LCB 208 BIOQUIMICA

Prof. Dr. LUIZ ANTONIO GALLO

 

METABOLISMO DE CARBOIDRATOS* 

 

 

 

1. INTRODUÇÃO

         A respiração aeróbica é comum em todos os organismos eucarióticos, o processo respiratório nas plantas é bem similar ao encontrado nos animais. No entanto a respiração em vegetais distingue em alguns pontos da respiração animal. A respiração aeróbica é um processo biológico pelo qual compostos orgânicos reduzidos são mobilizados e oxidados de uma maneira controlada. Durante a respiração, energia livre é liberada e incorporadas na forma de ATP, que pode ser facilmente utilizado para a manutenção e desenvolvimento da planta.

         A respiração é comumente expressa em termos de oxidação de um açúcar de 6 carbonos:

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2 6 CO2 + 12 H2O

 

         Esta equação é oposta a equação usada para descrever o processo fotossintético, e representa uma reação duplo redox em cujo a glucose é completamente oxidada em CO2, enquanto que o oxigênio serve como último receptor de elétron, sendo reduzido em água. A mudança de energia livre padrão para estas reações libera 2880kJ (686kcal) por mole (180g) de glicose oxidada.

         A glicose é mais comumente citada como substrato da respiração, porém em uma célula em funcionamento, o carbono reduzido pode ser derivado de fontes como polímeros de amido, disacarídeos, e outros açúcares, como também lipídeos, ácidos orgânicos, e ocasionalmente, proteínas.

          Com o objetivo de prevenir danos na estrutura celular, a célula libera uma grande quantidade de energia na oxidação da glicose por um processo que possui vários passos, em cuja glicose é oxidada através de uma série de reações. Estas reações podem ser subdivididas em três estágios: Glicólise, Ciclo do Ácido Tricarboxílico e a Cadeia de Transporte de Elétrons.

         O ciclo do ácido tricarboxílico e a cadeia de transporte de elétron, ambos ocorrem na membrana do mitocondrio. No ciclo do ácido tricarboxílico, o piruvato é oxidado completamente a CO2 e uma considerável quantidade de poder redutor  é gerado neste processo.

         A cadeia de transporte  de elétron consiste de uma coleção de proteínas transportadoras ligadas as duas membranas do mitocondrio. Este sistema transfere elétrons do NADH, produzido durante a glicólise e o ciclo do ácido tricarboxílico, para o oxigênio. Esta transferência de elétrons libera uma grande quantidade de energia livre, muito desta energia é conservada na forma de ATP. Este estágio final completa a oxidação da glicose.

        

C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O + 32 ADP + 32 Pi  6 CO2 + 12 H2O + 32 ATP

 

         Acima, a respiração pode ser representada por uma  reação mais completa, onde nem todo o carbono que entra na rota respiratória sai na forma de CO2. Muitos metabólitos intermediários importantes aparecem nas rotas glicolíticas e ciclo tricarboxílico, permitindo que estas rotas funcionem como ponto inicial de muitas outras reações celulares. Como exemplo desses metabólitos podemos citar vários aminoácidos, pentoses usadas na parede celular e biossíntese, precursores de biossíntese de porfirinas, e gliceróis necessários para síntese de fosfolipídeos.

 


VISÃO GERAL DA RESPIRAÇÃO CELULAR  ( A. LEHNINGER)

 

    2. GLICÓLISE

2.1 Reações da via glicolítica

         Na glicólise, o primeiro estágio da respiração, a glicose, um açúcar de 6 carbonos, é dividido em dois açúcares de 3 carbonos, que são oxidados e rearranjados para produzir duas moléculas de piruvato

Além de preparar um substrato para oxidação do ciclo do ácido tricarboxílico, a glicólise produz uma pequena quantidade de energia química na forma de ATP e NADH. Antes da evolução da fotossíntese e do aparecimento do oxigênio na atmosfera, a glicólise foi provavelmente a principal fonte de energia para as células via fermentação.

         A glicólise ocorre em todos os organismos vivos (procariotos e eucariotos). Este processo não requer oxigênio para converter glicose a piruvato, e o metabolismo glicolítico pode se tornar o principal modo de produção de energia em tecidos vegetais em baixos níveis de oxigênio, por exemplo, em raízes de solos alagados. A glicólise consiste de reações catalizadas por uma série de enzimas solúveis localizadas no citossol.

         A principais reações associadas com as rotas glicolítica clássica e fermentativa é mostrada na figura 1. A sacarose é  o maior açúcar translocado na planta e é deste modo a forma de carbono que muitos tecidos não fotossintéticos importam para sua manutenção. Duas rotas para a degradação de sacarose é conhecida em plantas (figura 1). Em muitos tecidos vegetais a sacarose sintase, que está localizada no citossol e combina a sacarose com UTP para produzir frutose, UDP-glicose, e fosfato inorgânico é usado para degradar a sacarose. Mas em alguns tecidos, a invertase, que se localiza na parede celular, simplesmente hidrolisa a sacarose em glicose e frutose.

