Em formação

1,15: Respiração - Biologia


Visão geral da respiração

Nos próximos módulos, começaremos a aprender sobre o processo de respiração e os papéis que as cadeias de transporte de elétrons desempenham nesse processo. Uma definição da palavra "respiração" com a qual a maioria das pessoas está familiarizada é "o ato de respirar". Quando

nós

a respiração, o ar - incluindo o oxigênio molecular - é trazido de fora do corpo para os pulmões, o oxigênio então se reduz e os produtos residuais, incluindo o oxigênio reduzido na forma de água, são exalados. Simplificando, algum reagente entra no organismo e, em seguida, é reduzido e deixa o corpo como um produto residual. Essa ideia genérica pode ser geralmente aplicada em toda a biologia e o oxigênio nem sempre precisa ser o composto que trouxe, reduziu e despejou como resíduo. Esses compostos onde o elétron é finalmente "despejado" são mais geralmente conhecidos como "aceitadores de elétrons terminais". As moléculas

do qual

a origem dos elétrons pode variar muito ao longo da biologia (vimos uma fonte comum - a molécula reduzida de glicose à base de carbono). Freqüentemente nos referiremos a essas moléculas como "combustível", e a analogia com a queima de gasolina, propano ou carvão é bastante adequada; tudo isso são simplesmente fontes de elétrons, e o produto residual é CO2 e água. Mas, mais uma vez, tenha em mente que muitos organismos podem usar fontes de elétrons não baseadas em carbono e transferir os elétrons para outros tipos de agentes oxidantes.

Entre a fonte original de elétrons e o receptor de elétrons terminal está uma série de reações bioquímicas envolvendo pelo menos uma reação redox (durante o curso da glicólise, a oxidação do piruvato e o ciclo do TCA, vimos muitas!). Essas reações redox coletam energia para a célula, acoplando reações redox exergônicas a reações que requerem energia na célula. Na respiração, um conjunto especial de enzimas realiza uma série interligada de reações redox que, em última instância, transferem elétrons para o receptor de elétrons terminal. Essas "cadeias" de enzimas redox e transportadores de elétrons são chamadas de cadeias de transporte de elétrons (ETC). ETCs são, portanto, a parte da respiração que usa um aceptor de elétrons (trazido de fora da célula) como o aceptor final / terminal para os elétrons que foram removidos dos compostos intermediários no catabolismo. Em células eucarióticas com respiração aeróbia, a ETC é composta de quatro grandes complexos multiproteicos embutidos na membrana mitocondrial interna e dois pequenos portadores de elétrons difusíveis transportando elétrons entre eles. Os elétrons são passados ​​de enzima para enzima por meio de uma série de reações redox. Essas reações acoplam as transferências redox exergônicas ao transporte endergônico de íons hidrogênio através da membrana. Este processo contribui para a criação de um gradiente eletroquímico transmembrana. Os elétrons que passam pelo ETC gradualmente perdem energia potencial e, por fim, são depositados no aceptor de elétrons terminal, que é removido como resíduo da célula. Quando o oxigênio é o aceptor final de elétrons, a diferença de energia livre desse processo redox de várias etapas - da 1ª etapa na ETC para a última - é de ~ -60 kcal / mol quando o NADH doa elétrons ou 45 kcal / mol quando FADH2 doa elétrons.

Introdução ao redox, fosforilação oxidativa e cadeias de transporte de elétrons

Em um módulo anterior (Lucrando com Redox), discutimos o conceito geral de reações redox em biologia e introduzimos a Torre de Elétrons, uma ferramenta para ajudá-lo a entender a química redox e estimar a direção e magnitude das diferenças de energia potencial para vários pares redox. Em módulos anteriores, fosforilação e fermentação em nível de substrato foram discutidos e vimos como reações redox exergônicas poderiam ser diretamente acopladas por enzimas à síntese endergônica de ATP. Esses processos são hipotetizados como uma das formas mais antigas de produção de energia usada pelas células. Nesta seção, discutimos o próximo avanço evolutivo no metabolismo da energia celular, fosforilação oxidativa de ADP para formar ATP. Em primeiro lugar, a fosforilação oxidativa não necessariamente implica o uso de oxigênio como o aceitador de elétrons terminais. A fosforilação oxidativa evoluiu antes de O2 estava disponível e continuou a evoluir desde então. Como "aeróbios obrigatórios" (organismos que não podem viver sem O2) nós próprios só podemos usar O2 como o aceitador do terminal. Alguns organismos são muito mais flexíveis, metabolicamente, e outros (anaeróbios obrigatórios) não podem usar O2 em absoluto. O processo de geração de ATP a partir do ADP é chamado de fosforilação oxidativa (vs. a fosforilação do nível de substrato vista anteriormente, na glicólise e no ciclo do ácido cítrico) porque depende de reações redox para gerar uma potencial transmembrana que pode então ser usado pela célula para adicionar um grupo fosfato ao ADP (ou para fazer outros tipos de trabalho). Se você pensar bem, esses não são os nomes mais adequados, pois as reações redox ocorrem na glicólise e também no ciclo do ácido cítrico.

