NADH, FADH2 e NADPH - Coenzimas do metabolismo energético

Coenzimas importantes envolvidas nas reações de oxidação-redução dos processos do metabolismo energético.

Maximiliano Mendes 

Essa postagem é um complemento aos outros materiais que já disponibilizei sobre o assunto, aqui nesse blog e no Youtube:

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/fermentacao.html

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/respiracao-celular-simplificada.html

http://maxaug.blogspot.com.br/2012/05/fotossintese-simplificada-e-resumida.html

Além da Coenzima A mencionada, há outras coenzimas importantes envolvidas nos processos do metabolismo energético e, dependendo da forma como o seu professor ensina e cobra esse conteúdo, é bom que você tenha uma noção sobre algumas delas. Essas coenzimas são responsáveis por captar os elétrons de alta energia liberados nas reações de oxidação (são reduzidas). Depois, elas transferem esses elétrons de alta energia (sofrem oxidação) para outras substâncias, como as bombas de íons H⁺ localizadas nas membranas internas das mitocôndrias e enzimas do ciclo de Calvin-Benson na fotossíntese. São elas:

NAD – Dinucleotídeo de nicotinamida e adenina.

NAD⁺ + H⁺ + 2 e^- -> NADH (forma reduzida).

O NADH transfere os elétrons de alta energia e, com isso, energia, para o primeiro dos três complexos proteicos localizados na membrana interna das mitocôndrias, responsável por bombear H⁺ para o espaço intermembranar.

Quantidades geradas por molécula de glicose:

Glicólise: dois.

Formação de acetil-CoA: dois.

Ciclo de Krebs: seis.

Para cada NADH, estima-se que podem ser gerados três ATPs na fosforilação oxidativa.

FAD – Dinucleotídeo de flavina e adenina.

FAD + 2H⁺ + 2 e^- -> FADH₂ (forma reduzida).

Os elétrons de alta energia do FADH₂ serão transferidos para o segundo complexo proteico bombeador de íons H⁺ nas membranas internas das mitocôndrias. Assim, ao contrário dos elétrons fornecidos pelo NADH, que passam pelas três bombas de H⁺, os do FADH₂ passam por duas. Por isso, às vezes se lê que os elétrons do FADH₂ têm menos energia ou algo do tipo.

Quantidades geradas por molécula de glicose:

Ciclo de Krebs: dois.

Para cada FADH₂, estima-se que podem ser gerados dois ATPs na fosforilação oxidativa.

NADP – Dinucleotídeo de adenina e nicotinamida fosfato.

NADP⁺ + H⁺ + 2 e^- -> NADPH (forma reduzida).

Os elétrons de alta energia do NADPH serão utilizados por enzimas que fazem parte do ciclo de Calvin-Benson (ciclo das pentoses) na fase de fixação do carbono da fotossíntese (“fase escura”).

Quantidades geradas:

Fase clara da fotossíntese: a quantidade gerada depende de diversos fatores, como a intensidade luminosa. De qualquer forma, para ter uma noção, uma equação simplificada e balanceada da fase clara pode ser a seguinte:

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi + energia luminosa -> 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

Equações simplificadas:

Para constar, eis aqui as equações simplificadas dos processos:

Respiração celular:

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ -> 6 CO₂ + 6 H₂O + Energia

Glicólise:

Glicose (C₆H₁₂O₆) + 2 NAD⁺ + 2 ADP + 2 Pi -> 2 Piruvato (C₃H₄O₃) + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 ATP + 2 H₂O

Formação de Acetil Coenzima A:

Piruvato (C₃H₃O₃^-) + NAD⁺ + Coenzima A -> CO₂ + NADH + H⁺ + Acetil (C₂H₃O)-Coenzima A

Ciclo de Krebs (ou do ácido cítrico):

Acetil-Coa + Oxaloacetato (C₄H₂O₅^-2) + 3 NAD⁺ + GDP + Pi + FAD + H₂O -> Oxaloacetato + 3 NADH + FADH₂ + GTP + 2 CO₂

Fermentação alcoólica:

Piruvato + NADH -> CO₂ + Etanol +NAD⁺

Lembrar que, para cada molécula de glicose, a glicólise gera duas moléculas de ácido pirúvico e duas de ATP.

Fermentação láctica após a glicólise:

Piruvato + NADH -> Lactato + 2 NAD⁺

Lembrar que, para cada molécula de glicose, a glicólise gera duas moléculas de ácido pirúvico e duas de ATP.

Fotossíntese:

6 CO₂ + 6 H₂O + Energia luminosa -> C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

Fase clara ou etapa fotoquímica:

2 H₂O + 2 NADP⁺ + 3 ADP + 3 Pi + energia luminosa -> 2 NADPH + 2 H⁺ + 3 ATP + O₂

Fase escura, ou fase de fixação do carbono:

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH -> C₃H7O₃-fosfato (gliceraldeído-3-fosfato) + 9 ADP + 8 P_i + 6 NADP⁺

Vídeo legal sobre o ciclo de Calvin:

http://ed.ted.com/lessons/nature-s-smallest-factory-the-calvin-cycle-cathy-symington

(Tem legendas em língua portuguesa).

