Bioquímica Vegetal 28 01 10

CENTRO UNIVERSITÁRIO DE PATOS DE MINAS (UNIPAM) (UNI PAM) LABORATÓRIO DE FISIOLOGIA VEGETAL BIOQUÍMICA VEGETAL

Eng. Agr. Dr. EVANDRO BINOTTO BI NOTTO FAGAN

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Unidades: 1Pa = 1N m 2 1Pa = 10-5 bar 1Pa = 9,87x10 -6 ATM 1bar = 1ATM 1ATM = 101325 Pa 1ATM = 0,1 Mpa 1 joule = 1 N × m (A aplicação da força de um newton pela distância de um metro) Ligações químicas Pontes de hidrogênio: 20 kJ mol -1 Ligação covalente: 450 kJ mol -1 Força de Wander Walls: 4,2 kJ mol -1 Ligação iônica: ligação entre metal e não metal (força similar as covalentes)

Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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1- Introdução e apresentação da disciplina 2- Propriedades físicas da água 3 – Biomoléculas 3.1 Sacarídeos 3.1.2 Definição e grupamento químico 3.1.2 Classificação 3.1.3 Quiralidade 3.1.4 Açúcares dextrógiros e levógiros 3.2 Proteínas 3.2.1 Definição e grupamento químico 3.2.2 Aminoácidos e classificação 3.2.3 Polipeptídios 3.2.4 Estrutura das proteínas 3.2.5 Forças moleculares em proteínas 3.2.4 Proteínas de ação catalítica 3.2.4.1 Enzimas 3.2.4.2 Fatores que interferem na atividade das enzimas 3.2.4.3 Cofatores 3.2.4.4 Coenzimas 3.2.4.5 Inibição enzimática 3.2 Lipídeos 3.2.1 Definição e grupamento químico 3.2.2 classificação do lipídeos 3.2.2.1 Ácidos graxos (saturados e insaturados) 3.2.2.2 Triacilglicerídes, fosfolipídeos e glicolipídeos 3.2.3 Funções 3.3 Ácidos nucléicos 3.2.1 Definição e grupamento químico 3.2.2 DNA e RNA 3.2.2.1 ácidos nucléicos e informação i nformação genética Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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3.2.3 Moléculas energéticas 3.2.3.1 ATP, GTP 3.2.3.2 Cofatores: NADPH, NADH e FADH2 3.2.3 Funções 4. Bioenergética 4.1 Fotossíntese: 4.1.1 Fase fotoquímica 4.1.2 Fase carboxilativa 4.2 Respiração celular 4.3 Lipogenese e beta oxidação 4.4 Formação de aminoácidos e proteínas


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1- Introdução e apresentação da disciplina A bioquímica é uma disciplina que trata de vários processos essenciais para o crescimento e desenvolvimento de organismos vivos. A bioquímica vegetal é essencial para o entendimento do metabolismo de células e suas relações com processos fisiológicos como, fotossíntese, respiração celular, absorção de água e nutrientes, processos de fotomorfogênese e demais rotas metabólicas que dependem diretamente e indiretamente dessas reações. As reações metabólicas são divididas em catabólicas e anabólicas. As catabólicas envolvem processos de degradação de moléculas e as anabólicas envolvem processos de síntese de moléculas (Figura 1).

Figura 1. Processos anabólicos e catabólicos em células (ALBERTS et al., 2004) Na bioquímica vários tipos de compostos orgânicos fazem parte do metabolismo celular (Tabela 1). (i) Cetona: são compostos orgânicos caracterizados pela presença do grupamento C=O, carbonila, ligado a dois radicais orgânicos. (ii) Aldeídos: são compostos químico orgânico que se caracteriza pela presença, em sua estrutura, do grupamento H—C=O (formila ou formilo), ligado a um radical alifático ou aromático. (iii) Ácido carboxílico: são ácidos orgânicos caracterizados pela presença do grupo carboxila. Em fórmulas químicas, esses grupos são tipicamente representados como COOH. (iv) Fenóis: apresentam uma hidroxila ligada a um anel aromomático.


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(v) Aminas: Aminas: Podem ser derivados da amônia (NH 3) substituindo o hidrogênio por outros grupos. Se substituirmos um, dois ou três hidrogênios, teremos, respectivamente, aminas primárias (R-NH2), secundárias(R1R2NH) ou terciárias (R1R2R3N). Tabela 1. 1. Principais grupos funcionais observados em moléculas orgânicas.

2- Propriedades físicas da água A água é uma das substâncias mais comuns e mais importantes na superfície da Terra, foi nela que a vida evoluiu e é nela que se processam as principais reações bioquímicas (LARCHER, 1995). Os tecidos mais tenros das plantas são constituidos em 90% a 95% por água. Apesar de terem de garantir uma percentagem tão elevada de água no seu corpo as plantas não se podem deslocar para ir buscar a mesma. Assim, a compreensão da forma como as plantas a vão obter, distribuir pelos diferentes tecidos do seu corpo e como a conseguem armazenar é um dos aspectos fundamentais da Fisiologia Vegetal.


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2.1 Estrutura molecular da água: A importância da água para a vida provém das suas características físicas e químicas que por sua vez vez resultam da sua sua estrutura molecular (KRAMER; (KRAMER; BOYER, 1995). Quando os dois átomos de hidrogênio e o de oxigênio se combinam para formar água há um compartilhamento de elétrons dos átomos de hidrogênio e o do oxigênio (Figura 2).

Figura 2. Representação esquemática da estrutura da molécula de água onde se podem observar os pares de elétrons compartilhados (sombreados), e os pares isolados do oxigênio (chavetas). Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.1, pag. 6 covalente, cada átomo contribui com um Neste tipo de ligação, conhecida como covalente, elétron; os dois pares de elétrons compartilhados que constituem a ligação são mantidos juntos por ambos os núcleos. As ligações covalentes são muito fortes (450 kJ mol -1), e assim, a molécula de água é extremamente estável. A distribuição de cargas elétricas na molécula de água é assimétrica: os elétrons não compartilhados do oxigênio encontram-se em um lado, enquanto que os dois núcleos dos átomos de hidrogênio se encontram no outro (Figura 2). Desta assimetria resulta um lado da molécula carregada negativamente e o outro lado positivamente, formando o que se chama um dípolo (LARCHER, 1995). Como consequência do carácter dipolar da água, o seu lado positivo é atraído por cargas negativas e o seu lado negativo é atraído por cargas positivas. Assim, quando se dissolvem sais em água, dissociam-se em íons positivos ( cátions) cátions) e íons negativos (ânions ( ânions), ), cada um dos quais se encontra envolvido por uma “concha” de moléculas de água orientadas (Figura 3), que são as responsáveis pela separação dos íons em soluções aquosas (TAIZ; ZEIGER, 2004). A espessura da “concha” depende da intensidade de carga à superfície.


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Rb+ Cs+

K+

Na+

(A)

(B)

Aumento do peso atómico → Diminuição da densidade de carga → Aumento do raio do ião → (C)

Figura 3. A) e B) orientação das moléculas de água em relação a superfícies carregadas; C) dimensões relativas de cátions hidratados, as áreas sombreadas representam a “concha” de moléculas de água que envolve cada íon. Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.3, pag. 7 Outra conseqüência da elevada polaridade da água é a sua capacidade para formar as chamadas pontes de hidrogênio, hidrogênio, isto é, ligações entre átomos eletro-negativos, como o oxigênio ou o nitrogênio, através de um núcleo de hidrogênio (Figura 4). Estas pontes de hidrogênio apresentam energia de ligação em torno de 20 kJ mol -1, em comparação com a energia da ligação covalente O  H (TAIZ; ZEIGER, 2004).


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Figura 4. Exemplos de pontes de hidrogênio (linhas ponteadas): a) entre um u m grupo de átomos AH e outro grupo de átomos B; b) entre duas moléculas de água; c) entre duas moléculas de amónia; d) entre um grupo hidroxilo e uma molécula de água; e) entre um grupo carbonilo e um grupo imino. Retirado de Noggle e Fritz (1976), fig. 3, pag.379 Para além das pontes de hidrogênio existem ainda as chamadas forças de Van der Waals que são forças de atração molecular ainda mais fracas que as pontes de hidrogênio, cerca de 4.2 kJ mol –1. Em moléculas neutras, isto é, não polares, estas forças resultam do fato dos elétrons estarem permanentemente em movimento, de modo que o centro de cargas negativas nem sempre corresponde ao centro de cargas positivas (KRAMER; BOYER, 1995). As moléculas de água no estado sólido (gelo) encontram-se dispostas simetricamente em uma estrutura em que as pontes de hidrogênio formam uma malha. O átomo de oxigênio de cada molécula de água está rodeado de átomos de hidrogênio de outras moléculas em uma disposição tetraédrica, de tal modo que os átomos de oxigênio formam anéis de 6 membros. Esta estrutura é chamada aberta porque o espaço dentro de cada anel é suficiente para acomodar outra molécula de água (Figura 5). No estado líquido as pontes de hidrogênio quebram-se e formam-se continuamente por rotação e vibração das moléculas de água, o que causa ruptura e reestruturação da malha com uma grande rapidez, talvez bilhões de vezes por segundo. A grande quantidade de pontes de hidrogênio presentes na água no estado líquido, é responsável pelas características únicas e biologicamente importantes da água (KRAMER; BOYER, 1995). Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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Figura 5. Esquema da estrutura “aberta” da água no estado sólido. Retirado de Krame; Boyer (1995), fig. 2.7, pag. 24 2.2. Propriedades físicas e químicas da água 2.2.1. Estado físico Quanto maior for o peso molecular de um composto, maior é a probabilidade de ser um sólido ou um líquido l íquido a uma temperatura de 20 ºC. Quanto menor for o seu peso molecular maior será a probabilidade de ser um líquido ou um gas à mesma temperatura. Para um composto passar do estado sólido para o líquido, ou do líquido para o gasoso, isto é, para quebrar as forças que ligam as suas moléculas umas às outras, é necessário tanto mais energia, quanto mais pesadas forem as moléculas. Por exemplo, o metano (peso molecular, PM = 16), o etano (PM = 30) e o propano (PM = 44), que são hidrocarbonetos de baixo peso molecular, assim como a amônia (PM = 17), e o dióxido de carbono (PM = 44) são todos gases a 20 ºC. No entanto, a água (PM = 18) a esta temperatura é um líquido. A explicação para isto é que as pontes de hidrogênio constituem uma força de atração entre as moléculas de água que é particularmente elevada, inibindo a sua separação e escape na forma de vapor. Por outro lado, os hidrocarbonetos, no estado líquido, têm apenas forças de Van der Waals a ligarem as suas moléculas e, assim, necessitam de pouca energia para as conduzir ao estado gasoso.


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2.2.2 Compressibilidade Para todos os efeitos práticos os líquidos são incompressíveis. Assim, as leis da hidráulica são aplicáveis aos organismos vivos porque estes são constituídos em grande parte por água. 2.2.3 Calor específico O Calor específico é a quantidade de energia necessária para aumentar de 1 ºC, uma unidade de massa de uma substância. São necessários 4,184 J para aumentar de 1 ºC um grama de água pura. O calor específico da água pura varia apenas ligeiramente ao longo de toda a gama de temperaturas em que a água se encontra no estado líquido, e é o valor mais alto de todas as substâncias conhecidas, com exceção da amônia líquida (HOPKINS, 1995). Este valor tão elevado é devido ao arranjo molecular da água, que permite que os átomos de hidrogênio e oxigênio vibrem livremente, quase como se fossem íons livres. Assim, podem absorver grandes quantidades de energia sem que haja grandes aumentos de temperatura. 2.2.4 Calor latente de vaporização e de fusão São necessários 2 452 J para converter 1 g de água a 20 ºC, a 1 g de vapor de água a vaporização, invulgarmente alto, é causado pela tenacidade das 20 ºC. Este calor latente de vaporização, pontes de hidrogênio e, assim, da larga quantidade de energia necessária para que uma molécula de água no estado líquido se separe das restantes. Uma conseqüência deste elevado calor latente de vaporização é que as folhas arrefecem sempre que perdem água por transpiração. Para fundir 1 g de gelo a 0 ºC são necessários 335 J. Este valor é muito elevado e deve-se igualmente às pontes de hidrogênio que existem entre as moléculas de água, embora devido à estrutura aberta do gelo, cada molécula de gelo estabeleça um número menor de pontes de hidrogênio com as moléculas adjacentes (HOPKINS, 1995). 2.2.5 Maior densidade no estado líquido Quando o gelo funde o volume total da água diminui. Isto deve-se ao fato que no estado líquido as moléculas se organizam mais eficientemente que no estado sólido, ficando cada uma rodeada por outras 5 ou 6 moléculas, em oposição ao estado sólido em que, como vimos anteriormente, cada molécula de água está rodeada apenas por quatro outras. O resultado desta diferença de organização é que a água expande-se quando solidifica e, assim, o gelo tem uma densidade menor que a água líquida. Deste modo, durante o Inverno o gelo flutua nos lagos e correntes de água em vez de ir para o fundo, onde poderia permanecer sem derreter durante o Verão seguinte (KRAMER; BOYER, 1995). Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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2.2.6 Viscosidade A viscosidade de um fluido indica a sua resistência a fluir, isto é, a dificuldade de uma camada deslizar ao longo de outra camada. Como as pontes de hidrogênio podem restringir o deslizar de camadas adjacentes de líquidos, a viscosidade da água é relativamente elevada em comparação com solventes que estabeleçam poucas ou nenhumas pontes de hidrogênio, como por exemplo a acetona, o benzeno, e outros solventes orgânicos com moléculas pequenas. O diminuir da viscosidade com o aumentar da temperatura reflete a quebra das pontes de hidrogênio e também o diminuir de outras forças de atração, como as de Van der Waals, devido ao aumentar do movimento térmico das moléculas (KRAMER; BOYER, 1995). 2.2.7 Adesão e coesão Devido à sua polaridade, a água é atraída por muitas outras substâncias, ou seja, é capaz de molhar superfícies formadas por essa substância. É o caso das moléculas de proteínas e os polisacáridos das paredes celulares, que também são altamente polares. Esta adesão, e é devida às pontes de hidrogênio que atração entre moléculas diferentes é chamada adesão, se estabelecem entre moléculas. A atração entre moléculas semelhantes é chamada coesão. coesão. São as forças de coesão que conferem à água uma força de tensão invulgarmente elevada, isto é, a tensão máxima que uma coluna ininterrupta de água pode sofrer sem quebrar é extremamente elevada (HOPKINS, 1995). Em uma coluna de água fina e confinada, como as que existem no xilema de um caule, a força de tensão pode atingir valores muito elevados (cerca de –30 MPa) de modo a que a coluna de água é “puxada” sem quebrar até ao topo de árvores. Este valor representa cerca de 10% da força de tensão do fio de cobre ou de alumínio, o que é de fato considerável (TAIZ; ZEIGER, 2004). 2.2.8 Tensão superficial É a coesão entre moléculas de água que permite explicar a elevada tensão de superfície deste composto. As moléculas à superfície de um líquido estão continuamente a ser puxadas para o interior do líquido pelas forças de coesão, enquanto que na fase gasosa há menos moléculas que, por isso, estão demasiado distantes para exercer uma força nas que estão à superfície (Figura 6). Assim, uma gota de água atua como se estivesse coberta por uma “película” apertada e elástica. É a tensão de superfície que faz com que uma gota tenha uma forma esférica, e que permite que certos insetos andem sobre a água. A tensão de superfície da água é maior que a da maior parte dos líquidos. lí quidos.