Um rápido resumo das cadeias de transporte de elétrons

A ETC começa com a doação de elétrons do NADH, FADH2 ou outros compostos reduzidos a um primeiro aceitador na cadeia. O elétron se move através de uma série de transportadores de elétrons, portadores (principalmente proteínas) que sofrem uma série de reações redox. A energia livre transferida dessas reações redox exergônicas é, em algumas etapas, acoplada ao movimento endergônico dos prótons através de uma membrana. Como a membrana é uma barreira eficaz para os íons, esse bombeamento resulta em um acúmulo desigual de prótons através da membrana. Isso, por sua vez, "polariza" ou "carrega" a membrana, com uma rede positiva (prótons) de um lado da membrana e uma carga negativa do outro lado da membrana. A separação de cargas cria um potencial elétrico. Além disso, o acúmulo de prótons também causa um gradiente de pH conhecido como químico potencial através da membrana (os prótons estão sendo bombeados de uma concentração baixa para uma [H+] ambiente). Juntos, esses dois gradientes (elétricos e químicos) são chamados de gradiente eletroquímico. O -∆G dos elétrons se movendo para baixo no ETC é coletado na forma desse gradiente.

Revisão: A Torre de Elétrons

Uma vez que a química redox é tão central para o tópico, começamos com uma rápida revisão da tabela de potenciais de redução - às vezes chamada de "torre redox" ou "torre de elétrons". Você pode ouvir seus instrutores usarem esses termos de forma intercambiável. Como discutimos nos módulos anteriores, todos os tipos de compostos podem participar de reações redox biológicas. Entender todas essas informações e classificar os pares redox em potencial pode ser confuso. Uma ferramenta foi desenvolvida para classificar semi-reações redox com base em seus potenciais de redução ou E0' valores. Se um determinado composto pode atuar como um doador de elétrons (redutor) ou aceitador de elétrons (oxidante) depende de qual outro composto está interagindo. A torre redox classifica uma variedade de compostos comuns (suas meias reações) da maioria dos E negativos0', compostos que prontamente se livrar dos elétrons, para o E mais positivo0', compostos mais propenso a aceitar elétrons. A torre organiza essas meias reações com base na capacidade dos fundos comuns de aceitar elétrons. Em muitas torres redox, cada meia reação é escrita por convenção com a forma oxidada à esquerda seguida da forma reduzida à direita. As duas formas podem ser separadas por uma barra, por exemplo, a meia reação para a redução de NAD+ para NADH está escrito: NAD+/ NADH (2e-), ou por colunas separadas. Uma torre de elétrons é mostrada abaixo.

Uma "torre redox" biológica comum. Oriente-se encontrando o aceptor de elétrons mais forte (= agente oxidante mais forte). Espero que seja familiar para você.

Observação

Use a torre redox acima como um guia de referência para orientá-lo quanto ao potencial de redução dos vários compostos. As reações redox podem ser exergônicas ou endergônicas, dependendo dos potenciais redox relativos do doador e do aceitador (representados por duas meias reações diferentes na torre). Lembre-se também de que há muitas maneiras diferentes de ver isso conceitualmente; este tipo de torre redox é apenas uma maneira.

Observação: Os atalhos de idioma reaparecem

Na tabela redox acima, algumas entradas parecem ter sido escritas de maneiras não convencionais. Por exemplo, citocromo cboi / vermelho. Parece haver apenas um formulário listado. Porque? Este é outro exemplo de atalho de idioma (provavelmente empregado para caber na coluna) que pode ser confuso. A notação acima pode ser reescrita como Citocromo cboi/ Citocromo cvermelho para indicar que a proteína do citocromo c pode existir em um estado oxidado (citocromo cboi ) ou estado reduzido (Citocromo cvermelho).

Analise o vídeo da Redox Tower

Para um breve vídeo sobre como usar a torre redox em problemas de redox, clique aqui. Este vídeo foi feito pelo Dr. Easlon para alunos da Bis2A.

Usando a torre redox: uma ferramenta para ajudar a entender as cadeias de transporte de elétrons

Por convenção, as meias-reações da torre são escritas com a forma oxidada do composto à esquerda e a forma reduzida à direita. Observe que compostos como glicose e gás hidrogênio são excelentes doadores de elétrons e têm potenciais de redução muito baixos.0'. Compostos, como oxigênio e nitrito, cujas meias reações têm potenciais de redução positiva relativamente altos (E0') geralmente são bons aceitadores de elétrons e são encontrados na extremidade oposta da tabela.

Exemplo: Menaquinona

Vejamos a menaquinonaboi / vermelho. Este composto fica no meio da torre redox com uma meia-reação E0' valor de -0,074 eV. Menaquinonaboi pode aceitar espontaneamente (ΔG <0) elétrons de formas reduzidas de compostos com meia-reação E inferior0'. Essas transferências formam menaquinonavermelho e a forma oxidada do doador de elétrons original. Na tabela acima, exemplos de compostos que poderiam atuar como doadores de elétrons para menaquinona incluem FADH2, um E0' valor de -0,22, ou NADH, com um E0' valor de -0,32 eV. Lembre-se de que as formas reduzidas estão no lado direito do par vermelho / boi.

Uma vez que a menaquinona foi reduzida a menaquinona (vermelha), ela agora pode espontaneamente (ΔG <0) doar elétrons para qualquer composto com uma meia-reação E maior0' valor. Possíveis aceitadores de elétrons incluem citocromo bboi com um E0' valor de 0,035 eV; ou ubiquinonaboi com um E0' de 0,11 eV. Lembre-se de que as formas oxidadas ficam do lado esquerdo da meia reação.

