fatec – faculdade de teologia e ciencias · 3.2.4.3 cofatores 3.2.4.4 coenzimas 3.2.4.5...
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FATEC – FACULDADE DE TEOLOGIA E CIENCIAS
BIOQUÍMICA VEGETAL
BIOQUIMICA VEGETAL
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Unidades:
1Pa = 1N m2
1Pa = 10-5 bar
1Pa = 9,87x10-6 ATM
1bar = 1ATM
1ATM = 101325 Pa
1ATM = 0,1 Mpa
1 joule = 1 N × m (A aplicação da força de um newton pela distância de um metro)
Ligações químicas
Pontes de hidrogênio: 20 kJ mol-1
Ligação covalente: 450 kJ mol-1
Força de Wander Walls: 4,2 kJ mol-1
Ligação iônica: ligação entre metal e não metal (força similar as covalentes)
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1- Introdução e apresentação da disciplina
2- Propriedades físicas da água
3 – Biomoléculas
3.1 Sacarídeos
3.1.2 Definição e grupamento químico
3.1.2 Classificação
3.1.3 Quiralidade
3.1.4 Açúcares dextrógiros e levógiros
3.2 Proteínas
3.2.1 Definição e grupamento químico
3.2.2 Aminoácidos e classificação
3.2.3 Polipeptídios
3.2.4 Estrutura das proteínas
3.2.5 Forças moleculares em proteínas
3.2.4 Proteínas de ação catalítica
3.2.4.1 Enzimas
3.2.4.2 Fatores que interferem na atividade das enzimas
3.2.4.3 Cofatores
3.2.4.4 Coenzimas
3.2.4.5 Inibição enzimática
3.2 Lipídeos
3.2.1 Definição e grupamento químico
3.2.2 classificação do lipídeos
3.2.2.1 Ácidos graxos (saturados e insaturados)
3.2.2.2 Triacilglicerídes, fosfolipídeos e glicolipídeos
3.2.3 Funções
3.3 Ácidos nucléicos
3.2.1 Definição e grupamento químico
3.2.2 DNA e RNA
3.2.2.1 ácidos nucléicos e informação genética
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3.2.3 Moléculas energéticas
3.2.3.1 ATP, GTP
3.2.3.2 Cofatores: NADPH, NADH e FADH2
3.2.3 Funções
4. Bioenergética
4.1 Fotossíntese:
4.1.1 Fase fotoquímica
4.1.2 Fase carboxilativa
4.2 Respiração celular
4.3 Lipogenese e beta oxidação
4.4 Formação de aminoácidos e proteínas
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1- Introdução e apresentação da disciplina
A bioquímica é uma disciplina que trata de vários processos essenciais para o
crescimento e desenvolvimento de organismos vivos. A bioquímica vegetal é essencial para o
entendimento do metabolismo de células e suas relações com processos fisiológicos como,
fotossíntese, respiração celular, absorção de água e nutrientes, processos de fotomorfogênese
e demais rotas metabólicas que dependem diretamente e indiretamente dessas reações.
As reações metabólicas são divididas em catabólicas e anabólicas. As catabólicas
envolvem processos de degradação de moléculas e as anabólicas envolvem processos de
síntese de moléculas (Figura 1).
Figura 1. Processos anabólicos e catabólicos em células (ALBERTS et al., 2004)
Na bioquímica vários tipos de compostos orgânicos fazem parte do metabolismo
celular (Tabela 1).
(i) Cetona: são compostos orgânicos caracterizados pela presença do grupamento -
C=O, carbonila, ligado a dois radicais orgânicos.
(ii) Aldeídos: são compostos químico orgânico que se caracteriza pela presença, em
sua estrutura, do grupamento H—C=O (formila ou formilo), ligado a um radical alifático ou
aromático.
(iii) Ácido carboxílico: são ácidos orgânicos caracterizados pela presença do grupo
carboxila. Em fórmulas químicas, esses grupos são tipicamente representados como COOH.
(iv) Fenóis: apresentam uma hidroxila ligada a um anel aromomático.
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(v) Aminas: Podem ser derivados da amônia (NH3) substituindo o hidrogênio por
outros grupos. Se substituirmos um, dois ou três hidrogênios, teremos, respectivamente,
aminas primárias (R-NH2), secundárias(R1R2NH) ou terciárias (R1R2R3N).
Tabela 1. Principais grupos funcionais observados em moléculas orgânicas.
2- Propriedades físicas da água
A água é uma das substâncias mais comuns e mais importantes na superfície da Terra,
foi nela que a vida evoluiu e é nela que se processam as principais reações bioquímicas
(LARCHER, 1995). Os tecidos mais tenros das plantas são constituidos em 90% a 95% por
água. Apesar de terem de garantir uma percentagem tão elevada de água no seu corpo as
plantas não se podem deslocar para ir buscar a mesma. Assim, a compreensão da forma como
as plantas a vão obter, distribuir pelos diferentes tecidos do seu corpo e como a conseguem
armazenar é um dos aspectos fundamentais da Fisiologia Vegetal.
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2.1 Estrutura molecular da água:
A importância da água para a vida provém das suas características físicas e químicas
que por sua vez resultam da sua estrutura molecular (KRAMER; BOYER, 1995).
Quando os dois átomos de hidrogênio e o de oxigênio se combinam para formar água
há um compartilhamento de elétrons dos átomos de hidrogênio e o do oxigênio (Figura 2).
Figura 2. Representação esquemática da estrutura da molécula de água onde se podem observar os pares de elétrons compartilhados (sombreados), e os pares isolados do oxigênio (chavetas). Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.1, pag. 6
Neste tipo de ligação, conhecida como covalente, cada átomo contribui com um
elétron; os dois pares de elétrons compartilhados que constituem a ligação são mantidos
juntos por ambos os núcleos. As ligações covalentes são muito fortes (450 kJ mol-1), e assim,
a molécula de água é extremamente estável.
A distribuição de cargas elétricas na molécula de água é assimétrica: os elétrons não
compartilhados do oxigênio encontram-se em um lado, enquanto que os dois núcleos dos
átomos de hidrogênio se encontram no outro (Figura 2). Desta assimetria resulta um lado da
molécula carregada negativamente e o outro lado positivamente, formando o que se chama
um dípolo (LARCHER, 1995).
Como consequência do carácter dipolar da água, o seu lado positivo é atraído por
cargas negativas e o seu lado negativo é atraído por cargas positivas. Assim, quando se
dissolvem sais em água, dissociam-se em íons positivos (cátions) e íons negativos (ânions),
cada um dos quais se encontra envolvido por uma “concha” de moléculas de água orientadas
(Figura 3), que são as responsáveis pela separação dos íons em soluções aquosas (TAIZ;
ZEIGER, 2004). A espessura da “concha” depende da intensidade de carga à superfície.
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Figura 3. A) e B) orientação das moléculas de água em relação a superfícies carregadas; C) dimensões relativas de cátions hidratados, as áreas sombreadas representam a “concha” de moléculas de água que envolve cada íon. Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.3, pag. 7
Outra conseqüência da elevada polaridade da água é a sua capacidade para formar as
chamadas pontes de hidrogênio, isto é, ligações entre átomos eletro-negativos, como o
oxigênio ou o nitrogênio, através de um núcleo de hidrogênio (Figura 4). Estas pontes de
hidrogênio apresentam energia de ligação em torno de 20 kJ mol-1, em comparação com a
energia da ligação covalente O H (TAIZ; ZEIGER, 2004).
(A) (B)
Na+ K+
Rb+
Cs+
Aumento do peso atómico → Diminuição da densidade de carga → Aumento do raio do ião →
(C)
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Figura 4. Exemplos de pontes de hidrogênio (linhas ponteadas): a) entre um grupo de átomos AH e outro grupo de átomos B; b) entre duas moléculas de água; c) entre duas moléculas de amónia; d) entre um grupo hidroxilo e uma molécula de água; e) entre um grupo carbonilo e um grupo imino. Retirado de Noggle e Fritz (1976), fig. 3, pag.379
Para além das pontes de hidrogênio existem ainda as chamadas forças de Van der
Waals que são forças de atração molecular ainda mais fracas que as pontes de hidrogênio,
cerca de 4.2 kJ mol –1. Em moléculas neutras, isto é, não polares, estas forças resultam do fato
dos elétrons estarem permanentemente em movimento, de modo que o centro de cargas
negativas nem sempre corresponde ao centro de cargas positivas (KRAMER; BOYER, 1995).
As moléculas de água no estado sólido (gelo) encontram-se dispostas simetricamente
em uma estrutura em que as pontes de hidrogênio formam uma malha. O átomo de oxigênio
de cada molécula de água está rodeado de átomos de hidrogênio de outras moléculas em uma
disposição tetraédrica, de tal modo que os átomos de oxigênio formam anéis de 6 membros.
Esta estrutura é chamada aberta porque o espaço dentro de cada anel é suficiente para
acomodar outra molécula de água (Figura 5). No estado líquido as pontes de hidrogênio
quebram-se e formam-se continuamente por rotação e vibração das moléculas de água, o que
causa ruptura e reestruturação da malha com uma grande rapidez, talvez bilhões de vezes por
segundo. A grande quantidade de pontes de hidrogênio presentes na água no estado líquido, é
responsável pelas características únicas e biologicamente importantes da água (KRAMER;
BOYER, 1995).
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Figura 5. Esquema da estrutura “aberta” da água no estado sólido. Retirado de Krame; Boyer (1995), fig. 2.7, pag. 24
2.2. Propriedades físicas e químicas da água
2.2.1. Estado físico
Quanto maior for o peso molecular de um composto, maior é a probabilidade de ser
um sólido ou um líquido a uma temperatura de 20 ºC. Quanto menor for o seu peso molecular
maior será a probabilidade de ser um líquido ou um gas à mesma temperatura. Para um
composto passar do estado sólido para o líquido, ou do líquido para o gasoso, isto é, para
quebrar as forças que ligam as suas moléculas umas às outras, é necessário tanto mais energia,
quanto mais pesadas forem as moléculas. Por exemplo, o metano (peso molecular, PM = 16),
o etano (PM = 30) e o propano (PM = 44), que são hidrocarbonetos de baixo peso molecular,
assim como a amônia (PM = 17), e o dióxido de carbono (PM = 44) são todos gases a 20 ºC.
No entanto, a água (PM = 18) a esta temperatura é um líquido.
A explicação para isto é que as pontes de hidrogênio constituem uma força de atração
entre as moléculas de água que é particularmente elevada, inibindo a sua separação e escape
na forma de vapor. Por outro lado, os hidrocarbonetos, no estado líquido, têm apenas forças
de Van der Waals a ligarem as suas moléculas e, assim, necessitam de pouca energia para as
conduzir ao estado gasoso.
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2.2.2 Compressibilidade
Para todos os efeitos práticos os líquidos são incompressíveis. Assim, as leis da
hidráulica são aplicáveis aos organismos vivos porque estes são constituídos em grande parte
por água.
2.2.3 Calor específico
O Calor específico é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1 ºC, uma
unidade de massa de uma substância. São necessários 4,184 J para aumentar de 1 ºC um
grama de água pura. O calor específico da água pura varia apenas ligeiramente ao longo de
toda a gama de temperaturas em que a água se encontra no estado líquido, e é o valor mais
alto de todas as substâncias conhecidas, com exceção da amônia líquida (HOPKINS, 1995).
Este valor tão elevado é devido ao arranjo molecular da água, que permite que os
átomos de hidrogênio e oxigênio vibrem livremente, quase como se fossem íons livres.
Assim, podem absorver grandes quantidades de energia sem que haja grandes aumentos
de temperatura.
2.2.4 Calor latente de vaporização e de fusão
São necessários 2 452 J para converter 1 g de água a 20 ºC, a 1 g de vapor de água a
20 ºC. Este calor latente de vaporização, invulgarmente alto, é causado pela tenacidade das
pontes de hidrogênio e, assim, da larga quantidade de energia necessária para que uma
molécula de água no estado líquido se separe das restantes. Uma conseqüência deste elevado
calor latente de vaporização é que as folhas arrefecem sempre que perdem água por
transpiração.
Para fundir 1 g de gelo a 0 ºC são necessários 335 J. Este valor é muito elevado e
deve-se igualmente às pontes de hidrogênio que existem entre as moléculas de água, embora
devido à estrutura aberta do gelo, cada molécula de gelo estabeleça um número menor de
pontes de hidrogênio com as moléculas adjacentes (HOPKINS, 1995).
2.2.5 Maior densidade no estado líquido
Quando o gelo funde o volume total da água diminui. Isto deve-se ao fato que no
estado líquido as moléculas se organizam mais eficientemente que no estado sólido, ficando
cada uma rodeada por outras 5 ou 6 moléculas, em oposição ao estado sólido em que, como
vimos anteriormente, cada molécula de água está rodeada apenas por quatro outras. O
resultado desta diferença de organização é que a água expande-se quando solidifica e, assim,
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o gelo tem uma densidade menor que a água líquida. Deste modo, durante o Inverno o gelo
flutua nos lagos e correntes de água em vez de ir para o fundo, onde poderia permanecer sem
derreter durante o Verão seguinte (KRAMER; BOYER, 1995).
2.2.6 Viscosidade
A viscosidade de um fluido indica a sua resistência a fluir, isto é, a dificuldade de uma
camada deslizar ao longo de outra camada. Como as pontes de hidrogênio podem restringir o
deslizar de camadas adjacentes de líquidos, a viscosidade da água é relativamente elevada em
comparação com solventes que estabeleçam poucas ou nenhumas pontes de hidrogênio, como
por exemplo a acetona, o benzeno, e outros solventes orgânicos com moléculas pequenas. O
diminuir da viscosidade com o aumentar da temperatura reflete a quebra das pontes de
hidrogênio e também o diminuir de outras forças de atração, como as de Van der Waals,
devido ao aumentar do movimento térmico das moléculas (KRAMER; BOYER, 1995).
