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Respiração Celular

 

A respiração celular é o processo pelo qual a energia química de moléculas de "comida" é libertado e parcialmente captada sob a forma de ATP.

Os hidratos de carbono, gorduras, proteínas e podem ser utilizados como combustíveis na respiração celular, mas a glucose é mais vulgarmente utilizado como um exemplo para examinar as reações e as vias envolvidas.

Visão geral da respiração

Podemos dividir a respiração celular em três processos metabólicos: glicólise, o ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa.

Cada um destes ocorre numa região específica da célula:

1. Glicólise ocorre no citosol.
2. O ciclo de Krebs tem lugar na matriz da mitocôndria.
3. Fosforilação oxidativa por meio da cadeia de transporte elétron é realizado na membrana mitocondrial interna.

Na ausência de oxigênio, a respiração é constituída por duas vias metabólicas: glicólise e de fermentação. Ambos ocorrem no citosol.

O que é

A respiração celular refere-se ao caminho bioquímico pelo qual as células liberam energia a partir das ligações químicas de moléculas dos alimentos e fornecem a energia para os processos essenciais da vida.

Todas as células vivas devem realizar a respiração celular.

Ele pode ser a respiração aeróbica , na presença de oxigênio ou de respiração anaeróbia.

Células procariotas realizam a respiração celular dentro do citoplasma ou sobre as superfícies interiores das células.

Mais ênfase aqui vai ser colocado em células eucarióticas onde as mitocôndrias são o local da maioria das reações.

A moeda de energia dessas células é ATP , e uma maneira de ver o resultado da respiração celular é como um processo de produção de ATP.

A respiração aeróbica

A respiração aeróbica, ou respiração celular, na presença de oxigênio, utiliza o produto final da glicólise (piruvato) no ciclo do TCA para produzir muito mais moeda de energia na forma de ATP que pode ser obtido a partir de qualquer via anaeróbica. A respiração aeróbica é característica de células eucarióticas quando têm de oxigênio suficiente e mais do que ocorre nas mitocôndrias.

Respiração anaeróbica

O primeiro passo para a respiração celular em todas as células vivas é a glicólise, que pode ter lugar sem a presença de oxigênio molecular. Se o oxigênio está presente na célula, a célula pode, posteriormente, tirar proveito da respiração aeróbica através do ciclo de TCA para produzir muito mais utilizável de energia na forma de ATP que qualquer via anaeróbica.

No entanto, as vias anaeróbias são importantes e são a única fonte de ATP para muitas bactérias anaeróbias.

As células eucarióticas também recorrer a vias anaeróbias se o seu suprimento de oxigênio é baixo. Por exemplo, quando as células musculares estão trabalhando muito duro e esgotar seu suprimento de oxigênio, eles utilizam a via anaeróbia de ácido láctico para continuar a fornecer ATP para a função celular.

Se a glicólise produz duas moléculas de ATP, de modo que é o primeiro passo de respiração anaeróbia. piruvato, o produto da glicólise, pode ser utilizado na fermentação para produzir etanol e NAD +. ou para a produção de lactato e NAD +..

A produção de NAD +. é crucial porque requer que a glicólise e acabaria quando o seu abastecimento se esgotou, o que resulta em morte celular.

Células procariotas

As bactérias são exemplos de procariotas tipo de célula . Um exemplo é a E. coli . Em geral, as células procarióticas são aqueles que não têm um núcleo ligado à membrana. De fato, "pró-karyotic" é a palavra grega para "antes de núcleo". Além das bactérias, as cianobactérias (algas azuis) são um grande grupo de procariontes. Há poucas estruturas internas bem distintos em procariotas, em contraste com o grande número de organelas distintas em eucariotos.

O outro domínio dos procariotas é composta pelos organismos chamados arqueobactérias , que são antigas formas de vida que podem viver em ambientes extremos.

A informação genética de procariotas (seu DNA) é tipicamente na nucleóide de cadeias de ADN, mas que pode ter o ADN adicional num loop chamado plasmídeo.