Cadeias de transporte de elétrons

Um cadeia de transporte de elétrons, ou ETC, é composto por um grupo de complexos de proteínas dentro e ao redor de uma membrana que ajudam a acoplar energeticamente uma série de reações redox exergônicas / espontâneas ao bombeamento endergônico de prótons através da membrana para gerar um gradiente eletroquímico. Este gradiente eletroquímico cria um potencial de energia livre que é denominado um força motriz de prótons cujo fluxo exergônico energeticamente "descendente" pode mais tarde ser acoplado a uma variedade de processos celulares.

Visão geral da ETC

Etapa 1. Os elétrons entram no ETC de um doador de elétrons, como NADH ou FADH2 que são gerados durante uma variedade de reações catabólicas, incluindo aquelas associadas à oxidação da glicose. Dependendo da complexidade (número e tipos de portadores de elétrons) do ETC sendo usado por um organismo, os elétrons podem entrar em uma variedade de lugares na cadeia de transporte de elétrons - isso depende dos respectivos potenciais de redução dos doadores e aceitadores de elétrons propostos. Em alguns organismos metabolicamente flexíveis, a cadeia também pode terminar em uma variedade de aceptores de elétrons externos.

Etapa 2. Após a primeira reação redox, o doador de elétrons inicial ficará oxidado e o aceptor de elétrons será reduzido. A diferença no potencial redox entre o aceitador de elétrons e um doador está relacionada a ΔG pela relação ΔG = -nFΔE, onde n = o número de elétrons transferidos e F = constante de Faraday. Quanto maior for um ΔE positivo, mais exergônica será a reação.

Etapa 3. Se energia suficiente for transferida durante uma etapa de redox exergônica, o portador de elétrons pode acoplar essa mudança negativa na energia livre ao processo endergônico de transporte de um próton de um lado para o outro da membrana.

Etapa 4. Após várias transferências redox, o elétron é entregue a uma molécula conhecida como aceptor de elétron terminal. No caso dos humanos, o aceptor terminal de elétrons é o oxigênio. No entanto, existem muitos, muitos, muitos outros aceitadores de elétrons possíveis, veja abaixo.

Observação

Os elétrons que entram no ETC não precisam vir do NADH ou FADH2. Muitos outros compostos podem servir como doadores de elétrons, os únicos requisitos são que exista uma enzima que possa oxidar o doador de elétrons e então reduzir outro composto e que o E0'seja positivo (por exemplo, ΔG <0). Mesmo pequenas quantidades de transferências de energia gratuitas podem aumentar. Por exemplo, existem bactérias que usam H2 como um doador de elétrons. Isso não é muito difícil de acreditar porque a meia reação 2H+ + 2 e-/ H2 tem um potencial de redução (E0') de -0,42 V. Se esses elétrons forem eventualmente entregues ao oxigênio, então o ΔE0'da reação é 1,24 V que corresponde a um grande ΔG negativo (-ΔG). Alternativamente, existem algumas bactérias que podem oxidar o ferro, Fe2+ em pH 7 para Fe3+ com um potencial de redução (E0') de + 0,2 V. Essas bactérias usam oxigênio como seu aceptor de elétrons terminal e, neste caso, o ΔE0'da reação é de aproximadamente 0,62 V. Isso ainda produz um -ΔG. O resultado final é que dependendo do doador e aceitador de elétrons que o organismo usa, pouca ou muita energia (por elétron) pode ser transferida e usada pela célula à medida que os elétrons são doados para a cadeia de transporte de elétrons.

Como você calcula ∆E? É muito simples usar a tabela redox - procure o estado final (em V) do elétron (digamos, água, da redução de O2) e subtraia o estado inicial (digamos, como glicose). Usando este gráfico, seu cálculo ∆E seria 0,82 - (- 0,43) = 1,25 volts. Você não precisa se preocupar (ainda) com o número de elétrons, já que ∆ volts tem unidades de ∆ unidade de energia / unidade de carga (por exemplo, Joules por Coulomb).

Quais são os complexos da ETC?

ETCs são constituídos por uma série (ou pelo menos uma) de proteínas redox associadas à membrana ou (algumas são integrais) complexos de proteínas (complexo = mais de uma proteína organizada em uma estrutura quaternária) que movem elétrons de uma fonte doadora, como NADH , a um aceptor de elétron terminal final, como o oxigênio. Este par particular doador / aceitador terminal é o principal usado na mitocôndria humana. Cada transferência de elétrons no ETC requer um substrato reduzido como um doador de elétrons e um substrato oxidado como o aceitador de elétrons. Na maioria dos casos, o aceitador de elétrons é um membro do complexo enzimático. Uma vez que o complexo é reduzido, o complexo pode servir como um doador de elétrons para a próxima reação.

Como os complexos ETC transferem elétrons?

Como mencionado anteriormente, o ETC é composto de uma série de complexos de proteínas que sofrem uma série de reações redox ligadas. Esses complexos são, na verdade, complexos enzimáticos multiproteicos denominados oxidorredutases: as enzimas realizam tanto a oxidação (da etapa da cadeia "acima" delas, energicamente) quanto a redução (do complexo do complexo na cadeia abaixo delas) ou redutases (novamente, apesar do fato de que a enzima oxida um doador de elétrons e passa esse elétron para um aceptor de elétrons). A única exceção a essa convenção de nomenclatura é o complexo terminal na respiração aeróbica que usa o oxigênio molecular como o aceitador de elétrons terminais. Esse complexo enzimático é conhecido como um oxidase (embora oxide e reduza algo). As reações redox dentro desses complexos são normalmente realizadas por um componente não-proteico denominado grupo protético. Isso é verdade para todos os portadores de elétrons, com exceção das quinonas, que são uma classe de lipídios que podem ser diretamente reduzidos ou oxidados pelas oxidorredutases. Neste caso, tanto o Quinonevermelho e o quinoneboi é solúvel dentro da membrana e pode passar de complexo em complexo. Os grupos protéticos estão diretamente envolvidos nas reações redox catalisadas por suas oxidorredutases associadas. Em geral, esses grupos protéticos podem ser divididos em dois tipos gerais: aqueles que carregam elétrons e prótons e aqueles que carregam apenas elétrons.

