amido e sacarose
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Material didtico de apoio disciplina BVE 270
Ateno: Material provisrio ainda em fase de redao e correo. Por favo, no reproduza. Espere a verso
devidamente corrigida. Correo parcial efetuada em 07/05/2003
SSnntteessee ddee ccaarrbbooiiddrraattooss ddee rreesseerrvvaass ee RReessppiirraaoo
Prof. Marcelo Ehlers Loureiro
Prof. Marco Aurlio Pedron e Silva
Reviso de texto: Pedro Eisenlohr
1) Sintese de Reservas pelas Folhas: Sntese de Amido e Sacarose...........................................................................1 2) Regulao da Sintese de Amido...............................................................................................................................3 3) Regulao da Sintese de Sacarose............................................................................................................................4 4) Respirao...................................................................................................................................................................5 4.1) Aspectos Gerais ......................................................................................................................................................5
4.2) Mitocndria .........................................................................................................................................................6 4.3) Gliclise ................................................................................................................................................................7 4.4) Ciclo de Krebs......................................................................................................................................................9
4.4.1) Oxidao do Piruvato...................................................................................................................................9 4.4.2) Ciclo do cido ctrico....................................................................................................................................9 4.4.3) Cadeia de transporte de eltrons e fosforilao oxidativa......................................................................10 4.4.4) Vias alternativas de mitocndrias de plantas ............................................... Erro! Indicador no definido.
5) Regulao da gliclise ..............................................................................................................................................16 6) Alteraes na Gliclise em Plantas sob Condies de Hipoxia.............................................................................18 7) Via da pentose-fostato (PPP)...................................................................................................................................18 8) Fatores que afetam a respirao.............................................................................................................................20
8.1) Disponibilidade de substrato............................................................................................................................20 8.2) Disponibilidade de Oxignio.............................................................................................................................20 8.3) Temperatura......................................................................................................................................................22 8.4) Tipo e idade da planta.......................................................................................................................................22
11)) SSnntteessee ddee RReesseerrvvaass ppeellaass FFoollhhaass:: SSnntteessee ddee AAmmiiddoo ee SSaaccaarroossee
A fotossntese transforma a energia luminosa em energia bioqumica, a qual utilizada nas
reaes biossintticas de outras molculas necessrias s clulas. Essa energia encontra-se
armazenada na molcula de triose-fosfato (triose-P) produzida no Ciclo de Calvin. Essa triose(gliceraldedo-3-fosfato, 3-PAG - em portugus: 3-GAP - ou dihidroxiacetona-3-fosfato) pode ser
utilizada no prprio cloroplasto para a sntese do amido transitrio, ou pode ser transportada para o
citosol por uma protena de membrana chamada translocador de triose. Para que esse transporte
ocorra, dever ocorrer o contra-transporte de um Pi, do citosol para o cloroplasto. Para cada triose
transportada para o citosol, um Pi ser transportado para o cloroplasto. A triose que chega ao citosol
poder ser utilizada nas reaes de sntese de sacarose (ou alternativamente, na respirao), que
ocorrem basicamente no citosol da clula da folha.
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Fig. 1. Destinos da triose produzida pelo ciclo de Calvin para a sntese de reservas energticas pela planta.
As trioses-P produzidas pelo Ciclo de Calvin podem seguir duas rotas metablicas distintas:
ou permanecem no estroma e seguem sntese de amido, ou so transportadas ao citosol para a
sntese de sacarose.
A sntese de amido s ocorre durante o dia, visto que o acmulo de triose para a sua sntese
s ocorre na presena da luz. Na sntese de amido, primeiro as trioses-P so utilizadas para a sntese
de hexoses, as quais so transportadas como ADP-glicose (ADPG) pela enzima ADPGase
(Pirofosforilase da ADPG), enzima-chave no controle da sntese de amido. ADPGase ativada pelo
sistema ferredoxina-tioredoxina, o qual tambm s ativo durante o dia. O acmulo de grandes
quantidades de amido nos cloroplastos pode levar a um desarranjo nas membranas dos tilacides,
afetando a perfeita estrutura dos fotossistemas e, conseqentemente, afetando a captao de energia
luminosa e diminuio das taxas fotossintticas. Assim, o controle da sntese de amido essencial,
de forma a no prejudicar a fotossntese.
Fig.2: Micrografia eletrnica mostrando a
acumulao. Tanto a regio mais clara comoa mais escura faz parte do gro de amido.
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A triose transportada ao citosol utilizada na sntese da sacarose, em vrias reaes
similares quelas da sntese de amido. A sntese da sacarose leva liberao de quatro fosfatos (Pi),
que so essenciais para que o transporte de triose continue (Fig.3). Visto que a taxa de sntese de
sacarose excede em at 10 vezes a taxa de sntese de amido, a maior parte da triose produzida no
Ciclo de Calvin transportada para o citosol e utilizada na sntese da sacarose. O principal destino
da sacarose sintetizada no citosol sua exportao para os rgos dreno (rgos que no sintetizam
a energia suficiente que precisam). Tambm ocorre um transporte de sacarose para dentro do
vacolo, o qual, junto com o amido transitrio do cloroplasto, servem como substrato para manter a
respirao e o transporte de sacarose noite, perodo no qual no h sntese de triose-P. Em
algumas plantas, como cevada, no acumulado amido transitrio durante o dia, sendo a sacarose
ou os frutanos acumulados no vacolo a principal fonte energtica para sustentar a respirao
noturna.