As células eucarióticas

A maior parte da vida, que é visível a olho nu é composta de células eucarióticas. Estas células são caracterizados por um núcleo ligado à membrana, e várias células eucarióticas têm vários organelos ligados à membrana para realizar tarefas específicas de células.

Vida celular eucariótica é dividido em quatro reinos: protista, fungos, plantas e animais.

As mitocôndrias

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Fábricas de energia da célula, a mitocôndria ATP fabricação para abastecer todas as atividades da vida

As mitocôndrias são as fábricas de energia das células . As taxas de energia para o trabalho que os animais devem fazer é a molécula de trifosfato de adenosina rico em energia ( ATP ). O ATP é produzido nas mitocôndrias usando a energia armazenada no alimento. Assim como os cloroplastos nas plantas atuam como fábricas de açúcar para o fornecimento de moléculas ordenadas para a planta, a mitocôndria em animais e plantas agem para produzir as moléculas de ATP ordenados como o fornecimento de energia para os processos da vida.

Uma célula animal típico terá na ordem de 1000-2000 mitocôndrias. Assim, a célula terá uma série de estruturas que são capazes de produzir uma grande quantidade de energia disponível. Esta produção de ATP pela mitocôndria é feito através do processo de respiração , o que, no essencial, é a utilização de oxigênio em um processo que gera energia. Este é um processo muito eficiente para o uso de energia do alimento para fazer ATP. Um dos benefícios do "exercício aeróbico" é que ele melhora a capacidade do seu corpo para fazer ATP rapidamente usando o processo de respiração.

Todas as células vivas possuem mitocôndrias. As células ciliadas e células da pele exteriores são as células mortas e não mais produzindo ativamente o ATP, mas todas as células têm a mesma estrutura. Algumas células têm mais mitocôndrias do que outros. Suas células de gordura têm muitas mitocôndrias porque armazenam uma grande quantidade de energia. As células musculares têm muitas mitocôndrias, o que lhes permite responder rapidamente à necessidade de fazer o trabalho. As mitocôndrias ocupar de 15 a 20 por cento de células de fígado de mamífero de acordo com a Karp.

Trifosfato de adenosina

Trifosfato de adenosina (ATP), é considerado pelos biólogos ser a moeda de energia de vida. É a molécula de alta energia que armazena a energia que precisamos para fazer praticamente tudo o que fazemos. Encontra-se presente no citoplasma e do nucleoplasma de cada célula, e, essencialmente, todos os mecanismos fisiológicos que requerem energia para o funcionamento obtê-lo diretamente a partir do ATP armazenado. (Guyton) Como alimento nas células é gradualmente oxidado, a energia libertada é utilizado para re-formar o ATP, de forma que a célula sempre mantém um fornecimento dessa molécula essencial.

Karp cita uma estimativa de que mais de 2 x 10 26 moléculas ou> 160 kg de ATP é formado no corpo humano diariamente! ATP é notável por sua capacidade de entrar em muitas reações acopladas, tanto os de alimentos para extrair energia e com as reações de outros processos fisiológicos para fornecer energia a eles.

Em sistemas animais, o ATP é sintetizado nas pequenas fábricas de energia chamados mitocôndria por um processo chamado glicólise.

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A estrutura da ATP tem um composto de carbono ordenado como uma espinha dorsal, mas a parte que é realmente crítico é a parte de fósforo - o trifosfato.

Três grupos de fósforo estão ligados por átomos de oxigênio para o outro, e também existem oxigênios laterais ligados aos átomos de fósforo. Sob as condições normais no corpo, cada um desses oxigênios tem uma carga negativa, e como você sabe, os elétrons quero estar com prótons - repelem as cargas negativas.

Essas cargas negativas amontoados quer escapar - para ficar longe um do outro, para que haja uma grande quantidade de energia potencial.

Se você remover apenas um destes grupos fosfato a partir do final, de modo que há apenas dois grupos fosfato, a molécula é muito mais feliz. Esta conversão de ATP a ADP é uma reação extremamente crucial para o fornecimento de energia para os processos vitais. Apenas o corte de um vínculo com o rearranjo que acompanha é suficiente para libertar cerca de 7,3 quilocalorias por mol = 30,6 kJ / mol. Este é aproximadamente o mesmo que a energia de um único amendoim.

