Quimiossíntese: síntese de matéria orgânica a partir da oxidação de minerais

Vimos no texto sobre fotossíntese que algumas bactérias autótrofas apresentam a capacidade de converter gás carbônico e água, na presença de luz, em matéria orgânica e gás oxigênio, além de produzir energia na forma de ATP, essas bactérias são denominadas de cianobactérias e fazem parte da microbiota dos ambientes aquáticos. No entanto, também existe bactérias que produzem energia sem a necessidade da incidência solar, são chamadas de bactérias quimiossintetizantes ou quimioheterotróficas/quimiorganotróficas. Esse tipo de bactéria é comum em ambientes afóticos (com ausência de luz), como ocorre no fundo do mar. 

Portanto, a quimiossíntese refere-se ao processo de oxidação de compostos inorgânicos (minerais) para produção de matéria orgânica e energia. Não necessita de luz solar e de matéria orgânica para ocorrer! O processo está representado na reação a seguir:

Fonte: resumos.mesalva.com/fotossintese

A reação anterior nos mostra que a quimiossíntese  apresenta como reagentes o gás carbônico, a água e dos compostos inorgânicos! 

As principais bactérias quimiossintetizantes são divididas em 3 grupos:

🔬Ferrobactérias: oxidam o ferro

Exemplo: Acidithiobacillus ferrooxidans

Ferrobactéria: Acidithiobacillus ferrooxidans

🔬Sulfobactérias: oxidam o enxofre 

Exemplos: Beggiatoa e Thiobacillus

Sulfobactéria: Beggiatoa sp

🔬Nitrobactérias: oxidam o nitrogênio

Exemplos: Nitrosomonas e Nitrobacter, encontradas no solo, participam da reciclagem do nitrogênio.

Bactéria nitrificante

Qual processo tem maior rendimento: a fotossíntese ou a quimiossíntese?

Apesar de não precisar de luz para ocorrer, a produtividade da quimiossíntese é menor que a obtida através da fotossíntese. Mesmo assim, este processo não perde a sua importância, sendo de grande relevância para a ciclo do nitrogênio (já expliquei sobre em Ciclos Biogeoquímicos), em que o nitrogênio é fixado por plantas com o auxílio de bactérias, processo fundamental para a manutenção da vida.

Afinal, quais são as etapas da quimiossíntese?

Apresenta 2 etapas:

ETAPA 1: 

✅ Oxidação das substâncias inorgânicas;

✅ Liberação de prótons e elétrons, que causam a fosforilação do ADP em ATP (produção de energia) e a redução do NADP+ em NADPH (Compõem a próxima etapa aproveitando a energia oriunda das reações de oxirredução).

✅ Equação representativa: Composto Inorgânico + O2 → Compostos Inorgânicos oxidados + Energia Química

ETAPA 2 (também denominada de fase escura da fotossíntese):

✅ Após as bactérias obterem energia suficiente na etapa 1, se inicia a etapa 2:

✅ Redução do dióxido de carbono;

Oxidação de compostos inorgânicos e produção de matéria orgânica (uso em seu metabolismo ou para síntese de outros compostos);

✅ Liberação de O2.

✅ Equação representativa: CO2 + H2O + Energia Química → Compostos Orgânicos + O2

 

TÓPICOS ABORDADOS:

1. Introdução e definição

2.  Tipos de bactérias quimissiontetizantes: ferrobactérias, sulfobactérias e nitrobactérias

3. Etapas da quimiossíntese

 

 

Fotossíntese: captação de luz solar e produção de matéria orgânica

Olá!

Outro assunto de grande relevância da Biologia refere-se à síntese de matéria orgânica através da fotossíntese. Ao longo deste processo, a energia luminosa irradiada pelo sol é transformada em energia química (contida nas ligações que formam os compostos orgânicos sintetizados: carboidratos - glicose e sacarose). A matéria orgânica produzida é consumida por outros seres vivos, produzindo um fluxo de energia nas cadeias alimentares. Além da matéria orgânica, a fotossíntese produz O2, gás de grande relevância para a manutenção da vida em nosso planeta. Desta forma, é super compreensível porque é considerado um assunto de grande recorrência em provas e de grande destaque em aulas.

Fonte: app.planejativo.com

Para que a fotossíntese aconteça, além da luz solar, são utilizados como reagentes o gás carbônico (CO2)  e a água (H2O), a reação completa está representada na reação a seguir:

6CO₂ + 6H₂O + Luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂

E quais são os organismos que realizam a fotossíntese?

Os organismos chamados de autótrofos (que produzem sem próprio alimento). No ambiente terrestre, são representados principalmente pelas plantas, e no ambiente aquático, pelas algas macroscópicas e pelas cianobatérias (bactérias fotossintetizantes), também conhecidas como fitoplâncton. Ecologicamente, os autótrofos são denominados de produtores, ocupando o primeiro nível nas cadeias/teias alimentares. 

Que linda esta imagem da "energia luminosa" adentrando a floresta ;)

Algas macroscópicas

Cianobactérias

Qual o diferencial dos organismos autótrofos que possibilita que realizem fotossíntese?

As plantas e algas apresentam células eucarióticas com organelas denominadas de cloroplastos, é nesta organela que a fotossíntese ocorre. Por outro lado, as cianobactérias são seres procariontes, deste modo, a fotossíntese acontece em seu citosol, nas lamelas membranosas. 

