B C - 12 - Mitocondrias

BIOLOGIA CELULAR 12 – MITOCÔNDRIAS

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ESCOLA SUPERIOR DE SAÚDE DE FARO/UNIVERSIDADE DO ALGARVE

12 – MITOCÔNDRIAS

12.1 – COMPOSIÇÃO E FUNÇÕES

Têm autonomia, sendo capazes de se fundir e de se multiplicar por divisão. A maneira como a célula regula o número de mitocôndrias não é conhecido.

O volume mitocondrial representa de 10 a 40 % do volume celular, dependendo do tipo de célula.

São organitos muito móveis.

A sua matriz contem proteínas contrácteis ( cuja acção não é bem conhecida).

Fig. 12.1 – Estrutura mitocondrial

São limitados por duas membranas que separam a matriz (conteúdo mitocondrial) do citoplasma:

Membrana externa - semelhante ao R.E.L.

Membrana interna (com cristas) - constituída por 80% de proteínas que se podem classificar em 3 grupos:

1. TRANSPORTADORES ESPECÍFICOS DE CERTAS PROTEÍNAS

2. CONSTITUINTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA E DE ENZIMAS ANEXAS

3. COMPLEXO ENZIMÁTICO, a ATPase mitocondrial, que permite a ligação das oxidações da cadeia respiratória à fosforilação do ADP em ATP. Esta ATPase tem a forma duma esfera pedunculada ou OXISSOMA. O pedúnculo está enterrado na membrana interna e a esfera (Ø 9nm) emerge na matriz.


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O espaço intermembranar, encerra algumas enzimas entre as quais a adenilcinase que converte as moléculas de AMP em ADP.

AMP+ATP2ADP A matriz contem numerosos iões e moléculas em solução: Ca2+, PO2-, ATP, coenzima A, metabolitos e numerosas enzimas. Encerra também uma molécula de ADN, moléculas de ARN e ribossomas diferentes dos ribossomas citoplasmáticos (mitorribossomas).

Fig. 12.2 – Os complexos F1 e F0 da membrana interna da mitocondria. (a) secção da mitocondria mostrando as estruturas. (b) ampliação de uma crista mostrando o complexo F1 que se projecta da membrana interna para a matriz e o complexo F0 integrado na membrana interna. Cada F1 e F0 estão ligados por uma outra proteína e juntos formam o complexo ATP sintase.

Quadro 12.1 – Localização das funções metabólicas da mitocondria Compartimentos da membrana Funções

Membrana externa Síntese de fosfolípidos Desnaturação de ácidos gordos Alongamento de ácidos gordos Membrana interna Transporte de electrões Fosforilação oxidativa Transporte de metabolitos Espaço intermembranar Fosforilação de nucleótidos Matriz Oxidação do piruvato Ciclo TCA -oxidação das gorduras Replicação do DNA Síntese de RNA (transcrição) Síntese de proteínas (translação)


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GlucoseGLICOLISE

ácido pirúvico

ácido pirúvico

ác. gordos

ác. gordos

CO2

CoA

NAD

FAD

NADH, H+, FADH

acetil CoA

DESCARBOXILAÇÃO

OXIDATIVA

CO2

ATP

CICLO DE KREBSNAD

FADH2O

ADPP

NADH, H+, FADH

(*)

-OXIDAÇÃO

CO2 CITOPLASMA

serinaalaninacisteína

glicína

GLICOLISEác. gordos

CO2CITOPLASMA

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MATRIZ

MITOCÔNDRIAL

1 - membrana mitocôndrial interna; 2 - espaço intermembranar; 3 - membrana m. externa

Fig. 12.3 - Localização das principais vias metabólicas para produção de ATP

ESPAÇO INTERMEMBRNAR

MEMBRANA

INTERNA

MATRIZ NADH NAD FADH2 FAD O2 O2

9

8

5

6

7

34

1

2

ADP+P

ATP

H+

Fig. 12.4 - Esquema da cadeia respiratória da membrana interna mitocôndrial 1 - NADH desidrogenase 2 - proteína ferro-enxofre 3 - ubiquinona coenzima Q 4 - citocromo b 5 - proteína ferro-enxofre

6 - citocromo C1 7 - citocromo C 8 - citocromoxidase(cit a e a3) 9 - ATP sintetases (oxissoma)


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12.2 - CADEIA RESPIRATÓRIA MEMBRANAR

A cadeia respiratória mitocondrial compreende uma série de reacções de oxiredução e fenómenos de fosforilação oxidativa.