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Figura 6. Demonstração esquemática da tensão de superfície. As forças de atração entre as moléculas de água adjacentes (setas mais espessas) são maiores que entre as moléculas de água e ar (setas mais finas). fi nas). Esta diferença faz com que as moléculas à superfície tendam a ser puxadas para o interior da água líquida. Retirado de Hopkins (1995), fig. 2.3, pag. 27 Na Física, chama-se capilaridade à propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos muito finos. Este comportamento resulta da capacidade de o líquido molhar ou não a superfície do tubo. Quando um líquido entra em contato com uma superfície sólida, este vai ser sujeito a dois tipos de forças que atuam em sentidos contrários: a força de adesão, e a força de coesão. A força de adesão tem a ver com a afinidade do líquido para a superfície sólida, e atua no sentido de o líquido molhar o sólido. A força de coesão tem a ver com coesão do próprio líquido, e atua no sentido oposto. Se a força de adesão for superior à de coesão, o líquido vai interagir favorávelmente com o sólido, molhando-o, e formando um menisco. Se a superfície sólida for um tubo de raio pequeno, como um capilar de vidro, a afinidade com o sólido é tão grande que líquido sobe pelo capilar. No caso do mercúrio, acontece o contrário, pois este não tem afinidade com o vidro (a força de coesão é maior). A tendência do líquido de subir pelo capilar resulta da diferença de pressão gerada pela interface curva entre a fase líquida e a fase gasosa. Essa diferença de pressão pode ser calculada através da Equação de Laplace. Que é capilaridade? Sempre que você põe um líquido em contato com um sólido produz-se um "cabo de guerra" entre as moléculas, as do sólido puxando para seu lado, as do líquido para o outro. Assim, se você derramar um pouco de água em uma lâmina limpa de vidro, o vidro atrairá as moléculas de água mais fortemente do que elas se atraem. Então a água é forçada a se espalhar na superfície do vidro. Derrame agora um pouco de água em uma lâmina de vidro engordurada. Assim, as moléculas de água se atraem mais fortemente do que a gordura as atrai. O "time local" vence e as moléculas de água se juntam em gôtas.


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Normamente as moléculas de água coerem uma às outras mais fortemente do que elas aderem a moléculas de tipo diferente. Mergulhe um tubo de vidro com um estreito canal em um vaso com água. O vidro atrairá a água e puxará um pouco da mesma para dentro do estreito canal. Essa atração de um líquido para o interior de estreitos espaços se chama capilaridade (do latim capillus, significando cabelo). Quando você encosta uma toalha de papel, ou mata-borrão, nas suas mãos molhadas, a atração do papel leva a água para seus finos poros e assim suas mãos ficam enxutas. Quando você lava as mãos, você põe sabão na água. Êle faz diminuir a tensão superficial da água. As moléculas da água então coerem menos fortemente e elas podem penetrar nos finos poros de sua pele. É mais fácil lavar-se com água quente porque o calor diminui a tensão superficial dos óleos e graxas. Força de Adesão = 1+cos α /1 2.2.9 Solubilidade Uma das características principais da água é a sua capacidade de dissolver quase todas as substâncias em quantidades superiores à maioria dos líquidos. A ação dissolvente da água depende de pelo menos um de três tipos de interações entre as moléculas de água e as moléculas de solutos: (i) Substâncias não ionizáveis, mas polares: São substâncias que contêm oxigênio ou nitrogênio na forma de grupos  OH,  NH2, a sua solubilização é devida à formação de pontes de hidrogênio entre as suas moléculas e as da água. (ii) Substâncias ionizáveis: A sua solubilidade deve-se ao carácter dipolar da água que dielétrica, isto é, a capacidade de neutralizar a atração entre lhe confere uma constante dielétrica, cargas elétricas, muito elevada. Cada íon em solução tem como que uma “concha” de moléculas à sua volta. Esta “concha” atua como um campo de isolamento elétrico que diminui a força de atração entre íons com cargas opostas, mantendo-os afastados na solução. (iii) Substâncias não polares: Como por exemplo a alanina e outros amino ácidos neutros. Estes compostos dissolvem-se na água por causa das forças de Van der Waals. 2.2.9 Dissociação da água e a escala de pH Algumas das moléculas de água separam-se em íons hidrogênio (H +) e hidroxila (OH-) no processo chamado dissociação ou ionização. ionização. A tendência para que estes íons se recombinem é uma função da probabilidade para que ocorram colisões entre eles, o que por Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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sua vez depende do número relativo de íons presentes na solução. A lei da ação de massas pode ser expressa matematicamente igualando o produto das concentrações concentrações molal (m = moles por quilo de água) a uma constante: +

-

[H ] . [OH ] = K

Em uma solução diluida, as concentrações molal são virtualmente iguais às concentrações concentrações molar (M = moles por litro de solução final). A temperaturas próximas dos 20 ºC, K =10-14, e assim, em água pura a concentração quer de [H+], quer de [OH-] é igual a 107

M. pH, em que A concentração de íons hidrogênio é expressa por uma escala de pH,

pH = - log [H+]. Ou seja, o pH é igual ao valor absoluto da concentração do íon hidrogênio, expresso como um expoente negativo de 10. Por exemplo, quando [H+] = 10 -4 , então o pH = 4. A neutralidade é expressa por pH = 7 ( [H+] = [OH-]); valores abaixo de 7 indicam acidez, e valores acima de 7 indicam alcalinidade. As unidades de pH são múltiplos de 10 em uma escala logarítmica, e como tal não podem ser nem adicionados, nem subtraídos. De fato, são necessários 10 vezes menos H + para mudar o pH de uma solução tamponizada de 7 para 6, que de 6 para 5.


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PROPRIEDADES FÍSICAS DA ÁGUA: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1- Por que durante a evolução tanto de plantas como de animais a água foi a molécula que mantida em maiores quantidades nesses organismos? 2- Porque a água nos lagos e rios congelam de cima para baixo? (comente através de explicações físicas) 3- Relacione absorção de água com deficiência nutricional relacionando com as propriedades físicas da mesma? 4- Existe relação entre o cuidado que mergulhadores apresentam quando se encontram em altas profundidades com a transpiração de plantas em locais quentes e secos? Explique. 5- O que é tensão superficial e porque a aplicação desse conceito é importante na eficiência de aplicação de produtos agrícolas? 6- Explique como as propriedades da água auxiliam no transporte de água em plantas 7- Porque as plantas necessitam transpirar até 98% da água absorvida? Relacione a sua resposta com as propriedades físicas da água. 8- Porque a água é uma sustância polar e qual a sua realção com a solubilidade, isto é porque a aplicação de defensivos normalmente é misturado com água?


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3 – Biomoléculas 3.1 Sacarídeos: Essa palavra deriva do latim em que açúcar é

saccharum,

sendo derivado do termo

saccharide o qual é a base do sistema de classificação de carboidratos. Os sacarídeos são formados por aldeídos e cetonas polihidroxi ou substâncias que a hidrolise produz aldeídos e cetonas.” Os sacarídeos são produzidos a partir do processo fotossintético, sendo inicialmente a

energia da luz transformada em energia química (ATP e NADPH) que posteriormente é utilizada para reduzir o carbono atmosférico (CO2) formando uma triose, o gliceraldeído. A maioria de monossacarídeos e os dissacarídeos são chamados açúcares porque tem sabor adocicado. Todos os hidratos de carbono são sólidos na temperatura ambiente. Por apresentar muitos grupos OH, são extremamente solúveis na água (podem fazer muitas pontes de hidrogênio). Os monossacarídeos são moléculas orgânicas formadas por átomos de carbono (C), hidrogênio (H) e oxigênio (O) na proporção 1: 2: 1, respectivamente, apresentando apresentando a fórmula O)n, em que “n” pode variar de 3 a 7. O nome genérico do monossacarídeo está geral (CH2O)n, relacionado com o valor de n. sendo n = 3 trioses; n= 4 tetroses; n = 5 pentose, n+ 6 hexose, n=7 heptulose. Os sacarídeos são classificados em: (i) Monosacarídeos: é considerado um simples carboidrato que não pode ser quebrado para formar pequenos polissacarídeos. Os monossacarídeos mais abundantes são as hexoses glicose, o mais importante com fórmula geral (C6H12O6). Nessa classe, se inclui a glicose, combustível para a maioria dos seres vivos, componente dos polissacarídeos mais importantes, como o amido e a celulose. Outras hexoses importantes são a frutose e a galactose. (ii) Disacarídeos em hidrólise forma dois monossacarídeos. Ex: Lactose: ligação b(1

→

4)

glicosídea entre uma galactose e uma glicose, Maltose, é uma ligação entre duas glicoses a(1 → 4). Sacarose: ligação a, b(1 → 2) glicosídea entre uma glicose e uma frutose. (iii) Polisacarídeos (do grego polus significa muitos) em hidrolise e quebrado para formar muitos monossacarídeos. São moléculas orgânicas formadas pela união de mais 10 moléculas de monossacarídeos.Os polissacarídeos são abundantes na natureza, podendo ter função biológica de reserva energética, como o amido e o glicogênio ou função Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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estrutural, como a celulose e a quitina. Os Polissacarídeos de Reserva Energética em plantas é o amido é o polissacarídeo de reserva energética dos vegetais, sendo armazenado nas células do parênquima amiláceo de caules (batatinha) e raízes (mandioca). Em animais o glicogênio é o polissacarídeo de reserva energética, sendo armazenado no fígado e músculos. A celulose é o polissacarídeo presente na membrana celulósica das células vegetais (imagine sua abundância na natureza). Está relacionada com a estrutura e forma das células vegetais. O aproveitamento da celulose na forma de moléculas de glicose só é possível na presença da enzima celulase, que é produzida por microrganismos como bactérias e ruminantes, protozoários, que vivem em simbiose no sistema digestivo de organismos como ruminantes, moluscos, etc. No ser humano, a presença de celulose na dieta (alimentação) garante o bom funcionamento do intestino, a retenção de água ao bolo fecal, facilitando sua eliminação. Nos artrópodes, o polissacarídeo quitina é um material impermeabilizante do exoesqueleto, garantindo boa adaptação à vida terrestre. Os açúcares tem características óticas que podem ser utilizar para distinguir suas diferenças em atividades fisiológicas, que é denominada de quiralidade. Em 1894 William Thomson definiu um objeto como quiral aquele que a imagem refletida no espelho parece igual mas não pode se sobrepor. Muitos objetos quirais são, meias, luvas, orelhas, pés… O centro quiral é um centro tetraédrica que se liga a quatro tipos diferentes de grupos de carbonos (Figura 7). A molécula que tem n centros quirais o qual apresenta um máximo de 2n estereoisomeros. Carbonos que apresentam duplas ou triplas ligações não pode apresentar centros quirais (Figura 8). Estas moléculas são isômeros.


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Figura 7. 7. Diferenças entre Enatiômeros e Distereomeros.

Figura 8. Estrutura de moléculas quirais e aquirais Os sacarídeos são moléculas quirais permite a classificação dos mesmos. Isômeros são compostos diferentes que apresentam a mesma fórmula molecular e diferente forma estrutural. Nesse caso Isômeros Cis, significa que Cis: mesmo lado e Trans, lados opostos (Figura 9)


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Figura 9. Descrição das isomerias Cis e Trans. As letras D e L para enantiomeros específicos dos hidratos de carbono. Ao invés de utilizar a designação específica de cada carbono quiral na molécula, observa-se o último grupo do OH unido ao carbono quiral o mais distante do grupo de carbonila. Na projeção de Fischer, isto estará perto da parte inferior do desenho. Pela convenção, se o grupo hidroxil está na direita em compostos denomina-se D. Se o grupo hidroxil está na esquerda em compostos denomina-se L (Figura 10).

