Em formação

Confusão eletroquímica e de gradiente de concentração


Estou aprendendo o transporte por membrana e aprendi que existem 2 gradientes que determinam o transporte ativo e passivo.

Se a concentração de um cátion é mais alto no lado do citoplasma (portanto, os íons devem fluir para fora da célula passivamente), mas há um potencial eletroquímico mais alto no lado extracelular (portanto, os íons devem fluir para dentro da célula), de qual lado esse íon deve fluir se houver apenas transporte passivo?

Eu sei que existe a equação de Nernst para o potencial eletroquímico, mas gostaria de perguntar se existem equações para calcular o potencial causado pelo gradiente de concentração. Uma vez que meu pensamento é comparar qual tem a maior diferença de potencial e deduzir qual gradiente é dominante, deduzo eventualmente a direção do fluxo passivo líquido daquele íon.

Obrigado


Tudo que você precisa é a equação de Nernst e a voltagem através da membrana.

A resposta que você obtém de Nernst é o potencial de equilíbrio para o íon de interesse. Este é o potencial em que a concentração e os gradientes elétricos são exatamente iguais para aquele íon. Se a voltagem através da membrana estiver no potencial Nerst, não haverá fluxo passivo líquido do íon.

Se a voltagem for diferente do potencial de Nernst, o íon se moverá na direção que tenderia a mover a voltagem em direção ao potencial de Nernst. Se o potencial de Nernst é -90 mV, o potencial de membrana é -60 mV, e você tem um íon carregado positivo, o íon tenderá a se mover para fora da célula porque isso é o que o moveria para mais perto de -90 mV.

Você não pode separar os gradientes químicos e elétricos e somá-los nem nada, a maneira específica de combiná-los é dada pela equação de Nernst. A equação de Nernst não é para calcular o potencial elétrico separadamente do gradiente de concentração, é para calcular o resultado combinado de gradientes elétricos e químicos. A maneira de saber para que lado um íon flui é como eu descrevi, não determinando qual é "dominante".


Confusão eletroquímica e de gradiente de concentração - Biologia

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A membrana celular funciona como uma barreira. Manter algumas moléculas e íons presos dentro de uma célula enquanto mantém outros fora. Uma característica dessa divisão de recursos dentro e fora da célula é a manutenção de um gradiente eletroquímico.

Os íons que são críticos para a função celular, incluindo sódio e potássio, são incapazes de se difundir através da membrana dependendo do movimento de canais e transportadores. Em condições normais, geralmente há mais sódio na parte externa da célula do que dentro. Isso cria um gradiente químico ou de concentração em que o sódio fluiria através da membrana celular de fora para dentro, caso recebesse um caminho. Por outro lado, há uma concentração menor de potássio fora da célula e mais potássio dentro. Portanto, seu gradiente químico está em oposição ao gradiente de sódio.

No entanto, a concentração de íons não é o único fator que cria um gradiente através da membrana celular. A separação de íons e moléculas com cargas positivas e negativas também significa que há um gradiente elétrico presente. A prevalência de íons de sódio carregados positivamente fora da célula e a abundância de proteínas carregadas negativamente dentro são dois fatores principais que contribuem para a diferença geral de carga através da membrana.

O transporte ativo usa energia para manter o gradiente eletroquímico através da membrana celular com proteínas de membrana especializadas movendo íons contra seus gradientes eletroquímicos. Sob condições específicas, entretanto, os íons podem se mover com seus gradientes. Gerar energia para processos como o transporte de glicose e fornecer um meio para que células especializadas, como cardíacas, musculares e neurônios, gerem impulsos elétricos.

5.4: O que é um gradiente eletroquímico?

O trifosfato de adenosina, ou ATP, é considerado a principal fonte de energia nas células. No entanto, a energia também pode ser armazenada no gradiente eletroquímico de um íon através da membrana plasmática, que é determinado por dois fatores: seus gradientes químicos e elétricos.

O gradiente químico depende das diferenças na abundância de uma substância no exterior em relação ao interior de uma célula e flui de áreas de alta para baixa concentração de íons. Em contraste, o gradiente elétrico gira em torno de uma carga elétrica íon & rsquos e das cargas gerais dos ambientes intracelular e extracelular.

O gradiente elétrico de um íon carregado positivamente flui de regiões positivas para negativas, enquanto o inverso é verdadeiro para íons carregados negativamente. É a ação combinada desses fatores elétricos e químicos que determinam a direção final de um gradiente eletroquímico. Quando um íon se move ao longo desse caminho, descendo seu gradiente eletroquímico, é liberada energia que pode, então, alimentar diversos processos biológicos.

