Unidade VII- RESPIRAÇÃO, Notas de estudo de Agronomia

Baixe Unidade VII- RESPIRAÇÃO e outras Notas de estudo em PDF para Agronomia, somente na Docsity! UNIDADE VII RESPIRAÇÃO 156 RESPIRAÇÃO 1 – INTRODUÇÃO A respiração aeróbica é comum em todos os organismos eucariotos, sendo que a respiração nas plantas apresenta algumas diferenças em relação à respiração de animais. A respiração é um processo biológico no qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e subseqüentemente oxidados de maneira controlada. Durante a respiração, energia livre é liberada e parte é incorporada em forma de ATP, uma fonte de energia que pode ser prontamente utilizada na manutenção e no crescimento da planta. A equação geral que define a respiração é inversa à utilizada para descrever a fotossíntese: C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O ∆Go’ = - 2.872 kJ/mol (-686 Kcal/mol) Neste caso, glucose é oxidada até CO2 e O2 é reduzido para água. Parte da energia livre, liberada por esta reação, é utilizada para síntese de ATP, a função primária da respiração. Além disso, muitos intermediários envolvidos nas reações da respiração são utilizados como fontes de carbono para a síntese de muitos outros compostos de planta (por exemplo, aminoácidos). É importante destacar, que a energia proveniente da oxidação de glucose não é liberada de uma única vez. Para evitar danos na estrutura da célula, a energia resultante da oxidação de glicose, é liberada passo a passo, mediante uma série de reações em seqüência. Estas reações podem ser divididas em três fases: a Glicólise, o Ciclo do Ácido Tricarboxílico (Ciclo de Krebs) e a Cadeia de Transporte de Elétrons. 2 – A RESPIRAÇÃO CELULAR a) Os Substratos da Respiração Embora a glucose seja geralmente citada como o substrato da respiração, o carbono, na realidade, é derivado de diversas fontes: polímeros de glucose (amido), sacarose, polímeros contendo frutose (frutanas) e outros açúcares, lipídios (trialcilgliceróis), ácidos orgânicos e, ocasionalmente proteínas (a degradação das macromoléculas será estudada na Unidade XIII, Dormência e Germinação). O tipo de substrato que está sendo respirado pode ser indicado, medindo-se as quantidades relativas de CO2 liberado e O2 consumido. Isto permite calcular o quociente respiratório (QR), que é dado pela seguinte fórmula: QR = Moles de CO2 liberado Moles de O2 consumido O valor do QR é função do estado de oxidação do substrato. Note que, quando carboidrato está sendo respirado (ver equação geral da respiração) o valor teórico de QR é 159 seja reversível. Isto pode ser importante na conversão de lipídios em glucose (gluconeogênese). Na etapa seguinte da glicólise, a frutose-1,6-bisfosfato é inicialmente clivada e produz duas moléculas de três carbonos, Dihidroxiacetona-fosfato e Gliceraldeído-3-fosfato (Figura 2). A molécula de dihidroxicetona-fosfato é prontamente convertida para gliceraldeído-3- fosfato e vice-versa. Isto indica que uma molécula de frutose-1,6-bisfosfato (6 C) poderá produzir duas moléculas de piruvato (3C), considerando que as moléculas de dihidroxicetona- fosfato são convertidas para gliceraldeído-3-fosfato, que continuam no ciclo. Uma importante função da glicólise é a produção de energia, que pode ocorrer de duas maneiras. A primeira é a formação de poder redutor na forma de NADH. Na reação 3 (Figura 2), duas moléculas de NADH são produzidas quando gliceraldeído-3-P é oxidado para 1,3- bisfosfoglicerato. Esta oxidação parcial não requer O2 e também não resulta na liberação de CO2. O NADH gerado pode ser usado como poder redutor para a síntese de outras moléculas (principalmente na fermentação) ou, na presença de oxigênio, pode ser metabolizado na mitocôndria para produzir ATP (respiração aeróbica). Figura 2 – A segunda etapa da glicólise, convertendo Frutose-1,6-bisfosfato em piruvato. Enzimas: (1) aldolase, (2) isomerase da triosefosfato, (3) desidrogenase do gliceraldeído-3-fosfato, (4) Quinase do