Em formação

As plantas podem produzir mais duas moléculas de ATP a partir da glicólise?


Visto que 2 ATP são usados ​​para converter glicose em gliceraldeído 3-fosfato na glicólise, as plantas podem ignorar essa etapa de investimento de ATP, uma vez que produzem gliceraldeído 3-fosfato diretamente do ciclo de Calvin?

Em caso afirmativo, qual seria o rendimento final de ATP.

Se não, porque não?


  • Plantas produzir ATP na 'reação à luz' da fotossíntese.

  • O objetivo do ciclo de Calvin (as 'reações escuras') é produzir glicose, para a qual usa um pouco disso ATP para fornecer a energia para fazer ligações carbono-carbono.

  • Glicólise nas funções das plantas para produzir ATP a partir de carboidratos de reserva, etc. quando o ATP não está disponível na fotossíntese, ou em tecidos que não têm ATP suficiente na fotossíntese.

Portanto, esta questão não faz sentido fisiológico †, pois é baseada em um mal-entendido dos propósitos das diferentes reações metabólicas nas plantas. A resposta não é que isso não possa acontecer, mas que não aconteceria - os mecanismos reguladores que impedem o ciclo fútil de vias entrariam em operação.

† É análogo a dizer que o fígado pode realizar a gliconeogênese e, portanto, pode produzir gliceraldeído 3-fosfato. Então, o fígado pode ignorar esta etapa ...


Respiração em Plantas: Respiração Celular, Glicólise, Fermentação e Destino do Ácido Pirúvico na Respiração Aeróbica (Para CBSE, ICSE, IAS, NET, NRA 2022)

O material do porta-voz para KVPY / Stream-SA Biologia é preparado pelos maiores especialistas do mundo: questões totalmente resolvidas com explicação passo a passo - pratique seu caminho para o sucesso.

A respiração celular é a quebra enzimática da glicose (C6H12O6) na presença de oxigênio (como glicose, aminoácidos e ácidos graxos) para produzir CO2, água e energia celular (ATP). Ocorre dentro das células e tecidos.


Rendimento de ATP

Em uma célula eucariótica, o processo de respiração celular pode metabolizar uma molécula de glicose em 30 a 32 ATP. O processo de glicólise produz apenas dois ATPs, enquanto todos os demais são produzidos durante a cadeia de transporte de elétrons. Claramente, a cadeia de transporte de elétrons é muito mais eficiente, mas só pode ser realizada na presença de oxigênio.

Figura: Respiração celular em uma célula eucariótica: Glicólise na porção esquerda desta ilustração pode ser vista produzindo 2 moléculas de ATP, enquanto a porção da Cadeia de Transporte de Elétrons no canto superior direito renderá as 30-32 moléculas de ATP restantes na presença de oxigênio.

O número de moléculas de ATP geradas por meio do catabolismo da glicose pode variar substancialmente. Por exemplo, o número de íons de hidrogênio que os complexos da cadeia de transporte de elétrons podem bombear através da membrana varia entre as espécies. Outra fonte de variação ocorre durante o transporte de elétrons através das membranas das mitocôndrias. O NADH gerado pela glicólise não pode entrar facilmente nas mitocôndrias. Assim, os elétrons são captados no interior da mitocôndria por NAD + ou FAD +. Essas moléculas FAD + podem transportar menos íons, conseqüentemente, menos moléculas de ATP são geradas quando FAD + atua como um transportador. O NAD + é usado como transportador de elétrons no fígado e o FAD + atua no cérebro.

Figura: Trifosfato de adenosina: ATP é a principal fonte de energia em muitos organismos vivos.

Outro fator que afeta o rendimento das moléculas de ATP geradas a partir da glicose é o fato de compostos intermediários dessas vias serem utilizados para outros fins. O catabolismo da glicose se conecta com as vias que constroem ou quebram todos os outros compostos bioquímicos nas células, mas o resultado nem sempre é ideal. Por exemplo, açúcares diferentes da glicose são alimentados na via glicolítica para extração de energia. Além disso, os açúcares de cinco carbonos que formam os ácidos nucléicos são feitos de intermediários na glicólise. Certos aminoácidos não essenciais podem ser produzidos a partir de intermediários da glicólise e do ciclo do ácido cítrico. Os lipídios, como o colesterol e os triglicerídeos, também são produzidos a partir de intermediários nessas vias, e tanto os aminoácidos quanto os triglicerídeos são decompostos para gerar energia por meio dessas vias. No geral, em sistemas vivos, essas vias de catabolismo da glicose extraem cerca de 34% da energia contida na glicose.


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Respiração e força motriz do próton

A respiração é uma das principais maneiras pelas quais uma célula ganha energia útil para alimentar a atividade celular.

Objetivos de aprendizado

Descreva o papel da força motriz do próton na respiração

Principais vantagens

Pontos chave

  • As reações envolvidas na respiração são reações catabólicas, que quebram moléculas grandes em moléculas menores, liberando energia no processo à medida que quebram ligações de alta energia.
  • A respiração aeróbica requer oxigênio para gerar energia (ATP).
  • O metabolismo aeróbico é até 15 vezes mais eficiente do que o metabolismo anaeróbico (que produz duas moléculas de ATP por cada molécula de glicose).
  • Com a ajuda da enzima solar bacteriorodopsina, algumas bactérias produzem gradientes de prótons ao bombear prótons do meio ambiente.

Termos chave

  • exotérmico: liberando energia na forma de calor
  • redox: um processo reversível em que uma reação é uma oxidação e o reverso é uma redução

Respiração celular

A respiração celular é um conjunto de reações e processos metabólicos que ocorrem dentro das células dos organismos para converter a energia bioquímica dos nutrientes em trifosfato de adenosina (ATP). As reações envolvidas nesta respiração são consideradas reações catabólicas que liberam energia à medida que moléculas maiores são quebradas em outras menores e ligações de alta energia são quebradas. A respiração é uma das principais maneiras pelas quais uma célula ganha energia útil para alimentar a atividade celular.