COMPROVAÇÃO DE QUE O OXIGÊNIO SINTETIZADO PELA FOTOSSÍNTESE É ORIUNDO DA ÁGUA: EXPERIMENTO DE HILL

🌿O bioquímico Robert Hill, em 1937, comprovou por meio de experimentos que o oxigênio resultante da fotossíntese é obtido através da molécula de água utilizada como substrato na reação;

🌿Fotólise: uma das fases da fotossíntese é a liberação de energia e doação de elétrons através da quebra da molécula de água (H2O). Os átomos de oriundos desta quebra reagem entre si e formam o oxigênio (O2), que é liberado na atmosfera.

E como foi o experimento de Hill? 

🌿Naturalmente, o oxigênio mais comum no ambiente é do tipo ¹⁶O;

🌿Porém, Hill utilizou um *isótopo deste oxigênio, denominado de ¹⁸O;

*: Isótopos: átomos com o mesmo número atômico (Z), por pertencem ao mesmo elemento químico, mas apresentam diferentes números de massa (A)”. Geralmente, os elementos químicos possuem dois ou mais isótopos, que ocorrem em proporções diferentes.

🌿Ele utilizou moléculas de água com o isótopo ¹⁸O. Se ele encontrasse este mesmo átomo de oxigênio no gás oxigênio (O2) formado pela fotossíntese, teria a certeza de que é oriundo da molécula de água. Então ele colocou as moléculas de água com o isótopo em contato com as células fotossintetizantes;

🌿Resultado: o oxigênio sintetizado pela reação fotossintética era constituído por isótopos ¹⁸O;

🌿Conclusão: o oxigênio liberado é oriundo da água obtidas pelos seres vivos fotossintetizantes;

Este experimento é representado pela seguinte equação:

2H₂O* + luz → O₂* + 4H⁺ + 4e^–

Também é possível representar o resultado do experimento de Hill da seguinte forma:

6CO₂ + 6H₂O* + Luz → C₆H₁₂O₆ + 6O₂*

CONHECENDO AS ESTRUTURAS DO CLOROPLASTO: LOCAIS DE OCORRÊNCIA DE CADA ETAPA DA FOTOSSÍNTESE

Considerando os autótrofos eucarióticos:

🌿A fotossíntese ocorre em organelas denominadas de cloroplastos. Que se assemelham às mitocôndrias por apresentarem seu próprio material genético (circular) e, devido a isso, serem capazes de se replicar, independentemente da divisão celular; 

🌿Estrutura do Cloroplasto: os cloroplastos são compostos por 2 membranas e por um espaço interno. Apresentam lamelas membranosas e bolsas pequenas denominadas de tilacóides - parecidas com pilhas de discos, recebendo o nome de granum. Todos o granum de um clopoplasto formam a grana;

🌿Nos tilacóides acontece a captação de energia luminosa do sol e sua transformação em energia química;

🌿Há ainda um espaço interno chamado de estroma, nele ocorre a síntese de carboidratos.

 

🌿As estruturas presentes nos tilacóides que possibilitam a captação de energia solar são os pigmentos fotossíntetizantes, sendo a clorofila o mais popular. A clorofila apresenta em sua composição um átomo de magnésio, que ao entrar em contato com a energia luminosa é excitado; 

Estrutura química da Clorofila

🌿A clorofila é que define a cor verde das plantas, outros pigmentos fotossintetizantes são os carotenóides (coloração alaranjada e avermelhada). Se diferenciam pelo comprimento de onda que são capas de absorver para excitar suas moléculas e produzir energia química;

🌿Tipos de clorofila:  

🌿Clorofila a (verde azulada): presente nos vegetais e em cianobactérias. Representa 3/4 dos pigmentos encontrados em vegetais, é diretamente relacionada ao processo de fotossíntese;

🌿Clorofila b (verde amarelada): encontrada em algas verdes, em algas euglenófitas e em alguns tipos de plantas;

🌿Clorofila c: encontrada em algas pardas e diatomáceas no lugar da clorofila b;

🌿Bacterioclorofila: pigmento responsável pela fotossíntese em bactérias purpúreas, estas não apresentam clorofila a;

 

🌿Clorofila clorobium: encontrada em bactérias verdes sulfurosas.

Obs: Carotenóides e clorofila B absorvem luz e transferem para a clorofila do tipo A que, por sua vez, converte a energia luminosa em química.

E QUAIS SÃO AS ETAPAS DA FOTOSSÍNTESE?

🌿Fotoquímica ou fotodependente (etapa clara): dependente luz; a energia luminosa é utilizada para a produção de moléculas energéticas (ATPs) e carreadores de elétrons.

🌿Química ou fotoindependente (etapa escura): independente diretamente de luz; produção de matéria orgânica/carboidratos a partir do uso da energia química sintetizada na etapa fotoquímica.

Vamos conhecê-las melhor!