As coenzimas reduzidas NADH e FADH2 iniciam o transporte de hidrogénio até ao oxigénio molecular.

Este transporte é feito por uma sequência de reacções de oxiredução que têm lugar na membrana interna e nas suas cristas (fig.12.4).

Os constituintes da membrana compreendem:

TRANSPORTADORES DE HIDROGÉNIO (desidrogenases, flavoproteínas, ubiquinonas)

TRANSPORTADORES DE ELECTRÕES (citocromos e proteínas fero-sulfúricas)

Ao longo da cadeia, os electrões são transportados da molécula com menor potencial de oxiredução, isto é, o NAD, até à que tem maior potencial – oxigénio molecular.

O O2, último receptor de electrões é reduzido a ião superóxido O2-. Este ião

combina-se com protões e forma água oxigenada (H2O2) que é decomposta por uma catalase (esta redução dá-se nos peroxissomas) dando água.

A energia libertada ao longo desta transferência de electrões permite a regeneração das moléculas de ATP.

A síntese da ATP é catalisada pela ATP sintetase (ATPase) da membrana interna. O mecanismo não está completamente elucidado, mas aceita-se genericamente a teoria de Mitchell (1961) – TEORIA QUIMIOSTÁTICA que propõe:

O fluxo de electrões ao longo da cadeia de moléculas oxiredutoras é acompanhado de transferência de protões (H+) através da membrana da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar (fig. 12.4). Instala-se assim um GRADIENTE DE PROTÕES através da membrana interna.

A síntese de ATP é desencadeada por um fluxo de protões, inverso do gradiente estabelecido, através de complexo da ATPase membranar.

Este complexo funciona como uma bomba de protões produtora de ATP.


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12.3 - METABOLISMO CELULAR

O metabolismo inclui todos os processos de transformação de moléculas, quer para degradação, produção de energia e biossintese.

Todos os organismos heterotróficos degradam moléculas retiradas do ambiente e utilizam o produto para sintetizar novas macromoléculas.

Quando as moléculas são quebradas liberta-se ou armazena-se energia na célula; quando os produtos são usados para síntese gasta-se energia.

Há dois tipos gerais de metabolismo:

ANABOLISDMO- no qual se sintetizam macromoléculas com consumo de energia.

CATABOLISMO- no qual se decompõem materiais ingeridos com libertação de energia.

A degradação da molécula de glucose em dioxido de carbono e água durante a respiração aeróbia é um exemplo de catabolismo. Formam-se no processo 38 moléculas de ATP para serem usadas posteriormente.

A degradação das gorduras é também um exemplo de catabolismo.

A biossintese de proteínas (a partir de amino ácidos) e de carbohidratos como o amido ou glicogénio (a partir de açucares simples) são dois processos anabólicos muito importantes.

Estado Dinâmico

Os compostos químicos estão constantemente a ser quebrados e a ser sintetizados.

Pensou-se que, se um organismo adulto não apresentasse alterações durante um certo período de tempo, que a sua constituição molecular também não sofresse alteração, ou seja, que os compostos celulares fossem estáveis e permanecessem na célula por longos períodos sem sofrerem degradação ou serem substituídos, com excepção para os compostos usados como "fuel" para produção de energia. Contudo experimentalmente mostrou-se que esta teoria é falsa.

Os compostos celulares estão constantemente a serem quebrados e substituídos por compostos recentemente sintetizados. Podem-se administrar amino ácidos, gorduras e carbohidratos marcados com material radioactivo a animais de laboratório para demonstrar esta natureza dinâmica das moléculas. Os amino ácidos marcados são incorporados em proteínas e os ácidos gordos em depósitos lipídicos. As proteínas e os lípidos marcados são depois degradados e substituídos por novo material incorporado. Tudo isto acontece sem alteração do tamanho do corpo.