Figura 10. Representação para enatiomeros de glicose específicos. Em torno de 200 diferentes monossacarídeos conhecidos são agrupados de acordo com (i) o número de átomos que de carbono contêm; (ii) se são aldeídos ou cetonas. Os Monossacarídeos Monossacarídeos que são aldeídos são chamados aldoses e os que são cetonas de cetoses. Por exemplo as aldohexoses são glicoses que contêm aldoses e a cetohexoses são glicoses que contém cetoses (Figura 11).


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Figura 11. 11. Visualização das estruturas de diferentes cetoses e aldoses 3.2 Lipídeos São substâncias hidrofóbicas solúveis em solventes orgânicos. Muitos lipídeos de membrana são amfipáticos, tem uma parte final não polar e uma polar end (Figura 12). A maioria dos lipídeos é derivada ou possui na sua estrutura ácidos graxos. A dupla ligação no ácido graxo geralmente tem configuração Cis. Muitos ácidos graxos que ocorrem naturalmente possuem mesmo número de carbonos. O ácido graxo com 16C tem uma dupla ligação cis entre o átomo de carbono 9 -10 e pode ser representado como 16:1 cis D 9.


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Figura 12. 12. Estrutura de lipídeos na membrana celular. Os lipídeos geralmente ocorrem combinados, seja covalentemente ou através de ligações fracas, como membros de outras classes de biomoléculas, para produzir moléculas hídricas tais como glicofosfolipídeos, que contêm tanto carboidratos quanto grupos lipídicos, e lipoproteínas (Figura 13), que contêm tanto lipídeos como proteínas (JOYCE; DIWAN, 2006).

Figura 13. Estrutura da membrana celular de plantas. (TAIZ; ZEIGER, 2004). Os lipídeos não apresentam característica estrutural comum, entretanto todos possuem muito mais ligações carbono-hidrogênio do que as outras biomoléculas, e a grande maioria possui poucos heteroátomos. São moléculas pobres em dipolos localizados (carbono e hidrogênio, possuem eletronegatividade semelhante). Na química é conceituado que "o semelhante dissolve o semelhante": razão para estas moléculas serem fracamente solúveis em água ou etanol (solventes polares) e altamente solúveis em solventes orgânicos (geralmente apolares) (JOYCE; DIWAN, 2006). As principais funções dos lipídios são: (i) reserva energética, pois 1g de gordura equivale a 9 kcal, principalmente constituída pelos triacilgliceróis (triglicerídeos); (ii) possibilita o armazenamento e transporte de combustível metabólico; (iii) fonte de energia quando oxidados na respiração celular; (iv) componente estrutural das membranas biológicas; (v) isolamento térmico, elétrico e mecânico para proteção de células e órgãos; (vi) originam Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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moléculas mensageiras, como hormônios, prostaglandinas, (vii) triacilgliceróis, devido à sua função de substâncias de reserva, são acumuladas principalmente no tecido adiposo, para ocasiões em que há alimentação insuficiente. 3.2.1 Alguns ácidos graxos comuns: (i) 14:0 14:0 Ácido myristic; (ii) 16:0 Ácido palmitico; (iii) 18:0 Ácido estearicod; (iv) 18:1 cis D9 Ácido oleico Existe uma livre rotação entre a ligação C-C no ácido graxo exceto quando existe uma dupla ligação. Cada dupla ligação cis causa uma torção no cadeia. A rotação entre carbonos permite uma estrutura mais linear, mas também pode ser devido a torção JOYCE; DIWAN, 2006). 3.2.2 Ácidos graxos e sabão A hidrólise ácida dos triacilglicerídios age nos ácidos graxos os quais possuem carboxílicos.Este grupo é geralmente chamado de lipídeos saponificáveis, porque a reação destes com uma solução quente de hidróxido de sódio produz o correspondente sal sódico do ácido carboxílico, isto é, o sabão (BUCHANAN, 2000). 3.2.3 Ácidos graxos saturados e insaturados Os insaturados (que contém ligações duplas) são facilmente convertidos em saturados através da hidrogenação catalítica (este processo é chamado de redução). A presença de insaturação nas cadeias de ácido carboxílico dificulta a interação intermolecular, fazendo com que, em geral, estes se apresentem, à temperatura ambiente, no estado líquido (BUCHANAN, 2000). 3.2.4 Triglicerídeos Os saturados, com uma maior facilidade de empacotamento intermolecular, são sólidos. A margarina, por exemplo, é obtida através da hidrogenação de um líquido - o óleo de soja ou de milho, que é rico em ácidos graxos insaturados (BUCHANAN, (BUCHANAN, 2000). Conhecidos como gorduras neutras, esta grande classe de lipídeos não contém grupos carregados. São ésteres do glicerol - 1,2,3-propanotriol. Estes ésteres possuem longas cadeias carbônicas ligadas ao glicerol, e a hidrólise ácida promove a formação dos ácidos graxos correspondentes e o álcool (glicerol) (BUCHANAN, 2000). Um das principais funções é armazenamento de energia, cada ligação C-H é um sítio potencial para a reação de oxidação, um processo que libera muita energia.


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Os triacilgliceróis são lipídeos formados pela ligação de 3 moléculas de ácidos graxos com o glicerol, um triálcool t riálcool de 3 carbonos, através de ligações do tipo ti po éster. Os ácidos graxos que participam da estrutura de um triacilglicerol são geralmente diferentes entre si. Função de reserva de energia, principalmente 1 grama fornece aproximadamente o dobro da energia fornecida por carboidratos (BUCHANAN, 2000). 3.2.4 Fosfolipídeos Os fosfolípideos são ésteres do glicerofosfato. O fosfato é um diéster fosfórico, e o grupo polar do fosfolipídio. A um dos oxigênios do fostato podem estar ligados grupos neutros ou carregados, como a colina, a etanoamina, o inositol, glicerol ou outros. As fostatidilcolinas, por exemplo, são chamadas de lecitinas (BUCHANAN, 2000). Os “Lipídeos Polares" são lipídeos que contém fosfato na sua estrutura, sendo os mais importantes derivados do glicerol fosfoglicerídeos, o qual está ligado por uma ponte tipo fosfodiéster geralmente a uma base nitrogenada (BUCHANAN, 2000). As membranas celulares são elásticas e resistentes graças às fortes interações hidrofóbicas entre os grupos apolares dos fosfolipídios (BUCHANAN, 2000). 3.2.5 Esteróides Os esteróides são lipídeos derivados do colesterol. Eles atuam, nos organismos, como hormônios. A testosterona é o hormônio sexual masculino, enquanto que o estradiol é o hormônio responsável por muitas das características femininas. O colesterol é um esteróide importante na estrutura das membranas biológicas, e atua como precursor na biossíntese dos esteróides biologicamente ativos, como os hormônios esteróides e os ácidos e sais biliares São associações entre proteínas e lipídeos encontradas na corrente sanguínea, e que tem como função transportar e regular o metabolismo dos lipídeos l ipídeos no plasma. 3.2.5 Classificação Quilomícron: É a lipoproteína menos densa, transportadora de triacilglicerol exógeno na corrente sanguínea. VLDL: "Lipoproteína de Densidade Muito Baixa", transporta triacilglicerol endógeno; IDL: "Lipoproteína de Densidade Intermediária", é formada na transformação de VLDL em LDL; LDL: "Lipoproteína de Densidade Baixa", é a principal transportadora de colesterol; seus níveis aumentados no sangue aumentam o risco de infarto i nfarto agudo do miocárdio;


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HDL: "Lipoproteína de Densidade Alta"; atua retirando o colesterol da circulação. Seus níveis aumentados no sangue estão associados a uma diminuição do risco de infarto agudo do miocárdio. 3.2.5 Proteínas Proteínas são substâncias encontradas em todos os organismo formados por C, H, O e N, além disso pode estar ligada a outros nutrientes, como o P, S, Cu... As cadeias polipeptídicas são normalmente compostas por 20 aminoácidos diferentes que são ligados covalentemente durante o processo de síntese pela formação de uma ligação peptídica. De modo geral podemos afirmar que proteínas é um conjunto de aminoácidos (Figura 14). Os aminoácidos são formados por grupamentos carboxílicos (COO -) e amina (NH2) e cadeia lateral (R). Os aminoácidos são ligados por ligações peptídicas. A ligação peptídica entre dois aminoácidos (Aa) é um exemplo especial de uma ligação do amido flanqueada em ambos os lados por átomos do carbono 1. Os ângulos ligados e os comprimentos do peptídeo são conhecidos de muitas observações diretas de estruturas da proteína. O comprimento da ligação do peptídeo (NC) é em torno de 1.33 Å. Isto é consideravelmente menor do que o comprimento da ligação não peptídica adjacente da NC de 1.45 Å. Os comprimentos das ligações e ângulos refletem a distribuição dos elétrons entre os átomos devido às diferenças na polaridade dos átomos, e a hibridação de seus orbitais da ligação. Os dois átomos mais eletronegativos, O e N, podem carregar cargas negativas parciais, e os dois átomos menos eletronegativos, C e H, podem carregar cargas positivas parciais. O grupo do peptídeo que consiste nestes quatro átomos pode ser pensado como de uma estrutura da ressonância assim, a ligação de peptídica tem o caráter de ligação o dobro do parcial, esclarecendo seu comprimento ligação intermediário. Como toda a ligação dobro, a rotação sobre o ângulo de ligação w do peptídeo é restrita, com uma barreira de energia de ˜ 3 kcal entre grupamentos cis e do transporte. Para todos os Aa, a configuração cis é desaprovada extremamente por causa do obstáculo steric entre correntes laterais adjacentes. O fechamento do anel na corrente lateral do prolina extrai o b-carbono longe do resíduo precedente, conduzindo para abaixar o obstáculo steric através da X-pro ligação de peptídeo. Na maioria de resíduos, o transporte à distribuição cis sobre esta ligação é aproximadamente 90 - 10, mas com prolina, proli na, o transporte à distribuição cis é aproximadamente 70 - 30. 3.2.6 Restrição na ligação da rotação Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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Quando houver uma rotação restrita sobre a ligação peptídica, há uma rotação livre sobre as quatro ligações ao um carbono de cada resíduo. Duas destas rotações são de relevância particular para a estrutura da espinha dorsal do polipeptídio. O nitrogênio (N) é um dos principais componentes das proteínas sendo este um dos motivos do decréscimo do crescimento em plantas deficientes nesse nutriente. O N elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de 70%). Nas plantas é um componente responsável por várias reações além de fazer parte da estrutura da clorofila de enzimas e proteínas (TAÍZ; ZIEGER, 2004; REYNOLDS et al., 1982).


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Figura 14. Estrutura de proteínas e aminoácidos (adaptado de BUCHANAM, 2000). A disponibilização de nitrogênio para as culturas pode ocorrer de formas diferenciadas de acordo com a espécie. Este nutriente pode ser absorvido do solo na forma de NH 4+ ou de NO3- ou através do N 2 atmosférico. Nas leguminosas o N é absorvido na forma de N 2 e transformado em NH4 através do processo simbiótico com bactérias (GERAHTY et al., 1992; TAÍZ; ZIEGER, 2004). Um caso típico desta associação é a simbiose entre leguminosas e bactérias do gênero

Rhyzobium,

Bradyrhizobium,

Azorizhobium,

sinorizhobium que colonizam as células corticais das raízes (TAÍZ;

photorizhobium,

ZIEGER, 2004).

As proteínas adquirem funções fisiológicas após adquirirem estrutura quanternária, a qual ocorre devido a interações que governam o enovelamento e a estabilidade das proteínas: (i) interações não-covalentes; (ii) repulsões de curto alcance; (iii) forças eletrostáticas; (iv) Waals; (v) pontes de hidrogênio; (vi) interações hidrofóbicas (Figura interações de Van de Waals; 15).

Figura 15. Tipos de ligações encontradas em aminoácidos e proteínas (PERSON, 2004). 3.2.7 Estruturas de proteínas 3.2.7.1 Estrutura primária É a ligação peptídica entre aminoácidos numa seqüência linear, onde apresenta uma extremidade "amino terminal" e uma extremidade “carboxi terminal”. Sua estrutura é somente a seqüência dos aminoácidos, sem se preocupar com a orientação espacial da molécula (Figura 16). 3.2.7.2 Estrutura secundária Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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É a estrutura oriunda do arranjo espacial de aminoácidos próximos entre si na seqüência primária da proteína. A estrutura secundária ocorre devido a possibilidade de rotação das ligações entre os carbonos e de seus aminoácidos nos grupamentos amina e carboxila (Figura 16). 3.2.7.3 Estrutura terciária É a forma tridimensional como as proteínas se "enrolam". Este processo ocorre devido a organização das cadeias longas de polipeptídios em domínios, os quais são considerados as unidades funcionais e de estrutura tridimensional de uma proteína (Figura 16). 3.2.7.4 Estrutura quaternária Surge apenas nas proteínas oligoméricas. Esta estrutura surge em função da distribuição espacial de mais de uma cadeia polipeptídica no espaço, as subunidades da molécula. Observa-se nestas proteínas subunidades mantidas por forças covalentes, como pontes dissulfeto, e ligações não covalentes, como pontes de hidrogênio, interações hidrofóbicas (Figura 16).


