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