ETAPA FOTOQUÍMICA/CLARA/DEPENDENTE DE LUZ

🌿Ocorrência: complexos proteicos - Fotossistemas, presentes nos tilacoides dos cloroplastos em em lamelas;

🌿Principal função: transformar a energia luminosa em energia química, sintetizando ATPs e reduzindo o NADP (carreador parecido com o NAD+ e FAD+ da respiração celular), que atua como aceptor de hidrogênio;

Esta etapa pode ser dividida em dois grandes processos dependentes de luz: a fotólise da água e a fotofosforilação:

🌿Fotólise da água: a molécula de clorofila presente nos tilacoides capta a energia luminosa absorvida e a utiliza para quebrar a molécula de água, gerando átomos de oxigênio que se unem e compõem o gás oxigênio (O_2), usado na respiração da célula vegetal ou liberado através da respiração. Este processo também libera prótons H⁺ e elétrons livres e^–. A energia luminosa excita a molécula de clorofila, tornando-a instável, porém... ao receber os elétrons obtidos pela quebra/fotólise da água, se torna estável novamente e apta para continuar captando energia luminosa;

🌿Fotofosforilação: a clorofila excitada pela energia assimilada libera elétrons que são transferidos por meio de um complexo proteico contido na membrana dos tilacoides;

Na fotofosforilação, os elétrons liberados da molécula de clorofila excitada pela energia luminosa são transferidos até o aceptor final NADP⁺, através de complexo protéico presente na membrana dos tilacóides. O NADP⁺se une ao elétron e ao íon H⁺ liberado da fotólise da água e se converte em NADPH. Este processo está esquematizado na reação a seguir:

2H₂O* + 2NADP⁺ + Luz → O₂* + 2H⁺ + 2NADPH

🌿Ocorre um aumento da concentração de íons H⁺dentro da membrana dos tilacoides devido ao processo de transferência de elétrons através da membrana, abordado anteriormente. Os H⁺devem voltar para o onde se encontravam inicialmente: no estroma!;

🌿O retorno dos íons H⁺para o estroma é possibilitado pela enzima ATP-Sintetase: produtora de ATP ao adicionar um grupo fosfato no ADP (adenosina difosfato);

🌿Não esqueça que este processo de fosforilação depende da energia luminosa (a que gerou a transferência de elétrons nos fotossistemas dos cloroplastos), e por causa disso é chamado de fotofosforilação. Podendo ser processada de duas maneiras: cíclica ou acíclica.

🌿Fotofosforilação cíclica: 

Somente o fotossistema I (absorve luz no comprimento de onda de 700 nanômetros) atua por meio da clorofila p700, que ao entrar em contato com a luz luminosa, perde elétrons, e estes, são transferidos para um complexo proteico de transferência, ocasionando a formação de um gradiente de íons H⁺, utilizado para a produção de ATP. Com o final da transferência, os elétrons voltam para a molécula de clrofila que havia perdido elétrons, por isso este processo é denominado de cíclico. 

🌿Fosforilação acíclica:

O fotossistema II (absorve luz no comprimento de onda de 680 nanômetros) é excitado pela energia luminosa e perde elétrons e estes são captados pelo fotossistema I, que também perdeu elétrons por caus da captação de energia luminosa. Os elétrons perdidos pelo fotossistema I são transferidos para a produção de ATP e de NADPH pela ação da enzima ferredoxina (com ferro na sua composição). Estes processos indicam que a fotofosforilação acíclica é um processo unidirecional: o elétron que sai de um fotosistema é utilizado pelo outro.

👉Desta forma, resume-se que a fotofosforilação representa a produção de energia química (ATP) e de NADPH através da excitação das moléculas de clorofila, que ao sofrerem incidência de luz, perdem elétrons. E a fotólise da água é um mecanismo que permite a estabilização destas moléculas de clorofila que foram desestabilizadas (perderam elétrons).

Tendo em vista o que foi aprendido até aqui, podemos prosseguir para a próxima etapa:

ETAPA QUÍMICA/ESCURA/INDEPENDENTE DE LUZ

🌿Local de ocorrência: estroma dos cloroplastos, depende da energia química obtida através da energia luminosa;

🌿Produz moléculas orgânicas: carboidratos e glicídios;

🌿Usa o gás carbônico (CO2) - obtido pelo indivíduo fotossintetizante ou liberado por ele mesmo - como um dos produtos da respiração celular;

🌿O CO₂ reage com moléculas que contêm energia, a exemplo das sintetizadas na etapa fotoquímica: NADPH e ATP. Além disso, pode reagir com prótons H⁺contidos no estroma por meio de uma série de reações que caracterizam o Ciclo das pentoses/Ciclo de Calvin-Benson.

CO₂ + 2NADPH + 3ATP + 2H⁺ → (CH₂O) + 3ADP + 2NADP⁺ + H₂O

↓

Glicídio

🌿No Ciclo das pentoses/de Calvin, a enzima rubisco possibilita que o CO₂ se ligue a uma molécula de açúcar de cinco carbonos (ribulose-1,5-bifosfato);

🌿Por meio desta ligação, é usada a energia das moléculas de ATP e NADPH para estabilizar a molécula e sintetizar glicídios, como a glicose (apesar de geralmente ser sintetizada sacarose = glicose + frutose).

🌿Os glicídios resultantes são transportados para fora dos cloroplastos e são usados para a produção de carboidratos, ATP, ácidos nucléicos (DNA/RNA) e até de lipídios. Ou são armazendos na forma de amido (reserva vegetal) e armazenados em plastos presentes da célula vegetal.

Finalizamos as duas etapas da fotossíntese, porém também é importante refletir sobre os fatores que podem afetar as taxas fotossintéticas. Então vamos lá!