Ianowski, Juan P. e Michael J. O & rsquoDonnell. & ldquo Gradientes eletroquímicos para Na +, K +, Cl & ndash e H + através da membrana apical em células do túbulo de Malpighi (renal) de Rhodnius Prolixus. & rdquo Journal of Experimental Biology 209, nº 10 (15 de maio de 2006): 1964 e ndash75. [Fonte]


Exemplos de gradientes de concentração

Neurônios e a bomba de sódio / potássio

Os neurônios gastam uma grande quantidade de energia - cerca de 20-25% de todas as calorias do corpo, em humanos - bombeando potássio para dentro de suas células e para fora o sódio. O resultado é uma concentração extremamente alta de potássio dentro das células nervosas e uma concentração muito alta de sódio fora.

Quando as células se comunicam, elas abrem portas iônicas que permitem a passagem de sódio e potássio. As diferenças de concentração de sódio / potássio são tão fortes que os íons “querem” sair instantaneamente da célula. Como os íons são eletricamente carregados, isso na verdade muda a carga elétrica da célula.

Este sinal “eletroquímico” viaja muito mais rápido do que um sinal meramente químico, permitindo-nos perceber, pensar e responder rapidamente.

Problemas que interferem na bomba de sódio / potássio dos neurônios podem causar a morte muito rapidamente, porque o próprio músculo cardíaco depende desses impulsos eletroquímicos para bombear sangue para nos manter vivos.

Isso torna o gradiente de concentração de sódio / potássio nos neurônios, sem dúvida, o gradiente de concentração mais importante para a vida humana!

Bomba Symport de glicose / sódio

A bomba de simporte de glicose-sódio também aproveita o gradiente de sódio / potássio.

Um desafio enfrentado pelas células é mover a glicose - que são grandes e difíceis de mover, em comparação com minúsculos íons de sódio - e que muitas vezes precisam ser movidos contra seu gradiente de concentração.

Para resolver esse problema, algumas células “acoplaram” o movimento da glicose ao movimento do potássio, usando proteínas que permitirão ao sódio descer seu gradiente de concentração - se levar uma molécula de glicose com ele.

Este é apenas mais um exemplo das maneiras pelas quais as células usam as leis básicas da física de maneiras inovadoras para realizar as funções da vida.

Pulmões e guelras

Os exemplos mais comuns de gradientes de concentração envolvem partículas sólidas dissolvidas em água. Mas os gases também podem ter gradientes de concentração.

Os pulmões humanos e as guelras dos peixes usam gradientes de concentração para nos manter vivos. Como o oxigênio segue as regras de gradientes de concentração como qualquer outra substância, ele tende a se difundir de áreas de alta concentração para áreas de baixa concentração. Isso significa que ele se difunde do ar para o nosso sangue pobre em oxigênio.

Os pulmões e as guelras tornam esse processo mais eficiente, fazendo passar rapidamente nosso sangue mais pobre em oxigênio pela superfície dos pulmões e das guelras. Dessa forma, o oxigênio está constantemente se difundindo nas células sanguíneas que mais precisam dele.


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O que acontece com o filtrado na alça de Henle?

O objetivo da alça de Henle é reduzir a quantidade de água no filtrado e assim reduzir a perda de água. O laço é dividido em três áreas principais: o ramo descendente, o ramo ascendente delgado e o ramo ascendente espesso. Primeiro, o filtrado passa pelo ramo descendente onde a água deixa o filtrado e se difunde através das aquaporinas para o fluido do tecido circundante devido à osmose. Isso acontece porque o fluido do tecido circundante contém uma concentração muito alta de cloreto de sódio. O filtrado restante entra no ramo ascendente delgado. O ramo ascendente delgado é impermeável à água, mas permeável aos íons. Devido à alta concentração de íons no filtrado e à baixa concentração deles no fluido do tecido, eles se difundem passivamente para fora do ramo ascendente delgado. No entanto, existem vários íons que são importantes para nós e que não queremos perder. É aqui que entra o ramo ascendente espesso. Esta parte da alça de Henle é, como o ramo ascendente delgado, impermeável à água, mas transporta ativamente os íons de sódio e potássio para o fluido do tecido circundante. Isso produz um gradiente de concentração eletroquímica em que a parte externa é mais positiva do que a parte interna do loop. Como resultado disso, os íons de cloro (que são negativos) deixam passivamente o loop. O ramo ascendente espesso tem uma característica final, tem canais de íons de potássio que permitem que os íons de potássio vazem de volta para o loop. Isso cria um gradiente eletroquímico que faz com que outros íons importantes, como cálcio e magnésio, deixem o ramo ascendente espesso. Em resumo, a alça de Henle é circundada por fluido de tecido que contém uma alta concentração de íons. Isso faz com que a água saia do ramo descendente por osmose. Por causa desse gradiente de concentração, os íons se movem para o loop no ramo ascendente delgado. Os íons importantes (Na +, Cl-, Ca2 + & amp Mg2 +) são então ativamente transportados para fora do filtrado no ramo ascendente espesso para mantê-los no corpo e manter o gradiente de alta concentração que faz com que a água seja removida do filtrado na descida membro.