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Figura 16. 16. Descrição nas estruturas de proteínas em função do enovelamento ocasionada por interações entre moléculas. 3.2.8 Funções As principais funções das enzimas são: (i) aatividade tividade enzimática; (ii) síntese de moléculas e outras proteínas; (iii) estrutural; (iv) armazenamento de esqueletos de carbono e nitrogênio; (v) transportadoras (hemoglobina/oxigênio); (vi) transmissão de impulsos nervosos; (vii) canais transportadores (na membrana plasmática); (viii) sinalizadores (hormônios peptídeos). 3.2.9 Tipos de aminoácidos 3.2.9.1 Aminoácidos alifáticos Esses aminoácidos apresentam apresentam apenas carbono e hidrogênio na cadeia lateral, exceto a metionina (Figura 17).


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Figura 17. 17. Tipos de aminoácidos alifáticos. 3.2.9.2 Aminoácidos aromáticos O nome desses aminoácidos á devido a presença de anel aromático na cadeia lateral (Figura 18).

Figura 18. 18. Tipos de aminoácidos aromáticos. 3.2.9.3 Aminoácidos com ramificação C-beta Enquanto muitos aminoácidos contém apenas um substituto de hidrogênio ligado ao carbono beta, as ramificações deste carbono pode conter dois aminoácidos (dois carbonos em valina ou isoleucina; um carbono e um oxigênio na treonina) (Figura 19).

Figura 19. 19. Tipos de aminoácidos com ramificação C-beta.


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3.2.9.3 Aminoácidos com cargas positivas e negativas Os aminoácidos com cargas residuais negativas são o aspartato, glutamatoe cargas positivas são a arginina, histidina e lisina (Figura 20).

Figura 20. Tipos de aminoácidos com ramificação com cargas positivas e negativas. 3.3 Enzimas São proteínas de ação catalítica, porém nem toda proteína é considerada uma enzima. As enzimas são consideradas catalisadores orgânicos. Catalisador é uma substância que acelera uma reação química por diminuir sua energia de ativação (Figura 21). .


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Figura 21. Reações processadas com e sem ação de enzimas. As enzimas não modificam o sentido dos equilíbrios químicos, mas aceleram sua realização. Um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "torção" da molécula do substrato (Figura 22), que o "ativaria" e o prepararia para a sua transformação em produto (KIELING, 2002).

Figura 22. Diminuição da energia de ativação por ação enzimática pelo mecanismo de torção. Algumas enzimas são capazes de aumentar a velocidade das reações em cerca de 1014x, em relação a catalisadores químicos, o que pode ser observado quando utiliza-se a enzima nitrogenase. Atividade biológica é a capacidade das enzimas em reagir com substratos formando complexos ou mesmo compostos com ligações covalentes. A atividade biológica envolve a medida da velocidade da reação. Segundo a Enzyme Comission, uma


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unidade (U) de atividade corresponde a quantidade de enzima que catalisa a transformação de 1 micromol de substrato de 1 micromol de produto por minuto (U mg-1). A especificidade é a correlação entre a estrutura das enzimas e suas propriedades biológicas. Sendo assim, na enzima existe uma fração de molécula denominada de sítio ativo que é responsável pela ligação da enzima ao substrato o que determina a especificidade da enzima. Este é modelo chave-fechadura proposto por Fischer (Figura 23). O sítio de ligação do substrato é capaz de reconhecer inclusive isômeros óticos "D" e "L" de um mesmo composto. Este sítio pode conter um segundo sítio, chamado sítio catalítico ou sítio ativo, ou estar próximo dele; é neste sítio ativo que ocorre a reação enzimática. Monod et al. () propuseram um modelo alostérico para explicar como a atividade de certas enzimas é regulada pela ligação de pequenas moléculas, que serve como mecanismo de controle em células. Este mecanismo produz mudanças conformacionais na enzima alterando sua atividade.

Figura 23. 23. Especificidade entre enzima e substrato. As enzimas possuem um centro ativo denominado de APOENZIMA e algumas vezes um grupo não protéico denomina de COENZIMA. Toda a molécula (apoenzima+ cofator) coenzima: uma substância orgânica não forma a holoenzima. O cofator pode ser (i) a coenzima: prostético: substância orgânica que se liga firmemente na apoenzima; protéica; (ii) grupo prostético: metal: K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++ e Mo+++ (KIELING, (iii) ativador metal: 2002). As enzimas são produzidas no interior das células pelos ribossomos podendo ser secretada pelas vesículas do complexo de golgi, como por exemplo as fosfatases em plantas, que tem por função liberar o fósforo imobilizado no solo (KIELING, 2002)


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3.4 Classificação de enzimas Critérios estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB)

O nome dado as enzimas deve-se a sua função metabólica (geralmente o substrato) mais o termo “ase” (Figura 24). Oxidorredutases: Oxidorredutases: São enzimas que catalisam reações de transferência de elétrons, ou seja: reações de oxi-redução. São as Desidrogenases e as Oxidases (usada quando o O 2 é aceptor de elétrons). Transferases: Transferases: Enzimas que catalisam reações de transferência de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Exemplo: Quinases e as Transaminases. O doador pode ser um cofator. Hidrolases: Hidrolases: Catalisam reações de hidrólise de ligação covalente. Ex: As peptidades (hidrólise das ligações peptídeas). Liases: Liases: Catalisam a quebra de ligações covalentes (C-C, C-N e C-O) e a remoção de substratos. Exemplos: moléculas de água, amônia e gás carbônico, sendo envolvidos dois substratos. dehidratases e as descarboxilases. Isomerases: Isomerases: Catalisam reações de interconversão entre isômeros ópticos (isomeria cis-trans) ou geométricos. Exemplo: Epimerases e Racemase. Ligases: Ligases: Catalisam reações de formação e novas moléculas a partir da ligação entre duas já existentes, sempre à custa de energia (ATP). Exemplo: Sintetases.

Figura 24. 24. Critérios estabelecido pela União Internacional de Bioquímica (IUB) para classificação de enzimas.


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3.4 Cinética enzimática A cinética enzimática relaciona a velocidade das reações enzimáticas, e os fatores que influenciam nesta. Nesse caso avalia-se a quantidade de produto formado ou a quantidade de substrato consumido por unidade de tempo de reação. A avaliação do processo ocorre da seguinte forma: O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativação menor que a do substrato isolado, e a sua formação leva ao aparecimento do estado de transição "Ts". A velocidade de uma reação enzimática depende das concentrações de enzima e de substrato. Sendo assim dois pesquisadores Michaelis e Menten propuseram o modelo de reação enzimática para um substrato. Neste modelo existe uma equação expressada graficamente que permite mostrar a velocidade das reações r eações de acordo com a concentração de substrato. A partir desta equação foi determinado o Km (concentração de substrato para ½ da velocidade máxima da reação) para uma enzima específica que fornece o parâmetro de especificidade da enzima, sendo que, quanto menor o Km maior a especificidade. De acordo com a Figura 25, observa-se: (1 e 2) a velocidade da reação depende da concentração de substrato; (3) para altas concentrações de substrato todas as enzimas estão ligadas ao substrato e a velocidade sofre uma estabilização (Vmax).

Figura 25. 25. Cinética enzimática de Michaelis-Menten. Mi chaelis-Menten. Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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3.4 Afinidade enzimática Quando ½ da velocidade máxima da reação é atingida em baixos níveis de substrato, demonstra que a enzima tem elevada afinidade pelo mesmo sendo assim determinado pelo Km (constante de Michaelis e Menten), então o Km = ½Vmax. Sendo assim o Km alto apresenta baixa afinidade enzimática e Km baixo elevada afinidade enzimática (Figura 26).

Figura 26. Determinação do Km para enzimas de baixa e alta afinidade. 3.5 Fatores que afetam a atividade enzimática 3.5.1 Temperatura Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reação, até se atingir a temperatura ótima (a cada 10 oC a reação duplica; Q 10); a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturação da molécula. Em temperaturas baixas (que 20°C) a enzima se torna muito rígida (Figura 27).

Figura 27. Efeito da temperatura na atividade enzimática.


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3.5.2 pH Normalmente corre um aumento da velocidade da reação até atingir um pH ótimo, onde a distribuição de cargas elétricas da molécula da enzima e, em especial do sítio catalítico, é ideal para a catálise. No entanto, a faixa de pH ótimo é variável com o tipo de enzima (Figura 28).

Figura 28. Efeito da pH atividade enzimática. 3.5.3 Cofatores Cofatores são pequenas moléculas orgânicas ou inorgânicas não proteicas que podem ser necessárias para a função de uma enzima, embora existam enzimas como a quimiotripsina e triose fosfato isomerase que são ativas sem sem necessitar de outro outro fator. Estes cofatores não não estão ligados permanentemente à molécula da enzima, mas na ausência deles, a enzima é inativa. Os cofatores com efeito em células de plantas e animais são: (i) a coenzima: uma substância orgânica não protéica: coenzima A, NAD (Nicotinamina Adenina Dinucleotídeo) e FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo) (Figura 29);


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(b)

(a)

(c)

Figura 29. (a) NAD, Nicotinamina adenina dinucelotídeo, agente de transferência de dois elétrons e dois hidrogênios; (b) FAD, flavina adenina dinucleotídeo, agente doador de um elétron e dois hidrogênios; (c) Acetil coenzima A, Um acil é agente de transferência (forma um tioester). (ii) Grupo prostético: substância orgânica que se liga firmemente na apoenzima. Os grupos prostéticos são um subgupo de

cofatores ;

ao contrário das coenzimas, encontram-se ligados

de forma permanente à proteína. Em enzimas, os grupos prostéticos estão de algum modo ligados ao centro ativo. Ex: vitaminas, açúcares e íons metálicos; (iii) Um ativador metal (íons metálicos): K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++ e Mo+++ (KIELING, 2002).


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3.5.4 Inibidores enzimáticos Os processos de inibição enzimática podem ocorrer através da ligação no sítio alostérico. Esses inibidores podem apresentar natureza diversa sendo em alguns casos íons metálicos (Figura 30).

Figura 30. Efeito do inibidor na estrutura de enzimas. 3.6 Nucleotídeos Constitui-se numa molécula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um açúcar de cinco carbonos e bases purínicas (Adenina e guanina) e pirimidínicas (citosina, uracila e timina), chamadas de bases nitrogenadas (Figura 31). Cada base nitrogenada tem um pareamento, a timina com a adenina ou uracila quando no RNA (dupla ligação), e a guanina com a citosina (tripla ligação). Para entender melhor a estrutura dos nucleotídeos é necessário detalhar as partes dos mesmos:


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(i) Nucleosídeos: base nitrogenada+ açúcar de cinco carbonos;

Figura 31. Bases nitrogenadas encontradas nas moléculas de DNA e RNA. (ALBERTS, 2004). (ii) Nucleotídeos: é uma molécula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um açúcar de cinco carbonos (Figura 32) e bases nitrogenada purínicas (Adenina e guanina) e pirimidínicas (citosina, uracila e timina);

Figura 32. 32. Açúcares encontrados no DNA (desoxirribose) e RNA (ribose) encontradas. (ALBERTS, 2004).

(iii) Os ácidos nucléicos são formados pela união dos nucleotíeos. Nos seres vivos, há 2 tipos de ácidos nucléicos: o ácido desoxirribonucleico (DNA ou ADN) e o ácido ribonucléico (RNA ou ARN) com funções distintas (Figura 33).


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Figura 33. 33. Estrutura das moedas energéticas encontradas encontradas em células vegetais. 3.6 Tipos de Nucleotídeos 3.6.1 DNA e RNA Ocorrem em todas as células vivas e são responsáveis pelo armazenamento e transmissão da informação genética e por sua tradução que é expressa pela síntese precisa das proteínas. O DNA é formado os nucleotídeos estão ligados covalentemente através dos açúcares e dos fosfatos, formando uma fita. O DNA é formado por duas fitas dobradas em estrutura tridimensional (duplas hélice). A base mais robusta com dois anéis (purina) sempre se pareiam com a base de dois anéis (pirimidina) (Figura 34). O DNA é encontrado nos cromossomas, dirige a síntese das enzimas e, desta forma, controla as atividades metabólicas da célula. O RNA transfere as informações do DNA para os ribossomos, onde as enzimas e outras proteínas são produzidas. O nucleotídeo Adenina pareia-se com a timina e a citosina com a guanina por pontes de hidrogênio. No DNA a trinca de três nucleotídeos forma os códons e anticódons e a seqüência de trincas formam os genes, que são responsáveis pela informação para a síntese de proteínas.


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Figura 34. Pareamento de bases nitrogenada no DNA celular. Alberts (2004). 3.6.2 Moléculas Bioenergéticas 3.6.2.1 A química do ATP é bem conhecida (i) Em pH 7.0, ATP e ADP ocorrem como ânions multicarregados: ATP -4 e ADP-3, devido os grupos fosfato estarem ionizados nesse pH (Tabela 2);


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(ii) No fluido intracelular, com grandes concentrações de Mg +2, o ATP e ADP encontram-se geralmente na forma MgATP-2 e ADP-; (iii) Em células normais, a concentração de ATP é praticamente constante, devido ao equilíbrio dinâmico estabelecido pela síntese e hidrólise do ATP. Assim, o grupamento fosfato terminal do ATP sofre remoção e recolocação contínua durante o metabolismo celular; (iv) Quando o ATP sofre a perda de seu grupamento fosfato terminal por hidrólise, com formação de ADP e Pi, a variação da energia livre padrão é de – 7,3 Kcal mol -1. Tabela 2. Energia livre padrão de hidrólise de alguns compostos fosfatados em Kcal mol -1 (Lehninger, Princípios de Bioquímica, 1985).