Fig. 3. Rota biossinttica da sacarose, mostrando os grupos Pi liberados na rota e sua importncia para o transportedas trioses-P para o citosol.
22)) RReegguullaaoo ddaa SSiinntteessee ddee AAmmiiddoo
Como comentado no item anterior, a sntese de sacarose cerca de 10 vezes superior
sntese de amido. A enzima-chave na regulao desse processo a ADPGase, a qual regulada
alostericamente pelos metablitos Pi (inibidor da atividade enzimtica) e pelo 3-PGA (glicerato 3-
fosfato - ativador da atividade enzimtica). O Pi oriundo da prpria sntese do amido ou oriundo do
citosol (produto da sntese da sacarose) pode se acumular no cloroplasto e inibir a ADPGase
alostericamente. Isso ocorre, por exemplo, quando uma reduo significativa nas reaes
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fotoqumicas ocorre. Essas reaes consomem a grande maioria do Pi, para que possam sintetizar
ATP. Se houver reduo nas reaes fotoqumicas, acumular-se- Pi no cloroplasto, inibindo ento
a ADPGase. Essa inibio importante para evitar que a sntese de amido compita com o Ciclo de
Calvin, visto que ambas as rotas bioqumicas utilizam a triose-P como substrato. Assim, a
acumulao da reserva na forma de amido no ocorre de forma a prejudicar o Ciclo de Calvin. Ainibio pelo Pi pode ser superada pelo estmulo do regulador alostrico 3-PGA. Assim, se a sntese
de amido aumentar muito, ao mesmo tempo muito Pi se acumular no cloroplasto, inibindo a
ADPGase. Essa regulao da sntese do amido por Pi e 3-PGA vem explicar o mecanismo pelo qual
a sntese de amido uma vlvula de superfluxo de produo de energia na forma de carboidratos:
quando a sacarose se acumula, devido saturao de seu transporte (ou inibio), menos Pi
liberado no citosol, diminuindo tambm o Pi no cloroplasto, acumulando-se triose-P. Diminuio de
Pi no cloroplasto significa alvio da inibio da ADPGase pelo Pi, e acmulo de triose significatambm acmulo de 3-PGA, o regulador positivo da ADPGase. Assim, aumenta dramaticamente a
atividade da ADPGase quando diminui a sntese da sacarose, visto que aumenta a concentrao do
estimulador e diminui a do inibidor.
Fig 4: Esquema da regulao da
ADPGase, enzima-chave da sntese de
amido, pelos seus efetores (Pi e 3-
fosfoglicerato).
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33)) RReegguullaaoo ddaa SSiinntteessee ddee SSaaccaarroossee
Duas enzimas-chaves so os principais responsveis pela regulao da sntese da sacarose:
SPS (Sintase da sacarose-fosfato) e FBPase (frutose 1,6-bifosfatase). A regulao da enzima
FBPase ser abordada no tem Regulao da Gliclise. Concentraremo-nos agora somente na
regulao da SPS.
A enzima SPS, quando fosforilada pela enzima cinase da SPS, transforma-se em sua forma
menos ativa. A ativao da SPS, ao contrrio, depende de sua desfosforilao pela enzima SPS-
fosfatase. Dois metablitos regulam o nvel da forma ativa (fosforilada) da SPS, bem como do nvel
de atividade enzimtica da forma ativada. Glicose-6-fosfato (G-6-P) inibe a cinase da SPS,inibindo, portanto, a sua inativao. A G-6-P , tambm, um regulador alostrico da SPS ativa: ela
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liga-se enzima diretamente, aumentando a sua velocidade de reao. G-6-P um sinal, traduzindo
o tamanho do reservatrio de hexoses de uma clula, o que ajuda no equilbrio entre duas rotas
competitivas: fotossntese e gliclise. Traduz, tambm, o nvel de triose, indicando o nvel de
atuao do Ciclo de Calvin. Assim, se G-6-P alto, significa que a gliclise est satisfeita, e que
o ciclo de Calvin est atuando em nveis elevados, sendo, ento, o sinal verde para a sntese dasacarose. Por outro lado est o Pi, cujo efeito exatamente o contrrio ao da G-6-P. Alta
concentrao de Pi no citosol significa alta sntese de sacarose, e/ou alta taxa de metabolismo +
respirao insuficiente a essa demanda, ou reduo do nvel de atividade do Ciclo de Calvin (menos
triose sendo transportada para o citosol, acumulando Pi no citosol). Pi um freio sntese de
sacarose, e esse freio importante de forma a permitir que a clula de uma folha no sacrifique
outras rotas metablicas custa da exportao da sacarose pela folha. Pi ento inibe a fosfatase, que
ativaria a SPS, e atua tambm ao nvel da enzima SPS ativada (desfosforilada), inibindo avelocidade da reao catalisada por essa enzima. Pi tambm regula a sntese da sacarose, quando da
regulao da enzima FBPase (ver adiante).