fosfoglicerato, (5) mutase do fosfoglicerato, (6) enolase e (7) quinase do piruvato (Hopkins, 2000). NAD- NADH P = phosphate group = PO3H - 1 2 3 4 5 6 7 Dihydroxyacetone - P Glyceraldehyde – 3 – P 1,3 - Biphosphoglycerate Fructose -1,6 - bisphosphate ADP ATP 3 - Phosphoglycerate 3 - Phosphoglycerate Phosphoenolpyruvate PYRUVATE ADP ATP Pi 160 A energia contida nas moléculas de hexoses é também conservada na forma de ATP, nas reações 4 e 7 (Figura 2). A formação de ATP ocorre em um tipo de reação referida como FOSFORILAÇÃO AO NÍVEL DO SUBSTRATO, por que envolve a transferência direta de um grupo fosfato da molécula substrato para o ADP. Os compostos 1,3-bisfosfoglicerato e fosfoenolpiruvato armazenam energia livre suficiente para gerar uma molécula de ATP. Em geral, para cada molécula de hexose que entra na glicólise, 4 ATP são formados (dois para cada triose). Como na fase inicial da glicólise ocorre o gasto de 2 ATP, o SALDO é de 2 ATP para cada molécula de hexose convertida para duas moléculas de piruvato. Este saldo poderá ser de 3 ATP se o amido for degradado pela via fosforolítica, visto que, o gasto inicial neste caso é de apenas 1 ATP. OBS: No final da glicólise, em adição à Quinase do Piruvato, as plantas apresentam duas vias alternativas para o metabolismo do fosfoenolpiruvato (PEP): Carboxilase do PEP Desidrogenase PEP + CO2 →→→→→→ Pi + Oxaloacetato →→→→→ Malato (vai para a mitocôndria) OBS 1: Estas reações são chamadas de Anapleróticas ou de Suplementação (ver item g) OBS 2: Pi (fosfato inorgânico) Fosfatase do PEP PEP + H2O →→→→→ Piruvato + Pi (a enzima se localiza nos vacúolos e sua atividade aumenta sob condições de deficiência de fósforo) O destino do piruvato formado na glicólise depende das condições em que as células ou o organismo estão crescendo. Sob condições aeróbicas, o piruvato passa do citosol para a mitocôndria onde é completamente oxidado até CO2 e H2O (Figura 3). Figura 3 – O destino do piruvato produzido pela glicólise. Enzimas: (1) descarboxilase do piruvato, (2) desidrogenase alcoólica, (3) desidrogenase do lactato (Hopkins, 2000). É importante destacar que embora as plantas superiores sejam organismos aeróbicos obrigatórios, seus tecidos ou órgãos podem, ocasionalmente, estar sujeitos a condições anaeróbicas. Situações típicas ocorrem quando as suas raízes estão submetidas a condições de Aerobic Anaerobic - Fermentacion 161 solo alagado com água, no início do processo germinativo de sementes grandes, na mobilização e sob condições de estresse hídrico e salino. Nestes casos, ocorre uma mudança no metabolismo e o processo respiratório predominante é a fermentação (Figura 3). Nas plantas predomina a fermentação alcoólica, em que as enzimas descarboxilase do piruvato e desidrogenase alcoólica convertem o piruvato em etanol e CO2 e o NADH (produzido na reação 3 da Figura 2) é oxidado, regenerando o NAD+. Na fermentação láctica (comum em animais e também presente nas plantas), a enzima desidrogenase do lactato usa o NADH para reduzir piruvato a lactato, regenerando o NAD+. Acredita-se que o etanol é um produto menos tóxico do que o lactato, pois o acúmulo deste último promove acidificação do citosol. OBS: Note que as reações da fermentação (láctica ou alcoólica) regeneram o NAD+. c) Ciclo do Ácido Tricarboxílico (Krebs) A quebra de uma molécula de glicose produzindo duas moléculas de piruvato libera menos de 25% da energia total da glicose. A energia restante permanece estocada nas duas moléculas de piruvato. Os dois próximos estágios da respiração (ciclo de Krebs e CTE) que completam a oxidação da glucose ocorrem em uma organela circundada por uma dupla membrana, a mitocôndria. As mitocôndrias possuem duas membranas: uma externa (sem invaginação) e outra interna que se apresenta completamente invaginada, formando as conhecidas cristas mitocondriais (Figura 4). A fase aquosa contida dentro da membrana interna é conhecida como matriz e a região entre as duas membranas é conhecida como espaço intermembranar. Estes compartimentos possuem composições diferentes, o que se deve aos diferentes graus de permeabilidade das membranas externa e interna. A membrana externa permite a passagem de íons e moléculas com tamanho abaixo de 10.000 Da. A membrana interna restringe a entrada de íons e pequenas moléculas e possui carreadores específicos que promovem a troca de íons e de moléculas entre a matriz mitocondrial e o espaço intermembranar. Figura 4 – Um diagrama mostrando os diferentes compartimentos da mitocôndria (Taiz & Zeiger, 1998). 