bioquímica vegetal 28 01 10

CENTRO UNIVERSITRIO DE PATOS DE MINAS (UNIPAM) LABORATRIO DE FISIOLOGIA VEGETAL BIOQUMICA VEGETAL

Eng. Agr. Dr. EVANDRO BINOTTO FAGAN

Bioqumica Vegetal

Unidades: 1Pa = 1N m2 1Pa = 10-5 bar 1Pa = 9,87x10-6 ATM 1bar = 1ATM 1ATM = 101325 Pa 1ATM = 0,1 Mpa 1 joule = 1 N m (A aplicao da fora de um newton pela distncia de um metro) Ligaes qumicas Pontes de hidrognio: 20 kJ mol-1 Ligao covalente: 450 kJ mol-1 Fora de Wander Walls: 4,2 kJ mol-1 Ligao inica: ligao entre metal e no metal (fora similar as covalentes)

Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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1- Introduo e apresentao da disciplina 2- Propriedades fsicas da gua 3 Biomolculas 3.1 Sacardeos 3.1.2 Definio e grupamento qumico 3.1.2 Classificao 3.1.3 Quiralidade 3.1.4 Acares dextrgiros e levgiros 3.2 Protenas 3.2.1 Definio e grupamento qumico 3.2.2 Aminocidos e classificao 3.2.3 Polipeptdios 3.2.4 Estrutura das protenas 3.2.5 Foras moleculares em protenas 3.2.4 Protenas de ao cataltica 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 Inibio enzimtica 3.2 Lipdeos 3.2.1 Definio e grupamento qumico 3.2.2 classificao do lipdeos 3.2.2.1 cidos graxos (saturados e insaturados) 3.2.2.2 Triacilglicerdes, fosfolipdeos e glicolipdeos 3.2.3 Funes 3.3 cidos nuclicos 3.2.1 Definio e grupamento qumico 3.2.2 DNA e RNA 3.2.2.1 cidos nuclicos e informao genticaProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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3.2.3 Molculas energticas 3.2.3.1 ATP, GTP 3.2.3.2 Cofatores: NADPH, NADH e FADH2 3.2.3 Funes 4. Bioenergtica 4.1 Fotossntese: 4.1.1 Fase fotoqumica 4.1.2 Fase carboxilativa 4.2 Respirao celular 4.3 Lipogenese e beta oxidao 4.4 Formao de aminocidos e protenas


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1- Introduo e apresentao da disciplina A bioqumica uma disciplina que trata de vrios processos essenciais para o crescimento e desenvolvimento de organismos vivos. A bioqumica vegetal essencial para o entendimento do metabolismo de clulas e suas relaes com processos fisiolgicos como, fotossntese, respirao celular, absoro de gua e nutrientes, processos de fotomorfognese e demais rotas metablicas que dependem diretamente e indiretamente dessas reaes. As reaes metablicas so divididas em catablicas e anablicas. As catablicas envolvem processos de degradao de molculas e as anablicas envolvem processos de sntese de molculas (Figura 1).

Figura 1. Processos anablicos e catablicos em clulas (ALBERTS et al., 2004) Na bioqumica vrios tipos de compostos orgnicos fazem parte do metabolismo celular (Tabela 1). (i) Cetona: so compostos orgnicos caracterizados pela presena do grupamento C=O, carbonila, ligado a dois radicais orgnicos. (ii) Aldedos: so compostos qumico orgnico que se caracteriza pela presena, em sua estrutura, do grupamento HC=O (formila ou formilo), ligado a um radical aliftico ou aromtico. (iii) cido carboxlico: so cidos orgnicos caracterizados pela presena do grupo carboxila. Em frmulas qumicas, esses grupos so tipicamente representados como COOH. (iv) Fenis: apresentam uma hidroxila ligada a um anel aromomtico.


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(v) Aminas: Podem ser derivados da amnia (NH3) substituindo o hidrognio por outros grupos. Se substituirmos um, dois ou trs hidrognios, teremos, respectivamente, aminas primrias (R-NH2), secundrias(R1R2NH) ou tercirias (R1R2R3N). Tabela 1. Principais grupos funcionais observados em molculas orgnicas.

2- Propriedades fsicas da gua A gua uma das substncias mais comuns e mais importantes na superfcie da Terra, foi nela que a vida evoluiu e nela que se processam as principais reaes bioqumicas (LARCHER, 1995). Os tecidos mais tenros das plantas so constituidos em 90% a 95% por gua. Apesar de terem de garantir uma percentagem to elevada de gua no seu corpo as plantas no se podem deslocar para ir buscar a mesma. Assim, a compreenso da forma como as plantas a vo obter, distribuir pelos diferentes tecidos do seu corpo e como a conseguem armazenar um dos aspectos fundamentais da Fisiologia Vegetal.


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2.1 Estrutura molecular da gua: A importncia da gua para a vida provm das suas caractersticas fsicas e qumicas que por sua vez resultam da sua estrutura molecular (KRAMER; BOYER, 1995). Quando os dois tomos de hidrognio e o de oxignio se combinam para formar gua h um compartilhamento de eltrons dos tomos de hidrognio e o do oxignio (Figura 2).

Figura 2. Representao esquemtica da estrutura da molcula de gua onde se podem observar os pares de eltrons compartilhados (sombreados), e os pares isolados do oxignio (chavetas). Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.1, pag. 6 Neste tipo de ligao, conhecida como covalente, cada tomo contribui com um eltron; os dois pares de eltrons compartilhados que constituem a ligao so mantidos juntos por ambos os ncleos. As ligaes covalentes so muito fortes (450 kJ mol-1), e assim, a molcula de gua extremamente estvel. A distribuio de cargas eltricas na molcula de gua assimtrica: os eltrons no compartilhados do oxignio encontram-se em um lado, enquanto que os dois ncleos dos tomos de hidrognio se encontram no outro (Figura 2). Desta assimetria resulta um lado da molcula carregada negativamente e o outro lado positivamente, formando o que se chama um dpolo (LARCHER, 1995). Como consequncia do carcter dipolar da gua, o seu lado positivo atrado por cargas negativas e o seu lado negativo atrado por cargas positivas. Assim, quando se dissolvem sais em gua, dissociam-se em ons positivos (ctions) e ons negativos (nions), cada um dos quais se encontra envolvido por uma concha de molculas de gua orientadas (Figura 3), que so as responsveis pela separao dos ons em solues aquosas (TAIZ; ZEIGER, 2004). A espessura da concha depende da intensidade de carga superfcie.


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Rb+ Cs+

Na+

K+

(A)

(B)

Aumento do peso atmico Diminuio da densidade de carga Aumento do raio do io (C)

Figura 3. A) e B) orientao das molculas de gua em relao a superfcies carregadas; C) dimenses relativas de ctions hidratados, as reas sombreadas representam a concha de molculas de gua que envolve cada on. Retirado de Sutcliffe (1968), fig. 2.3, pag. 7

Outra conseqncia da elevada polaridade da gua a sua capacidade para formar as chamadas pontes de hidrognio, isto , ligaes entre tomos eletro-negativos, como o oxignio ou o nitrognio, atravs de um ncleo de hidrognio (Figura 4). Estas pontes de hidrognio apresentam energia de ligao em torno de 20 kJ mol-1, em comparao com a energia da ligao covalente O H (TAIZ; ZEIGER, 2004).


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Figura 4. Exemplos de pontes de hidrognio (linhas ponteadas): a) entre um grupo de tomos AH e outro grupo de tomos B; b) entre duas molculas de gua; c) entre duas molculas de amnia; d) entre um grupo hidroxilo e uma molcula de gua; e) entre um grupo carbonilo e um grupo imino. Retirado de Noggle e Fritz (1976), fig. 3, pag.379 Para alm das pontes de hidrognio existem ainda as chamadas foras de Van der Waals que so foras de atrao molecular ainda mais fracas que as pontes de hidrognio, cerca de 4.2 kJ mol 1. Em molculas neutras, isto , no polares, estas foras resultam do fato dos eltrons estarem permanentemente em movimento, de modo que o centro de cargas negativas nem sempre corresponde ao centro de cargas positivas (KRAMER; BOYER, 1995). As molculas de gua no estado slido (gelo) encontram-se dispostas simetricamente em uma estrutura em que as pontes de hidrognio formam uma malha. O tomo de oxignio de cada molcula de gua est rodeado de tomos de hidrognio de outras molculas em uma disposio tetradrica, de tal modo que os tomos de oxignio formam anis de 6 membros. Esta estrutura chamada aberta porque o espao dentro de cada anel suficiente para acomodar outra molcula de gua (Figura 5). No estado lquido as pontes de hidrognio quebram-se e formam-se continuamente por rotao e vibrao das molculas de gua, o que causa ruptura e reestruturao da malha com uma grande rapidez, talvez bilhes de vezes por segundo. A grande quantidade de pontes de hidrognio presentes na gua no estado lquido, responsvel pelas caractersticas nicas e biologicamente importantes da gua (KRAMER; BOYER, 1995).Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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Figura 5. Esquema da estrutura aberta da gua no estado slido. Retirado de Krame; Boyer (1995), fig. 2.7, pag. 24 2.2. Propriedades fsicas e qumicas da gua 2.2.1. Estado fsico Quanto maior for o peso molecular de um composto, maior a probabilidade de ser um slido ou um lquido a uma temperatura de 20 C. Quanto menor for o seu peso molecular maior ser a probabilidade de ser um lquido ou um gas mesma temperatura. Para um composto passar do estado slido para o lquido, ou do lquido para o gasoso, isto , para quebrar as foras que ligam as suas molculas umas s outras, necessrio tanto mais energia, quanto mais pesadas forem as molculas. Por exemplo, o metano (peso molecular, PM = 16), o etano (PM = 30) e o propano (PM = 44), que so hidrocarbonetos de baixo peso molecular, assim como a amnia (PM = 17), e o dixido de carbono (PM = 44) so todos gases a 20 C. No entanto, a gua (PM = 18) a esta temperatura um lquido. A explicao para isto que as pontes de hidrognio constituem uma fora de atrao entre as molculas de gua que particularmente elevada, inibindo a sua separao e escape na forma de vapor. Por outro lado, os hidrocarbonetos, no estado lquido, tm apenas foras de Van der Waals a ligarem as suas molculas e, assim, necessitam de pouca energia para as conduzir ao estado gasoso.