É evidente a importância dos nutrientes não é mesmo? Como exemplo, o magnésio que compõe a molécula de clorofila e do ferro que constitui as ferredoxinas (enzimas que transferem elétrons) e os citocromos. Além disso, existem outros fatores relacionados com a fotossíntese, vamos elencá-los:

👉A água;

👉Concentrações de dióxido de carbono;

👉Intensidade luminosa;

👉A temperatura;

👉Os fatores que inflenciam a taxa fotossintética são denominados de FATORES LIMITANTES!

🌿CO2: é utilizado pela célula fotossintetizante como substrato para a produção de matéria orgânica. Com o aumento da concentração de CO2, aumenta a taxa fotossintética, porém até um limite: o ponto de saturação. Após este ponto, o aumento de gás carbônico não aumenta a taxa de fotossíntese. Observe a representação disto no gráfico abaixo:

Relação entre a a taxa fotossintética e a concentração de CO2

🌿Intensidade luminosa: vimos que a energia luminosa é absorvida e utilizada pelos fotossistemas, excitando a clorofila e promovendo as reações características da fotossíntese. Portanto, sua intensidade tem grande influência na taxa fotossintética, porém, também delimitada por um ponto máximo denominado de: ponto de saturação luminoso. Após este ponto, aumentos na intesidade luminosa podem não aumentar a taxa de fotossíntese, pois todas as clorofilas encontram-se absorvendo energia na velocidade máxima possível. Esta situação está esquematizada no gráfico seguinte:

Relação entre a taxa fotossintética e intensidade luminosa

👉Obs: outro fator luminoso que afeta a eficiência fotossintética é o comprimento que incide na célula vegetal;

A taxa fotossintética é maior em comprimentos de onda entre 400 e 700 nm (nanômetros). Comprimentos de onda da cor azul e vermelho, respectivamente, absorvidos pelas clorofilas.

Os comprimentos de onda que correspondem a cor verde (a área de 500 a 600 nm) são refletidos, isso explica porque a cor verde é a mais presente nos vegetais. Refletido esse comprimento, as clorofilas não são excitadas por energia luminosa, portanto, não liberam os elétrons que são utilizados pela etapa fotoquímica.

🌿Temperatura: como a fotossíntese depende de enzimas (exemplos: ferredoxina e ATP-Sintetase) para acontecer e as enzimas apresentam pontos ótimos. A temperatura também é um fator que altera a eficiência fotossintética. Observe o gráfico abaixo:

Relação entre a taxa de fotossíntese e a temperatura

Geralmente, a tempetarura ótima da fotossíntese é compreendida entre 30 e 35 °C;

Temperaturas elevadas demais podem desnaturar as proteínas e enzimas utilizadas durante a fotossíntese, comprometendo a sua eficiência.

*:Desestabilização das ligações responsáveis ​​pela manutenção da estrutura da proteína causada por fatores externos, como a variação de pH, alterações na salinidade e tempetatura. 

🌿Outra relação de grande relevância, é a relação existente entre a fotossíntese e a respiração celular! Pois:

A célula fotossintetizante, produz oxigênio para ser liberado e compostos orgânicos para serem armazenados, no entanto, também precisa consumí-los para produzir energia em forma de ATP através da respiração celular.  Esta energia é utilizada pelo metabolismo para processos de divisão celular, crescimento, dentre outros...

Como o indivíduo fotossintetizante além de produzir também consome, é possível estabelecer uma relação, esquematizada no gráfico seguinte:

Relação entre a taxa de processo metabólico e a intensidade luminosa

Se a demanda de ATP requerida pelo metabolismo vegetal for constante quando em função da intensidade luminosa, o processo de síntese também será constante;

Logo, a demanda de O₂ também é constante;

Porém, devido a fotossíntese sofrer influência da intensidade luminosa:

👉Quando a taxa de fotossíntese é menor que a taxa de respiração celular, a célula vegetal consome mais O₂ que libera. Considera-se que o vegetal está respirando;

👉Quando a taxa de fotossíntese ultrapassa a taxa consumida pela respiração celular, a célula está liberando mais O₂ que consumindo;

👉Quando a taxa de fotossíntese equivale à taxa de respiração celular: ponto de compensação fótico. Ou seja, a quantidade de O2 produzida pela fotossíntese é a mesma que a requerida para o processo de respiração celular. 

 Bom, o biotexto termina aqui, espero ter contribuído com a sua bagagem de conhecimentos!

E para finalizar, deixo esta sugestão de site que aborda algumas questões sobre a fotossíntese que já caíram no ENEM: Fotossíntese no ENEM - Brasil Escola.

Sugestão de vídeos:

 

TÓPICOS ABORDADOS

1. Introdução e definição de fotossíntese

2. Organismos que realizam a fotossíntese

3. Experimento de Hill: comprovação de que o O2 formado é oirundo da molécula de água

4. Conhecendo o cloroplasto

5. Tipos de clorofila: o pigmento fotossintetizante

6. Etapas da fotossíntese: 

- Fotoquímica (clara): Fotólise e Fotofosforilação (cíclica e acíclica);

- Química (escura): Ciclo das Pentoses/Ciclo de Calvin-Benson

7. Fatores que limitam a fotossíntese

8. Respiração celular versus fotossíntese

Fermentação: produção anaeróbica de energia (ATP)

Te proponho o desafio de fazer um exercício mental e refletir: "Em que situações já ouvi a palavra FERMENTAÇÃO?"