Pergunta:

Se a reação redox é realizada por um "grupo protético" não proteico (ver lista abaixo) - por que se preocupar com a parte proteica do complexo?

Os portadores de elétrons e prótons na ETC

  • Flavoproteínas (Fp), essas proteínas contêm um grupo protético orgânico chamado de flavina, que é a porção real que sofre a reação de oxidação / redução. FADH2 é um exemplo de um Fp.
  • Quinones, são uma família de lipídios, o que significa que são solúveis dentro da membrana.
  • NADH e NADPH são elétrons (2e-) e prótons (2 H+) operadoras, é claro. O FADH2 sabemos que o ciclo do ácido cítrico está realmente ligado à enzima succinato desidrogenase.
  • Citocromos são proteínas que contêm um grupo protético heme. O Heme é capaz de transportar um único elétron.
  • Proteínas ferro-enxofre contêm aglomerados de ferro-enxofre não heme que podem transportar um elétron. O grupo protético é frequentemente abreviado como Fe-S

Respiração aeróbica versus anaeróbia

No mundo em que vivemos, a maioria dos organismos que vemos ao nosso redor respiram ar, que é aproximadamente 20% de oxigênio. Oxigênio é nosso aceitador de elétron terminal. Chamamos esse processo de respiração, especificamente respiração aeróbica. Nós inspiramos oxigênio, ele se difunde em nossas células e mitocôndrias, onde é usado como o aceptor final de elétrons de nossas cadeias de transporte de elétrons. Isso é respiração aeróbica: o processo de usar o oxigênio como um aceptor terminal de elétrons em uma cadeia de transporte de elétrons.

Embora possamos usar o oxigênio como o aceptor terminal de elétrons para nossas cadeias respiratórias, o processo mais geral de respiração evoluiu em uma época em que o oxigênio não era o principal componente da atmosfera. Respiração ou fosforilação oxidativa não requer oxigênio em absoluto; ele simplesmente requer um composto com um alto potencial de redução para atuar como um aceptor de elétron terminal. Muitos organismos podem usar uma variedade de compostos, incluindo nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), mesmo ferro (Fe+++) como aceitadores de elétrons terminais. Quando o oxigênio é NÃO o receptor de elétrons do terminal, o processo é referido como respiração anaeróbica. A capacidade dos organismos de variar seu aceptor terminal de elétrons fornece flexibilidade metabólica e pode garantir uma melhor sobrevivência se qualquer aceptor terminal tiver um suprimento limitado. Pense nisso: na ausência de oxigênio, morremos; mas um organismo que pode usar um aceptor terminal de elétrons diferente pode sobreviver.

Pergunta: Qual é a diferença entre respiração anaeróbica e fermentação?

Aqui está um vídeo divertido em que um jovem simpático NÃO COMPLETAMENTE ENTENDE o que é respiração anaeróbica, mas nos ensina sobre a fermentação. Cuidado com a internet! Eu diria "você obtém o que paga", mas este é realmente um site pelo qual você tem que pagar!

Um exemplo genérico de uma ETC simples e complexa

A figura abaixo mostra uma cadeia de transporte de elétrons genérica, composta de dois complexos de membrana integral; Complexo Iboi e Complexo IIboi. Um doador de elétrons reduzido, designado DH (como NADH ou FADH2) reduz o Complexo Iboi dando origem à forma D oxidada (como NAD+ ou FAD). Simultaneamente, um grupo protético dentro do complexo I agora é reduzido (aceita os elétrons). Neste exemplo, a reação redox é exergônica e a diferença de energia livre é acoplada pelas enzimas no Complexo I à translocação endergônica de um próton de um lado da membrana para o outro. O resultado líquido é que uma superfície da membrana torna-se mais carregada negativamente, devido a um excesso de íons hidroxila (OH-) e o outro lado fica carregado positivamente devido a um aumento nos prótons no outro lado. Complexo Ivermelho agora pode reduzir o grupo protético no Complexo IIvermelho ao mesmo tempo em que se torna oxidado pelo Complexo IIboi. Os elétrons passam do Complexo I para o Complexo II por meio de reações redox termodinamicamente espontâneas, regenerando o Complexo Iboi que pode repetir o processo anterior. Complexo IIvermelho reduz A, o receptor de elétrons do terminal para regenerar o Complexo IIboi e criar a forma reduzida do aceitador de elétron terminal. Nesse caso, o Complexo II também pode translocar um próton durante o processo. Se A for oxigênio molecular, água (AH) será produzida. Quando A é oxigênio, o esquema de reação seria considerado um modelo de ETC aeróbia. No entanto, se A for nitrato, NÃO3- então nitrito, NÃO2- é produzido (AH) e este seria um exemplo de um umaeróbio ETC.