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2.2.2 Compressibilidade Para todos os efeitos prticos os lquidos so incompressveis. Assim, as leis da hidrulica so aplicveis aos organismos vivos porque estes so constitudos em grande parte por gua. 2.2.3 Calor especfico O Calor especfico a quantidade de energia necessria para aumentar de 1 C, uma unidade de massa de uma substncia. So necessrios 4,184 J para aumentar de 1 C um grama de gua pura. O calor especfico da gua pura varia apenas ligeiramente ao longo de toda a gama de temperaturas em que a gua se encontra no estado lquido, e o valor mais alto de todas as substncias conhecidas, com exceo da amnia lquida (HOPKINS, 1995). Este valor to elevado devido ao arranjo molecular da gua, que permite que os tomos de hidrognio e oxignio vibrem livremente, quase como se fossem ons livres. Assim, podem absorver grandes quantidades de energia sem que haja grandes aumentos de temperatura. 2.2.4 Calor latente de vaporizao e de fuso So necessrios 2 452 J para converter 1 g de gua a 20 C, a 1 g de vapor de gua a 20 C. Este calor latente de vaporizao, invulgarmente alto, causado pela tenacidade das pontes de hidrognio e, assim, da larga quantidade de energia necessria para que uma molcula de gua no estado lquido se separe das restantes. Uma conseqncia deste elevado calor latente de vaporizao que as folhas arrefecem sempre que perdem gua por transpirao. Para fundir 1 g de gelo a 0 C so necessrios 335 J. Este valor muito elevado e deve-se igualmente s pontes de hidrognio que existem entre as molculas de gua, embora devido estrutura aberta do gelo, cada molcula de gelo estabelea um nmero menor de pontes de hidrognio com as molculas adjacentes (HOPKINS, 1995). 2.2.5 Maior densidade no estado lquido Quando o gelo funde o volume total da gua diminui. Isto deve-se ao fato que no estado lquido as molculas se organizam mais eficientemente que no estado slido, ficando cada uma rodeada por outras 5 ou 6 molculas, em oposio ao estado slido em que, como vimos anteriormente, cada molcula de gua est rodeada apenas por quatro outras. O resultado desta diferena de organizao que a gua expande-se quando solidifica e, assim, o gelo tem uma densidade menor que a gua lquida. Deste modo, durante o Inverno o gelo flutua nos lagos e correntes de gua em vez de ir para o fundo, onde poderia permanecer sem derreter durante o Vero seguinte (KRAMER; BOYER, 1995).Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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2.2.6 Viscosidade A viscosidade de um fluido indica a sua resistncia a fluir, isto , a dificuldade de uma camada deslizar ao longo de outra camada. Como as pontes de hidrognio podem restringir o deslizar de camadas adjacentes de lquidos, a viscosidade da gua relativamente elevada em comparao com solventes que estabeleam poucas ou nenhumas pontes de hidrognio, como por exemplo a acetona, o benzeno, e outros solventes orgnicos com molculas pequenas. O diminuir da viscosidade com o aumentar da temperatura reflete a quebra das pontes de hidrognio e tambm o diminuir de outras foras de atrao, como as de Van der Waals, devido ao aumentar do movimento trmico das molculas (KRAMER; BOYER, 1995). 2.2.7 Adeso e coeso Devido sua polaridade, a gua atrada por muitas outras substncias, ou seja, capaz de molhar superfcies formadas por essa substncia. o caso das molculas de protenas e os polisacridos das paredes celulares, que tambm so altamente polares. Esta atrao entre molculas diferentes chamada adeso, e devida s pontes de hidrognio que se estabelecem entre molculas. A atrao entre molculas semelhantes chamada coeso. So as foras de coeso que conferem gua uma fora de tenso invulgarmente elevada, isto , a tenso mxima que uma coluna ininterrupta de gua pode sofrer sem quebrar extremamente elevada (HOPKINS, 1995). Em uma coluna de gua fina e confinada, como as que existem no xilema de um caule, a fora de tenso pode atingir valores muito elevados (cerca de 30 MPa) de modo a que a coluna de gua puxada sem quebrar at ao topo de rvores. Este valor representa cerca de 10% da fora de tenso do fio de cobre ou de alumnio, o que de fato considervel (TAIZ; ZEIGER, 2004). 2.2.8 Tenso superficial a coeso entre molculas de gua que permite explicar a elevada tenso de superfcie deste composto. As molculas superfcie de um lquido esto continuamente a ser puxadas para o interior do lquido pelas foras de coeso, enquanto que na fase gasosa h menos molculas que, por isso, esto demasiado distantes para exercer uma fora nas que esto superfcie (Figura 6). Assim, uma gota de gua atua como se estivesse coberta por uma pelcula apertada e elstica. a tenso de superfcie que faz com que uma gota tenha uma forma esfrica, e que permite que certos insetos andem sobre a gua. A tenso de superfcie da gua maior que a da maior parte dos lquidos.


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Figura 6. Demonstrao esquemtica da tenso de superfcie. As foras de atrao entre as molculas de gua adjacentes (setas mais espessas) so maiores que entre as molculas de gua e ar (setas mais finas). Esta diferena faz com que as molculas superfcie tendam a ser puxadas para o interior da gua lquida. Retirado de Hopkins (1995), fig. 2.3, pag. 27 Na Fsica, chama-se capilaridade propriedade dos fluidos de subir ou descer em tubos muito finos. Este comportamento resulta da capacidade de o lquido molhar ou no a superfcie do tubo. Quando um lquido entra em contato com uma superfcie slida, este vai ser sujeito a dois tipos de foras que atuam em sentidos contrrios: a fora de adeso, e a fora de coeso. A fora de adeso tem a ver com a afinidade do lquido para a superfcie slida, e atua no sentido de o lquido molhar o slido. A fora de coeso tem a ver com coeso do prprio lquido, e atua no sentido oposto. Se a fora de adeso for superior de coeso, o lquido vai interagir favorvelmente com o slido, molhando-o, e formando um menisco. Se a superfcie slida for um tubo de raio pequeno, como um capilar de vidro, a afinidade com o slido to grande que lquido sobe pelo capilar. No caso do mercrio, acontece o contrrio, pois este no tem afinidade com o vidro (a fora de coeso maior). A tendncia do lquido de subir pelo capilar resulta da diferena de presso gerada pela interface curva entre a fase lquida e a fase gasosa. Essa diferena de presso pode ser calculada atravs da Equao de Laplace. Que capilaridade? Sempre que voc pe um lquido em contato com um slido produz-se um "cabo de guerra" entre as molculas, as do slido puxando para seu lado, as do lquido para o outro. Assim, se voc derramar um pouco de gua em uma lmina limpa de vidro, o vidro atrair as molculas de gua mais fortemente do que elas se atraem. Ento a gua forada a se espalhar na superfcie do vidro. Derrame agora um pouco de gua em uma lmina de vidro engordurada. Assim, as molculas de gua se atraem mais fortemente do que a gordura as atrai. O "time local" vence e as molculas de gua se juntam em gtas.


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Normamente as molculas de gua coerem uma s outras mais fortemente do que elas aderem a molculas de tipo diferente. Mergulhe um tubo de vidro com um estreito canal em um vaso com gua. O vidro atrair a gua e puxar um pouco da mesma para dentro do estreito canal. Essa atrao de um lquido para o interior de estreitos espaos se chama capilaridade (do latim capillus, significando cabelo). Quando voc encosta uma toalha de papel, ou mata-borro, nas suas mos molhadas, a atrao do papel leva a gua para seus finos poros e assim suas mos ficam enxutas. Quando voc lava as mos, voc pe sabo na gua. le faz diminuir a tenso superficial da gua. As molculas da gua ento coerem menos fortemente e elas podem penetrar nos finos poros de sua pele. mais fcil lavar-se com gua quente porque o calor diminui a tenso superficial dos leos e graxas. Fora de Adeso = 1+cos /1 2.2.9 Solubilidade Uma das caractersticas principais da gua a sua capacidade de dissolver quase todas as substncias em quantidades superiores maioria dos lquidos. A ao dissolvente da gua depende de pelo menos um de trs tipos de interaes entre as molculas de gua e as molculas de solutos: (i) Substncias no ionizveis, mas polares: So substncias que contm oxignio ou nitrognio na forma de grupos OH, NH2, a sua solubilizao devida formao de pontes de hidrognio entre as suas molculas e as da gua. (ii) Substncias ionizveis: A sua solubilidade deve-se ao carcter dipolar da gua que lhe confere uma constante dieltrica, isto , a capacidade de neutralizar a atrao entre cargas eltricas, muito elevada. Cada on em soluo tem como que uma concha de molculas sua volta. Esta concha atua como um campo de isolamento eltrico que diminui a fora de atrao entre ons com cargas opostas, mantendo-os afastados na soluo. (iii) Substncias no polares: Como por exemplo a alanina e outros amino cidos neutros. Estes compostos dissolvem-se na gua por causa das foras de Van der Waals. 2.2.9 Dissociao da gua e a escala de pH Algumas das molculas de gua separam-se em ons hidrognio (H+) e hidroxila (OH-) no processo chamado dissociao ou ionizao. A tendncia para que estes ons se recombinem uma funo da probabilidade para que ocorram colises entre eles, o que porProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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sua vez depende do nmero relativo de ons presentes na soluo. A lei da ao de massas pode ser expressa matematicamente igualando o produto das concentraes molal (m = moles por quilo de gua) a uma constante: [H+] . [OH-] = K Em uma soluo diluida, as concentraes molal so virtualmente iguais s concentraes molar (M = moles por litro de soluo final). A temperaturas prximas dos 20 C, K =10-14, e assim, em gua pura a concentrao quer de [H+], quer de [OH-] igual a 107

M. A concentrao de ons hidrognio expressa por uma escala de pH, em que

pH = - log [H+]. Ou seja, o pH igual ao valor absoluto da concentrao do on hidrognio, expresso como um expoente negativo de 10. Por exemplo, quando [H+] = 10-4 , ento o pH = 4. A neutralidade expressa por pH = 7 ([H+] = [OH-]); valores abaixo de 7 indicam acidez, e valores acima de 7 indicam alcalinidade. As unidades de pH so mltiplos de 10 em uma escala logartmica, e como tal no podem ser nem adicionados, nem subtrados. De fato, so necessrios 10 vezes menos H+ para mudar o pH de uma soluo tamponizada de 7 para 6, que de 6 para 5.


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PROPRIEDADES FSICAS DA GUA: EXERCCIOS DE FIXAO 1- Por que durante a evoluo tanto de plantas como de animais a gua foi a molcula que mantida em maiores quantidades nesses organismos? 2- Porque a gua nos lagos e rios congelam de cima para baixo? (comente atravs de explicaes fsicas) 3- Relacione absoro de gua com deficincia nutricional relacionando com as propriedades fsicas da mesma? 4- Existe relao entre o cuidado que mergulhadores apresentam quando se encontram em altas profundidades com a transpirao de plantas em locais quentes e secos? Explique. 5- O que tenso superficial e porque a aplicao desse conceito importante na eficincia de aplicao de produtos agrcolas? 6- Explique como as propriedades da gua auxiliam no transporte de gua em plantas 7- Porque as plantas necessitam transpirar at 98% da gua absorvida? Relacione a sua resposta com as propriedades fsicas da gua. 8- Porque a gua uma sustncia polar e qual a sua realo com a solubilidade, isto porque a aplicao de defensivos normalmente misturado com gua?