Visão geral da respiração celular: Um diagrama da respiração celular, incluindo glicólise, ciclo de Krebs (também conhecido como ciclo do ácido cítrico) e a cadeia de transporte de elétrons.

Quimicamente, a respiração celular é considerada uma reação redox exotérmica. A reação geral é dividida em muitas outras menores quando ocorre no corpo. A maioria dessas reações menores são elas próprias reações redox. Embora, tecnicamente, a respiração celular seja uma reação de combustão, ela não se assemelha a uma quando ocorre em uma célula viva. Isso ocorre porque ocorre em muitas etapas separadas. Embora a reação geral seja uma reação de combustão, nenhuma reação única que a compreende é uma reação de combustão.

Reações aeróbicas e anaeróbicas

As reações aeróbicas requerem oxigênio para a geração de ATP. Embora carboidratos, gorduras e proteínas possam ser usados ​​como reagentes, o método preferido é o processo de glicólise. Durante a glicólise, o piruvato é formado a partir do metabolismo da glicose. Durante as condições aeróbias, o piruvato entra na mitocôndria para ser totalmente oxidado pelo ciclo de Krebs. Os produtos do ciclo de Krebs incluem energia na forma de ATP (via fosforilação em nível de substrato), NADH e FADH2.

A reação simplificada é a seguinte:

Um ΔG negativo indica que a reação pode ocorrer espontaneamente.

O metabolismo aeróbico é até 15 vezes mais eficiente do que o metabolismo anaeróbico, que produz duas moléculas de ATP por cada molécula de glicose. Ambos os tipos de metabolismo compartilham a via inicial da glicólise, mas o metabolismo aeróbico continua com o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa. Nas células eucarióticas, as reações pós-glicolíticas ocorrem na mitocôndria, enquanto nas células procarióticas essas reações ocorrem no citoplasma.

Uso de procariontes por humanos: Esta é uma imagem microscópica de Bacillus subtilis (ATCC 6633) com uma coloração de Gram de ampliação: 1.000. As estruturas ovais não coradas são esporos.

Glicolise

A glicólise ocorre no citosol, não requer oxigênio e, portanto, pode funcionar em condições anaeróbicas. O processo converte uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato, gerando energia na forma de duas moléculas líquidas de ATP. Na verdade, são produzidas quatro moléculas de ATP por glicose, mas duas delas são consumidas como parte da fase preparatória. A fosforilação inicial da glicose é necessária para desestabilizar a molécula para clivagem em dois piruvatos. Durante a fase de compensação da glicólise, quatro grupos fosfato são transferidos para ADP por fosforilação em nível de substrato para formar quatro ATP, e dois NADH são produzidos quando o piruvato é oxidado. A reação geral pode ser expressa desta forma:

Glicose + 2 NAD + + 2 Peu + 2 ADP → 2 piruvato + 2 NADH + 2 ATP + 2 H + + 2 H2O + calor

Começando com a glicose, um ATP é usado para doar um fosfato à glicose para produzir glicose 6-fosfato. Com a ajuda da glicogênio fosforilase, o glicogênio também pode se transformar em glicose 6-fosfato. Durante o metabolismo energético, a glicose 6-fosfato se transforma em frutose 6-fosfato. Com a ajuda da fosfofrutocinase, um ATP adicional pode ser usado para transformar fosforilar a frutose 6-fosfato em frutose 1, 6-difosfato. A frutose 1, 6-difosfato então se divide em duas moléculas fosforiladas com três cadeias de carbono que mais tarde se degradam em piruvato.

Fazendo Gradientes de Prótons

Algumas arquéias, as mais notáveis ​​sendo as halobactérias, fazem gradientes de prótons ao bombear prótons do ambiente. Eles são capazes de fazer isso com a ajuda da enzima solar bacteriorodopsina, que é usada para conduzir a enzima motora molecular ATP sintase para fazer as mudanças conformacionais necessárias para sintetizar ATP. Ao executar a ATP sintase ao contrário, os gradientes de prótons também são produzidos por bactérias e são usados ​​para conduzir os flagelos. A F1FO ATP sintase é uma enzima reversível. Quantidades grandes o suficiente de ATP fazem com que ele crie um gradiente de prótons transmembrana. Isso é usado pela fermentação de bactérias, que não possuem uma cadeia de transporte de elétrons e que hidrolisam o ATP para formar um gradiente de prótons. As bactérias usam esses gradientes para flagelos e para o transporte de nutrientes para a célula. Em bactérias respirando sob condições fisiológicas, ATP sintase, em geral, corre na direção oposta. Isso cria ATP ao usar a força motriz de prótons criada pela cadeia de transporte de elétrons como fonte de energia. O processo geral de criação de energia dessa maneira é denominado fosforilação oxidativa.


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Produção de ATP na respiração

Resumo da respiração para ver quanto ATP é feito de cada molécula de glicose. O ATP é feito de duas maneiras diferentes:

  • Algumas moléculas de ATP são feitas diretamente pelas enzimas da glicólise ou do ciclo de Krebs. Isso é chamado de fosforilação em nível de substrato (uma vez que o ADP está sendo fosforilado para formar ATP).
  • A maioria das moléculas de ATP é produzida pela enzima ATP sintase na cadeia respiratória. Como isso requer oxigênio, é denominado fosforilação oxidativa. Os cientistas ainda não sabem exatamente quantos prótons são bombeados na cadeia respiratória, mas as estimativas atuais são: 10 prótons bombeados pelo NADH 6 pelo FADH e 4 prótons necessários pela ATP sintase para fazer uma molécula de ATP. Isso significa que cada NADH pode produzir 2,5 ATPs (10/4) e cada FADH pode produzir 1,5 ATPs (6/4).