Cadeia de transporte de elétrons complexo genérico 2. Na figura, DH é o doador de elétrons (doador reduzido) e D é o doador oxidado. A é o aceptor de elétrons terminal oxidado e AH é o produto final, a forma reduzida do aceptor. Como DH é oxidado a D, os prótons são translocados através da membrana, deixando um excesso de íons hidroxila (carregados negativamente) em um lado da membrana e prótons (carregados positivamente) no outro lado da membrana. A mesma reação ocorre no Complexo II quando o receptor de elétrons terminal é reduzido a AH.

Exercício 1

Questão de pensamento

Com base na figura acima e usando uma torre de elétrons, qual é a diferença no potencial elétrico se (A) DH é NADH e A é O2 e (B) DH é NADH e A é NO3-. Quais pares (A ou B) fornecem a maior quantidade de energia utilizável?

No exemplo de nitrato x nitrito acima, tanto a forma oxidada quanto a forma reduzida têm uma carga de menos 1. Então ... como saber qual forma é mais oxidada?

A figura acima tem um problema - mostra um elétron flutuando dentro da membrana. Isso não aconteceria - a membrana não é um "fio", é um "isolante". Você pode desenhar sua própria versão corrigida.

Visão detalhada da respiração aeróbica

A mitocôndria eucariótica desenvolveu uma ETC muito eficiente. Existem quatro complexos compostos por várias proteínas e seus grupos protéticos. Esses complexos rotulados de I a IV descritos na figura abaixo. A agregação desses quatro complexos, junto com portadores de elétrons acessórios móveis associados, forma a cadeia de transporte de elétrons. Este tipo de cadeia de transporte de elétrons está presente em múltiplas cópias na membrana mitocondrial interna dos eucariotos.

A cadeia de transporte de elétrons é uma série de transportadores de elétrons embutidos na membrana mitocondrial interna que transporta elétrons do NADH e FADH2 ao oxigênio molecular. No processo, os prótons são bombeados da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar e o oxigênio é reduzido para formar água.

Complexo I

Para começar, dois elétrons são transportados para o primeiro complexo a bordo do NADH. Este complexo, denominado I, é composto de mononucleotídeo de flavina (FMN) e uma proteína contendo ferro-enxofre (Fe-S). FMN, que é derivado da vitamina B2, também chamada de riboflavina, é um dos vários grupos protéticos ou cofatores na cadeia de transporte de elétrons. Esses grupos protéticos (molécula não proteica necessária para a atividade de uma proteína) são moléculas não peptídicas orgânicas ou inorgânicas ligadas a uma proteína, covalentemente ou não covalentemente; grupos protéticos incluem coenzimas, que são os grupos protéticos de enzimas. A enzima no complexo I é a NADH desidrogenase (também conhecida como NADH Q redutase) e é uma proteína muito grande, contendo cadeias de 45 aminoácidos. O complexo I pode bombear quatro íons de hidrogênio através da membrana da matriz para o espaço intermembranar, e é dessa maneira que o gradiente de íons de hidrogênio é estabelecido e mantido entre dois compartimentos aquosos separados pela membrana mitocondrial interna.

Q e Complexo II

Complexo II recebe FADH diretamente2, FADH2Os elétrons de não passam pelo complexo I. O composto que conecta o primeiro e o segundo complexos ao terceiro é a ubiquinona (Q). A molécula Q é solúvel em lipídios e se move livremente através do núcleo hidrofóbico da membrana. Uma vez que é reduzido, (QH2), a ubiquinona entrega seus elétrons ao próximo complexo na cadeia de transporte de elétrons. Q recebe os elétrons derivados do NADH do complexo I e os elétrons derivados do FADH2 do complexo II, incluindo succinato desidrogenase. Esta enzima e FADH2 formam um pequeno complexo que entrega elétrons diretamente para a cadeia de transporte de elétrons, contornando o primeiro complexo. Uma vez que esses elétrons desviam e, portanto, não energizam a bomba de prótons no primeiro complexo, menos moléculas de ATP são feitas a partir do FADH2 elétrons. Como veremos na seção seguinte, o número de moléculas de ATP finalmente obtidas é proporcional ao número de prótons bombeados através da membrana mitocondrial interna.

Complexo III

Há muito redox acontecendo nesta foto. Qual é o doador upstream de elétrons entrando no Complexo III? Qual complexo / molécula o Complexo III reduz?

O terceiro complexo é composto de proteínas que carregam vários grupos protéticos: um citocromo do tipo B, um citocromo do tipo C e um cluster Ferro-enxofre; este complexo é chamado de citocromo ac1 complexo. As proteínas citocromo (= "pigmento celular") têm um grupo protético que inclui um metal ligado por heme. A molécula heme é semelhante ao heme na hemoglobina, mas carrega elétrons, não oxigênio. Como resultado, o íon de ferro em seu núcleo é reduzido e oxidado à medida que passa os elétrons, flutuando entre diferentes estados de oxidação: Fe++ (reduzido) e Fe+++ (oxidado). As moléculas de heme nos citocromos têm características ligeiramente diferentes devido aos efeitos das diferentes proteínas que as ligam, dando características ligeiramente diferentes a cada complexo. O complexo III bombeia prótons através da membrana e passa seus elétrons para o citocromo c para o transporte para o quarto complexo de proteínas e enzimas (o citocromo c é o aceitador de elétrons de Q; no entanto, enquanto Q carrega pares de elétrons, o citocromo c pode aceitar apenas um de uma vez).