Quais as características estruturais da molécula do ATP responsáveis pela liberação de uma quantidade consideravelmente grande de energia livre, quando seu grupo fosfatoterminal é hidrolizado? (i) Grau de ionização do ATP e de seus produtos de hidrólise. Em pH 7.0 o ATP está quase totalmente ionizado na forma iônica ATP-4. Pela hidrólise ele libera três produtos: ADP 3

, HPO-4-2 e H+ conforme a Equação: ATP -4 + H2O resultando em ADP -3 + HPO4-2 + H+ (ii) Nas condições padrão o ATP -4, ADP-3 e HPO-4-2 estarão presentes em

concentrações iguais a 1 M. Entretanto, em pH 7 (pH aproximado do citossol) a concentração do íon H+ é apenas 10-7 M. Isso significa que pela Lei do Equilíbrio Móvel de Le Châtelier o equilíbrio da hidrólise do ATP é deslocado fortemente para a direita, pois a concentração de


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H+ em pH 7 é muito baixa comparada com as concentrações padrão de 1 M dos outros componentes da reação; (iii) Em pH 7,0 a molécula de ATP tem quatro cargas negativas muito próximas, e estas repelem-se fortemente. Quando a ligação do grupo fosfato terminal é hidrolizada parte da pressão elétrica no interior da molécula de ATP é aliviada pela separação dos produtos carregados negativamente ADP -3 e HPO-4, Estes produtos têm tendência relativamente pequena de aproximar-se e reagir em direção inversa, formando novamente ATP; (iv) O ADP-3 e HPO4-2 são híbridos ressonantes, formas especialmente estáveis nas quais certos elétrons estão em uma configuração que possui uma quantidade de energia muito menor que aquelas que possuíam em suas condições originais na molécula de ATP. Assim, quando o ATP é hidrolizado, os elétrons nos produtos podem cair para níveis energéticos menores que aqueles do ATP não hidrolizado; Diz-se que compostos fosfatados de alta energia, aqueles cuja hidrólise ocorre com grande decréscimo de energia livre-padrão, contem uma “ligação fosfato rica em energia”, simbolizada nas fórmulas estruturais pelo sinal gráfico “~”. A expressão “ligação fosfato rica em energia”, embora amplamente empregada pelos bioquímicos a bastante tempo é incorreta e pode provocar confusões, uma vez que sugere, erradamente, que a ligação contem a energia em si mesma. Isto não é verdade, na realidade a quebra de uma ligação química requer a adição de energia. A energia livre liberada pela hidrólise de ésteres fosfóricos não provém da ligação que é rompida, mas resulta do fato dos produtos da reação possuírem um conteúdo de energia livre menor que o dos reagentes. 3.6.2.1 Nicotinamina dinucleotídeo (NAD), nicotinamina dinucleotídeo fosfato (NADP) e a flavina dinucleotídeo (FAD) A NAD e a FAD são coenzimas não protéicas utilizadas por células de plantas e animais para transferir energia em reações químicas. Em reações endergônicas essas substâncias fornecem energia tornando oxidadas (NAD + e FAD+). Um exemplo dessas reações é transformação do oxalacetato em malato na mitocôndria no processo de nêoglicogenese. Nas reações exergônicas (liberam energia) o NAD + e FAD+ podem armazenar energia liberada o através da ligação de dois elétrons e dois hidrogênio transformando-se em NAD(P)H e FADH2 (Figura 35). Essas moléculas na forma reduzida podem fornecer energia direta em várias reações, que é o caso da fotorrespiração e processo de redução do CO 2 no ciclo de Calvin e Benson. Quando não utilizado na forma direta a energia dessas moléculas é utilizada para a formação de um gradiente eletroquímico na matriz


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mitocondrial mais especificadamente na cadeia transportadora de elétrons para formar ATP pelo complexo protéico ATPase (BUCHANAN, 2000; TAIZ; ZEIGER, 2004). 2 004).

Figura 35. Estrutura das moedas energéticas encontradas em células vegetais (BUCHANAN, 2000).


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BIOMOLÉCULAS: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1- Quais a moléculas de açúcares produzidas no processo fotossintético? Qual a sua forma de translocação e armazenamento? 2- Descreva como são classificados os açúcares: 3- O que são isômeros? E qual a sua importância no metabolismo das células? 4- Quais os sacarídeos envolvidos na evolução das plantas no ambiente terestre? 5- O que são lipídeos e suas funções em plantas? 6- Relacione a produção de lipídeos em células vegetais e a fotossíntese. 7- Como a produção de lipídeos está envolvida no crescimento e produtividade de culturas? 8- O que são ácidos graxos saturados e insaturados e porque as células vegetais alteraram a saturação dos lipídeos de membrana? 9- Qual a relação entre absorção de nitrogênio nitro gênio e produção de proteínas em plantas? 10- Quais a estruturas das proteínas e como elas são formadas? 11- Descreva um tipo de aminoácidos e sua respectiva função em células vegetais. 12- O que são enzimas e qual a sua importância? 13- Explique como alguns nutrientes utilizados pelas plantas agem nas enzimas. 14- Descreva a relação entre a atividade enzimática e: a) Temperatura b) pH c) Disponibilidade de substrato 15 – Ainda em relação a questão anterior, explique como o manejo pode afetar a atividade das enzimas e a produtividade das culturas.


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16 – O significa Km enzimático e porque o conhecimento de sue valor é importante no meio agrícola? 17 – O que são nucleotídeos e ácidos nucléicos? 18 – Qual a relação entre nucleotídeos e divisão celular e conseqüentemente crescimento de plantas? 19- Quais os nucleotídeos com função energética e porque eles são indispensáveis no crescimento de plantas? 20 – O que são e qual a diferença na na estrutura e função do DNA e RNA?


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4. Fotossíntese A fotossíntese (FSS) é uma das reações mais importantes da terra nela o CO 2 e a H 2O são transformados em CH2O e O2. Na FSS a luz visível (400 a 700 nm) denominada de densidade de fluxo de fótons fotossintéticamente ativo, DFFFA é coletada por pigmentos antenas, carotenóides e clorofilas estes por ressonância transfere a energia para os fotossistemas (Figura 36). A energia do fóton de comprimento de onda mais curto é absorvido pelo complexo antena II o qual transmite até o P 680 (clorofila especial) do P680 o elétron é tranferido para a feofetina e depois para a Qa, Qb (ciclo Q, forma um gradiente eletroquímico para formar ATP através da ATP sintase), deste para o citocromo B 6f e para a plastocianina. Esta transfere para o P 700, quando incide um fóton a energia excita a clorofila que perde seu elétron para a A 0 e depois para a A1, esta para a FesX, Fesa, Fesb e para a ferredoxina, a qual transfere o elétron para a ferredoxina solúvel redutase que reduz o NADP em NADPH. O NADPH é utilizado pela fase carboxilativa onde a rubisco para reduzir o CO 2 e forma 2 PGA, depois 1,3PGA (gasta 1 ATP) e depois em 3 gliceradeído 3P (trioses, com gasto de NADPH) que são utilizadas como esqueletos carbônicos para produzir açúcares, e demais compostos. O restante da rota é para regenerar a ribulose 1,5 bifosfato, onde ocorre gasto de ATP. As Curvas de resposta à luz têm sido apresentadas, para diferentes espécies, e para espécies particulares aclimatadas em diferentes irradiâncias (JONES, 1994; PACHEPSKY et al., 1996). Embora haja uma leve tendência da P n, nas espécies C 4, continuar aumentando mais do que nas espécies C 3, com o aumento da irradiância, há grandes diferenças entre espécies de sombra e espécies de sol, ou entre folhas de uma mesma espécie crescendo em irradiâncias diferentes. Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois não é possível nesse período um nível de respiração muito intensa i ntensa para a construção de novos tecidos. As folhas que estão em expansão interceptam menor quantidade de radiação e além disso seu aparato fotossintético não está completamente formado. As folhagens jovens, mas completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossintética, a qual vai decrescendo com o aumento da idade. Próximo da senescência completa a fotossíntese atinge valores nulos devido a degradação da clorofila e a degeneração dos cloroplastos. Durante a floração e frutificação de plantas cultivadas é observado um aumento da capacidade fotossintética. Se os frutos são removidos a capacidade fotossintética diminui. Isso ocorre,


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porque grande parte dos carboidratos são desviados para os frutos. No decorrer do dia a planta é submetida a deferentes intensidades de radiação e diferentes ângulos de incidência. Os estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada em relação a fotossíntese total associada a comunidade vegetal. Nas comunidades de gramíneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade fotossintética ocorre nas folhas medianas, em que grande parte da radiação penetrante é absorvida. Mais externamente a fotossíntese diminui conforme a disponibilidade de radiação decresce. Neste cenário, as folhas adaptadas a sombra exercem função compensatória importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em relação as folhas adaptadas. As folhas de sombra realizam um modesto trabalho fotossintético, mas como estão menos expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua contribuição pode suprir a demanda energética básica da planta em condições climáticas flutuantes. Observa-se que a fotossíntese aumenta no início do dia até próximo as 10 horas onde começa decrescer, onde ocorre o fenômeno chamado de depressão da fotossíntese líquida próxima ao meio dia. .1 Fotossíntese (Processos bioquímicos) 4.1.1 Fase fotoquímica A característica mais importante das plantas é sua habilidade para interceptar e absorver energia solar, utilizando-a para fixar o dióxido de carbono atmosférico em um grupo de moléculas orgânicas mais complexas. Este processo é responsável pela entrada de energia livre na biosfera. Parte da energia livre armazenada nos assimilados fotossintéticos é transferida, durante o processo de respiração, para compostos de alta energia, que podem ser utilizados na síntese de novos compostos e no processo de manutenção. O saldo de CO 2 fixado pela planta, ou fotossíntese líquida (P n), é a diferença entre a taxa de fixação bruta (P g) e a taxa de perda de CO 2 durante o processo respiratório (R) (JONES, 1994). Embora difícil de se imaginar, há mais fotossíntese nos ecossistemas terrestres do que nos aquáticos. Segundo as estimativas disponíveis, a produtividade primária líquida dos ecossistemas continentais é mais do que o dobro daquela dos ecossistemas marinhos (117,5 x 10 9 versus 55 x 109 t ano-1, LIETH; WHITTAKER, 1975).


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Figura 36. 36. Descrição dos comprimentos de onda absorvidos pela folha para o processo fotossintético. No processo de fotossíntese, pigmentos especiais (clorofila a, b e carotenóides) estão dispostos em um complexo coletor de luz denominado de complexo antena. Esses pigmentos


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absorvem a energia na luz na forma de fótons e transfere por ressonância para o centro de reação do complexo antena, constituído por clorofilas. Quando a energia chega ao centro de reação ela excita a molécula de clorofila, a qual passa de um estado basal para um estado singlet 1 ou 2 (dependendo da energia)ao voltar para o estado basal essa energia é transferida para um aceptor de elétrons a Phe (molécula de clorofila sem magnésio), essa molécula fica excitada e assim transfere para uma quinona próxima (Qa) e essa para a Qb, nesta via ocorre um transporte de elétrons em forma de ciclo denominado de ciclo Q. Os elétrons provenientes da Qa são utilizados para reduzir a Qb em QH2. O ciclo Q tem por objetivo bombear íons H do estroma para o lúmem. O ciclo Q funciona da seguinte forma, a plastoquinona QH 2 é oxidada e libera um elétron para uma proteína Fe-S que vai ser tranferido para o citocromo f e este para a plastocianina. O outro elétron será transferido para um cit. B e este para a Qb -. Quando uma segunda plastoquinona for reduzida os elétrons são conduzidos novamente pelo cit b para a Qb -, transformando-a em QH2, pois ela consegue se ligar a dois H que estão no estroma. Esse processo é importante para a formação de ATP, pois incrementa o gradiente eletroquímico entre membranas (Figura 37). P700* Chl QK1 P680*

Fe-S centers Phe Light

Light

Ferredoxin NADP

PQA, PQB

NADPH

Cyt b 6f complex Photosystem I H2O

O2

plastocyanin P700 Photosystem II

Mn center P680

PQA, PQB: plastoquinone QK1: phyloquinone plastocyanin: plastocyanin: a Cu protein ferredoxin: a soluble Fe-S protein

Figura 37. Esquema de transferência de elétrons na fase fotoquímica da fotossíntese. (Adaptado de TAIZ; ZEIGER, 2004). Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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Os elétrons precisam ser repostos a P 680 para que o processo fotossintético tenha seqüência. Os elétrons são retirados da água través do processo denominado de fotólise. Esse processo envolve quatro átomos de Mn e um átomo de Ca. As seguências de oxidação do Mn++ segue S0 – S1 – S2 – S3 – S4 (Figura 38).

Figura 38. Estados de redução e oxidação do Manganês no complexo evoluidor de água na fase fotoquímica da fotossíntese. (BUCHANAN, 2000). Finalmente a plastocianina transfere o elétron para a P700 (clorofila especial a), quando ocorre a incidência de um fóton as clorofilas e carotenóides do sistema antena captam essa energia e transferem para o centro de reação excitando a molécula de clorofila a, a qual perde elétron para o aceptor primário A 1 e desde para A 0 e destes para a ferredoxina a qual reduz a NADP a NADPH 2. Sendo assim a energia física proviniente do sol é conservada em energia química na forma de NADPH 2 e ATP. Exata forma de energia química vai ser utilizada no ciclo de calvin para formação de trioses (fase carboxilativa). Os fotossistemas apresentam diferenciação entre eles em relação a quantidade de clorofilas e carotenóides. O fotossistema I (FSI) é o filogeneticamente filogeneticamente mais antigo e apresenta uma relação de quantidade de clorofila e P 700 de 300:1 a 600:1, dependendo da espécie de planta e do seu estado. O fotossistema II (FSII) apresenta mais clorofila b e xantofila do que o FSI. A fase carboxilativa tem seu início com a absorção de CO 2 pelo estômato, no entanto, o mesmo enfrenta várias resistências em o seu caminho até o cloroplasto. Perto da superfície foliar há um retardamento da velocidade das moléculas que participam das trocas gasosas.