Em resumo, a alça de Henle é circundada por fluido de tecido que contém uma alta concentração de íons. Isso faz com que a água saia do ramo descendente por osmose. Isso produz um filtrado mais concentrado, pois os íons se movem para fora do circuito no ramo ascendente delgado. Quaisquer íons importantes restantes (Na +, Cl-, Ca2 + & amp Mg2 +) são então ativamente transportados para fora do filtrado no ramo ascendente espesso para mantê-los no corpo e manter o gradiente de alta concentração que faz com que a água seja removida do filtrado no membro descendente.


Confusão eletroquímica e de gradiente de concentração - Biologia

BIOL 1013 - BIOLOGIA DA CÉLULA

O texto e o material a seguir representam uma cópia de algumas de minhas notas que formaram a base de algumas de minhas palestras ministradas durante a terceira parte do curso de Biologia Celular (BIOL 1013). Por favor, consulte suas próprias notas, apostilas e o livro didático (biologia celular essencial, 2ª edição, por Alberts, et al. 2004 - tarefas de leitura estão no programa) para obter informações adicionais. Se você notar algum erro no documento a seguir, agradeceria se você trouxesse isso à minha atenção. Endereço de e-mail: [email protected]

EXAME DE PALESTRA III EM 19 DE NOVEMBRO DE 2004

Para uma sinopse do material abordado na aula e em relação ao livro didático (Capítulos 11, 12, 13 e 14), revise as informações a seguir visitando os links a seguir (ou no topo desta página da web).

CAPÍTULO 11 - Estrutura da membrana - VISÃO GERAL

CAPÍTULOS 12 - Transporte por membrana - VISÃO GERAL

CAPÍTULO 13 e 14 - Metabolismo Celular: Bioenergética - VISÃO GERAL (RESPIRAÇÃO CELULAR)

Para obter algumas informações muito úteis, visite o seguinte site: Biologia I Animações, filmes e links para tutoriais interativos. Visite as categorias: Transporte Celular, Respiração Celular e Fotossíntese. Em particular, confira as animações da Editora McGraw-Hill postadas neste site. Você pode achar que é bastante informativo.

ESTRUTURA E FUNÇÃO DA MEMBRANA

As membranas biológicas são constituídas por uma bicamada fosfolipídica (caudas hidrofóbicas - ácidos graxos e cabeças hidrofílicas - grupo fosfato) e proteínas (periféricas e integrais ou transmembrana) == & gt Modelo de mosaico fluido da estrutura da membrana.

Se as caudas de ácidos graxos forem insaturadas, elas se dobram e isso aumenta a fluidez da membrana, tornando-a mais instável. Outros lipídios, como colesterol (animais) e ergosterol (fungos) tornam-se integrados à membrana.

Propriedades das membranas biológicas

  • as membranas são oleosas e podem mudar de estrutura deslizando as camadas de fosfolipídios umas sobre as outras.
  • membranas são diferentes de um lado do outro - isso contribui para ASSIMETRIA.
  • proteínas ligadas a carboidratos = glicoproteínas estão envolvidas na comunicação célula a célula e aumentando a assimetria por causa de sua posição no lado externo (face exoplasmática) da membrana celular.
  • as membranas são semipermeáveis ​​ou diferentemente permeáveis ​​(grandes moléculas polares não carregadas como a glicose e os íons não passam pela membrana, mas os hidrocarbonetos, a água, o oxigênio e o dióxido de carbono passam direto).
  • movimento de água e solutos para dentro e para fora das células e organelas.
  • permeabilidade diferencial.
  • bomba de íons - K + e H + são movidos através da membrana ao custo do ATP.
  • atividade enzimática devido à presença de certas proteínas, por exemplo, local de síntese de ATP.
  • O sistema de transporte de elétrons ocorre através das membranas encontradas dentro da mitocôndria e dos cloroplastos.
  • comunicação celular - ligação de certos produtos químicos à membrana celular, inicia mudanças metabólicas dentro da célula.
  • difusão - movimento aleatório de moléculas em um fluido ou gás de uma região de alta concentração para uma região de baixa concentração. [EXEMPLOS: tinta na água, perfume no ar]
  • a difusão ocorre ao longo de um gradiente de concentração. Ir contra um gradiente de concentração sempre requer a entrada de energia.