Fig. 5: Regulao da sntese da sacarose atravs da regulao da SPS
44)) RReessppiirraaoo
44..11)) AAssppeeccttooss GGeerraaiiss
A respirao um processo de xido-reduo, no qual a energia armazenada nas molculas
orgnicas reduzidas (compostos orgnicos de reserva) liberada de forma controlada. A respirao aerbica
comum a todos os organismos eucariontes e, em termos gerais, o processo respiratrio nas clulas
vegetais e animais similar.
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A equao simplificada da respirao, geralmente, representada pela oxidao de uma molcula
de glicose:
C6H12O6 + 6O2 + 6H2 O 12H2 O + 6CO2
(G = -2880 kJ/mol glicose)
Nesta equao, que representa uma reao de xido-reduo, a glicose completamente oxidada
a CO2. O oxignio, que serve como ltimo aceptor de eltrons, reduzido para formar gua.
Geralmente, a glicose citada como o substrato respiratrio. As fontes de glicose so polmeros,
como o amido, ou dissacardeos, como a sacarose. No entanto, no metabolismo celular, outros acares,
lipdeos (principalmente triacilglicerol), cidos orgnicos e, em determinadas circunstncias, protenas,
podem ser utilizados como substratos respiratrios.
A respirao celular ocorre em trs etapas definidas:
-A gliclise, catalisada por enzimas solveis localizadas no citosol, que permite a oxidao de uma
molcula de glicose, produzindo dois piruvatos, ATP e gerando NADH;
-O ciclo de Krebs (ou ciclo do cido ctrico ou ainda ciclo dos cidos tricarboxlicos), que ocorre na matriz
da mitocndria, atravs do qual o piruvato oxidado completamente, liberando CO2, gerando ATP e uma
considervel quantidade de NADH;
-A cadeia de transporte de eltrons, que ocorre na membrana interna das mitocndrias, atravs da qual so
transferidos eltrons do NADH para o O2, gerando-se um gradiente eletroqumico de prtons que permite a
sntese de ATP via enzimasintetase do ATP (comumente referida como ATPase).
4.2) Mitocndria
A mitocndria uma organela celular de poucos micrmetros (m) de dimetro e comprimento,
onde ocorre o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de eltrons. Esta organela est limitada por duasmembranas, uma externa e uma interna invaginada. A fase aquosa do interior da membrana interna
denominada matriz. A regio limitada pelas duas membranas o espao intermembranar. As invaginaes
da membrana interna formam estruturas denominadas cristas. As cristas permitem incrementar
significativamente a rea superficial da membrana interna.
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Fig. 6 A mitocndria
A teoria endossimbionte hipotetiza que um microrganismo foi absorvido por outro,
desenvolvendo um processo de endossimbiose, o que levou ao surgimento da mitocndria (como tambm
citado para a origem do cloroplasto). Como evidncias, temos, na mitocndria, a presena de cromossoma e
ribossomas de procariotos, e a presena de um processo de replicao, transcrio e traduo, tambm
caractersticos de eucariotos. Durante a evoluo, tambm vemos um processo contnuo de fluxo gnico,
possuindo os mamferos um genoma mitocondrial muito menor do que o genoma mitocondrial das plantas,
as quais so menos evoludas.
4.3) Gliclise
A degradao da sacarose considerada uma primeira fase da gliclise. Duas rotas de
degradao da sacarose so possveis: uma via invertase e outra via sintase da sacarose (SuSy; Fig
7). A reao via invertase irreversvel, e no aproveita a energia glicosdica que ligava a frutose
glicose na molcula de sacarose. A reao catalisada pela SuSy aproveita essa energia, a qual
mantida na ligao UDP-glicose, e aproveitada finalmente na reao seguinte na produo de UTP.
Qualquer via de degradao ir originar, no final, frutose-6-fosfato (F-6-P), a qual segue ento para
a segunda fase da gliclise (Fig.7).
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Fig. 7: Primeira fase da gliclise. A degradao da sacarose pode ocorrer por duas rotas distintas, as quais confluem
para o mesmo ponto final (produo de frutose 6-fosfato).
Fig. 8: Esquema das reaes da gliclise a partir da F-6-P.
At a formao de 3-GAP, a partir de uma hexose (imagine a
hexose ou a frutose formada pela reao da invertase), ocorre o
gasto de duas molculas de ATP. Mas a funo da respirao
exatamente o contrrio (transformar a energia presente nas ligaes
qumicas de uma molcula de acar em ATP). Na verdade, essas
primeiras reaes esto preparando a molcula de acar, de forma
que as reaes posteriores possam aproveitar melhor a energia
presente. A produo de energia comea a partir do 3-GAP. Esse
aldedo transformado em um cido, sendo sua energia utilizada na
incorporao de mais um fosfato molcula, bem como na gerao
de um NADH. Esse fosfato introduzido nessa reao poder, ento,
ser utilizado na prxima reao, onde 1,3-PGA transformado em
PGA, produzindo ATP. A ltima reao produtora de energia nagliclise a formao de piruvato a partir do fosfoenolpiruvato
(PEP), onde ser, ento, produzido um ATP. Cada hexose oxidada
na gliclise consumir, portanto, 2 ATPs, e produzir 4 ATPs (saldo
lquido de 2 ATPs) e 2 NADH.