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Essa resistência da camada fronteiriça é especialmente grande quando há um fraco movimento de ar próximo a superfície da folha, o que torna mais provável quando a folha tem uma superfície irregular, pilosa e avantajada. O aparato fotossintético tem um papel fundamental para entrada de gases. Quando o estômato está completamente aberto a resistência estomática mínima á difusão depende do tamanho do estômato e da densidade estomática. Em plantas terrestres a entrada de CO 2 pela cutícula é desprezível. A resistência interna ao CO 2 é o resultado de diferentes barreiras, resistência a entrada de CO 2 na fase líquida da célula, resistência a carboxilação, devido ao descompasso entre a carboxilação e o abastecimento de mais CO 2. Devido a atividade fotosintética a mais alta pressão de CO 2 ocorre na atmosfera próxima a folha. A concentração interna de CO2 (Ci) é definida pelo balanço entre o consumo de CO 2 (Fotossíntese) e a liberação para os espaços intracelulares (Respiração, fotorrespiração). Freqüentemente os estômatos reagem para manter essa pressão interna constante, para um dada pressão externa de CO2. Geralmente a relação entre Ci/Ca mantém-se em torno de 0,7. Teoricamente a pressão parcial dentro do cloroplasto deveria decrescer até um valor nulo. Contudo, sobre condições naturais e mesmo sobre forte intensidade luminosa a pressão de CO 2 nos espaços intracelulares não decresce linearmente em relação a pressão parcial dentro do cloroplasto. 4.1.2 Fase carboxilativa Os ATPs e NADPH gerados na fase fotoquímica são utilizados na fase carboxilativa para assimilação do CO 2. O ciclo de calvin é dividido em três etapas. A primeira é fase de carboxilação (o CO2 é adicionado a ribulose 1,5P formando duas moléculas de 3PGA) depois a fase de redução (os 3PGA são transformados em 1,3P glicerato, com gasto de um ATP e depois em gliceraldeído 3P, com gasto de um NADPH), posteriormente ocorre a fase de regeneração (a ribulose 1,5 p é regenerada, sendo necessário necessário gasto de ATP) (Figura 39).


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Figura 39. Descrição do ciclo de Calvin e Benson (ALBERTS, 2004)

4.1.3 Fotossíntese e luz Curvas de resposta à luz têm sido apresentadas, para diferentes espécies, e para espécies particulares aclimatadas em diferentes irradiâncias (JONES, 1994; PACHEPSKY et al., 1996). Embora haja uma leve tendência da P n, nas espécies C 4, continuar aumentando mais do que nas espécies C 3, com o aumento da irradiância, há grandes diferenças entre espécies de sombra e espécies de sol, ou entre folhas de uma mesma espécie crescendo em irradiâncias diferentes. Nas espécies de sombra ou em folhas sombreadas, P n pode saturar a menos de 100 µmol m-2 s-1 de PAR, a qual é aproximadamente 5% da luz total. Folhas de sol, por outro lado, freqüentemente continuam a responder a valores típicos para toda luz solar. O ponto de compensação compensação de luz também varia a partir de valores tão baixos quanto 0,5 – 2 µmol m-2 s-1, nas espécies de sombra, até valores de 40 µmol m-2 s-1 nas folhas de sol (JONES, 1994). Diversos fatores contribuem para as diferenças existentes no comportamento fotossintético das folhas de sombra e de sol. Há evidências satisfatórias de que todos os componentes do sistema fotossintético adaptam-se juntos. Por exemplo, na presença de alta irradiância, as folhas tendem a ser mais espessas, com uma área de superfície interna maior


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que as folhas de sombra e tendem a ter mais clorofila e muito mais carboxilase, por unidade de área. Como a resistência do mesófilo, por unidade de superfície de célula, é aproximadamente constante esta resistência tende a diminuir com o aumento da irradiância, como resultado da mudança na razão entre a área de superfície da célula do mesófilo e a área de superfície da folha (HOLMGREN, 1968; NOBEL et al., 1975), como ocorre na resistência estomatal. As reações de luz também são afetadas pela irradiância crescente, ocorrendo o desenvolvimento de granas mais extensivos nas folhas de sombra, enquanto a capacidade para transporte de elétrons é marcadamente reduzida. Por exemplo, o transporte de elétrons nos dois sistemas, quando expresso numa base de clorofila, pode ser até 14 vezes mais intenso em cloroplastos extraídos de plantas de sol do que aquele verificado em cloroplastos extraídos de plantas sombreadas (BOARDMAN et al., 1975; BOARDMAN, 1977). Parte desse efeito pode resultar de uma leve diminuição no tamanho da unidade fotossintética (MALKIN; FORK, 1981). Os componentes da cadeia de transporte de elétrons, isto é, citocromo f e citocromo b, são particularmente reduzidos nas plantas com baixa luminosidade. As várias adaptações, em resposta à irradiância alterada, podem ocorrer poucos dias após a mudança no ambiente. Apesar da grande diferença na P n saturada por luz, somente pequenas diferenças têm sido observadas na inclinação inicial da curva de resposta da fotossíntese à luz. A recíproca desta inclinação, requerimento de quantum (quanta por CO 2 fixado), é uma medida da eficiência da fotossíntese e é, relativamente, constante com um valor em torno de 19 para plantas C4, enquanto nas plantas C 3 é fortemente dependente da temperatura e concentração de oxigênio (EHLERINGER e BJÖRKMAN, 1977). A ocorrência de irradiância elevada pode danificar o sistema fotossintético, particularmente de folhas adaptadas à sombra, ou de folhas nas quais o metabolismo fotossintético tenha sido inibido por outros estresses, tais como temperaturas extremas, ou estresse hídrico. Os danos podem ser um resultado de foto-oxidação onde ocorre destruição da clorofila. Quando não ocorre destruição da clorofila, mas o dano é observado, diz-se que ocorreu foto-inibição (JONES, 1994). A taxa respiratória também pode ser influenciada pela irradiância crescente, sendo tão baixa quanto 4 µg m -2 s-1, nas plantas de sombra e 50 – 150 µg m -2 s-1 em folhas de sol. Esta diferença pode contribuir para a vantagem no saldo fotossintético em baixa luminosidade, que é freqüentemente exibido pelas folhas sombreadas (JONES, 1994). 4.3.4 Fotossíntese e deficiência hídrica


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O efeito da deficiência hídrica sobre a assimilação tem sido assunto de muitos artigos (KAISER, 1987). Entretanto, há controvérsias quanto à importância relativa do fechamento estomático e das mudanças na capacidade do mesófilo, como causas das diminuições observadas na assimilação. Embora estudos tenham sugerido que as mudanças na condutância estomático são a principal causa de diminuição da fotossíntese (BOYER, 1976), muitos estudos de campo utilizando espaços de tempo maiores, mais próximos da realidade, têm indicado que a capacidade de muitos componentes fotossintéticos é modificada paralelamente, enquanto a limitação relativa da condutância estomática permanece aproximadamente constante (JONES, 1973). Estudos recentes sobre a fluorescência da clorofila evidenciam que a alta irradiância, durante o estresse hídrico, pode levar a danos fotoinibitórios no fotossistema II (FS II), embora sugerindo que o transporte de elétrons é, relativamente, pouco afetado em condições de baixo potencial hídrico. Há possibilidade de que o fechamento estomatal desuniforme tenha sido a causa da diminuição da capacidade fotossintética do mesófilo, que consta em alguns registros. r egistros. 4.3.4 Considerações entre Fotossíntese e respiração A atividade respiratória e a capacidade fotossintética são variáveis para cada espécie vegetal. O comportamento dos valores de trocas gasosas alteram-se durante o ciclo de desenvolvimento das plantas. Fotossíntese e desenvolvimento (Larcher, 2004):

Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois não é possível nesse período um nível de respiração muito intensa i ntensa para a construção de novos tecidos. As folhas que estão em expansão interceptam menor quantidade de radiação e além disso, seu aparato fotossintético não está completamente formado. As folhagens jovens, mas completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossintética, a qual vai decrescendo com o aumento da idade. Próximo da senescência completa a fotossíntese atinge valores nulos devido a degradação da clorofila e a degeneração dos cloroplastos. Durante a floração e frutificação de plantas cultivadas é observado um aumento da capacidade fotossintética. Se os frutos são removidos a capacidade fotossintética diminui. Isso ocorre, porque grande parte dos carboidratos são desviados para os frutos. Semelhante controle sobre o trabalho assimilatório da planta como um todo é realizado pelos hormônios vegetais. 4.3.5 Fotossíntese em resposta as condições de radiação na comunidade vegetal (Larcher, 2004)


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No decorrer do dia a planta é submetida a deferentes intensidades de radiação e diferentes ângulos de incidência. Os estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada em relação a fotossíntese total associada a comunidade vegetal. Nas comunidades de gramíneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade fotossintética ocorre nas folhas medianas, em que grande parte da radiação penetrante é absorvida. Nas florestas somente as folhas situadas mais externamente são saturadas. Mais externamente a fotossíntese diminui conforme a disponibilidade de radiação decresce. Neste cenário, as folhas adaptadas a sombra exercem função compensatória importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em relação as folhas adaptadas. As folhas de sombra realizam um modesto trabalho fotossintético, mas como estão menos expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua contribuição pode suprir a demanda energética básica da planta em condições climáticas flutuantes. 4.3.6 Fotossíntese ao longo do dia Observa-se que a fotossíntese aumenta no início do dia até próximo as 10 horas onde começa decrescer, onde ocorre o fenômeno chamado de depressão da fotossíntese líquida próxima ao meio dia. Nesse período período devido a forte radiação radiação solar, forte calor, alta demanda demanda evaporativa do ar os estômatos tendem a fechar, a Ci aumenta indicando um decréscimo na atividade fotossintética e a eficiência fotoquímica do FSII decresce. Freqüentemente o potencial hídrico da folha também diminui. Desta forma, esse processo é o resultado da interação de muitos estresses, como forte radiação (fotoinibição), balanço hídrico negativo (estresse hídrico), estresse térmico e em alguns casos um provável retardamento no transporte de assimilados da folha. Outro ponto importante é o fato que nesse horário a respiração é maior que a FSS sendo assim ocorre uma acidificação do citoplasma, pois a enzimas da FSS são mais afetadas, assim o CO2 que fica no meio diminui o pH. Com o decréscimo do pH o ABA torna-se protonado e consegue ultrapassar as membranas do cloroplasto e assim se ligar aos receptores das células guardas, iniciando o processo de fechamento estomático.

5.2 Respiração celular de plantas 5.2.1 Resumo A via respiratória em plantas serve como um processo catabólito de oxidação de açucares preferencialmente para produzir energia celular na forma de ATP. No entanto sabese que a respiração também funciona como uma rota anabólica que participa na produção de diversos componentes celulares. celulares. A respiração é um processo comum em todos e Eucariontes e similar entre plantas e animais, porém temos alguns aspectos a distinguir. Em animais o Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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substrato utilizado na respiração é o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca, por ser o principal açúcar de translocação no floema. A respiração aeróbica é um processo biológico no qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e conseqüentemente oxidados de uma forma controlada. Durante a respiração a energia livre á incorporada na forma de ATP (adenosina trifosfato) e cofatores orgânicos, como o NADH e FADH (Nicotinamida adenina dinucleotídeo e flavina adenina dinucleotídeo, respectivamente). Durante a respiração ocorre a oxidação da sacarose em piruvato no citoplasma, liberando l iberando ATP a nível de subtrato e NADH. O piruvato é transpotado para a mitocôndria onde entra co ciclo de Krebs sendo totalmnete oxidado a CO 2, ATP, NADH e FADH2, estes último vão ser utilizados na cadeia transportadora de elétrons para gerar um gradiente eletroquímico e assim formar a ATP (fosforilação oxidativa), sendo os elétrons finais destinados ao O 2. A respiração também é acoplada a outras vias. A glicólise e ciclo de Krebs são centros de produção de metabólitos de plantas, incluindo Aa, lipídeos, isoprenóides, porfirinas e diversos hormônios. Este é um dos motivos do porque uma molécula de sacarose não é transformada diretamente em CO2 e H2O, pois os intermediários dessas rotas são importantes esqueletos carbônicos envolvidos em diversas vias de biossíntese, incluindo a produção de metabólitos secundários. A atividade respiratória medida em plantas em condições de luz varia de 25-100% da atividade respiratório no escuro.

Gans e Reibelli (1987) citam que a inibição da respiração

mitocondrial na luz é um assunto bastante discutido. Os níveis de nucleotídeos pirimídicos (NAD(H), NADP(H)) e nucleotídeos adenina (ADP e ATP) São os principais intermediários na interação entre FS e respiração. Durante a transição do escuro para a luz o nível de NADPH aumenta enquanto de NADH diminui e o nível de ADP é extremamente baixo. Isso mostra que existe uma competição entre a fotofosfolição oxidativa (cloroplasto) e a fosforilação oxidativa (mitocôndria), sendo a possível causa da diminuição da atividade do ciclo de Krebs em tecidos fotossintéticos.