Duas moléculas de ATP são usadas no início da glicólise para fosforilar a glicose e devem ser subtraídas do total.

A tabela abaixo é uma “conta de ATP” para respiração aeróbica e mostra que 32 moléculas de ATP são feitas para cada molécula de glicose usada na respiração aeróbia. Este é o rendimento máximo possível, muitas vezes menos ATP é obtido, dependendo das circunstâncias. A respiração anaeróbica produz apenas as 2 moléculas de ATP das duas primeiras linhas.

Outras substâncias também podem ser usadas para produzir ATP. Obviamente, o glicogênio é a principal fonte de glicose em humanos.

Os triglicerídeos são decompostos em ácidos graxos e glicerol, os quais entram no Ciclo de Krebs. Uma molécula de triglicerídeo típica pode fazer 50 moléculas de acetil CoA, produzindo 500 moléculas de ATP. As gorduras são, portanto, um excelente armazenamento de energia, produzindo 2,5 vezes mais ATP por g de massa seca do que os carboidratos. As proteínas normalmente não são usadas para produzir ATP, mas na fome podem ser decompostas e usadas na respiração.

Eles são primeiro quebrados em aminoácidos, que são convertidos em piruvato e metabólitos do ciclo de Krebs e então usados ​​para produzir ATP.


Ensaio de biologia do ciclo de respiração e fotossíntese

De acordo com o programa e a postagem dos instrutores, a tarefa da Semana 3 é descrever os estágios da respiração celular e fotossíntese e sua interação e interdependência, incluindo matérias-primas, produtos e quantidade de ATP ou glicose produzida durante cada fase. Isso se liga a organelas específicas dentro da célula eucariótica e explica não apenas a importância, mas também o significado desses processos e sua interação cíclica para a evolução e diversidade da vida.

A respiração celular e a fotossíntese são os dois principais processos realizados pela maioria dos organismos vivos para obter energia funcional da natureza. Enquanto a fotossíntese é realizada pela maioria das plantas que podem produzir seu próprio alimento, a maioria dos animais atinge suas necessidades energéticas por meio da respiração celular. Reações dependentes de luz e Reações independentes de luz ou Ciclo de Calvin são os estágios das reações químicas durante o processo de fotossíntese.

Durante a reação da luz, a energia solar é transformada em energia química. O segundo estágio é quando a síntese (Ciclo de Calvin) usa a energia da reação da luz e transforma o CO2 retirado da atmosfera em açúcar. O ciclo de Calvin usa ATP e NADPH para transformar três moléculas de CO2 em uma molécula de açúcar de 3 carbonos. A planta pode então usar esse pequeno açúcar para fazer açúcares maiores, como glicose e muitos outros compostos orgânicos. O principal papel das reações de luz é reabastecer o estroma com o ATP e NADPH (um aceptor de elétrons, fornecendo potência redutora) necessários para o ciclo de Calvin. Durante esse processo, o O2 é liberado como um subproduto e a água é dividida. Além disso, durante o processo de fotofosforilação, a reação de luz produz ATP por meio de quimiosmose. A energia química é convertida pela iniciação da energia luminosa, formando dois compostos ATP e NADPH.

De acordo com Simon, Reece, & amp Dickey (2013), Melvin Calvin que, junto com seus colegas, deu muitos passos na década de 1940, daí o nome do ciclo de Calvin. O início do ciclo começou com a fusão de CO2 em moléculas orgânicas. Este processo de fixação de carbono envolve a redução incluindo elétrons entregues pelo NADPH.

Uma vez que o & quotATP das reações à luz influenciam partes do ciclo de Calvin, é o ciclo de Calvin que cria açúcar, com a ajuda de ATP e NADPH da reação à luz & quot (The Calvin cycle The Nonlight Requiring Reaction, 2013). As fases metabólicas do ciclo de Calvin são às vezes chamadas de reações independentes de luz, uma vez que nenhuma das etapas precisa de luz direta.

As matérias-primas para vias anabólicas e combustível para a respiração são fornecidas quando os carboidratos tomam a forma de dissacarídeo sacarose viajam pelas veias para células não fotossintéticas (Simon, Reece, & amp Dickey, 2013) e formação da celulose polissacarídica extracelular. A celulose é a molécula orgânica mais abundante e talvez o planeta, bem como o principal ingrediente das paredes celulares das plantas.

O que torna a fotossíntese importante é quando a energia que entra nos cloroplastos à medida que a luz do sol se torna armazenada como a energia química dentro das combinações baseadas em carbono. Esse açúcar produzido nos cloroplastos fornece às plantas energia química e estruturas de carbono para fazer todas as principais moléculas orgânicas das células. A fotossíntese fabrica mais de 500 bilhões de toneladas métricas de carboidratos e é o método mais importante do planeta. Também é responsável pela ocorrência de oxigênio em nossa atmosfera.

A respiração celular é o processo pelo qual a energia química das moléculas do "alimento" é liberada e parcialmente absorvida no método de ATP (BioCoach Activity, 2013). A glicose, que é o açúcar, é necessária para energizar esse processo e é aeróbica (há oxigênio) ou anaeróbica (falta oxigênio). Durante os estudos da semana, aprendemos que a respiração celular & quoteróbica geralmente acontece em células eucarióticas e os processos envolvidos ocorrem em pequenas estruturas dentro da célula conhecidas como mitocôndrias & quot (Simon, Reece, & amp Dickey, 2013). Este tipo de respiração permite a fabricação de um método de energia bioquímica chamado trifosfato de adenosina (ATP).

