Biology · AP Biology
Energética celular
enzimas, luz e respiração
Uma célula é um sistema altamente ordenado, e a ordem custa energia. Todo ser vivo precisa de um suprimento constante dela e o obtém por meio de reações conduzidas por enzimas.
À esquerda, um cloroplasto capta energia luminosa e a armazena na glicose, liberando O2. À direita, uma mitocôndria quebra a glicose com esse O2, de volta a CO2 e H2O, e guarda a energia liberada no ATP, a molécula que a célula gasta.
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O
A fotossíntese percorre essa equação ao contrário, movida pela luz. A matéria circula no ciclo; a energia não. Ela entra como luz e sai como calor.
Este capítulo desmonta as enzimas que tornam cada etapa rápida, o acoplamento que permite ao ATP pagar o trabalho, e as duas vias: fotossíntese e respiração celular.
um bolso moldado para um só substrato
An enzyme is a catalyst, nearly always a protein, that speeds up one reaction without being used up.
The molecule it acts on is its substrate. The substrate binds in the active site, a pocket in the folded protein lined by amino acid side chains. For the reaction to happen, the substrate’s shape and charge must be compatible with the active site: a positively charged side chain attracts a negatively charged region of the substrate, a nonpolar patch holds a nonpolar one.
That is why an enzyme is specific. In the figure the blue molecule has the wrong shape; it drifts past and nothing happens.
When the substrate binds, the enzyme changes shape slightly and closes around it: induced fit. The enzyme–substrate complex strains the bond to be broken, the products are released, and the enzyme is free to take another substrate, unchanged.
The active site’s shape comes from the protein’s 3-D folding, so anything that changes the folding changes what the enzyme can do (3.2).
energia de ativação
Mesmo uma reação que libera energia precisa antes ser empurrada por cima de uma colina. A altura dessa colina é a energia de ativação, Ea.
A figura mostra a energia livre G ao longo da reação. Sem a enzima (tinta), Ea = 80 kJ/mol; poucas moléculas têm energia suficiente para atravessar, então a reação é lenta. A enzima (vermelho) oferece um caminho com Ea = 40 kJ/mol, e muito mais moléculas conseguem passar.
| sem enzima | com enzima |
|---|
| energia de ativação (kJ/mol) | 80 | 40 |
| ΔG da reação (kJ/mol) | −30 | −30 |
Com essas barreiras, na temperatura do corpo a reação catalisada ocorre cerca de 5.5 × 106 vezes mais rápido.
O que a enzima não muda: a energia dos reagentes e dos produtos, então o ΔG é o mesmo, e o sentido da reação. A enzima acelera uma reação que aconteceria de qualquer modo; ela não faz uma reação que exige energia ocorrer sozinha.
cada enzima tem suas condições ideais
Uma enzima funciona mais rápido em uma temperatura e um pH ótimos. Longe deles, a velocidade cai.
Temperatura. O aquecimento acelera as moléculas, que colidem com mais frequência e com mais energia: abaixo do ótimo a velocidade aumenta, muitas vezes cerca de 2× a cada 10 °C. Acima dele, o calor rompe as ligações de hidrogênio e outras interações fracas que mantêm a forma da proteína, o sítio ativo perde a forma e a velocidade despenca. Isso é a desnaturação. Na figura, o ótimo é de cerca de 37 °C, típico de uma enzima humana.
Q10. O fator pelo qual a velocidade muda a cada 10 °C. Se uma reação ocorre a 3.2 μmol/min a 15 °C e a 6.4 μmol/min a 25 °C:
pH. A concentração de H+ altera as cargas das cadeias laterais, o que muda o dobramento da proteína e as cargas no sítio ativo. A pepsina atua no estômago (pH ótimo 2); a tripsina, no intestino delgado (pH ótimo 8).
A desnaturação às vezes é reversível: se a forma volta quando as condições voltam, a atividade também volta.
o que ocupa os sítios ativos
Com mais substrato, mais sítios ativos ficam ocupados a cada instante, então a velocidade aumenta, até que quase todos os sítios estejam ocupados e a velocidade se estabilize em Vmax (aqui 10 μmol/min).
Nesse ponto, só mais enzima a torna mais rápida: com substrato em excesso, a velocidade é proporcional à concentração da enzima. O acúmulo de produtos também reduz a reação líquida.