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3 Biomolculas 3.1 Sacardeos: Essa palavra deriva do latim em que acar saccharum, sendo derivado do termo saccharide o qual a base do sistema de classificao de carboidratos. Os sacardeos so formados por aldedos e cetonas polihidroxi ou substncias que a hidrolise produz aldedos e cetonas. Os sacardeos so produzidos a partir do processo fotossinttico, sendo inicialmente a energia da luz transformada em energia qumica (ATP e NADPH) que posteriormente utilizada para reduzir o carbono atmosfrico (CO2) formando uma triose, o gliceraldedo. A maioria de monossacardeos e os dissacardeos so chamados acares porque tem sabor adocicado. Todos os hidratos de carbono so slidos na temperatura ambiente. Por apresentar muitos grupos OH, so extremamente solveis na gua (podem fazer muitas pontes de hidrognio). Os monossacardeos so molculas orgnicas formadas por tomos de carbono (C), hidrognio (H) e oxignio (O) na proporo 1: 2: 1, respectivamente, apresentando a frmula geral (CH2O)n, em que n pode variar de 3 a 7. O nome genrico do monossacardeo est relacionado com o valor de n. sendo n = 3 trioses; n= 4 tetroses; n = 5 pentose, n+ 6 hexose, n=7 heptulose. Os sacardeos so classificados em: (i) Monosacardeos: considerado um simples carboidrato que no pode ser quebrado para formar pequenos polissacardeos. Os monossacardeos mais abundantes so as hexoses com frmula geral (C6H12O6). Nessa classe, se inclui a glicose, o mais importante combustvel para a maioria dos seres vivos, componente dos polissacardeos mais importantes, como o amido e a celulose. Outras hexoses importantes so a frutose e a galactose. (ii) Disacardeos em hidrlise forma dois monossacardeos. Ex: Lactose: ligao b(1 4) glicosdea entre uma galactose e uma glicose, Maltose, uma ligao entre duas glicoses a(1 4). Sacarose: ligao a, b(1 2) glicosdea entre uma glicose e uma frutose. (iii) Polisacardeos (do grego polus significa muitos) em hidrolise e quebrado para formar muitos monossacardeos. So molculas orgnicas formadas pela unio de mais 10 molculas de monossacardeos.Os polissacardeos so abundantes na natureza, podendo ter funo biolgica de reserva energtica, como o amido e o glicognio ou funoProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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estrutural, como a celulose e a quitina. Os Polissacardeos de Reserva Energtica em plantas o amido o polissacardeo de reserva energtica dos vegetais, sendo armazenado nas clulas do parnquima amilceo de caules (batatinha) e razes (mandioca). Em animais o glicognio o polissacardeo de reserva energtica, sendo armazenado no fgado e msculos. A celulose o polissacardeo presente na membrana celulsica das clulas vegetais (imagine sua abundncia na natureza). Est relacionada com a estrutura e forma das clulas vegetais. O aproveitamento da celulose na forma de molculas de glicose s possvel na presena da enzima celulase, que produzida por microrganismos como bactrias e protozorios, que vivem em simbiose no sistema digestivo de organismos como ruminantes, moluscos, etc. No ser humano, a presena de celulose na dieta (alimentao) garante o bom funcionamento do intestino, a reteno de gua ao bolo fecal, facilitando sua eliminao. Nos artrpodes, o polissacardeo quitina um material impermeabilizante do exoesqueleto, garantindo boa adaptao vida terrestre. Os acares tem caractersticas ticas que podem ser utilizar para distinguir suas diferenas em atividades fisiolgicas, que denominada de quiralidade. Em 1894 William Thomson definiu um objeto como quiral aquele que a imagem refletida no espelho parece igual mas no pode se sobrepor. Muitos objetos quirais so, meias, luvas, orelhas, ps O centro quiral um centro tetradrica que se liga a quatro tipos diferentes de grupos de carbonos (Figura 7). A molcula que tem n centros quirais o qual apresenta um mximo de 2n estereoisomeros. Carbonos que apresentam duplas ou triplas ligaes no pode apresentar centros quirais (Figura 8). Estas molculas so ismeros.


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Figura 7. Diferenas entre Enatimeros e Distereomeros.

Figura 8. Estrutura de molculas quirais e aquirais Os sacardeos so molculas quirais permite a classificao dos mesmos. Ismeros so compostos diferentes que apresentam a mesma frmula molecular e diferente forma estrutural. Nesse caso Ismeros Cis, significa que Cis: mesmo lado e Trans, lados opostos (Figura 9)


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Figura 9. Descrio das isomerias Cis e Trans. As letras D e L para enantiomeros especficos dos hidratos de carbono. Ao invs de utilizar a designao especfica de cada carbono quiral na molcula, observa-se o ltimo grupo do OH unido ao carbono quiral o mais distante do grupo de carbonila. Na projeo de Fischer, isto estar perto da parte inferior do desenho. Pela conveno, se o grupo hidroxil est na direita em compostos denomina-se D. Se o grupo hidroxil est na esquerda em compostos denomina-se L (Figura 10).

Figura 10. Representao para enatiomeros de glicose especficos. Em torno de 200 diferentes monossacardeos conhecidos so agrupados de acordo com (i) o nmero de tomos que de carbono contm; (ii) se so aldedos ou cetonas. Os Monossacardeos que so aldedos so chamados aldoses e os que so cetonas de cetoses. Por exemplo as aldohexoses so glicoses que contm aldoses e a cetohexoses so glicoses que contm cetoses (Figura 11).


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H

CHO OH CH2OH

Aldotriose

D-glyceraldehyde

H H

CHO OH OH CH2OH

HO H

CHO H OH CH2OH

Aldotetroses

D-erythrose CHO OH OH OH CH2OH CHO H OH OH CH2OH CHO OH H OH CH2OH

D-threose CHO H H OH CH2OH

H H H

HO H H

H HO H

HO HO H

Aldopentoses

D-ribose

D-arabinose

D-xylose

D-lyxose

H H H H

CHO OH OH OH OH CH2OH

HO H H H

CHO H OH OH OH CH2OH

H HO H H

CHO OH H OH OH CH2OH

HO HO H H

CHO H H OH OH CH2OH

H H HO H

CHO OH OH H OH CH2OH

HO H HO H

CHO H OH H OH CH2OH

H HO HO H

CHO OH H H OH CH2OH

HO HO HO H

CHO H H H OH CH2OH

Aldohexoses

D-allose

D-altrose

D-glucose

D-mannose

D-gulose

D-idose

D-galactose

D-talose

CH 2OH C O Ketotriose

CH 2OH dihydroxyacetone (achiral molecule)

CH 2 OH C H O OH CH 2 OH D-erythrulose CH 2OH C H H O OH OH CH 2OH D-ribulose HO H CH 2OH C O H OH CH 2OH D-xylulose Ketopentoses Ketotetroses

CH 2OH C H H H O OH OH OH CH 2OH D-psicose HO H H

CH 2OH C O H OH OH CH 2OH D-fructose H HO H

CH 2OH C O OH H OH HO HO H

CH 2OH C O H H OH Ketohexoses

Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didticaCH 2OH D-sorbose CH 2OH D-tagatose

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Figura 11. Visualizao das estruturas de diferentes cetoses e aldoses 3.2 Lipdeos So substncias hidrofbicas solveis em solventes orgnicos. Muitos lipdeos de membrana so amfipticos, tem uma parte final no polar e uma polar end (Figura 12). A maioria dos lipdeos derivada ou possui na sua estrutura cidos graxos. A dupla ligao no cido graxo geralmente tem configurao Cis. Muitos cidos graxos que ocorrem naturalmente possuem mesmo nmero de carbonos. O cido graxo com 16C tem uma dupla ligao cis entre o tomo de carbono 9 -10 e pode ser representado como 16:1 cis D9.


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Figura 12. Estrutura de lipdeos na membrana celular. Os lipdeos geralmente ocorrem combinados, seja covalentemente ou atravs de ligaes fracas, como membros de outras classes de biomolculas, para produzir molculas hdricas tais como glicofosfolipdeos, que contm tanto carboidratos quanto grupos lipdicos, e lipoprotenas (Figura 13), que contm tanto lipdeos como protenas (JOYCE; DIWAN, 2006).

Figura 13. Estrutura da membrana celular de plantas. (TAIZ; ZEIGER, 2004). Os lipdeos no apresentam caracterstica estrutural comum, entretanto todos possuem muito mais ligaes carbono-hidrognio do que as outras biomolculas, e a grande maioria possui poucos heterotomos. So molculas pobres em dipolos localizados (carbono e hidrognio, possuem eletronegatividade semelhante). Na qumica conceituado que "o semelhante dissolve o semelhante": razo para estas molculas serem fracamente solveis em gua ou etanol (solventes polares) e altamente solveis em solventes orgnicos (geralmente apolares) (JOYCE; DIWAN, 2006). As principais funes dos lipdios so: (i) reserva energtica, pois 1g de gordura equivale a 9 kcal, principalmente constituda pelos triacilgliceris (triglicerdeos); (ii) possibilita o armazenamento e transporte de combustvel metablico; (iii) fonte de energia quando oxidados na respirao celular; (iv) componente estrutural das membranas biolgicas; (v) isolamento trmico, eltrico e mecnico para proteo de clulas e rgos; (vi) originamProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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molculas mensageiras, como hormnios, prostaglandinas, (vii) triacilgliceris, devido sua funo de substncias de reserva, so acumuladas principalmente no tecido adiposo, para ocasies em que h alimentao insuficiente. 3.2.1 Alguns cidos graxos comuns: (i) 14:0 cido myristic; (ii) 16:0 cido palmitico; (iii) 18:0 cido estearicod; (iv) 18:1 cis D9 cido oleico Existe uma livre rotao entre a ligao C-C no cido graxo exceto quando existe uma dupla ligao. Cada dupla ligao cis causa uma toro no cadeia. A rotao entre carbonos permite uma estrutura mais linear, mas tambm pode ser devido a toro JOYCE; DIWAN, 2006). 3.2.2 cidos graxos e sabo A hidrlise cida dos triacilglicerdios age nos cidos graxos os quais possuem carboxlicos.Este grupo geralmente chamado de lipdeos saponificveis, porque a reao destes com uma soluo quente de hidrxido de sdio produz o correspondente sal sdico do cido carboxlico, isto , o sabo (BUCHANAN, 2000). 3.2.3 cidos graxos saturados e insaturados Os insaturados (que contm ligaes duplas) so facilmente convertidos em saturados atravs da hidrogenao cataltica (este processo chamado de reduo). A presena de insaturao nas cadeias de cido carboxlico dificulta a interao intermolecular, fazendo com que, em geral, estes se apresentem, temperatura ambiente, no estado lquido (BUCHANAN, 2000). 3.2.4 Triglicerdeos Os saturados, com uma maior facilidade de empacotamento intermolecular, so slidos. A margarina, por exemplo, obtida atravs da hidrogenao de um lquido - o leo de soja ou de milho, que rico em cidos graxos insaturados (BUCHANAN, 2000). Conhecidos como gorduras neutras, esta grande classe de lipdeos no contm grupos carregados. So steres do glicerol - 1,2,3-propanotriol. Estes steres possuem longas cadeias carbnicas ligadas ao glicerol, e a hidrlise cida promove a formao dos cidos graxos correspondentes e o lcool (glicerol) (BUCHANAN, 2000). Um das principais funes armazenamento de energia, cada ligao C-H um stio potencial para a reao de oxidao, um processo que libera muita energia.