A glicólise, que é a etapa original, começa no citoplasma da célula, uma substância gel preenchida nas células cujas organelas estão localizadas, fora da mitocôndria e antes que a respiração celular aeróbia possa ocorrer. As células existentes obtêm produtos de moléculas de açúcar e realizam a respiração celular para criar moléculas de ATP. Vários usam oxigênio e outros não. Esses processos envolvem um conjunto de reações químicas para transformar

Existem dois estágios envolvidos durante o processo de decomposição das moléculas de glicose, respiração aeróbica e glicólise. Aproximadamente metade dos materiais orgânicos são usados ​​como energia para a respiração celular nas mitocôndrias das plantas. De acordo com Simon, Reece, & amp Dickey (2013), & quotCellular respiration começa na fase de glicólise no citoplasma das células e produz 2 moléculas baseadas em carbono chamadas piruvato, e 2 moléculas de ATP & quot (Simon, Reece, & amp Dickey, 2013). Durante esta fase, não há envolvimento de oxigênio.

A glicólise requer um investimento inicial de 2 moléculas de ATP. Isso é chamado de fosforilação. Adicionar os fosfatos terminais de 2 moléculas de ATP desestabiliza a glicose e disponibiliza energia presa em suas ligações.

Duas analogias que vêm à mente aqui são acender uma vela antes que ela possa emitir calor e luz ou dar a partida em uma motocicleta movida a gasolina. Lysis é a próxima etapa. O açúcar fosforilado de seis carbonos é dividido por enzimas em duas moléculas de três carbonos de PGAL. Cada PGAL é então simultaneamente oxidado em PGA.

A oxidação, neste caso, é a remoção do hidrogênio. Um íon de hidrogênio é removido e adicionado ao transportador de íons NAD + para formar duas moléculas de NADH. Energia suficiente é liberada aqui para gerar um ATP de cada oxidação de PGAL. Por último, cada PGA é convertido em ácido pirúvico. Isso envolve desfosforilação. Cada PGA doa seu fosfato a um ADP para gerar ATP utilizável. O ganho líquido de energia é de 2 ATP. Um total de 4 ATP é gerado, mas 2 ATP foram dotados no início.

O processo de Respiração Aeróbica ocorre em configurações específicas dentro da mitocôndria e utiliza os produtos da glicólise para descarregar energia, juntamente com CO2 e água como resultado secundário da reação. Esta energia livre é mantida no método das moléculas de ATP. Normalmente, um total de 38 moléculas de ATP são criadas.

A reação de ligação é o primeiro estágio da respiração aeróbica. Isso ocorre nas mitocôndrias em eucariotos. A reação de ligação é o relé entre a glicólise e uma série de reações envolvendo um alto rendimento de ATP, chamado de ciclo de Krebs. A reação de ligação começa com a descarboxilação do piruvato. Uma molécula de CO2 é removida. O produto formado é um grupo acetil de dois carbonos que reage com a coenzima A (vale ressaltar que este é um derivado da vitamina B5, cisteína e ATP.) Para formar o acetil Co-A.

O processo de descarboxilação também envolve oxidação. Um íon hidrogênio é removido, como na glicólise, para formar NADH / H +. No metabolismo lipídico, a oxidação das cadeias de ácidos graxos também resulta na formação de fragmentos de dois átomos de carbono (acetil) que passam pelo ciclo de Krebs. Uma cadeia de ácido graxo pode produzir vários grupos acetil 2C. É por isso que as gorduras podem produzir o dobro da quantidade de energia dos carboidratos ou proteínas. Os aminoácidos são primeiro desanimados e, em seguida, entram no ciclo de Krebs de acordo com seus vários radicais.

No insumo bruto para o ciclo de Krebs está o grupo acetil de 2 carbonos. O equilíbrio do carbono é restaurado porque em dois estágios do ciclo uma molécula de CO2 é liberada. Como na glicólise, a oxidação é uma característica fundamental. Durante várias etapas ao longo do caminho, os íons de hidrogênio são removidos. o transporte de hidrogênio por moléculas transportadoras é a chave para a produção de altos rendimentos de ATP. No início do ciclo de Krebs, o grupo acetil 2C se junta à molécula 4C que permanece no final do ciclo para produzir ácido cítrico 6C.

Existem duas voltas do ciclo de Krebs para cada entrada de glicose 6C. Além disso, ao calcular o possível rendimento líquido de ATP, duas reações de ligação e uma glicólise devem ser consideradas. Há um rendimento provável de 38 moléculas de ATP a partir da quebra de uma molécula de glicose na respiração aeróbia. Simplificando, a glicose é uma grande molécula estável com muita energia química aprisionada em suas ligações. É fácil liberar essa energia de forma explosiva, digamos, por combustão, mas isso danificaria a célula e a maior parte da energia seria perdida na forma de calor inútil. A complexa bioquímica da respiração celular evoluiu para obter, em uma série de etapas incrementais, suaves e controladas por enzimas, a maior quantidade possível de energia química para produzir ATP (de ADP e P).

A energia provável para produzir ATP é possibilitada pela cadeia de transporte de elétrons. A cadeia consiste em uma curta série de portadores de coenzima, embutidos em tandem na crista da mitocôndria que começa com NAD + e termina em O2. É apenas nesse extremo da bioquímica complexa que o oxigênio que respiramos é utilizado.

Cada vez que os elétrons excitados são removidos de seus prótons associados e passados ​​pela cadeia, energia potencial suficiente é extraída para produzir 3 moléculas de ATP. No caso do FAD, o segundo portador da cadeia e com um nível de energia ligeiramente inferior e um pouco mais eletronegativo que o NAD +, apenas 2 ATP são produzidos.

A quimiosmose explica precisamente como o ATP é produzido a partir da cadeia de transporte de elétrons. As enzimas que controlam as etapas da cadeia, incorporadas na membrana crista, são na verdade bombas de prótons. Eles usam a energia da passagem de elétrons excitados para mudar sua forma e bombear H + desencarnado da matriz da mitocôndria que contém toda a maquinaria do ciclo de Krebs para o espaço entre as membranas. Os prótons se acumulam aqui e o pH é detectavelmente mais baixo do que na matriz.