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A única excepção a este estado dinâmico são as moléculas de DNA. O DNA é extremamente estável para que as características hereditárias, para as quais ele codifica não tenham hipótese de se alterar.

A dinâmica celular não é só a nível molecular, mas também a nível celular. No corpo humano, são destruídos e produzidos por segundo, 2,5 milhões de glóbulos vermelhos.

O ATP é o principal transportador de energia dos sistemas vivos. Participa numa grande parte de reacções celulares, desde a ligação da glucose e frutose para dar sacarose, ao movimento do flagelo ou ao transporte activo de uma molécula através da membrana.

As leis da Termodinâmica

As leis da termodinâmica aplicam-se a todas as trocas de energia, quer nos sistemas biológicos quer nos sistemas físicos. Em laboratório, a medida das trocas de energia é feita geralmente em calor (termo). A 1° lei diz: a energia pode ser convertida , uma forma noutra, mas não pode ser criada ou destruída. A energia total de qualquer sistema fechado permanece constante apesar das alterações físicas e/ou químicas que possam acontecer.

Nas reacções químicas também há alterações de energia. No decurso destas alterações alguma ou toda a energia química pode ser convertida em energia calorífica, como quando queimamos madeira ou gás. Nos sistemas vivos estas trocas de calor são minimizadas. O que se estuda é a energia livre, que é a energia disponível para realizar trabalho em condições de temperatura e pressão constante. Os bioquímicos estão interessados na energia livre libertada durante as vias metabólicas. Numa reacção exergónica, a energia dos reagentes é maior que a dos produtos. Como diz a 1° lei da termodinâmica esta energia não se perde. Uma parte é dissipada no ambiente. A restante é uma forma de energia livre, a qual está disponível para o trabalho nos sistemas vivos.

A 2° lei da termodinâmica diz que todos os processos naturais tendem a seguir na direcção da desordem. A esta desordem dá-se o nome de entropia, ex: apesar de duas substâncias se poderem difundir naturalmente não podemos esperar que se separem também de uma forma natural.

Fluxo de energia nos sistemas vivos

Quando o conceito de entropia foi formulado, os biologistas pensaram que o mundo vivo violava a 2° lei da termodinâmica porque tende para a organização. Os organismos vivos captam energia útil de fontes exteriores e libertam-na no ambiente de uma forma mais inútil; se medisse não só os sistemas vivos mas também o ambiente circundante verificava-se que a entropia total aumenta.

O fluxo de energia através dos sistemas vivos dá-se em três etapas. A 1° etapa é a fotossintese, a captação da energia do sol e a sua conversão em energia


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química. A 2° etapa é a conversão da energia química produzida a partir da energia radiante em formas de energia que participam nas transações celulares. A 3° etapa é a utilização desta energia para o trabalho celular, movimento, transporte activo etc.

O processo pelo qual a célula quebra moléculas de alimento é complicado e envolve mais de 70 sequências químicas. É a oxidação de uma molécula de carbono rica em energia, resultando numa molécula mais pobre e em energia livre, alguma da qual serve para converter ADP em ATP. Qualquer molécula rica em energia, como hidratos de carbono, lípidos, amino ácidos e nucleótidos, pode ser quebrada e usada como fonte de energia.

A molécula de glucose que é a mais usada pelos animais.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + H2O + 686 Kcal

A degradação da glucose faz-se em 2 fases. A 1° é a glicolise, chamada por vezes fermentação porque não há intervenção do O

2. A 2° é a respiração que

inclui a descarboxilação oxidativa do ácido pirúvico e o ciclo de Krebs.