 


 Via Glicolítica e suas possíveis rotas metabólicas.  (A.LEHNINGER)

         Devido  o amido ser sintetizado em plantas e catabolizado nos plastídeos, o carbono obtido da degradação do amido entra na glicólise no citossol, primeiramente a nível de açúcares de 3 carbonos, gliceraldeído-3-fosfato e diidroxiacetona, no caso dos cloroplastos, ou a hexose glicose-1-fosfato, que é translocado para fora dos amiloplastos. No caso dos açucares de 3 carbonos, a separação do sítio de isoenzimas cataliza a mesma série de reações que convertem açúcares de 6 carbonos, como ocorre na glicólise, está localizado nos plastídeos.

         Nas reações iniciais da glicólise, a hexose que entra (glicose ou frutose) é fosforilada duas vezes e então quebrada, produzindo duas moléculas de açúcar com 3 carbonos (gliceraldeído-3-fosfato). Esta série de reações requer gasto de duas moléculas de ATP por glicose e inclui duas das três reações irreversíveis da rota glicolítica que são catalizadas por hexose quinase (incluindo glicose quinase e frutose quinase) e fosfofruto quinase. As reações da fosfofrutoquinase é um dos pontos de controle da glicólise tanto em plantas como em animais.

         Uma vez formado o gliceraldeído-3-fosfato, a rota glicolítica pode começar a extrair energia útil. A enzima gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase cataliza a oxidação do aldeído a ácido carboxílico, liberando energia suficiente para permitir a redução de NAD+ em NADH e a fosforilação de gliceraldeído-3-fosfato para produzir1,3-bifosfoglicerato.

         O NAD+/NADH é um cofator orgânico associado com muitas enzimas que catalizam reações redox. O NAD+ é a forma oxidada do cofator e ele passa por uma reação de 2 elétrons reversível  que produz NADH (NAD+ + 2 e- + H+). O potencial redução padrão para este duplo redox é aproximadamente -320 mV. NADH é desta maneira uma boa forma para armazenar energia livre liberada durante as reações de oxidação da glicólise e do ciclo do ácido tricarboxílico. A subsequente oxidação do NADH via cadeia transportadora de elétrons libera energia suficiente (220kJ mol-1, ou 52kcal mol-1) para mover a síntese de ATP. Um outro composto, o NADP, desempenha uma função redox na fotossíntese e na rota oxidativa das pentoses fosfato.

         Voltando para as reações da glicólise, iniciando com o 1,3-bifosfoglicerato. O ácido carboxílico fosfolrilado em carbono 1 do 1,3-bifosfoglicerato representa uma mistura de ácido-anidro que tem uma grande energia de hidrólise (-18,9 kJmol-1 ou -4,5kcal). Desta forma o 1,3-bifosfoglicerato é um forte doador de grupos fosfatos. No próximo passo da glicólise, que é catalizado, pela fofoglicerato quinase, o fosfato do carbono 1 é transferido para uma molécula de ADP, produzindo AATP e 3-fosfoglicerato. Para cada glicose que entra, 2 ATPs são gerados por esta reação- Um para cada molécula de 1,3-bifosfoglicerato.

         Este tipo de síntese de ATP se refere a Fosforilação a nível de substrato, porque ela envolve transferência direta de um fosfato de uma molécula de substrato para ADP para formar ATP. Esta fosforilação é diferente do mecanismo de síntese de ATP durante a fosforilação oxidativa que é usada pela cadeia de transporte de elétron, no estágio final da respiração.

         Nestas últimas séries das reações glicolíticas, o fosfato do 3-fosfoglicerato é transferido para o carbono 2 e uma molécula de água é removida, produzindo fosfoenolpiruvato (PEP). O grupo fosfato do PEP também tem alta energia livre de hidrólise (-30,5 kJ mol-1 ou -7,3 kcal mol-1), esta energia livre  faz com que o PEP se torne um excelente doador de fosfato para formação de ATP. No passo final que é a terceira reação irreversível da glicólise, produz duas moléculas adicionais de ATP para cada hexose que entra na rota (figura 2).

 

 

Via Glicolítica. As reações em que o ATP ou o NADH estão em destaque.

 

 

2.2 Pontos de controle na Via Glicolítica

        Um dos pontos importantes nas vias metabólicas são seus pontos de controle. As vias poderão ser desligadas por qualquer organismo se lê não tiver uma necessidade imediata de seus produtos, guardando, desse modo, a energia. Na glicólise, três reações formam os pontos de controle da via: a reação de glicose para glicose- 6 –fosfato, catalisada pela hexoquinase; a produção de frutose- 1,6 bifosfato, catalisada pela fosfofrutoquinase; e a última reação da via, catalisada pela piruvato-quinase (Figura 3). Freqüentemente, observa-se que o controle de rotas metabólicas é exercido em pontos próximos ao início e ao final da via, envolvendo intermediários- chave; nesse caso temos a frutose 1,6-bifosfato.