164 mitocôndria (ciclo de Krebs). A CTE catalisa o fluxo de elétrons do NADH (e FADH2) para o oxigênio, o aceptor final de elétrons da respiração, regenerando o NAD+ e FAD+. FADH2 + ½ O2 →→ FAD + + H2O ∆G o’ = - 169 KJ/mol NADH + H+ + ½ O2 →→ NAD + + H2O ∆G o’ = - 220 KJ/ mol O papel da CTE é a oxidação de NADH e FADH2 e, no processo, utiliza-se parte da energia liberada para gerar gradiente eletroquímico de H+ através da membrana interna da mitocôndria, o qual é utilizado para sintetizar ATP. As proteínas transportadoras de elétrons são organizadas em quatro complexos multi- protéicos, localizados na membrana interna da mitocôndria (Figura 6): Figura 6 – A organização da cadeia de transporte de elétrons de mitocôndrias de plantas (Taiz & Zeiger, 1998). • Complexo I: Desidrogenase do NADH (NADH:ubiquinona óxido - redutase) – Este complexo recebe elétrons do NADH e transfere-os, via cofatores específicos (flavina mono nucleotídeo – FMN e proteínas Fe-S), para uma molécula de ubiquinona (Q). Esta molécula de ubiquinona move-se dentro da membrana interna, não estando associada a nenhum complexo protéico. A atividade deste complexo é inibida pela Rotenona. • Complexo II: Desidrogenase do succinato (Succinato: ubiquinona óxido - redutase) – Este complexo é composto pela desidrogenase do succinato. Os elétrons derivados da oxidação do succinato são transferidos, via FADH2 e um grupo de proteínas Fe- S, também para moléculas de ubiquinona. Este complexo é competitivamente inibido pelo malonato. Como se vê, as atividades dos complexos I e II produzem um “pool” de ubiquinol (QH2), que transferirá os elétrons para o complexo III. 165 • Complexo III: Complexo do Citocromo bc1 (Ubiquinol:citocromo c óxido - redutase) – Este complexo oxida ubiquinol e transfere os elétrons via uma centro Fe- S, dois citocromos b e um citrocomo c1 ligado à membrana, para o citocromo c. O citocromo c é uma proteína da CTE que não é integral, e serve como um carreador móvel que transfere os elétrons do Complexo III para o Complexo IV. • Complexo IV (oxidase do citocromo c) – Este complexo oxida o citocromo c e reduz o O2 para H2O. Ele contém duas proteínas contendo dois átomos de cobre e os citocromos a e a3. O complexo IV transfere 4 elétrons para o O2, formando duas moléculas de H2O. Este complexo é fortemente inibido por cianeto, monóxido de carbono (CO) e azida. Em adição a estes quatro complexos, as mitocôndrias de plantas possuem alguns componentes não comumente encontrados em mitocôndrias animais (Figura 6): I) Desidrogenase do NAD(P)H Externo – Proteínas periféricas encontradas na face externa da membrana interna. Estes componentes podem facilitar a oxidação de NADH e NADPH produzidos no citosol. II) Desidrogenase do NAD(P)H Resistente à Rotenona– Proteínas periféricas encontradas na face interna da membrana interna. Estes componentes, ao contrário do complexo I, são resistentes à rotenona. III) Oxidase Alternativa – Este complexo protéico permite a redução de O2 com pequena produção de ATP. Esta oxidase alternativa, ao contrário do complexo IV, é pouco afetada pelos inibidores, cianeto, monóxido de carbono (CO) e azida. Quando uma solução de cianeto (1 mM) é fornecida a tecidos animais que estão respirando ativamente, o complexo citocromo oxidase é inibido e a taxa respiratória cai para menos de 1% do valor inicial. No entanto, em tecidos de plantas, a respiração resistente ao