Citocromo C

o complexo de citocromo, ou cyt c é uma pequena hemeproteína encontrada fracamente associada à membrana interna da mitocôndria. Pertence à família de proteínas do citocromo c. O citocromo c é um componente essencial da cadeia de transporte de elétrons, onde carrega um elétron. É capaz de sofrer oxidação e redução à medida que seu átomo de ferro se converte entre as formas ferrosa e férrica, mas não se liga ao oxigênio. Ele transfere elétrons entre os Complexos III (Coenzima Q - Cyt C redutase) e IV (Cyt C oxidase).

Complexo IV, citocromo C oxidase

Este complexo contém dois grupos heme (um em cada um dos dois citocromos, a e a3) e três íons de cobre (um par de CuA e um CuB no citocromo a3). Os citocromos mantêm uma molécula de oxigênio muito apertada entre os íons de ferro e cobre até que o oxigênio seja completamente reduzido (o doador, o citocromo C, pode fornecer apenas um elétron por vez). O oxigênio reduzido então pega dois íons de hidrogênio do meio circundante para fazer água (H2O). A remoção dos íons de hidrogênio do sistema contribui para o gradiente de íons usado no processo de fosforilação oxidativa (além de fornecer o -∆G necessário para conduzir outros processos endergônicos).

Aqui está um vídeo muito bom que inclui a cadeia de transporte de elétrons - acho que é muito útil, dê uma olhada! Começa com ATP sintase, que ainda não discutimos, mas tudo bem, vai explicar por que a célula está construindo aquele gradiente de prótons!

Eu tenho um problema com esta animação: não há realmente nenhuma discussão sobre como funciona o bombeamento de prótons - a discussão é extremamente vaga - alguém pode até mesmo sair com a noção de que um gás se forma dentro do domínio-matriz da NADH desidrogenase (complexo I). Na verdade, a bomba de prótons do complexo I está totalmente embutida na membrana e não é ilustrada aqui. Presumivelmente, isso ocorre porque o mecanismo de bombeamento é um assunto de debate. Para os fins desta aula, você simplesmente precisa saber - conforme mencionado no vídeo - que a formação endergônica de um gradiente de prótons é alimentada pelas reações redox exergônicas. Na NADH desirogenase, isso inclui a oxidação do NADH por uma flavina dentro da enzima, algumas transferências internas de elétrons dentro da enzima e, a seguir, a transferência do elétron para uma quinona solúvel na membrana (coenzima Q), para formar um quinol. Cada uma dessas transferências de 2 elétrons é ilustrada abaixo, com as moléculas oxidadas mostradas primeiro.

Pergunta:

A NADH desirodrogenase pode reduzir o NAD+ bem como oxidar NADH? Em que circunstâncias isso pode acontecer?

Quimiosmose

A energia livre da série de reações redox que acabamos de descrever é usada para bombear íons de hidrogênio (prótons) através da membrana, resultando em uma concentração de prótons em um lado da membrana. A distribuição desigual de H+ íons através da membrana estabelecem concentração e gradientes elétricos (assim, um gradiente "eletroquímico"), devido à carga positiva dos íons de hidrogênio e sua agregação em um lado da membrana.

Se a membrana fosse aberta para difusão pelos íons de hidrogênio, os íons tenderiam a se difundir de volta para a matriz, impulsionados por seu gradiente eletroquímico. Muitos íons não podem se difundir através das regiões apolares das membranas fosfolipídicas sem o auxílio de canais iônicos. Da mesma forma, os íons de hidrogênio no espaço da matriz só podem passar através da membrana mitocondrial interna por meio de uma proteína de membrana integral chamada ATP sintase (representada abaixo e ilustrada no vídeo recomendado acima). Este complexo atua como um minúsculo gerador, movido pelos prótons que se movem em seu gradiente eletroquímico. O movimento desta máquina molecular serve para diminuir a energia de ativação da reação ADP + Pi -> ATP e acoplar a transferência exergônica de energia associada ao movimento dos prótons por seu gradiente eletroquímico para a adição endergônica de um fosfato ao ADP, formando ATP.

A ATP sintase é uma máquina molecular complexa que usa um próton (H+) gradiente para formar ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). (Crédito: modificação da obra de Klaus Hoffmeier). Se você já teve um pouco de O-chem e gostaria de se aprofundar um pouco mais no mecanismo pelo qual a flexão mecânica desse complexo promove a formação de ATP, confira este vídeo.

Discussão sugerida

Dinitrofenol (DNP) é um pequeno produto químico que faz a membrana vazar para os prótons. Às vezes é usado como medicamento para perder peso e pode ter consequências letais. Que efeito você esperaria que o DNP tivesse na diferença de pH em ambos os lados da membrana mitocondrial interna? Por que você acha que esta pode ser uma droga eficaz para perder peso? Por que pode ser perigoso?

Em nossas células, a quimiosmose é usada para gerar 90% do ATP produzido durante o catabolismo aeróbio da glicose; é também o método usado nas reações de luz da fotossíntese para aproveitar a energia da luz solar no processo de fotofosforilação (vs. fosforilação oxidativa via ATPase da mitocôndria). O resultado geral dessas reações é a produção de ATP a partir da energia dos elétrons removidos dos átomos de hidrogênio. Esses átomos eram originalmente parte de uma molécula de glicose. No final do caminho, os elétrons são usados ​​para reduzir uma molécula de oxigênio a água.