 

Pontos de Controle da Glicólise

 

 

 

2.3 Fermentação

         A fermentação regenera o NAD+ necessário para a glicólise na ausência  de oxigênio. Na ausência de oxigênio, o ciclo do ácido tricarboxílico e a cadeia transportadora de elétrons não conseguem funcionar. A glicólise deste modo não pode continuar operando, devido ao suprimento da célula em NAD+ ser limitado, e o NAD+ se torna disponível no estado reduzido (NADH), a reação catalizada pelo gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase não pode ocorrer. Para superar este problema, plantas e outros organismos podem metabolizar todo piruvato através do Metabolismo Fermentativo.

         Na fermentação alcóolica, as duas enzimas piruvato descarboxilase e álcool desidrogenase agem sobre o piruvato, produzindo etanol e CO2 e oxidando NADH no processo.

         Na fermentação do ácido lático, mais comum em mamíferos, a enzima lactato desidrogenase usa NADH para reduzir piruvato a lactato, regenerando NAD+.

         Um dos melhores exemplos envolvendo o metabolismo fermentativo, são as raízes situadas em solo alagado, onde as concentrações de oxigênio são muito baixas.

          A fermentação não libera toda a energia viável em cada molécula de açúcar. A energia livre padrão (DG0) para a completa oxidação da glicose é -2880kJ mol-1 (-686 kcal mol-1). O valor de DG0, para a síntese de ATP é -31,8 kJ mol-1 (-7,6 kcal mol-1). Entretanto sobre condições não padrão que normalmente ocorrem nas células, a síntese de ATP requer uma entrada de energia livre de aproximadamente 50,2 kJ mol-1 (12 kcal mol-1). Dando a síntese de duas moléculas de ATP para cada glicose que é convertidas em etanol (ou lactato), a eficiência da fermentação anaeróbica, que é, a energia estocada como ATP relativa a energia potencialmente viável na molécula de glicose é de aproximadamente 4%. Muito desta energia em glicose restante pelo produto da fermentação: lactato ou etanol. Durante a respiração aeróbica, o piruvato produzido pela glicólise é transportado para dentro do mitocondrio, onde é totalmente oxidado, resultando em uma conversão de energia livre  em glicose com uma eficiência bem maior.

 

2.4 Reações Glicolíticas Alternativas

         Os organismos podem utilizar esta rota, operando no sentido contrário para síntese de glicose a partir de outras moléculas orgânicas. A síntese de glicose através do reverso da rota glicolítica é conhecida como gliconeogênese. Gliconeogênese não é comum em plantas, mas pode ocorrer em algumas sementes de espécies que armazenam uma grande quantidade de carbono sob a forma de óleo. Após a germinação, muito do óleo é convertido em sacarose via gliconeogênese, que é então usada para suportar o crescimento.

        

3. A ESTRUTURA  DO MITOCÔNDRIO

 

         Em 1937, o bioquímico alemão Hans A. Krebs relatou a descoberta do ciclo do ácido tricarbixílico (ATC), também conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. A elucidação do ciclo ATC não explica apenas como o piruvato é quebrado em CO2 e H2O; Ele também mostra o conceito chave dos ciclos nas rotas metabólicas. O ciclo ATC ocorre na matriz do mitocondrio, que é uma organela semi-autônoma.

         A quebra de glicose para formar piruvato libera menos energia do que 25% da energia total em glicose; a energia restante é armazenada sob a forma de 2 moléculas de piruvato. Os próximos dois estágios da respiração o ciclo do ácido tricarboxólico e a cadeia transportadora de elétrons, juntamente com a síntese de ATP, ocorrem dentro do mitocondrio.

 

Estrutura do Mitocôndrio

 

            Os mitocondrios vegetais foram originalmente  identificadas pelo microscópio luminoso, porém com o advento da microscopia eletrônica, os cientistas puderam definir claramente a morfologia mitocondrial. Mitocondrios vegetais isoladas alcançam 0,5 a 1,0mm de diâmetro e até 3,0 mm de comprimento (Douce,1985). Em células intactas pode-se observar o complexo mitocondrial representado por uma membrana interna altamente retificada, em células animais. Em plantas, o número de mitocondrios por célula e está diretamente relacionado com a atividade metabólica do tecido, refletindo o papel da mitocondrio no metabolismo de energia.

        As características ultra estuturais de mitocondrios vegetais são semelhantes àquelas que são encontradas em tecidos não vegetais. A mitocondrio vegetal ( figura 5) possui duas membranas Uma membrana lisa externa que circunda completamente uma membrana interna altamente invaginada. A fase aquosa contida dentro da membrana interna é chamada de matriz mitocondrial, e a região entre as duas membranas é conhecida como espaço intermembrana. As invaginações da membrana interna é chamada de crista.