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Os triacilgliceris so lipdeos formados pela ligao de 3 molculas de cidos graxos com o glicerol, um trilcool de 3 carbonos, atravs de ligaes do tipo ster. Os cidos graxos que participam da estrutura de um triacilglicerol so geralmente diferentes entre si. Funo de reserva de energia, principalmente 1 grama fornece aproximadamente o dobro da energia fornecida por carboidratos (BUCHANAN, 2000). 3.2.4 Fosfolipdeos Os fosfolpideos so steres do glicerofosfato. O fosfato um dister fosfrico, e o grupo polar do fosfolipdio. A um dos oxignios do fostato podem estar ligados grupos neutros ou carregados, como a colina, a etanoamina, o inositol, glicerol ou outros. As fostatidilcolinas, por exemplo, so chamadas de lecitinas (BUCHANAN, 2000). Os Lipdeos Polares" so lipdeos que contm fosfato na sua estrutura, sendo os mais importantes derivados do glicerol fosfoglicerdeos, o qual est ligado por uma ponte tipo fosfodister geralmente a uma base nitrogenada (BUCHANAN, 2000). As membranas celulares so elsticas e resistentes graas s fortes interaes hidrofbicas entre os grupos apolares dos fosfolipdios (BUCHANAN, 2000). 3.2.5 Esterides Os esterides so lipdeos derivados do colesterol. Eles atuam, nos organismos, como hormnios. A testosterona o hormnio sexual masculino, enquanto que o estradiol o hormnio responsvel por muitas das caractersticas femininas. O colesterol um esteride importante na estrutura das membranas biolgicas, e atua como precursor na biossntese dos esterides biologicamente ativos, como os hormnios esterides e os cidos e sais biliares So associaes entre protenas e lipdeos encontradas na corrente sangunea, e que tem como funo transportar e regular o metabolismo dos lipdeos no plasma. 3.2.5 Classificao Quilomcron: a lipoprotena menos densa, transportadora de triacilglicerol exgeno na corrente sangunea. VLDL: "Lipoprotena de Densidade Muito Baixa", transporta triacilglicerol endgeno; IDL: "Lipoprotena de Densidade Intermediria", formada na transformao de VLDL em LDL; LDL: "Lipoprotena de Densidade Baixa", a principal transportadora de colesterol; seus nveis aumentados no sangue aumentam o risco de infarto agudo do miocrdio;


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HDL: "Lipoprotena de Densidade Alta"; atua retirando o colesterol da circulao. Seus nveis aumentados no sangue esto associados a uma diminuio do risco de infarto agudo do miocrdio. 3.2.5 Protenas Protenas so substncias encontradas em todos os organismo formados por C, H, O e N, alm disso pode estar ligada a outros nutrientes, como o P, S, Cu... As cadeias polipeptdicas so normalmente compostas por 20 aminocidos diferentes que so ligados covalentemente durante o processo de sntese pela formao de uma ligao peptdica. De modo geral podemos afirmar que protenas um conjunto de aminocidos (Figura 14). Os aminocidos so formados por grupamentos carboxlicos (COO-) e amina (NH2) e cadeia lateral (R). Os aminocidos so ligados por ligaes peptdicas. A ligao peptdica entre dois aminocidos (Aa) um exemplo especial de uma ligao do amido flanqueada em ambos os lados por tomos do carbono 1. Os ngulos ligados e os comprimentos do peptdeo so conhecidos de muitas observaes diretas de estruturas da protena. O comprimento da ligao do peptdeo (NC) em torno de 1.33 . Isto consideravelmente menor do que o comprimento da ligao no peptdica adjacente da NC de 1.45 . Os comprimentos das ligaes e ngulos refletem a distribuio dos eltrons entre os tomos devido s diferenas na polaridade dos tomos, e a hibridao de seus orbitais da ligao. Os dois tomos mais eletronegativos, O e N, podem carregar cargas negativas parciais, e os dois tomos menos eletronegativos, C e H, podem carregar cargas positivas parciais. O grupo do peptdeo que consiste nestes quatro tomos pode ser pensado como de uma estrutura da ressonncia assim, a ligao de peptdica tem o carter de ligao o dobro do parcial, esclarecendo seu comprimento ligao intermedirio. Como toda a ligao dobro, a rotao sobre o ngulo de ligao w do peptdeo restrita, com uma barreira de energia de 3 kcal entre grupamentos cis e do transporte. Para todos os Aa, a configurao cis desaprovada extremamente por causa do obstculo steric entre correntes laterais adjacentes. O fechamento do anel na corrente lateral do prolina extrai o b-carbono longe do resduo precedente, conduzindo para abaixar o obstculo steric atravs da X-pro ligao de peptdeo. Na maioria de resduos, o transporte distribuio cis sobre esta ligao aproximadamente 90 - 10, mas com prolina, o transporte distribuio cis aproximadamente 70 - 30. 3.2.6 Restrio na ligao da rotaoProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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Quando houver uma rotao restrita sobre a ligao peptdica, h uma rotao livre sobre as quatro ligaes ao um carbono de cada resduo. Duas destas rotaes so de relevncia particular para a estrutura da espinha dorsal do polipeptdio. O nitrognio (N) um dos principais componentes das protenas sendo este um dos motivos do decrscimo do crescimento em plantas deficientes nesse nutriente. O N elemento mais abundante na atmosfera terrestre (em torno de 70%). Nas plantas um componente responsvel por vrias reaes alm de fazer parte da estrutura da clorofila de enzimas e protenas (TAZ; ZIEGER, 2004; REYNOLDS et al., 1982).


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Figura 14. Estrutura de protenas e aminocidos (adaptado de BUCHANAM, 2000). A disponibilizao de nitrognio para as culturas pode ocorrer de formas diferenciadas de acordo com a espcie. Este nutriente pode ser absorvido do solo na forma de NH4+ ou de NO3- ou atravs do N2 atmosfrico. Nas leguminosas o N absorvido na forma de N2 e transformado em NH4 atravs do processo simbitico com bactrias (GERAHTY et al., 1992; TAZ; ZIEGER, 2004). Um caso tpico desta associao a simbiose entre leguminosas e bactrias do gnero Rhyzobium, Bradyrhizobium, Azorizhobium, photorizhobium, sinorizhobium que colonizam as clulas corticais das razes (TAZ; ZIEGER, 2004). As protenas adquirem funes fisiolgicas aps adquirirem estrutura quanternria, a qual ocorre devido a interaes que governam o enovelamento e a estabilidade das protenas: (i) interaes no-covalentes; (ii) repulses de curto alcance; (iii) foras eletrostticas; (iv) interaes de Van de Waals; (v) pontes de hidrognio; (vi) interaes hidrofbicas (Figura 15).

Figura 15. Tipos de ligaes encontradas em aminocidos e protenas (PERSON, 2004). 3.2.7 Estruturas de protenas 3.2.7.1 Estrutura primria a ligao peptdica entre aminocidos numa seqncia linear, onde apresenta uma extremidade "amino terminal" e uma extremidade carboxi terminal. Sua estrutura somente a seqncia dos aminocidos, sem se preocupar com a orientao espacial da molcula (Figura 16). 3.2.7.2 Estrutura secundria


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a estrutura oriunda do arranjo espacial de aminocidos prximos entre si na seqncia primria da protena. A estrutura secundria ocorre devido a possibilidade de rotao das ligaes entre os carbonos e de seus aminocidos nos grupamentos amina e carboxila (Figura 16). 3.2.7.3 Estrutura terciria a forma tridimensional como as protenas se "enrolam". Este processo ocorre devido a organizao das cadeias longas de polipeptdios em domnios, os quais so considerados as unidades funcionais e de estrutura tridimensional de uma protena (Figura 16). 3.2.7.4 Estrutura quaternria Surge apenas nas protenas oligomricas. Esta estrutura surge em funo da distribuio espacial de mais de uma cadeia polipeptdica no espao, as subunidades da molcula. Observa-se nestas protenas subunidades mantidas por foras covalentes, como pontes dissulfeto, e ligaes no covalentes, como pontes de hidrognio, interaes hidrofbicas (Figura 16).


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Figura 16. Descrio nas estruturas de protenas em funo do enovelamento ocasionada por interaes entre molculas. 3.2.8 Funes As principais funes das enzimas so: (i) atividade enzimtica; (ii) sntese de molculas e outras protenas; (iii) estrutural; (iv) armazenamento de esqueletos de carbono e nitrognio; (v) transportadoras (hemoglobina/oxignio); (vi) transmisso de impulsos nervosos; (vii) canais transportadores (na membrana plasmtica); (viii) sinalizadores (hormnios peptdeos). 3.2.9 Tipos de aminocidos 3.2.9.1 Aminocidos alifticos Esses aminocidos apresentam apenas carbono e hidrognio na cadeia lateral, exceto a metionina (Figura 17).


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Figura 17. Tipos de aminocidos alifticos. 3.2.9.2 Aminocidos aromticos O nome desses aminocidos devido a presena de anel aromtico na cadeia lateral (Figura 18).

Figura 18. Tipos de aminocidos aromticos. 3.2.9.3 Aminocidos com ramificao C-beta Enquanto muitos aminocidos contm apenas um substituto de hidrognio ligado ao carbono beta, as ramificaes deste carbono pode conter dois aminocidos (dois carbonos em valina ou isoleucina; um carbono e um oxignio na treonina) (Figura 19).

Figura 19. Tipos de aminocidos com ramificao C-beta.


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3.2.9.3 Aminocidos com cargas positivas e negativas Os aminocidos com cargas residuais negativas so o aspartato, glutamatoe cargas positivas so a arginina, histidina e lisina (Figura 20).

Figura 20. Tipos de aminocidos com ramificao com cargas positivas e negativas. 3.3 Enzimas So protenas de ao cataltica, porm nem toda protena considerada uma enzima. As enzimas so consideradas catalisadores orgnicos. Catalisador uma substncia que acelera uma reao qumica por diminuir sua energia de ativao (Figura 21). .


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Figura 21. Reaes processadas com e sem ao de enzimas. As enzimas no modificam o sentido dos equilbrios qumicos, mas aceleram sua realizao. Um terceiro modelo que combina o ajuste induzido a uma "toro" da molcula do substrato (Figura 22), que o "ativaria" e o prepararia para a sua transformao em produto (KIELING, 2002).