Sob condies de anaerobiose, os NADH produzidos na gliclise no podem ser reciclados na
cadeia mitocondrial de transporte de eltrons. Assim sendo, ainda no citosol, o piruvato pode ser utilizado
como substrato para aFermentao Lctica ou para aFermentao Alcolica. NaFermentaoLctica, o
prprio piruvato reduzido a lactato, utilizando-se o poder redutor do NADH, visando a recuperao de
NAD+. NaFermentao Alcolica, o piruvato inicialmente descarboxilado, resultando em acetaldedo, e
este reduzido (utilizando o poder redutor do NADH), resultando em lcool etlico. As fermentaes
caracterizam-se por envolverem uma oxidao apenas parcial do substrato orgnico inicial (glicose, em
geral), e pelo fato de um composto orgnico ser o aceptor final de eltrons. Assim sendo, compostos
orgnicos esto entre os produtos finais (lactato ou lcool etlico + CO2) e o rendimento energtico de
apenas 2 ATPs, que correspondem ao saldo da gliclise.
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4.4) Ciclo de Krebs
Sob condies aerbicas, o piruvato transportado para o interior das mitocndrias, onde oxidado
completamente, no ciclo de Krebs, liberando CO2.O ciclo de Krebs, tambm denominado de ciclo do cido ctrico ou dos cidos tricarboxlicos
(TCA), ocorre fundamentalmente na matriz mitocondrial. Na verdade, a oxidao mitocondrial do piruvato
ocorre em duas etapas. Na primeira, o piruvato oxidado at acetil-CoA. Na segunda, os grupamentos de
acetil so oxidados completamente a CO2, no ciclo do cido ctrico.
4.4.1) Oxidao do Piruvato
Na oxidao do piruvato, uma molcula de piruvato convertida em acetil, em uma srie cclica de
reaes que removem dois eltrons, dois H+ e um carbono na forma de CO2. Os eltrons e prtons so
utilizados para reduzirem o NAD+ a NADH. A unidade acetil transferida para a coenzima A, para formar
acetil-CoA. As unidades acetil, carregadas pela acetil-CoA, servem como combustvel intermedirio para
alimentar o ciclo do cido ctrico. Os eltrons carregados pelo NADH representam energia potencial que
eventualmente utilizada para sntese de ATP, como conseqncia da operao da cadeia de transporte de
eltrons.
acetil + 3NAD+
+ FAD + ADP + Pi 2CO2 + 3NADH + FADH2 + ATP
4.4.2) Ciclo do cido ctrico
No ciclo de Krebs, os dois carbonos do acetil, carregados pela acetil-CoA, so transferidos para o
oxaloacetato para formar citrato, que um cido tricarboxlico. Essa primeira reao catalisada pela
citrato sintase, principal enzima reguladora do ciclo. Nas etapas seguintes, o citrato oxidado, formando
diversos cidos orgnicos tri ou dicarboxlicos. Nas diferentes etapas do ciclo, eltrons e prtons so
transferidos ao NAD+ e FAD+ para formar NADH e FADH2, respectivamente. Ocorre, tambm, sntese
direta de ATP (fosforilao ao nvel de substrato) e a formao de intermedirios, utilizveis em outros
processos biossintticos.
piruvato + coenzima A + NAD+
acetil CoA + NADH + CO2
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Fig. 9: O ciclo de Krebs
4.4.3) Cadeia de transporte de eltrons e fosforilao oxidativa
O sistema de transporte de eltrons formado por quatro complexos proticos inseridos namembrana interna da mitocndria:
-Complexo I = NADH desidrogenase (NADH-ubiquinona oxidoredutase)-Complexo II = Succinato desidrogenase (succinato-ubiquinona oxidoredutase)-Complexo III = Citocromo b-c1 (ubiquinona-citocromo c oxidoredutase)-Complexo IV = Oxidase terminal (citocromo c - O2 oxidoredutase)
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Fig. 10 A cadeia transportadora de eltrons
Nesse sistema, eltrons do NADH so transferidos de um complexo a outro at o aceptor final,
que o oxignio. Alm dos complexos indicados, tambm participam do transporte as ubiquinonas e o
citocromo c. A passagem dos eltrons atravs dos complexos resulta em um transporte vetorial de prtons
da matriz para o espao intermembranar. Esse bombeamento de prtons gera um gradiente eletroqumico deprtons (fora prton-motora), que utilizado posteriormente para a sntese de ATP.
Fig. 11: Representao esquemtica dos complexos 1 e 2, indicando o transporte de eltrons atravs desses dois complexos
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Fig. 12: Representao esquemtica dos complexos 3 e 4, indicando o transporte de eltrons atravs desses dois complexos. As
duas figuras do complexo 3 representam a oxidao sucessiva de duas molculas de ubiquinona reduzida e a realizao de um
ciclo Q, regenerando uma segunda molcula de ubiquinona reduzida.
O gradiente de prtons gerado permite a sntese de ATP no complexo sintetase do ATP, quando
os prtons retornam do espao intermembranar para a matriz, atravs do canal protnico deste complexo.