        Assim como os cloroplastos, as mitocondrios são organelas semiautônomas, elas contêm ribossomos, RNA e DNA, que codifica um limitado número de proteínas mitocondriais. A mitocondrio se multiplica através de fissão  de mitocondrios pré-existentes e não através de uma nova biogênese.

        Algumas características do sistema genético mitocondrial  não são encontrados nas mitocondrios de animais, protozoários, e alguns fungos.

 

    4. CICLO DO ÁCIDO TRICARBOXÍLICO

 

    4.1 Reações do ciclo do ácido tricarboxílico

        Embora o mitocondrio possua seu próprio DNA, suas funções são muito mais dependentes das proteínas codificadas pelo núcleo do citossol, que inclui todas a proteínas mais importantes do ciclo do ácido tricarboxílico (TCA). Este ciclo representa o segundo estágio da respiração e ocorre na matriz mitocondrial. Para iniciar as reações deste ciclo é necessária a entrada do piruvato que foi formado no citossol através das reações de glicólise, porém a membrana interna da mitocondrio impermeável ao piruvato e precisa ser transportada para o seu interior. Sendo assim, existe um transportador de piruvato (monocarboxilado) que cataliza uma mudança elétrica através da membrana interna resultando em piruvato e OH-.

        Uma vez dentro da matriz mitocondrial, o piruvato é descarboxilado oxidativamente pela enzima piruvato descarboxilase para produzir NADH, CO2 e ácido acético. O ácido acético é ligado via uma ligação tioéster a um cofator contendo enxofre, coenzima A (CoA), para formar acetil CoA. A enzima piruvato desidrogenase existe como um complexo de várias enzimas que catalizam a reação global em um processo que consiste de 3 passos: descarboxilação, oxidação e conjugação do CoA. Anterior a reação a enzima citrato-sintase o acetil CoA com um ácido carboxílico de 4 carbonos, oxalacetato (OAA), para formar um ácido tricarboxílico de 6 carbonos, o citrato. O citrato é então isomerizado. à isocitrato pela enzima aconitase, e as próximas duas reações são sucessivas descarboxilação oxidativas, cada uma delas produzindo um NADH e liberando uma molécula de CO2 , produzindo por último uma molécula de 4 carbonos, succinil CoA. Até este ponto, 3 moléculas de CO2 já foram produzidas para cada piruvato que entrou na mitocondrio, assim a glicose foi completamente oxidada. A figura 6 ilustra bem as as reações do ciclo do ácido tricarboxílico com as enzimas específicas e os produtos resultantes.

        A molécula de succinil CoA é convertida em OAA, permitindo a continuação do ciclo. No início uma grande quantidade de energia livre disponível em ligação tioéster do succinil CoA é conservado através  da síntese de ATP a partir de ADP e Pi via fosforilação a nível de substrato catalizada pela succinil-CoA sintetase. O succinato resultante é oxidado a fumarato pela succinato desidrogenase, que é a única enzima associada a membrana do ciclo ATC e é considerada como um componente do complexo II da cadeia transportadora de elétrons. Os elétrons removidos do succinato foram transferidos para outro cofator, o FAD. O FAD é ligado covalentemente ao sítio  da succinato desidrogenase e passa por uma redução reversível de 2 elétrons para produzir FADH2 (FAD + 2 e- + 2 H+). Ao final das duas reações do ciclo do ácido tricarboxílico, fumarato  é hidratado para produzir malato, que é subsequente oxidado pela malato desidrogenase para gerar OAA e produzir outra molécula  de NADH. O OAA produzido é agora capaz de reagir  com outro acetil CoA e continuar o ciclo.

        A oxidação do piruvato no mitocondrio dá origem a  3 moléculas de CO2, e muita da energia livre liberada por estas oxidações é armazenada na forma reduzida de NAD+ (4 NADH) e FAD (1 FADH2). Em adição uma molécula de ATP é produzida pela fosforilação a nível de substrato durante o ciclo ATC.

        As reações do ciclo do ácido tricarboxílico que ocorrem nas plantas diferem em alguns pontos das que ocorrem em células animais, por exemplo,  o passo catalizado pela enzima  succinil CoA sintetase produz ATP em plantas e GTP em animais. No mitocondrio animal, o ATP é formado por uma outra enzima que retira e transfere fosfato do GTP para o ADP.

 

Ciclo do ácido cítrico   (KREBS)

 

4.2 Pontos de controle do ciclo do ácido tricarboxílico

            Três são as enzimas que desempenham papel regulatório no ciclo do ácido cítrico. Existe também um ponto de controle fora do ciclo, onde o piruvato é descarboxilado oxidativamente em acetil CoA, sendo inibido por ATP e NADH. Dentro do ciclo as enzimas citarto-sintetase, isocitrato desidrogenase e pelo complexo a-cetoglurato-desidrogenase .