2.2.7 Adesão e coesão
Devido à sua polaridade, a água é atraída por muitas outras substâncias, ou seja, é
capaz de molhar superfícies formadas por essa substância. É o caso das moléculas de
proteínas e os polisacáridos das paredes celulares, que também são altamente polares. Esta
atração entre moléculas diferentes é chamada adesão, e é devida às pontes de hidrogênio que
se estabelecem entre moléculas. A atração entre moléculas semelhantes é chamada coesão.
São as forças de coesão que conferem à água uma força de tensão invulgarmente elevada,
isto é, a tensão máxima que uma coluna ininterrupta de água pode sofrer sem quebrar é
extremamente elevada (HOPKINS, 1995). Em uma coluna de água fina e confinada, como as
que existem no xilema de um caule, a força de tensão pode atingir valores muito elevados
(cerca de –30 MPa) de modo a que a coluna de água é “puxada” sem quebrar até ao topo de
árvores. Este valor representa cerca de 10% da força de tensão do fio de cobre ou de alumínio,
o que é de fato considerável (TAIZ; ZEIGER, 2004).
2.2.8 Tensão superficial
É a coesão entre moléculas de água que permite explicar a elevada tensão de superfície
deste composto. As moléculas à superfície de um líquido estão continuamente a ser puxadas
para o interior do líquido pelas forças de coesão, enquanto que na fase gasosa há menos
moléculas que, por isso, estão demasiado distantes para exercer uma força nas que estão à
superfície (Figura 6). Assim, uma gota de água atua como se estivesse coberta por uma
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“película” apertada e elástica. É a tensão de superfície que faz com que uma gota tenha uma
forma esférica, e que permite que certos insetos andem sobre a água. A tensão de superfície
da água é maior que a da maior parte dos líquidos.
Figura 6. Demonstração esquemática da tensão de superfície. As forças de atração entre as moléculas de água adjacentes (setas mais espessas) são maiores que entre as moléculas de água e ar (setas mais finas). Esta diferença faz com que as moléculas à superfície tendam a ser puxadas para o interior da água líquida. Retirado de Hopkins (1995), fig. 2.3, pag. 27
Na Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em
tubos muito finos. Este comportamento resulta da capacidade de o líquido molhar ou não a
superfície do tubo. Quando um líquido entra em contato com uma superfície sólida, este vai
ser sujeito a dois tipos de forças que atuam em sentidos contrários: a força de adesão, e a força
de coesão. A força de adesão tem a ver com a afinidade do líquido para a superfície sólida, e
atua no sentido de o líquido molhar o sólido. A força de coesão tem a ver com coesão do
próprio líquido, e atua no sentido oposto. Se a força de adesão for superior à de coesão, o
líquido vai interagir favorávelmente com o sólido, molhando-o, e formando um menisco. Se a
superfície sólida for um tubo de raio pequeno, como um capilar de vidro, a afinidade com o
sólido é tão grande que líquido sobe pelo capilar. No caso do mercúrio, acontece o contrário,
pois este não tem afinidade com o vidro (a força de coesão é maior).
A tendência do líquido de subir pelo capilar resulta da diferença de pressão gerada
pela interface curva entre a fase líquida e a fase gasosa. Essa diferença de pressão pode ser
calculada através da Equação de Laplace.
Que é capilaridade? Sempre que você põe um líquido em contato com um sólido
produz-se um "cabo de guerra" entre as moléculas, as do sólido puxando para seu lado, as do
líquido para o outro. Assim, se você derramar um pouco de água em uma lâmina limpa de
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vidro, o vidro atrairá as moléculas de água mais fortemente do que elas se atraem. Então a
água é forçada a se espalhar na superfície do vidro. Derrame agora um pouco de água em uma
lâmina de vidro engordurada. Assim, as moléculas de água se atraem mais fortemente do que
a gordura as atrai. O "time local" vence e as moléculas de água se juntam em gôtas.
Normamente as moléculas de água coerem uma às outras mais fortemente do que elas
aderem a moléculas de tipo diferente.
Mergulhe um tubo de vidro com um estreito canal em um vaso com água. O vidro
atrairá a água e puxará um pouco da mesma para dentro do estreito canal. Essa atração de um
líquido para o interior de estreitos espaços se chama capilaridade (do latim capillus,
significando cabelo). Quando você encosta uma toalha de papel, ou mata-borrão, nas suas
mãos molhadas, a atração do papel leva a água para seus finos poros e assim suas mãos ficam
enxutas.
Quando você lava as mãos, você põe sabão na água. Êle faz diminuir a tensão
superficial da água. As moléculas da água então coerem menos fortemente e elas podem
penetrar nos finos poros de sua pele. É mais fácil lavar-se com água quente porque o calor
diminui a tensão superficial dos óleos e graxas.
Força de Adesão = 1+cos αααα/1
2.2.9 Solubilidade
Uma das características principais da água é a sua capacidade de dissolver quase todas
as substâncias em quantidades superiores à maioria dos líquidos. A ação dissolvente da água
depende de pelo menos um de três tipos de interações entre as moléculas de água e as
moléculas de solutos:
(i) Substâncias não ionizáveis, mas polares: São substâncias que contêm oxigênio ou
nitrogênio na forma de grupos OH, NH2, a sua solubilização é devida à formação de
pontes de hidrogênio entre as suas moléculas e as da água.
(ii) Substâncias ionizáveis: A sua solubilidade deve-se ao carácter dipolar da água que
lhe confere uma constante dielétrica, isto é, a capacidade de neutralizar a atração entre
cargas elétricas, muito elevada. Cada íon em solução tem como que uma “concha” de
moléculas à sua volta. Esta “concha” atua como um campo de isolamento elétrico que diminui
a força de atração entre íons com cargas opostas, mantendo-os afastados na solução.
(iii) Substâncias não polares: Como por exemplo a alanina e outros amino ácidos
neutros. Estes compostos dissolvem-se na água por causa das forças de Van der Waals.
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2.2.9 Dissociação da água e a escala de pH
Algumas das moléculas de água separam-se em íons hidrogênio (H+) e hidroxila (OH-)
no processo chamado dissociação ou ionização. A tendência para que estes íons se
recombinem é uma função da probabilidade para que ocorram colisões entre eles, o que por
sua vez depende do número relativo de íons presentes na solução. A lei da ação de massas
pode ser expressa matematicamente igualando o produto das concentrações molal (m = moles
por quilo de água) a uma constante:
[H+] . [OH-
] = K
Em uma solução diluida, as concentrações molal são virtualmente iguais às
concentrações molar (M = moles por litro de solução final). A temperaturas próximas dos 20
ºC, K =10-14, e assim, em água pura a concentração quer de [H+], quer de [OH-
] é igual a 10-
7M.
A concentração de íons hidrogênio é expressa por uma escala de pH, em que
pH = - log [H+]. Ou seja, o pH é igual ao valor absoluto da concentração do íon hidrogênio,
expresso como um expoente negativo de 10. Por exemplo, quando [H+] = 10-4 , então o pH
= 4. A neutralidade é expressa por pH = 7 ([H+] = [OH-
]); valores abaixo de 7 indicam acidez,
e valores acima de 7 indicam alcalinidade. As unidades de pH são múltiplos de 10 em uma
escala logarítmica, e como tal não podem ser nem adicionados, nem subtraídos. De fato,
são necessários 10 vezes menos H+ para mudar o pH de uma solução tamponizada de 7 para
6, que de 6 para 5.
PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO
1- Por que durante a evolução tanto de plantas como de animais a água foi a molécula que
mantida em maiores quantidades nesses organismos?
2- Porque a água nos lagos e rios congelam de cima para baixo? (comente através de
explicações físicas)
3- Relacione absorção de água com deficiência nutricional relacionando com as propriedades
físicas da mesma?
4- Existe relação entre o cuidado que mergulhadores apresentam quando se encontram em
altas profundidades com a transpiração de plantas em locais quentes e secos? Explique.
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5- O que é tensão superficial e porque a aplicação desse conceito é importante na eficiência
de aplicação de produtos agrícolas?
6- Explique como as propriedades da água auxiliam no transporte de água em plantas
7- Porque as plantas necessitam transpirar até 98% da água absorvida? Relacione a sua
resposta com as propriedades físicas da água.
8- Porque a água é uma sustância polar e qual a sua realção com a solubilidade, isto é porque
a aplicação de defensivos normalmente é misturado com água?
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3 – Biomoléculas
3.1 Sacarídeos:
Essa palavra deriva do latim em que açúcar é saccharum, sendo derivado do termo
saccharide o qual é a base do sistema de classificação de carboidratos. Os sacarídeos são
formados por aldeídos e cetonas polihidroxi ou substâncias que a hidrolise produz aldeídos
e cetonas.”
Os sacarídeos são produzidos a partir do processo fotossintético, sendo inicialmente a
energia da luz transformada em energia química (ATP e NADPH) que posteriormente é
utilizada para reduzir o carbono atmosférico (CO2) formando uma triose, o gliceraldeído. A
maioria de monossacarídeos e os dissacarídeos são chamados açúcares porque tem sabor
adocicado. Todos os hidratos de carbono são sólidos na temperatura ambiente. Por apresentar
muitos grupos OH, são extremamente solúveis na água (podem fazer muitas pontes de
hidrogênio).
Os monossacarídeos são moléculas orgânicas formadas por átomos de carbono (C),
hidrogênio (H) e oxigênio (O) na proporção 1: 2: 1, respectivamente, apresentando a fórmula
geral (CH2O)n, em que “n” pode variar de 3 a 7. O nome genérico do monossacarídeo está
relacionado com o valor de n. sendo n = 3 trioses; n= 4 tetroses; n = 5 pentose, n+ 6
hexose, n=7 heptulose.
Os sacarídeos são classificados em:
(i) Monosacarídeos: é considerado um simples carboidrato que não pode ser quebrado para
formar pequenos polissacarídeos. Os monossacarídeos mais abundantes são as hexoses
com fórmula geral (C6H12O6). Nessa classe, se inclui a glicose, o mais importante
combustível para a maioria dos seres vivos, componente dos polissacarídeos mais
importantes, como o amido e a celulose. Outras hexoses importantes são a frutose e a
galactose.
(ii) Disacarídeos em hidrólise forma dois monossacarídeos. Ex: Lactose: ligação b(1 → 4)
glicosídea entre uma galactose e uma glicose, Maltose, é uma ligação entre duas glicoses
a(1 → 4). Sacarose: ligação a, b(1 →→→→ 2) glicosídea entre uma glicose e uma frutose.
(iii) Polisacarídeos (do grego polus significa muitos) em hidrolise e quebrado para formar
muitos monossacarídeos. São moléculas orgânicas formadas pela união de mais 10
moléculas de monossacarídeos.Os polissacarídeos são abundantes na natureza, podendo
ter função biológica de reserva energética, como o amido e o glicogênio ou função
estrutural, como a celulose e a quitina. Os Polissacarídeos de Reserva Energética em
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plantas é o amido é o polissacarídeo de reserva energética dos vegetais, sendo
armazenado nas células do parênquima amiláceo de caules (batatinha) e raízes
(mandioca). Em animais o glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética, sendo
armazenado no fígado e músculos.
A celulose é o polissacarídeo presente na membrana celulósica das células vegetais
(imagine sua abundância na natureza). Está relacionada com a estrutura e forma das células
vegetais.
O aproveitamento da celulose na forma de moléculas de glicose só é possível na
presença da enzima celulase, que é produzida por microrganismos como bactérias e
protozoários, que vivem em simbiose no sistema digestivo de organismos como ruminantes,
moluscos, etc.
No ser humano, a presença de celulose na dieta (alimentação) garante o bom
funcionamento do intestino, a retenção de água ao bolo fecal, facilitando sua eliminação. Nos
artrópodes, o polissacarídeo quitina é um material impermeabilizante do exoesqueleto,
garantindo boa adaptação à vida terrestre.
Os açúcares tem características óticas que podem ser utilizar para distinguir suas
diferenças em atividades fisiológicas, que é denominada de quiralidade.
Em 1894 William Thomson definiu um objeto como quiral aquele que a imagem
refletida no espelho parece igual mas não pode se sobrepor. Muitos objetos quirais são, meias,
luvas, orelhas, pés… O centro quiral é um centro tetraédrica que se liga a quatro tipos
diferentes de grupos de carbonos (Figura 7). A molécula que tem n centros quirais o qual
apresenta um máximo de 2n estereoisomeros. Carbonos que apresentam duplas ou triplas
ligações não pode apresentar centros quirais (Figura 8). Estas moléculas são isômeros.
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Figura 7. Diferenças entre Enatiômeros e Distereomeros.
Figura 8. Estrutura de moléculas quirais e aquirais
Os sacarídeos são moléculas quirais permite a classificação dos mesmos. Isômeros
são compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular e diferente forma
estrutural. Nesse caso Isômeros Cis, significa que Cis: mesmo lado e Trans, lados opostos
(Figura 9)
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Figura 9. Descrição das isomerias Cis e Trans.
As letras D e L para enantiomeros específicos dos hidratos de carbono. Ao invés de
utilizar a designação específica de cada carbono quiral na molécula, observa-se o último
grupo do OH unido ao carbono quiral o mais distante do grupo de carbonila. Na projeção de
Fischer, isto estará perto da parte inferior do desenho. Pela convenção, se o grupo hidroxil
está na direita em compostos denomina-se D. Se o grupo hidroxil está na esquerda em
compostos denomina-se L (Figura 10).
Figura 10. Representação para enatiomeros de glicose específicos.
Em torno de 200 diferentes monossacarídeos conhecidos são agrupados de acordo com
(i) o número de átomos que de carbono contêm; (ii) se são aldeídos ou cetonas. Os
Monossacarídeos que são aldeídos são chamados aldoses e os que são cetonas de cetoses. Por
exemplo as aldohexoses são glicoses que contêm aldoses e a cetohexoses são glicoses que
contém cetoses (Figura 11).