cianeto pode representar de 10 a 25% e, em alguns tecidos, pode corresponder a mais de 100% do controle. A enzima ou o complexo responsável por este consumo de O2 tem sido identificada em mitocôndrias de plantas, como um complexo conhecido como oxidase alternativa. A oxidase alternativa é resistente ao cianeto (CN-), monóxido de carbono (CO) e azida, porém, ela é inibida especificamente por alguns compostos, particularmente o ácido salicilhidroxâmico (SHAM). Este complexo recebe elétrons diretamente do “pool” de ubiquinona, reduzindo o O2 para H2O (ver figura 6). Com isso, dois pontos de conservação de energia, nos complexos III e IV, não são utilizados e a energia passa a ser perdida como calor. Esta produção de calor parece ser importante em órgãos reprodutivos de algumas espécies (família Araceae), favorecendo a volatilização de certos compostos que atraem insetos polinizadores. Sob condições de estresse, o aumento da atividade da oxidase alternativa pode contribuir para evitar o sobrefluxo de energia e a formação de radicais livres, efeitos que poderiam ser tóxicos à maquinaria mitocondrial. 166 e) Síntese de ATP acoplada ao fluxo de elétrons A transferência de elétrons para o O2, do Complexo I até o Complexo IV, é acoplada à síntese de ATP, sendo que o número de ATP formado depende da natureza do doador de elétrons. Para o NADH, que doa os elétrons ao Complexo I, a relação ADP:O (número de ATP formados para cada dois elétrons transferidos para o oxigênio) é em torno de 2,5. Isto indica que uma molécula de NADH pode produzir até 2,5 ATP. Para o FADH2, que efetivamente doa elétrons ao Complexo III, a relação ADP:O é em torno de 1,5. Para o ascorbato, que doa elétrons ao Complexo IV, a relação ADP:O é em torno de1. Resultados como os descritos acima têm levado à conclusão que existem três locais de conservação de energia, nos Complexos I, III e IV (Figura 6). Como esta conservação de energia representa uma conexão entre o fluxo de elétrons mitocondrial e a síntese de ATP, ela tem sido denominada de FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA. Este tipo de fosforilação, de maneira similar a fotofosforilação (ver fotossíntese), é explicada pelo Mecanismo Quimiosmótico proposto por Mitchel (1961). O princípio básico da quimiosmose é que diferenças na concentração de íons e de potencial elétrico entre os dois lados de uma membrana são fontes de energia livre que podem ser utilizadas pela célula. Como a membrana interna da mitocôndria é impermeável para H+, um gradiente eletroquímico de H+ pode ser formado. Assim, nos pontos de conservação de energia (ver complexos I, III e IV, na figura 6) o transporte de elétrons está acoplado ao transporte de H+ para o espaço intermembranar, gerando um gradiente eletroquímico de prótons (∆µH +). Os H+ ao retornarem para a matriz mitocondrial, a favor do seu gradiente, liberam energia que é utilizada para a síntese de ATP. O processo de síntese de ATP é catalisado por um complexo enzimático transmembranar, localizado na membrana interna da mitocôndria, conhecido como Fo-F1 sintase do ATP (representado na figura 6 como o complexo V). A porção hidrofóbica do complexo, Fo, parece formar o canal através da membrana, o qual favorece o retorno do H + para a matriz mitocondrial. O sítio catalítico, a porção F1, é uma proteína periférica localizada na face interna da membrana interna, ou seja, no lado da matriz, onde ocorre a síntese de ATP a partir de ADP e Pi. A teoria quimiosmótica também explica o mecanismo de ação dos desacopladores, um grande número de compostos químicos (dinitrofenol, detergentes, NH3, dentre outros) que tornam a membrana interna permeável a H+ (Figura 7). Figura 7 – Esquema mostrando a dissipação do gradiente de H+ através da membrana, promovida pela NH3 (Taiz & Zeiger, 1998). 