E então? Conseguiu lembrar? Se fosse fazer um mapa mental, que palavras e conceitos você relacionaria com a fermentação?

Fonte: studymaps.com.br

Pois bem, a fermentação é um processo de grande utilidade, principalmente, na indústria alimentícia, para a fabricação de pães, bolos, bebidas, iogurtes, queijos, vinagre, bebidas alcoólicas... Então, provavelmente você já deve ter ouvido essa palavra! 

"Me 'fi' vai comprar um fermento pra vovó, pode ficar com o troco ;)"

Quem nunca socorreu uma vó, mãe, tia, tio... querendo fazer uma guloseima mas que foi surpreendide pela falta de fermento na despensa? rs

Acrescento que além de resultar em coisas gostosas, a fermentação tem outra grande função: a PRODUÇÃO DE ENERGIA (NA FORMA DE ATP). E é isso que você desvenderá neste biotexto, caro leitor!

Obs: já expliquei o que é ATP no texto sobre RESPIRAÇÃO CELULAR (clique para conferir: sugiro que leia respiração celular antes da fermentação.)

Os seres vivos precisam de energia para sobreviver, e eles obtêm essa fonte energética através de reações químicas, que quebram as ligações que unem os compostos. O mais utilizado destes compostos, é a glicose. As ligações químicas que formam a molécula de glicose (ligações glicosídicas), contém energia, que é liberada com a sua quebra. A quebra da glicose, por sua vez, pode ser resultado de um processo denominado RESPIRAÇÃO, realizado por organismos aeróbicos, que consomem oxigênio. No entanto, pode haver uma quebra parcial da glicose, e produção de energia sem a necessidade de oxigênio (através da oxidação parcial/incompleta da glicose), caracterizando o processo protagonista deste texto: a FERMENTAÇÃO.

Os organismos que não precisam de oxigênio para produzir energia são chamados de ANAERÓBICOS, e são representados principalmente por algumas espécies de bactérias e fungos. É válido ressaltar também, que existem tipos de indivíduos anaeróbicos: 

Anaeróbicos facultativos: realizam a respiração celular na presença de oxigênio e realizam a fermentação na ausência de oxigênio.

Anaeróbicos estritos: não apresentam as enzimas utilizadas no ciclo de Krebs e na cadeia transportadora de elétrons. O ATP é obtido através da fermentação.

Sendo assim, resumindo... a fermentação é um processo que produz energia na forma de ATP através da degradação incompleta da glicose, sem a necessidade de oxigênio!

Observe abaixo, as diferenças existentes entre as reações de respiração e de fermentação:

• Respiração aeróbica: usa oxigênio atmosférico
  
• C6H12O6 + 6 O2 ➝ 6 H2O + 6 CO2 + energia
  (glicose + oxigênio ➝ água + gás carbônico + liberação de energia)
  

• Respiração anaeróbia: usa substâncias com oxigênio
  C6H12O6 + 4 NO3 ➝ 6 CO2 + 6 H2O + 2 N2 + energia
  (glicose + nitrato ➝ gás carbônico + água + nitrogênio +liberação de energia)

• Fermentação: utiliza substância (enzima/fermento) que degrada a matéria orgânica
  C6H12O6 ➝ 2 C2H5OH + 2 CO2 + energia
  (glicose ➝ etanol + gás carbônico + energia)

#A principal diferença entre os dois processos é a presença do oxigênio. Na respiração celular, o aceptor final de elétrons é o oxigênio que, ao receber íons H+, é convertido a água.

# Por atuarem sem oxigênio, os organismos que realizam fermentação (organismos fermentativos) são também denominados de anaeróbicos.

 

De onde vem o nome "fermentação"?

 

✅ É referência aos compostos que possibilitam a reação de fermentação: os fermentos ou enzimas;

✅ São catalisadores biológicos que transformam substâncias complexas em substâncias simples; 

✅ Sintetizadas por protozoários, bactérias e fungos (principalmente, as leveduras: fungos microscópicos unicelulares) e até mesmo alguns anelídeos, moluscos e as células musculares dos seres humanos (em determinadas situações)... Porém, o maior destaque mesmo é das bactérias e fungos!!!

Além do uso ou não do oxigênio, que outras diferenças e semelhanças existem entre respiração e fermentação?

✅ Início e etapas: os dois processos são iniciados com a absorção da glicose pela célula e a quebra desta pelo processo de glicólise;

✅ Local de ocorrência: por só acontecer a etapa de glicólise na fermentação, esta reação ocorre integralmente no citosol. Diferenciando-se da respiração, que apresenta a etapa de glicólise no citosol e as do ciclo de Krebs e da cadeia respiratória dentro da mitocôndria). 

✅ Rendimento: outra notória diferença é referente ao rendimento, a fermentação produz apenas 2 ATPs para cada molécula de glicose, enquanto que a respiração celular resulta em 30 ATPs. Devido a isso, os organismos anaeróbicos facultativos, na presença de oxigênio, "preferem" realizar a respiração celular.

✅ Produtos finais: há a síntese de outras moléculas orgânicas que caracterizam a fermentação, como o ácido láctico na fermentação láctica, o ácido acético na fermentação acética e o etanol na fermentação alcoólica, dentre outros. Os produtos finais na respiração celular, além do ATP, H2O e CO2, usados pelo organismo em outras reações metabólicas, sendo que o CO2 geralmente é excretado para fora da célula.