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Figura 11. Visualização das estruturas de diferentes cetoses e aldoses
CHO
OHH
OHH
OHH
OHH
CH2OH
CHO
HHO
OHH
OHH
OHH
CH2OH
CHO
OHH
HHO
OHH
OHH
CH2OH
CHO
HHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
CHO
OHH
OHH
HHO
OHH
CH2OH
CHO
HHO
OHH
HHO
OHH
CH2OH
CHO
OHH
HHO
HHO
OHH
CH2OH
CHO
HHO
HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-allose D-altrose D-glucose D-mannose D-gulose D-idose D-galactose D-talose
Aldohexoses
CHO
OHH
OHH
OHH
CH2OH
D-ribose
CHO
HHO
OHH
OHH
CH2OH
D-arabinose
CHO
OHH
HHO
OHH
CH2OH
D-xylose
CHO
HHO
HHO
OHH
CH2OH
D-lyxose
Aldopentoses
CHO
OHH
OHH
CH2OH
D-erythrose
CHO
HHO
OHH
CH2OH
D-threose
Aldotetroses
CHO
OHH
CH2OH
D-glyceraldehyde
Aldotriose
Ketohexoses
Ketopentoses
Ketotetroses
CH2OH
C O
CH2OH
dihydroxyacetone (achiral molecule)
Ketotriose
CH2OH
C O
D-ribulose
H OH
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-erythrulose
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-xylulose
HO H
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-psicose
H OH
H OH
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-fructose
HO H
H OH
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-sorbose
H OH
HO H
H OH
CH2OH
CH2OH
C O
D-tagatose
HO H
HO H
H OH
CH2OH
23
3.2 Lipídeos
São substâncias hidrofóbicas solúveis em solventes orgânicos. Muitos lipídeos de
membrana são amfipáticos, tem uma parte final não polar e uma polar end (Figura 12). A
maioria dos lipídeos é derivada ou possui na sua estrutura ácidos graxos. A dupla ligação no
ácido graxo geralmente tem configuração Cis. Muitos ácidos graxos que ocorrem
naturalmente possuem mesmo número de carbonos. O ácido graxo com 16C tem uma dupla
ligação cis entre o átomo de carbono 9 -10 e pode ser representado como 16:1 cis D9.
Figura 12. Estrutura de lipídeos na membrana celular.
Os lipídeos geralmente ocorrem combinados, seja covalentemente ou através de
ligações fracas, como membros de outras classes de biomoléculas, para produzir moléculas
hídricas tais como glicofosfolipídeos, que contêm tanto carboidratos quanto grupos lipídicos,
e lipoproteínas (Figura 13), que contêm tanto lipídeos como proteínas (JOYCE; DIWAN,
2006).
24
Figura 13. Estrutura da membrana celular de plantas. (TAIZ; ZEIGER, 2004).
Os lipídeos não apresentam característica estrutural comum, entretanto todos possuem
muito mais ligações carbono-hidrogênio do que as outras biomoléculas, e a grande maioria
possui poucos heteroátomos. São moléculas pobres em dipolos localizados (carbono e
hidrogênio, possuem eletronegatividade semelhante). Na química é conceituado que "o
semelhante dissolve o semelhante": razão para estas moléculas serem fracamente solúveis em
água ou etanol (solventes polares) e altamente solúveis em solventes orgânicos (geralmente
apolares) (JOYCE; DIWAN, 2006).
As principais funções dos lipídios são: (i) reserva energética, pois 1g de gordura
equivale a 9 kcal, principalmente constituída pelos triacilgliceróis (triglicerídeos); (ii)
possibilita o armazenamento e transporte de combustível metabólico; (iii) fonte de energia
quando oxidados na respiração celular; (iv) componente estrutural das membranas biológicas;
(v) isolamento térmico, elétrico e mecânico para proteção de células e órgãos; (vi) originam
moléculas mensageiras, como hormônios, prostaglandinas, (vii) triacilgliceróis, devido à sua
função de substâncias de reserva, são acumuladas principalmente no tecido adiposo, para
ocasiões em que há alimentação insuficiente.
3.2.1 Alguns ácidos graxos comuns:
(i) 14:0 Ácido myristic;
25
(ii) 16:0 Ácido palmitico;
(iii) 18:0 Ácido estearicod;
(iv) 18:1 cis D9 Ácido oleico
Existe uma livre rotação entre a ligação C-C no ácido graxo exceto quando existe uma
dupla ligação. Cada dupla ligação cis causa uma torção no cadeia. A rotação entre carbonos
permite uma estrutura mais linear, mas também pode ser devido a torção JOYCE; DIWAN,
2006).
3.2.2 Ácidos graxos e sabão
A hidrólise ácida dos triacilglicerídios age nos ácidos graxos os quais possuem
carboxílicos.Este grupo é geralmente chamado de lipídeos saponificáveis, porque a reação
destes com uma solução quente de hidróxido de sódio produz o correspondente sal sódico do
ácido carboxílico, isto é, o sabão (BUCHANAN, 2000).
3.2.3 Ácidos graxos saturados e insaturados
Os insaturados (que contém ligações duplas) são facilmente convertidos em saturados
através da hidrogenação catalítica (este processo é chamado de redução). A presença de
insaturação nas cadeias de ácido carboxílico dificulta a interação intermolecular, fazendo com
que, em geral, estes se apresentem, à temperatura ambiente, no estado líquido (BUCHANAN,
2000).
3.2.4 Triglicerídeos
Os saturados, com uma maior facilidade de empacotamento intermolecular, são
sólidos. A margarina, por exemplo, é obtida através da hidrogenação de um líquido - o óleo de
soja ou de milho, que é rico em ácidos graxos insaturados (BUCHANAN, 2000).
Conhecidos como gorduras neutras, esta grande classe de lipídeos não contém grupos
carregados. São ésteres do glicerol - 1,2,3-propanotriol. Estes ésteres possuem longas cadeias
carbônicas ligadas ao glicerol, e a hidrólise ácida promove a formação dos ácidos graxos
correspondentes e o álcool (glicerol) (BUCHANAN, 2000). Um das principais funções é
armazenamento de energia, cada ligação C-H é um sítio potencial para a reação de oxidação,
um processo que libera muita energia.
Os triacilgliceróis são lipídeos formados pela ligação de 3 moléculas de ácidos graxos
com o glicerol, um triálcool de 3 carbonos, através de ligações do tipo éster. Os ácidos graxos
que participam da estrutura de um triacilglicerol são geralmente diferentes entre si. Função de
26
reserva de energia, principalmente 1 grama fornece aproximadamente o dobro da energia
fornecida por carboidratos (BUCHANAN, 2000).
3.2.4 Fosfolipídeos
Os fosfolípideos são ésteres do glicerofosfato. O fosfato é um diéster fosfórico, e o
grupo polar do fosfolipídio. A um dos oxigênios do fostato podem estar ligados grupos
neutros ou carregados, como a colina, a etanoamina, o inositol, glicerol ou outros. As
fostatidilcolinas, por exemplo, são chamadas de lecitinas (BUCHANAN, 2000).
Os “Lipídeos Polares" são lipídeos que contém fosfato na sua estrutura, sendo os mais
importantes derivados do glicerol fosfoglicerídeos, o qual está ligado por uma ponte tipo
fosfodiéster geralmente a uma base nitrogenada (BUCHANAN, 2000).
As membranas celulares são elásticas e resistentes graças às fortes interações
hidrofóbicas entre os grupos apolares dos fosfolipídios (BUCHANAN, 2000).
3.2.5 Esteróides
Os esteróides são lipídeos derivados do colesterol. Eles atuam, nos organismos, como
hormônios. A testosterona é o hormônio sexual masculino, enquanto que o estradiol é o
hormônio responsável por muitas das características femininas.
O colesterol é um esteróide importante na estrutura das membranas biológicas, e atua
como precursor na biossíntese dos esteróides biologicamente ativos, como os hormônios
esteróides e os ácidos e sais biliares
São associações entre proteínas e lipídeos encontradas na corrente sanguínea, e que
tem como função transportar e regular o metabolismo dos lipídeos no plasma.
3.2.5 Classificação
Quilomícron: É a lipoproteína menos densa, transportadora de triacilglicerol exógeno
na corrente sanguínea.
VLDL: "Lipoproteína de Densidade Muito Baixa", transporta triacilglicerol endógeno;
IDL: "Lipoproteína de Densidade Intermediária", é formada na transformação de
VLDL em LDL;
LDL: "Lipoproteína de Densidade Baixa", é a principal transportadora de colesterol;
seus níveis aumentados no sangue aumentam o risco de infarto agudo do miocárdio;
27
HDL: "Lipoproteína de Densidade Alta"; atua retirando o colesterol da circulação.
Seus níveis aumentados no sangue estão associados a uma diminuição do risco de infarto
agudo do miocárdio.
3.2.5 Proteínas
Proteínas são substâncias encontradas em todos os organismo formados por C, H, O e
N, além disso pode estar ligada a outros nutrientes, como o P, S, Cu...
As cadeias polipeptídicas são normalmente compostas por 20 aminoácidos diferentes
que são ligados covalentemente durante o processo de síntese pela formação de uma ligação
peptídica. De modo geral podemos afirmar que proteínas é um conjunto de aminoácidos
(Figura 14).
Os aminoácidos são formados por grupamentos carboxílicos (COO-) e amina (NH2) e
cadeia lateral (R). Os aminoácidos são ligados por ligações peptídicas. A ligação peptídica
entre dois aminoácidos (Aa) é um exemplo especial de uma ligação do amido flanqueada em
ambos os lados por átomos do carbono 1. Os ângulos ligados e os comprimentos do peptídeo
são conhecidos de muitas observações diretas de estruturas da proteína. O comprimento da
ligação do peptídeo (NC) é em torno de 1.33 Å. Isto é consideravelmente menor do que o
comprimento da ligação não peptídica adjacente da NC de 1.45 Å.
Os comprimentos das ligações e ângulos refletem a distribuição dos elétrons entre os
átomos devido às diferenças na polaridade dos átomos, e a hibridação de seus orbitais da
ligação. Os dois átomos mais eletronegativos, O e N, podem carregar cargas negativas
parciais, e os dois átomos menos eletronegativos, C e H, podem carregar cargas positivas
parciais.
O grupo do peptídeo que consiste nestes quatro átomos pode ser pensado como de uma
estrutura da ressonância assim, a ligação de peptídica tem o caráter de ligação o dobro do
parcial, esclarecendo seu comprimento ligação intermediário. Como toda a ligação dobro, a
rotação sobre o ângulo de ligação w do peptídeo é restrita, com uma barreira de energia de ˜3
kcal entre grupamentos cis e do transporte.
Para todos os Aa, a configuração cis é desaprovada extremamente por causa do
obstáculo steric entre correntes laterais adjacentes. O fechamento do anel na corrente lateral
do prolina extrai o b-carbono longe do resíduo precedente, conduzindo para abaixar o
obstáculo steric através da X-pro ligação de peptídeo. Na maioria de resíduos, o transporte à
distribuição cis sobre esta ligação é aproximadamente 90 - 10, mas com prolina, o transporte à
distribuição cis é aproximadamente 70 - 30.
28
3.2.6 Restrição na ligação da rotação
Quando houver uma rotação restrita sobre a ligação peptídica, há uma rotação livre
sobre as quatro ligações ao um carbono de cada resíduo. Duas destas rotações são de
relevância particular para a estrutura da espinha dorsal do polipeptídio.
O nitrogênio (N) é um dos principais componentes das proteínas sendo este um dos
motivos do decréscimo do crescimento em plantas deficientes nesse nutriente. O N elemento
mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de 70%). Nas plantas é um componente
responsável por várias reações além de fazer parte da estrutura da clorofila de enzimas e
proteínas (TAÍZ; ZIEGER, 2004; REYNOLDS et al., 1982).
Figura 14. Estrutura de proteínas e aminoácidos (adaptado de BUCHANAM, 2000).
A disponibilização de nitrogênio para as culturas pode ocorrer de formas diferenciadas
de acordo com a espécie. Este nutriente pode ser absorvido do solo na forma de NH4+ ou de
NO3- ou através do N2 atmosférico. Nas leguminosas o N é absorvido na forma de N2 e
transformado em NH4 através do processo simbiótico com bactérias (GERAHTY et al., 1992;
TAÍZ; ZIEGER, 2004). Um caso típico desta associação é a simbiose entre leguminosas e
bactérias do gênero Rhyzobium, Bradyrhizobium, Azorizhobium, photorizhobium,
sinorizhobium que colonizam as células corticais das raízes (TAÍZ; ZIEGER, 2004).
29
As proteínas adquirem funções fisiológicas após adquirirem estrutura quanternária, a
qual ocorre devido a interações que governam o enovelamento e a estabilidade das proteínas:
(i) interações não-covalentes; (ii) repulsões de curto alcance; (iii) forças eletrostáticas; (iv)
interações de Van de Waals; (v) pontes de hidrogênio; (vi) interações hidrofóbicas (Figura
15).
Figura 15. Tipos de ligações encontradas em aminoácidos e proteínas (PERSON, 2004).
3.2.7 Estruturas de proteínas
3.2.7.1 Estrutura primária
É a ligação peptídica entre aminoácidos numa seqüência linear, onde apresenta uma
extremidade "amino terminal" e uma extremidade “carboxi terminal”. Sua estrutura é somente
a seqüência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacial da molécula
(Figura 16).
3.2.7.2 Estrutura secundária
É a estrutura oriunda do arranjo espacial de aminoácidos próximos entre si na
seqüência primária da proteína. A estrutura secundária ocorre devido a possibilidade de
rotação das ligações entre os carbonos e de seus aminoácidos nos grupamentos amina e
carboxila (Figura 16).