Experiência de pensamento: Um copo contendo 2% de sacarose é gentilmente colocado em um copo maior contendo água destilada. A sacarose tende a se difundir do copo pequeno para o copo maior ao longo de um gradiente de concentração. A água também tenderá a se difundir no béquer de uma região de alta concentração (ao redor da água destilada) para uma região de baixa concentração (a água deslocada pela presença de um soluto - sacarose).

Se você colocar uma membrana semipermeável (ou seja, permeável à água, mas impermeável à sacarose) sobre a superfície do pequeno copo, a sacarose não pode atravessar a barreira, mas a água pode! Osmose é o movimento da água através de uma membrana diferencialmente permeável ao longo de um gradiente de concentração.

Energia potencial (armazenada) da água = potencial da água expresso em unidades de pressão (barras ou megapascais - Mpa). Quando a água tende a se mover de uma região de maior concentração (maior potencial) para uma região de menor concentração (ou menor potencial), isso é referido como potencial de água. Adicione uma membrana, isso é chamado potencial osmótico.

TONICIDADE (tonos = tensão)

  • Hipotônico - baixa concentração de soluto em relação a outra solução.
  • Hipertônico - alta concentração de soluto em relação a outra solução.
  • Isotônico - a concentração do soluto é igual à de outra solução.

hipotônico ============= & gt hipertônico

hipotônico ============ & gt hipertônico

PRESSÃO DE TURGOR - A água que entra na célula empurra a membrana celular contra a parede celular, causando pressão de turgor. A perda de água do vacúolo / citoplasma causa redução do conteúdo celular, ou PLASMÓLISE. A perda de água das células vegetais resulta em tecido murcho!

Glóbulos vermelhos ou eritrócitos ou eritrócitos:

  • Se a solução externa for isotônica (solução de cloreto de sódio a 0,9%) == & gt nenhuma alteração no volume da célula.
  • Se a solução externa for hipertônica == & gt as células murcham (daí o ditado, se perdidas no mar sem água potável, & quotÁgua em toda parte, mas nem uma gota para beber! & Quot).
  • Se a solução externa for hipotônica === & gt as células incham e explodem!

A difusão facilitada ocorre por meio de um canal ou proteína transportadora, o portão abre e fecha, ou o portão permanece continuamente aberto. O processo funciona ao longo de um gradiente de concentração e não requer entrada de energia == & gt TRANSPORTE PASSIVO!.

TRANSPORTE ATIVO == & gt transporte de uma substância através da membrana contra o gradiente de concentração e requer a entrada de energia (ligação de alta energia do ATP).

A configuração para cotransporte geralmente requer um investimento de energia pela célula. A proteína do canal permite a passagem de uma substância que puxa outra. Ambas as substâncias podem se mover através da membrana juntas (simporte) ou em direções opostas uma da outra (antiporta).

As bombas de íons usam um gradiente eletroquímico para conduzir as substâncias através da membrana.

EXOCITOSE - ignora o transporte de membrana e permite o movimento de grandes moléculas e quantidades através da membrana para dentro da célula.

  • Fagocitose - ocorre na ameba e nos glóbulos brancos para capturar bactérias e outros micróbios.
  • Pinocitose - absorção inespecífica de pedaços de líquido e moléculas dissolvidas.
  • Endocitose mediada por receptores - absorção específica de substâncias que são reconhecidas por proteínas receptoras na membrana plasmática.

Respiração celular - a conversão de energia química (encontrada nas ligações químicas que mantêm a molécula de glicose unida) em ligações químicas que mantêm os grupos fosfato em trifosfato de adenosina (ATP). O processo é uma degradação passo a passo do açúcar mediada em cada etapa por uma enzima específica.

ATP = moeda de energia. O mesmo ocorre com a situação em que se a glicose fosse uma nota de um dólar, o ATP seria um monte de moedas de um centavo.

A respiração celular pode ocorrer na presença ou ausência de oxigênio:

Metabolismo anaeróbico (ausência de oxigênio) = fermentação (fermentação alcoólica ou de ácido láctico).

Metabolismo aeróbico (a presença de oxigênio é necessária) = fosforilação oxidativa.