O acúmulo de prótons no espaço entre as membranas cria um gradiente de concentração significativo. As moléculas transportadoras de elétrons e suas enzimas de bombeamento de proteínas associadas são acopladas à ATP sintase nas membranas internas da crista mitocondrial. A ATP sintase aproveita o gradiente de concentração dos prótons. À medida que os prótons passam de uma concentração alta para uma baixa concentração, através dos canais abertos da ATP sintase, sua energia é aproveitada para fazer ATP a partir do ADP e P. Somente neste ponto os prótons genéricos se reúnem aos elétrons genéricos, anteriormente transportados pela cadeia, para formar H2O respiratório com oxigênio, o último e mais eletronegativo dos portadores.

As cristas são os compartimentos internos formados pela membrana interna de uma mitocôndria. Eles são cravejados de proteínas, incluindo ATP sintase e uma variedade de citocromos. A superfície máxima para a ocorrência de reações químicas está dentro da mitocôndria. Isso permite que a respiração celular (respiração aeróbica, uma vez que a mitocôndria requer oxigênio) ocorra.

As cristas aumentam muito a área de superfície em que ocorrem as reações acima mencionadas. Se eles estivessem ausentes, a membrana interna seria reduzida a uma única forma esférica e, com menos superfície de reação disponível, a eficiência da reação seria igualmente reduzida. Portanto, as cristas são uma necessidade para que as mitocôndrias funcionem de forma eficiente. A fotossíntese e a respiração são basicamente as mesmas, mas ocorrem ao contrário. No termo mais simples, eles se complementam em todo o ambiente. Na fotossíntese, o dióxido de carbono e a água produzem glicose e oxigênio. Assim, a glicose e o oxigênio produzem dióxido de carbono e água por meio do processo respiratório.

A fotossíntese é o único método importante de armazenamento de energia solar na Terra e não é apenas a base de todos os nossos alimentos, mas também o máximo de ativos de energia do ser humano. Há indícios de que a fotossíntese é um processo antigo que se desenvolveu não muito depois da origem da vida e mudou por meio de um caminho multifacetado para criar a entrega de tipos de organismos fotossintéticos e metabolismos encontrados hoje (Blankenship, 2002

Os humanos dependem das plantas para adquirir oxigênio, as plantas produzem glicose (açúcar) que ajuda na vida e no crescimento, assim como liberamos dióxido de carbono. portanto, as plantas precisam de energia saudável para criar glicose para criar o oxigênio do qual os humanos dependem para viver, basicamente, sem fotossíntese, a humanidade não existiria,

Há mais de 3 bilhões de anos, o desenvolvimento da fotossíntese ocorreu em bactérias. Enquanto o oxigênio molecular (O2) surgia no ar, organismos que poderiam usar O2 para a respiração iniciaram sua evolução, e a respiração "quotaeróbica" passou a ser um método predominante de metabolismo entre as bactérias e certas arquéias. As células eucarióticas se desenvolveram em algum lugar entre um e dois bilhões de anos atrás. As células eucarióticas parecem ter ascendido de células procarióticas, especialmente fora das arquéias.

Certamente, existem inúmeras comparações em biologia molecular de arquéias e eucariotos modernos. No entanto, a origem das organelas eucarióticas, especificamente cloroplastos e mitocôndrias, é esclarecida pelas relações evolutivas entre as células nucleadas originais e certas bactérias respiratórias e fotossintéticas, que levaram ao crescimento dessas organelas e à detonação relacionada de multiplicidades eucarióticas.


Visão geral da respiração celular

Figura 1. Moléculas de alta energia: ATP e NADH. O painel superior ilustra a hidrólise de ATP em ADP. A energia livre padrão desta reação é

7,3 kcal / mol. O painel inferior ilustra a redução de NAD + para NADH + H +.

Todas as células requerem alguma fonte de energia para realizar suas funções normais. A energia nas células é geralmente armazenada na forma de ligações químicas. Nos próximos tutoriais, você aprenderá sobre vias metabólicas (vias de reações químicas em uma célula), incluindo vias catabólicas, que descreve as reações que quebram as moléculas, e vias anabólicas, que descrevem reações que constroem moléculas. Freqüentemente, as vias catabólicas liberam energia quando as ligações químicas são rompidas, enquanto as vias anabólicas podem exigir energia para formar as ligações químicas. Nas células vegetais, a energia é derivada da luz solar e usada nas vias anabólicas para sintetizar açúcares simples. Esses açúcares podem ser armazenados e usados ​​posteriormente nas vias anabólicas ou catabólicas. Em células animais, a energia é derivada do catabolismo de macromoléculas ingeridas, como amido e gordura de outros organismos (por exemplo, o hambúrguer que você comeu no almoço). As macromoléculas grandes são catabolizadas em açúcares simples e outros blocos de construção, liberando energia ao longo do caminho. Essa energia é capturada na forma de dois tipos de moléculas de alta energia: ATP e portadores de elétrons.

Este tutorial descreve o catabolismo da glicose, o açúcar simples mais comum encontrado em animais e plantas. Lembre-se de um tutorial anterior (Propriedades das macromoléculas II: ácidos nucléicos, polissacarídeos e lipídios), a glicose é encontrada tanto no glicogênio quanto no amido. O catabolismo completo da glicose em CO2 e H2O é referido como respiração celular porque requer oxigênio. A reação líquida para a respiração celular é C6H12O6 + 6O2 - & gt 6CO2 + 6H2O + 38ATP. O catabolismo da glicose ocorre por meio de uma série de reações de oxidação. Lembre-se de Biologia 110 que o oxidaçãode uma molécula envolve a remoção de elétrons. A oxidação das moléculas orgânicas ocorre pela remoção de elétrons e prótons (H +). Em reações biológicas, uma reação de oxidação é acoplada a um redução reação (adição de elétrons e prótons) de forma que uma molécula é oxidada e a outra é reduzida. No catabolismo da glicose, os açúcares são oxidados em reações que são acopladas à redução do transportador de elétrons mais comum, nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD +), (Figura 1). Por exemplo, na seguinte reação: malato + NAD + - & gt oxaloacetato + NADH + H +, o malato é oxidado e o NAD- & gtis reduzido. A respiração celular ocorre de forma gradual, produzindo inicialmente muitas moléculas de portadores de elétrons reduzidos (NADH e FADH2) Esses portadores de elétrons reduzidos acabarão sendo oxidados na mitocôndria em um processo que está ligado à síntese de ATP. É apenas nesta etapa final que o oxigênio é realmente usado. Os portadores de elétrons reduzidos doam seus elétrons para uma cadeia de transporte de elétrons e, eventualmente, o oxigênio é reduzido para produzir água. Esta etapa final da respiração celular produz a maior quantidade de energia, na forma de ATP.

