Respiração Celular Simplificada

RESPIRAÇÃO CELULAR – Resumo

Maximiliano Mendes

Antes de mais nada, vejamos a equação simplificada do processo de respiração celular:

Se compararmos a equação simples da respiração com a da fotossíntese, um processo é quase o contrário do outro, os produtos de um são os reagentes do outro.

Para sobreviver as células precisam de energia. Energia pode ser definida como a capacidade de gerar mudança, realizar trabalho ou rearranjar uma porção de matéria. Já o trabalho pode ser a movimentação de matéria contra forças opositoras (atrito, gravidade e etc.).

A respiração celular é o principal processo responsável pela geração de energia nas células. Basicamente, consiste em uma série de reações de oxidação-redução que resultarão na quebra de ligações covalentes entre os átomos de carbono de moléculas orgânicas, como a glicose, com a consequente liberação de elétrons de alta energia.

Essa energia será transferida e armazenada nas ligações covalentes entre os grupos fosfato do ATP, o trifosfato de adenosina:

O ATP é um nucleotídeo que funciona como uma “moeda energética” na célula, custeando os gastos energéticos para que os processos endergônicos ocorram. Isso porque essa molécula armazena energia potencial química graças à sua estrutura, que é a forma como os seus átomos estão arranjados e ligados. Os grupos fosfato têm cargas negativas, então se repelem e esse é um dos motivos pelos quais o ATP tem um alto potencial de transferência de grupos fosfato.

Ao transferir grupos fosfatos para proteínas, por exemplo, o ATP transfere energia para que elas executem certas funções. Podemos resumir a reação da seguinte forma:

(Onde o ADP é o difosfato de adenosina e o Pi é chamado de fosfato inorgânico, dissociado do ATP). 

ETAPAS DA RESPIRAÇÃO CELULAR:

Observação: estudaremos o processo tendo como base a quebra da molécula de glicose, um monossacarídeo de seis átomos de carbono (C₆H₁₂O₆).

Glicólise: essa etapa ocorre no citosol e não requer oxigênio (é anaeróbia).

Consiste na quebra da glicose, uma molécula de seis átomos de carbono em duas moléculas de piruvato (ou ácido pirúvico), moléculas com três átomos de carbono. Essa quebra se dá em várias etapas, não mostradas aqui e gera, por molécula de glicose, dois ATPs. Veja a equação simplificada:

O "e^-" dentro da explosão representa a energia liberada, ou melhor: elétrons de alta energia, que são liberados pelas reações de quebra. A equação não está balanceada e mostra apenas os principais reagentes e produtos. Todas as outras equações serão mostradas dessa forma.

Formação de acetil-Coenzima A e Ciclo do ácido cítrico (ou ciclo de Krebs): ocorre na matriz mitocondrial, pois os piruvatos gerados na glicólise adentram as mitocôndrias. Ainda não requer oxigênio.

Inicialmente ocorre a formação de acetil-Coenzima A (ou acetil-CoA):

Como cada glicose gera duas moléculas de piruvato, para cada molécula de glicose, nessa etapa, são liberados dois CO₂, restando quatro átomos de carbono da molécula inicial.

Em seguida, acetil-CoA entra na série de reações do ciclo de Krebs:

Esse também é um processo que se dá em várias etapas e tem o nome de ciclo, pois o oxaloacetato, molécula de quatro átomos de carbono, é um reagente inicial da série de reações e volta a ser produzido na reação final da sequência. Essas moléculas de oxaloacetato produzidas, podem então reagir com outras moléculas de acetil-CoA, participando de novos ciclos.

Note que nessa etapa não foi produzido o ATP, mas sim o GTP, guanosina trifosfato. Mas o GTP pode ser convertido em ATP, e, assim como o ATP, atua transferindo fosfatos em processos que necessitam de energia para acontecer. Lembrar que, para cada molécula de glicose são produzidos dois ATPs nessa etapa.

Durante a formação de acetil-Coa e o ciclo de Krebs, vimos que todos os seis átomos de carbono da glicose foram eliminados na forma de CO₂. Para isso, foram quebradas as ligações covalentes que uniam esses átomos, resultando na liberação de elétrons de alta energia:

Por enquanto, só foram produzidas quatro moléculas de ATP para a molécula de glicose. Suas células e o seu organismo precisam de mais.

Cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa: são as etapas finais. Ocorrem nas invaginações das membranas internas das mitocôndrias, as cristas mitocondriais, e necessitam de O₂.