Obtenção de energia

As células obtêm energia através de uma série de reacções de oxidação que estão associadas a reacções que geram compostos de alta energia, especialmente ATP. Numa reacção de oxidação há transferência de electrões de um composto para outro. Numa reacção de redução os electrões são integrados num composto. Naturalmente cada reacção de oxidação é também uma reacção de redução. Por exemplo um aldeído pode ser oxidado no seu ácido correspondente

CH3-CHO + H2O → CH3-COOH + 2H+ + 2e-

Um ácido é mais oxidável que um aldeído.

NAD+ é reduzido a NADH, o qual tem mais 2 electrões.

NAD+ + 2e- + H+ → NADH

Estas duas reacções estão associadas e formam uma reacção de oxidação-

redução. O aldeído dá 2e- ao NAD+ ficando o aldeído oxidado na forma de

ácido e o NAD+ reduzido a NADH.

Geralmente numa reacção de oxidação-redução há um par de electrões que é transferido de uma substância para outra.


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Destas reacções, resulta normalmente libertação de uma grande quantidade de energia, suficientemente grande (têm um Go negativo suficiente) que serve

para gerar compostos do tipo ATP.

Na oxidação do aldeído, por exemplo, o ácido pode "levar a enzima a buscar" um fosfato do meio para criar um composto de alta energia:

CH3-CHO + H2O + NAD+ → CH3-COOH + NADH + H+

Esta reacção por sua vez pode transferir o fosfato para o ADP

R-COOH + NAD+ + Pi → R-COO≈P + NADH

NOTA: se o ácido que se gera no meio desta sequência de reacções se liberta, antes de se juntar o fosfato não se forma um composto de alta energia e esta perde-se.

Nem todas as reacções de oxidação permitem a produção de compostos de alta energia. Por exemplo, as leveduras produzem etanol reduzindo o acetaldeído e oxidando o NADH.

CH3-CHO + NADH + H+ → CH3CH2OH + NAD+

Aqui a enzima é incapaz de usar a reacção para produzir ligações de alta energia.

RESUMINDO:

Reacções de oxidação-redução são aquelas onde se dá transferência de electrões. Esta transferência de e, dependendo da natureza do substrato, podem ou não apresentar alterações de energia suficientes para poder gerar compostos de alta energia.

Se não são capazes, a energia libertada resulta em calor.


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Das moléculas complexas ao ATP

Fig. 12.5 – Das moléculas ao ATP

As moléculas complexas quebram-se por

hidrólise

Estes compostos que entam no ciclo de Krebs são oxidados em CO2 e H2O.

A energia libertada nas oxidações é armazenada em receptores de energia.

CARBOHIDRATOS PROTEÍNAS LÍPIDOS

GLUCOSE

OUTRAS HEXOSES

AMINO ÁCIDOS

ACIDOS GORDOS

GLICEROL

Estes são convertidos em compostos que podem entrar no ciclo de Krebs

hexoses glicerolalguns a.a.alanina

serina

cisteína

ác. gordos outros a.a.

histidina

ac. glutâmico

prolina

arginina

ÁCIDO PIRÚVICO

alguns a.a.

leucina

tirosina

fenilalanina

ACETIL CoA

outros a.a.

tirosina

ac-aspártico

fenilalanina

AC.

CETOGLUTÁRICO

AC.

OXALOACÉTICO

ATP NADH FADH2

ATP


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O NADH e o FADH2 são oxidados na cadeia de transporte de electrões. Parte

da sua energia é armazenada em ATP, o resto é convertida em calor.

Fig. 12.6 – Esquema geral do metabolismo aeróbio e anaeróbio da respiração celular.

Glicolise

A GLICOLISE é uma série de reacções metabólicas nas quais a glucose é convertida em piruvato com a respectiva formação de ATP. Ocorre no citoplasma da célula e a presença de oxigénio não é necessária. Ao longo desta via dão-se algumas reacções das descritas anteriormente (Fig. 12.7 - 6,7 e 10). A glicolise que termina com a conversão de um açúcar num produto orgânico é chamada FERMENTAÇÃO. Algumas leveduras, produzem etanol e


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CO2 a partir da fermentação da glucose; outros, como os músculos fermentam o açúcar em ácido láctico.