30
3.2.7.3 Estrutura terciária
É a forma tridimensional como as proteínas se "enrolam". Este processo ocorre devido
a organização das cadeias longas de polipeptídios em domínios, os quais são considerados as
unidades funcionais e de estrutura tridimensional de uma proteína (Figura 16).
3.2.7.4 Estrutura quaternária
Surge apenas nas proteínas oligoméricas. Esta estrutura surge em função da
distribuição espacial de mais de uma cadeia polipeptídica no espaço, as subunidades da
molécula. Observa-se nestas proteínas subunidades mantidas por forças covalentes, como
pontes dissulfeto, e ligações não covalentes, como pontes de hidrogênio, interações
hidrofóbicas (Figura 16).
Figura 16. Descrição nas estruturas de proteínas em função do enovelamento ocasionada por interações entre moléculas.
31
3.2.8 Funções
As principais funções das enzimas são: (i) atividade enzimática; (ii) síntese de
moléculas e outras proteínas; (iii) estrutural; (iv) armazenamento de esqueletos de carbono e
nitrogênio; (v) transportadoras (hemoglobina/oxigênio); (vi) transmissão de impulsos
nervosos; (vii) canais transportadores (na membrana plasmática); (viii) sinalizadores
(hormônios peptídeos).
3.2.9 Tipos de aminoácidos
3.2.9.1 Aminoácidos alifáticos
Esses aminoácidos apresentam apenas carbono e hidrogênio na cadeia lateral, exceto a
metionina (Figura 17).
Figura 17. Tipos de aminoácidos alifáticos.
3.2.9.2 Aminoácidos aromáticos
O nome desses aminoácidos á devido a presença de anel aromático na cadeia lateral
(Figura 18).
Figura 18. Tipos de aminoácidos aromáticos.
32
3.2.9.3 Aminoácidos com ramificação C-beta
Enquanto muitos aminoácidos contém apenas um substituto de hidrogênio ligado ao
carbono beta, as ramificações deste carbono pode conter dois aminoácidos (dois carbonos em
valina ou isoleucina; um carbono e um oxigênio na treonina) (Figura 19).
Figura 19. Tipos de aminoácidos com ramificação C-beta.
3.2.9.3 Aminoácidos com cargas positivas e negativas
Os aminoácidos com cargas residuais negativas são o aspartato, glutamatoe cargas
positivas são a arginina, histidina e lisina (Figura 20).
Figura 20. Tipos de aminoácidos com ramificação com cargas positivas e negativas.
33
3.3 Enzimas
São proteínas de ação catalítica, porém nem toda proteína é considerada uma enzima.
As enzimas são consideradas catalisadores orgânicos. Catalisador é uma substância que
acelera uma reação química por diminuir sua energia de ativação (Figura 21).
.
Figura 21. Reações processadas com e sem ação de enzimas.
As enzimas não modificam o sentido dos equilíbrios químicos, mas aceleram sua
realização. Um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "torção" da molécula do
substrato (Figura 22), que o "ativaria" e o prepararia para a sua transformação em produto
(KIELING, 2002).
Figura 22. Diminuição da energia de ativação por ação enzimática pelo mecanismo de torção.
34
Algumas enzimas são capazes de aumentar a velocidade das reações em cerca de
1014x, em relação a catalisadores químicos, o que pode ser observado quando utiliza-se a
enzima nitrogenase. Atividade biológica é a capacidade das enzimas em reagir com
substratos formando complexos ou mesmo compostos com ligações covalentes. A atividade
biológica envolve a medida da velocidade da reação. Segundo a Enzyme Comission, uma
unidade (U) de atividade corresponde a quantidade de enzima que catalisa a transformação de
1 micromol de substrato de 1 micromol de produto por minuto (U mg-1).
A especificidade é a correlação entre a estrutura das enzimas e suas propriedades
biológicas. Sendo assim, na enzima existe uma fração de molécula denominada de sítio ativo
que é responsável pela ligação da enzima ao substrato o que determina a especificidade da
enzima. Este é modelo chave-fechadura proposto por Fischer (Figura 23).
O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e
"L" de um mesmo composto. Este sítio pode conter um segundo sítio, chamado sítio catalítico
ou sítio ativo, ou estar próximo dele; é neste sítio ativo que ocorre a reação enzimática.
Monod et al. () propuseram um modelo alostérico para explicar como a atividade de certas
enzimas é regulada pela ligação de pequenas moléculas, que serve como mecanismo de
controle em células. Este mecanismo produz mudanças conformacionais na enzima alterando
sua atividade.
Figura 23. Especificidade entre enzima e substrato.
As enzimas possuem um centro ativo denominado de APOENZIMA e algumas vezes
um grupo não protéico denomina de COENZIMA. Toda a molécula (apoenzima+ cofator)
forma a holoenzima. O cofator pode ser (i) a coenzima: uma substância orgânica não
protéica; (ii) grupo prostético: substância orgânica que se liga firmemente na apoenzima;
35
(iii) ativador metal: K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++ e Mo+++ (KIELING,
2002).
As enzimas são produzidas no interior das células pelos ribossomos podendo ser
secretada pelas vesículas do complexo de golgi, como por exemplo as fosfatases em plantas,
que tem por função liberar o fósforo imobilizado no solo (KIELING, 2002)
3.4 Classificação de enzimas
Critérios estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB)
O nome dado as enzimas deve-se a sua função metabólica (geralmente o substrato)
mais o termo “ase” (Figura 24).
Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja:
reações de oxi-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases (usada quando o O2 é aceptor de
elétrons).
Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais
como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Exemplo: Quinases e as Transaminases. O
doador pode ser um cofator.
Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades (hidrólise
das ligações peptídeas).
Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes (C-C, C-N e C-O) e a remoção de
moléculas de água, amônia e gás carbônico, sendo envolvidos dois substratos. Exemplos:
dehidratases e as descarboxilases.
Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos (isomeria cis-trans)
ou geométricos. Exemplo: Epimerases e Racemase.
Ligases: Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligação entre duas já
existentes, sempre à custa de energia (ATP). Exemplo: Sintetases.
Figura 24. Critérios estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB) para classificação de enzimas.
36
3.4 Cinética enzimática
A cinética enzimática relaciona a velocidade das reações enzimáticas, e os fatores que
influenciam nesta. Nesse caso avalia-se a quantidade de produto formado ou a quantidade de
substrato consumido por unidade de tempo de reação.
A avaliação do processo ocorre da seguinte forma: O complexo enzima/substrato (ES)
tem uma energia de ativação menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao
aparecimento do estado de transição "Ts". A velocidade de uma reação enzimática depende
das concentrações de enzima e de substrato.
Sendo assim dois pesquisadores Michaelis e Menten propuseram o modelo de reação
enzimática para um substrato. Neste modelo existe uma equação expressada graficamente que
permite mostrar a velocidade das reações de acordo com a concentração de substrato.
A partir desta equação foi determinado o Km (concentração de substrato para ½ da
velocidade máxima da reação) para uma enzima específica que fornece o parâmetro de
especificidade da enzima, sendo que, quanto menor o Km maior a especificidade.
De acordo com a Figura 25, observa-se: (1 e 2) a velocidade da reação depende da
concentração de substrato; (3) para altas concentrações de substrato todas as enzimas estão
ligadas ao substrato e a velocidade sofre uma estabilização (Vmax).
Figura 25. Cinética enzimática de Michaelis-Menten.
37
3.4 Afinidade enzimática
Quando ½ da velocidade máxima da reação é atingida em baixos níveis de substrato,
demonstra que a enzima tem elevada afinidade pelo mesmo sendo assim determinado pelo
Km (constante de Michaelis e Menten), então o Km = ½Vmax. Sendo assim o Km alto
apresenta baixa afinidade enzimática e Km baixo elevada afinidade enzimática (Figura 26).
Figura 26. Determinação do Km para enzimas de baixa e alta afinidade.
3.5 Fatores que afetam a atividade enzimática
3.5.1 Temperatura
Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a temperatura
ótima (a cada 10 oC a reação duplica; Q10); a partir dela, a atividade volta a diminuir, por
desnaturação da molécula. Em temperaturas baixas (que 20°C) a enzima se torna muito rígida
(Figura 27).
Figura 27. Efeito da temperatura na atividade enzimática.
38
3.5.2 pH
Normalmente corre um aumento da velocidade da reação até atingir um pH ótimo,
onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio
catalítico, é ideal para a catálise. No entanto, a faixa de pH ótimo é variável com o tipo de
enzima (Figura 28).
Figura 28. Efeito da pH atividade enzimática.
3.5.3 Cofatores
Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas não proteicas que podem
ser necessárias para a função de uma enzima, embora existam enzimas como a quimiotripsina
e triose fosfato isomerase que são ativas sem necessitar de outro fator. Estes cofatores não
estão ligados permanentemente à molécula da enzima, mas na ausência deles, a enzima é
inativa. Os cofatores com efeito em células de plantas e animais são:
(i) a coenzima: uma substância orgânica não protéica: coenzima A, NAD (Nicotinamina
Adenina Dinucleotídeo) e FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo) (Figura 29);
39
Figura 29. (a) NAD, Nicotinamina adenina dinucelotídeo, agente de transferência de dois elétrons e dois hidrogênios; (b) FAD, flavina adenina dinucleotídeo, agente doador de um elétron e dois hidrogênios; (c) Acetil coenzima A, Um acil é agente de transferência (forma um tioester).
(ii) Grupo prostético: substância orgânica que se liga firmemente na apoenzima. Os grupos
prostéticos são um subgupo de cofatores; ao contrário das coenzimas, encontram-se ligados
de forma permanente à proteína. Em enzimas, os grupos prostéticos estão de algum modo
ligados ao centro ativo. Ex: vitaminas, açúcares e íons metálicos;
(iii) Um ativador metal (íons metálicos): K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++,
Ca++ e Mo+++ (KIELING, 2002).
(a) (b)
(c)
40
3.5.4 Inibidores enzimáticos
Os processos de inibição enzimática podem ocorrer através da ligação no sítio
alostérico. Esses inibidores podem apresentar natureza diversa sendo em alguns casos íons
metálicos (Figura 30).
Figura 30. Efeito do inibidor na estrutura de enzimas.
3.6 Nucleotídeos
Constitui-se numa molécula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um açúcar de
cinco carbonos e bases purínicas (Adenina e guanina) e pirimidínicas (citosina, uracila e
timina), chamadas de bases nitrogenadas (Figura 31). Cada base nitrogenada tem um
pareamento, a timina com a adenina ou uracila quando no RNA (dupla ligação), e a guanina
com a citosina (tripla ligação). Para entender melhor a estrutura dos nucleotídeos é necessário
detalhar as partes dos mesmos:
41
(i) Nucleosídeos: base nitrogenada+ açúcar de cinco carbonos;
Figura 31. Bases nitrogenadas encontradas nas moléculas de DNA e RNA. (ALBERTS, 2004).
(ii) Nucleotídeos: é uma molécula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um açúcar de
cinco carbonos (Figura 32) e bases nitrogenada purínicas (Adenina e guanina) e pirimidínicas
(citosina, uracila e timina);
Figura 32. Açúcares encontrados no DNA (desoxirribose) e RNA (ribose) encontradas. (ALBERTS, 2004).
(iii) Os ácidos nucléicos são formados pela união dos nucleotíeos. Nos seres vivos, há 2
tipos de ácidos nucléicos: o ácido desoxirribonucleico (DNA ou ADN) e o ácido
ribonucléico (RNA ou ARN) com funções distintas (Figura 33).
42
Figura 33. Estrutura das moedas energéticas encontradas em células vegetais.
3.6 Tipos de Nucleotídeos
3.6.1 DNA e RNA
Ocorrem em todas as células vivas e são responsáveis pelo armazenamento e
transmissão da informação genética e por sua tradução que é expressa pela síntese precisa das
proteínas. O DNA é formado os nucleotídeos estão ligados covalentemente através dos
açúcares e dos fosfatos, formando uma fita. O DNA é formado por duas fitas dobradas em
estrutura tridimensional (duplas hélice). A base mais robusta com dois anéis (purina) sempre
se pareiam com a base de dois anéis (pirimidina) (Figura 34).
O DNA é encontrado nos cromossomas, dirige a síntese das enzimas e, desta forma,
controla as atividades metabólicas da célula. O RNA transfere as informações do DNA para
os ribossomos, onde as enzimas e outras proteínas são produzidas. O nucleotídeo Adenina
pareia-se com a timina e a citosina com a guanina por pontes de hidrogênio. No DNA a trinca
de três nucleotídeos forma os códons e anticódons e a seqüência de trincas formam os genes,
que são responsáveis pela informação para a síntese de proteínas.
43
Figura 34. Pareamento de bases nitrogenada no DNA celular. Alberts (2004).
3.6.2 Moléculas Bioenergéticas
3.6.2.1 A química do ATP é bem conhecida
(i) Em pH 7.0, ATP e ADP ocorrem como ânions multicarregados: ATP-4 e ADP-
3,
devido os grupos fosfato estarem ionizados nesse pH (Tabela 2);
44
(ii) No fluido intracelular, com grandes concentrações de Mg+2, o ATP e ADP
encontram-se geralmente na forma MgATP-2 e ADP-;
(iii) Em células normais, a concentração de ATP é praticamente constante, devido ao
equilíbrio dinâmico estabelecido pela síntese e hidrólise do ATP. Assim, o grupamento
fosfato terminal do ATP sofre remoção e recolocação contínua durante o metabolismo celular;
(iv) Quando o ATP sofre a perda de seu grupamento fosfato terminal por hidrólise,
com formação de ADP e Pi, a variação da energia livre padrão é de – 7,3 Kcal mol-1.