Cadeia respiratoria

 





VISÃO EM TRES D DA CADEIA RESPIRATORIA

Veja a ATPase em funcionamento

ATPase


 

 

4.3 Ciclo do glioxilato

         O acetil CoA produzido pela oxidação beta é completamente metabolizado no glioxissomo através de uma série de reações que que fazem parte do ciclo do Glioxilato. Inicialmente o acetil CoA reage com o oxalacetato para produzir citrato. As enzimas que catalizam esta reação (citrato sintase e aconitase), são as mesmas do ciclo do ácido tricarboxílico. Desde que haja aconitase altamente ativa no citossol, o citrato pode ser convertido a iso-citrato no citossol.

         As próximas reações ocorrem dentro do glioxissoma. O isocitrato (6C) é convertido em succinato (4C) e glioxilato (2C). Depois a enzima malato sintase combina uma segunda molécula de acetil CoA com glioxilato para produzir malato (figura 8).

A função do ciclo do glioxilato é converter duas moléculas de acetil CoA em succinato, este então se move para o mitocondrio, onde é convertido a malato através do ciclo do ácido tricarboxílico. O malato resultante pode ser oxidado a oxalacetato pela malato desidrogenase no citossol, e o oxalacetato é convertido em carboidrato.

GERMINAÇÃO DA SEMENTE

 


Ciclo do Glioxalato

 

 

5. CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS

 

         Para cada molécula de glicose através da glicólise e do ciclo ATC, 2 moléculas de NADH são geradas no citossol, e 8 moléculas de NADH mais 2 moléculas de FADH2 (associada com succinato desidrogenase) aparecem na matriz mitocondrial. A cadeia transportadora de elétrons catalisa o fluxo de elétrons do NADH ( e FADH2 ) para o O2, o aceptor final de elétrons no processo respiratório (figura 9). A transferencia de 2 elétrons do NADH é representado a seguir:

 

NADH + H+ + 1/2 O2   NAD+ + H2O

 

         A partir do ponto médio do potencial de redução para ligação NADH-NAD+   (-320mV) e a ligação H2O-1/2 O2 (+810mV), a energia livre padrão liberada durante esta reação (-n FDE0) é aproximadamente 220 kJ mol-1 (52 kcal mol-1) por 2 elétrons. O potencial de redução do FADH2-FAD (-45 mV) é alguma coisa maior do que o do NADH-NAD+, apenas 167,5kJ mol-1 (40 kcal mol-1) é liberada para cada 2 elétrons gerados durante a oxidação do succinato. O papel da cadeia transportadora de elétron é realizar a oxidação do NADH (e FADH2).

         A cadeia transportadora de elétrons contém aproximadamente os mesmos sitio de carreadores de elétrons encontrado em mitocondrios não vegetais. As proteínas individuais que transportam elétrons são organizadas em um série de quatro complexo de multiproteína (complexo I a IV), cada um localizado no interior da membrana mitocondrial. Elétrons do NADH gerados na matriz mitocondrial durante o ciclo ATC são oxidados pelo complexo I (NADH desidrogenase), que transfere estes elétrons para a ubiquinona.

 

Gradiente de prótons formado na membrana mitocondrial interna como resultado do transporte de elétrons.


 

         A enzima succinato desidrogenase do ciclo TCA é um componente do complexo II, então os elétrons derivados da oxidação do succinato são transferidas via FADH2 e um grupo de três proteínas ferro-enxofre para o pool da ubiquinona. O complexo III age como um ubiquinol: citocromo c oxidoredutase, oxidando a ubiquinona reduzida (ubiquinol) e transferindo elétrons via centro ferro-enxofre.

         A síntese de ATP no mitocondrio está unida ao transporte de elétrons para o oxigênio via complexo I até o complexo IV, e o número de ATP sintetizado depende da natureza do doador de elétrons. Com mitocondrio isolado,  os elétrons derivados  do NADH da matriz mitocondrial apresentaram uma relação ADP:O de 2,4 a 2,7.

         A energia liberada para síntese de ATP é produzida por uma reação de óxido-redução, a conversão de ADP e Pi para produzir ATP é chamada de Fosforilação Oxidativa.

         A completa oxidação da hexose leva a formação de 4 moléculas de ATP através da fosforilação ao nível se substrato (duas durante a glicólise e duas no ciclo do ácido tricarboxílico), 2 moléculas de NADH no citossol, e 8 de NADH mais 2 moléculas de FADH2 (via succinato desidrogenase) na matriz mitocondrial. Sobre a base de valores da relação ADP:O medida, um total de aproximadamente 28 moléculas de ATP serão geradas por hexose pela fosforilação oxidativa. O resultado é um total de 32 moléculas de ATP sintetizadas por hexose. Entretanto, o número exato de ATP sintetizado  por 2 elétrons é controvertido. A relação ADP:O é uma função do número de prótons translocados por 2 elétrons, multiplicados pelo número de ATP sintetizados por próton translocado, podendo não ser um valor integral.