Os seres vivos podem usar ATP como uma bateria. O ATP pode alimentar reações necessárias por perder um dos seus grupos de fósforo para formar ADP, mas você pode usar a energia do alimento na mitocôndria para converter o ADP volta a ATP para que a energia está novamente disponível para fazer o trabalho necessário. Nas plantas, a energia solar pode ser utilizada para converter o composto menos ativo volta para a forma altamente energético. Para os animais, você usa a energia de suas moléculas de armazenamento de alta energia para fazer o que você precisa fazer para se manter vivo, e então você "recarregar" los para colocá-los de volta no estado de alta energia. A oxidação da glucose opera num ciclo chamado ciclo de TCA ou ciclo de Krebs , em células eucarióticas, para fornecer energia para a conversão do ADP em ATP.

Fonte: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu

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As mitocôndrias são organóides presentes em todas as células eucarióticas, animais ou vegetais, cuja atividade se relaciona com o metabolismo energético das células e com a produção de ATP na respiração aeróbica.

As mitocôndrias possuem o seu próprio DNA, alguns ribossomos e a capacidade de sintetizar proteínas.

Podem se replicar e sempre se originam de mitocôndrias preexistentes.

Essas são algumas das características comuns entre as mitocôndrias e os cloroplastos.

As mitocôndrias são delimitadas por duas membranas, entre as quais há um espaço de cerca de 60 ângstrons.

A membrana externa é lisa, enquanto a membrana interna é provida de numerosas pregas chamadas cristas mitocondriais.

O espaço interno da mitocôndria é a matriz mitocondrial.

As atividades das mitocôndrias são compartimentadas, ou seja, há uma divisão topográfica entre elas. Algumas acontecem na matriz mitocondrial, enquanto outras se processam junto das cristas mitocondriais.

Etapas da Respiração Aeróbica

A maior rentabilidade da respiração aeróbica em relação à fermentação é explicada pela completa "desmontagem" da molécula da glicose, com seus átomos de carbono separados em moléculas de CO2, e a total remoção dos seus átomos de hidrogênio ricos em energia.

A respiração aeróbica (muitas vezes chamada, apenas, de respiração celular) é dividida em 3 etapas: a glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.

A glicólise

Essa etapa da respiração aeróbica é praticamente idêntica à fermentação. Todas as etapas da glicose acontecem no hialoplasma.

Inicialmente, a molécula da glicose recebe 2 grupos fosfato, convertendo-se em frutose 1,6-P:

glicose + 2 ATP ===> frutose 1,6-P + 2 ADP

A seguir, essa molécula é fragmentada em duas moléculas com 3 átomos de carbono cada.

frutose 1,6-P + 4 ADP ===> 2 ácido pirúvico + 4 ATP

Nessa quebra, duas moléculas de NAD (nicotinamida-adenina-dinucleotídeo) recolhem átomos de hidrogênio com elétrons ricos em energia, convertendo-se em duas moléculas de NADH. Essas duas moléculas de NADH irão levar esses átomos de hidrogênio para o interior das mitocôndrias.

A seguir, uma nova oxidação transforma cada molécula de ácido pirúvico em uma molécula de acetil coenzima-A (ou acetil Co-A). Nessa passagem, mais duas moléculas de NAD se convertem em NADH.

2 ácido pirúvico + 2 co-A + 2 NAD ===> 2 acetil Co-A + 2 NADH + 2 CO2

Até a presente etapa, a partir de uma molécula de glicose foram formadas duas moléculas de acetil Co-A, duas moléculas de CO2, duas moléculas de ATP e quatro moléculas de NADH.

A transformação do ácido pirúvico em acetil Co-A se dá na membrana das mitocôndrias. Portanto, todas as etapas posteriores irão se desenvolver no interior desse organóide citoplasmático, e não mais no hialoplasma.

O ciclo de Krebs

Na década de 1930, foi descoberta uma seqüência cíclica de reações, que se tornou conhecida por ciclo de Krebs (também chamado ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos). Todas as etapas desse ciclo acontecem no interior das mitocôndrias, mais especificamente na matriz mitocondrial.