169 ácidos nucléicos, proteínas, celulose, lipídios e outras moléculas celulares requerem, além de energia (ATP e poder redutor), os esqueletos de carbono que formam as unidades estruturais básicas destas macromoléculas. Os mais importantes esqueletos de carbono, formados a partir de intermediários da glicólise e Ciclo de Krebs, são mostrados na figura 9. Figura 9 – O papel da respiração nos processos de biossíntese (Hopkins, 2000) A retirada de intermediários da glicólise e do Ciclo de Krebs para a síntese de outras moléculas significa, obviamente, que nem todos os substratos da respiração poderão ser completamente oxidados até CO2 e H2O. Deve-se ter em mente, no entanto, que um suprimento adequado de ATP é também necessário, visto que as reações de biossíntese e inúmeras outras funções da célula também requerem esta fonte de energia. Assim, acredita-se que o fluxo de carbono através da respiração celular deve representar um balanço entre a demanda metabólica por ATP, de um lado, e o requerimento de poder redutor e de esqueletos de carbono, do outro. Por exemplo, quando a demanda por ATP é alta, maior percentagem dos substratos poderão ser completamente oxidados para produzir esta fonte de energia. Outro importante ponto a ser considerado é que durante períodos de alta atividade biossintética, a retirada dos ácidos orgânicos do Ciclo de Krebs para a produção de outros compostos (aminoácidos, por exemplo), poderá reduzir significativamente o nível de cetoglutarato, paralisando ou inibindo o Ciclo de Krebs e, consequentemente, o processo respiratório. Isto, no entanto, é evitado através das chamadas Reações Anapleróticas ou de Suplementação. Estas reações catalisadas por enzimas citosólicas (carboxilase do PEP e desidrogenase do malato) e mitocondriais (desidrogenase do malato e enzima málica), 170 transferem moléculas da glicólise para o Ciclo de Krebs, garantindo o funcionamento normal da respiração (Estas reações são mostradas nas páginas 160 e 163). 3 – RESPIRAÇÃO NOS ÓRGÃOS VEGETAIS a) Taxas de Respiração em Função da Idade O estudo da respiração ao nível de órgãos ou da planta é mais complicado do que estudá-la em células individuais. A respiração na planta é normalmente estudada, medindo-se a absorção de O2 ou a evolução de CO2, sendo que as taxas obtidas desta maneira são altamente variáveis. Em adição, as taxas de respiração diferem entre órgãos, mudando com a idade e o estádio de desenvolvimento e, são bastante influenciadas pela temperatura do ar, níveis de oxigênio, dentre outros fatores. Como regra geral, a taxa respiratória reflete o nível de demanda metabólica. Assim, plantas, órgãos ou tecidos jovens respiram mais rapidamente do que plantas, órgãos ou tecidos velhos. A alta taxa de respiração durante os estádios iniciais de crescimento está presumivelmente relacionada aos requerimentos de energia e de esqueletos de carbono para as células que estão em processos de divisão e de alongamento. Quando a planta ou órgão aproxima-se da maturidade, o crescimento e as demandas metabólicas a ele associadas também decrescem (Figura 10). Figura 10 – Taxas de respiração em função da idade. Esta curva aplica-se à maioria das plantas herbáceas, tecidos e órgãos (Hopkins, 2000). É importante destacar que alguns órgãos, especialmente folhas e alguns frutos, experimentam um aumento transitório na respiração, conhecido como climatério, o qual marca a senescência e as mudanças degenerativas que precedem a morte (Figura 10). No caso de frutos climatéricos, estas mudanças coincidem com o amadurecimento. Tipicamente, no climatério, aumento no consumo de O2 é acompanhado pela queda na fosforilação oxidativa, indicando que a produção de ATP não está sendo acoplada ao transporte de elétrons. OBS: A taxa de respiração em sementes germinando será estudada na Unidade XIII 171 b) Taxa de Respiração e Economia no Uso do Carbono Um aspecto importante a ser considerado é que, na maioria das plantas, uma proporção significativa do carbono fotoassimilado é alocado para a respiração. Um levantamento feito com espécies herbáceas mostrou que 30 a 60% do ganho diário com a fotossíntese