O metabolismo anaeróbico e aeróbio ou a respiração começam com a quebra de um açúcar de seis carbonos (glicose) em duas moléculas de um composto de três carbonos chamado piruvato. Este processo é denominado GLICÓLISE (REAÇÕES DE QUEBRA-AÇÚCAR) e começa no citoplasma,Dois ATPs são necessários para iniciar a glicólise e 4 são produzidos como resultado, tornando o rendimento líquido de ATP igual a 2 ATP. O piruvato pode ser usado para respiração aeróbica (com oxigênio) para produzir muitas moléculas de ATP (34 ATP) ou na fermentação (produzindo apenas 2 ATP + 2 NADH). Somente organismos que possuem células eucarióticas contendo mitocôndrias são capazes de respirar na presença de oxigênio. Certos tipos de bactérias e leveduras podem transformar o piruvato em etanol (álcool) e uma molécula de dióxido de carbono (encontrada na cerveja, no vinho e na massa de pão em crescimento). Outros tipos de bactérias e células animais podem transformar o piruvato em ácido lático (encontrado no iogurte, chucrute e músculos sobrecarregados). Como a glicose é apenas parcialmente quebrada, pouca energia é capturada na forma de ATP (um total líquido de 2 ATP e 2 NADH). Sabemos disso porque, se você queimar álcool, a energia é liberada na forma de calor e luz.

A equação geral para respiração aeróbica é:

O piruvato (um composto de 3 carbonos) produzido pela glicólise é posteriormente degradado por outras reações químicas mediadas por enzimas até ser dividido em nada mais do que água e dióxido de carbono. Isso ocorre durante um processo denominado CICLO DE KREBS (também denominado ciclo do TCA - ciclo do ácido tricarboxílico e ciclo do ácido cítrico). Durante este processo, as moléculas de 6NADH, 2FADH2e 2ATP são gerados. As reações químicas do ciclo de Krebs produzem produtos que continuam a se auto-alimentar, desde que um suprimento contínuo de acetil CoA gerado a partir do piruvato (produzindo um NADH) esteja disponível no início do processo. Os produtos do ciclo de Krebs (NADH, FADH2) são usados ​​para alimentar a próxima etapa da respiração, que é a fosforilação oxidativa por transporte de elétrons. Elétrons e íons de hidrogênio são liberados (produzindo NAD +, FAD +). Os elétrons são movidos de uma molécula aceptora de elétrons para outra. Esses aceptores de elétrons estão embutidos na membrana interna da mitocôndria. À medida que eles se movem para frente e para trás através da membrana, a energia contida nesses elétrons é usada para transportar hidrogênios adicionais através da membrana para o compartimento externo. Hidrogênios liberados de NADH e FADH2, aumente ainda mais esta concentração. Os íons de hidrogênio são removidos do compartimento interno, quando se combinam com os elétrons e o oxigênio (o aceptor final de elétrons) produzindo água. Consequentemente, um gradiente de concentração eletroquímica se desenvolve entre os compartimentos externo e interno da mitocôndria. Esses íons eventualmente podem se difundir de volta para o compartimento interno através da membrana, passando através de uma proteína do canal (ATPase ou ATP sintase) - este processo é chamado de quimiosmose. À medida que os íons de hidrogênio passam por esta proteína do canal, eles acoplam uma reação química entre o ADP e Pi para produzir ATP. Estima-se que cada molécula de NADH seja responsável por gerar 3 moléculas de ATP. FADH2 = 2 ATPs.

ATENÇÃO: DEVIDO A RESTRIÇÕES DE TEMPO DURANTE A PALESTRA QUE NÃO PERMITIU UMA COBERTURA ADEQUADA DO MATERIAL NA FOTOSSÍNTESE, VOCÊ NÃO SERÁ TESTADO SOBRE O SEGUINTE MATERIAL QUANTO À FOTOSSÍNTESE. O SEGUINTE É APRESENTADO FYI.

Autotrophs - & quotself feeder & quot. Os exemplos incluem organismos fotossintéticos (por exemplo, cianobactérias, algas verdes e plantas).

Heterotróficos - & quotoutro alimentador & quot. Os exemplos incluem bactérias, alguns protistas (por exemplo, amebas, paramécios, fungos), fungos, plantas parasitas não fotossintéticas (por exemplo, cólica, cachimbo indiano) e animais.

Metabolismo - capacidade de adquirir e usar energia.

Cada vez que ocorre uma transferência de energia, parte da energia é perdida na forma de calor.

Fotossíntese - um conjunto de reações mediadas por enzimas nas quais a energia da luz do sol é convertida na energia de ligação química da glicose e ATP.

A reação química geral para a fotossíntese é:

Em eucariotos, a organela associada à fotossíntese é o cloroplasto. As clorofilas aeb, os pigmentos que absorvem a luz (junto com os pigmentos acessórios, como os carotenóides), estão embutidos na membrana do tilacóide que forma o grana e o sistema de membrana (interior do tilacóide - pH de 5,0) dentro do cloroplasto. O grana e o sistema de membrana tilacóide são circundados pelo estroma (pH de 8,0).