Tabela 2. Energia livre padrão de hidrólise de alguns compostos fosfatados em Kcal mol-1
(Lehninger, Princípios de Bioquímica, 1985).
Quais as características estruturais da molécula do ATP responsáveis pela liberação de
uma quantidade consideravelmente grande de energia livre, quando seu grupo fosfato-
terminal é hidrolizado?
(i) Grau de ionização do ATP e de seus produtos de hidrólise. Em pH 7.0 o ATP está
quase totalmente ionizado na forma iônica ATP-4. Pela hidrólise ele libera três produtos: ADP-
3, HPO-4-2 e H+ conforme a Equação: ATP-4 + H2O resultando em ADP-3 + HPO4
-2 + H+
(ii) Nas condições padrão o ATP-4, ADP-3 e HPO-4-2 estarão presentes em
concentrações iguais a 1 M. Entretanto, em pH 7 (pH aproximado do citossol) a concentração
do íon H+ é apenas 10-7 M. Isso significa que pela Lei do Equilíbrio Móvel de Le Châtelier
o equilíbrio da hidrólise do ATP é deslocado fortemente para a direita, pois a concentração de
45
H+ em pH 7 é muito baixa comparada com as concentrações padrão de 1 M dos outros
componentes da reação;
(iii) Em pH 7,0 a molécula de ATP tem quatro cargas negativas muito próximas, e
estas repelem-se fortemente. Quando a ligação do grupo fosfato terminal é hidrolizada parte
da pressão elétrica no interior da molécula de ATP é aliviada pela separação dos produtos
carregados negativamente ADP-3 e HPO-4, Estes produtos têm tendência relativamente
pequena de aproximar-se e reagir em direção inversa, formando novamente ATP;
(iv) O ADP-3 e HPO4-2 são híbridos ressonantes, formas especialmente estáveis nas
quais certos elétrons estão em uma configuração que possui uma quantidade de energia muito
menor que aquelas que possuíam em suas condições originais na molécula de ATP. Assim,
quando o ATP é hidrolizado, os elétrons nos produtos podem cair para níveis energéticos
menores que aqueles do ATP não hidrolizado;
Diz-se que compostos fosfatados de alta energia, aqueles cuja hidrólise ocorre com
grande decréscimo de energia livre-padrão, contem uma “ligação fosfato rica em energia”,
simbolizada nas fórmulas estruturais pelo sinal gráfico “~”. A expressão “ligação fosfato rica
em energia”, embora amplamente empregada pelos bioquímicos a bastante tempo é incorreta
e pode provocar confusões, uma vez que sugere, erradamente, que a ligação contem a energia
em si mesma. Isto não é verdade, na realidade a quebra de uma ligação química requer a
adição de energia. A energia livre liberada pela hidrólise de ésteres fosfóricos não provém da
ligação que é rompida, mas resulta do fato dos produtos da reação possuírem um conteúdo de
energia livre menor que o dos reagentes.
3.6.2.1 Nicotinamina dinucleotídeo (NAD), nicotinamina dinucleotídeo fosfato (NADP) e
a flavina dinucleotídeo (FAD)
A NAD e a FAD são coenzimas não protéicas utilizadas por células de plantas e
animais para transferir energia em reações químicas. Em reações endergônicas essas
substâncias fornecem energia tornando oxidadas (NAD+ e FAD+). Um exemplo dessas
reações é transformação do oxalacetato em malato na mitocôndria no processo de
nêoglicogenese. Nas reações exergônicas (liberam energia) o NAD+ e FAD+ podem
armazenar energia liberada o através da ligação de dois elétrons e dois hidrogênio
transformando-se em NAD(P)H e FADH2 (Figura 35). Essas moléculas na forma reduzida
podem fornecer energia direta em várias reações, que é o caso da fotorrespiração e processo
de redução do CO2 no ciclo de Calvin e Benson. Quando não utilizado na forma direta a
energia dessas moléculas é utilizada para a formação de um gradiente eletroquímico na matriz
46
mitocondrial mais especificadamente na cadeia transportadora de elétrons para formar ATP
pelo complexo protéico ATPase (BUCHANAN, 2000; TAIZ; ZEIGER, 2004).
Figura 35. Estrutura das moedas energéticas encontradas em células vegetais (BUCHANAN, 2000).
BIOMOLÉCULAS: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO
1- Quais a moléculas de açúcares produzidas no processo fotossintético? Qual a sua forma
de translocação e armazenamento?
2- Descreva como são classificados os açúcares:
3- O que são isômeros? E qual a sua importância no metabolismo das células?
4- Quais os sacarídeos envolvidos na evolução das plantas no ambiente terestre?
5- O que são lipídeos e suas funções em plantas?
6- Relacione a produção de lipídeos em células vegetais e a fotossíntese.
47
7- Como a produção de lipídeos está envolvida no crescimento e produtividade de culturas?
8- O que são ácidos graxos saturados e insaturados e porque as células vegetais alteraram a
saturação dos lipídeos de membrana?
9- Qual a relação entre absorção de nitrogênio e produção de proteínas em plantas?
10- Quais a estruturas das proteínas e como elas são formadas?
11- Descreva um tipo de aminoácidos e sua respectiva função em células vegetais.
12- O que são enzimas e qual a sua importância?
13- Explique como alguns nutrientes utilizados pelas plantas agem nas enzimas.
14- Descreva a relação entre a atividade enzimática e:
a) Temperatura
b) pH
c) Disponibilidade de substrato
15 – Ainda em relação a questão anterior, explique como o manejo pode afetar a atividade das
enzimas e a produtividade das culturas.
16 – O significa Km enzimático e porque o conhecimento de sue valor é importante no meio
agrícola?
17 – O que são nucleotídeos e ácidos nucléicos?
18 – Qual a relação entre nucleotídeos e divisão celular e conseqüentemente crescimento de
plantas?
19- Quais os nucleotídeos com função energética e porque eles são indispensáveis no
crescimento de plantas?
20 – O que são e qual a diferença na estrutura e função do DNA e RNA?
48
4. Fotossíntese
A fotossíntese (FSS) é uma das reações mais importantes da terra nela o CO2 e a H2O são
transformados em CH2O e O2. Na FSS a luz visível (400 a 700 nm) denominada de densidade
de fluxo de fótons fotossintéticamente ativo, DFFFA é coletada por pigmentos antenas,
carotenóides e clorofilas estes por ressonância transfere a energia para os fotossistemas
(Figura 36).
A energia do fóton de comprimento de onda mais curto é absorvido pelo complexo antena
II o qual transmite até o P680 (clorofila especial) do P680 o elétron é tranferido para a feofetina
e depois para a Qa, Qb (ciclo Q, forma um gradiente eletroquímico para formar ATP através
da ATP sintase), deste para o citocromo B6f e para a plastocianina. Esta transfere para o P700,
quando incide um fóton a energia excita a clorofila que perde seu elétron para a A0 e depois
para a A1, esta para a FesX, Fesa, Fesb e para a ferredoxina, a qual transfere o elétron para a
ferredoxina solúvel redutase que reduz o NADP em NADPH.
O NADPH é utilizado pela fase carboxilativa onde a rubisco para reduzir o CO2 e forma 2
PGA, depois 1,3PGA (gasta 1 ATP) e depois em 3 gliceradeído 3P (trioses, com gasto de
NADPH) que são utilizadas como esqueletos carbônicos para produzir açúcares, e demais
compostos. O restante da rota é para regenerar a ribulose 1,5 bifosfato, onde ocorre gasto de
ATP. As Curvas de resposta à luz têm sido apresentadas, para diferentes espécies, e para
espécies particulares aclimatadas em diferentes irradiâncias (JONES, 1994; PACHEPSKY et
al., 1996).
Embora haja uma leve tendência da Pn, nas espécies C4, continuar aumentando mais do
que nas espécies C3, com o aumento da irradiância, há grandes diferenças entre espécies de
sombra e espécies de sol, ou entre folhas de uma mesma espécie crescendo em irradiâncias
diferentes. Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois
não é possível nesse período um nível de respiração muito intensa para a construção de novos
tecidos. As folhas que estão em expansão interceptam menor quantidade de radiação e além
disso seu aparato fotossintético não está completamente formado. As folhagens jovens, mas
completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossintética, a qual vai
decrescendo com o aumento da idade. Próximo da senescência completa a fotossíntese atinge
valores nulos devido a degradação da clorofila e a degeneração dos cloroplastos. Durante a
floração e frutificação de plantas cultivadas é observado um aumento da capacidade
fotossintética. Se os frutos são removidos a capacidade fotossintética diminui. Isso ocorre,
porque grande parte dos carboidratos são desviados para os frutos. No decorrer do dia a planta
49
é submetida a deferentes intensidades de radiação e diferentes ângulos de incidência. Os
estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada em relação a fotossíntese total
associada a comunidade vegetal.
Nas comunidades de gramíneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade
fotossintética ocorre nas folhas medianas, em que grande parte da radiação penetrante é
absorvida. Mais externamente a fotossíntese diminui conforme a disponibilidade de radiação
decresce. Neste cenário, as folhas adaptadas a sombra exercem função compensatória
importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em relação as folhas adaptadas. As
folhas de sombra realizam um modesto trabalho fotossintético, mas como estão menos
expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua contribuição pode suprir a demanda
energética básica da planta em condições climáticas flutuantes. Observa-se que a fotossíntese
aumenta no início do dia até próximo as 10 horas onde começa decrescer, onde ocorre o
fenômeno chamado de depressão da fotossíntese líquida próxima ao meio dia.
.1 Fotossíntese (Processos bioquímicos)
4.1.1 Fase fotoquímica
A característica mais importante das plantas é sua habilidade para interceptar e
absorver energia solar, utilizando-a para fixar o dióxido de carbono atmosférico em um grupo
de moléculas orgânicas mais complexas. Este processo é responsável pela entrada de energia
livre na biosfera. Parte da energia livre armazenada nos assimilados fotossintéticos é
transferida, durante o processo de respiração, para compostos de alta energia, que podem ser
utilizados na síntese de novos compostos e no processo de manutenção. O saldo de CO2
fixado pela planta, ou fotossíntese líquida (Pn), é a diferença entre a taxa de fixação bruta (Pg)
e a taxa de perda de CO2 durante o processo respiratório (R) (JONES, 1994). Embora difícil
de se imaginar, há mais fotossíntese nos ecossistemas terrestres do que nos aquáticos.
Segundo as estimativas disponíveis, a produtividade primária líquida dos ecossistemas
continentais é mais do que o dobro daquela dos ecossistemas marinhos (117,5 x 109 versus 55
x 109 t ano-1, LIETH; WHITTAKER, 1975).
50
Figura 36. Descrição dos comprimentos de onda absorvidos pela folha para o processo fotossintético.
No processo de fotossíntese, pigmentos especiais (clorofila a, b e carotenóides) estão
dispostos em um complexo coletor de luz denominado de complexo antena. Esses pigmentos
absorvem a energia na luz na forma de fótons e transfere por ressonância para o centro de
reação do complexo antena, constituído por clorofilas.
Quando a energia chega ao centro de reação ela excita a molécula de clorofila, a qual
passa de um estado basal para um estado singlet 1 ou 2 (dependendo da energia)ao voltar para
o estado basal essa energia é transferida para um aceptor de elétrons a Phe (molécula de
clorofila sem magnésio), essa molécula fica excitada e assim transfere para uma quinona
próxima (Qa) e essa para a Qb, nesta via ocorre um transporte de elétrons em forma de ciclo
denominado de ciclo Q. Os elétrons provenientes da Qa são utilizados para reduzir a Qb em
QH2. O ciclo Q tem por objetivo bombear íons H do estroma para o lúmem. O ciclo Q
funciona da seguinte forma, a plastoquinona QH2 é oxidada e libera um elétron para uma
proteína Fe-S que vai ser tranferido para o citocromo f e este para a plastocianina. O outro
elétron será transferido para um cit. B e este para a Qb-. Quando uma segunda plastoquinona
for reduzida os elétrons são conduzidos novamente pelo cit b para a Qb-, transformando-a em
QH2, pois ela consegue se ligar a dois H que estão no estroma. Esse processo é importante
para a formação de ATP, pois incrementa o gradiente eletroquímico entre membranas (Figura
37).
51
Figura 37. Esquema de transferência de elétrons na fase fotoquímica da fotossíntese. (Adaptado de TAIZ; ZEIGER, 2004).
Os elétrons precisam ser repostos a P680 para que o processo fotossintético tenha
seqüência. Os elétrons são retirados da água través do processo denominado de fotólise. Esse
processo envolve quatro átomos de Mn e um átomo de Ca. As seguências de oxidação do
Mn++ segue S0 – S1 – S2 – S3 – S4 (Figura 38).
Figura 38. Estados de redução e oxidação do Manganês no complexo evoluidor de água na fase fotoquímica da fotossíntese. (BUCHANAN, 2000).
Phe
PQA, PQB
Cyt b6f complex
plastocyanin
Mn center
H2O
P680
P680*
Light
P700
P700*
QK1
Chl
Light
Ferredoxin
Fe-S centers
NADP NADPH
Photosystem I
Photosystem II PQA, PQB: plastoquinone QK1: phyloquinone plastocyanin: a Cu protein ferredoxin: a soluble Fe-S protein
O2
52
Finalmente a plastocianina transfere o elétron para a P700 (clorofila especial a),
quando ocorre a incidência de um fóton as clorofilas e carotenóides do sistema antena captam
essa energia e transferem para o centro de reação excitando a molécula de clorofila a, a qual
perde elétron para o aceptor primário A1 e desde para A0 e destes para a ferredoxina a qual
reduz a NADP a NADPH2. Sendo assim a energia física proviniente do sol é conservada em
energia química na forma de NADPH2 e ATP. Exata forma de energia química vai ser
utilizada no ciclo de calvin para formação de trioses (fase carboxilativa).