Também para constar, aqui vão duas figuras das cadeias de transporte de elétrons e fosforilações oxidativas, a da respiração/mitocondrial em cima e a da fotossíntese/cloroplastos em baixo:

Referências:

Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª Ed. Artmed. 2010.

Voet & Voet. Bioquímica. 4ª Ed. Artmed. 2013.

Nelson & Cox. Princípios de Bioquímica de Lehninger. 6ª Ed. Artmed. 2014.

http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
Wikipédia em língua inglesa

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FOTOSSÍNTESE SIMPLIFICADA E RESUMIDA

FOTOSSÍNTESE SIMPLIFICADA E RESUMIDA

Maximiliano Mendes

Podemos classificar os organismos em dois grupos, quanto à forma como obtêm alimentos:

Heterótrofos: não são capazes de produzir as substâncias orgânicas que lhes servem de alimento a partir de compostos inorgânicos simples. Logo, têm de ingeri-las. É o caso, por exemplo, dos animais. Lembre-se de que as substâncias orgânicas são aquelas constituídas primordialmente de CHONSP: carbono, hidrogênio, oxigênio, nitrogênio, enxofre e fósforo. (*O CO₂ não é considerado uma substância orgânica).

Autótrofos: são capazes de produzir as substâncias orgânicas que lhes servem de alimento. Bons exemplos de organismos autótrofos são as plantas, as algas verdes e as cianobactérias, todos fotossintetizantes. Há também os procariontes quimiossintetizantes.

Podemos considerar que todos os ecossistemas necessitam da presença de organismos autótrofos, que atuarão como os produtores (1º nível trófico). No caso, produtores de substâncias orgânicas para eles e para quem os consome, os consumidores (2º, 3º... níveis tróficos), heterótrofos.

A fotossíntese é um mecanismo de síntese de substâncias orgânicas a partir de CO₂ e energia luminosa. De certa forma, podemos imaginar a fotossíntese como um processo que se dá no sentido contrário ao da respiração celular, como se pode ver nas equações simplificadas abaixo:

Respiração celular: Glicose (“alimento”) + 6 O₂ --> 6 CO₂ + 6 H₂O + Energia potencial química.
Fotossíntese: 6 CO₂ + 6 H₂O + Energia luminosa --> Glicose (“alimento”) + 6 O₂.

Veja que os produtos de um processo podem ser considerados como os reagentes do outro.

Fases da fotossíntese: são duas e ambas ocorrem nos cloroplastos.

Fase "clara" ou etapa fotoquímica:

Essa etapa ocorre nas membranas tilacoides e pode ser chamada de fase "clara" por depender diretamente da energia luminosa, ou seja: só ocorre na presença de luz. O processo utiliza pigmentos, moléculas capazes de absorver a luz visível. Na fotossíntese, os principais tipos de pigmentos envolvidos são as clorofilas, localizadas em dois tipos de complexos proteicos, os chamados fotossistemas II e I (PS II e PS I).

Inicialmente, as moléculas de clorofila dos fotossistemas II absorverão a energia luminosa e isso fará com que os seus elétrons sejam excitados. Elétrons excitados se tornam instáveis e serão transferidos com alta energia para bombas de íons H⁺, também localizadas nas membranas tilacoides.

A luz pode se comportar como radiação eletromagnética, propaga-se por ondas eletromagnéticas, e também como partículas chamadas fótons de luz, pequenos pacotes de energia. Imagine que os fótons sejam como bolas de sinuca muito pequenas e os elétrons também. Em um jogo de sinuca, quando uma bola em movimento atinge uma bola parada, transfere energia para ela e faz com que ela se mova. No nível subatômico, quando os fótons de luz atingem os elétrons das clorofilas, transferem energia para eles, o que os excita e permite que sejam enviados com alta energia, como bolinhas de sinuca, para outras moléculas que os captam, como exemplos, veremos coenzimas captadoras de elétrons de alta energia, bombas de íons H⁺ e outras máquinas proteicas.

Os elétrons de alta energia transferem sua energia para as bombas de H⁺, de forma bastante similar ao que ocorre na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial. A atividade das bombas de íons H⁺ gera uma diferença nas concentrações de íons H⁺ entre o estroma do cloroplasto e o interior dos tilacoides:

Os elétrons perdidos pelas clorofilas dos fotossistemas II serão repostos pela H₂O, em um processo chamado de fotólise da água (veja a figura):

H₂O --> 2 H⁺ + ½ O₂ + 2 e^-

Atenção para o fato de que o O₂ gerado pela fotossíntese é proveniente da H₂O e não do CO₂!

Como se pode ver na figura acima, da cadeia de transporte de elétrons da etapa fotoquímica, a luz incide sobre as clorofilas de ambos os fotossistemas e em ambos os casos ocorre a liberação de elétrons de alta energia.

Os elétrons que transferiram energia para as bombas de H⁺ serão transferidos para as moléculas de clorofila dos fotossistemas I a fim de repor os elétrons que elas estão perdendo sendo enviados para a próxima fase da fotossíntese.

Enfim, é uma cadeia de transporte de elétrons na qual se pode imaginar que inicialmente os elétrons partem da água.