Se cianeto (1mM) é adicionada em tecidos animais em respiração ativa, o citocromo c oxidase é inibida e a taxa de respiração cai drasticamente. Entretanto, muitos tecidos vegetais mostram um nível de respiração resistente a cianeto que atinge 10 a 25% e em alguns tecidos  até 100% da inibição é controlada. A enzima responsável por esta inibição é a oxidase resistente a cianeto componente da cadeia de elétrons da mitocondria chamada de oxidase alternativa (Siedow & Umbach, 1995).

         A oxidase alternativa catalisa uma redução de quatro elétrons do oxigênio para a água e é especificamente inibida por vários compostos. Quando os elétrons passam para a rota alternativa a partir da ubiquinona, dois sítios de conservação de energia (complexo III e IV) são desviados, e não há formação de ATP. Não há sítio de conservação de energia na rota alternativa entre a ubiquinona e o oxigênio, a energia que seria armazenada na forma de ATP é perdida por calor quando os elétrons são desviados a partir da rota alternativa.


        

6. A VIA DA PENTOSE FOSFATO:

        

         A rota glicolítica não é a única rota disponível para a oxidação da glicose nos citossol de células vegetais. A via oxidativa da pentose fosfato pode também executar essa função, usando enzimas que são solúveis no citossol. As primeiras duas reações dessa serie representam as reações oxidativas, convertendo glicose-6-fosfato em um açúcar de cinco carbono, ribulose-5-fosfato, com a perda de um CO2 e produção de duas moléculas de NADPH. As reações restantes convertem a ribulose-5-fosfato em gliceraldeido-3-fosfato e frutose-6-fosfato. A figura  10 mostra esta via.

          As trioses e hexoses produzidas na via pentose podem ser utilizadas com facilidade na via glicolítica. 

A via oxidativa das pentose fosfato desempenham vários papeis no metabolismo vegetal:

 

1.     Produzir o nucleotídeo NADPH, e esse NADPH é levado a reações de redução associado, para suprir a sua demanda, já que o fotossíntese não produz NADPH suficiente para as reações biossínteticas que ocorrem no citossol.

2.     Entretanto, a NADPH desidrogenase contida no citossol da membrana interna do mitocondrio é também capaz de oxidar NADPH. Os elétrons do NADPH podem reduzir O2 e gerar ATP.

3.     A via oxidativa das pentoses fosfato esta envolvida na geração de intermediários no ciclo de Calvin

4.     A via também produz ribose-5-fosfato, um precurssor da ribose e desoxirribose necessária na síntese de RNA e DNA respectivamente.

A via oxidativa das pentose fosfato é controlado pela reação inicial catalisada pelo glicose-6-fosfato desidrogenase. Entretanto medidas da atividade da enzima desta via em tecidos verdes são complicadas pelo fato que muito da atividade catalítica esta também associado com enzima e cloroplasto que catalisa as reações da rota redutiva da pentose fosfato, ou do ciclo de Calvin.

 

Fig. 10 – Via Pentose Fosfato.

 

 

 

 

  1. BALANÇO ENERGÉTICO DA RESPIRAÇÃO

 

Via                                    NADH                     Ubiquinol                  ATP                  Total de ATP

Glicólise                               2                                  0                             2                             8

Piruvato-Acetil CoA           2                                  0                             0                             6

Ciclo de Krebs                     6                                  2                             2                            24

Total de ATP                 10 x 3 = 30                   2 x 2 =4                       4                           38

 




 

8.     RESPIRAÇÃO PÓS-COLHEITA

 

8.1 Padrões de atividade respiratória

De acordo com o tipo de respiração que os frutos apresentam, estes podem ser classificados em dois grupos distintos, ou seja, os não climatéricos e os climatéricos.

São considerados frutos não climatéricos os que apresentam um contínuo declínio na taxa de respiração em função do tempo. Dentre eles, tem-se: limão, laranja, abacaxi, morango (Biale, 1960).

Frutos não climatéricos somente amadurecem enquanto estiverem ligados à planta. Após a colheita, eles não melhoram suas qualidades de excelência e nutricional, embora um leve amolecimento e perda de coloração verde possam ocorrer (Medlicotti, 1986).

Neste caso não existe nenhuma relação entre a respiração e as mudanças que se manifestam com a maturação dos frutos (Aragón et al., 1984).

Segundo Awad(1990), frutos climatéricos tem um aumento rápido e significativo da taxa respiratória durante a maturação.

As etapas desse aumento são: pré-climatérico, mínimo pré-climatérico, aumento climatérico, pico climatérico e pós-climatérico. Dentre os frutos climatéricos podemos citar: pêra, abacate, banana, tomate.