Um inibidor reduz a velocidade.
| liga-se a | mais substrato |
|---|
| competitivo | ao sítio ativo | vence a competição: mesma Vmax |
| não competitivo | a outro sítio (alostérico) | não ajuda: Vmax menor |
Um inibidor competitivo se parece com o substrato e ocupa o sítio ativo; com [S] alta, o substrato ganha a maioria dos sítios, então a curva azul ainda sobe em direção a 10. Um inibidor não competitivo liga-se a um sítio alostérico e muda a forma da enzima, de modo que o sítio ativo deixa de funcionar; a curva vermelha para em 5, por mais substrato que se adicione.
As células usam isso: o produto final de uma via muitas vezes inibe alostericamente a sua primeira enzima (inibição por retroalimentação). Muitas enzimas também precisam de um cofator (um íon metálico, como Mg2+) ou de uma coenzima (uma molécula orgânica, muitas vezes derivada de uma vitamina) para assumir sua forma funcional.
O ATP paga o que não acontece sozinho
A vida é ordenada, e a ordem não se mantém sozinha. Os sistemas vivos precisam de uma entrada constante de energia; ela é passada adiante em vias sequenciais e parte se perde como calor a cada etapa.
Isso não viola a segunda lei da termodinâmica: a célula fica mais ordenada enquanto o ambiente fica mais desordenado, com a liberação de calor e de moléculas mais simples (CO2, H2O). Quando a entrada de energia cessa, a ordem se perde e o organismo morre.
Uma reação com ΔG < 0 libera energia (exergônica) e pode ocorrer sozinha. Uma com ΔG > 0 precisa de energia (endergônica). A célula realiza uma reação endergônica acoplando-a a uma exergônica, geralmente a hidrólise do ATP.
Exemplo. Formação de glutamina a partir de glutamato e amônia:
| reação | ΔG (kJ/mol) |
|---|
| glutamato + NH3 → glutamina | +14.2 |
| ATP + H2O → ADP + Pi | −30.5 |
| acoplada | 14.2 + (−30.5) = −16.3 |
O acoplamento é químico: o ATP transfere seu último fosfato ao glutamato, o glutamato fosforilado é menos estável e reage com o NH3, e o fosfato sai. O par tem ΔG < 0, então a reação ocorre.
luz, uma cadeia de elétrons e um gradiente de prótons
Nas membranas dos tilacoides do cloroplasto, a energia da luz é transformada na energia química do ATP e do NADPH.
Captando a luz. As clorofilas do fotossistema II e do fotossistema I absorvem luz, o que excita elétrons para um nível de energia mais alto. Outros pigmentos (clorofila b, carotenoides) absorvem outros comprimentos de onda e transmitem a energia; essa variedade de moléculas amplia a faixa de luz que a planta pode usar.
A cadeia transportadora de elétrons. Os elétrons excitados saem do PS II e passam por carreadores até o PS I, que os excita de novo, e depois até o NADP+, formando NADPH. O PS II repõe seus elétrons pela quebra da água: 2 H2O → 4 H+ + 4 e− + O2. É daí que vem o O2.
Quimiosmose. A energia dos elétrons bombeia H+ para o espaço tilacoide, e a quebra da água adiciona mais ali. O lúmen chega a cerca de pH 5, e o estroma a cerca de pH 8: 1,000 vezes mais H+ do lado de dentro. O H+ só pode voltar a sair pela ATP sintase; o fluxo gira seu rotor, e o giro produz ATP a partir de ADP e Pi no lado do estroma.
A fotossíntese surgiu primeiro em procariontes (cianobactérias), cujo O2 mudou a atmosfera da Terra; os cloroplastos descendem de uma célula assim.
carbono fixado em açúcar
No estroma, o ATP e o NADPH das reações da luz alimentam o ciclo de Calvin, que constrói açúcar a partir de CO2.
Fixação. A enzima rubisco liga cada CO2 a um aceptor de 5 carbonos (RuBP); o produto se divide em duas moléculas de 3 carbonos.
Redução. O ATP e os elétrons do NADPH transformam essas moléculas no açúcar de 3 carbonos G3P.