Este tipo de sntese de ATP, que utiliza a energia do gradiente eletroqumico de prtons, denominado
fosforilao oxidativa. Neste caso, diz-se que a fosforilao est acoplada ao funcionamento da cadeia de
transporte de eltrons. por isso que a sintase do ATP tambm denominada Fator de acoplamento.
Assim, para cada NADH oxidado na cadeia respiratria, so sintetizados 3 ATPs, e a oxidao de cada
FADH2 resulta na sntese de 2 ATPs.
Energeticamente, a oxidao completa de 2 piruvatos permite a formao de 8 NADH e 2
FADH2, que possibilita a sntese de 28 ATPs que, somados aos 2 ATPs sintetizados diretamente na
fosforilao ao nvel de substrato, perfazem um total de 30 ATPs.
Na gliclise, so produzidos 2 ATPs ao nvel do substrato e 2 NADH. Os NADH citoplasmticos
no conseguem penetrar no interior das mitocndrias e no tm acesso direto ao complexo I da cadeia
respiratria. Entretanto, os seus eltrons podem ser transferidos para alguns dos transportadores da cadeia
respiratria, via sistema de lanadeira (catapulta de NADH) ou atravs de uma NADH desidrogenase
adicional, localizada na face externa da membrana mitocondrial interna, presente apenas em mitocndrias
de plantas. Neste caso, a energia liberada suficiente para a produo de apenas 2 ATPs para cada NADH
citoplasmtico que for oxidado.
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Figura 13: Reaes metablicas da Catapulta de NADH.Ao invs do PEP originar piruvato na srie de reaesglicolticas normais, ele originar malato, consumindoNADH no citosol. O malato ento transportado para a
mitocndria aonde ser transformado em piruvato ouoxalacetato, gerando o NADH agora dentro damitocndria, o qual poder entoser utilizado pelocomplexo 1.
Em resumo, a oxidao completa de 1 mol de glicose pelo processo respiratrio permite
recuperar 36 ATPs que, energeticamente representam 40% do total da energia contida em um mol de
glicose.
Na verdade, este rendimento pode variar, dependendo de estarem, ou no, em operao as
chamadas vias alternativas, que podem estar presentes nas mitocndrias vegetais.
4.4.4) Vias alternativas de mitocndrias de plantas
Na figura abaixo podemos visualizar a via predominante e algumas vias alternativas encontradas
nas mitocndrias das plantas:
Fig 14: Esquema representativo do transporte de eltrons pelas vias normais e alternativas na membrana interna da
mitocndria.
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As mitocndrias de tecidos vegetais podem apresentar certos complexos proticos adicionais na
sua membrana interna, que no ocorrem nas organelas de animais. Tais complexos so constituintes do
sistema de transporte de eltrons, sendo considerados como vias alternativas, que estariam atuantes apenas
em certas situaes especiais. Eles so (ver tambm figura acima):
a- Uma NAD(P)H desidrogenase adicional externa, localizada na face externa da membrana interna
mitocondrial. Ela capaz de oxidar NADH e NADPH provenientes do citosol, dirigindo os pares de
eltrons e hidrognios para as ubiquinonas, que seguem o caminho normal do restante da cadeia de
transporte de eltrons. Neste caso, os eltrons no passam pelo complexo I, no havendo, portanto, a
conservao de energia correspondente ao primeiro stio de ejeo de prtons. por isso que a oxidao
de cada NAD(P)H citoplasmtico rende apenas 2 ATPs;
b- Uma NADH desidrogenase adicional interna, localizada na face interna da membrana interna
mitocondrial. Ela capaz de oxidar NADH da matriz mitocondrial, embora tenha menor afinidade que o
complexo I por estas coenzimas. Tambm neste caso, os eltrons no passam pelo primeiro stio de
conservao de energia (complexo I), resultando na sntese de apenas 2 ATPs por NADH que entra na
cadeia respiratria por esta via;
c- Uma oxidase terminal alternativa, localizada na face interna da membrana interna mitocondrial. Ela
tambm denominada de oxidase insensvel ao cianeto, pelo fato de no ser inibida por cianeto, ao
contrrio do que acontece com a citocromo oxidase. Esta oxidase alternativa recebe eltrons diretamente
das ubiquinonas, entregando-os definitivamente ao O2, para formar H2O. Neste caso, os eltrons no
passam pelos complexos citocromo bc1 e citocromo oxidase. Sem o envolvimento destes dois stios de
ejeo de prtons, a produo de ATP reduzida, podendo resultar em apenas 1 ATP para cada NADH,
caso a cadeia tenha se iniciado pelo complexo I. Se a cadeia respiratria for iniciada por uma das NADH
desidrogenases adicionais e finalizada pela oxidase terminal alternativa, nenhum ATP ser produzido, e
toda a energia ter sido perdida como calor;
d- Uma enzima desacopladora PUMP, localizada na membrana interna mitocondrial, a qual, atravs dotransporte de fosfolipdeos, provoca o transporte de prtons do espao intermembranar para a matriz
mitocondrial. Essa enzima pode ser ativada em plantas sob baixas temperaturas e na presena de outros
estresses abiticos (mostrada somente na figura abaixo).