Os fotossistemas apresentam diferenciação entre eles em relação a quantidade de
clorofilas e carotenóides. O fotossistema I (FSI) é o filogeneticamente mais antigo e apresenta
uma relação de quantidade de clorofila e P700 de 300:1 a 600:1, dependendo da espécie de
planta e do seu estado. O fotossistema II (FSII) apresenta mais clorofila b e xantofila do que o
FSI.
A fase carboxilativa tem seu início com a absorção de CO2 pelo estômato, no entanto,
o mesmo enfrenta várias resistências em o seu caminho até o cloroplasto. Perto da superfície
foliar há um retardamento da velocidade das moléculas que participam das trocas gasosas.
Essa resistência da camada fronteiriça é especialmente grande quando há um fraco
movimento de ar próximo a superfície da folha, o que torna mais provável quando a folha tem
uma superfície irregular, pilosa e avantajada.
O aparato fotossintético tem um papel fundamental para entrada de gases. Quando o
estômato está completamente aberto a resistência estomática mínima á difusão depende do
tamanho do estômato e da densidade estomática. Em plantas terrestres a entrada de CO2 pela
cutícula é desprezível. A resistência interna ao CO2 é o resultado de diferentes barreiras,
resistência a entrada de CO2 na fase líquida da célula, resistência a carboxilação, devido ao
descompasso entre a carboxilação e o abastecimento de mais CO2. Devido a atividade
fotosintética a mais alta pressão de CO2 ocorre na atmosfera próxima a folha. A concentração
interna de CO2 (Ci) é definida pelo balanço entre o consumo de CO2 (Fotossíntese) e a
liberação para os espaços intracelulares (Respiração, fotorrespiração). Freqüentemente os
estômatos reagem para manter essa pressão interna constante, para um dada pressão externa
de CO2. Geralmente a relação entre Ci/Ca mantém-se em torno de 0,7. Teoricamente a
pressão parcial dentro do cloroplasto deveria decrescer até um valor nulo. Contudo, sobre
condições naturais e mesmo sobre forte intensidade luminosa a pressão de CO2 nos espaços
intracelulares não decresce linearmente em relação a pressão parcial dentro do cloroplasto.
53
4.1.2 Fase carboxilativa
Os ATPs e NADPH gerados na fase fotoquímica são utilizados na fase carboxilativa
para assimilação do CO2. O ciclo de calvin é dividido em três etapas. A primeira é fase de
carboxilação (o CO2 é adicionado a ribulose 1,5P formando duas moléculas de 3PGA) depois
a fase de redução (os 3PGA são transformados em 1,3P glicerato, com gasto de um ATP e
depois em gliceraldeído 3P, com gasto de um NADPH), posteriormente ocorre a fase de
regeneração (a ribulose 1,5 p é regenerada, sendo necessário gasto de ATP) (Figura 39).
Figura 39. Descrição do ciclo de Calvin e Benson (ALBERTS, 2004)
4.1.3 Fotossíntese e luz
Curvas de resposta à luz têm sido apresentadas, para diferentes espécies, e para
espécies particulares aclimatadas em diferentes irradiâncias (JONES, 1994; PACHEPSKY et
al., 1996). Embora haja uma leve tendência da Pn, nas espécies C4, continuar aumentando
mais do que nas espécies C3, com o aumento da irradiância, há grandes diferenças entre
espécies de sombra e espécies de sol, ou entre folhas de uma mesma espécie crescendo em
irradiâncias diferentes. Nas espécies de sombra ou em folhas sombreadas, Pn pode saturar a
menos de 100 µmol m-2 s-1 de PAR, a qual é aproximadamente 5% da luz total. Folhas de sol,
por outro lado, freqüentemente continuam a responder a valores típicos para toda luz solar. O
ponto de compensação de luz também varia a partir de valores tão baixos quanto 0,5 – 2 µmol
m-2 s-1, nas espécies de sombra, até valores de 40 µmol m-2 s-1 nas folhas de sol (JONES,
1994).
54
Diversos fatores contribuem para as diferenças existentes no comportamento
fotossintético das folhas de sombra e de sol. Há evidências satisfatórias de que todos os
componentes do sistema fotossintético adaptam-se juntos. Por exemplo, na presença de alta
irradiância, as folhas tendem a ser mais espessas, com uma área de superfície interna maior
que as folhas de sombra e tendem a ter mais clorofila e muito mais carboxilase, por unidade
de área. Como a resistência do mesófilo, por unidade de superfície de célula, é
aproximadamente constante esta resistência tende a diminuir com o aumento da irradiância,
como resultado da mudança na razão entre a área de superfície da célula do mesófilo e a área
de superfície da folha (HOLMGREN, 1968; NOBEL et al., 1975), como ocorre na resistência
estomatal. As reações de luz também são afetadas pela irradiância crescente, ocorrendo o
desenvolvimento de granas mais extensivos nas folhas de sombra, enquanto a capacidade para
transporte de elétrons é marcadamente reduzida. Por exemplo, o transporte de elétrons nos
dois sistemas, quando expresso numa base de clorofila, pode ser até 14 vezes mais intenso em
cloroplastos extraídos de plantas de sol do que aquele verificado em cloroplastos extraídos de
plantas sombreadas (BOARDMAN et al., 1975; BOARDMAN, 1977). Parte desse efeito pode
resultar de uma leve diminuição no tamanho da unidade fotossintética (MALKIN; FORK,
1981). Os componentes da cadeia de transporte de elétrons, isto é, citocromo f e citocromo b,
são particularmente reduzidos nas plantas com baixa luminosidade. As várias adaptações, em
resposta à irradiância alterada, podem ocorrer poucos dias após a mudança no ambiente.
Apesar da grande diferença na Pn saturada por luz, somente pequenas diferenças têm
sido observadas na inclinação inicial da curva de resposta da fotossíntese à luz. A recíproca
desta inclinação, requerimento de quantum (quanta por CO2 fixado), é uma medida da
eficiência da fotossíntese e é, relativamente, constante com um valor em torno de 19 para
plantas C4, enquanto nas plantas C3 é fortemente dependente da temperatura e concentração
de oxigênio (EHLERINGER e BJÖRKMAN, 1977).
A ocorrência de irradiância elevada pode danificar o sistema fotossintético,
particularmente de folhas adaptadas à sombra, ou de folhas nas quais o metabolismo
fotossintético tenha sido inibido por outros estresses, tais como temperaturas extremas, ou
estresse hídrico. Os danos podem ser um resultado de foto-oxidação onde ocorre destruição da
clorofila. Quando não ocorre destruição da clorofila, mas o dano é observado, diz-se que
ocorreu foto-inibição (JONES, 1994).
A taxa respiratória também pode ser influenciada pela irradiância crescente, sendo
tão baixa quanto 4 µg m-2 s-1, nas plantas de sombra e 50 – 150 µg m-2 s-1 em folhas de sol.
55
Esta diferença pode contribuir para a vantagem no saldo fotossintético em baixa luminosidade,
que é freqüentemente exibido pelas folhas sombreadas (JONES, 1994).
4.3.4 Fotossíntese e deficiência hídrica
O efeito da deficiência hídrica sobre a assimilação tem sido assunto de muitos
artigos (KAISER, 1987). Entretanto, há controvérsias quanto à importância relativa do
fechamento estomático e das mudanças na capacidade do mesófilo, como causas das
diminuições observadas na assimilação. Embora estudos tenham sugerido que as mudanças na
condutância estomático são a principal causa de diminuição da fotossíntese (BOYER, 1976),
muitos estudos de campo utilizando espaços de tempo maiores, mais próximos da realidade,
têm indicado que a capacidade de muitos componentes fotossintéticos é modificada
paralelamente, enquanto a limitação relativa da condutância estomática permanece
aproximadamente constante (JONES, 1973). Estudos recentes sobre a fluorescência da
clorofila evidenciam que a alta irradiância, durante o estresse hídrico, pode levar a danos
fotoinibitórios no fotossistema II (FS II), embora sugerindo que o transporte de elétrons é,
relativamente, pouco afetado em condições de baixo potencial hídrico. Há possibilidade de
que o fechamento estomatal desuniforme tenha sido a causa da diminuição da capacidade
fotossintética do mesófilo, que consta em alguns registros.
4.3.4 Considerações entre Fotossíntese e respiração
A atividade respiratória e a capacidade fotossintética são variáveis para cada espécie
vegetal. O comportamento dos valores de trocas gasosas alteram-se durante o ciclo de
desenvolvimento das plantas.
Fotossíntese e desenvolvimento (Larcher, 2004):
Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois
não é possível nesse período um nível de respiração muito intensa para a construção de novos
tecidos. As folhas que estão em expansão interceptam menor quantidade de radiação e além
disso, seu aparato fotossintético não está completamente formado. As folhagens jovens, mas
completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossintética, a qual vai
decrescendo com o aumento da idade. Próximo da senescência completa a fotossíntese atinge
valores nulos devido a degradação da clorofila e a degeneração dos cloroplastos.
Durante a floração e frutificação de plantas cultivadas é observado um aumento da
capacidade fotossintética. Se os frutos são removidos a capacidade fotossintética diminui. Isso
56
ocorre, porque grande parte dos carboidratos são desviados para os frutos. Semelhante
controle sobre o trabalho assimilatório da planta como um todo é realizado pelos hormônios
vegetais.
4.3.5 Fotossíntese em resposta as condições de radiação na comunidade vegetal
(Larcher, 2004)
No decorrer do dia a planta é submetida a deferentes intensidades de radiação e
diferentes ângulos de incidência. Os estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada
em relação a fotossíntese total associada a comunidade vegetal. Nas comunidades de
gramíneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade fotossintética ocorre nas folhas
medianas, em que grande parte da radiação penetrante é absorvida. Nas florestas somente as
folhas situadas mais externamente são saturadas. Mais externamente a fotossíntese diminui
conforme a disponibilidade de radiação decresce. Neste cenário, as folhas adaptadas a sombra
exercem função compensatória importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em
relação as folhas adaptadas. As folhas de sombra realizam um modesto trabalho
fotossintético, mas como estão menos expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua
contribuição pode suprir a demanda energética básica da planta em condições climáticas
flutuantes.
4.3.6 Fotossíntese ao longo do dia
Observa-se que a fotossíntese aumenta no início do dia até próximo as 10 horas onde
começa decrescer, onde ocorre o fenômeno chamado de depressão da fotossíntese líquida
próxima ao meio dia. Nesse período devido a forte radiação solar, forte calor, alta demanda
evaporativa do ar os estômatos tendem a fechar, a Ci aumenta indicando um decréscimo na
atividade fotossintética e a eficiência fotoquímica do FSII decresce. Freqüentemente o
potencial hídrico da folha também diminui. Desta forma, esse processo é o resultado da
interação de muitos estresses, como forte radiação (fotoinibição), balanço hídrico negativo
(estresse hídrico), estresse térmico e em alguns casos um provável retardamento no transporte
de assimilados da folha. Outro ponto importante é o fato que nesse horário a respiração é
maior que a FSS sendo assim ocorre uma acidificação do citoplasma, pois a enzimas da
FSS são mais afetadas, assim o CO2 que fica no meio diminui o pH. Com o decréscimo do
pH o ABA torna-se protonado e consegue ultrapassar as membranas do cloroplasto e assim
se ligar aos receptores das células guardas, iniciando o processo de fechamento estomático.
57
5.2 Respiração celular de plantas
5.2.1 Resumo
A via respiratória em plantas serve como um processo catabólito de oxidação de
açucares preferencialmente para produzir energia celular na forma de ATP. No entanto sabe-
se que a respiração também funciona como uma rota anabólica que participa na produção de
diversos componentes celulares. A respiração é um processo comum em todos e Eucariontes e
similar entre plantas e animais, porém temos alguns aspectos a distinguir. Em animais o
substrato utilizado na respiração é o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca,
por ser o principal açúcar de translocação no floema. A respiração aeróbica é um processo
biológico no qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e conseqüentemente
oxidados de uma forma controlada. Durante a respiração a energia livre á incorporada na
forma de ATP (adenosina trifosfato) e cofatores orgânicos, como o NADH e FADH
(Nicotinamida adenina dinucleotídeo e flavina adenina dinucleotídeo, respectivamente).
Durante a respiração ocorre a oxidação da sacarose em piruvato no citoplasma, liberando ATP
a nível de subtrato e NADH. O piruvato é transpotado para a mitocôndria onde entra co ciclo
de Krebs sendo totalmnete oxidado a CO2, ATP, NADH e FADH2, estes último vão ser
utilizados na cadeia transportadora de elétrons para gerar um gradiente eletroquímico e assim
formar a ATP (fosforilação oxidativa), sendo os elétrons finais destinados ao O2. A
respiração também é acoplada a outras vias. A glicólise e ciclo de Krebs são centros de
produção de metabólitos de plantas, incluindo Aa, lipídeos, isoprenóides, porfirinas e diversos
hormônios. Este é um dos motivos do porque uma molécula de sacarose não é transformada
diretamente em CO2 e H2O, pois os intermediários dessas rotas são importantes esqueletos
carbônicos envolvidos em diversas vias de biossíntese, incluindo a produção de metabólitos
secundários.
A atividade respiratória medida em plantas em condições de luz varia de 25-100% da
atividade respiratório no escuro. Gans e Reibelli (1987) citam que a inibição da respiração
mitocondrial na luz é um assunto bastante discutido. Os níveis de nucleotídeos pirimídicos
(NAD(H), NADP(H)) e nucleotídeos adenina (ADP e ATP) São os principais intermediários
na interação entre FS e respiração. Durante a transição do escuro para a luz o nível de
NADPH aumenta enquanto de NADH diminui e o nível de ADP é extremamente baixo. Isso
mostra que existe uma competição entre a fotofosfolição oxidativa (cloroplasto) e a
fosforilação oxidativa (mitocôndria), sendo a possível causa da diminuição da atividade do
ciclo de Krebs em tecidos fotossintéticos.
