fosforilação. A fosforilação refere-se à adição do fosfato (~P). Isso é ilustrado pela seguinte reação genérica:

\[\text{A} + \text{enzyme} + \text{ATP} \rightarrow \text{[A − enzyme − ∼P]} \rightarrow \text{B} + \text{enzyme} + \text{ADP} + \text{phosphate ion} \nonumber\]

Quando o complexo intermediário se separa, a energia é usada para modificar o substrato e convertê-lo em um produto da reação. A molécula de ADP e um íon fosfato livre são liberados no meio e estão disponíveis para reciclagem por meio do metabolismo celular.

Fosforilação do substrato

O ATP é gerado por meio de dois mecanismos durante a quebra da glicose. Algumas moléculas de ATP são geradas (ou seja, regeneradas a partir do ADP) como resultado direto das reações químicas que ocorrem nas vias catabólicas. Um grupo fosfato é removido de um reagente intermediário na via, e a energia livre da reação é usada para adicionar o terceiro fosfato a uma molécula de ADP disponível, produzindo ATP (Figura\(\PageIndex{3}\)). Esse método muito direto de fosforilação é chamado de fosforilação em nível de substrato.

Figura\(\PageIndex{3}\): Nas reações de fosforilação, o fosfato gama do ATP está ligado a uma proteína.

Fosforilação oxidativa

A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo da glicose, no entanto, é derivada de um processo muito mais complexo, a quimiosmose, que ocorre nas mitocôndrias (Figura\(\PageIndex{4}\)) dentro de uma célula eucariótica ou da membrana plasmática de uma célula procariótica. A quimiosmose, um processo de produção de ATP no metabolismo celular, é usada para gerar 90% do ATP produzido durante o catabolismo da glicose e também é o método usado nas reações de luz da fotossíntese para aproveitar a energia da luz solar. A produção de ATP pelo processo de quimiosmose é chamada de fosforilação oxidativa devido ao envolvimento do oxigênio no processo.

Figura\(\PageIndex{4}\): Nos eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias. Nos procariontes, esse processo ocorre na membrana plasmática. (Crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villareal)

Conexões de carreira: Médico de doenças mitocondriais

O que acontece quando as reações críticas da respiração celular não ocorrem 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. No diabetes tipo 2, por exemplo, a eficiência de oxidação do NADH é reduzida, afetando a fosforilação oxidativa, mas não as outras etapas da respiração. Os sintomas das doenças mitocondriais podem incluir fraqueza muscular, falta de coordenação, episódios semelhantes a derrames e perda de visão e audição. A maioria das pessoas afetadas é diagnosticada na infância, embora existam algumas doenças de início na idade adulta. Identificar e tratar distúrbios mitocondriais é uma área médica especializada. A preparação educacional para essa profissão requer uma educação universitária, seguida pela faculdade de medicina com especialização em genética médica. Os geneticistas médicos podem ser certificados pelo Conselho Americano de Genética Médica e passar a se associar a organizações profissionais dedicadas ao estudo de doenças mitocondriais, como a Sociedade de Medicina Mitocondrial e a Sociedade de Doenças Metabólicas Herdadas.

Resumo

O ATP funciona como a moeda de energia para as células. Ele permite que a célula armazene energia brevemente e a transporte dentro da célula para suportar reações químicas endergônicas. A estrutura do ATP é a de um nucleotídeo de RNA com três fosfatos conectados. Como o ATP é usado para energia, um ou dois grupos de fosfato são separados e o ADP ou o AMP são produzidos. A energia derivada do catabolismo da glicose é usada para converter ADP em ATP. Quando o ATP é usado em uma reação, o terceiro fosfato é temporariamente ligado a um substrato em um processo chamado fosforilação. Os dois processos de regeneração do ATP usados em conjunto com o catabolismo da glicose são a fosforilação em nível de substrato e a fosforilação oxidativa por meio do processo de quimiosmose.

Glossário

quimiosmose

processo no qual há uma produção de trifosfato de adenosina (ATP) no metabolismo celular pelo envolvimento de um gradiente de prótons através de uma membrana

desfosforilação

remoção de um grupo fosfato de uma molécula

fosforilação oxidativa

produção de ATP usando o processo de quimiosmose e oxigênio

fosforilação

adição de um fosfato de alta energia a um composto, geralmente um intermediário metabólico, uma proteína ou ADP

reação redox

reação química que consiste no acoplamento de uma reação de oxidação e uma reação de redução

fosforilação em nível de substrato

produção de ATP a partir do ADP usando o excesso de energia de uma reação química e um grupo fosfato de um reagente