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Fig. 15: Mecanismo proposto para a ao da PUMP.
As funes fisiolgicas destas vias no esto ainda completamente esclarecidas. Dentre elas,
considera-se que as vias alternativas sejam importantes para:
1- Possibilitar a oxidao mitocondrial de NADH e NADPH produzidos no citoplasma;
2- permitir a operao da gliclise e do ciclo de Krebs mesmo sob nveis elevados de ATP, no sentido de
garantir a produo de intermedirios metablicos, que podem ser desviados para outras vias
metablicas;
3- permitir a continuidade de operao da cadeia respiratria (visando reciclar NAD+), quando a via que
envolve os citocromos estiver saturada;4- em certos casos, canalizar a energia da respirao para a produo de calor (rompimento da camada de
gelo ou volatizao de compostos para atrao de insetos polinizadores);
5- contribuir para um mecanismo antioxidativo, reduzindo a sobrecarga de eltrons ou a excessiva
polarizao da membrana interna da mitocndria, reduzindo o nvel de produo de radicais livres.
Merece destaque a situao especial que ocorre nas espdices de algumas espcies da famlia das
Arceas. Nestes casos, a maturidade funcional das inflorescncias acompanhada por uma acentuadaexpresso da oxidase terminal alternativa. As reservas energticas so oxidadas rpida e intensamente e a
operao desta via alternativa resulta em liberao de calor, que pode elevar a temperatura das
inflorescncias em at cerca de 15C acima da temperatura ambiente. Isto permite a volatilizao de
compostos aromticos, importantes na atrao de insetos para a polinizao.
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55)) RReegguullaaoo ddaa gglliicclliissee
No metabolismo de carbono de folhas de plantas, a regulao da gliclise est intimamente ligada
regulao da sntese da sacarose.
A regulao da gliclise realizada principalmente por duas enzimas-chaves, que catalisam duas
reaes praticamente irreversveis, e que decidem se a frutose-1,6-bifosfato, formada a partir da triose que
foi transportada do cloroplasto ao citosol, segue em direo sntese de sacarose ou a piruvato via gliclise.
Estas enzimas so a PFK-PPi e a FBPase. Essas duas enzimas so antagonicamente reguladas por um
metablito presente em concentraes muito baixas: a frutose-2,6-bifosfato (F-2,6-BP). A concentrao
desse metablito regulador , por sua vez, regulada pela concentrao de Pi no citosol, o qual regular a
atividade de duas enzimas ligadas sntese / degradao da F-2,6-BP (Fig. 9).
A sntese de F-2,6-BP depende da atividade da cinase da F-6-BP, enquanto a degradao dependeda fosfatase da F-2,6-BP. o balano entre a atividade dessa cinase e atividade da fosfatase que determinar
a concentrao desse metablito regulador (F-2,6-BP) no citosol de uma folha.
Fig.16 : Esquema da regulao da gliclise, apresentando a regulao por metablitos das enzimas envolvidas na
sntese e degradao da F-2,6-BP, e seu conseqente efeito no direcionamento ou no da F-6-P para a gliclise.
Como comentado anteriormente, a sntese da sacarose compete com a gliclise pela F-1,6-BP. Um freio necessrio para controlar a sntese da sacarose, de forma a no colocar em risco a
respirao. Assim, a concentrao de Pi no citosol aumenta quando da sntese da sacarose, o que
ativa a cinase da F-6-P e inibe a atividade da fosfatase da F-2,6-BP, resultando em um dramtico
aumento da concentrao de F-2,6-BP no citosol. Esse aumento resulta na ativao da PFK-PPi e na
inibio da FBPase, o que acarreta aumento dos nveis da gliclise e diminuio da sntese de
sacarose. Essa regulao resulta, ento, na diminuio da sntese de sacarose, evitando a reduo da
gliclise a nveis crticos, que poderiam prejudicar o metabolismo da planta.
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Outros nveis de regulao ocorrem ao nvel da regulao alostrica de outras enzimas, as
quais respondem a sinais de fome e de saciedade, os quais muitas vezes atuam ao nvel de uma
mesma enzima (veja figura abaixo).
Fig. 17: Efeito de diferentes metablitos na
regulao da respirao pela demanda.
Tringulos representam efeito positivo dos
efetores metablitos enumerados ao
lado.Crculos com um xs, em vermelho,representam efeito negativo dos efetores
metablitos enumerados ao lado.
Entre os efetores alostricos de sinais de fome, esto, principalmente, o Pi, AMP e o ADP,
os quais resultam na ativao das enzimas, resultando em estmulo respirao (estmulo sntese
de ATP). So sinais de fartura os metablitos ATP, PEP, NADH, os quais, quando possuem suas
concentraes celulares acrescidas, promovem a inibio da respirao (inibio da sntese de ATP
e NADH). A atuao em conjunto desses sinais metablicos essencial na regulao da respirao
pela demanda energtica da clula, e tambm mantm a homeostase das concentraes dos
metablitos da respirao.