Por que as plantas são verdes? A presença do pigmento clorofila (aeb) no tilacóide faz com que o cloroplasto tenha uma cor verde. A luz solar, dentro do espectro visível do espectro eletromagnético, é composta de diferentes comprimentos de onda ou cores de luz. Quando a luz atinge uma folha, parte da luz é absorvida, parte passa ou é transmitida através da folha (como a luz através de um filtro) e o resto é refletido. A razão pela qual as folhas são verdes é devido ao fato de que cores como vermelho e azul são absorvidas, enquanto verde e amarelo são refletidos de volta para você. Quando a luz atinge a retina de seu olho, seu cérebro percebe isso como a cor verde. Esse fenômeno também explica por que vemos qualquer objeto como sendo de uma cor em comparação com outra. Os objetos vermelhos refletem os comprimentos de onda vermelhos da luz e absorvem todos os outros comprimentos de onda. Os objetos pretos refletem pouca luz de volta, a maior parte da luz é absorvida enquanto os objetos que parecem ser brancos refletem a maior parte da luz, pouca luz é absorvida.

A luz solar contém energia, que sob as condições certas pode ser convertida em outras formas de energia: por exemplo, energia de ligação química, eletricidade, energia cinética, calor, etc.

A luz possui propriedades tanto de onda quanto de partícula. Pacotes de energia chamados fótons. Quanto menor o comprimento de onda da luz, mais energia ela contém por fóton. Quanto maior o comprimento de onda da luz, menos energia ela contém por fóton. Os comprimentos de onda da luz são medidos em unidades muito pequenas chamadas nanômetros.

A fotossíntese ocorre em duas etapas principais: (1) Durante as reações dependentes da luz, a energia da luz é capturada por pigmentos nos cloroplastos e a água é dividida para produzir íons de hidrogênio, elétrons e oxigênio. Quando a luz atinge os elétrons do átomo de magnésio, ela fica excitada. Elétrons são saltados para um nível de energia mais alto e a energia transferida por fluorescência (via fótons de comprimentos de onda mais longos e menos energia) de uma molécula de pigmento para a próxima em um complexo de antenas até que seja "capturada" no centro de reação. Este elétron energético é canalizado para o sistema de transporte de elétrons embutido na membrana tilacóide do cloroplasto. Os elétrons se originam da quebra da água (fotólise), que libera íons de hidrogênio e oxigênio. Os elétrons se movem de um aceptor de elétrons para outro na membrana tilacóide, começando no fotossistema II (P680) e movendo-se através do fotossistema I (P700). Os elétrons energéticos e íons de hidrogênio são usados ​​para gerar ATP por fotofosforilação não cíclica e quimiosmose (hidrogênio passando pela proteína do canal, ATPase ou ATP sintase) e NADPH (de NADP +). A energia originalmente na luz, agora está presente nas ligações químicas associadas com ATP e NADPH. O método mencionado (fotofosforilação não cíclica) ocorre em plantas eucarióticas - algas, musgos, samambaias, coníferas e plantas com flores. A fotofosforilação cíclica ocorre em procariotos (cianobactérias) com elétrons sendo usados ​​continuamente. Observe que, na fotofosforilação cíclica, nenhum oxigênio ou NADPH são gerados.

(2) As reações dependentes de luz estão associadas ao sistema de membrana tilacóide. A energia em ATP e NADPH é usada durante as reações independentes de luz, para "fixar" o carbono em CO 2 produzindo um carboidrato mais complexo. A série de reações químicas mediadas por enzimas responsáveis ​​pela captura e incorporação de "carbono gasoso" em compostos de carbono "quotsolid" é chamada de CICLO CALVIN-BENSON (também referido como C3 fotossíntese). A enzima que inicialmente inicia o processo reagindo com CO 2 é denominado ribulose bifosfato carboxilase. Esta é a proteína natural mais abundante produzida na Terra.

Em plantas com folhas, a glicose é usada para ser armazenada como sacarose ou amido. A glicose é transportada através do floema (tecido vascular condutor de alimentos). Outro tipo de tecido vascular encontrado nas folhas, caules e raízes é o xilema, que conduz água. As plantas têm um design corporal que aprimora e coordena o processo de fotossíntese. Acima do solo, essas plantas são altamente ramificadas para aumentar a área de superfície para a absorção de luz solar e CO 2 . Abaixo do solo, as plantas têm um sistema radicular altamente ramificado para ancorar a planta e aumentar a área de superfície para a absorção de água. A glicose e a energia química armazenada que ela contém são usadas para construir compostos orgânicos mais complexos (por exemplo, polissacarídeo, lipídios, proteínas, nucleotídeos). A energia, quando necessária (por exemplo, germinação de sementes e crescimento, à noite quando nenhuma fotossíntese é possível, nas raízes subterrâneas), contida na glicose é liberada pela mitocôndria por meio da respiração aeróbia.