 

8.2                       Fatores que influenciam a respiração

 

a)Tipo de produto

Cada espécie possui sua taxa respiratória própria. E, mesmo dentro da mesma espécie a atividade respiratória pode variar entre as cultivares de determinado produto.

De acordo com Biles et al (1993) a taxa respiratória de pimenta cultivar Chiltepin e cultivar Tabasco foram maiores do que as cultivares Chooraehong e New Mexican

b)   Relação superfície/volume

Quanto maior for a relação superfície/volume, maior será a respiração do vegetal. Assim, se se comparar a taxa respiratória de uma alface comum com a de uma alface de cabeça, constata-se que a primeira apresentará uma maior evolução de CO2. Isto porque tem uma maior superfície de exposição às trocas gasosas.

 

c) Temperatura

A intensidade respiratória de frutos e hortaliças após a colheita está intimamente relacionada à temperatura. Ela pode interferir diretamente na velocidade da reação dos processos metabólicos, no tempo de armazenamento, bem como causar distúrbios fisiológicos (chilling).

A atividade respiratória é reduzida pelo uso de  baixa temperatura. Em frutos climatéricos, o abaixamento da tempertaura retarda o pico climatérico e reduz sua intensidade podendo o mesmo ser totalmente suprimido na faixa de temperatura próxima ao limite fisiológico de tolerância do fruto (Chitarra, 1990).

De acordo com Amorim (1985), entre temperaturas de 5 a 25ºC o quociente de temperatura (Q10) se situa entre 2,0 e 2,5.

A temperatura influencia a velocidade de uma reação biológica. De acordo com a Lei de Vant’Hoff, a cada 10ºC na variação da temperatura a velocidade das reações metabólicas aumenta em 2 a 3 vezes, dentro da faixa fisiológica de temperatura.

Hardenburg (1971), constatou que a taxa respiratória de pessêgos embalados com polietileno, foi reduzida com a diminuição da temperatura. Verificou-se que a taxa respiratória foi reduzida de 72mg para 5mg CO2.Kg-1.h-1 ao abaixar-se a temperatura de 21 para 0ºC, respectivamente.

 

d) Concentração de oxigênio

Uma vez que o oxigênio do ar  é o componente mais importante para que se realize a respiração aeróbica, deve estar disponível em quantidade adequada. Se restringido o acesso do oxigênio aos frutos, ocorrerá a fermentação, que é acompanhada da produção de odores e sabores desagradáveis (Mitchell et al., 1972)

A fermentação pode ser evitada, armazenando-se os frutos em contentores bem ventilados.

A ventilação adequada (disponibilidade de oxigênio) está diretamente relacionada ao:

·     tipo de embalagem e contentores utilizados para transportar ou armazenar o produto; e,

·       quantidades de ceras artificiais aplicadas às frutas.

 

Entretanto, a redução na concentração de oxigênio é uma técnica muito útil para controlar a taxa de respiração das frutas. Este é o princípio utilizado no armazenamento em atmosfera controlada ou modificada (Pantastico, 1975) e no armazenamento hipobárico (ou baixa pressão) dos produtos perecíveis (Crucefix, 1986).

O consumo de oxigênio pela fruta pode ser utilizado para se determinar sua taxa de respiração. O resultado é expresso em  ml O2.Kg-1.h-1 ou µl O2.g-1.h-1.

 

Geralmente a concentração de oxigênio deve ser reduzida a menos de 10% para obtenção de efeito positivo na redução da respiração. No entanto, são necessários cuidados para que não se atinjam níveis de oxigênio que promovam a respiração anaeróbica, associada ao desenvolvimento de aroma e sabores desagradáveis e à quebra de componentes estruturais dos tecidos, o que provoca perda de firmeza do produto. Além disso, o nível mínimo de oxigênio em que certo produto pode ser armazenado sem problemas não é constante, mas dependente da temperatura e da resistência da epiderme à difusão do oxigênio (Dadzie et al., 1993).

 

e) Concentração de gás carbônico

De acordo com Chitarra (1990), a adição de CO2 ao ar ou ao O2 em concentrações superiores à do ar, prolonga o processo de maturação tanto em frutos climatéricos como em não climatéricos, sendo o efeito uma função da concentração de CO2. Níveis de 5 a 10% de CO2 diminuem a atividade respiratória e retardam o início do climatério. Níveis muito elevados de CO2 causam injúrias aos tecidos. Bender et al (1994) observaram que concentrações de 50% e 70% de CO2 aumentaram a taxa de produção de etanol em mangas armazenadas a 12ºC.

 

f) Acúmulo de etileno

 

O etileno é considerado um hormônio de amadurecimento de frutos e é fisiologicamente ativo em quantidades iguais a 0,1 ppm  (Abeles, 1973).