58
5.2.2 Introdução
A respiração é um processo comum em todos e Eucariontes e similar entre plantas e
animais, porém temos alguns aspectos a distinguir. Em animais o substrato utilizado na
respiração é o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca, por ser o principal
açúcar de translocação no floema (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).
A respiração aeróbica é um processo biológico no qual compostos orgânicos reduzidos
são mobilizados e conseqüentemente oxidados de uma forma controlada (Figura 40). Durante
a respiração a energia livre á incorporada na forma de ATP (adenosina trifosfato) e cofatores
orgânicos, como o NADH e FADH (Nicotinamida adenina dinucleotídeo e flavina adenina
dinucleotídeo, respectivamente) (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).
Figura 40. Gasto energético no processo respiratório. (BUCHANAN, 2000).
A equação da respiração é o reverso da fotossíntese e representa uma reação de
redução, onde a sacarose é oxidada completamente a CO2 e H2O. A reação libera 686 Kcal
mol-1 (180g) de glicose oxidada (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).
O substrato preferencial da respiração são os carboidratos, entre eles a sacarose (12c),
frutose, amido (açúcar de reserva). Devido a sacarose ser o principal açúcar transportado pelo
floema e pela sua alta concentração (0,3M). Outros compostos como lipídeos, ácidos
orgânicos e proteínas também podem ser oxidados. Para prevenir a oxidação de estruturas
celulares, a célula oxida açucares que possuem grande quantidade de energia livre. Sendo
assim a respiração celular é dividida em três fases, glicólise, ciclo de Krebs, Cadeia
transportadora de elétrons e em alguns casos a fermentação (BUCHANAM, 2001; TAIZ;
ZEIGER, 2004).
59
5.2.3 Glicólise
É uma série de reações realizadas por um grupo de enzimas solúvel no citosol. Em
parte a glicose é oxidada para produzir 2 molécula de piruvato (3C) gerando 4 mol de ATP,
entretanto é gasto 4 mol de ATP, que serve como uma forma de preparação ou ajuste da
molécula pra ser oxidada (Figura 41).
Na glicólise não é necessário a presença de oxigênio, portanto esse processo pode-se
tornar um mecanismo primário de produção de energia em tecidos de plantas quando o nível
de O2 é baixo (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).
Na glicólise existem varias enzimas envolvidas e que são importantes no metabolismo
das plantas. No início da glicólise a enzima invertase transforma a sacarose em frutose e
glicose e assim inicia o processo de oxidação. A invertase é uma enzima que se encontra na
parede celular. Existem fortes evidências que sua ativação é influenciada pela citocinina e que
sua atividade determina a atividade fonte dreno das plantas, especialmente no período de
enchimento de grãos. Passo 2, a glicose e a frutose as quais recebem 1 P pela ação de uma
hexoquinase. A glicose 1P pode entrar nessa rota por meio de amido acumulados nos
amiloplastos (Amido em glicose). Passo 3: glicose é isomerada a frutose
(hexofosfatoisomerase). Posteriormente (passo 4) a frutose 1 P é transformada em frutose 1,6
bifosfato, pela enzima fosfofrutoquinase dependente de PPi e fosfrutoquinase dependente de
ATP (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 41).
A frutose 1,6 bifosfatase a qual pode realizar o processo reverso, sendo assim uma
enzima chave no processo de neoglicogênese. Passo (5): a frutose 1,6P é transformada em
gliceraldeído P e Dihidroxiacetona P (DHP) por uma aldolase, sendo um processo reversível.
A DHP é isomerada a Gliceraldeído 3P e segue uma rota de oxidação, primeiro é oxidada (saí
1H+) a 1,3 fosfoglicerato, nesse passo a liberação de energia suficiente para formar 1NADH e
a fosforização usando 1P inorgânico. Essas trioses fosfatos também podem ser fornecidos por
plastídeos, como é o caso do cloroplasto. O 1,3 fosfoglicerato oxidado a 3 fosfoglicerato
(Glicerato 1,3 P quinase), onde a energia liberada é usada para produção de uma mol de ATP.
No passo seguinte o 3P glicerato é tranformado em em 2P glicerato através de uma enzima
mutase. A 2P glicerato é transformada em fosfoenolpiruvato (PEP), através de uma reação de
desidrogenação realizada por uma enzima enolase. E por fim a PEP é transformada em
piruvato (piruvatoquinase), sendo esta e a reação anterior reversíveis. O piruvato em
condições aeróbica segue para a mitocôndria, enquanto que em déficit de O2 e segue a rota
fermentativa onde através da liberação de CO2 e pela oxidação de uma mol de NADH forma
60
álcool ou em acetoaldeído e posterior em etanol (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004)
(Figura 41).
Figura 41. Processo de glicólise e fermentação celular. Adaptado de Taiz; Zeiger (2004).
61
5.2.4 Ciclo de Krebs
A quebra de glicose em piruvato libera menos que 25% da energia armazenada na
glicose. Esse processo precisa ser realiza em uma organela específica, a mitocôndria. Esta
organela varia de 0,5 a 1um de diâmetro a 3um de comprimento, podendo ser alongada ou
arredondada. O número de mitocôndrias varia com o tipo de atividade do tecido. A
mitocôndria possue duas membranas, uma lisa e a outra interna, altamente invaginada. A
membrana extrena apresenta poros, sendo altamente permeável. Já membrana interna é
altamente seletiva e rica em proteínas (em torno de 70%), esta constituição causa
impermeabilidade ao H+. Essa membrana apresenta fosfolipídeos especiais (cardiolipina) que
conferem alta seletividade a membrana (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).
O ciclo de Krebs representa o segundo estágio da respiração e ocorre na matrix
mitocondrial. Essa operação necessita de um transportador de piruvato (proteína
transportadora – piruvato transporter) que cataliza um processo de ajuste eletroneutro na
célula. Isto é quando entra um piruvato a proteína libera uma oxidrila (OH) para o citosol,
mantendo o equilíbrio de cargas.
Na matrix mitocôndrial o piruvato é oxidado (forma ATP), descarboxilado (libera
CO2) e conjugado (ligação de uma Coa, que serve como um arranjo molecular para oxidação)
sendo tranformado em Acetil Coa (composto chave principalmente na formação de lipídios,
giberelinas, ABA, carotenóides, etc). A partir desse momento o ciclo de Krebs é iniciado, o
Acetil Coa é ligado ao oxalacetato formando o citrato (6C) a qual é isomerada a isocitrato
(6C). O isocitrato (6C) sofre uma oxidação formando o alfa ceto glutarato (5C), formando 1
NADH e liberando 1 CO2 (composto chave em rotas de biossíntesse de aminoácidos e outros
compostos). O Alfa ceto glutarato é transformado em succinil Coa (4C) formando mais 1
NADH. O succinil Coa é oxidado a Succinato onde a energia liberada é conservada em
ligações fosfatos (ATP). O succinato é então transformado em Fumarato formando 1 FADH2
epal enzima sucinato desidrogenase a qual está ligada a membrana mitocondrial e tem função
de oxidar o FADH2 na cadeia transportadora de elétrons, seguindo o ciclo o Fumarato é
transformado em Malato e este em oxalacetato, liberando 1 NADH (Figura 42).
62
Figura 42. Reações do Ciclo de Krebs, também denominado do ciclo do ácido cítrico. (ALBERTS, 2004).
5.2.5 Cadeia transportadora de elétrons
A energia armazenada no NADH e FADH é convertida em ATP no ciclo de Krebs.
Esse processo depende de O2 e ocorre na membrana interna da mitocôndria. O processo de
transferência de elétrons ocorre em complexos protéicos. A cadeia de transporte de elétrons é
organizado dentro de uma série de 4 complexos multiproteícos (I - IV) e o V, onde encontra-
se a ATPase. Os elétrons provenientes do NADH se ligam ao complexo protéico I (NADH
desidrogenase). Os elétrons do NADH gerados na matrix mitocondrial durante o ciclo de
Krebs são oxidados pelo complexo I (NADH desidrogenase). Os carregadores de elétrons no
complexo I incluem um cofator fortemente ligado (flavina monocluotídeo - FMN),
quimicamente similar a FAD, além de vários centros Fe-S.
O NADH é oxidado a NAD+, reduzindo FMN a FMNH2 em uma etapa que é doado 2
elétrons. O portador seguinte do elétron é um conjunto Fe-S-S, que somente aceita um elétron
de cada vez e reduz o íon férrico em um íon ferroso. Convenientemente, FMNH2 pode
somente ser oxidado em duas etapas de 1 elétron, através de um intermediário do
semiquinona. O elétron viaja assim do FMNH2 ao conjunto Fe-S-S, do conjunto Fe-S-S ao Q
63
oxidado para formar o livre-radical (do semiquinone) de Q. Isto acontece outra vez reduzir a
semiquinone ao formulário do ubiquinol, QH2. Durante este processo, quatro prótons são
translocados através da membrana mitocondrial interna, da matriz ao espaço intermembrana.
Isto cria um gradiente de prótons que seja usado mais tarde gerar o ATP com a fosforilação
oxidativa (Figura 43).
Figura 43. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico I da matrix mitocondrial, em função da oxidação do NADH. (BUCHANAN, 2000).
O complexo II (succinato desidrogenase) não é uma bomba do prótons. Serve para
convergir elétrons adicionais para o pool de quinona (Q) removendo os elétrons do succinato
e transferindo os (através do FAD) a quinona (Q). Outros doadores de elétrons (por exemplo
ácidos graxos e glicerol 3P) convergem também elétrons em Q (através do FAD), sem
produzir um gradiente do prótons (Figura 44).
64
Figura 44. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico II da matrix mitocondrial, em função da oxidação do FADH e a transferência de elétrons para a ubiquinona. (BUCHANAN, 2000).
O Complexo III (complexo do citocromo bc1) remove elétrons passo a passo de uma
da QH2 e transfere-o a duas moléculas do citocromo c, um transportador de elétrons solúvel
em água situado na superfície exterior da membrana. Ao mesmo tempo, move quatro prótons
através da membrana, produzindo um gradiente de prótons. A transferência do elétron (por
um potencial elevado da membrana, por uns mutations do ponto ou por uns inibidores
respiratório tais como o antimicina A), no complexo III pode ser transferido ao oxigênio tendo
por resultado a formação de um superóxido (Figura 45).
65
Figura 45. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico III da matrix mitocondrial. (BUCHANAN, 2000).
O complexo IV (oxidase do cytochrome c; O EC 1.9.3.1) remove quatro elétrons de
quatro moléculas do cytochrome c e transfere-as ao oxigênio molecular (O2), produzindo duas
moléculas da água (H2O). Ao mesmo tempo, move quatro prótons através da membrana,
produzindo um gradiente de prótons (Figura 46).
66
Figura 46. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico IV da matrix mitocondrial. (BUCHANAN, 2000).
5.2.5 Alternase oxidativa
A alternase oxidativa (AOX) é um composto protéico muito importante em plantas.
Plantas em condições de estresse aumentam a expressão de genes relacionados com a AOX. O
estresse induz a produção de H2O2 e NO que induzem a síntese de AOX, a qual também pode
ser induzida pelo ácido salicílico (SA).
Quando ocorre um bloqueio no transporte de elétrons do Pool de quinona para o
complexo citocromo III, os elétrons são transferidos para o O2 pela AOX que o transforma e
água, e a energia que está acoplada a esse processo é dissipada na forma de calor.
A AOX controla o fluxo de adeninas e Pi e sobre altas cargas energéticas a AOX evita
a completa redução do O2 a O2. (radical livre) transformando-o em água. Assim a AOX pode
em casos de altas taxas de turnover de esqueletos carbônicos no citosol e no com ciclo de
Krebs, diminuir os índices de produtividade de ATP e evitar a formação de oxigênio reativo.
A AOX é um dímero protéico com grupamentos dissulfídicos ligados, o qual é ativo no estado
reduzido na presença de alfaceto ácido (do ciclo de Krebs) e também pelo sistema tioredoxina
redutase que neste caso usa o NADPH como doador de elétrons (Figura 47).
67
Figura 47. Esquema de funcionamento da AOX. (ARNHOLDT-SCHMITT.; COSTA; MELO, 2006).
5.2.6 A respiração também é acoplada a outras vias
A glicólise e ciclo de Krebs são centros de produção de metabólitos de plantas,
incluindo Aa, lipídeos, isoprenóides, porfirinas e diversos hormônios. Este é um dos motivos
do porque uma molécula de sacarose não é transformada diretamente em CO2 e H2O, pois os
intermediários dessas rotas são importantes esqueletos carbônicos envolvidos em diversas
vias de biossíntese, incluindo a produção de metabólitos secundários (Figura 48).
68
Figura 48. Reações da glicólise e do Ciclo de Krebs, envolvido em rotas biosintéticas. (ALBERTS, 2004).
5.2.7 Respiração de crescimento e de manutenção
A respiração de manutenção é aquela destinada a manutenção das atividades
metabólicas normais das células, como reposição de moléculas danificadas, reposição de
enzimas, etc. Isso porque a entropia de um sistema sempre aumenta (segunda lei da
termodinâmica), isto é, o sistema tende a um aumento da desorganização. Para que essa
organização seja mantida é necessária a introdução de energia metabólica, que no caso de
células é ATP, proveniente da respiração (LARCHER, 2004).
A Respiração de crescimento é energia proveniente da respiração destinada a
produção de novas organelas, células, órgãos, tecidos. Geralmente tecidos jovens apresentam
elevada respiração de crescimento sendo 3 a 10X maiores que a respiração de manutenção
(LARCHER, 2004).
5.2.8 Respiração e idade da célula
Plantas jovens respiram mais intensamente que plantas velhas e as partes em
crescimento apresentam uma respiração elevada. De acordo com um mecanismo de
retroalimentação é controlado a produção de ATP respiratório de acordo com a necessidade.