Esse ciclo remove os átomos de hidrogênio ricos em energia do acetil Co-A. Com a retira dos átomos de hidrogênio, há liberação dos átomos de carbono na forma de CO2, que deixa a célula como o produto estável da respiração aeróbica.

Cada volta do ciclo de Krebs é movimentada por uma molécula de acetil Co-A. As principais etapas são representadas a seguir. Não há nenhum interesse em memorizá-las. São colocadas apenas para que possamos localizar os pontos de maior liberação de energia química.

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Ciclo de Krebs

Inicialmente, a molécula do acetil Co-A se funde a uma molécula de ácido oxalacético. A molécula resultante da fusão, o ácido cítrico, tem seis átomos de carbono. Em algumas etapas dessa seqüência cíclica são perdidos átomos de carbono e átomos de hidrogênio. Os átomos de carbono entram na formação de moléculas de CO2, liberadas pela célula. Os átomos de hidrogênio, ricos em energia, são recolhidos por aceptores. Um deles é o NAD, anteriormente citado. O outro é o FAD (flavina-adenina-dinucleotídeo). Em uma das etapas da seqüência, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP se converta em ATP.

Portanto, em cada volta do ciclo de Krebs, são geradas duas moléculas de CO2, uma molécula de ATP, três moléculas de NADH e uma de FADH. Como cada molécula de glicose origina duas moléculas de acetil Co-A, permite que o ciclo de Krebs seja adicionado duas vezes.

No total, o ciclo de Krebs produz, por molécula de glicose:

4 moléculas de CO2
2 moléculas de ATP
6 moléculas de NADH
2 moléculas de FADH

As moléculas de CO2 são liberadas pela célula, juntamente com as outras geradas na glicólise, totalizando seis moléculas. As duas moléculas de ATP se tornam disponíveis para serem empregadas nas diversas formas de trabalho celular. As seis moléculas de NADH e as duas de FADH irão levar os átomos de hidrogênio que estão conduzindo para a cadeia respiratória, última etapa da respiração aeróbica.

A cadeia respiratória

A cadeia respiratória, também conhecida como cadeia transportadora de elétrons, é composta de uma série de enzimas aceptoras de elétrons, os citocromos.

Todos eles estão presentes junto das cristas mitocondriais, onde a cadeia respiratória acontece.

Os citocromos são proteínas dotadas de um anel central, com íons ferro. Quando um citocromo recebe um par de elétrons, os seus íons Fe+++ se transformam em íons Fe++. Quando o par de elétrons é cedido para o citocromo seguinte, os íons ferro retornam ao seu estado inicial. Os pares de elétrons provenientes dos átomos de hidrogênio, ao passarem de um citocromo para outro, vão liberando energia e alcançando níveis energéticos progressivamente mais baixos. Ao mesmo tempo, os prótons H+ circulam pelo espaço existente entre as membranas interna e externa das mitocôndrias.

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Em algumas etapas da passagem dos pares de elétrons pela cadeia respiratória, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP seja ligada a mais um grupo fosfato, formando uma molécula de ATP. Como essa fosforilação se faz graças à energia proveniente da oxidação da glicose, é chamada fosforilação oxidativa.

Quando os elétrons entram na cadeia respiratória vindos dos átomos de hidrogênio trazidos pelo NADH, permitem a produção de três moléculas de ATP.

Quando são trazidos pelo FADH, apenas duas moléculas de ATP são geradas.

No final da passagem dos pares de elétrons pela cadeia transportadora, eles são recolhidos, juntamente com os seus respectivos prótons H+, pelo oxigênio, o que resulta em moléculas de água. O oxigênio é o aceptor final de elétrons da cadeia respiratória.

2 e- + 2 H+ + 1/2 O2 ===> H2O

A falta de oxigênio faz com que os elétrons não sejam removidos do complexo de citocromos. Retrogradamente, os outros componentes da cadeia respiratória passam a reter elétrons, por não poder passá-los adiante. Com a parada na progressão dos pares de elétrons, cessa a produção de ATP e a célula morre por falência energética.