Vídeo superútil:

Na fosforilação oxidativa, o gradiente de pH formado pela cadeia de transporte de elétrons é usado pela ATP sintase para formar ATP em uma bactéria Gram.

Discussão sugerida

O cianeto inibe a citocromo C oxidase, um componente da cadeia de transporte de elétrons. Se ocorrer envenenamento por cianeto, você esperaria que a concentração de prótons no espaço intermembranar aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?


AP Sample 6 Lab 5 & # 8211 Cellular Respiration

A respiração celular é a liberação de energia de compostos orgânicos por oxidação química metabólica nas mitocôndrias dentro de cada célula. Reações mediadas por enzimas são necessárias. A equação para a respiração celular é:

C6H12O6 + 6 O2 à 6 CO2 + 6 H2O + 686 quilocalorias de energia / mol de glicose oxidada

Várias medidas diferentes podem ser tomadas a partir desta equação. O consumo de oxigênio, que dirá quantos moles de oxigênio são consumidos durante a respiração celular. Isso é o que foi medido neste laboratório. A produção de CO2 também pode ser medida. E, claro, a liberação de energia pode ser medida. A respiração celular é uma via catabólica e as mitocôndrias abrigam a maior parte do equipamento metabólico para a respiração celular. Ele vai quebrar a glicose no que chamamos de reação exergônica. Como dito anteriormente, o consumo de moléculas de oxigênio será medido na forma de gás. É preciso conhecer as leis físicas dos gases ao trabalhar com eles. As leis são resumidas pela seguinte equação.

P representa a pressão do gás

V é o volume do gás

n é o número de moléculas de gás

R é a constante do gás (valor fixo)

T é a temperatura do gás (em K °)

O CO2 produzido durante a respiração celular será removido por hidróxido de potássio (KOH) e formará um carbonato de potássio sólido (K2CO3) quando ocorrer a seguinte reação: CO2 + 2 KOH à K2CO3 + H2O

Uma vez que o CO2 é removido, a mudança no volume de gás no respirômetro estará diretamente relacionada à quantidade de oxigênio consumido. Se a temperatura e o volume da água permanecerem constantes, a água se moverá em direção à região de menor pressão. Durante a respiração, o oxigênio será consumido e seu volume será reduzido porque o CO2 está sendo convertido em um sólido. O resultado líquido é uma diminuição no volume de gás no tubo e uma diminuição na pressão do tubo. O frasco com esferas detectará quaisquer alterações atmosféricas.

Várias coisas diferentes afetarão a taxa de consumo de O2. As ervilhas que não germinam terão uma taxa mais baixa do que as que germinam e o frio da água diminuirá as taxas.

Os materiais usados ​​para este laboratório foram: um cilindro graduado de 100 mL, 6 frascos, ervilhas em germinação, ervilhas secas, contas de vidro, 2 banhos de água, algodão absorvente e algodão não absorvente, pesos, KOH, água, rolhas, pipetas, elásticos, fita adesiva, cola, termômetro, gelo, lápis e papel.

Configure um banho de água a 25 ° C e a 10 ° C. O gelo pode ser usado para obter 10 ° C.

Respirômetro 1: Obtenha um cilindro graduado de 100 mL e encha-o com 50 mL de H2O.

Coloque 25 ervilhas em germinação. Determine a quantidade de água deslocada. Volume de ervilha = 11 mL. Retire as ervilhas e coloque sobre papel-toalha.

Respirômetro 2: encher o cilindro com 50 mL de H2O. Coloque 25 ervilhas secas no cilindro. Adicione contas de vidro para obter o mesmo volume obtido no respirômetro 1. Remova as ervilhas e as contas para uma toalha de papel.

Respirômetro 3: Adicione 50 mL de água ao cilindro. Coloque apenas contas para obter um volume equivalente aos primeiros 2 respirômetros. Coloque uma toalha de papel quando terminar. Repita os passos 1 do respirômetro para o respirômetro 4. E 2 para 5. E 3 para 6. Ouça o seu professor sobre como e onde configurar os respirômetros. Agora preencha seus frascos com os itens necessários mostrados na tabela e na figura 5.1. Sele os frascos após os itens serem colocados para impedir qualquer vazamento de gás ou água. Coloque um colar com peso no fundo dos frascos para que fiquem submersos nos banhos de água. Durante o equilíbrio, use fita adesiva fixada em cada lado dos banhos de água para manter os respirômetros fora da água por 7 minutos. Os frascos 1-3 devem estar em banho-maria a 25 ° C e os frascos 4-6 devem estar em banho-maria a 10 ° C. Por fim, submerja totalmente os respirômetros e deixe-os equilibrar por mais 3 minutos. Leia a linha de água onde está o oxigênio e registre em intervalos de 5 minutos até 25 minutos. Registre na tabela 5.1.

Tabela 5.1: Medição do consumo de O2 por sementes de ervilha embebidas e secas à temperatura ambiente e 10 ° C usando métodos volumétricos

Nesta atividade, você está investigando os efeitos da germinação versus não germinação e da temperatura quente versus temperatura fria na frequência respiratória. Identifique a hipótese que está sendo testada nesta atividade.
As ervilhas que não germinam terão uma taxa de respiração mais lenta do que as ervilhas que germinam e o frio da água diminuirá a taxa à medida que fica mais frio.

