Energetização Celular

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 3.1.A: Explicar como as enzimas afetam a taxa de reações biológicas.

• 3.1.A.1 A estrutura e a função das enzimas contribuem para a regulação de processos biológicos. As enzimas são proteínas que atuam como catalisadores biológicos, facilitando reações químicas nas células ao reduzir a energia de ativação.
• 3.1.A.2 Para que ocorra uma reação química mediada por enzima, a forma e a carga do substrato devem ser compatíveis com o sítio ativo da enzima. Isso é ilustrado pelo modelo do complexo enzima-substrato.

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 3.2.A: Explicar como mudanças na estrutura de uma enzima podem afetar sua função.

• 3.2.A.1 Mudanças na estrutura molecular de um componente de um sistema enzimático podem resultar em alterações em sua função ou eficiência.
  • i. A desnaturação de proteínas, como enzimas, ocorre quando a estrutura proteica é perturbada por uma mudança na temperatura, pH ou ambiente químico, eliminando a capacidade de catalisar reações.
  • ii. Temperaturas ambientais e pH fora da faixa ideal para uma dada enzima causarão alterações em sua estrutura (por disruption de ligações de hidrogênio), alterando a eficiência com que ela catalisa reações.
• 3.2.A.2 Em alguns casos, a desnaturação enzimática é reversível, permitindo que a enzima recupere sua atividade.

Objetivo de Aprendizagem 3.2.B: Explicar como o ambiente celular afeta a atividade enzimática.

• 3.2.B.1 As concentrações relativas de substratos e produtos determinam quão eficientemente uma reação enzimática prossegue.

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 3.3.A: Descrever o papel da energia nos seres vivos.

• 3.3.A.1 Todos os sistemas vivos requerem um aporte de energia.
• 3.3.A.2 A vida requer um sistema altamente ordenado e não viola a primeira e a segunda leis da termodinâmica.
  • i. O aporte de energia deve exceder a perda de energia para manter a ordem e impulsionar processos celulares.
  • ii. Processos celulares que liberam energia podem ser acoplados a processos celulares que requerem energia.
  • iii. Perda significativa de ordem ou fluxo de energia resulta em morte.
  • Declaração de exclusão: Os alunos precisarão compreender o conceito de energia, mas a equação para a energia livre de Gibbs está além do escopo do Exame AP.
• 3.3.A.3 Vias relacionadas à energia em sistemas biológicos são sequenciais para permitir uma transferência mais controlada de energia. Um produto de uma reação em uma via metabólica é tipicamente o reagente para a etapa subsequente na via.

Objetivo de Aprendizagem 3.3.B: Explicar como processos e características compartilhados, conservados e fundamentais apoiam o conceito de ancestralidade comum para todos os organismos.

• 3.3.B.1 Vias metabólicas centrais (ex.: glicólise, fosforilação oxidativa) são conservadas em todos os domínios atualmente reconhecidos (Arqueia, Bactéria e Eukarya).

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 3.4.A: Descrever os processos fotossintéticos e as características estruturais do cloroplasto que permitem aos organismos capturar e armazenar energia.

• 3.4.A.1 A fotossíntese é a série de reações que usa dióxido de carbono $(\mathrm{CO_2})$, água $(\mathrm{H_2O})$ e energia luminosa para produzir carboidratos e oxigênio $(\mathrm{O_2})$.
  • i. Organismos fotossintéticos capturam energia do sol e produzem açúcares que podem ser usados em processos biológicos ou armazenados.
  • ii. A fotossíntese evoluiu primeiramente em organismos procariotos.
  • iii. Evidências científicas apoiam a afirmação de que a fotossíntese procariótica (cianobacteriana) foi responsável pela produção de uma atmosfera oxigenada.
  • iv. Vias fotossintéticas procarióticas foram a base da fotossíntese eucariótica.
  • Declaração de exclusão: A memorização das etapas do ciclo de Calvin, a estrutura das moléculas e os nomes das enzimas envolvidas, com exceção da ATP sintase, está além do escopo do Exame AP.
• 3.4.A.2 Estroma e tilacoides são encontrados dentro do cloroplasto.
  • i. O estroma é o fluido dentro da membrana interna do cloroplasto e fora dos tilacoides. As reações de fixação de carbono (ciclo de Calvin) da fotossíntese ocorrem no estroma.
  • ii. As membranas dos tilacoides contêm pigmentos clorofilais organizados em dois fotossistemas, bem como proteínas de transporte de elétrons.
  • iii. Os tilacoides estão organizados em pilhas chamadas grana. As reações luminosas da fotossíntese ocorrem nas grana.
• 3.4.A.3 As reações luminosas da fotossíntese em eucariotos envolvem uma série de vias de reações coordenadas que capturam a energia presente na luz para gerar ATP e NADPH, que impulsionam a produção de moléculas orgânicas no ciclo de Calvin. Isso fornece energia para processos metabólicos.

Objetivo de Aprendizagem 3.4.B: Explicar como as células capturam energia da luz e a transferem para moléculas biológicas para armazenamento e uso.