5.2.2 Introdução A respiração é um processo comum em todos e Eucariontes e similar entre plantas e animais, porém temos alguns aspectos a distinguir. Em animais o substrato utilizado na respiração é o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca, por ser o principal açúcar de translocação no floema (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). A respiração aeróbica é um processo biológico no qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e conseqüentemente oxidados de uma forma controlada (Figura 40). Durante Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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a respiração a energia livre á incorporada na forma de ATP (adenosina trifosfato) e cofatores orgânicos, como o NADH e FADH (Nicotinamida adenina dinucleotídeo e flavina adenina dinucleotídeo, respectivamente) (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).

Figura 40. Gasto energético no processo respiratório. (BUCHANAN, 2000). A equação da respiração é o reverso da fotossíntese e representa uma reação de redução, onde a sacarose é oxidada completamente a CO 2 e H2O. A reação libera 686 Kcal mol-1 (180g) de glicose oxidada (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). O substrato preferencial da respiração são os carboidratos, entre eles a sacarose (12c), frutose, amido (açúcar de reserva). Devido a sacarose ser o principal açúcar transportado pelo floema e pela sua alta concentração (0,3M). Outros compostos como lipídeos, ácidos orgânicos e proteínas também podem ser oxidados. Para prevenir a oxidação de estruturas celulares, a célula oxida açucares que possuem grande quantidade de energia livre. Sendo assim a respiração celular é dividida em três fases, glicólise, ciclo de Krebs, Cadeia transportadora de elétrons e em alguns casos a fermentação (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). 5.2.3 Glicólise É uma série de reações realizadas por um grupo de enzimas solúvel no citosol. Em parte a glicose é oxidada para produzir 2 molécula de piruvato (3C) gerando 4 mol de ATP, entretanto é gasto 4 mol de ATP, que serve como uma forma de preparação ou ajuste da molécula pra ser oxidada (Figura 41). Na glicólise não é necessário a presença de oxigênio, portanto esse processo pode-se tornar um mecanismo primário de produção de energia em tecidos de plantas quando o nível de O2 é baixo (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).


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Na glicólise existem varias enzimas envolvidas e que são importantes no metabolismo das plantas. No início da glicólise a enzima invertase transforma a sacarose em frutose e glicose e assim inicia o processo de oxidação. A invertase é uma enzima que se encontra na parede celular. Existem fortes evidências que sua ativação é influenciada pela citocinina e que sua atividade determina a atividade fonte dreno das plantas, especialmente no período de enchimento de grãos. Passo 2, a glicose e a frutose as quais recebem 1 P pela ação de uma hexoquinase. A amiloplastos

glicose 1P pode entrar nessa rota por meio de amido acumulados nos

(Amido

em

glicose) .

Passo 3: glicose é isomerada a frutose

(hexofosfatoisomerase). Posteriormente (passo 4) a frutose 1 P é transformada em frutose 1,6 bifosfato, pela enzima fosfofrutoquinase dependente de PPi e fosfrutoquinase dependente de ATP (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 41). A frutose 1,6 bifosfatase a qual pode realizar o processo reverso, sendo assim uma enzima chave no processo de neoglicogênese. Passo (5): a frutose 1,6P é transformada em gliceraldeído P e Dihidroxiacetona P (DHP) por uma aldolase, sendo um processo reversível. A DHP é isomerada i somerada a Gliceraldeído 3P e segue uma rota de oxidação, primeiro é oxidada (saí 1H+) a 1,3 fosfoglicerato, nesse passo a liberação de energia suficiente para formar 1NADH e a fosforização usando 1P inorgânico. Essas trioses fosfatos também podem ser fornecidos por plastídeos, como é o caso do cloroplasto.

O 1,3 fosfoglicerato oxidado a 3 fosfoglicerato

(Glicerato 1,3 P quinase), onde a energia liberada é usada para produção de uma mol de ATP. No passo seguinte o 3P glicerato é tranformado em em 2P glicerato através de uma enzima mutase. A 2P glicerato é transformada em fosfoenolpiruvato (PEP), através de uma reação de desidrogenação realizada por uma enzima enolase. E por fim a PEP é transformada em piruvato (piruvatoquinase), sendo esta e a reação anterior reversíveis. O piruvato em condições aeróbica segue para a mitocôndria, enquanto que em déficit de O 2 e segue a rota fermentativa onde através da liberação de CO 2 e pela oxidação de uma mol de NADH forma álcool ou em acetoaldeído e posterior em etanol (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 41).


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Figura 41. Processo de glicólise e fermentação celular. Adaptado de Taiz; Zeiger (2004). 5.2.4 Ciclo de Krebs A quebra de glicose em piruvato libera menos que 25% da energia armazenada na glicose. Esse processo precisa ser realiza em uma organela específica, a mitocôndria. Esta


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organela varia de 0,5 a 1um de diâmetro a 3um de comprimento, podendo ser alongada ou arredondada. O número de mitocôndrias varia com o tipo de atividade do tecido. A mitocôndria possue duas membranas, uma lisa e a outra interna, altamente invaginada. A membrana extrena apresenta poros, sendo altamente permeável. Já membrana interna é altamente seletiva e rica em proteínas (em torno de 70%), esta constituição causa impermeabilidade ao H+. Essa membrana apresenta fosfolipídeos especiais (cardiolipina) que conferem alta seletividade a membrana (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). O ciclo de Krebs representa o segundo estágio da respiração e ocorre na matrix mitocondrial. Essa operação necessita de um transportador de piruvato (proteína transportadora – piruvato transporter) que cataliza um processo de ajuste eletroneutro na célula. Isto é quando entra um piruvato a proteína libera uma oxidrila (OH) para o citosol, mantendo o equilíbrio de cargas. Na matrix mitocôndrial o piruvato é oxidado (forma ATP), descarboxilado (libera CO2) e conjugado (ligação de uma Coa, que serve como um arranjo molecular para oxidação) sendo tranformado em Acetil Coa (composto chave principalmente na formação de lipídios, giberelinas, ABA, carotenóides, etc). A partir desse momento o ciclo de Krebs é iniciado, o Acetil Coa é ligado ao oxalacetato formando o citrato (6C) a qual é isomerada a isocitrato (6C). O isocitrato (6C) sofre uma oxidação formando o alfa ceto glutarato (5C), formando 1 NADH e liberando 1 CO 2 (composto chave em rotas de biossíntesse de aminoácidos e outros compostos). O Alfa ceto glutarato é transformado em succinil Coa (4C) formando mais 1 NADH. O succinil Coa é oxidado a Succinato onde a energia liberada é conservada em ligações fosfatos (ATP). O succinato é então transformado em Fumarato formando 1 FADH 2 epal enzima sucinato desidrogenase a qual está ligada a membrana mitocondrial e tem função de oxidar o FADH 2 na cadeia transportadora de elétrons, seguindo o ciclo o Fumarato é transformado em Malato e este em oxalacetato, liberando 1 NADH (Figura 42).


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Figura 42. Reações do Ciclo de Krebs, também denominado do ciclo do ácido cítrico. (ALBERTS, 2004). 5.2.5 Cadeia transportadora de elétrons A energia armazenada no NADH e FADH é convertida em ATP no ciclo de Krebs. Esse processo depende de O 2 e ocorre na membrana interna da mitocôndria. O processo de transferência de elétrons ocorre em complexos protéicos. A cadeia de transporte de elétrons é organizado dentro de uma série de 4 complexos multiproteícos (I - IV) e o V, onde encontrase a ATPase. Os elétrons provenientes do NADH se ligam ao complexo protéico I (NADH desidrogenase). Os elétrons do NADH gerados na matrix mitocondrial durante o ciclo de Krebs são oxidados pelo complexo I (NADH desidrogenase). Os carregadores de elétrons no complexo I incluem um cofator fortemente ligado (flavina monocluotídeo - FMN), quimicamente similar a FAD, além de vários centros Fe-S. O NADH é oxidado a NAD+, reduzindo FMN a FMNH 2 em uma etapa que é doado 2 elétrons. O portador seguinte do elétron é um conjunto Fe-S-S, que somente aceita um elétron de cada vez e reduz o íon férrico em um íon ferroso. Convenientemente, FMNH 2 pode somente ser oxidado em duas etapas de 1 elétron, através de um intermediário do semiquinona. O elétron viaja assim do FMNH 2 ao conjunto Fe-S-S, do conjunto Fe-S-S ao Q Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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oxidado para formar o livre-radical (do semiquinone) de Q. Isto acontece outra vez reduzir a semiquinone ao formulário do ubiquinol, QH2. Durante este processo, quatro prótons são translocados através da membrana mitocondrial interna, da matriz ao espaço intermembrana. Isto cria um gradiente de prótons que seja usado mais tarde gerar o ATP com a fosforilação oxidativa (Figura 43).

Figura 43. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico I da matrix mitocondrial, em função da oxidação do NADH. (BUCHANAN, 2000). O complexo II (succinato desidrogenase) não é uma bomba do prótons. Serve para convergir elétrons adicionais para o pool de quinona (Q) removendo os elétrons do succinato e transferindo os (através do FAD) a quinona (Q). Outros doadores de elétrons (por exemplo ácidos graxos e glicerol 3P) convergem também elétrons em Q (através do FAD), sem produzir um gradiente do prótons (Figura 44).


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Figura 44. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico II da matrix mitocondrial, em função da oxidação do FADH e a transferência de elétrons para a ubiquinona. (BUCHANAN, 2000). O Complexo III (complexo do citocromo bc 1) remove elétrons passo a passo de uma da QH2 e transfere-o a duas moléculas do citocromo c, um transportador de elétrons solúvel em água situado na superfície exterior da membrana. Ao mesmo tempo, move quatro prótons através da membrana, produzindo um gradiente de prótons. A transferência do elétron (por um potencial elevado da membrana, por uns mutations do ponto ou por uns inibidores respiratório tais como o antimicina A), no complexo III pode ser transferido ao oxigênio tendo por resultado a formação de um superóxido (Figura 45).


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Figura 45. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico III da matrix mitocondrial. (BUCHANAN, 2000). O complexo IV (oxidase do cytochrome c; O EC 1.9.3.1) remove quatro elétrons de quatro moléculas do cytochrome c e transfere-as ao oxigênio molecular (O2), produzindo duas moléculas da água (H 2O). Ao mesmo tempo, move quatro prótons através da membrana, produzindo um gradiente de prótons (Figura 46).


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Figura 46. Processo de transferência de elétrons, no complexo protéico IV da matrix mitocondrial. (BUCHANAN, 2000). 5.2.5 Alternase oxidativa A alternase oxidativa (AOX) é um composto protéico muito importante em plantas. Plantas em condições de estresse aumentam a expressão de genes relacionados com a AOX. O estresse induz a produção de H 2O2 e NO que induzem a síntese de AOX, a qual também pode ser induzida pelo ácido salicílico (SA). Quando ocorre um bloqueio no transporte de elétrons do Pool de quinona para o complexo citocromo III, os elétrons são transferidos para o O 2 pela AOX que o transforma e água, e a energia que está acoplada a esse processo é dissipada na forma de calor. A AOX controla o fluxo de adeninas e Pi e sobre altas cargas energéticas a AOX evita a completa redução do O 2 a O2. (radical livre) transformando-o em água. Assim a AOX pode em casos de altas taxas de turnover de esqueletos carbônicos no citosol e no com ciclo de Krebs, diminuir os índices de produtividade de ATP e evitar a formação de oxigênio reativo. A AOX é um dímero protéico pro téico com grupamentos dissulfídicos ligados, o qual é ativo no estado reduzido na presença de alfaceto ácido (do ciclo de Krebs) e também pelo sistema tioredoxina redutase que neste caso usa o NADPH como doador de elétrons (Figura 47).


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Figura 47. Esquema de funcionamento da AOX. (ARNHOLDT-SCHMITT.; COSTA; MELO, 2006). 5.2.6 A respiração também é acoplada a outras vias A glicólise e ciclo de Krebs são centros de produção de metabólitos de plantas, incluindo Aa, lipídeos, isoprenóides, porfirinas e diversos hormônios. Este é um dos motivos do porque uma molécula de sacarose não é transformada diretamente em CO 2 e H 2O, pois os intermediários dessas rotas são importantes esqueletos carbônicos envolvidos em diversas vias de biossíntese, incluindo a produção de metabólitos secundários (Figura 48).


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Figura 48. Reações da glicólise e do Ciclo de Krebs, envolvido em rotas biosintéticas. (ALBERTS, 2004). 5.2.7 Respiração de crescimento e de manutenção A respiração de manutenção é aquela destinada a manutenção das atividades metabólicas normais das células, como reposição de moléculas danificadas, reposição de enzimas, etc. Isso porque a entropia de um sistema sempre aumenta (segunda lei da termodinâmica), termodinâmica), isto é, o sistema tende a um aumento da desorganização. Para que essa organização seja mantida é necessária a introdução de energia metabólica, que no caso de células é ATP, proveniente da respiração (LARCHER, 2004). A Respiração de crescimento é energia proveniente da respiração destinada a produção de novas organelas, células, órgãos, tecidos. Geralmente tecidos jovens apresentam elevada respiração de crescimento sendo 3 a 10X maiores que a respiração de manutenção (LARCHER, 2004). 5.2.8 Respiração e idade da célula Plantas jovens respiram mais intensamente que plantas velhas e as partes em crescimento apresentam uma respiração elevada. De acordo com um mecanismo de retroalimentação é controlado a produção de ATP respiratório de acordo com a necessidade. Nas plantas jovens, nas pontas das raízes, nas folhas em expansão e nos frutos em desenvolvimento, a respiração necessária para construção de novos tecidos é


3 a 10X maiores

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que a respiração de manutenção.