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66)) AAlltteerraaeess nnaa GGlliicclliissee eemm PPllaannttaass ssoobb CCoonnddiieess ddee HHiippooxxiiaa
Em condies de hipoxia, ocorre uma dramtica inibio do Ciclo de Krebs e da cadeia de
transporte de eltrons, resultando em um acmulo de piruvato no citosol. Esse acmulo o
gatilho que ir acionar a respirao anaerbica. A inibio dessas duas outras fases da respirao
resulta, ento, em dramtica reduo do ATP ao nvel celular. Para sobreviver essa deficincia,
plantas desenvolveram mecanismos de tolerncia hipoxia
Duas formas de fermentao ocorrem em plantas: a lctica e a etanlica. Energeticamente, a
lctica mais favorvel, sendo sempre a primeira forma de respirao anaerbica que ocorre em
plantas, sendo seguida da fermentao etanlica, a qual leva a maior perda de energia (tanto na
descarboxilao do piruvato como na queima do NADH). As plantas possuem uma capacidade
limitada para a fermentao lctica, devido ao fato de que o lactato resulta em decrscimo do pH
celular, prejudicando o metabolismo da planta. Assim a reduo no pH inibe a enzima lactatodesidrogenase e ativa a piruvato descarboxilase; isto faz com que a planta mude para uma
fermentao etanlica, a qual predomina em relao lctica.
Fig. 18: Regulao das rotas fermentativasnas plantas. Mecanismo tambm explica apredominncia da fermentao etanlicaem relao a fermentao ltica (efeito
diferencial do pH nas duas enzimasapresentadas.
A funo da respirao anaerbica repor o NAD+ oxidado, substrato da gliclise, sem a
qual o resultado seria a inibio da gliclise.
77)) VViiaa ddaa ppeennttoossee--ffoossttaattoo ((PPPPPP))
Tambm denominada de Via Oxidativa das Pentoses, Desvio da Hexose-Fosfato, ou Via do
Fosfogluconato. Corresponde a uma oxidao da molcula de glicose, onde um dos primeiros
intermedirios o gluconato-6-fosfato, que sofre uma oxidao descarboxilativa, resultando em ribulose-5-
fosfato e NADPH. Os dois produtos principais so o aldedo fosfoglicrico (PAG) e a frutose-6-fosfato,
ambos tambm intermedirios da gliclise e do ciclo de Calvin. A via da pentose-fosfato, alm de ser uma
fonte de poder redutor (NADPH) no citosol, apresenta ribose-5-fosfato e eritrose-4-fosfato como
intermedirios importantes, que podem ser desviados para a sntese de nucleotdeos e de compostos
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fenlicos, respectivamente. Esta via ocorre principalmente no citosol, mas noite tambm ocorre nos
cloroplastos, onde inibida pela luz e por NADPH.
Fig. 19: A via da pentose-fosfato
A seguinte equao simplificada pode representar globalmente o que ocorre nesta via:
6 Glicoses 6 CO2 + 5 Glicoses + 12 NADPH
Os NADPH produzidos podem ser oxidados nas mitocndrias, com consumo de O2 eaproveitamento da energia para sntese de ATP, ou podem ser utilizados em processos biossintticosdiversos, como a sntese de lipdeos.
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88)) FFaattoorreess qquuee aaffeettaamm aa rreessppiirraaoo
8.1) Disponibilidade de substrato
Dentre os compostos orgnicos disponveis, os carboidratos so os mais freqentemente
utilizados. Como, de um modo geral, os carboidratos so os compostos produzidos de imediato pela
fotossntese, a taxa respiratria vai depender da quantidade de carboidratos que ser direcionada para os
processos oxidativos. Assim, quanto maiores forem as taxas fotossintticas, maior ser a disponibilidade de
substratos e maiores tendem a ser as taxas de respirao. Conseqentemente, fatores diversos, como a
posio e a idade da folha, assim como o perodo do dia, interferem na intensidade das taxas respiratrias.
Assim, a respirao mais elevada durante o dia que noite, menor numa folha mantida sombra do que
numa folha sob luz solar, e menor no final do perodo noturno do que logo aps o anoitecer.
8.2) Disponibilidade de Oxignio
Em condies normais, o oxignio raramente chega a representar problema para a respirao das
plantas. Isto porque a citocromo oxidase tem afinidade extremamente elevada pelo oxignio, podendo
operar sob tenses de 0,05% da tenso de O2 do ar.
Fig 20: Efeito da concentrao de oxignio
na taxa respiratria. O incremento da
respirao a baixas tenses de oxignio
chamado de Efeito Pasteur
Limitaes respirao podem ocorrer em rgos volumosos, que podem apresentar menor nvel
de oxignio disponvel na parte mais interna dos tecidos. Neste caso, importante a participao dos
espaos intercelulares na difuso de gases, do exterior at o interior do rgo. Tais espaos podem
representar de 2 a 45% do volume total do rgo. Por exemplo, em batata existe cerca de 1% de espaosareos, que se elevam para 8% em razes de milho, chegando a 26 % em razes de arroz. Em razes de
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plantas mantidas em solos alagados (sob condies de hipoxia ou anoxia), podem ocorrer adaptaes,
como o desenvolvimento de aernquimas, razes adventceas, ou de pneumatforos (tpicos de plantas de
mangue).
Fig 21: Mecanismos de tolerncia do sistema radicular a baixos nveis de oxignio no solo.
