Biologia I
Vamos imaginar que você é uma célula. Você acabou de receber uma grande e suculenta molécula de glicose e gostaria de converter parte da energia desta molécula de glicose em uma forma mais utilizável, uma que você possa usar para alimentar suas reações metabólicas. Como você pode fazer isso? Qual é a melhor maneira de você espremer o máximo de energia possível dessa molécula de glicose e capturar essa energia de uma forma prática?
Felizmente para nós, nossas células – e as de outros organismos vivos – são excelentes na coleta de energia da glicose e de outras moléculas orgânicas, tais como gorduras e aminoácidos). Aqui, vamos analisar as reacções de transferência de electrões (reacções redox) que são fundamentais para este processo.
Reacções redox
Reacções respiratórias celulares envolvem muitas reacções em que os electrões são passados de uma molécula para outra. Reações envolvendo transferências de elétrons são conhecidas como reações de oxidação-redução (ou redox), e elas desempenham um papel central no metabolismo de uma célula. Numa reacção redox, uma das moléculas que reagem perde electrões e diz-se que é oxidada, enquanto outra molécula que reage ganha electrões (os perdidos pela primeira molécula) e diz-se que é reduzida. Você pode lembrar o que significa oxidação e redução com a prática mnemônica “OIL RIG: Oxidação é perder elétrons; Redução é ganhar elétrons.
Energia nas Reações Redox
Clique na imagem para uma visão maior. Imagem baseada em diagrama semelhante de Ryan Gutierrez.
Em reações redox, a energia é liberada quando um elétron perde energia potencial como resultado da transferência. Os electrões têm mais energia potencial quando estão associados a átomos menos electronegativos (como C ou H), e menos energia potencial quando estão associados a um átomo mais electronegativo (como O). Assim, uma reacção redox que mova os electrões ou densidade de electrões de um átomo menos para um mais electronegativo será espontânea e libertará energia. Por exemplo, a combustão do butano (C4H10) libera energia porque há uma mudança líquida de densidade de elétrons para longe do carbono e hidrogênio e para o oxigênio. Se você já ouviu dizer que moléculas como a glicose têm elétrons de “alta energia”, isto é uma referência à energia potencial relativamente alta dos elétrons em suas ligações de texto (C) e de texto (C) e de texto (H).
Quave energia pode ser liberada quando elétrons em ligações de texto (C) e de texto (C) são deslocados para o oxigênio. Numa célula, contudo, não é uma grande ideia libertar toda essa energia de uma só vez numa reacção de combustão. Em vez disso, as células colhem energia da glicose de forma controlada, capturando o máximo possível sob a forma de ATP. Isto é conseguido através da oxidação da glicose de uma forma gradual, e não explosiva. Há duas formas importantes de oxidação gradual:
- Reino do que puxando todos os elétrons da glicose ao mesmo tempo, a respiração celular os retira em pares. As reacções redox que removem os pares de electrões da glucose transferem-nos para pequenas moléculas chamadas portadores de electrões.
- Os portadores de electrões depositam os seus electrões na cadeia de transporte de electrões, uma série de proteínas e moléculas orgânicas na membrana mitocondrial interna. Os elétrons são passados de um componente para o outro em uma série de etapas de liberação de energia, permitindo que a energia seja capturada na forma de um gradiente eletroquímico.
Vemos os portadores redox e a cadeia de transporte dos elétrons com mais detalhes abaixo.
A remoção de um elétron de uma molécula, oxidando-o, resulta em uma diminuição da energia potencial no composto oxidado. O electrão (por vezes como parte de um átomo de hidrogénio), não permanece sem ligação, no entanto, no citoplasma de uma célula. Ao invés disso, o elétron é deslocado para um segundo composto, reduzindo o segundo composto. A deslocação de um electrão 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 utilizada para as funções das células de combustível é na forma de elétrons de alta energia. A transferência de energia na forma de electrões permite à célula transferir e utilizar a energia de uma forma incremental – em pequenas embalagens em vez de numa única e destrutiva explosão. Este capítulo foca na extração de energia de alimentos; você verá que ao rastrear o caminho das transferências, você está rastreando o caminho dos elétrons que se movem por caminhos metabólicos.