Reduzindo o O2 a níveis menores que 8% a produção de etileno é reduzida em frutas e hortaliças. O O2 é necessário para a síntese e ação do etileno, uma vez que sob condições anaeróbicas a conversão do ACC (ácido 1-aminociclopropanocarboxílico) à etileno é inibida, promovendo um acúmulo de ACC no tecido, uma vez que a passagem de metionina a ACC ocorre mesmo na Ausência de O2. Altas concentrações de CO2, por sua vez, pode reduzir, promover ou não ter nenhum efeito na taxa de produção de etileno pelo fruto, dependendo do produto e da concentração a que este é exposto. Em alguns frutos, ocorre um acúmulo de CO2 nos espaços intercelulares e este funciona como um antagonista natural do etileno (Kader, 1992)

 

g) Injúrias mecânicas

 

Todo e qualquer tipo de lesão mecânica às frutas e hortaliças pode causar um estímulo na atividade respiratória. De modo geral, frutos climatéricos são mais susceptíveis à influência deste fator, pois a estimulação da respiração devido às lesões físicas provavelmente está relacionada ao efeito indireto do etileno. Isto porque os tecidos vegetais em deterioração produzem mais etileno que os sadios.

A ocorrência de danos mecânicos nos tecidos minimamente processados é inevitável, uma vez que o produto é descascado e/ou picado. De acordo com Moretti (1999), frutos de pimentão minimamente processados armazenados à 2ºC apresentaram elevação significativa da atividade respiratória logo após o processamento, sendo três vezes maior do que os frutos intactos armazenados sob a mesma condição.

 

8.3                       Técnicas pós-colheita para reduzir a respiração

 

a) Redução da temperatura

·       Pré-resfriamento

Tem por finalidade a remoção rápida do calor de campo dos produtos recém-colhidos, antes do transporte, armazenado ou processamento. Quando realizado de modo adequado restringe as atividades enzimáticas e respiratória, entre outros benefícios (Chitarra, 1990).

·       Refrigeração

A refrigeração é o método mais econômico para o armazenamento prolongado de frutos e hortaliças frescos (Chitarra, 1990).

O abaixamento da temperatura diminui a velocidade do metabolismo respiratório. Os frutos que apresentam uma taxa respiratória baixa apresentam de maneira geral, melhor conservação nas baixas temperaturas. Os frutos de origem tropical possuem taxas respiratórias altas, toleram menos temperaturas muito baixas e podem ser conservados apenas durante pouco tempo (Awad, 1990).

 

b) Alteração na composição atmosférica

·       Atmosfera modificada

A atmosfera modificada, juntamente com o uso da refrigeração, pode atrasar o amadurecimento dos frutos, estendendo, assim, sua vida pós-colheita (Coelho, 1994).

De acordo com este autor, o processo de respiração do produto armazenado em embalagens de polietileno consome oxigênio e causa acúmulo de gás carbônico e água, o que reduz o metabolismo, a síntese e a ação do etileno, e consequentemente, evita a perda de água pela transpiração (perda de peso) e o enrugamento.

Oliveira et al (1996) observaram que frutos de goiaba tratados com película de fécula de mandioca 1 e 2% apresentaram menores valores de taxa respiratória em relação ao tratamento testemunha.

·       Atmosfera controlada

O processo de atmosfera controlada implica na adição ou remoção de gases, resultando em uma composição atmosf’érica diferente da atmosfera normal do ar (Kader, 1980).

Kim (1976), observou que tomates inicialmente armazenados em atmosferas contendo 2,5% ou 15% de O2 produziam taxas baixas de CO2 e etileno e, consequentemente, a maturação foi retardada. A seguir, expondo os frutos a uma atmosfera normal (ar), o desenvolvimento da maturação foi normalizada.

 

c) Reguladores vegetais

As auxinas, giberelinas e citocininas, têm sido estudadas com interesse particular por funcionarem total ou parcialmente como retardadores da senescência de frutos.

A aplicação de giberelina em banana, retarda o amadurecimento, com manutenção do teor de clorofila na casca, firmeza do fruto e baixa taxa respiratória (Chitarra, 1990).

Golding (1999) verificaram que a aplicação de 1-MCP ( Metilciclopropeno) em bananas retardou o início do pico do etileno e reduziu a taxa respiratória, atrasnado o amadurecimento.

 

d) Colheita no estádio ideal

     Frutos climatéricos devem ser colhidos durante o estágio mínimo climatérico, onde sua taxa respiratória é baixa. Caso sejam colhidos na fase climatérica (alta taxa respiratória) poderá apresentar uma rápida taxa de deterioração antes da comercialização (Chitarra, 1990)

 

e) Mínimo manuseio do produto

     O manuseio excessivo e inadequado de produtos hortícolas pode ocasionar injúrias no tecido vegetal, aumentando a taxa respiratória.

 

* Trabalho apresentado à disciplina LQI-725 Fundamentos Básicos de Bioquímica Vegetal, coordenada pelo Prof. Dr. Luiz Antônio Gallo. 

 

9.     REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

 

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