Balanço Energético da Respiração Aeróbica.

Até a década de 1980, admitia-se a rentabilidade energética da respiração aeróbica como sendo de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose degradada.

Entretanto, com a descoberta de que a molécula de NADH produzida fora da mitocôndria origina apenas duas moléculas de ATP, esse valor foi revisto. Hoje, considera-se como correto que uma molécula de glicose produz, na respiração aeróbica, 36 moléculas de ATP.

Há algumas células, como as células do coração, do fígado e dos rins humanos, que obtêm rendimento de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose. Entretanto, para a maioria delas, o rendimento é de 36 moléculas de ATP.

Equação Geral da Respiração Aeróbica

C6h62O6 + 6 O2 + 36 ADP ===> 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP

Fonte: www.ocorpohumano.com.br

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A respiração celular é um conjunto de reações bioquímicas que ocorre na célula e que consiste na oxi-redução de substratos orgânicos que serão reduzidos produzindo energia.

Ela pode ser classificada em três tipos:

Respiração aeróbica: O oxigênio é utilizado como aceptor final na cadeia de transporte de elétrons.
Respiração anaeróbica:
Não ocorre a utilização do oxigênio na cadeia de transporte de elétrons, ao invés dele é usado outro composto inorgânico como enxofre e nitrato.
Fermentação:
Não ocorre utilização do oxigênio como também a cadeia de transporte de elétrons, ocorrendo apenas no citosol. O aceptor final de eletróns é um composto orgânico e apresenta como produto um composto orgânico.

Fonte: biologias.com

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Obtenção de energia pela célula: respiração celular

As células dos organismos vivos necessitam de energia para realizar os seus processos de crescimento e manutenção vital, entre os quais estão os de sintetizar novas substâncias, realizar movimentos, estabelecer trocas passivas e ativas de substâncias através de membranas, produzir calor, eliminar resíduos, desencadear processos de reprodução, etc.

Para obter essa energia realizam o processo de respiração celular que consiste basicamente no processo de extração da energia química armazenada nas moléculas de glicose, com a participação do oxigênio. É um processo contínuo, que acontece em todas as células dos seres aeróbios, tanto de dia como de noite.

Se o mecanismo respiratório de entrada de O2 for paralisado num indivíduo, suas células deixam de dispor de energia necessária para o desempenho de suas funções vitais e inicia-se, então, um processo de desorganização da matéria viva, o que acarreta a morte do indivíduo.

A respiração celular da maioria dos seres vivos se realiza dentro de uma estrutura com forma de chinelo: o mitocôndrio, que são verdadeiras “Usinas” de energia.

O número de mitocôndrios de uma célula varia de alguns até centenas, dependendo se a célula realiza menos ou mais intensamente a respiração celular.

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Nos organismos aeróbicos, a equação simplificada da respiração celular pode ser assim representada:

C6H12O6+O2-> 6 CO2 + 6 H2O + energia

Como a energia é liberada?

Uma maneira eficiente de liberar a energia contida nas ligações químicas da glicose (C6h62O6) é provocar a reação de suas moléculas com o oxigênio (O2).

(C6H12O6) + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + energia

No entanto, a energia não é liberada de uma vez só, pois acarretaria uma liberação de uma quantidade muito grande de energia que não poderia ser aproveitada diretamente pela célula, acabando por ser perdida para o meio ambiente sob a forma de calor. Por isso, a glicose é quebrada aos poucos, formando moléculas menores e liberando pequenas porções energéticas que vão sendo captadas por uma substância chamada ATP (trifosfato). Quando a célula precisa de energia para realizar algum trabalho, o ATP fornece a energia armazenada no seu terceiro fosfato e transforma-se em ADP, pronto para receber novo fosfato e armazenar outra porção energética nessa terceira ligação química, regenerando um novo ATP.