Figura 22. Diminuio da energia de ativao por ao enzimtica pelo mecanismo de toro. Algumas enzimas so capazes de aumentar a velocidade das reaes em cerca de 1014x

, em relao a catalisadores qumicos, o que pode ser observado quando utiliza-se a

enzima nitrogenase. Atividade biolgica a capacidade das enzimas em reagir com substratos formando complexos ou mesmo compostos com ligaes covalentes. A atividade biolgica envolve a medida da velocidade da reao. Segundo a Enzyme Comission, uma


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unidade (U) de atividade corresponde a quantidade de enzima que catalisa a transformao de 1 micromol de substrato de 1 micromol de produto por minuto (U mg-1). A especificidade a correlao entre a estrutura das enzimas e suas propriedades biolgicas. Sendo assim, na enzima existe uma frao de molcula denominada de stio ativo que responsvel pela ligao da enzima ao substrato o que determina a especificidade da enzima. Este modelo chave-fechadura proposto por Fischer (Figura 23). O stio de ligao do substrato capaz de reconhecer inclusive ismeros ticos "D" e "L" de um mesmo composto. Este stio pode conter um segundo stio, chamado stio cataltico ou stio ativo, ou estar prximo dele; neste stio ativo que ocorre a reao enzimtica. Monod et al. () propuseram um modelo alostrico para explicar como a atividade de certas enzimas regulada pela ligao de pequenas molculas, que serve como mecanismo de controle em clulas. Este mecanismo produz mudanas conformacionais na enzima alterando sua atividade.

Figura 23. Especificidade entre enzima e substrato. As enzimas possuem um centro ativo denominado de APOENZIMA e algumas vezes um grupo no protico denomina de COENZIMA. Toda a molcula (apoenzima+ cofator) forma a holoenzima. O cofator pode ser (i) a coenzima: uma substncia orgnica no protica; (ii) grupo prosttico: substncia orgnica que se liga firmemente na apoenzima; (iii) ativador metal: K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++ e Mo+++ (KIELING, 2002). As enzimas so produzidas no interior das clulas pelos ribossomos podendo ser secretada pelas vesculas do complexo de golgi, como por exemplo as fosfatases em plantas, que tem por funo liberar o fsforo imobilizado no solo (KIELING, 2002)


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3.4 Classificao de enzimas Critrios estabelecido pela Unio Internacional de Bioqumica (IUB) O nome dado as enzimas deve-se a sua funo metablica (geralmente o substrato) mais o termo ase (Figura 24). Oxidorredutases: So enzimas que catalisam reaes de transferncia de eltrons, ou seja: reaes de oxi-reduo. So as Desidrogenases e as Oxidases (usada quando o O2 aceptor de eltrons). Transferases: Enzimas que catalisam reaes de transferncia de grupamentos funcionais como grupos amina, fosfato, acil, carboxil, etc. Exemplo: Quinases e as Transaminases. O doador pode ser um cofator. Hidrolases: Catalisam reaes de hidrlise de ligao covalente. Ex: As peptidades (hidrlise das ligaes peptdeas). Liases: Catalisam a quebra de ligaes covalentes (C-C, C-N e C-O) e a remoo de molculas de gua, amnia e gs carbnico, sendo envolvidos dois substratos. Exemplos: dehidratases e as descarboxilases. Isomerases: Catalisam reaes de interconverso entre ismeros pticos (isomeria cis-trans) ou geomtricos. Exemplo: Epimerases e Racemase. Ligases: Catalisam reaes de formao e novas molculas a partir da ligao entre duas j existentes, sempre custa de energia (ATP). Exemplo: Sintetases.

Figura 24. Critrios estabelecido pela Unio Internacional de Bioqumica (IUB) para classificao de enzimas.


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3.4 Cintica enzimtica A cintica enzimtica relaciona a velocidade das reaes enzimticas, 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 reao. A avaliao do processo ocorre da seguinte forma: O complexo enzima/substrato (ES) tem uma energia de ativao menor que a do substrato isolado, e a sua formao leva ao aparecimento do estado de transio "Ts". A velocidade de uma reao enzimtica depende das concentraes de enzima e de substrato. Sendo assim dois pesquisadores Michaelis e Menten propuseram o modelo de reao enzimtica para um substrato. Neste modelo existe uma equao expressada graficamente que permite mostrar a velocidade das reaes de acordo com a concentrao de substrato. A partir desta equao foi determinado o Km (concentrao de substrato para da velocidade mxima da reao) para uma enzima especfica que fornece o parmetro 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 reao depende da concentrao de substrato; (3) para altas concentraes de substrato todas as enzimas esto ligadas ao substrato e a velocidade sofre uma estabilizao (Vmax).

Figura 25. Cintica enzimtica de Michaelis-Menten.Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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3.4 Afinidade enzimtica Quando da velocidade mxima da reao atingida em baixos nveis de substrato, demonstra que a enzima tem elevada afinidade pelo mesmo sendo assim determinado pelo Km (constante de Michaelis e Menten), ento o Km = Vmax. Sendo assim o Km alto apresenta baixa afinidade enzimtica e Km baixo elevada afinidade enzimtica (Figura 26).

Figura 26. Determinao do Km para enzimas de baixa e alta afinidade. 3.5 Fatores que afetam a atividade enzimtica 3.5.1 Temperatura Quanto maior a temperatura, maior a velocidade da reao, at se atingir a temperatura tima (a cada 10 oC a reao duplica; Q10); a partir dela, a atividade volta a diminuir, por desnaturao da molcula. Em temperaturas baixas (que 20C) a enzima se torna muito rgida (Figura 27).

Figura 27. Efeito da temperatura na atividade enzimtica.


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3.5.2 pH Normalmente corre um aumento da velocidade da reao at atingir um pH timo, onde a distribuio de cargas eltricas da molcula da enzima e, em especial do stio cataltico, ideal para a catlise. No entanto, a faixa de pH timo varivel com o tipo de enzima (Figura 28).

Figura 28. Efeito da pH atividade enzimtica. 3.5.3 Cofatores Cofatores so pequenas molculas orgnicas ou inorgnicas no proteicas que podem ser necessrias para a funo de uma enzima, embora existam enzimas como a quimiotripsina e triose fosfato isomerase que so ativas sem necessitar de outro fator. Estes cofatores no esto ligados permanentemente molcula da enzima, mas na ausncia deles, a enzima inativa. Os cofatores com efeito em clulas de plantas e animais so: (i) a coenzima: uma substncia orgnica no protica: coenzima A, NAD (Nicotinamina Adenina Dinucleotdeo) e FAD (Flavina Adenina Dinucleotdeo) (Figura 29);


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(a)

(b)

(c)

Figura 29. (a) NAD, Nicotinamina adenina dinucelotdeo, agente de transferncia de dois eltrons e dois hidrognios; (b) FAD, flavina adenina dinucleotdeo, agente doador de um eltron e dois hidrognios; (c) Acetil coenzima A, Um acil agente de transferncia (forma um tioester). (ii) Grupo prosttico: substncia orgnica que se liga firmemente na apoenzima. Os grupos prostticos so um subgupo de cofatores; ao contrrio das coenzimas, encontram-se ligados de forma permanente protena. Em enzimas, os grupos prostticos esto de algum modo ligados ao centro ativo. Ex: vitaminas, acares e ons metlicos; (iii) Um ativador metal (ons metlicos): K+, Fe++, Fe+++, Cu++, Co++, Zn++, Mn++, Mg++, Ca++ e Mo+++ (KIELING, 2002).


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3.5.4 Inibidores enzimticos Os processos de inibio enzimtica podem ocorrer atravs da ligao no stio alostrico. Esses inibidores podem apresentar natureza diversa sendo em alguns casos ons metlicos (Figura 30).

Figura 30. Efeito do inibidor na estrutura de enzimas. 3.6 Nucleotdeos Constitui-se numa molcula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um acar de cinco carbonos e bases purnicas (Adenina e guanina) e pirimidnicas (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 ligao), e a guanina com a citosina (tripla ligao). Para entender melhor a estrutura dos nucleotdeos necessrio detalhar as partes dos mesmos:


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(i) Nucleosdeos: base nitrogenada+ acar de cinco carbonos;

Figura 31. Bases nitrogenadas encontradas nas molculas de DNA e RNA. (ALBERTS, 2004). (ii) Nucleotdeos: uma molcula que apresenta um ou mais grupos fosfato, um acar de cinco carbonos (Figura 32) e bases nitrogenada purnicas (Adenina e guanina) e pirimidnicas (citosina, uracila e timina);

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

(iii) Os cidos nuclicos so formados pela unio dos nucleoteos. Nos seres vivos, h 2 tipos de cidos nuclicos: o cido desoxirribonucleico (DNA ou ADN) e o cido ribonuclico (RNA ou ARN) com funes distintas (Figura 33).


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Figura 33. Estrutura das moedas energticas encontradas em clulas vegetais. 3.6 Tipos de Nucleotdeos 3.6.1 DNA e RNA Ocorrem em todas as clulas vivas e so responsveis pelo armazenamento e transmisso da informao gentica e por sua traduo que expressa pela sntese precisa das protenas. O DNA formado os nucleotdeos esto ligados covalentemente atravs dos acares e dos fosfatos, formando uma fita. O DNA formado por duas fitas dobradas em estrutura tridimensional (duplas hlice). A base mais robusta com dois anis (purina) sempre se pareiam com a base de dois anis (pirimidina) (Figura 34). O DNA encontrado nos cromossomas, dirige a sntese das enzimas e, desta forma, controla as atividades metablicas da clula. O RNA transfere as informaes do DNA para os ribossomos, onde as enzimas e outras protenas so produzidas. O nucleotdeo Adenina pareia-se com a timina e a citosina com a guanina por pontes de hidrognio. No DNA a trinca de trs nucleotdeos forma os cdons e anticdons e a seqncia de trincas formam os genes, que so responsveis pela informao para a sntese de protenas.


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Figura 34. Pareamento de bases nitrogenada no DNA celular. Alberts (2004). 3.6.2 Molculas Bioenergticas 3.6.2.1 A qumica do ATP bem conhecida (i) Em pH 7.0, ATP e ADP ocorrem como nions 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 concentraes de Mg+2, o ATP e ADP encontram-se geralmente na forma MgATP-2 e ADP-; (iii) Em clulas normais, a concentrao de ATP praticamente constante, devido ao equilbrio dinmico estabelecido pela sntese e hidrlise do ATP. Assim, o grupamento fosfato terminal do ATP sofre remoo e recolocao contnua durante o metabolismo celular; (iv) Quando o ATP sofre a perda de seu grupamento fosfato terminal por hidrlise, com formao de ADP e Pi, a variao da energia livre padro de 7,3 Kcal mol-1. Tabela 2. Energia livre padro de hidrlise de alguns compostos fosfatados em Kcal mol-1 (Lehninger, Princpios de Bioqumica, 1985).