Na glicolise há reacções chaves, como a (Fig 12.7 - 6), na qual o aldeído é convertido num ácido. Esta reacção de oxidação liberta muita energia e

passam 2e- do aldeído para a coenzima NAD+ com um H+ da água. Antes de deixar o enzima, o ácido formado recebe um fosfato do meio e forma o ácido 1,3-difosfoglicérico que contém tanta energia potencial, que em dois passos ,7 e 10, transfere os 2 fosfatos para 2 ADP, formando 2 ATP.

No princípio desta via a molécula de 6 átomos de carbono (glucose), divide-se para dar 2 compostos com 3 átomos de carbono cada (são interconvertíveis - reacção 5), assim a partir da reacção 6 todas as reacções se dão a dobrar por cada molécula de glucose, ou seja, há formação de 4 ATP. No entanto, como no início (reacção 1 e 3) a molécula de glucose é duplamente fosforilada, o ganho é de apenas 2 ATP por cada molécula de glucose metabolizada na fermentação alcoólica (produção de etanol e CO2) ou na fermentação láctica

(produção de ácido láctico).

Como já foi referido anteriormente, este processo ocorre sem intervenção do oxigénio, assim todas as células que não têm acesso directo ao oxigénio (bactérias anaeróbias ou células musculares em trabalho excessivo) usam este processo fermentativo ou outro semelhante para produção de energia. No músculo, a glucose é armazenada na forma de glicogénio, que quando necessário passa a glucose-1-P e depois a glucose-6-P (não havendo a reacção 1).

As reacções seguintes que utilizam o ácido pirúvico são essenciais porque

regeneram o NAD+. Na metabolização da glucose em ácido pirúvico, forma-se

NADH na reacção 6. O NAD+ é uma coenzima, que está presente nas células

em pequena quantidade, e se não for regenerada rapidamente todo o processo metabólico parará. Tem de haver alguma substância que aceite os electrões do NADH. No músculo é o ácido pirúvico (reacção 11) ou o seu derivado acetaldeído nas leveduras (reacções 12 e 13). O ácido láctico, o CO2 e o etanol são excretados das células.

Se houver presença de oxigénio, a necessidade de regenerar o NAD+ através

de fermentação deixa de existir, uma vez que o oxigénio é um óptimo aceitador de electrões. Os electrões do NADH podem ser transferidos para o oxigénio através de uma série de reacções aeróbias que produzem mais ATP, porque:

1) não é necessário usar o ácido pirúvico para oxidar o NADH criando produtos para excretar; o ácido pirúvico pode ser oxidado para produzir mais energia;

2) porque a transferência de electrões para o O2 para formar H2O, produz mais energia.


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Fig. 12.7 – Glicólise (ciclo de Embden-Meyerhof)


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Os compostos que participam nestas cadeias de reacções encontram-se nas membranas das bactérias e dos mitocôndrias. Os transportadores de electrões incluem 3 ou mais tipos de citocromos. Citocromos são proteínas, tendo cada um deles um átomo de ferro ligado com uma ligação heme à proteína. Nos citocromos, o ferro pode adquirir ou perder electrões rapidamente, passando da forma ferrosa à forma férrica e vice-versa,

Fe+++ + e- ↔ Fe++

Na cadeia respiratória também há flavoproteínas parecidas com a vitamina riboflavina, com capacidade de transferir electrões. Aceitam 2 e- do NADH ou de outros dadores, como o ácido succínico e passam os electrões 1 a 1 para os átomos de ferro dos citocromos.

Dentro da mitocôndria

O ácido pirúvico produzido pela glicólise sofre uma descarboxilação oxidativa, em presença da coenzima A (CoASH), da coenzima nicotinamida adenina dinucleotido (NAD+) e do complexo piruvato desidrogenase (enzimas).

CH3-CO-COOH + CoASH + NAD+ → CH3-CO-SCoA + CO2 + NASH + H+

Ácido pirúvico acetil CoA

Os ácidos gordos sofrem -oxidação, processo enzimático conhecido como Hélice de Lynen. São necessários coenzima A, NAD+ e FAD.