No entanto, grande parte da energia química liberada durante a oxidação da glicose se transforma em calor que contribui para a manutenção de uma temperatura corpórea em níveis que possibilitam a vida, compensando o calor que normalmente um organismo vivo cede para o ambiente, sobretudo nos dias de frio. Isso se verifica principalmente em aves e mamíferos; em outros grupos, como os anfíbios e os répteis, o organismo é aquecido basicamente através de fontes externas de calor, quando, por exemplo, o animal se põe ao sol.

Quais são as etapas da respiração celular?

As transformações sucessivas da glicose até chegar aos compostos inorgânicos C6h62O6 e H2O permitem dividir a respiração celular em 3 etapas:

Glicólise

Nessa etapa, a glicose se quebra em duas moléculas de ácido pirúvico, cada uma delas com 3 carbonos. Para essa quebra acontecer, a célula gasta 2 ATP e durante a mesma são produzidos 4 ATP. Portanto, a glicólise apresenta um saldo energético positivo de 2 ATP.

Na conversão da glicose em ácido pivúrico, verifica-se a ação de enzimas denominadas desidrogenases, responsáveis, como o próprio nome diz, pela retirada de hidrogênios da glicose e a sua transferência para uma substância chamada NAD. Cada NAD captura 2 Hidrogênios. Logo, formam-se 2 NADH2.

C6H12O6 + 2 ATP + 2 NAD -> 2 CH3-CO-COOH +2 NADH2 + 4 ATP

Como se pode observar, nessa etapa não há necessidade de O2 .

Ciclo de Krebs

As duas moléculas de ácido pirúvico formadas no citoplasma durante a glicólise, entram no mitocôndrio. Ali cada molécula entra em um ciclo de reações químicas em seqüência, onde ocorrem desidrogenações (perda de íons H) e descarboxilações (perda de CO2). As 6 moléculas de CO2 (3 para cada molécula de ácido pirúvico) são imediatamente eliminadas das células, em direção ao meio externo.

Nessa fase, também não há presença ou necessidade de O2 .

Cadeia respiratória

Essa fase ocorre nas cristas mitocondriais. Os íons hidrogênios (H+) retirados da glicose são transportados, pela cadeia respiratória até o oxigênio, formando água. Durante a passagem pela cadeia, há liberação gradativa de energia, formando ATP.

Ao final, podemos dizer que temos como matéria prima e produtos o seguinte:

C6H12O6 + 6 O2 -> 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Para finalizar, é importante chamar atenção de que a reação química geral da respiração celular é o inverso da reação química da fotossíntese. Mais importante ainda, é chamar a atenção de que a respiração é um processo de liberação de energia realizado continuamente (noite e dia) pelos seres aeróbios sejam eles autótrofos ou heterótrofos. Para exemplificar, podemos dizer que a respiração é feita continuamente por todos os vegetais e animais, de dia e de noite.

Já a fotossíntese é um processo de armazenamento de energia no composto orgânico produzido (glicose) realizado somente pelos seres autótrofos, pois só eles possuem clorofila, indispensável para a transformação da energia luminosa em energia química.

Da mesma forma, a respiração celular utiliza O2 e libera CO2 enquanto que a fotossíntese faz o contrário. Em vista disso, podemos dizer que são processos químicos complementares, igualmente importantes e necessários.

Fonte: ufrgs.br

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Introdução

Todas as células vivas possuem uma elevada organização interna que é composta pela associação de substâncias orgânicas e inorgânicas. O estado de organização interna não é espontâneo nem permanente; e, por ser instável, pode reverter muito facilmente ao estado inanimado. O que mantém as características que diferem o vivo do não-vivo é uma entrada constante de energia.

Segundo a Termodinâmica, há duas formas de energia: a energia livre ou utilizável. a entropia ou energia não utilizável.

Em qualquer transformação de energia, a energia livre (mais organizada e concentrada) tende a passar para uma forma menos organizada e menos concentrada, a entropia. As células precisam de energia para não se desestruturarem e para promoverem seus processos mecânicos, elétricos, osmóticos, bioquímicos.