Quais as caractersticas estruturais da molcula do ATP responsveis pela liberao de uma quantidade consideravelmente grande de energia livre, quando seu grupo fosfatoterminal hidrolizado? (i) Grau de ionizao do ATP e de seus produtos de hidrlise. Em pH 7.0 o ATP est quase totalmente ionizado na forma inica ATP-4. Pela hidrlise ele libera trs produtos: ADP3

, HPO-4-2 e H+ conforme a Equao: ATP-4 + H2O resultando em ADP-3 + HPO4-2 + H+ (ii) Nas condies padro o ATP-4, ADP-3 e HPO-4-2 estaro presentes em

concentraes iguais a 1 M. Entretanto, em pH 7 (pH aproximado do citossol) a concentrao do on H+ apenas 10-7 M. Isso significa que pela Lei do Equilbrio Mvel de Le Chtelier o equilbrio da hidrlise do ATP deslocado fortemente para a direita, pois a concentrao de


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H+ em pH 7 muito baixa comparada com as concentraes padro de 1 M dos outros componentes da reao; (iii) Em pH 7,0 a molcula de ATP tem quatro cargas negativas muito prximas, e estas repelem-se fortemente. Quando a ligao do grupo fosfato terminal hidrolizada parte da presso eltrica no interior da molcula de ATP aliviada pela separao dos produtos carregados negativamente ADP-3 e HPO-4, Estes produtos tm tendncia relativamente pequena de aproximar-se e reagir em direo inversa, formando novamente ATP; (iv) O ADP-3 e HPO4-2 so hbridos ressonantes, formas especialmente estveis nas quais certos eltrons esto em uma configurao que possui uma quantidade de energia muito menor que aquelas que possuam em suas condies originais na molcula de ATP. Assim, quando o ATP hidrolizado, os eltrons nos produtos podem cair para nveis energticos menores que aqueles do ATP no hidrolizado; Diz-se que compostos fosfatados de alta energia, aqueles cuja hidrlise ocorre com grande decrscimo de energia livre-padro, contem uma ligao fosfato rica em energia, simbolizada nas frmulas estruturais pelo sinal grfico ~. A expresso ligao fosfato rica em energia, embora amplamente empregada pelos bioqumicos a bastante tempo incorreta e pode provocar confuses, uma vez que sugere, erradamente, que a ligao contem a energia em si mesma. Isto no verdade, na realidade a quebra de uma ligao qumica requer a adio de energia. A energia livre liberada pela hidrlise de steres fosfricos no provm da ligao que rompida, mas resulta do fato dos produtos da reao possurem um contedo de energia livre menor que o dos reagentes. 3.6.2.1 Nicotinamina dinucleotdeo (NAD), nicotinamina dinucleotdeo fosfato (NADP) e a flavina dinucleotdeo (FAD) A NAD e a FAD so coenzimas no proticas utilizadas por clulas de plantas e animais para transferir energia em reaes qumicas. Em reaes endergnicas essas substncias fornecem energia tornando oxidadas (NAD+ e FAD+). Um exemplo dessas reaes transformao do oxalacetato em malato na mitocndria no processo de noglicogenese. Nas reaes exergnicas (liberam energia) o NAD+ e FAD+ podem armazenar energia liberada o atravs da ligao de dois eltrons e dois hidrognio transformando-se em NAD(P)H e FADH2 (Figura 35). Essas molculas na forma reduzida podem fornecer energia direta em vrias reaes, que o caso da fotorrespirao e processo de reduo do CO2 no ciclo de Calvin e Benson. Quando no utilizado na forma direta a energia dessas molculas utilizada para a formao de um gradiente eletroqumico na matriz


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mitocondrial mais especificadamente na cadeia transportadora de eltrons para formar ATP pelo complexo protico ATPase (BUCHANAN, 2000; TAIZ; ZEIGER, 2004).

Figura 35. Estrutura das moedas energticas encontradas em clulas vegetais (BUCHANAN, 2000).


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BIOMOLCULAS: EXERCCIOS DE FIXAO 1- Quais a molculas de acares produzidas no processo fotossinttico? Qual a sua forma de translocao e armazenamento? 2- Descreva como so classificados os acares: 3- O que so ismeros? E qual a sua importncia no metabolismo das clulas? 4- Quais os sacardeos envolvidos na evoluo das plantas no ambiente terestre? 5- O que so lipdeos e suas funes em plantas? 6- Relacione a produo de lipdeos em clulas vegetais e a fotossntese. 7- Como a produo de lipdeos est envolvida no crescimento e produtividade de culturas? 8- O que so cidos graxos saturados e insaturados e porque as clulas vegetais alteraram a saturao dos lipdeos de membrana? 9- Qual a relao entre absoro de nitrognio e produo de protenas em plantas? 10- Quais a estruturas das protenas e como elas so formadas? 11- Descreva um tipo de aminocidos e sua respectiva funo em clulas vegetais. 12- O que so enzimas e qual a sua importncia? 13- Explique como alguns nutrientes utilizados pelas plantas agem nas enzimas. 14- Descreva a relao entre a atividade enzimtica e: a) Temperatura b) pH c) Disponibilidade de substrato 15 Ainda em relao a questo anterior, explique como o manejo pode afetar a atividade das enzimas e a produtividade das culturas.


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16 O significa Km enzimtico e porque o conhecimento de sue valor importante no meio agrcola? 17 O que so nucleotdeos e cidos nuclicos? 18 Qual a relao entre nucleotdeos e diviso celular e conseqentemente crescimento de plantas? 19- Quais os nucleotdeos com funo energtica e porque eles so indispensveis no crescimento de plantas? 20 O que so e qual a diferena na estrutura e funo do DNA e RNA?


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4. Fotossntese A fotossntese (FSS) uma das reaes mais importantes da terra nela o CO2 e a H2O so transformados em CH2O e O2. Na FSS a luz visvel (400 a 700 nm) denominada de densidade de fluxo de ftons fotossintticamente ativo, DFFFA coletada por pigmentos antenas, carotenides e clorofilas estes por ressonncia transfere a energia para os fotossistemas (Figura 36). A energia do fton de comprimento de onda mais curto absorvido pelo complexo antena II o qual transmite at o P680 (clorofila especial) do P680 o eltron tranferido para a feofetina e depois para a Qa, Qb (ciclo Q, forma um gradiente eletroqumico para formar ATP atravs da ATP sintase), deste para o citocromo B6f e para a plastocianina. Esta transfere para o P700, quando incide um fton a energia excita a clorofila que perde seu eltron para a A0 e depois para a A1, esta para a FesX, Fesa, Fesb e para a ferredoxina, a qual transfere o eltron para a ferredoxina solvel redutase que reduz o NADP em NADPH. O NADPH utilizado pela fase carboxilativa onde a rubisco para reduzir o CO2 e forma 2 PGA, depois 1,3PGA (gasta 1 ATP) e depois em 3 gliceradedo 3P (trioses, com gasto de NADPH) que so utilizadas como esqueletos carbnicos para produzir acares, e demais compostos. O restante da rota para regenerar a ribulose 1,5 bifosfato, onde ocorre gasto de ATP. As Curvas de resposta luz tm sido apresentadas, para diferentes espcies, e para espcies particulares aclimatadas em diferentes irradincias (JONES, 1994; PACHEPSKY et al., 1996). Embora haja uma leve tendncia da Pn, nas espcies C4, continuar aumentando mais do que nas espcies C3, com o aumento da irradincia, h grandes diferenas entre espcies de sombra e espcies de sol, ou entre folhas de uma mesma espcie crescendo em irradincias diferentes. Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois no possvel nesse perodo um nvel de respirao muito intensa para a construo de novos tecidos. As folhas que esto em expanso interceptam menor quantidade de radiao e alm disso seu aparato fotossinttico no est completamente formado. As folhagens jovens, mas completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossinttica, a qual vai decrescendo com o aumento da idade. Prximo da senescncia completa a fotossntese atinge valores nulos devido a degradao da clorofila e a degenerao dos cloroplastos. Durante a florao e frutificao de plantas cultivadas observado um aumento da capacidade fotossinttica. Se os frutos so removidos a capacidade fotossinttica diminui. Isso ocorre,


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porque grande parte dos carboidratos so desviados para os frutos. No decorrer do dia a planta submetida a deferentes intensidades de radiao e diferentes ngulos de incidncia. Os estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada em relao a fotossntese total associada a comunidade vegetal. Nas comunidades de gramneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade fotossinttica ocorre nas folhas medianas, em que grande parte da radiao penetrante absorvida. Mais externamente a fotossntese diminui conforme a disponibilidade de radiao decresce. Neste cenrio, as folhas adaptadas a sombra exercem funo compensatria importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em relao as folhas adaptadas. As folhas de sombra realizam um modesto trabalho fotossinttico, mas como esto menos expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua contribuio pode suprir a demanda energtica bsica da planta em condies climticas flutuantes. Observa-se que a fotossntese aumenta no incio do dia at prximo as 10 horas onde comea decrescer, onde ocorre o fenmeno chamado de depresso da fotossntese lquida prxima ao meio dia. .1 Fotossntese (Processos bioqumicos) 4.1.1 Fase fotoqumica A caracterstica mais importante das plantas sua habilidade para interceptar e absorver energia solar, utilizando-a para fixar o dixido de carbono atmosfrico em um grupo de molculas orgnicas mais complexas. Este processo responsvel pela entrada de energia livre na biosfera. Parte da energia livre armazenada nos assimilados fotossintticos transferida, durante o processo de respirao, para compostos de alta energia, que podem ser utilizados na sntese de novos compostos e no processo de manuteno. O saldo de CO2 fixado pela planta, ou fotossntese lquida (Pn), a diferena entre a taxa de fixao bruta (Pg) e a taxa de perda de CO2 durante o processo respiratrio (R) (JONES, 1994). Embora difcil de se imaginar, h mais fotossntese nos ecossistemas terrestres do que nos aquticos. Segundo as estimativas disponveis, a produtividade primria lquida dos ecossistemas continentais mais do que o dobro daquela dos ecossistemas marinhos (117,5 x 109 versus 55 x 109 t ano-1, LIETH; WHITTAKER, 1975).


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Figura 36. Descrio dos comprimentos de onda absorvidos pela folha para o processo fotossinttico. No processo de fotossntese, pigmentos especiais (clorofila a, b e carotenides) esto 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 ftons e transfere por ressonncia para o centro de reao do complexo antena, constitudo por clorofilas. Quando a energia chega ao centro de reao ela excita a molcula 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 transferida para um aceptor de eltrons a Phe (molcula de clorofila sem magnsio), essa molcula fica excitada e assim transfere para uma quinona prxima (Qa) e essa para a Qb, nesta via ocorre um transporte de eltrons em forma de ciclo denominado de ciclo Q. Os eltrons provenientes da Qa so utilizados para reduzir a Qb em QH2. O ciclo Q tem por objetivo bombear ons H do estroma para o lmem. O ciclo Q funciona da seguinte forma, a plastoquinona QH2 oxidada e libera um eltron para uma protena Fe-S que vai ser tranferido para o citocromo f e este para a plastocianina. O outro eltron ser transferido para um cit. B e este para a Qb-. Quando uma segunda plastoquinona for reduzida os eltrons so conduzidos novamente pelo cit b para a Qb-, transformando-a em QH2, pois ela consegue se ligar a dois H que esto no estroma. Esse processo importante para a formao de ATP, pois incrementa o gradiente eletroqumico entre membranas (Figura 37). P700* Chl QK1 P680* Phe Light Light PQA, PQB Cyt b6f complex Photosystem I H2O O2 plastocyanin P700 Photosystem II P680PQA, PQB: plastoquinone QK1: phyloquinone plastocyanin: a Cu protein ferredoxin: a soluble Fe-S protein

Fe-S centers Ferredoxin NADP NADPH

Mn center

Figura 37. Esquema de transferncia de eltrons na fase fotoqumica da fotossntese. (Adaptado de TAIZ; ZEIGER, 2004).Prof. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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Os eltrons precisam ser repostos a P680 para que o processo fotossinttico tenha seqncia. Os eltrons so retirados da gua travs do processo denominado de fotlise. Esse processo envolve quatro tomos de Mn e um tomo de Ca. As seguncias de oxidao do Mn++ segue S0 S1 S2 S3 S4 (Figura 38).