Regeneração. A maior parte do G3P, com mais ATP, é rearranjada de volta no aceptor, para que o ciclo continue. O restante sai para formar glicose e outras moléculas.
A contagem. O carbono se conserva, então, para exportar um G3P de 3 carbonos, o ciclo precisa fixar 3 CO2:
| CO2 | ATP | NADPH |
|---|
| por G3P | 3 | 6 + 3 = 9 | 6 |
| por glicose (2 G3P) | 6 | 18 | 12 |
As reações da luz e o ciclo de Calvin dependem um do outro: o ciclo devolve ADP e NADP+ para a membrana recarregar. No escuro, o ATP e o NADPH acabam e o ciclo para. Os nomes dos intermediários estão aqui apenas para acompanhar o carbono; a prova não pede esses nomes.
desmontando a glicose
A respiração celular libera a energia da glicose passo a passo. As primeiras etapas retiram o carbono na forma de CO2 e transferem os elétrons para transportadores.
A glicólise, no citosol, divide a glicose em dois piruvatos de 3 carbonos. Ela investe 2 ATP e produz 4, um saldo de 2 ATP, e reduz 2 NAD+ a NADH. Não precisa de O2.
Oxidação do piruvato. O piruvato é levado para a matriz mitocondrial e convertido em acetil-CoA, liberando um CO2 e formando um NADH.
O ciclo de Krebs, na matriz, oxida o grupo acetil a 2 CO2, formando ATP, NADH e FADH2. Ele gira duas vezes por glicose.
| por glicose | ATP | NADH | FADH2 | CO2 |
|---|
| glicólise | 2 | 2 | 0 | 0 |
| oxidação do piruvato | 0 | 2 | 0 | 2 |
| ciclo de Krebs | 2 | 6 | 2 | 4 |
| total | 4 | 10 | 2 | 6 |
Todos os seis carbonos da glicose saem como os 6 CO2 da equação global. Até agora foram produzidos apenas 4 ATP; a maior parte da energia está nos 12 transportadores reduzidos.
a cadeia, o gradiente e a ATP sintase
O NADH e o FADH2 entregam seus elétrons à cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial interna. Nos procariontes, a cadeia fica na membrana plasmática.
Os elétrons passam de um transportador a outro, cada um os retendo com mais força, e a energia liberada bombeia H+ da matriz para o espaço intermembranas. No fim, o O2 é o aceptor final de elétrons: ele recebe os elétrons e o H+ e se torna água. Alguns procariontes usam outro aceptor final, como sulfato ou nitrato.
O gradiente faz o H+ voltar pela ATP sintase, que gira e produz ATP: é a quimiosmose, como no cloroplasto. O dobramento da membrana interna em cristas dá espaço para muitas cadeias.
O rendimento. Cerca de 2.5 ATP por NADH e 1.5 por FADH2:
Isso corresponde a cerca de 34% dos 2870 kJ/mol da glicose mantidos como ATP (32 × 30.5 kJ/mol); o restante é calor. Sem O2, a cadeia congestiona e para.
Desacoplamento. Se o H+ vaza pela membrana sem passar pela ATP sintase, o transporte de elétrons continua, mas a energia do gradiente é liberada como calor. A gordura marrom faz isso de propósito, para manter os endotérmicos aquecidos.
ATP sem oxigênio
Sem O2, a glicólise ainda pode produzir 2 ATP por glicose, se houver NAD+.
A glicólise transforma NAD+ em NADH. Sem O2 para esvaziar a cadeia, o NADH não consegue descarregar ali, e a célula logo ficaria sem NAD+. A fermentação o regenera: o piruvato (ou um produto dele) recebe os elétrons do NADH.
| o piruvato se torna | onde |
|---|
| fermentação láctica | lactato | células musculares, algumas bactérias |
| fermentação alcoólica | etanol + CO2 | leveduras, algumas bactérias |
A fermentação em si não produz ATP; ela mantém a glicólise funcionando. Com O2, a mesma glicose rende cerca de 32 ATP, 16 vezes mais. Uma célula que fermenta precisa consumir glicose muito mais rápido para obter o mesmo ATP.
A glicólise existe em quase todos os organismos e não precisa de O2 nem de organelas envoltas por membrana, evidência de que surgiu cedo, antes de haver O2 na atmosfera.
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