são consumidos pela respiração, e este valor decresce com a idade da planta. Em árvores lenhosas jovens as perdas podem chegar a um terço do carbono assimilado, podendo dobrar nas plantas adultas devido ao aumento na proporção de tecidos não fotossintéticos. Em áreas tropicais, a respiração pode consumir de 70 a 80% dos fotoassimilados, por causa da alta respiração noturna associada às elevadas temperaturas desta região. Em um esforço para melhor entender o impacto da respiração sobre a economia no uso de carbono nas plantas, alguns fisiologistas têm tentado distinguir entre os gastos com o crescimento (carbono e energia) e os gastos com a manutenção das atividades e estruturas celulares (carbono e energia). Assim, têm sido proposto os termos Respiração de Crescimento e Respiração de Manutenção. A respiração de CRESCIMENTO inclui o carbono realmente incorporado (produção de esqueletos de carbono para a formação de parede celular, macromoléculas, etc.) mais o carbono respirado para produzir a energia, na forma de ATP e poder redutor (NADPH, NADH, FADH2), necessária para as reações de biossíntese e para o crescimento. A RESPIRAÇÃO DE MANUTENÇÃO, por outro lado, fornece a energia para os processos que não resultam em incremento de matéria seca (crescimento), tais como: “turnover” de moléculas orgânicas, manutenção das estruturas de membranas e troca de solutos, dentre outros. Esta respiração de manutenção é baixa em plantas e órgãos jovens que estão em processo de rápido crescimento (Figura 11). No entanto, em órgãos que terminaram o seu crescimento, a respiração de manutenção pode corresponder a uma elevada percentagem da respiração total. Em folhas maduras, por exemplo, ela aproxima-se de 100% de toda a respiração. Figura 11 – Relação entre a taxa de crescimento do órgão e a respiração de manutenção (Hopkins, 2000). Como vimos anteriormente, a respiração produz a energia metabólica que é requerida para vários processos de crescimento, contribuindo, portanto, para o aumento na produção de biomassa. No entanto, ela pode consumir carbono com pouco ou nenhum aproveitamento de Growth component Maintenance component Relative Growth Rate R e la ti v e R e s p ir a ti o n R a te R e la ti v e R e s p ir a ti o n R a te 174 BIBLIOGRAFIA BEWLEY, J. D., BLACK, M. SEEDS: Physiology of Development and Germination. 2nd ed. New York, Plenum Press, 1994, 445p. FERRI, M. G. (Coord.) Fisiologia Vegetal, v. 1. 2nd ed. São Paulo: EPU, 1985, 361p. HOPKINS, W. G. Introduction to Plant Physiology. 2nd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2000, 512p. SALISBURY, F. B., ROSS, C. W. Plant Physiology. 4th ed. California: Wadsworth Publishing Company, Inc., 1991, 682p. TAIZ, L., ZEIGER, E. Plant Physiology. 2nd ed. Massachusetts: Sinauer Associates, 1998, 792p. 175 ESTUDO DIRIGIDO No 06 ASSUNTO: RESPIRAÇÃO 1. Mostre a equação geral da respiração partindo da sacarose. 2. Quais os principais substratos utilizados na respiração? 3. Calcule o quociente respiratório (QR) do ácido palmítico (C16H32O2), do ácido málico (C4H6O2) e da frutose (C6H12O6). 4. Quais as funções da glicólise? 5. Discuta sobre o destino do piruvato formado na glicólise. 6. Quais as funções do Ciclo de Krebs? 7. Mostre a localização da Cadeia de Transporte de Elétrons. Esquematize a composição bioquímica da CTE de plantas. 8. Qual a diferença entre fosforilação ao nível do substrato e fosforilação oxidativa? 9. Qual a função do oxigênio na respiração? 10. Mostre como a síntese da ATP na mitocôndria é explicada pelo Mecanismo Quimiosmótico proposto por Mitchel (1960). 11. Faça um balanço energético da oxidação completa de um mol de glucose através da glicólise, Ciclo de Krebs e CTE. 12. Mostre graficamente a relação entre a taxa de respiração e a idade de um órgão vegetal. 13. Defina respiração de manutenção e respiração de crescimento. 14. Mostre como a temperatura pode afetar a respiração vegetal. Avalie possíveis efeitos sobre a produtividade.