Nas plantas jovens, nas pontas das raízes, nas folhas em expansão e nos frutos em
desenvolvimento, a respiração necessária para construção de novos tecidos é 3 a 10X maiores
69
que a respiração de manutenção. Com o crescimento dos tecidos e o aumento da
diferenciação a respiração de crescimento estaciona a nível de manutenção. Quando os tecidos
iniciam o processo de senescência a respiração apresenta um aumento passageiro chamado de
respiração climatérica. Esse é o momento de mudança metabólica que pode ser observado
pela maturação dos frutos e a amarelecimento das folhas (LARCHER, 2004).
5.2.9 Respiração durante a fotossíntese
A atividade respiratória medida em plantas em condições de luz varia de 25-100% da
atividade respiratório no escuro.
Gans e Reibelli (1987) citam que a inibição da respiração mitocondrial na luz é um
assunto bastante discutido. Os níveis de nucleotídeos pirimídicos (NAD(H), NADP(H)) e
nucleotídeos adenina (ADP e ATP) são os principais intermediários na interação entre FSS e
respiração. Durante a transição do escuro para a luz o nível de NADPH aumenta enquanto
de NADH diminui e o nível de ADP é extremamente baixo. Isso mostra que existe uma
competição entre a fotofosforilação oxidativa (cloroplasto) e a fosforilação oxidativa
(mitocôndria), sendo a possível causa da diminuição da atividade do ciclo de Krebs em
tecidos fotossintéticos.
Gemel; Randall (1992), concluíram que a conversão de glicina fotorespiratória a serina
que ocorre que ocorre nas mitocôndria de plantas C3 pode fornecer o NADH para dirigir a
fosforilação oxidativa da glicina e a subseqüente inativação da piruvato desidrogenase
mitocondrial. A glicina também produz o íon do amônio, que proporcionou um aumento da
inativação da piruvato desidrogenase mitocondrial in vitro.
5.2.10 A interação da respiração e da fotossíntese na indução do redutase Activity1 do
nitrate
Exigência da respiração e da fotossíntese para a indução e a manutenção da atividade
da nitrato redutase foi determinada nas folhas de Hordeum vulgare L. A fixação do CO2 pode
então produzir o fotossintatos para dirigir os aceptores de elétrons para da indução do fluxo de
elétrons fotossintéticos. Esta possibilidade foi sugerida mais pela observação que o CO2 era
uma exigência absoluta para a indução nas folhas esgotadas em açúcares. Os resultados
obtidos com inibidores respiratórios indicaram também que a respiração dirigiu a indução da
nitrato redutase. A glicose exogenamente fornecido também retardou substancialmente a
perda da nitrato redutase que ocorreu quando as folhas da cevada foram colocadas no escuro.
Presume-se que a glicose permitiu que a fase fotossintética ou da ativação da indução
70
prosseguisse mais rapidamente. Nossos resultados suportam a hipótese que um dos efeitos
principais da luz pode dever fornecer o fotossintato à respiração manutenção, que dirige então
o processo da indução (ASLAM; HUFFAKER; TRAVIS, 1973).
6. Lipogênese
A lipogênese é o processo de formação de lipídeos que ocorre em células animais e
vegetais. Esse processo ocorre a partir de vários objetivos. Um deles é uma forma de canalizar
o excesso de energia produzido pela célula para armazenamento na forma de lipídeo, sendo 1g
de lipídeo equivale a 9,3 Kcal mol-1, enquanto que 1 g de amido corresponde a 3,8 Kcal
(TAIZ; ZEIGER, 2004).
Muitos lipídeos produzidos pelas células vegetais não são utilizados somente como
reserva energética, mas como moléculas estruturais. Por exemplo a cutícula apresenta camada
de cera, a qual reduz a perda de água e aumenta a reflexão de luz em plantas submetidas a
elevadas intensidades luminosas. Além disso, em folhas mais velhas que apresentam cutícula
mais espessa o efeito da aplicação de alguns defensivos agrícolas é menor devido ao aumento
da tensão superficial da gota (TAIZ; ZEIGER, 2004).
Os lipídeos são armazenados principalmente na forma de triglicerídeos (uma molécula
de glicerol ligada a três ácidos graxos) nos oleossomos (apresentam apenas uma camada
fosfolipídica) durante a formação de sementes nos cotilédones e endosperma (TAIZ;
ZEIGER, 2004).
A formação dos ácidos graxos é realizada nos plastídeos e no retículo endoplasmático
liso. O processo inicia nos plastídeos a partir um complexo de várias enzimas que trabalham
coletivamente denominado de acido graxo sintetase. A molécula precursora é Acetil Coa (2C)
(Figura 49). Duas dessas moléculas se ligam formando o malonil Coa (3C) ocorrendo a
liberação de 1 CO2 e o gasto de 1 ATP. O malonil é transferido a proteína careadora de Acil
formando o malonil ACP (ACP, acil carrier protein). Posteriormente o malonil ACP liga-se a
uma molécula de acetil Coa, liberando 1 CO2, formando o Acetoacetil ACP (4C) o qual é
transformado em butiril ACP através da remoção do grupo ceto. A partir desse ponto inicia
ligações sucessivas de acetil côa até a formação de ácidos graxos de 16 a 18 carbonos.
Quando a síntese do ácido graxo é finalizado, o ACP é removido (TAIZ; ZEIGER, 2004)
(Figura 49).
Depois de sintetizado os ácidos graxos podem sofrer a ação de desnaturase nos
plastídeos e no retículo endoplasmático inserindo ligações duplas em regiões específicas nas
cadeias formando os ácidos graxos 16:3; 18:3, por exemplo (TAIZ; ZEIGER, 2004).
71
Figura 49. Ciclo da síntese de ácidos graxos em plastídeos de células vegetais. (TAIZ; ZEIGER, 2004).
7. Formação de açúcares a partir de lipídeos
As plantas e animais podem metabolizar os lipídeos armazenados na forma de
triglicerídeos convertendo em sacarose. Em animais isso ocorre especialmente quando a
energia do organismo é menor do que o seu requerimento (pessoa que passa fome). Em
plantas esse mecanismo ocorre especialmente durante a germinação de sementes, o qual
mobiliza os lipídeos armazenados transformando-os em açúcares e assim energia para o
embrião (TAIZ; ZEIGER, 2004).
Esse processo inicia através da remobilização dos lipídeos (triglicerídeos) nos
oleossomos (ação de uma lipase de membrana), estes são transformados em ácido graxo e
metabolizados por beta oxidação nos glioxissomos, formando o acetil Coa, o qual é
transportado para o ciclo do glioxilato (também no glioxissomo). No ciclo do glioxilato o
Acetil Coa se liga ao oxalacetato em rota semelhante ao ciclo de Krebs até formação do
succinato. Este entra na mitocôndria no ciclo de Krebs e transformado em malato, que segue a
72
rota de neoglicogênese (inverso da glicólise) até formar a sacarose (TAIZ; ZEIGER, 2004)
(Figura 50).
Figura 50. Rotas de formação sacarose a partir de lipídeos em células vegetais. (TAIZ; ZEIGER, 2004).
8. Síntese de aminoácidos e proteínas
8.1 Síntese de aminoácidos
As células evitam a toxidez de NH4+ pela rápida assimilação do mesmo em Aa. A
principal via envolve: (i) a ação da glutamina sintetase que combina o NH4+ com o glutamato
para formar a glutamina, esta reação necessita da hidrólise de 1 ATP e envolve o Mn, Mg e o
Co como cofatores. Os níveis elevados de glutamina nos plastídeos estimula a glutamato
sintetase (GOGAT) a qual utiliza um NADH ou Fd (dependendo da GOGAT ela utiliza um
tipo de NADH, na rizosfera ou tecidos vasculares das folhas ou Fd, esta principalmente nos
cloroplastos, fotorrespiração) para juntar o 2 alfacetoglutarato + glutamina, formando 2 mol
de glutamatos (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 51).
Outra rota importante é a desaminação do glutamato, transformando-o em 2
alfacetoglutarato pela glutamato desidrogenase (GDH). Uma vez assimilado em glutamina e
73
glutamato o nitrogênio pode ser incorporado em outros Aas através de reações de
transaminação. Um exemplo é a aspartato aminotransferase (BUCHANAN, 2000; TAIZ;
ZEIGER, 2004) (Figura 52).
Figura 51. Rotas de formação de aminoácidos em células vegetais. (BUCHANAN, 2000).
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Figura 52. Rotas de formação dos aminoácidos essenciais em células vegetais. (BUCHANAN, 2000). 8.1 Síntese de proteínas
A síntese de proteínas envolve várias rotas que ocorrem no núcleo, ribosssomos,
retículo endoplasmático rugoso e complexo de golgi. Inicialmente o núcleo contém os genes
que constituem o DNA. Cada gene quando ativado é transcrito em RNAm o qual codifica
uma única proteínas (TAIZ; ZEIGER, 2004).
O RNAm é transportado para o citoplasma via poro perinuclear onde se liga as duas
subunidades do ribossomo (40s e 50s). Quando a fita é inserida ao ribomosso no códon de
inicialização o anticódon complementar do RNAt se liga ao RNAm. O RNAt possui um
aminoácido específico ligado a si, os quais vão se ligando por ligações peptídicas até o códon
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terminal finalizando a formação da cadeia que vai resultar na proteína (TAIZ; ZEIGER, 2004)
(Figura 53).
Essa proteína quando apresentar função específica fora das células é produzida no
retículo endoplasmático rugoso (TAIZ; ZEIGER, 2004).
Figura 53. Expressão gênica envolvendo a transcrição e transdução. (TAIZ; ZEIGER, 2004).
76
BIOENERGÉTICA: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO
1 – O processo fotossintético é fundamental para o crescimento e desenvolvimento de plantas.
Portanto, necessita-se conhecer esse processo para realizar o manejo de plantas cultivadas.
Sendo assim, escreva a equação fotossintética e a partir desta explique, o que é produzido e
em função do que?
2 - Através da figura abaixo, explique a diferença entre a oxidação de açúcar pelo processo
respiratório (metabolismo) e pela queima por combustão (fogo).
3 – Qual a forma de energia universal para as células?
4 - Porque ocorre o processo de fermentação e qual a sua importância?
5 – Em qual fase da respiração que os açucares são completamente oxidados? O que forma
nessa fase?
6 – Na célula existe uma “casa de câmbio” onde a energia armazenada em moléculas de
NADPH e NADH é transformada em ATP. Em qual organela isso ocorre e qual via
metabólica?
7 – No processo respiratório somente é oxidado açúcares? Explique:
77
8 – Quando um animal perde peso por falta de alimento ocorre diminuição de energia para o
mesmo. A partir disso de onde ele retira energia para se manter vivo?
9 – Quais são as principais moléculas de armazenamento de energia em células animais e
vegetais?
10 – Qual a diferença entre anabolismo e catabolismo? Exemplifique estas vias metabólicas
em plantas?
11 – Qual a importância da respiração na produtividade vegetal?
12 – Porque os lipídios (triacilglicerídes, óleos e gorduras em células vegetais) é uma forma
eficaz de armazenar energia a em relação ao açucares?
13 – O estoque ou armazenamento de energia na forma de lipídeos é importante para
organismos vivos .
Como essa energia estocada pode ser utilizada para o metabolismo de plantas e animais ?
14 – As proteínas são moléculas que apresentam várias seqüências de aminoácidos (grupo
amino e ácido) os quais são formados nas células para desempenhar função estrutural,
enzimática entre outras.
A partir de que rotas são utilizadas esqueletos carbônicos (grupos CHO) para formá-las?
15 – O que são enzimas e qual a sua importância no processo respiratório e fotossintético?
16 – Justifique a elevada taxa respiratória em meristemas, raízes e frutos.
17 – Quais as funções mais importantes da via pentose fosfato?
18 – Relacionar a intensidade respiratória de plantas com os fatores ambientais: oxigênio,
CO2, temperatura e disponibilidade de água no solo.
19 – Qual o substrato respiratório mais importante nos órgãos vegetais? Porquê?
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20 – Qual a importância da respiração na conservação de produtos de origem vegetais
21 – Que função tem a respiração no desenvolvimento das plantas?
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ALBERTS B, JOHNSON A, LEWIS J, RAFF M, ROBERTS K, WALTER P. Molecular Biology of the Cell. 4th Edition (Versão original), 2004, 1463p.
ASLAM, M.; HUFFAKER, R.C.; TRAVIS, R.L. Respiration and nitrate reducytase induction. Plant Physiology, v.52, 1973.
BROOKS A, FARQUHAR G.D. Effect of temperature on the CO2/0, specificity of ribulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase and the rate of respiration in the light. Planta, v.165, p.397-406, 1985.
BUCHANAN, B.B.; GRUÍSSEM, W.; JONES, R.L. Biochemistry and molecular biology of plants. Rockville, American Society of Plant Physiologists, 2000, 1367p.
JOANNA G.; DOUGLAS D. R. Light Regulation of Leaf Mitochondrial Pyruvate Dehydrogenase Complex Role of Photorespiratory Carbon Metabolism. Plant Physiology, v.100, p.908-914, 1992.
SHARP R.E.; MATTHEWS, M.A.; BOYER, J.S. Kok effect and the quantum yield of photosynthesis: light partially inhibits dark respiration. Plant Physiology, v.75, p.95-101, 1985.
TAIZ, L.; ZIEGER, E. Fisiologia Vegetal. Trad. SANTARÉM, E.R. et al., 3° ed., Porto Alegre: Artemed, 2004, p.719.
ARNHOLDT-SCHMITT, B.; COSTA, J. H.; MELO, D. F. AOX – a functional marker for efficient cell reprogramming under stress? Trends in Plant Science, v.11, n.6, 2006.