Existem quatro estágios distintos de respiração celular: glicolise, a oxidação da glicose ao açúcar de três carbonos piruvato oxidação do piruvato, a oxidação do piruvato para acetil coenzima A (acetil CoA) a ciclo do ácido cítrico(também referido como o ciclo de Kreb ou ciclo do TCA), a oxidação completa da acetil CoA e, finalmente, a oxidação dos portadores de elétrons reduzidos ligados à síntese de ATP. Os três primeiros estágios (glicólise, oxidação do piruvato e ciclo do ácido cítrico) serão descritos neste tutorial. Além disso, consideraremos o processo de fermentação, que ocorre na ausência de oxigênio, em que o piruvato é reduzido e uma variedade de subprodutos são gerados. A etapa final da respiração celular, a oxidação dos portadores de elétrons ligados à síntese de ATP, será abordada no próximo tutorial.


7.2 Glicólise

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Descreva o resultado geral em termos de moléculas produzidas durante a decomposição química da glicose por glicólise
  • Compare a saída da glicólise em termos de moléculas de ATP e moléculas de NADH produzidas

Como você leu, quase toda a energia usada pelas células vivas chega até elas nas ligações do açúcar glicose. A glicólise é o primeiro passo na quebra da glicose para extrair energia para o metabolismo celular. Na verdade, quase todos os organismos vivos realizam a glicólise como parte de seu metabolismo. O processo não usa oxigênio diretamente e, portanto, é denominado anaeróbico. A glicólise ocorre no citoplasma de células procarióticas e eucarióticas. A glicose entra nas células heterotróficas de duas maneiras. Um método é por meio do transporte ativo secundário, no qual o transporte ocorre contra o gradiente de concentração de glicose. O outro mecanismo usa um grupo de proteínas integrais chamadas proteínas GLUT, também conhecidas como proteínas transportadoras de glicose. Esses transportadores auxiliam na difusão facilitada da glicose.

A glicólise começa com a estrutura em forma de anel de seis carbonos de uma única molécula de glicose e termina com duas moléculas de um açúcar de três carbonos chamado piruvato. A glicólise consiste em duas fases distintas. A primeira parte do caminho da glicólise aprisiona a molécula de glicose na célula e usa energia para modificá-la de modo que a molécula de açúcar de seis carbonos possa ser dividida igualmente em duas moléculas de três carbonos. A segunda parte da glicólise extrai energia das moléculas e a armazena na forma de ATP e NADH - lembre-se: esta é a forma reduzida de NAD.

Primeira metade da glicólise (etapas que requerem energia)

Passo 1. A primeira etapa da glicólise (Figura 7.6) é catalisada pela hexoquinase, uma enzima com ampla especificidade que catalisa a fosforilação de açúcares de seis carbonos. A hexoquinase fosforila a glicose usando ATP como fonte do fosfato, produzindo glicose-6-fosfato, uma forma mais reativa de glicose. Essa reação impede que a molécula de glicose fosforilada continue a interagir com as proteínas GLUT, e ela não pode mais deixar a célula porque o fosfato carregado negativamente não permitirá que ela atravesse o interior hidrofóbico da membrana plasmática.

Passo 2. Na segunda etapa da glicólise, uma isomerase converte glicose-6-fosfato em um de seus isômeros, frutose-6-fosfato (esse isômero tem um fosfato ligado no local do sexto carbono do anel). Uma isomerase é uma enzima que catalisa a conversão de uma molécula em um de seus isômeros. (Esta mudança de fosfoglicose para fosfofrutose permite a divisão eventual do açúcar em duas moléculas de três carbonos.)

etapa 3. A terceira etapa é a fosforilação da frutose-6-fosfato, catalisada pela enzima fosfofrutocinase. Uma segunda molécula de ATP doa um fosfato de alta energia para frutose-6-fosfato, produzindo frutose-1,6-biesfosfato. Nessa via, a fosfofrutocinase é uma enzima limitadora da taxa. É ativo quando a concentração de ADP é alta, é menos ativo quando os níveis de ADP são baixos e a concentração de ATP é alta. Portanto, se houver ATP “suficiente” no sistema, o caminho fica mais lento. Este é um tipo de inibição do produto final, uma vez que o ATP é o produto final do catabolismo da glicose.

Passo 4. Os fosfatos de alta energia recém-adicionados desestabilizam ainda mais a frutose-1,6-bifosfato. A quarta etapa da glicólise emprega uma enzima, aldolase, para clivar a frutose-1,6-bifosfato em dois isômeros de três carbonos: fosfato de diidroxiacetona e gliceraldeído-3-fosfato.

Etapa 5. Na quinta etapa, uma isomerase transforma o dihidroxiacetona-fosfato em seu isômero, gliceraldeído-3-fosfato. Assim, a via continuará com duas moléculas de um gliceraldeído-3-fosfato. Nesse ponto do caminho, há um investimento líquido de energia de duas moléculas de ATP na quebra de uma molécula de glicose.