Esta atividade usa vários controles. Identifique pelo menos três dos controles e descreva a finalidade de cada um.
Os três controles são os grânulos em um frasco controlando a pressão barométrica, o KOH mantém a igualdade no consumo de CO2 e os intervalos de tempo dão a cada frasco a mesma quantidade de tempo para que os resultados não sejam afetados.

Descreva e explique a relação entre a quantidade de oxigênio consumido e o tempo.
A relação era bastante constante, pode ter havido um aumento gradual no consumo de O2.

Por que é necessário corrigir as leituras das ervilhas com as leituras das contas?
As contas eram apenas um controle, não experimentando nenhuma mudança de gás.

Explique os efeitos da germinação (versus não germinação) na respiração das sementes de ervilha.
As sementes em germinação apresentaram maior taxa metabólica e, portanto, consumiram mais oxigênio do que as não germinantes.

Acima está um gráfico de amostra de possíveis dados obtidos para o consumo de oxigênio pela germinação de ervilhas até cerca de 8 oC. Desenhe nos resultados previstos até 45 oC. Explique sua previsão.
Assim que a temperatura ficar acima de 30 graus C, as enzimas se desnaturarão e isso será o fim da respiração.

Qual é o propósito do KOH neste experimento?
O KOH pegará o CO2 e o transformará em um precipitante no fundo do frasco e isso não afetará as leituras de O2.

Por que o frasco para injetáveis ​​deve ser completamente selado sob a rolha?
O frasco tinha que ser selado ou o gás vazaria e a água poderia vazar e afetar os resultados.

Se você usasse o mesmo desenho experimental para comparar as taxas de respiração de um mamífero de 35g a 10 oC, quais resultados você esperaria? Explique seu raciocínio.
A respiração seria mais alta no mamífero porque eles têm sangue quente.

Se a respiração em um pequeno mamífero fosse estudada em temperatura ambiente (21 oC) e 10 oC, quais resultados você preveria? Explique seu raciocínio.
A taxa de respiração seria mais alta no banho de 21 graus porque o mamífero teria um desempenho melhor quando seu corpo estivesse mais confortável.

Explique por que a água entrou nas pipetas do respirômetro.
A água se moveu no frasco porque estava totalmente submerso na água, mas parou quando encontrou o oxigênio que saía do frasco.

14. Projete um experimento para examinar as taxas de respiração celular em ervilhas que estiveram germinando por 0, 24, 48 e 72 horas. Que resultados você espera? Porque?
Você pode colocar ervilhas em frascos de um intervalo de tempo acima. Você teria um frasco com ervilhas recém-iniciadas, um com ervilhas com germinação de 24 horas, outro com ervilhas de 48 horas e o último com ervilhas de 72 horas. Coloque-os em uma banheira de água temperada. Faça leituras em intervalos de 5 a 20 minutos. As ervilhas de 72 horas deveriam consumir mais O2 porque usarão mais oxigênio porque estão germinando há mais tempo. The just started germinating peas would use the least O2 because they haven’t been germinating vary long. The other two will be in the middle of the “just started peas” and the 󈬸 hour peas”.

Many errors could have been made in this lab. There could have been miscalculations when trying to equal the pea volumes. The stoppers might not have been sealed and gas could have been lost from the vials affecting the results with vengeance. The water temperatures had to be maintained precisely or the results would not be what they should be. There was also a lot of math in this lab when figuring results and many numbers could have been affected by this poor math.

This lab showed many things about thew rates of cellular respiration. This lab showed that germinating peas consume more O2 than nongerminating peas. The colder temperature also slowed the rate of oxygen consumption. The oxygen could be clearly seen because of the following reaction

This reaction gets rid of the CO2 so that it would not affect the readings of oxygen. It is absorbed by KOH to give you a precipitant K2CO3 + H2O. I conclude that the rate of O2 consumption is directly proportional to the respiration rate in that when the rate increases the gas consumption increases. When the gas consumption is low then the rate is low. Organisms go through cellular respiration more proficiently when the body of the organism is comfortable with its outside temp and environment. This lab showed many things affecting the rate of cellular respiration.


Investigation – Cellular Respiration Virtual Lab

Students in AP Biology investigate cellular respiration by placing peas or other living organisms in respirometers. After submerging the devices, students then measure the rate or respiration by collecting data on water movement in the pipets.

I have set this lab up for many years, and it can be expensive and time consuming. My class periods are only 50 minutes, so I would go over the AP Biology Respiration Lab and set it up the first day, then collect data on the second day. This is actually not ideal because changes can occur in the respirometer overnight.

This virtual version takes less time and money. Students can change variables in the simulator, like the number of seeds and the temperature of the chamber. They read the respirometer after two minutes and record how much the water in the tube has increased. The faster the rate of respiration, the more displacement of the water in the tube. This occurs due to the oxygen being consumed during the process.

The worksheet is set up as a CER (claim, evidence, reasoning) and provides minimal instructions on how to solve the experimental questions. I wouldn’t technically call it an “inquiry lab,” but it does give students the opportunity to explore variables.

Students can complete the worksheet either as a handout or online. You can even have students use Google sheets to graph the data, though it’s not necessary. They can fairly easily note trends in data without a graph. I usually place respiration directly after the unit on cells where students learn about organelles and their jobs. You could also pair this activity with a unit on photosynthesis because they are examining how seeds use oxygen.


Assista o vídeo: sistema respiratório (Novembro 2021).