Reacção global

Ácido gordo + CoASH + NADH+ + FAD → CH3-CO-ScoA + NADH + H+ + FADH2

O ácido gordo só é oxidado se for previamente activado por combinação com coenzimas A e se penetrar na matriz mitocôndrial ( a passagem através da membrana interna deve-se á carmitina).

A oxidação ocorre na matriz por etapas sucessivas, em cada etapa, o ácido gordo perde 2 átomos de carbono (ou seja um radical acetil).

ex: ácido palmítico CH3 (CH2)14COOH

ácido mirístico CH3 (CH2)12COOH

ácido lauríco CH3 (CH2)10COOH

ácido cáprico CH3 (CH2)8COOH


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ácido caprílico CH3 (CH2)6COOH

ácido capróico CH3 (CH2)4COOH

ácido butílico CH3 (CH2)2COOH

ácido acético CH3 COOH

Estes processos de oxidação produzem acetil CoA. O coenzima A é regenerado pelo ciclo dos ácidos tricarboxílicos ou ciclo de Krebs, cujas coenzimas são o NAD+ e FAD.

O papel do Coenzima A no metabolismo

O coenzima a é uma molécula orgânica complexa envolvida num número de reacções chave na célula.

Para entrar no ciclo de Krebs (ou ciclo do ácido cítrico ou dos ácidos tricarboxílicos ou TCA) o piruvato tem de ser convertido a uma outra forma, que envolve primeiramente a descarboxilação do piruvato (perda de CO2), depois uma reacção com a coenzima A e finalmente, uma reacção de desidrogenação para dar acetil CoA.

O grupo acetato liga-se à molécula CoA através de uma ligação de energia. A energia desta ligação, é utilizada para transferir o grupo acetil para o ácido oxaloacético (a 1ª reacção do ciclo TCA).

A CoA está também envolvida na reacção que transforma o -cetoglutarato em succinil-CoA, que é também uma reacção de energia. A energia desta ligação, é convertida numa ligação com fosfato, igualmente rica em energia, por adição de fosfato inorgânico. O grupo fosfato é subsequentemente transferido para o ADP para produzir ATP e succinato livre.


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A coenzima A é também utilizada na oxidação dos ácidos gordos. O metabolismo dos ácidos gordos envolve inicialmente a sua activação por um ATP e CoA para acil-CoA. Através de uma série de reacções repetidas, a acil-CoA é convertida em acetil-CoA, que vai para o ciclo TCA.

Ciclo de Krebs

O 1º passo do ciclo é a libertação do CO2 a partir do ácido pirúvico, os outros 2 carbonos combinam-se com a coenzima A para dar acetil-CoA. Esta reacção é uma reacção de oxidação e está associada à redução do NAD+ em NADH.

O passo seguinte é a ligação do ácido oxalacético (4 átomos de carbono) com o grupo acetil e libertação do coenzima A.

ácido oxalacético + acetilScoA ácido cítrico + HSCoA

Para esta reacção se dar é necessária energia. Se só tivesse saído CO2 e 2 e- do ácido pirúvico, podia-se formar ácido acético e a reacção terminava, pois ácido acético e ácido oxalacético não têm tendência para combinar. Mas como há energia armazenada no NADH e na ligação de energia do acetil-SCoA , torna-se possível a reacção entre o a. acético e o a. oxalacético.

Durante o ciclo há 3 reacções que produzem moléculas de NADH (ou de NADPH - ligeiramente diferente mas com funções semelhantes). Cada NADH ou NADPH pode formar 3 ATPs. Uma das reacções do ciclo produz uma molécula de GTP, que é equivalente a uma molécula de ATP. Numa outra reacção há a redução da flavoproteína FAD+ a FADH, que gera apenas 2 moléculas de ATP. Assim gera-se 3+3+3+1+2=12 moléculas de ATP, mais 3 ATP da oxidação do ácido pirúvico.

A produção de energia a partir de uma molécula de glucose, é de 38 ATPs.


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Fig. 12.8 – Ciclo de Krebs Fig. 12.9 – produção energética do ciclo de Krebs

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