Segunda metade da glicólise (etapas de liberação de energia)

Até agora, a glicólise custou à célula duas moléculas de ATP e produziu duas pequenas moléculas de açúcar com três carbonos. Both of these molecules will proceed through the second half of the pathway, and sufficient energy will be extracted to pay back the two ATP molecules used as an initial investment and produce a profit for the cell of two additional ATP molecules and two even higher-energy NADH molecules.

Etapa 6. The sixth step in glycolysis (Figure 7.7) oxidizes the sugar (glyceraldehyde-3-phosphate), extracting high-energy electrons, which are picked up by the electron carrier NAD + , producing NADH. The sugar is then phosphorylated by the addition of a second phosphate group, producing 1,3-bisphosphoglycerate. Note that the second phosphate group does not require another ATP molecule.

Here again is a potential limiting factor for this pathway. The continuation of the reaction depends upon the availability of the oxidized form of the electron carrier, NAD + . Thus, NADH must be continuously oxidized back into NAD + in order to keep this step going. If NAD + is not available, the second half of glycolysis slows down or stops. If oxygen is available in the system, the NADH will be oxidized readily, though indirectly, and the high-energy electrons from the hydrogen released in this process will be used to produce ATP. In an environment without oxygen, an alternate pathway (fermentation) can provide the oxidation of NADH to NAD + .

Etapa 7. In the seventh step, catalyzed by phosphoglycerate kinase (an enzyme named for the reverse reaction), 1,3-bisphosphoglycerate donates a high-energy phosphate to ADP, forming one molecule of ATP. (This is an example of substrate-level phosphorylation.) A carbonyl group on the 1,3-bisphosphoglycerate is oxidized to a carboxyl group, and 3-phosphoglycerate is formed.

Etapa 8. In the eighth step, the remaining phosphate group in 3-phosphoglycerate moves from the third carbon to the second carbon, producing 2-phosphoglycerate (an isomer of 3-phosphoglycerate). The enzyme catalyzing this step is a mutase (isomerase).

Etapa 9. Enolase catalyzes the ninth step. This enzyme causes 2-phosphoglycerate to lose water from its structure this is a dehydration reaction, resulting in the formation of a double bond that increases the potential energy in the remaining phosphate bond and produces phosphoenolpyruvate (PEP).

Etapa 10. The last step in glycolysis is catalyzed by the enzyme pyruvate kinase (the enzyme in this case is named for the reverse reaction of pyruvate’s conversion into PEP) and results in the production of a second ATP molecule by substrate-level phosphorylation and the compound pyruvic acid (or its salt form, pyruvate). Many enzymes in enzymatic pathways are named for the reverse reactions, since the enzyme can catalyze both forward and reverse reactions (these may have been described initially by the reverse reaction that takes place in vitro, under nonphysiological conditions).

Link para aprendizagem

Gain a better understanding of the breakdown of glucose by glycolysis by visiting this site to see the process in action.

Outcomes of Glycolysis

Glycolysis begins with glucose and produces two pyruvate molecules, four new ATP molecules, and two molecules of NADH. (Note: two ATP molecules are used in the first half of the pathway to prepare the six-carbon ring for cleavage, so the cell has a net gain of two ATP molecules and two NADH molecules for its use). Se a célula não pode catabolizar ainda mais as moléculas de piruvato, ela irá colher apenas duas moléculas de ATP de uma molécula de glicose. Mature mammalian red blood cells do not have mitochondria and thus are not capable of aerobic respiration —the process in which organisms convert energy in the presence of oxygen—and glycolysis is their sole source of ATP. If glycolysis is interrupted, these cells lose their ability to maintain their sodium-potassium pumps, and eventually, they die.

The last step in glycolysis will not occur if pyruvate kinase, the enzyme that catalyzes the formation of pyruvate, is not available in sufficient quantities. In this situation, the entire glycolysis pathway will proceed, but only two ATP molecules will be made in the second half. Thus, pyruvate kinase is a rate-limiting enzyme for glycolysis.

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    • Authors: Mary Ann Clark, Matthew Douglas, Jung Choi
    • Editor / site: OpenStax
    • Book title: Biology 2e
    • Publication date: Mar 28, 2018
    • Local: Houston, Texas
    • Book URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/1-introduction
    • Section URL: https://openstax.org/books/biology-2e/pages/7-2-glycolysis

    © Jan 7, 2021 OpenStax. O conteúdo do livro didático produzido pela OpenStax é licenciado sob uma licença Creative Commons Attribution License 4.0. O nome OpenStax, logotipo OpenStax, capas de livro OpenStax, nome OpenStax CNX e logotipo OpenStax CNX não estão sujeitos à licença Creative Commons e não podem ser reproduzidos sem o consentimento prévio e expresso por escrito da Rice University.


    Plant Life

    The simple sugar glucose is generally considered the starting point for looking at glycolysis and fermentation. Glucose is a simple carbohydrate, consisting of carbon, hydrogen, and oxygen.

    Most glucose is produced by plants organisms that cannot photosynthesize must obtain glucose (or more complex carbohydrates) from their surroundings. Animals obtain food molecules by eating. Simpler forms of life, such as bacteria and yeast, simply absorb their food from their environment.


    Breaking Chemical Bonds

    The energy in glucose is locked up in the chemical bonds that hold the molecule together. The process of glycolysis breaks these chemical bonds in a series of carefully controlled chemical reactions. Each reaction can be greatly accelerated by the appropriate enzyme.Generally, cells have sufficient quantities of the necessary enzymes present at all times.

    Each chemical step is regulated by either the amount of raw materials present or the amount of finished product. If the raw materials are in short supply, the rate of reaction will be slow. Also, if the finished products build up to a high concentration, the reaction will slow down.

    The energy of the chemical bonds in glucose must be released gradually. During most of the chemical steps, small amounts of energy are released. The amount of energy released is often not enough to perform significant biological work, in which case it is simply wasted as heat.