 

Vamos entender um pouco mais sobre o uso da fermentação para a fabricação de alguns tipos de alimentos e bebidas:

✅ Fermentação de queijos: os queijos são produzidos através de enzimas sintetizadas (fermentos) por fungos e bactérias. 

 

Exemplos:

 

- Queijo de Minas (por bactérias)

- Queijo Gorgonzola, Camembert e Roquefort (por fungos)

✅ Fermentação de pães: os pães são produzidos pela ação de enzimas de fungos. O famoso fermento utilizado na fabricação de pães é definido como biológico pois se refere à seres vivos: fungos microscópicos chamados de leveduras, que é adicionado na massa e reage com o açúcar, produzindo gás carbônico (CO2). O CO2 produzido é armazenado dentro da massa, que cresce ao longo do processo de fermentação. Desta forma, a função do fermento é fazer a massa crescer e deixá-la mais macia.

✅ Fermentação de iogurtes: são oriundos da fermentação lática, realizada por bactérias chamadas de lactobacilos, tendo como produto o ácido lático.

 

✅ Fermentação de vinhos: as frutas são amassadas e passam por um processo de trituração. O sumo obtido é colocado em tonéis de madeira e submetido à fermentação, que resulta no vinho tal qual conhecemos. O processo é parecido na produção de cerveja, sendo que neste caso, o açúcar do malte que passa pela fermentação. Ambos os processos fermentativos são realizados por leveduras da espécie Saccharomyces cerevisiae e produzem o álcool nas bebidas.

✅ Produção de vinagre: é obtido por meio da fermentação acética: processo químico em que ocorre a oxidação parcial do álcool etílico, produzindo o ácido acético.o vinagre é produzido através da fermentação acética, que consiste em uma reação química, onde ocorre a oxidação parcial do álcool etílico, obtendo o ácido acético.

 

Agora iremos adentrar mais no processo de fermentação e destrinchar as suas etapas, sigam-me os bons!

 

GLICÓLISE

✅ Quebra da molécula de glicose (C₆H₁₂O₆) absorvida pelas células que necessitam produzir o ATP e, no próprio citosol, é quebrada produzindo 2 moléculas de ácido pirúvico ou piruvato (C₃H₄O₃);

✅ A glicólise é composta por 10 reações, tendo o ácido pirúvico como produto final. Inicialmente, a glicose recebe dois grupos fosfato através da quebra de 2 ATPs gerando a molécula frutose-1,6-bifosfato, menos estável que a molécula de glicose, o que facilita a sua quebra ao longo da etapa.

✅ Além das moléculas de ácido pirúvico, são geradas também 2 moléculas de ATPs (4 ATPs - 2 ATPs consumidos inicialmente) e aceptores de elétrons NADH+ H+, que no final das glicólise transferem os elétrons que carregam para os produtos das glicólise.

PRODUTOS DA GLICÓLISE:

😏- 2 ácidos pirúvicos

😏- 2 ATPs (4 ATPs - 2 ATPs)

😏- 2 NADH+H+

FERMENTAÇÃO

✅ Se houvesse oxigênio, os produtos passariam para o ciclo de Krebs e, em seguida, para a cadeia transportadora de elétrons;

✅ Porém, como a fermentação ocorre sem oxgênio, os produtos gerados irão reagir-se e através da transferência de elétrons, regenerar a NAD+, gerando os produtos característicos da fermentação no próprio citosol.

A) Fermentação Alcoólica

✅ Cada ácido pirúvico/piruvato é descarboxilado (perde um carbono na forma de CO2), produzindo um acetaldeído que ao receber os elétrons do NADH transforma-se em etanol e regenera o NAD+;

✅ Os organismos mais utilizados para a fabricação de bebidas alcoólicas pelas indústrias são as bactérias e os fungos. Além de serem muito utilizados para a produção de alimentos como pães queijos e bolos.

✅ Na fabricação de pães (panificação), as leveduras (os fermentos biológicos) absorvem parte do açúcar/carboidrato presente na massa e através da fermentação produzem CO2 e etanol, que ao serem evaporados, entram nas câmaras da massa e a fazem crescer e ficar macia. Lembrando que este processo também produz energia na forma de ATP.  

✅ O processo é parecido na produção de bebidas! As leveduras são adicionadas em recipientes contendo elevada concentração de carboidratos, que ao serem absorvidos, transformam-se em etanol, CO2 e geram ATP. Os gases em forma de espuma, contidos nas bebidas, são resultantes da liberação de CO2 ou da alta pressão no interior do recipiente. E o etanol produzido é diluído no meio inicial, definindo o teor alcoólico das bebidas fermentadas. 

Obs: A fermentação alcoólica também é utilizada para fabricar biocombustíveis, através de substratos vegetais, como a cana-de-açúcar, o milho, a mamona...

B) Fermentação Acética

✅ É derivada da alcoólica! Ou seja, utiliza o etanol produzido na fermentação alcoólica;

✅ O etanol obtido sofre oxidação e tranforma-se em ácido acético;

✅ O processo ocorre através do contato do etanol com bactérias específicas;

✅ É o tipo de fermentação que produz o vinagre, constituído em grande parte por ácido acético.