Figura 38. Estados de reduo e oxidao do Mangans no complexo evoluidor de gua na fase fotoqumica da fotossntese. (BUCHANAN, 2000). Finalmente a plastocianina transfere o eltron para a P700 (clorofila especial a), quando ocorre a incidncia de um fton as clorofilas e carotenides do sistema antena captam essa energia e transferem para o centro de reao excitando a molcula de clorofila a, a qual perde eltron para o aceptor primrio A1 e desde para A0 e destes para a ferredoxina a qual reduz a NADP a NADPH2. Sendo assim a energia fsica proviniente do sol conservada em energia qumica na forma de NADPH2 e ATP. Exata forma de energia qumica vai ser utilizada no ciclo de calvin para formao de trioses (fase carboxilativa). Os fotossistemas apresentam diferenciao entre eles em relao a quantidade de clorofilas e carotenides. O fotossistema I (FSI) o filogeneticamente mais antigo e apresenta uma relao de quantidade de clorofila e P700 de 300:1 a 600:1, dependendo da espcie 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 incio com a absoro de CO2 pelo estmato, no entanto, o mesmo enfrenta vrias resistncias em o seu caminho at o cloroplasto. Perto da superfcie foliar h um retardamento da velocidade das molculas que participam das trocas gasosas.


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Essa resistncia da camada fronteiria especialmente grande quando h um fraco movimento de ar prximo a superfcie da folha, o que torna mais provvel quando a folha tem uma superfcie irregular, pilosa e avantajada. O aparato fotossinttico tem um papel fundamental para entrada de gases. Quando o estmato est completamente aberto a resistncia estomtica mnima difuso depende do tamanho do estmato e da densidade estomtica. Em plantas terrestres a entrada de CO2 pela cutcula desprezvel. A resistncia interna ao CO2 o resultado de diferentes barreiras, resistncia a entrada de CO2 na fase lquida da clula, resistncia a carboxilao, devido ao descompasso entre a carboxilao e o abastecimento de mais CO2. Devido a atividade fotosinttica a mais alta presso de CO2 ocorre na atmosfera prxima a folha. A concentrao interna de CO2 (Ci) definida pelo balano entre o consumo de CO2 (Fotossntese) e a liberao para os espaos intracelulares (Respirao, fotorrespirao). Freqentemente os estmatos reagem para manter essa presso interna constante, para um dada presso externa de CO2. Geralmente a relao entre Ci/Ca mantm-se em torno de 0,7. Teoricamente a presso parcial dentro do cloroplasto deveria decrescer at um valor nulo. Contudo, sobre condies naturais e mesmo sobre forte intensidade luminosa a presso de CO2 nos espaos intracelulares no decresce linearmente em relao a presso parcial dentro do cloroplasto. 4.1.2 Fase carboxilativa Os ATPs e NADPH gerados na fase fotoqumica so utilizados na fase carboxilativa para assimilao do CO2. O ciclo de calvin dividido em trs etapas. A primeira fase de carboxilao (o CO2 adicionado a ribulose 1,5P formando duas molculas de 3PGA) depois a fase de reduo (os 3PGA so transformados em 1,3P glicerato, com gasto de um ATP e depois em gliceraldedo 3P, com gasto de um NADPH), posteriormente ocorre a fase de regenerao (a ribulose 1,5 p regenerada, sendo necessrio gasto de ATP) (Figura 39).


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

4.1.3

Fotossntese e luz Curvas de resposta luz tm sido apresentadas, para diferentes espcies, e para

espcies particulares aclimatadas em diferentes irradincias (JONES, 1994; PACHEPSKY et al., 1996). Embora haja uma leve tendncia da Pn, nas espcies C4, continuar aumentando mais do que nas espcies C3, com o aumento da irradincia, h grandes diferenas entre espcies de sombra e espcies de sol, ou entre folhas de uma mesma espcie crescendo em irradincias diferentes. Nas espcies de sombra ou em folhas sombreadas, Pn pode saturar a menos de 100 mol m-2 s-1 de PAR, a qual aproximadamente 5% da luz total. Folhas de sol, por outro lado, freqentemente continuam a responder a valores tpicos para toda luz solar. O ponto de compensao de luz tambm varia a partir de valores to baixos quanto 0,5 2 mol m-2 s-1, nas espcies de sombra, at valores de 40 mol m-2 s-1 nas folhas de sol (JONES, 1994). Diversos fatores contribuem para as diferenas existentes no comportamento fotossinttico das folhas de sombra e de sol. H evidncias satisfatrias de que todos os componentes do sistema fotossinttico adaptam-se juntos. Por exemplo, na presena de alta irradincia, as folhas tendem a ser mais espessas, com uma rea de superfcie interna maior


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que as folhas de sombra e tendem a ter mais clorofila e muito mais carboxilase, por unidade de rea. Como a resistncia do mesfilo, por unidade de superfcie de clula, aproximadamente constante esta resistncia tende a diminuir com o aumento da irradincia, como resultado da mudana na razo entre a rea de superfcie da clula do mesfilo e a rea de superfcie da folha (HOLMGREN, 1968; NOBEL et al., 1975), como ocorre na resistncia estomatal. As reaes de luz tambm so afetadas pela irradincia crescente, ocorrendo o desenvolvimento de granas mais extensivos nas folhas de sombra, enquanto a capacidade para transporte de eltrons marcadamente reduzida. Por exemplo, o transporte de eltrons nos dois sistemas, quando expresso numa base de clorofila, pode ser at 14 vezes mais intenso em cloroplastos extrados de plantas de sol do que aquele verificado em cloroplastos extrados de plantas sombreadas (BOARDMAN et al., 1975; BOARDMAN, 1977). Parte desse efeito pode resultar de uma leve diminuio no tamanho da unidade fotossinttica (MALKIN; FORK, 1981). Os componentes da cadeia de transporte de eltrons, isto , citocromo f e citocromo b, so particularmente reduzidos nas plantas com baixa luminosidade. As vrias adaptaes, em resposta irradincia alterada, podem ocorrer poucos dias aps a mudana no ambiente. Apesar da grande diferena na Pn saturada por luz, somente pequenas diferenas tm sido observadas na inclinao inicial da curva de resposta da fotossntese luz. A recproca desta inclinao, requerimento de quantum (quanta por CO2 fixado), uma medida da eficincia da fotossntese e , relativamente, constante com um valor em torno de 19 para plantas C4, enquanto nas plantas C3 fortemente dependente da temperatura e concentrao de oxignio (EHLERINGER e BJRKMAN, 1977). A ocorrncia de irradincia elevada pode danificar o sistema fotossinttico, particularmente de folhas adaptadas sombra, ou de folhas nas quais o metabolismo fotossinttico tenha sido inibido por outros estresses, tais como temperaturas extremas, ou estresse hdrico. Os danos podem ser um resultado de foto-oxidao onde ocorre destruio da clorofila. Quando no ocorre destruio da clorofila, mas o dano observado, diz-se que ocorreu foto-inibio (JONES, 1994). A taxa respiratria tambm pode ser influenciada pela irradincia crescente, sendo to baixa quanto 4 g m-2 s-1, nas plantas de sombra e 50 150 g m-2 s-1 em folhas de sol. Esta diferena pode contribuir para a vantagem no saldo fotossinttico em baixa luminosidade, que freqentemente exibido pelas folhas sombreadas (JONES, 1994). 4.3.4 Fotossntese e deficincia hdrica


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O efeito da deficincia hdrica sobre a assimilao tem sido assunto de muitos artigos (KAISER, 1987). Entretanto, h controvrsias quanto importncia relativa do fechamento estomtico e das mudanas na capacidade do mesfilo, como causas das diminuies observadas na assimilao. Embora estudos tenham sugerido que as mudanas na condutncia estomtico so a principal causa de diminuio da fotossntese (BOYER, 1976), muitos estudos de campo utilizando espaos de tempo maiores, mais prximos da realidade, tm indicado que a capacidade de muitos componentes fotossintticos modificada paralelamente, enquanto a limitao relativa da condutncia estomtica permanece aproximadamente constante (JONES, 1973). Estudos recentes sobre a fluorescncia da clorofila evidenciam que a alta irradincia, durante o estresse hdrico, pode levar a danos fotoinibitrios no fotossistema II (FS II), embora sugerindo que o transporte de eltrons , relativamente, pouco afetado em condies de baixo potencial hdrico. H possibilidade de que o fechamento estomatal desuniforme tenha sido a causa da diminuio da capacidade fotossinttica do mesfilo, que consta em alguns registros. 4.3.4 Consideraes entre Fotossntese e respirao A atividade respiratria e a capacidade fotossinttica so variveis para cada espcie vegetal. O comportamento dos valores de trocas gasosas alteram-se durante o ciclo de desenvolvimento das plantas. Fotossntese e desenvolvimento (Larcher, 2004): Durante a fase inicial de crescimento do vegetal a FSS assume valores baixos, pois no possvel nesse perodo um nvel de respirao muito intensa para a construo de novos tecidos. As folhas que esto em expanso interceptam menor quantidade de radiao e alm disso, seu aparato fotossinttico no est completamente formado. As folhagens jovens, mas completamente diferenciadas possuem a mais alta capacidade fotossinttica, a qual vai decrescendo com o aumento da idade. Prximo da senescncia completa a fotossntese atinge valores nulos devido a degradao da clorofila e a degenerao dos cloroplastos. Durante a florao e frutificao de plantas cultivadas observado um aumento da capacidade fotossinttica. Se os frutos so removidos a capacidade fotossinttica diminui. Isso ocorre, porque grande parte dos carboidratos so desviados para os frutos. Semelhante controle sobre o trabalho assimilatrio da planta como um todo realizado pelos hormnios vegetais. 4.3.5 Fotossntese em resposta as condies de radiao na comunidade vegetal (Larcher, 2004)