    The energy released during some steps, however, is captured in the special high-energy bond of adenosine triphosphate (ATP). ATP is one of the most important of the short-term energy storage molecules in cells and is a coenzyme for many important chemical reactions.

    Adenosine Triphosphate

    ATP belongs to a class of organic molecules known as nucleotides. It has an important role in the energy reactions in the cell. The term “triphosphate” indicates that there are three phosphate groups attached to the base molecule. The last two of these phosphates are held by a special kind of chemical bond known as a high-energy bond.

    It takes a greater amount of energy to form one of these bonds than to form the normal kinds of bonds that hold the atoms of other molecules together. When this bond is broken, a large amount of energy is released and is available to the cell to do work.

    Examples of such work are production of heat, synthesis of complex molecules, and movement of molecules across a membrane. When energy is required in a cell, the third phosphate of ATP is released. While the third phosphate group is routinely split off to release energy, the second one is rarely split off in cellular reactions.

    The cell must maintain a supply of ATP by means of the reverse reaction. The energy required for this reaction may come from fermentation when oxygen is unavailable. When oxygen is available, other components of cellular respiration are used, which include the Krebs cycle and electron transport.

    Energy from glycolysis is used to make ATP by two different processes. During glycolysis the glucose molecules are each split into two smaller molecules. The initial glucose molecules contain six carbon atoms each. Each molecule of glucose produces two molecules of pyruvic acid, and each pyruvic acidmolecule contains three carbon atoms.

    During glycolysis, energy is released from the bonds of glucose molecules and is used to join free phosphate ions (also called inorganic phosphate or Peu) with molecules of adenosine diphosphate (ADP) to make ATP. This type of ATP synthesis is called substrate-level phosphorylation.

    As a by-product, however, electrons are also stripped from glucose. These electrons are immediately trapped and held by another very important molecule, the electron carrier nicotinamide adenine dinucleotide (NAD).

    By convention, the empty electron carrier is denoted as NAD + . When the molecule is carrying a pair of electrons, it is denoted as NADH, since the molecule also picks up a hydrogen nucleus, or proton. The electrons held by NADH represent potential energy.

    In the presence of oxygen, these electrons can be passed to the electron transport system to make ADP by oxidative phosphorylation, while at the same time regenerating NAD + , which is required to maintain glycolysis. This second process for making ATP results in about eight times as much ATP per glucose molecule than from substrate-level phosphorylation in glycolysis.

    Because fermentation is carried out in the absence of oxygen, this process cannot be used. Instead, the NADH must be relieved of its electrons by an alternative process. The NAD + regeneration mechanism varies according to the type of organism.

    Glucose molecules are relatively stable and do not split readily. For glucose molecules to split, they must be energized by the addition of two phosphate groups to each glucose molecule from two ATP molecules. The third phosphate from each ATP molecule is transferred, along with its high-energy bond.

    Therefore, the initial steps of glycolysis actually use ATP, depleting some of the cell’s energy stores. Once glucose is energized, it readily splits under the influence of the appropriate enzyme. Each half of the glucose molecule then attaches another phosphate group from the cell’s pool of Peu.

    In a series of reactions, each half of the glucose molecule generates two ATP molecules by substrate-level phosphorylation. Therefore, glycolysis results in a net gain of two molecules of ATP per molecule of glucose. At the end of glycolysis there are two three-carbon molecules of pyruvate left over for each original glucose molecule.

    Fermentação

    Under aerobic conditions, further energy from the chemical bonds of pyruvic acid is harvested by the Krebs cycle and electron transport system. When oxygen is not available (anaerobic conditions), however, the electrons must be removed from the NADH to regenerate NAD + .

    While there are many ways of accomplishing this, the most common methods are alcoholic fermentation, as observed in yeast, where the end products are ethyl alcohol and carbon dioxide, and lactic acid fermentation, as observed in the muscles of a mammal during strenuous physical exercise. In any event, no further energy is gained for the cell.

    In yeast cells cultured in the absence of oxygen, a carbon atom and two oxygen atoms are first split from pyruvic acid, releasing a molecule of carbon dioxide (CO2). This CO2 gas is responsible for the bubbles that make bread rise and the carbonation in champagne.


    The remainder of each pyruvic acid molecule then receives a pair of electrons from NADH, producing a molecule of ethyl alcohol (ethanol). The alcohol evaporates from bread when it is baked but is retained for its mildly euphoric effect in alcoholic beverages.

    As far as the yeast is concerned, the alcohol is only produced as away of regenerating NAD + . It is not a desirable product and will eventually kill the yeast cells. Most yeast cells cannot tolerate an alcohol concentration greater than about 12 percent.

    Cellular respiration is the process by which organisms harvest usable energy in the form of ATP molecules from food molecules. Fermentation is the form of respiration used when oxygen is not available.

    Fermentation is much less efficient than aerobic cellular respiration. Fermentation harvests only two molecules of ATP for every glucose molecule used. Aerobic respiration reaps a yield of more than thirty molecules of ATP.

    Additionally, the typical products of fermentation, alcohol or lactic acid, are toxic to the organism producing them. Most forms of life will resort to fermentation only when oxygen is absent or in short supply. These are described as facultative anaerobes.

    While higher forms of life, such as animals, can obtain energy by fermentation for short periods, they enter an oxygen debt, which must eventually be repaid. The yield of two molecules of ATP for each glucose molecule used is simply not enough to sustain their high demand for energy.

    A few simple forms of life, mostly bacteria, rely solely on fermentation for their source of ATP. To some of these, oxygen is actually poisonous. These are described as obligate anaerobes, and they are only found under the completely anaerobic conditions of the deeper layers of mud in saltwater and freshwater marshes.


    Assista o vídeo: Faz estourar de tantas flores produz a ano inteiro (Janeiro 2022).