C) Fermentação Láctica

✅ Utiliza, principalmente, a galactose e a glicose como substrato;

✅ A galactose e a glicose são submetidas à ação de bactérias denominadas de Lactobacilos, sendo quebradas em ácido pirúvico/piruvato e em seguida recebem os elétrons do NADH+, passam pela reação de redução e transformam-se em ácido lático/lactato, que é eliminado do meio intracelular.

✅ O ácido lático ao ser misturado com outras proteínas, como as dos leite, as degrada e produz um meio viscoso, o que caracteriza o processo de produção de iogurtes e queijos.

Obs: as células musculares realizam fermentação lática quando a concentração de oxigênio não é suficiente para suprir a respiração celular. Situação comum durante a prática intensa de exercícios físicos, as células musculares produzem ácido lático para gerar ATP e complementar a insuficiência de energia produzida pela respiração celular. O ácido lático produzido é armazenado nos músculos e é uma das causas das dores comuns após exercícios físicos intensos.

Você já deve ter ouvido falar também do fermento químicoe então deve ter surgido a dúvida: qual a diferença do fermento biológico para o químico?

✅ Como  já sabemos, os fermentos são usados para a fabricação de bolos, pães...

✅ Os dois tipos de fermentos: biológicos e químicos, promovem o crescimento das massas e as deixam mais macias.

✅ Os fermentos biológicos se referem à células, no caso, as leveduras que são fungos microscópicos. Estas absorvem o carboidrato contido na massa e executam a fermentação alcoólica, produzindo CO2 e etanol que ao serem evaporados, são armazenados na massa. Este. processo deve ocorrer antes que a massa seja colocada no fogo, pois as leveduras podem ser destruídas em elevadas temperaturas. É daí que vem o costume de deixar a massa "descansar". É o tempo necessário para as leveduras (o fermento) agirem. Este tipo de fermento é o mais recomendado para a panificação.

✅ Por outro lado, o fermento químico representa compostos inorgânicos, a exemplo do bicarbonato de sódio (NaHCO3), que em altas temperaturas é decomposto e produz água e CO2. São recomendados para a fabricação de bolos, bolachas e biscoitos.

TÓPICOS ABORDADOS

1. Introdução

2.  Diferença entre respiração e fermentação; Entre seres aeróbicos e anaeróbicos facultativos e estritos

3. Fermentação na Indústria de alimentos e combustíveis

4. Glicólise

5. Fermentação: alcoólica, acética e lática

 

 

 

Respiração celular: produção de energia (ATP)

Os seres vivos possuem um metabolismo, ou seja, uma série de reações químicas que permitem a formação ou a degradação de compostos, e o consumo ou liberação de energia. Essas reações são de extrema importância para a manutenção da vida. Uma destas reações se refere ao processo de respiração celular, que se efetiva através da organela MITOCÔNDRIA, resultando na produção de energia na forma de ATP (Trifosfato de Adenosina). 

Veja a estrutura química da molécula de ATP, a seguir:

Grupos fosfato + nucleosídeo (Ribose + Adenina) = trifosfato de adenosina

A produção de energia é essencial para executar as outras reações de metabolismo, e como vimos anteriormente, a energia produzida é na forma de ATP. 

Mas por que o ATP é uma forma de energia?

A molécula de adenosina trifosfato é obtida por meio da degradação de carboidratos e lipídios (moléculas orgânicas). É formada por 3 íons fosfato que se ligam através de ligações covalentes a um nucleosídeo (Ribose + Adenina). Pois bem, a energia está contida, em grande quantidade, nas ligações que unem os fosfatos! Logo, com a quebra dessas ligações, há liberação de energia para a execução de outros processos no organismo.

Em vista disso, é inegável a importância da reação de síntese de ATP para a vida!

A produção de ATP, pode ocorrer de 2 formas:

- Através da respiração, de forma aeróbica, ou seja, com consumo de O2.

- Através da fermentação, de forma anaeróbica, ou seja, sem dependência de 02.

Neste biotexto, você irá conhecer a síntese de ATP através da respiração celular. Sendo que esta apresenta 3 etapas, tendo como saldo, não somente o ATP, mas também água (H2O) e dióxido de carbono (CO2). Envolve uma série de reações químicas para obtenção dos produtos finais, a exemplo da reação de descarboxilação (remoção dos grupos carboxila e obtenção de CO2); A desidrogenação (perda de átomos de hidrogênio, que são capturados por móléculas carreadoras) e fosforilação (Adição de grupos fosfato em uma molécula, como ocorre na molécula de ATP).

A respiração celular ocorre em 3 fases: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia transportadora de elétrons.

Hora de conhecê-las!

ETAPAS DA RESPIRAÇÃO CELULAR

1. GLICÓLISE

Onde ocorre?

No citosol, citoplasma da célula.

Depende de oxigênio?

NÃO! Ocorre de forma anaeróbica.

E como acontece?

1. Inicia com a quebra da molécula de glicose (C6H12O6) obtida por meio da digestão de alimentos ou através da quebra da reserva de glicose animal (glicogênio) e vegetal (amido). A glicose é absorvida pelas células, para a produção de ATP!

2. Então a glicose é processada através de 10 reações químicas. Inicialmente, recebendo 2 grupos fosfatos da quebra de 2 molélulas de ATP, originando a molécula frutose-1,6-bifosfato. Que não é estável como a glicose, isso facilita a sua posterior quebra.