Para obter mais detalhes, verifique os seguintes links:

CAPÍTULO 13 e 14 - Metabolismo Celular: Bioenergética - VISÃO GERAL (FOTOSSÍNTESE)


A força motriz do próton

Em todas as células, a quimiosmose envolve o força motriz próton (PMF) em alguma etapa. Isso pode ser descrito como o armazenamento de energia como uma combinação de um gradiente de próton e voltagem através de uma membrana. A energia potencial química refere-se à diferença de concentração dos prótons e a energia potencial elétrica como consequência da separação de carga (quando os prótons se movem sem um contra-íon).

Na maioria dos casos, a força motriz do próton é gerada por uma cadeia de transporte de elétrons que atua como uma bomba de elétrons e de prótons, bombeando elétrons em direções opostas, criando uma separação de carga. Na mitocôndria, a energia livre liberada da cadeia de transporte de elétrons é usada para mover prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar da mitocôndria. Mover os prótons para as partes externas da mitocôndria cria uma concentração maior de partículas carregadas positivamente, resultando em um lado ligeiramente positivo e ligeiramente negativo (o gradiente de potencial elétrico é de cerca de -200 mV (negativo dentro). Essa diferença de carga resulta em um gradiente eletroquímico. Este gradiente é composto pelo gradiente de pH e pelo gradiente elétrico. O gradiente de pH é o resultado da diferença de concentração de íons H +. Juntos, o gradiente eletroquímico de prótons é uma diferença de concentração e carga e é frequentemente chamado de motivo do próton (PMF). Na mitocôndria, o PMF é quase inteiramente composto pelo componente elétrico, mas nos cloroplastos, o PMF é composto principalmente pelo gradiente de pH. Em ambos os casos, o PMF precisa ser cerca de 50 kJ / mol para a ATP sintase ser capaz de fazer ATP.


A força motriz do próton

Em todas as células, a quimiosmose envolve o força motriz próton (PMF) em alguma etapa. Isso pode ser descrito como o armazenamento de energia como uma combinação de um gradiente de próton e voltagem através de uma membrana. A energia potencial química refere-se à diferença de concentração dos prótons e a energia potencial elétrica como consequência da separação de carga (quando os prótons se movem sem um contra-íon).

Na maioria dos casos, a força motriz do próton é gerada por uma cadeia de transporte de elétrons que atua como uma bomba de elétrons e de prótons, bombeando elétrons em direções opostas, criando uma separação de carga. Na mitocôndria, a energia livre liberada da cadeia de transporte de elétrons é usada para mover prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar da mitocôndria. Mover os prótons para as partes externas da mitocôndria cria uma concentração maior de partículas carregadas positivamente, resultando em um lado ligeiramente positivo e ligeiramente negativo (o gradiente de potencial elétrico é de cerca de -200 mV (negativo dentro). Essa diferença de carga resulta em um gradiente eletroquímico. Este gradiente é composto pelo gradiente de pH e pelo gradiente elétrico. O gradiente de pH é o resultado da diferença de concentração de íons H +. Juntos, o gradiente eletroquímico de prótons é uma diferença de concentração e carga e é frequentemente chamado de motivo do próton (PMF). Na mitocôndria, o PMF é quase inteiramente composto pelo componente elétrico, mas nos cloroplastos, o PMF é composto principalmente pelo gradiente de pH. Em ambos os casos, o PMF precisa ser cerca de 50 kJ / mol para a ATP sintase ser capaz de fazer ATP.


Respiração aeróbia: ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa

Nas células eucarióticas, as moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise são transportadas para as mitocôndrias, locais de respiração celular. Se houver oxigênio disponível, a respiração aeróbica prosseguirá. Existem dois processos principais de respiração aeróbica: O Ciclo do Ácido Cítrico (ou Ciclo de Kreb & # 8217s) e Fosforilação Oxidativa.

O Ciclo do Ácido Cítrico

Na mitocôndria, o piruvato será transformado em um grupo acetil de dois carbonos (removendo uma molécula de dióxido de carbono) que será captado por um composto carreador denominado coenzima A (CoA), que é feito de vitamina B5. O composto resultante é denominado acetil CoA. (Figura 6). O acetil CoA pode ser usado de várias maneiras pela célula, mas sua função principal é entregar o grupo acetil derivado do piruvato para a próxima via no catabolismo da glicose.

