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8.15: Elétrons e Energia - Biologia


Vamos imaginar que você é uma célula. Como você pode fazer isso? Qual é a melhor maneira de você extrair o máximo de energia possível dessa molécula de glicose e capturar essa energia de uma forma prática?

Felizmente para nós, nossas células - e as de outros organismos vivos - são excelentes para coletar energia da glicose e de outras moléculas orgânicas, como gorduras e aminoácidos. Aqui, vamos passar por uma visão geral rápida de como as células decompõem os combustíveis e, em seguida, olhar para as reações de transferência de elétrons (reações redox) que são essenciais para este processo.

Visão geral das vias de decomposição de combustível

As reações que permitem que a energia seja extraída de moléculas como glicose, gorduras e aminoácidos são chamadas reações catabólicas, o que significa que eles envolvem quebrar uma molécula maior em pedaços menores. Por exemplo, quando a glicose é quebrada na presença de oxigênio, ela é convertida em seis moléculas de dióxido de carbono e seis moléculas de água. A reação geral para este processo pode ser escrita como:

Essa reação, como está escrita, é simplesmente uma reação de combustão, semelhante ao que ocorre quando você queima um pedaço de madeira em uma lareira ou a gasolina em um motor. Isso significa que a glicose está continuamente em combustão dentro de suas células? Felizmente, não exatamente! A reação de combustão descreve o processo geral que ocorre, mas dentro de uma célula, esse processo é dividido em muitas etapas menores. A energia contida nas ligações da glicose é liberada em pequenas explosões e parte dela pode ser capturada na forma de trifosfato de adenosina (ATP), uma pequena molécula usada para potencializar reações na célula. Grande parte da energia da glicose ainda é perdida na forma de calor, mas o suficiente é capturado para manter o metabolismo da célula funcionando.

Conforme uma molécula de glicose é gradualmente quebrada, algumas das etapas de decomposição liberam energia que é capturada diretamente como ATP. Nessas etapas, um grupo fosfato é transferido de um intermediário da via direto para o ADP, um processo conhecido como fosforilação em nível de substrato. Muitas outras etapas, no entanto, produzem ATP de forma indireta. Nessas etapas, os elétrons da glicose são transferidos para pequenas moléculas conhecidas como transportadoras de elétrons. Os transportadores de elétrons levam os elétrons a um grupo de proteínas na membrana interna da mitocôndria, chamada de cadeia de transporte de elétrons. Conforme os elétrons se movem através da cadeia de transporte de elétrons, eles vão de um nível de energia mais alto para um mais baixo e, por fim, são passados ​​para o oxigênio (formando água). A energia liberada na cadeia de transporte de elétrons é capturada como um gradiente de prótons, que alimenta a produção de ATP por uma proteína de membrana chamada ATP sintase. Este processo é conhecido como fosforilação oxidativa. Um diagrama simplificado de fosforilação oxidativa e em nível de substrato é mostrado abaixo.

Imagem modificada de “Etc4” por Fvasconcellos (domínio público).

Quando combustíveis orgânicos como a glicose são decompostos usando uma cadeia de transporte de elétrons que termina com oxigênio, o processo de decomposição é conhecido como respiração aeróbica (aeróbico = requer oxigênio). A maioria das células eucarióticas, assim como muitas bactérias e outros procariotos, podem realizar respiração aeróbica. Alguns procariotos têm vias semelhantes à respiração aeróbia, mas com uma molécula inorgânica diferente, como o enxofre, no lugar do oxigênio. Essas vias não são dependentes de oxigênio, então o processo de degradação é chamado respiração anaeróbica (anaeróbico = sem necessidade de oxigênio). Oficialmente, ambos os processos são exemplos de respiração celular, a quebra de combustíveis orgânicos usando uma cadeia de transporte de elétrons. No entanto, a respiração celular é comumente usada como sinônimo de respiração aeróbica, e vamos usá-la dessa forma aqui[1].

Reações Redox

A respiração celular envolve muitas reações nas quais os elétrons são passados ​​de uma molécula para outra. As reações que envolvem transferências de elétrons são conhecidas como reações de oxidação-redução (ou reações redox) e desempenham um papel central no metabolismo de uma célula. Em uma reação redox, uma das moléculas reagentes perde elétrons e é considerada oxidado, enquanto outra molécula reagente ganha elétrons (aqueles perdidos pela primeira molécula) e é considerada reduzido. Você pode se lembrar o que a oxidação e a redução significam com o prático mnemônico "LEO vai GER": euose Eelétrons, Oxidized; Gain Eletrons,Reducado. A formação de cloreto de magnésio é um exemplo simples de uma reação redox:

Nesta reação, o átomo de magnésio perde dois elétrons, por isso é oxidado. Esses dois elétrons são aceitos pelo cloro, que é reduzido. O átomo ou molécula que doa elétrons (neste caso, magnésio) é chamado de agente redutor, porque sua doação de elétrons permite que outra molécula seja reduzida. O átomo ou molécula que aceita os elétrons (neste caso, cloro) é conhecido como o agente oxidante, porque sua aceitação de elétrons permite que a outra molécula se oxide.

Reações redox com moléculas contendo carbono

Quando uma reação envolve a formação de íons, como no exemplo com magnésio e cloro acima, é relativamente fácil ver que os elétrons estão sendo transferidos. No entanto, nem todas as reações redox envolvem a transferência completa de elétrons, e isso é particularmente verdadeiro para reações importantes no metabolismo celular. Em vez disso, algumas reações redox simplesmente mudam a quantidade de densidade de elétrons em um átomo particular, alterando como ele compartilha elétrons em ligações covalentes. Como exemplo, vamos considerar a combustão do butano:

Butano: [latex] 2 text {C} _4 text {H} _ {10} +13 text {O} _2 to8 text {CO} _2 + 10 text {H} _2 text {O} [/látex]

Qual é a situação de compartilhamento de elétrons no início da reação? No butano, os átomos de carbono estão todos ligados a outros carbonos e hidrogênios. No ligações, os elétrons são compartilhados igualmente, e em títulos, o átomo tem uma carga negativa muito leve (uma vez que é um pouco mais eletronegativo do que o hidrogênio). Da mesma forma, quando os oxigênios estão ligados uns aos outros em , start subscript, 2, end subscript, os elétrons são compartilhados igualmente. Após a reação, no entanto, a imagem do compartilhamento de elétrons parece bem diferente. O oxigênio é muito mais eletronegativo do que o carbono, então o ligações de dióxido de carbono, o oxigênio irá “monopolizar” os elétrons de ligação. No ligações de água, o oxigênio puxará similarmente os elétrons para longe dos átomos de hidrogênio. Assim, em relação ao seu estado antes da reação, o carbono perdeu densidade de elétrons (porque o oxigênio agora está monopolizando seus elétrons), enquanto o oxigênio ganhou densidade de elétrons (porque agora pode monopolizar elétrons compartilhados com outros elementos). Portanto, é razoável dizer que o carbono foi oxidado durante esta reação, enquanto o oxigênio foi reduzido. (O hidrogênio sem dúvida perde um pouco de densidade de elétrons também, embora seus elétrons estivessem sendo monopolizados em algum grau em ambos os casos.) Os biólogos costumam se referir a moléculas inteiras, em vez de átomos individuais, como sendo reduzidas ou oxidadas; assim, podemos dizer que o butano - a fonte dos carbonos - é oxidado, enquanto o oxigênio molecular - a fonte dos átomos de oxigênio - é reduzido.

É importante entender que as reações de oxidação e redução são fundamentalmente sobre a transferência de elétrons. No contexto da biologia, entretanto, você pode achar útil usar o ganho ou a perda de átomos de H e O como um proxy para a transferência de elétrons. Como regra geral, se uma molécula contendo carbono ganha átomos de H ou perde átomos de O durante uma reação, é provável que tenha sido reduzido (elétrons ganhos). Por outro lado, se ele perder átomos de H ou ganhar átomos de O, provavelmente foi oxidado (elétrons perdidos). Por exemplo, vamos voltar à reação para a quebra da glicose,. Na glicose, o carbono está associado aos átomos de H, enquanto no dióxido de carbono, nenhum Hs está presente. Assim, poderíamos prever que a glicose é oxidada nesta reação.

Podemos confirmar isso se olharmos para os deslocamentos de elétrons reais envolvidos, como no vídeo abaixo:

Um elemento do YouTube foi excluído desta versão do texto. Você pode visualizá-lo online aqui: pb.libretexts.org/biom1/?p=242

Energia em reações redox

Clique na imagem para ampliá-la. Imagem baseada em diagrama semelhante de Ryan Gutierrez.

Como outras reações químicas, as reações redox envolvem uma mudança de energia livre. As reações que movem o sistema de um estado de energia superior para um inferior são espontâneas e liberam energia, enquanto aquelas que fazem o oposto requerem uma entrada de energia. Nas reações redox, a energia é liberada quando um elétron perde energia potencial como resultado da transferência. Os elétrons têm mais energia potencial quando estão associados a menos átomos eletronegativos (como C ou H), e menos energia potencial quando estão associados a um átomo mais eletronegativo (como O). Assim, uma reação redox que move os elétrons ou a densidade do elétron de um átomo menos para um mais eletronegativo será espontânea e liberará energia. Por exemplo, a combustão do butano (acima) libera energia porque há um deslocamento líquido da densidade do elétron do carbono e do hidrogênio para o oxigênio. Se você já ouviu falar que moléculas como a glicose têm elétrons de "alta energia", isso é uma referência à energia potencial relativamente alta dos elétrons em seus e títulos.

Muita energia pode ser liberada quando os elétrons em e as ligações são transferidas para o oxigênio. Em uma célula, no entanto, não é uma boa ideia liberar toda essa energia de uma vez em uma reação de combustão. Em vez disso, as células coletam energia da glicose de maneira controlada, capturando o máximo possível na forma de ATP. Isso é realizado pela oxidação da glicose de maneira gradual, em vez de explosiva. Existem duas maneiras importantes em que essa oxidação é gradual:

  • Em vez de retirar todos os elétrons da glicose ao mesmo tempo, a respiração celular os retira aos pares. As reações redox que removem os pares de elétrons da glicose os transferem para pequenas moléculas chamadas transportadoras de elétrons.
  • Os portadores de elétrons depositam seus elétrons na cadeia de transporte de elétrons, uma série de proteínas e moléculas orgânicas na membrana mitocondrial interna. Os elétrons são passados ​​de um componente para o próximo em uma série de etapas de liberação de energia, permitindo que a energia seja capturada na forma de um gradiente eletroquímico.

Veremos os portadores redox e a cadeia de transporte de elétrons com mais detalhes abaixo.

A remoção de um elétron de uma molécula, oxidando-a, resulta em uma diminuição da energia potencial do composto oxidado. O elétron (às vezes como parte de um átomo de hidrogênio), não permanece desvinculado, no entanto, no citoplasma de uma célula. Em vez disso, o elétron é deslocado para um segundo composto, reduzindo o segundo composto. A mudança de um elétron de um composto para outro remove alguma energia potencial do primeiro composto (o composto oxidado) e aumenta a energia potencial do segundo composto (o composto reduzido). A transferência de elétrons entre as moléculas é importante porque a maior parte da energia armazenada nos átomos e usada para as funções das células de combustível está na forma de elétrons de alta energia. A transferência de energia na forma de elétrons permite que a célula transfira e use energia de forma incremental - em pequenos pacotes, em vez de em uma única explosão destrutiva. Este módulo enfoca a extração de energia dos alimentos; você verá que, à medida que rastreia o caminho das transferências, você está rastreando o caminho dos elétrons que se movem pelas vias metabólicas.

Portadores de elétrons

Os portadores de elétrons, às vezes chamados de lançadores de elétrons, são pequenas moléculas orgânicas que circulam prontamente entre as formas oxidada e reduzida e são usadas para transportar elétrons durante as reações metabólicas. Existem dois transportadores de elétrons que desempenham papéis particularmente importantes durante a respiração celular: NAD+ (dinucleotídeo de nicotinamida adenina, mostrado abaixo) e MANIA (dinucleotídeo flavina adenina). Ambos NAD+ e FAD pode servir como agentes oxidantes, aceitando um par de elétrons, junto com um ou mais prótons, para mudar para suas formas reduzidas. NAD+ aceita dois elétrons e um H+ para se tornar NADH, enquanto FAD aceita dois elétrons e dois H+ para se tornar FADH2. NAD+ é o principal transportador de elétrons usado durante a respiração celular, com o FAD participando de apenas uma (ou duas, às vezes duas) reações.

A forma oxidada do portador de elétrons (NAD+) é mostrado à esquerda e a forma reduzida (NADH) é mostrada à direita. A base nitrogenada no NADH tem um íon de hidrogênio a mais e dois elétrons a mais do que no NAD+.

Conforme mostrado na imagem acima, NAD+ é uma pequena molécula orgânica cuja estrutura inclui o RNA nucleotídeo adenina. (FAD é um tipo semelhante de molécula, embora seus grupos funcionais sejam diferentes.) Ambas as moléculas são derivados da vitamina B, com NAD+ produzido a partir de niacina e FAD produzido a partir de riboflavina. NAD+ e FAD são coenzimas, moléculas orgânicas que servem como auxiliares durante as reações catalisadas por enzimas e recebem elétrons e prótons como parte dessas reações. Especificamente, ambos NAD+ e FAD servem como cofatores para enzimas chamadas desidrogenases, que removem um ou mais átomos de hidrogênio de seus substratos.

Cadeia de transporte de elétrons

Em suas formas reduzidas, NADH e FADH2 carregam elétrons para a cadeia de transporte de elétrons na membrana mitocondrial interna. Eles depositam seus elétrons no início da cadeia de transporte ou próximo a ela, e os elétrons são então passados ​​de uma proteína ou molécula orgânica para a próxima em uma série previsível de etapas. É importante ressaltar que o movimento dos elétrons através da cadeia de transporte é energeticamente “descendente”, de modo que a energia é liberada a cada etapa. Em termos de redox, isso significa que cada membro da cadeia de transporte de elétrons é mais eletronegativo (com fome de elétrons) que o anterior e menos eletronegativo do que o posterior[2]. NAD+, que deposita seus elétrons no início da cadeia como NADH, é o menos eletronegativo, enquanto o oxigênio, que recebe os elétrons no final da cadeia (junto com H+) para formar água, é o mais eletronegativo. À medida que os elétrons escorrem “morro abaixo” através da cadeia de transporte, eles liberam energia, e parte dessa energia é capturada na forma de um gradiente eletroquímico e usada para produzir ATP.



Energia Eletrônica

A espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) é um método padrão para análise elementar em TEM ou STEM, apresentando uma resolução espectral muito boa de menos de 1eV. Em SEM, no entanto, o método padrão para análise elementar é a espectroscopia EDX. Sua resolução de energia de cerca de 100eV é claramente inferior. Portanto, um acessório EELS para SEM padrão no modo de transmissão é uma alternativa promissora ao EDX. Luo, Kursheed e colegas de trabalho desenvolveram um acessório EELS miniaturizado que se encaixa em um SEM padrão e funciona tanto na transmissão quanto no modo BSE (Khursheed et al., 2003 Luo e Khursheed, 2006, 2008). O instrumento é corrigido de segunda ordem para aberração esférica e tem uma resolução espectral de cerca de 4 eV. Como demonstração, o espectro K-edge de um filme de carbono amorfo foi registrado.


8.15: Elétrons e Energia - Biologia

É comum pensar que Albert Einstein ganhou o Prêmio Nobel de 1922 por seu trabalho sobre a relatividade. Não é verdade. O prêmio de Einstein foi por sua explicação anterior de 1905 sobre o efeito fotoelétrico, fenômeno posteriormente incorporado em dispositivos como olhos elétricos, medidores de luz e, antes dos digitais, leitores de trilhas sonoras de filmes. Hoje, o efeito fotoelétrico é aplicado a células elétricas fotovoltaicas nos telhados de edifícios e em extensas fazendas de energia solar.

Elétrons ejetados

Muito simplesmente, o efeito fotoelétrico é a ejeção de elétrons de certas superfícies ou de átomos abaixo dessas superfícies quando iluminados com luz. Vários pesquisadores na última parte do século 19 notaram a curiosa habilidade da luz que atinge as superfícies de metal de criar corrente elétrica. A Figura 1 mostra um arranjo para observar este "efeito fotoelétrico". A luz que brilha na placa de metal curva carregada negativamente libera elétrons que são atraídos para uma pequena placa positiva. Este processo produz uma corrente elétrica mensurável.

Energia de elétrons ejetados

Quando a polaridade das placas é invertida, a atração se torna repulsão e, com o acúmulo suficiente de carga negativa na placa, a corrente pode ser interrompida. A diferença de tensão facilmente medida entre a superfície do metal e a placa fornece uma maneira de calcular as energias dos elétrons ejetados.

A energia mínima necessária para ejetar um elétron da superfície de um metal é chamada de função no trabalho do metal. Qualquer energia além da energia usada para ejetar o elétron se transforma em energia cinética no elétron.

Primeiras investigações

Embora Newton tivesse, séculos antes, postulado que a luz era um fluxo de partículas, a física clássica da época dos estudos de Einstein sustentava que a luz viajava em ondas, confirmada pelos experimentos de Thomas Young e outros que demonstraram difração e interferência da luz. A ejeção de elétrons pode ser explicada pela física clássica, em que a energia em ondas de luz incidentes constrói a vibração de um elétron em amplitudes cada vez maiores até que ele finalmente se solta da superfície do metal, assim como as moléculas de água se soltam da superfície da água gradualmente aquecida. Mas nenhum tempo de acumulação foi observado. Nenhum. Dependendo da frequência da luz, os elétrons foram ejetados imediatamente ou não foram ejetados. Algo estava errado.

Observações incompatíveis

O exame cuidadoso do efeito fotoelétrico levou a várias observações que não eram compatíveis com a imagem de onda clássica:

  • O intervalo de tempo entre a exposição à luz e a ejeção dos primeiros elétrons não foi afetado pelo brilho ou frequência da luz.
  • O efeito foi observado com luz violeta ou ultravioleta, mas não com luz vermelha.
  • A taxa de ejeção de elétrons foi proporcional ao brilho da luz.
  • A energia máxima dos elétrons ejetados não era afetada pelo brilho da luz, mas dependia da frequência da luz.

Mais observações perturbadoras

A ausência de um lapso de tempo era especialmente difícil de entender em termos de ondas. Praticamente não demorou para que uma fonte fraca de luz com a frequência certa transmitisse energia suficiente para ejetar elétrons da superfície. Um elétron em luz fraca deve, após algum atraso, acumular energia vibracional suficiente para a ejeção, enquanto um elétron em luz forte deve ser ejetado quase imediatamente. Mas isso não foi observado. Mesmo a luz fraca causou ejeção imediata de alguns elétrons, e o brilho da luz não teve efeito sobre as energias dos elétrons ejetados. Uma luz mais brilhante ejetou mais elétrons (Figura 2), mas não com energias maiores. E um feixe fraco de luz ultravioleta produziu um número menor de elétrons ejetados, mas com energias muito mais altas. Tudo isso era desconcertante.

FIGURA 2

Uma visão de partícula de luz

Einstein deu uma resposta em 1905, mesmo ano em que explicou o movimento browniano e apresentou sua teoria da relatividade especial. Sua pista foi a teoria quântica da radiação de Max Planck. Planck formulou a hipótese de que todos os sistemas materiais só podem absorver ou emitir radiação eletromagnética em feixes discretos, que ele chamou quanta. Segundo Planck, a energia em cada feixe de energia é proporcional à sua frequência de vibração, levando-o a concluir que a energia de matéria mudanças por quantidades quânticas. Ele ainda não tinha visto o que Einstein viu cinco anos depois - que a própria luz vem em feixes quânticos. Einstein atribuiu propriedades quânticas à própria luz e viu a radiação como uma chuva de corpúsculos que agora chamamos fótons.

E = hf

Quando a energia de um fóton é dividida por sua frequência de onda, um valor constante de 6,6 × 10 -34 J · s é encontrado, agora chamamos essa constante de Planck e a escrevemos como h. A energia de um fóton é dada pela famosa equação, E = hf, Onde E é a energia do fóton, f é a frequência da luz, e h é a constante de Planck.

Portanto, a luz vermelha, embora brilhante, é composta de fótons de baixa frequência e, portanto, de baixa energia. A luz violeta e ultravioleta, por outro lado, são compostas de fótons de alta frequência e alta energia, o que explica por que a luz ultravioleta ejetou elétrons com mais energia do que, digamos, a luz azul ou verde. A luz vermelha, embora brilhante, era insuficiente para ejetar elétrons da maioria dos metais (Figura 3). Einstein postulou que um fóton é completamente absorvido por cada elétron ejetado da superfície metálica. A absorção é um processo do tipo tudo ou nada e é imediata, portanto, não há atraso conforme as “energias das ondas” se acumulam.

FIGURA 3

Embora o número de fótons em um feixe de luz afete o brilho de todo o feixe, a frequência da luz controla o energia de cada fóton individual. Cada fóton fornece toda a sua energia E para um e apenas um elétron. Cada fóton, concluiu Einstein, palpita em uma frequência f e carrega uma energia hf.

Robert Millikan

Dez anos após a explicação de Einstein sobre o efeito fotoelétrico, todas as previsões de Einstein foram verificadas pelo físico americano Robert Millikan em seu laboratório. É interessante notar que Millikan passou uma década tentando refutar a teoria do fóton de Einstein. Mesmo depois de verificar as equações de Einstein em detalhes e medir com precisão a constante de Planck, Millikan não conseguia aceitar a realidade dos fótons. No entanto, ele recebeu o Prêmio Nobel em 1923 por este trabalho. Outro trabalho no mesmo ano, de Arthur Compton, finalmente levou a maioria dos físicos a aceitar a realidade do fóton (que não recebeu seu nome atual até 1926 - até então tinha sido um "corpúsculo").

Leve como uma ondulação

O efeito fotoelétrico demonstra conclusivamente que a luz tem propriedades de partícula. Não podemos conceber a explicação do efeito fotoelétrico com base nas ondas. Por outro lado, o fenômeno de interferência demonstra de forma convincente que a luz tem propriedades de onda. Não podemos conceber a explicação da interferência em termos de partículas. Na física clássica, isso é contraditório. Do ponto de vista da física quântica, a luz tem ambas as propriedades. Se a luz se comporta como uma onda ou uma partícula depende do experimento específico. Conseqüentemente, pensamos na luz como ambas - como uma onda - partícula. Eu digo aos meus alunos para pensarem na luz como uma "ondulação". A natureza é indiferente aos nomes que atribuímos às coisas. Mais importante do que qualquer nome, a física quântica clamava por uma nova maneira de pensar.

Células fotovoltaicas

FIGURA 4

Quando você usa a energia gerada pelo Sol para carregar um telefone celular, ou quando você vê um pequeno conjunto de células solares no topo de um semáforo em áreas rurais, ou uma grande variedade de células solares em uma fazenda solar, pense em Albert Einstein - e como ele explicou uma relação intrigante entre a luz e os elétrons ejetados em certos materiais. O recente advento das células solares fotoelétricas é outra celebração da natureza.


Assista o vídeo: BIOLOGIA Flujo de Energía en los Ecosistemas (Janeiro 2022).