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No decorrer do dia a planta submetida a deferentes intensidades de radiao e diferentes ngulos de incidncia. Os estratos foliares contribuem de forma bem diferenciada em relao a fotossntese total associada a comunidade vegetal. Nas comunidades de gramneas com a maioria das folhas eretas a maior capacidade fotossinttica ocorre nas folhas medianas, em que grande parte da radiao penetrante absorvida. Nas florestas somente as folhas situadas mais externamente so saturadas. Mais externamente a fotossntese diminui conforme a disponibilidade de radiao decresce. Neste cenrio, as folhas adaptadas a sombra exercem funo compensatria importante, pois aproveitam melhor a fraca luminosidade em relao as folhas adaptadas. As folhas de sombra realizam um modesto trabalho fotossinttico, mas como esto menos expostas ao ar seco, ao calor intenso e ao vento, sua contribuio pode suprir a demanda energtica bsica da planta em condies climticas flutuantes. 4.3.6 Fotossntese ao longo do dia Observa-se que a fotossntese aumenta no incio do dia at prximo as 10 horas onde comea decrescer, onde ocorre o fenmeno chamado de depresso da fotossntese lquida prxima ao meio dia. Nesse perodo devido a forte radiao solar, forte calor, alta demanda evaporativa do ar os estmatos tendem a fechar, a Ci aumenta indicando um decrscimo na atividade fotossinttica e a eficincia fotoqumica do FSII decresce. Freqentemente o potencial hdrico da folha tambm diminui. Desta forma, esse processo o resultado da interao de muitos estresses, como forte radiao (fotoinibio), balano hdrico negativo (estresse hdrico), estresse trmico e em alguns casos um provvel retardamento no transporte de assimilados da folha. Outro ponto importante o fato que nesse horrio a respirao maior que a FSS sendo assim ocorre uma acidificao do citoplasma, pois a enzimas da FSS so mais afetadas, assim o CO2 que fica no meio diminui o pH. Com o decrscimo do pH o ABA torna-se protonado e consegue ultrapassar as membranas do cloroplasto e assim se ligar aos receptores das clulas guardas, iniciando o processo de fechamento estomtico. 5.2 Respirao celular de plantas 5.2.1 Resumo A via respiratria em plantas serve como um processo catablito de oxidao de aucares preferencialmente para produzir energia celular na forma de ATP. No entanto sabese que a respirao tambm funciona como uma rota anablica que participa na produo de diversos componentes celulares. A respirao um processo comum em todos e Eucariontes e similar entre plantas e animais, porm temos alguns aspectos a distinguir. Em animais oProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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substrato utilizado na respirao o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca, por ser o principal acar de translocao no floema. A respirao aerbica um processo biolgico no qual compostos orgnicos reduzidos so mobilizados e conseqentemente oxidados de uma forma controlada. Durante a respirao a energia livre incorporada na forma de ATP (adenosina trifosfato) e cofatores orgnicos, como o NADH e FADH (Nicotinamida adenina dinucleotdeo e flavina adenina dinucleotdeo, respectivamente). Durante a respirao ocorre a oxidao da sacarose em piruvato no citoplasma, liberando ATP a nvel de subtrato e NADH. O piruvato transpotado para a mitocndria onde entra co ciclo de Krebs sendo totalmnete oxidado a CO2, ATP, NADH e FADH2, estes ltimo vo ser utilizados na cadeia transportadora de eltrons para gerar um gradiente eletroqumico e assim formar a ATP (fosforilao oxidativa), sendo os eltrons finais destinados ao O2. A respirao tambm acoplada a outras vias. A gliclise e ciclo de Krebs so centros de produo de metablitos de plantas, incluindo Aa, lipdeos, isoprenides, porfirinas e diversos hormnios. Este um dos motivos do porque uma molcula de sacarose no transformada diretamente em CO2 e H2O, pois os intermedirios dessas rotas so importantes esqueletos carbnicos envolvidos em diversas vias de biossntese, incluindo a produo de metablitos secundrios. A atividade respiratria medida em plantas em condies de luz varia de 25-100% da atividade respiratrio no escuro. Gans e Reibelli (1987) citam que a inibio da respirao mitocondrial na luz um assunto bastante discutido. Os nveis de nucleotdeos pirimdicos (NAD(H), NADP(H)) e nucleotdeos adenina (ADP e ATP) So os principais intermedirios na interao entre FS e respirao. Durante a transio do escuro para a luz o nvel de NADPH aumenta enquanto de NADH diminui e o nvel de ADP extremamente baixo. Isso mostra que existe uma competio entre a fotofosfolio oxidativa (cloroplasto) e a fosforilao oxidativa (mitocndria), sendo a possvel causa da diminuio da atividade do ciclo de Krebs em tecidos fotossintticos. 5.2.2 Introduo A respirao um processo comum em todos e Eucariontes e similar entre plantas e animais, porm temos alguns aspectos a distinguir. Em animais o substrato utilizado na respirao o amido, enquanto que nas plantas a sacarose se destaca, por ser o principal acar de translocao no floema (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). A respirao aerbica um processo biolgico no qual compostos orgnicos reduzidos so mobilizados e conseqentemente oxidados de uma forma controlada (Figura 40). DuranteProf. Dr Evandro Binotto Fagan. Apostila didtica

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

Figura 40. Gasto energtico no processo respiratrio. (BUCHANAN, 2000). A equao da respirao o reverso da fotossntese e representa uma reao de reduo, onde a sacarose oxidada completamente a CO2 e H2O. A reao libera 686 Kcal mol-1 (180g) de glicose oxidada (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). O substrato preferencial da respirao so os carboidratos, entre eles a sacarose (12c), frutose, amido (acar de reserva). Devido a sacarose ser o principal acar transportado pelo floema e pela sua alta concentrao (0,3M). Outros compostos como lipdeos, cidos orgnicos e protenas tambm podem ser oxidados. Para prevenir a oxidao de estruturas celulares, a clula oxida aucares que possuem grande quantidade de energia livre. Sendo assim a respirao celular dividida em trs fases, gliclise, ciclo de Krebs, Cadeia transportadora de eltrons e em alguns casos a fermentao (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). 5.2.3 Gliclise uma srie de reaes realizadas por um grupo de enzimas solvel no citosol. Em parte a glicose oxidada para produzir 2 molcula de piruvato (3C) gerando 4 mol de ATP, entretanto gasto 4 mol de ATP, que serve como uma forma de preparao ou ajuste da molcula pra ser oxidada (Figura 41). Na gliclise no necessrio a presena de oxignio, portanto esse processo pode-se tornar um mecanismo primrio de produo de energia em tecidos de plantas quando o nvel de O2 baixo (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004).


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Na gliclise existem varias enzimas envolvidas e que so importantes no metabolismo das plantas. No incio da gliclise a enzima invertase transforma a sacarose em frutose e glicose e assim inicia o processo de oxidao. A invertase uma enzima que se encontra na parede celular. Existem fortes evidncias que sua ativao influenciada pela citocinina e que sua atividade determina a atividade fonte dreno das plantas, especialmente no perodo de enchimento de gros. Passo 2, a glicose e a frutose as quais recebem 1 P pela ao de uma hexoquinase. A glicose 1P pode entrar nessa rota por meio de amido acumulados nos amiloplastos (Amido em glicose). Passo 3: glicose isomerada a frutose (hexofosfatoisomerase). Posteriormente (passo 4) a frutose 1 P 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 neoglicognese. Passo (5): a frutose 1,6P transformada em gliceraldedo P e Dihidroxiacetona P (DHP) por uma aldolase, sendo um processo reversvel. A DHP isomerada a Gliceraldedo 3P e segue uma rota de oxidao, primeiro oxidada (sa 1H+) a 1,3 fosfoglicerato, nesse passo a liberao de energia suficiente para formar 1NADH e a fosforizao usando 1P inorgnico. Essas trioses fosfatos tambm podem ser fornecidos por plastdeos, como o caso do cloroplasto. O 1,3 fosfoglicerato oxidado a 3 fosfoglicerato (Glicerato 1,3 P quinase), onde a energia liberada usada para produo de uma mol de ATP. No passo seguinte o 3P glicerato tranformado em em 2P glicerato atravs de uma enzima mutase. A 2P glicerato transformada em fosfoenolpiruvato (PEP), atravs de uma reao de desidrogenao realizada por uma enzima enolase. E por fim a PEP transformada em piruvato (piruvatoquinase), sendo esta e a reao anterior reversveis. O piruvato em condies aerbica segue para a mitocndria, enquanto que em dficit de O2 e segue a rota fermentativa onde atravs da liberao de CO2 e pela oxidao de uma mol de NADH forma lcool ou em acetoaldedo e posterior em etanol (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004) (Figura 41).


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Figura 41. Processo de gliclise e fermentao 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 especfica, a mitocndria. Esta


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organela varia de 0,5 a 1um de dimetro a 3um de comprimento, podendo ser alongada ou arredondada. O nmero de mitocndrias varia com o tipo de atividade do tecido. A mitocndria possue duas membranas, uma lisa e a outra interna, altamente invaginada. A membrana extrena apresenta poros, sendo altamente permevel. J membrana interna altamente seletiva e rica em protenas (em torno de 70%), esta constituio causa impermeabilidade ao H+. Essa membrana apresenta fosfolipdeos especiais (cardiolipina) que conferem alta seletividade a membrana (BUCHANAM, 2001; TAIZ; ZEIGER, 2004). O ciclo de Krebs representa o segundo estgio da respirao e ocorre na matrix mitocondrial. Essa operao necessita de um transportador de piruvato (protena transportadora piruvato transporter) que cataliza um processo de ajuste eletroneutro na clula. Isto quando entra um piruvato a protena libera uma oxidrila (OH) para o citosol, mantendo o equilbrio de cargas. Na matrix mitocndrial o piruvato oxidado (forma ATP), descarboxilado (libera CO2) e conjugado (ligao de uma Coa, que serve como um arranjo molecular para oxidao) sendo tranformado em Acetil Coa (composto chave principalmente na formao de lipdios, giberelinas, ABA, carotenides, etc). A partir desse momento o ciclo de Krebs iniciado, o Acetil Coa ligado ao oxalacetato formando o citrato (6C) a qual isomerada a isocitrato (6C). O isocitrato (6C) sofre uma oxidao formando o alfa ceto glutarato (5C), formando 1 NADH e liberando 1 CO2 (composto chave em rotas de biossntesse de aminocidos e outros compostos). O Alfa ceto glutarato transformado em succinil Coa (4C) formando mais 1 NADH. O succinil Coa oxidado a Succinato onde a energia liberada conservada em ligaes fosfatos (ATP). O succinato ento transformado em Fumarato formando 1 FADH2 epal enzima sucinato desidrogenase a qual est ligada a membrana mitocondrial e tem funo de oxidar o FADH2 na cadeia transportadora de eltrons, seguindo o ciclo o Fumarato transformado em Malato e este em oxalacetato, liberando 1 NADH (Figura 42).


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Figura 42. Reaes do Ciclo de Krebs, tambm denominado do ciclo do cido ctrico. (ALBERTS, 2004). 5.2.5 Cadeia transportadora de eltrons A energia armazenada no NADH e FADH convertida em ATP no ciclo de Krebs. Esse processo depende de O2 e ocorre na membrana interna da mitocndria. O processo de transferncia de eltrons ocorre em complexos proticos. A cadeia de transporte de eltrons organizado dentro de uma srie de 4 complexos multiprotecos (I - IV) e o V, onde encontrase a ATPase. Os eltrons provenientes do NADH se ligam ao complexo protico I (NADH desidrogenase). Os eltrons do NADH gerados na matrix mitocondrial durante o ciclo de Krebs so oxidados pelo complexo I (NADH desidr

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