3. Com a quebra, são produzidas 2 moléculas de ácido pirúvico ou piruvato como produto final, cuja fórmula química é C3H4O3. Além disso, são originadas 4 moléculas de ATP (obs: menos as 2 que foram consumidos no início da reação, o saldo é de 2 moléculas de ATP). Também ocorrer a liberação de 4 átomos de hidrogênio, que se ligam à moléculas denominadas de NAD+, resultando em NADH+H+;

Obs: O NAD+ é definido como um carreador intermediário de elétrons, captura os íons de hidrogênio resultantes da quebra das ligações covalentes e os transferem para outro aceptor: o aceptor final de elétrons. Ocorre transporte de íons que também são usados para a síntese de ATP.

Resumindo, os produtos da glicólise são:

😏- 2 piruvatos

😏- 2 ATPs (4 menos 2 que foram consumidos)

😏 - 2 NADH+H+

Obs: para adentrar a matriz mitocondrial, o piruvato passará por transformações:

1. Ao passar pela membrana externa da mitocôndria, sobre a reação de descarboxilação e se converte em acetil, resultando na liberação de uma molécula de CO2 e de um aceptor NADH+H+;

2. Uma enzima, chamada de Coenzima-A se liga ao acetil, formando o complexo Acetil-CoA, e assim consegue entrar na matriz mitocondrial;

3. Na matriz, o Acetil-CoA reage com o Ácido Oxaloacético, liberando a coenzima-A e formando o Ácido Cítrico, que inicia a segunda etapa da respiração celular: o ciclo de Krebs.

As etapas posteriores, Ciclo de Krebs e cadeia transportadora de elétrons, não ocorrem mais no citosol, mas dentro da mitocôndria! A seguir, uma imagem de uma mitocôndria para você se situar:

Mitocôndria

Observou bem a estrutura da mitocôndria?

Então vamos dar continuidade...

2. CICLO DE KREBS

Onde ocorre?

Na matriz mitocondrial, região interna e entre membranas. (Veja a imagem anterior novamente);

O que é?

É  a segunda etapa da respiração celular, também conhecido como ciclo do ácido cítrico (o substrato formado pela reação de acetil-CoA com o ácido oxaloacético);

E como ocorre?

1. Ocorre através de 8 reações, em que o ácido cítrico perde CO2 e libera H+, capturados por aceptores intermediários;

2. São formados 1 molécula de ATP, 3 NADH+H+ e uma molécula de FADH2, que também é aceptor intermediário de elétrons;

3. Com a finalização do ciclo de Krebs e com a formação do último NADH+H+, é formado o ácido oxaloacético, que reagirá com a próxima molécula de Acetil-CoA que adentrar a matriz mitocondrial, e então, iniciar outro ciclo.

Resumindo, os produtos de cada ciclo de Krebs:

😏- 1 ácido oxalacético

😏- 1 ATP

😏- 3 NADH+H+

😏- 1 FADH2

😏- 2 CO2

E para finalizar, a última etapa!

3. CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS

Onde ocorre?

Nas invaginações da membrana interna da mitocôndria, na região das cristas mitocondriais (dá uma conferida de novo na imagem da mitocôndria).

Ela pode ser chamada de outra forma?

 

Sim, na cadeia respiratória ou fosforilação oxidativa.

 

E como acontece?

 

1. Nas cristas existem proteínas de membrana que transferem, através de uma bomba de prótons, os átomos de hidrogênio e os eléttrons carregados pelo NADH+ e pelo FADH2;

 

2. Os elétrons são levados para a matriz mitocondrial;

 

3. E os íons H+ transportados entre as duas membranas da mitocôndria/intermembrana;

 

4. A separação dos íons e elétrons resulta em uma matriz mitocondrial carregada negativamente e um espaço intermembrana carregado positivamente;

5. Como há atração entre cargas opostas, através de um transportador, os íons H+ voltam para a matriz mitocondrial. Essa atração e retorno do H+ gera energia, sendo parte usada na síntese de ATP;

6. Os H+ restantes se ligam ao oxigênio e formam água (H2O), definindo o oxigênio (O2) como aceptor final de elétrons.

Resumindo, produtos da cadeia transportadora de elétrons:

 

😏- 26 ATP

😏- 6 H2O

 

TOTAL DOS PRODUTOS ORIUNDOS DA RESPIRAÇÃO CELULAR (PARA CADA MOLÉCULA DE GLICOSE)

 

🔥GLICÓLISE: 2 ATPs

🔥CICLO DE KREBS: 2 ATPs

🔥CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS: 26 ATPs

 

E no caso dos seres que não apresentam mitocôndria, como as bactérias, onde ocorre a respiração celular?

 

Nas que consomem O2, a glicólise e o ciclo de Krebs acontecem no citoplasma e a cadeia respiratória nos mesossomos. Já as bactérias anaeróbicas, usam outros elementos para executar a cadeia respitarória.

TÓPICOS ABORDADOS

 

1. Introdução

2. Definição e estrutura química do ATP;

3. Etapas da respiração celular;

3.1 - Glicólise

3.2 - Ciclo de Krebs

3.3 - Cadeia transportadora de elétrons 

4. Saldo final

5. Respiração celular em organismos procarióticos