Figura 6. O piruvato é convertido em acetil-CoA antes de entrar no ciclo do ácido cítrico.

Como a conversão do piruvato em acetil CoA, o ciclo do ácido cítrico nas células eucarióticas ocorre na matriz da mitocôndria. Ao contrário da glicólise, o ciclo do ácido cítrico é um ciclo fechado: a última parte da via regenera o composto usado na primeira etapa. As oito etapas do ciclo são uma série de reações químicas que produzem duas moléculas de dióxido de carbono, uma molécula de ATP (ou equivalente) e formas reduzidas (NADH e FADH2) de NAD + e FAD +, coenzimas importantes na célula. Parte disso é considerada uma via aeróbia (que requer oxigênio) porque o NADH e o FADH2 produzidos devem transferir seus elétrons para a próxima via no sistema, que usará oxigênio. Se o oxigênio não estiver presente, essa transferência não ocorre.

Dois átomos de carbono entram no ciclo do ácido cítrico de cada grupo acetil. Duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas em cada volta do ciclo, entretanto, elas não contêm os mesmos átomos de carbono contribuídos pelo grupo acetila nessa volta da via. Os dois átomos de acetil-carbono serão eventualmente liberados nas últimas voltas do ciclo, desta forma, todos os seis átomos de carbono da molécula de glicose original serão eventualmente liberados como dióxido de carbono. Demora duas voltas do ciclo para processar o equivalente a uma molécula de glicose. Cada volta do ciclo forma três moléculas NADH de alta energia e um FADH de alta energia2 molécula. Esses portadores de alta energia se conectarão com a última parte da respiração aeróbica para produzir moléculas de ATP. Um ATP (ou equivalente) também é feito em cada ciclo. Several of the intermediate compounds in the citric acid cycle can be used in synthesizing non-essential amino acids therefore, the cycle is both anabolic and catabolic.

Fosforilação oxidativa

Você acabou de ler sobre duas vias no catabolismo da glicose - a glicólise e o ciclo do ácido cítrico - que geram ATP. A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo aeróbio da glicose, entretanto, não é gerado diretamente por essas vias. Em vez disso, ele deriva de um processo que começa com a passagem de elétrons por uma série de reações químicas até um aceptor final de elétrons, o oxigênio. Essas reações ocorrem em complexos protéicos especializados localizados na membrana interna da mitocôndria de organismos eucarióticos e na parte interna da membrana celular de organismos procarióticos. A energia dos elétrons é coletada e usada para gerar um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia potencial deste gradiente é usada para gerar ATP. Todo esse processo é denominado fosforilação oxidativa.

The electron transport chain (Figure 7a) is the last component of aerobic respiration and is the only part of metabolism that uses atmospheric oxygen. O oxigênio se difunde continuamente nas plantas para esse propósito. Nos animais, o oxigênio entra no corpo através do sistema respiratório. O transporte de elétrons é uma série de reações químicas que se assemelha a uma brigada de balde, em que os elétrons são passados ​​rapidamente de um componente para o outro, até o ponto final da cadeia onde o oxigênio é o aceptor final de elétrons e a água é produzida.

o cadeia de transporte de elétrons are four complexes composed of proteins and accessory electron carriers. The electron transport chain is present in multiple copies in the inner mitochondrial membrane of eukaryotes. Em cada transferência de um elétron através da cadeia de transporte de elétrons, o elétron perde energia, mas com algumas transferências, a energia é armazenada como energia potencial usando-a para bombear íons de hidrogênio através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembrana, criando um gradiente eletroquímico . Este processo é chamado quimiosmose (7c).

Figure 7. (a) The electron transport chain is a set of molecules that supports a series of oxidation-reduction reactions. (b) ATP synthase is a complex, molecular machine that uses an H+ gradient to regenerate ATP from ADP. (c) Chemiosmosis relies on the potential energy provided by the H+ gradient across the membrane.

Quimiosmose

Quimiosmose is the movement of ions across a semipermeable membrane, down their electrochemical gradient. Hydrogen ions, or protons, will diffuse from an area of high proton concentration to an area of lower proton concentration. This electrochemical concentration gradient of protons can be used to make ATP.

ATP synthase is the enzyme that makes ATP by chemiosmosis. It allows protons to pass through the membrane and uses the free energy difference to phosphorylate adenosine diphosphate (ADP), making ATP. The energy from the electron movement through electron transport chains to ATP synthase allows the proton to pass through ATP synthase to photophosphorylate ADP making ATP.


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