De um modo geral, quando se submete um rgo a tenses reduzidas de O2, observa-se uma
reduo da sua atividade respiratria, proporcional concentrao de O2 utilizada. Entretanto, se o O2 cair a
nveis muito baixos (prximos da anoxia), a atividade fermentativa estimulada, resultando em consumo
intenso dos substratos respiratrios e conseqente liberao de grandes quantidades de CO2 (Figura 34).
Este estmulo liberao de CO2 (pela fermentao), resultante de baixas tenses de O2, denominado
Efeito Pasteur. Por isto, quando se armazena frutos sob atmosfera controlada (geralmente com reduo na
tenso de O2, aumento na concentrao de CO2 e reduo da temperatura), deve-se tomar o cuidado para
no reduzir demais a concentrao de O2 da cmara.
A fermentao freqente em algumas sementes (especialmente as de maior tamanho), pelo
menos no incio da germinao, uma vez que seus tegumentos tendem a ser impermeveis, dificultando a
penetrao tanto de gua como de O2. Existe um caso extremo de adaptao, apresentado por sementes de
arroz. Se tais sementes estiverem germinando em solos alagados, a sua atividade fermentativa suficiente
para garantir, em primeiro lugar, o desenvolvimento do coleptile, ao invs da radcula, como acontece na
maioria das sementes. A parte area da plntula continua o seu alongamento, at que seja atingida aatmosfera, quando os ramos transferem oxignio para permitir a iniciao e o crescimento das razes.
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As plantas apresentam as seguintes estratgias de tolerncia a hipoxia:
1) Aumento da gliclise e paralela induo da fermentao anaerbica: resultam no aumento da
mobilizao das reservas, de forma a manter os nveis mnimos de ATP requeridos para a sobrevivncia
e/ou crescimento.
2) Diferenciao de tecidos ou rgos de forma a aumentar o transporte de ar entre os diferentes rgos da
planta (Ex: lenticelas, razes adventcias, pneumatforos, diferenciao do aernquima)
Fig. 22: Representao esquemtica do mecanismo de diferenciao de um aernquima lisgeno por uma raiz na presena de
baixos nveis de oxignio.
8.3) Temperatura
A temperatura afeta de maneira ampla a atividade de respirao. Ela capaz de alterar a difusode gases, a integridade de membranas e, especialmente, a atividade enzimtica. A temperatura tima varia
com a espcie e o tecido considerado. Em geral, a respirao aumenta at cerca de 30-35 C, sendo que em
torno de 40 C inicia-se o processo de desnaturao das enzimas. Comparativamente, o efeito da
temperatura mais pronunciado na fotossntese do que na respirao.
8.4) Tipo e idade da planta
A taxa respiratria dos diversos rgos vegetais pode variar amplamente, dependendo dosdiversos tipos celulares que podem estar presentes. Por exemplo, rgos que apresentem grande nmero de
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clulas muito vacuoladas ou uma grande proporo de clulas mortas (como no lenho), tendem a
apresentar taxa respiratria mdia reduzida, apesar de terem atividade respiratria semelhante a de um outro
rgo qualquer. A atividade similar torna-se evidente quando se expressa a respirao em relao ao
contedo de protenas do rgo.
Em geral, existe uma correlao direta entre a taxa de crescimento da planta e a taxa derespirao. Assim, a respirao elevada durante o perodo de maior crescimento vegetativo e, aps um
perodo de estabilidade, observa-se uma queda gradual da taxa respiratria global com a idade da planta,
embora ela possa manter-se alta em certas partes, como folhas, razes e flores em crescimento (Figura 35).
Em sementes, comum encontrarmos taxas respiratrias extremamente baixas, podendo chegar a zero em
certos casos, onde a dessecao resulta no desligamento do metabolismo.
Fig 23: Taxa respiratria durante o desenvolvimento de uma espcie de planta de ciclo anual.
Em frutos, a taxa de respirao elevada durante a sua formao, quando as clulas esto se
dividindo e crescendo rapidamente. Em seguida, a respirao declina gradualmente. Entretanto, alguns tipos
de frutos, durante a sua maturao, voltam a apresentar um pico respiratrio, denominado climatrio,
acompanhado por uma rpida acelerao no processo de amadurecimento (Figura 36). Mas, tomates,
abacates, bananas e caquis so alguns exemplos de frutos climatricos. Ao contrrio, laranjas, uvas,
abacaxis e morangos so exemplos defrutos no climatricos.
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Fig. 24: Respirao em frutos climatricos e no climatricos. Frutos climatricos apresentam um surto respiratrioaps o final da maturao de um fruto.
Este aumento da respirao em frutos climatricos corresponde a um pico na produo de etileno
(um hormnio), o qual proposto estar associado ao aumento da respirao e induo da expresso gnica
de protenas envolvidas em modificaes no metabolismo de carboidratos (transformao de amido em
acares solveis) e da parede celular (degradao de componentes da parede por poligalacturonase,
galactosidases, por exemplo). Nos frutos no climatricos, essas modificaes j se realizaram durante todoo perodo de maturao do fruto, enquanto nos frutos climatricos, essa fase se concentra no final da
maturao.