Electron Carriers
Electron carriers, às vezes chamados de lançadeiras de elétrons, são pequenas moléculas orgânicas que ciclam prontamente entre formas oxidadas e reduzidas e são usadas para transportar elétrons durante reações metabólicas. Existem dois portadores de elétrons que desempenham papéis particularmente importantes durante a respiração celular: NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo, mostrado abaixo) e FAD (flavin adenina dinucleotídeo). Tanto o NAD+ quanto o FAD podem servir como agentes oxidantes, aceitando um par de elétrons, juntamente com um ou mais prótons, para mudar para suas formas reduzidas. NAD+ começa superescrito, mais, termina superescrito aceita dois elétrons e um H+ para se tornar NADH, enquanto FAD aceita dois elétrons e dois H+ para se tornar FADH2. NAD+ é o portador primário de elétrons utilizado durante a respiração celular, sendo que o DAD participa de apenas uma (ou duas, às vezes duas) reações.
A forma oxidada do portador de elétrons (NAD+) é mostrada à esquerda e a forma reduzida (NADH) é mostrada à direita. A base nitrogenada em NADH tem mais um íon de hidrogênio e mais dois elétrons do que em NAD+. Como mostrado na imagem acima, NAD+ é uma pequena molécula orgânica cuja estrutura inclui o nucleotídeo RNA adenina. (FAD é um tipo similar de molécula, embora seus grupos funcionais sejam diferentes). Ambas as moléculas são derivados de vitaminas B, sendo o NAD+ produzido a partir da niacina e o FAD produzido a partir da riboflavina. NAD+ e DAD são coenzimas, moléculas orgânicas que servem como auxiliares durante as reações catalisadas por enzimas, e recebem elétrons e prótons como parte dessas reações. Especificamente, tanto o NAD+ começa superescrito, mais, termina superescrito e FAD servem como cofactores para enzimas chamadas desidrogenases, que removem um ou mais átomos de hidrogénio dos seus substratos.
Visão geral das vias de ruptura do combustível
As reacções que permitem a extracção de energia de moléculas como a glucose, gorduras e aminoácidos são chamadas reacções catabólicas, o que significa que elas envolvem a quebra de uma molécula maior em pedaços menores. Por exemplo, quando a glicose é decomposta na presença de oxigênio, ela é convertida em seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água. A reacção global para este processo pode ser escrita como:
C6H12O6 + O2= 6CO2 + 6H20 + calor + ATP
Esta reacção, tal como escrita, é simplesmente uma reacção de combustão, semelhante à que ocorre quando se queima um pedaço de madeira numa lareira ou gasolina num motor. Isto significa que a glicose está continuamente em combustão dentro das suas células? Felizmente, não é bem assim! A reacção de combustão descreve o processo global que ocorre, mas dentro de uma célula, este processo é dividido em muitas etapas mais pequenas. A energia contida nas ligações da glicose é libertada durante as reacções da glicólise e do ciclo do ácido cítrico (Krebs) Assim, os pares de electrões são removidos da molécula de glicose (oxidação) e são adicionados ao NAD ou ao FAD (redução) para serem utilizados na próxima reacção descrita abaixo.
A cadeia de transporte de electrões
Nas suas formas reduzidas, NADH e FADH2 transportam electrões para a cadeia de transporte de electrões na membrana mitocondrial interna. Eles depositam seus elétrons no início da cadeia de transporte ou perto dele, e os elétrons são então passados de uma proteína ou molécula orgânica para a próxima em uma série previsível de etapas. O importante é que o movimento dos elétrons através da cadeia de transporte é energeticamente “descendente”, de modo que a energia é liberada em cada etapa. Em termos redox, isto significa que cada membro da cadeia de transporte de electrões é mais electronegativo (faminto de electrões) do que o anterior e menos electronegativo do que o posterior. NAD+, que deposita os seus electrões no início da cadeia como NADH, é o menos electronegativo, enquanto que o oxigénio, que recebe os electrões no final da cadeia (juntamente com H+) para formar água, é o mais electronegativo. À medida que os elétrons trafegam “descendo” pela cadeia de transporte, eles liberam energia, e parte dessa energia é capturada sob a forma de um gradiente eletroquímico e usada para fazer ATP. No entanto, grande parte da energia da glicose ainda é perdida como calor,
Podemos confirmar isto se olharmos para as deslocações reais dos electrões envolvidos, como no vídeo abaixo: