Categoria: Bioquímica

O 2,4-dinitrofenol (DNP) é um dos compostos mais clássicos quando o assunto é bioenergética e metabolismo celular. Por atuar como um desacoplador da cadeia respiratória, ele impede a formação do gradiente de prótons necessário à síntese de ATP — provocando gasto acelerado de nutrientes e perda de peso. Esse mecanismo metabólico é já apareceu no ENEM, especialmente em questões que relacionam respiração celular, ATP sintase, transporte de elétrons e venenos metabólicos. A seguir, você encontra uma explicação clara, detalhada de uma questão ENEM abordando esse assunto.

O 2,4-dinitrofenol (DNP) é conhecido como desacoplador da cadeia de elétrons na mitocôndria e apresenta um efeito emagrecedor. Contudo, por ser perigoso e pela ocorrência de casos letais, seu uso como medicamento é proibido em diversos países, inclusive no Brasil. Na mitocôndria, essa substância captura, no espaço intermembranas, prótons (H+) provenientes da atividade das proteínas da cadeia respiratória, retornando-os à matriz mitocondrial.

Assim, esses prótons não passam pelo transporte enzimático na membrana interna.

GRUNDLINGH, J. et al. 2,4-Dinitrophenol (DNP): a Weight Loss Agent with Significant Acute Toxicity and Risk of Death. Journal of Medical Toxicology, v. 7, 2011 (adaptado).

O efeito emagrecedor desse composto está relacionado ao(à)

A) obstrução da cadeia respiratória, resultando em maior consumo celular de ácidos graxos.

B) bloqueio das reações do ciclo de Krebs, resultando em maior gasto celular de energia.

C) diminuição da produção de acetil-CoA, resultando em maior gasto celular de piruvato.

D) inibição da glicólise, resultando em maior absorção celular da glicose sanguínea.

E) redução da produção de ATP, resultando em maior gasto celular de nutrientes.

Para compreendermos a ação do 2,4 dinitrofenol (DNP) precisamos ter a visão geral de um processo essencial para a célula, a respiração celular aeróbica, bem como conhecer seu principal produto, a molécula de ATP.

Células são sistemas que realizam continuamente inúmeras reações que, em conjunto, recebem o nome de metabolismo. As reações metabólicas são, em última análise, as responsáveis pela manutenção da vida da célula. A atividade metabólica ininterrupta, isto é, a realização contínua das reações necessárias à vida da célula, depende de um fornecimento constante de energia. Além disso, as células precisam de uma forma específica de energia – a química – obtida a partir da quebra (hidrólise) da ligação fosfato existente em uma molécula denominada adenosina trifosfato, mais conhecida como ATP.

Cada molécula de ATP possui três resíduos de fosfato. As ligações fosfato do ATP contém muita energia armazenada. Quando essa ligação é quebrada (com consumo de água, ou seja, hidrólise), a energia é liberada, possibilitando que a célula realize qualquer processo que dependa dessa energia para ocorrer.

Como resultado da quebra da ligação fosfato do ATP, temos os seguintes produtos: a energia disponível para a célula, um fosfato e um ADP (adenosina difosfato).  Quando a célula metaboliza compostos com alto teor energético, ela utiliza a energia obtida para produzir moléculas de ATP a partir de fosfato e ADP. A síntese de ATP pela ligação de um fosfato ao ADP recebe a denominação de fosforilação.

Continuamente as células consomem ATP (ou seja, realizam hidrólise) liberando energia para que o organismo possa executar atividades distintas (contração muscular, síntese de compostos, transportes ativos, condução de impulsos nervosos etc).

Da mesma forma, ininterruptamente as células oxidam compostos com alto teor energético (glicose, por exemplo) e utilizam a energia para produzir moléculas de ATP por fosforilação do ADP.

A célula tem que manter um estoque suficiente de moléculas de ATP para garantir que sua atividade metabólica não seja interrompida, pois isso significaria sua morte. É nesse ponto que entra em cena a respiração celular aeróbica. Esse processo metabólico gera ATP continuamente, suprindo as necessidades de energia útil para manutenção da vida da célula. Na respiração celular aeróbica, moléculas de glicose são oxidadas liberando energia utilizada para ligar um grupamento fosfato a uma molécula de ADP, resultando em ATP.

Em outras palavras, por meio da respiração celular aeróbica, a célula retira energia de uma molécula de glicose e, em seguida, armazena essa energia nas ligações fosfato ao produzir ATP a partir de ADP + P. Devemos pensar no ATP como uma fonte imediata de energia utilizável para a célula. Sempre que um processo metabólico depender de energia, moléculas de ATP serão consumidas (isto é, hidrolisadas em ADP + P).

A respiração celular é um processo que se desenvolve em três etapas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. A glicólise ocorre no hialoplasma. Também conhecido como citosol, o hialoplasma é a solução química que preenche o interior da célula. As organelas citoplasmáticas estão mergulhadas no hialoplasma. Simplificadamente, podemos dizer que o hialoplasma é a porção fluida do citoplasma.

Durante a glicólise, a molécula de glicose (uma hexose, ou seja, um monossacarídeo com seis carbonos) é quebrada gerando duas moléculas de ácido pirúvico (moléculas com três carbonos). Como resultado desse processo, há liberação de energia suficiente para permitir a geração de ATP. Isso já representa uma parcela (ainda que reduzida) da transferência da energia da molécula de glicose para as moléculas de ATP.

As etapas iniciais da glicólise envolvem gasto de duas moléculas de ATP. O consumo de ATP nesse momento representa um investimento que será recuperado, pois nos passos seguintes serão produzidos quatro ATP. Portanto, na glicólise, a célula investe dois ATP e produz quatro, resultando em um saldo positivo de duas moléculas de ATP.

Além das moléculas de ATP, durante a glicólise a redução dos compostos intermediários leva à redução de moléculas de NAD⁺ (nicotinamida adenina dinucleotídeo), um composto derivado da vitamina B3 (conhecida como nicotinamida). Como resultado desse processo de redução, são produzidas moléculas de NADH (NAD reduzido). As moléculas de NADH participarão da cadeia respiratória, possibilitando a produção de ATP.

Ao final da glicólise são geradas duas moléculas de ácido pirúvico (para cada molécula de glicose que iniciou o processo). Esse ácido é transportado para o interior da mitocôndria, organela na qual ocorrem as fases seguintes da respiração celular aeróbica.

A mitocôndria é uma organela delimitada por dupla membrana (externa e interna). A membrana mitocondrial interna exibe dobras denominadas cristas, que se projetam no espaço interno denominado matriz mitocondrial.

Na matriz mitocondrial ocorrerá a segunda etapa da respiração celular aeróbica: o ciclo de Krebs (também conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico). Cada molécula de ácido pirúvico resultante da glicólise perde um carbono (sob a forma de CO₂) e hidrogênios (que reduzem o NAD⁺ em NADH). A molécula resultante, que agora, têm dois carbonos, se associa à coenzima-A (ou, simplesmente, CoA), produzindo acetil-coenzima-A (acetil-CoA).

Cada molécula de acetil-CoA (que tem dois carbonos) reage, na matriz mitocondrial, com ácido oxalacético (que possui quatro carbonos) gerando ácido cítrico (com seis carbonos, portanto). Essa reação representa o início do ciclo de Krebs, que irá produzir ATP, CO₂, NADH e FADH₂. O FADH₂ é a forma reduzida da molécula de Flavina Adenina Dinucleotídeo (FAD), derivada da vitamina B2 (denominada riboflavina). Assim como os NADH, as moléculas de FADH₂ também participam da cadeia respiratória contribuindo para a produção de ATP.

Sendo assim, moléculas de NADH produzidas na glicólise e no ciclo de Krebs, bem como os FADH2 são direcionados para a última etapa da respiração celular aeróbica: cadeia respiratória, também conhecida como fosforilação oxidativa. Essa etapa, que é a mais produtiva em termos de quantidade moléculas de ATP geradas, ocorre nas cristas mitocondriais.

Nas cristas mitocondriais (formadas pela membrana interna), há grupos de moléculas que constituem cadeias transportadoras de elétrons. Os elétrons transportados são provenientes dos hidrogênios derivados das moléculas de NADH e FADH₂. Conforme os elétrons provenientes desses hidrogênios passam de uma molécula para outra ao longo da cadeia, há liberação de energia. Ao final da cadeia transportadora, os elétrons são recebidos por moléculas de oxigênio (O₂), que, devido a isso, é considerado o aceptor final de elétrons da respiração celular aeróbica. Depois de receber os elétrons da cadeia transportadora, esse oxigênio liga-se aos prótons H⁺ gerando água.

Algumas proteínas da cadeia utilizam a energia resultante do transporte de elétrons para bombear prótons H⁺ para o espaço intermembrana. Como resultado, a concentração de H⁺ nessa região torna-se elevada em relação à matriz mitocondrial. Isso representa energia potencial que pode ser utilizada para síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. Para tanto, a enzima ATP sintase, que também se localiza na membrana mitocondrial interna, permite o fluxo de H⁺ do local de maior concentração (espaço intermembrana) para o local de menor concentração (matriz mitocondrial). Sendo assim, a ATP sintase captura a energia potencial resultante de fluxo de H⁺ e direciona para síntese de ATP (ligando fosfato ao ADP).

O saldo energético resultante de cada molécula de glicose utilizada na respiração celular aeróbica é elevado, podendo chegar a 38 ATP. Deste total, a maior parcela é produzida durante a cadeia respiratória.

Determinadas substâncias podem afetar a produção de energia por meio da respiração celular aeróbica. Geralmente são compostos que, por mecanismos variados, afetam o ciclo de Krebs ou a cadeia respiratória. Por impedir a produção de energia (ATP) pelas células, tais compostos podem levar à morte. Alguns dessas substâncias são apresentados a seguir.

Arsênico: inativa a enzima piruvato desidrogenase, necessária para geração de acetil-CoA a partir de ácido pirúvico. Portanto, bloqueia o ciclo de Krebs.

Cianeto: bloqueia a transferência final de elétrons para o O₂. Quando as proteínas na cadeia de transporte de elétrons não têm acesso ao aceptor final de elétrons, o processo é interrompido.

Monóxido de carbono (CO): bloqueia o transporte de elétrons no mesmo ponto que o cianeto. Este gás incolor e inodoro é produzido pela combustão incompleta da gasolina. O CO de aquecedores, fogões e lareiras em locais não ventilados pode se acumular em concentrações letais nas residências. O escapamento do carro e a fumaça do cigarro são outras fontes de CO.

2,4-dinitrofenol (DNP): afeta membrana mitocondrial interna tornando-a permeável aos íons H⁺ e, assim, impedindo a formação do gradiente de prótons que permite à ATP sintase produzir moléculas de ATP.

A respiração celular aeróbica é o processo responsável por oxidar moléculas de glicose liberando energia, que é utilizada para produzir ATP a partir de ADP e fosfato. Sempre que o organismo necessita realizar algum processo (como a contração muscular ou a condução de impulsos nervosos) que demande energia, esta é obtida por meio da hidrólise de moléculas de ATP.

Para atender a demanda energética contínua que caracteriza a vida, as células realizam respiração celular aeróbica de forma ininterrupta.

A respiração celular aeróbica é um processo que se desenvolve em três etapas básicas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.

A glicólise ocorre no hialoplasma e promove a quebra de glicose em moléculas de ácido pirúvico. Nessa etapa, são produzidas também moléculas de ATP e NADH.

O ciclo de Krebs e a cadeia respiratória ocorrem no interior da mitocôndria. O ciclo de Krebs (também conhecido como ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico) desenvolve-se na matriz mitocondrial e produz moléculas de ATP, CO₂, NADH e FADH₂.

As moléculas de NADH e FADH₂ produzidas nas duas primeiras etapas fornecem elétrons para cadeia transportadora de elétrons que caracteriza a última fase da respiração celular aeróbica. Essa etapa, denominada cadeia respiratória ou fosforilação oxidativa, ocorre nas cristas mitocondriais. Nesse processo, os elétrons percorrem uma série de moléculas, que constituem a cadeia transportadora, até o aceptor final que, na respiração aeróbica, é o oxigênio (O₂). Essa molécula, então, reage com prótons H+ (provenientes dos NADH e FADH₂) produzindo água.

Enquanto os elétrons são transferidos de uma molécula para outra ao longo da cadeia, há liberação de energia que permite o bombeamento de prótons H⁺ para o espaço intermembrana das cristas. O acúmulo de H⁺ nessa região constitui uma forma de energia potencial. A enzima ATP sintase (situada na membrana da crista mitocondrial) permite que os prótons H⁺ fluam através dela, do espaço intermebrana, onde há maior concentração, para a matriz mitocondrial, que exibe menor concentração desses prótons. Dessa forma, a ATP sintase utiliza a energia potencial disponibilizada pelo fluxo de H⁺ para produzir ATP a partir de ADP e fosfato.

O fato de a membrana da crista ser impermeável aos prótons H⁺, que só podem fluir para a matriz mitocondrial através da ATP sintase, possibilita a essa enzima utilizar a energia derivada desse fluxo para produzir ATP. O DNP torna a membrana da crista permeável ao H⁺ que, por isso, flui para a matriz mitocondrial sem passar obrigatoriamente pela ATP sintase. Isso compromete a produção de ATP.

Como consequência, há aumento na mobilização das reservas alimentares na tentativa de compensar a redução na produção de ATP. A utilização das reservas resulta em perda de peso (alternativa E). Entretanto, o uso do DNP pode bloquear totalmente a síntese de ATP e, nesse caso, o resultado é a morte.