Com o crescimento dos tecidos e o aumento da

diferenciação a respiração de crescimento estaciona a nível de manutenção. Quando os tecidos iniciam o processo de senescência senescência a respiração apresenta um aumento passageiro chamado de respiração climatérica. Esse é o momento de mudança metabólica que pode ser observado

pela maturação dos frutos e a amarelecimento das folhas (LARCHER, 2004). 5.2.9 Respiração durante a fotossíntese A atividade respiratória medida em plantas em condições de luz varia de 25-100% da atividade respiratório no escuro. Gans e Reibelli (1987) citam que a inibição da respiração mitocondrial na luz é um assunto bastante discutido. Os níveis de nucleotídeos pirimídicos (NAD(H), NADP(H)) e nucleotídeos adenina (ADP e ATP) são os principais intermediários na interação entre FSS e respiração. Durante a transição do escuro para a luz o nível de NADPH aumenta enquanto de NADH diminui e o nível de ADP é extremamente baixo. Isso mostra que existe uma competição entre a fotofosforilação oxidativa (cloroplasto) e a fosforilação oxidativa (mitocôndria), sendo a possível causa da diminuição da atividade do ciclo de Krebs em tecidos fotossintéticos.

Gemel; Randall (1992), concluíram que a conversão de glicina fotorespiratória a serina que ocorre que ocorre nas mitocôndria de plantas C 3 pode fornecer o NADH para dirigir a fosforilação oxidativa da glicina e a subseqüente inativação da piruvato desidrogenase mitocondrial. A glicina também produz o íon do amônio, que proporcionou um aumento da inativação da piruvato desidrogenase mitocondrial in vitro. 5.2.10 A interação da respiração e da fotossíntese na indução do redutase Activity1 do nitrate Exigência da respiração e da fotossíntese para a indução e a manutenção da atividade da nitrato redutase foi determinada nas folhas de Hordeum vulgare L. A fixação do CO 2 pode então produzir o fotossintatos para dirigir os aceptores de elétrons para da indução i ndução do fluxo de elétrons fotossintéticos. Esta possibilidade foi sugerida mais pela observação que o CO 2 era uma exigência absoluta para a indução nas folhas esgotadas em açúcares. Os resultados obtidos com inibidores respiratórios indicaram também que a respiração dirigiu a indução da nitrato redutase. A glicose exogenamente fornecido também retardou substancialmente a perda da nitrato redutase que ocorreu quando as folhas da cevada foram colocadas no escuro. Presume-se que a glicose permitiu que a fase fotossintética ou da ativação da indução prosseguisse mais rapidamente. Nossos resultados suportam a hipótese que um dos efeitos Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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principais da luz pode dever fornecer o fotossintato à respiração manutenção, manutenção, que dirige então o processo da indução (ASLAM; HUFFAKER; TRAVIS, 1973). 6. Lipogênese A lipogênese é o processo de formação de lipídeos que ocorre em células animais e vegetais. Esse processo ocorre a partir de vários objetivos. Um deles é uma forma de canalizar o excesso de energia produzido pela célula para armazenamento na forma de lipídeo, sendo 1g de lipídeo equivale a 9,3 Kcal mol -1, enquanto que 1 g de amido corresponde a 3,8 Kcal (TAIZ; ZEIGER, 2004). Muitos lipídeos produzidos pelas células vegetais não são utilizados somente como reserva energética, mas como moléculas estruturais. Por exemplo a cutícula apresenta camada de cera, a qual reduz a perda de água e aumenta a reflexão de luz em plantas submetidas a elevadas intensidades luminosas. Além disso, em folhas mais velhas que apresentam cutícula mais espessa o efeito da aplicação de alguns defensivos agrícolas é menor devido ao aumento da tensão superficial da gota (TAIZ; ZEIGER, 2004). Os lipídeos são armazenados principalmente na forma de triglicerídeos (uma molécula de glicerol ligada a três ácidos graxos) nos oleossomos (apresentam apenas uma camada fosfolipídica) durante a formação de sementes nos cotilédones e endosperma (TAIZ; ZEIGER, 2004). A formação dos ácidos graxos é realizada nos plastídeos e no retículo endoplasmático liso. O processo inicia nos plastídeos a partir um complexo de várias enzimas que trabalham coletivamente denominado de acido graxo sintetase. A molécula precursora é Acetil Coa (2C) (Figura 49). Duas dessas moléculas se ligam formando o malonil Coa (3C) ocorrendo a liberação de 1 CO 2 e o gasto de 1 ATP. O malonil é transferido a proteína careadora de Acil formando o malonil ACP (ACP, acil carrier protein ). Posteriormente o malonil ACP liga-se a uma molécula de acetil Coa, liberando 1 CO 2, formando o Acetoacetil ACP (4C) o qual é transformado em butiril ACP através da remoção do grupo ceto. A partir desse ponto inicia ligações sucessivas de acetil côa até a formação de ácidos graxos de 16 a 18 carbonos. Quando a síntese do ácido graxo é finalizado, o ACP é removido (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 49). Depois de sintetizado os ácidos graxos podem sofrer a ação de desnaturase nos plastídeos e no retículo endoplasmático inserindo ligações duplas em regiões específicas nas cadeias formando os ácidos graxos 16:3; 18:3, por exemplo (TAIZ; ZEIGER, 2004).


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Figura 49. Ciclo da síntese de ácidos graxos em plastídeos de células vegetais. (TAIZ; ZEIGER, 2004). 7. Formação de açúcares a partir de lipídeos As plantas e animais podem metabolizar os lipídeos armazenados na forma de triglicerídeos convertendo em sacarose. Em animais isso ocorre especialmente quando a energia do organismo é menor do que o seu requerimento (pessoa que passa fome). Em plantas esse mecanismo ocorre especialmente durante a germinação de sementes, o qual mobiliza os lipídeos armazenados transformando-os em açúcares e assim energia para o embrião (TAIZ; ZEIGER, 2004). Esse processo inicia através da remobilização dos lipídeos (triglicerídeos) nos oleossomos (ação de uma lipase de membrana), estes são transformados em ácido graxo e metabolizados por beta oxidação nos glioxissomos, formando o acetil Coa, o qual é transportado para o ciclo do glioxilato (também no glioxissomo). No ciclo do glioxilato o Acetil Coa se liga ao oxalacetato em rota semelhante ao ciclo de Krebs até formação do succinato. Este entra na mitocôndria no ciclo de Krebs e transformado em malato, que segue a rota de neoglicogênese (inverso da glicólise) até formar a sacarose (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 50). Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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Figura 50. Rotas de formação sacarose a partir de lipídeos em células vegetais. (TAIZ; ZEIGER, 2004). 8. Síntese de aminoácidos e proteínas 8.1 Síntese de aminoácidos As células evitam a toxidez de NH 4+ pela rápida assimilação do mesmo em Aa. A principal via envolve: (i) a ação da glutamina sintetase que combina o NH 4+ com o glutamato para formar a glutamina, esta reação necessita da hidrólise de 1 ATP e envolve o Mn, Mg e o Co como cofatores. Os níveis elevados de glutamina nos plastídeos estimula a sintetase (GOGAT)

glutamato

a qual utiliza um NADH ou Fd (dependendo da GOGAT ela utiliza um

tipo de NADH, na rizosfera ou tecidos vasculares das folhas ou Fd, esta principalmente nos cloroplastos, fotorrespiração) para juntar o 2 alfacetoglutarato + glutamina, formando 2 mol de glutamatos (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura ( Figura 51). Outra rota importante é a desaminação do glutamato, transformando-o em 2 alfacetoglutarato pela glutamato desidrogenase (GDH). Uma vez assimilado em glutamina e glutamato o nitrogênio pode ser incorporado em outros Aas através de reações de


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transaminação. Um exemplo é a aspartato aminotransferase (BUCHANAN, 2000; TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 52).

Figura 51. Rotas de formação de aminoácidos em células vegetais. (BUCHANAN, 2000).


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Figura 52. Rotas de formação dos aminoácidos essenciais em células vegetais. (BUCHANAN, 2000). 8.1 Síntese de proteínas A síntese de proteínas envolve várias rotas que ocorrem no núcleo, ribosssomos, retículo endoplasmático rugoso e complexo de golgi. Inicialmente o núcleo contém os genes que constituem o DNA. Cada gene quando ativado é transcrito em RNAm o qual codifica uma única proteínas (TAIZ; ZEIGER, 2004). O RNAm é transportado para o citoplasma via poro perinuclear onde se liga as duas subunidades do ribossomo (40s e 50s). Quando a fita é inserida ao ribomosso no códon de inicialização o anticódon complementar do RNAt se liga ao RNAm. O RNAt possui um aminoácido específico ligado a si, os quais vão se ligando por ligações peptídicas até o códon terminal finalizando a formação da cadeia que vai resultar na proteína (TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 53). Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didática

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Essa proteína quando apresentar função específica fora das células é produzida no retículo endoplasmático rugoso (TAIZ; ZEIGER, 2004).

Figura 53. Expressão gênica envolvendo envolvendo a transcrição e transdução. t ransdução. (TAIZ; ZEIGER, 2004).


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BIOENERGÉTICA: EXERCÍCIOS DE FIXAÇÃO 1 – O processo fotossintético é fundamental para o crescimento e desenvolvimento de plantas. Portanto, necessita-se conhecer esse processo para realizar o manejo de plantas cultivadas. Sendo assim, escreva a equação fotossintética e a partir desta explique, o que é produzido e em função do que? 2 - Através da figura abaixo, explique a diferença entre a oxidação de açúcar pelo processo respiratório (metabolismo) e pela queima por combustão (fogo).

3 – Qual a forma de energia universal para as células? 4 - Porque ocorre o processo de fermentação fermentação e qual a sua importância? 5 – Em qual fase da respiração que os açucares são completamente oxidados? O que forma nessa fase? 6 – Na célula existe uma “casa de câmbio” onde a energia armazenada em moléculas de NADPH e NADH é transformada em ATP. Em qual organela isso ocorre e qual via metabólica? 7 – No processo respiratório somente é oxidado açúcares? Explique:


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8 – Quando um animal perde peso por falta de alimento ocorre diminuição de energia para o mesmo. A partir disso de onde ele retira energia para se manter vivo? 9 – Quais são as principais moléculas de armazenamento de energia em células animais e vegetais? 10 – Qual a diferença entre anabolismo e catabolismo? Exemplifique estas vias metabólicas em plantas? 11 – Qual a importância da respiração na produtividade vegetal? 12 – Porque os lipídios (triacilglicerídes, óleos e gorduras em células vegetais) é uma forma eficaz de armazenar energia a em relação ao açucares? 13 – O estoque ou armazenamento de energia na forma de lipídeos é importante para organismos vivos . Como essa energia estocada pode ser utilizada para o metabolismo de plantas e animais ? 14 – As proteínas são moléculas que apresentam várias seqüências de aminoácidos (grupo amino e ácido) os quais são formados nas células para desempenhar função estrutural, enzimática entre outras. A partir de que rotas são utilizadas utili zadas esqueletos carbônicos carbônicos (grupos CHO) para formá-las? 15 – O que são enzimas e qual a sua importância no processo respiratório e fotossintético? 16 – Justifique a elevada taxa respiratória em meristemas, raízes e frutos. 17 – Quais as funções mais importantes da via pentose fosfato? 18 – Relacionar a intensidade respiratória de plantas com os fatores ambientais: oxigênio, CO2, temperatura e disponibilidade de água no solo. 19 – Qual o substrato respiratório mais importante nos órgãos vegetais? Porquê?


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20 – Qual a importância da respiração na conservação de produtos de origem vegetais 21 – Que função tem t em a respiração no desenvolvimento das plantas?


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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS ALBERTS B, JOHNSON A, LEWIS J, RAFF M, ROBERTS K, WALTER P. Molecular Biology of the Cell. Cell. 4th Edition (Versão original), 2004, 1463p. ASLAM, M.; HUFFAKER, R.C.; TRAVIS, R.L. Respiration and nitrate reducytase Physiology, v.52, 1973. induction. Plant Physiology, BROOKS A, FARQUHAR G.D. Effect of temperature on the CO2 /0, specificity of ribulosePlanta, v.165, 1,5-bisphosphate 1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase carboxylase/oxygenase and the rate of respiration in the light. Planta, v.165, p.397-406, 1985. BUCHANAN, B.B.; GRUÍSSEM, W.; JONES, R.L. Biochemistry and molecular biology of Physiologists, 2000, 1367p. plants. Rockville, American Society of Plant Physiologists, JOANNA G.; DOUGLAS D. R. Light Regulation of Leaf Mitochondrial Pyruvate Physiology, Dehydrogenase Dehydrogenase Complex Role of Photorespiratory Carbon Metabolism. Plant Physiology, v.100, p.908-914, 1992. SHARP R.E.; MATTHEWS, M.A.; BOYER, J.S. Kok effect and the quantum yield of Physiology, v.75, photosynthesis: light partially inhibits dark respiration. Plant Physiology, v.75, p.95-101, 1985. TAIZ, L.; ZIEGER, E. Fisiologia Vegetal. Trad. SANTARÉM, E.R. et al., 3° ed., Porto Alegre: Artemed, 2004, p.719. ARNHOLDT-SCHMITT, B.; B.; COSTA, J. H.; MELO, D. D. F. AOX – a functional marker marker for v.11, n.6, 2006. efficient cell reprogramming under stress? Trends in Plant Science, v.11,


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