Primeiramente, na cadeia de transporte de elétrons, os elétrons de alta energia provenientes da quebra das ligações covalentes entre os carbonos da glicose transferem (indiretamente) a energia deles para proteínas transportadoras de íons H⁺ nas cristas:  

Modelo da proteína transportadora (citocromo C oxidase): http://www.rcsb.org

Essas proteínas são bombas, ou seja, proteínas que realizam transporte ativo, aquele em que há a necessidade de energia, tendo em vista que o transporte se dá contra o gradiente de concentração: a substância ou íon passa do meio onde está presente em menor concentração para onde está presente em maior concentração (“a proteína empurra/bombeia mais, onde já têm muitos”). Assim, a concentração de íons H⁺ no espaço intermembranar passa a ser maior do que na matriz. Ao final dessa etapa o O₂ atuará como aceptor final de elétrons, captando os elétrons e H⁺ para formar água:

Note que os elétrons captados eram os de alta energia, que por terem transferido sua energia para as bombas de íons H⁺ efetuarem o transporte ativo, agora têm baixa energia (observe a figura de novo).

Por fim, temos a fosforilação oxidativa, processo no qual moléculas de ADP serão fosforiladas para gerar ATP, graças à energia proveniente de reações de oxidação-redução (nas quais houve a quebra das ligações covalentes e a liberação de elétrons de alta energia).

Nessa parte final do processo, os íons H⁺ passarão do espaço intermembranar para a matriz mitocondrial via transporte passivo, através de uma permease possuidora de uma turbina molecular a ATP sintase. Essa turbina molecular é movida pela passagem dos íons H⁺ e o movimento gera a energia necessária para que ela atue como enzima e catalise a fosforilação das moléculas de ADP em ATP:  

Modelo da ATP sintase: http://www.rcsb.org

Vamos adotar a estimativa de que, na prática, devido às reações cruzadas e outros fatores, a quantidade de moléculas de ATP geradas por moléculas de glicose na fosforilação oxidativa é de aproximadamente 26.

RENDIMENTOS DO PROCESSO DE RESPIRAÇÃO

Por molécula de glicose, na prática, a quantidade de ATPs gerados é de aproximadamente:

2 da glicólise + 2 do ciclo de Krebs + 26 da fosforilação oxidativa = 30 ATPs.

Por fim, deve-se destacar que os elétrons de alta energia que participam das reações de oxidação-redução mostradas não se deslocam sozinhos ou ficam “nadando” sozinhos nas soluções celulares. Como se trata de reações redox, sempre que há uma espécie química sofrendo oxidação, há outra, sofrendo redução, captando os elétrons doados.

No processo de respiração, destacam-se duas coenzimas aceptoras/captadoras de elétrons de alta energia liberados durante a oxidação completa da glicose:

Dinucleotídeo de nicotinamida e adenina, NAD⁺/NADH. NAD⁺ é a forma oxidada e NADH é a forma reduzida. NAD⁺ + H⁺ + 2 e^- --> NADH.

Dinucleotídeo de flavina e adenina, FAD/FADH₂. O FAD é a forma oxidada e o FADH₂ é a forma reduzida. FAD + 2 H⁺ + 2 e^- --> FADH₂.

Após captarem os elétrons de alta energia essas substâncias os transferem para as bombas de H⁺ localizadas nas membranas internas das mitocôndrias.

Em termos das quantidades geradas em cada processo, para cada molécula de glicose: na glicólise são gerados dois NADH, na formação de acetil-CoA são gerados mais dois NADH e no ciclo de Krebs são gerados seis NADH e dois FADH₂.

A imagem abaixo apresenta a cadeia de transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa em maiores detalhes:

Veja também:

http://maxaug.blogspot.com.br/2015/05/nadh-fadh2-e-nadph-coenzimas-do.html

REFERÊNCIAS

ALBERTS, B. et al. Molecular Biology of the Cell. 4th ed. Garland. 2002.

AMABIS & MARTHO. Biologia das Células. Moderna. 2004.

BERG, JM. et al. Biochemistry. 8th ed. WH Freeman & Company. 2015. (É o Stryer).

CAMPBELL, N. et al. Biologia. 8ª ed. Artmed. 2010.

LEHNINGER, et al. Principles of Biochemistry. 4th ed. WH Freeman. 2004.

LODISH, H. et al. Molecular Cell Biology. 5th ed. WH Freeman. 2003.