Vimos que ocorre o bombeamento de íons H⁺ e que isso gera uma diferença de concentração entre o interior dos tilacoides (concentração maior) e o estroma do cloroplasto (concentração menor). Assim, os íons H⁺ tendem a atravessar as membranas tilacóides pela ATP sintase, basicamente a mesma da respiração celular: uma permease com uma turbina acoplada que pode girar e fosforilar ADP para formar ATP, graças à energia fornecida pela passagem dos íons H⁺ através dela:

A quantidade de ATPs gerados depende da intensidade luminosa, disponibilidade de água, temperatura e outros fatores, por isso não é necessário decorar as quantidades geradas.

É importante perceber que a fase clara da fotossíntese é similar ao que ocorre na cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa mitocondriais (aqui, chamada fotofosforilação), só que ao invés de serem as etapas finais, na fotossíntese, essas são as etapas iniciais. Note também que na fotossíntese se gera O₂ (a partir da quebra água) e na respiração se consome O₂.

A etapa fotoquímica produz ATP e elétrons de alta energia para a próxima fase (fase "escura" ou de fixação do carbono).

Esses elétrons de alta energia em trânsito participam de reações de oxidação-redução e são transferidos de uma espécie química para outra. Então não vagam livres pelas soluções celulares, eles são captados por substâncias aceptoras de elétrons, que, ao captá-los são reduzidas e ao transferi-los, são oxidadas. Ao término da fase fotoquímica, os elétrons de alta energia a serem utilizados na próxima fase da fotossíntese são captados e transportados por uma coenzima chamada dinucleotídeo de adenina e nicotinamida fosfato (NADP⁺) conforme a reação abaixo:

NADP⁺ + H⁺ + 2 e^- --> NADPH

O NADP⁺ é a forma oxidada e o NADPH é a forma reduzida (captou os elétrons). O NADPH, posteriormente sofre oxidação e transfere os elétrons de alta energia previamente captados. Veja também que o NADP⁺ também capta H⁺, para balancear as cargas negativas dos elétrons.

A imagem abaixo apresenta a mesma cadeia de transporte de elétrons da fotossíntese, porém, de forma mais detalhada, mostrando várias das substâncias que atuam nas reações de oxidação-redução:

Fase "escura" ou de fixação do carbono:

Também chamada de fase puramente química. Consiste em um ciclo de reações, o ciclo de Calvin-Benson (ou ciclo das pentoses), que ocorre no estroma dos cloroplastos e não depende diretamente da luz, mas depende diretamente dos produtos da fase clara: ATP e os elétrons de alta energia transportados pelo NADPH que os havia captado. Logo, por não depender diretamente da luz, o ciclo de Calvin pode ocorrer na presença e na ausência de luz (de dia e de noite). Lembrando que, na ausência de luz, o ciclo persiste enquanto durarem os produtos da fase clara, então, as plantas que não recebem iluminação adequada podem morrer.

Basicamente, o ciclo de Calvin utiliza moléculas de CO₂ para a geração de uma determinada substância orgânica, com o uso de ATPs e elétrons de alta energia (equação simplificada):

6 CO₂ + 18 ATP + elétrons de alta energia --> 2 gliceraldeído-3-fosfato (C₃H₇O₆P).

Uma forma de escrever a equação simplificada com os NADPH pode ser:

3 CO₂ + 9 ATP + 6 NADPH -> C₃H₆O₃-fosfato  + 9 ADP + 8 Pi + 6 NADP⁺

As moléculas de gliceradeído-3-fosfato ou fosfogliceraldeído, abreviadas como PGAL ou G3P, podem ser utilizadas pelas células para gerar outras substâncias que lhes servem de alimento e também para os organismos que as consomem, como os herbívoros. Como exemplo, um processo chamado neoglicogênese utiliza dois PGAL para gerar uma molécula de glicose. 

O processo tem o nome de ciclo, pois um dos reagentes iniciais é também um dos produtos finais, no caso, uma molécula chamada de ribulose-1,5-bifosfato. A imagem abaixo resume o processo:

Veja também:

http://maxaug.blogspot.com.br/2015/05/nadh-fadh2-e-nadph-coenzimas-do.html

REFERÊNCIAS

Amabis & Martho. Biologia das Células. Moderna. 2010.

Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª Ed. Artmed.

Catani et al. Ser Protagonista – Biologia – Vol. 1. Edições SM. 2009.

Polkinghorne, J. Quantum Physics and Theology – An Unexpected Kinship. Yale University Press. 2007.

Na internet:

http://highered.mcgraw-hill.com/olcweb/cgi/pluginpop.cgi?it=swf::535::535::/sites/dl/free/0072437316/120072/bio13.swf::Photosynthetic%20Electron%20Transport%20and%20ATP%20Synthesis

http://www.bio.purdue.edu/people/faculty/cramer/cramerlab/cytbf.html

https://www.youtube.com/watch?v=eo5XndJaz-Y

https://www.youtube.com/watch?v=0UzMaoaXKaM

(Esses dois últimos vídeos, TED-Ed, têm legendas em língua portuguesa disponível).