• 3.4.B.1 Reações da cadeia de transporte de elétrons (CTE) ocorrem em cloroplastos, em mitocôndrias e através de membranas plasmáticas procarióticas. Na fotossíntese, elétrons que passam pela membrana do tilacoide são capturados e finalmente transferidos para $\mathrm{NADP^+}$, reduzindo-o a NADPH no fotossistema I.
  • Declaração de exclusão: Os nomes completos dos transportadores de elétrons específicos na cadeia de transporte de elétrons estão além do escopo do Exame AP.
  • Declaração de exclusão: Etapas específicas, nomes de enzimas e intermediários das vias para esses processos estão além do escopo deste curso e do Exame AP.
• 3.4.B.2 Durante a fotossíntese, as clorofilas absorvem energia da luz, elevando elétrons a um nível de energia mais alto nos fotossistemas I e II. A água então se divide, fornecendo elétrons para substituir aqueles perdidos no fotossistema II.
• 3.4.B.3 Os fotossistemas I e II estão embutidos nas membranas dos tilacoides dos cloroplastos e estão conectados pela transferência de elétrons através de uma CTE.
• 3.4.B.4 Quando elétrons são transferidos entre moléculas em uma série de reações de oxirredução enquanto passam pela CTE, um gradiente eletroquímico de prótons (íons de hidrogênio) é estabelecido através da membrana do tilacoide. A membrana separa uma região de baixa concentração de prótons fora da membrana do tilacoide de uma região de alta concentração de prótons dentro da membrana do tilacoide.
• 3.4.B.5 A formação do gradiente de prótons está ligada à síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico via ATP sintase. O fluxo de prótons de volta através da ATP sintase ligada à membrana por quimiosmose impulsiona a formação de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico; isso é conhecido como fotofosforilação.
• 3.4.B.6 A energia capturada nas reações luminosas e transferida para ATP e NADPH impulsiona a produção de carboidratos a partir de dióxido de carbono no ciclo de Calvin. Isso ocorre no estroma do cloroplasto.

Grande Ideia 2 — Energetica: Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 3.5.A: Descrever os processos e as características estruturais das mitocôndrias que permitem aos organismos usar a energia armazenada em macromoléculas biológicas.

• 3.5.A.1 A respiração celular usa energia de macromoléculas biológicas para sintetizar ATP. A respiração e a fermentação são características de todas as formas de vida.
• 3.5.A.2 A respiração celular aeróbica em eucariotos envolve uma série de reações catalisadas por enzimas coordenadas que capturam energia de macromoléculas biológicas.
• 3.5.A.3 A CTE transfere elétrons em uma série de reações de oxirredução que estabelecem um gradiente eletroquímico através das membranas.
  • i. Na respiração celular, elétrons entregues por NADH e $\mathrm{FADH_2}$ são passados para uma série de aceptores de elétrons à medida que se movem em direção ao aceptor terminal de elétrons, o oxigênio. Procariotos aeróbios usam oxigênio como aceptor terminal de elétrons, enquanto procariotos anaeróbios usam outras moléculas.
  • ii. A transferência de elétrons, através da CTE, é acompanhada pela formação de um gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna, com a(s) membrana(s) separando uma região de alta concentração de prótons fora da membrana de uma região de baixa concentração de prótons dentro da membrana. O dobramento da membrana interna aumenta a área de superfície, o que permite que mais ATP seja sintetizado. Em procariotos, a passagem de elétrons é acompanhada pelo movimento de prótons através da membrana plasmática.
  • iii. O fluxo de prótons de volta através da ATP sintase ligada à membrana por quimiosmose impulsiona a formação de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Isso é conhecido como fosforilação oxidativa na respiração celular aeróbica.
  • iv. Na respiração celular aeróbica, o desacoplamento da fosforilação oxidativa do transporte de elétrons gera calor. Esse calor pode ser utilizado por organismos endotérmicos para regular a temperatura corporal.
  • Declaração de exclusão: Os nomes completos dos transportadores de elétrons específicos na cadeia de transporte de elétrons estão além do escopo do Exame AP.
  • Declaração de exclusão: Etapas específicas, nomes de enzimas e intermediários das vias para esses processos estão além do escopo deste curso e do Exame AP.

Objetivo de Aprendizagem 3.5.B: Explicar como as células obtêm energia de macromoléculas biológicas para impulsionar funções celulares.

• 3.5.B.1 A glicólise é uma via bioquímica que libera a energia nas moléculas de glicose para formar ATP (de ADP e fosfato inorgânico), NADH (de $\mathrm{NAD^+}$) e piruvato.
• 3.5.B.2 O piruvato é transportado do citosol para a mitocôndria, onde ocorre a oxidação. Esse processo libera elétrons durante o ciclo de Krebs (cíclico dos ácidos), reduzindo $\mathrm{NAD^+}$ a NADH e FAD a $\mathrm{FADH_2}$, e liberando $\mathrm{CO_2}$.
• 3.5.B.3 O ciclo de Krebs ocorre na matriz mitocondrial. Durante o ciclo de Krebs, dióxido de carbono é liberado de intermediários orgânicos, ATP é sintetizado a partir de ADP e fosfato inorgânico, e elétrons são transferidos pelas coenzimas $\mathrm{NAD^+}$ e FAD.
• 3.5.B.4 Elétrons extraídos nas reações da glicólise e do ciclo de Krebs são transferidos pelo NADH e $\mathrm{FADH_2}$ para a CTE na membrana interna da mitocôndria.
• 3.5.B.5 Quando os elétrons são transferidos entre moléculas em uma sequência de reações à medida que passam pela CTE, um gradiente eletroquímico de prótons (íons de hidrogênio) é estabelecido através da membrana interna da mitocôndria. O pH dentro da matriz mitocondrial é mais alto do que no espaço intermembranal.
• 3.5.B.6 A fermentação permite que a glicólise prossiga na ausência de oxigênio e produz moléculas orgânicas como álcool e ácido lático.
  • Declaração de exclusão: A memorização das etapas da glicólise e do ciclo de Krebs, bem como das estruturas das moléculas e dos nomes das enzimas envolvidas, está fora do escopo deste curso e do Exame AP.