Mas, ao utilizar esta energia, a célula a desorganiza e a dissipa, de modo que não pode voltar a usá-la. Portanto, as células, como unidades metabólicas, precisam de um fluxo de energia exterior que venha de uma fonte até elas. Pela natureza destas fontes, dividimos os seres vivos em autótrofos e heterótrofos. Os autótrofos têm a capacidade metabólica de sintetizarem, para o seu sustento, moléculas orgânicas a partir de substâncias inorgânicas de baixo peso molecular, como a água e o gás carbônico.

A fotossíntese é um exemplo de processo anabólico realizado por seres autótrofos. Os seres heterótrofos não têm esta capacidade metabólica e por isso precisam obter matéria orgânica pronta para sua nutrição.

Catabolismo e Anabolismo

A degradação de compostos orgânicos com a finalidade de obtenção de energia é denominada catabolismo. O catabolismo libera energia química potencial, parte da qual toma a forma de calor. Já o conjunto de reações que sintetizam matéria orgânica e protoplasma é conhecido como anabolismo. A síntese de proteínas é exemplo de atividade anabólica importante nos processos de crescimento, substituição tecidual e desenvolvimento do ser vivo. A fotossíntese também é um importantíssimo processo bioquímico anabólico.

O catabolismo libera energia química, parte da qual toma a forma de calor. Um adulto de peso normal consome cerca de 2.500 kcal por dia. Esta energia é necessária para a contração muscular, para o transporte de substâncias e íons através da membrana plasmática, para a produção de proteínas, enzimas e ácidos nucleicos, etc. Por exemplo, a formação de uma ligação peptídica necessita de 0,5 a 4 kcal de energia, dependendo dos aminoácidos que serão ligados quimicamente.

Um processo muito generalizado entre os seres vivos (desde bactérias até mamíferos) de obtenção de energia é a oxidação da glicose até dióxido de carbono e água. Se a glicose fosse queimada num forno, sua total oxidação liberaria 686 kcal/mol. Nas células, a oxidação da glicose ocorre em etapas, sendo um processo parcelado de degradação.

Deste modo, a glicose é quebrada por uma série de reações bioquímicas, envolvendo um quantitativo numeroso de enzimas e produzindo uma série igualmente numerosa de compostos intermediários.

Durante a oxidação da glicose, a energia é tranferida para nucleotídios fosforilados: o trifosfato de guanosina (GTP), o trifosfato de citosina (CTP), o trifosfato de uracila (UTP) e o trifosfato de adenosina (ATP). Destes, o mais importante é o ATP. Os outros nucleotídios fosforilados são convertidos em ATP.

A coenzima A, também um nucleotídio, é substância importante nos processos oxidativos da glicose. A figura a seguir (retirada de Alberts et al., 1997, p. 59) representa a fórmula estrutural do trifosfato de adenosina e da coenzima A.

Adenosina Trifosfato

O ATP é o nucleotídio trifosfatado mais importante. Ele participa das inúmeras reações e processos metabólicos relacionados à transferência e conversão de tipos de energia. A hidrólise do radical fosfato terminal do ATP, formando difosfato de adenosina (ADP) e fosfato inorgânico, libera energia livre de 7,3 kcal/mol, quantidade apropriada para as funções celulares.

A energia do ATP é disponibilizada para as células pelo acoplamento da hidrólise desta substância a reações químicas que requeiram energia. No hialoplasma, existe apenas uma pequena reserva de ATP, de tal maneira que, à medida que ele é utilizado, deve ser reposto por meio de reações que fosforilam o ADP a ATP. Existem dois mecanismos de regeneração do ATP.

O primeiro é a fosforilação pelo nível de substrato, em que um radical fosfato é transferido para o ADP por um composto intermediário, a fim de formar o ATP.

Este tipo de fosforilação pode ocorrer na ausência de oxigênio, condição denominada de metabolismo anaeróbico.

Como exemplo deste tipo de fosforilação, temos: a glicólise (primeira etapa da respiração celular) e a fermentação. O segundo mecanismo de produção de ATP é a fosforilação oxidativa, que ocorre nas membranas internas das organelas denominadas mitocôndrias, e que exige a presença de oxigênio molecular.

A fosforilação oxidativa produz a maior parte do ATP utilizado pelo organismo. O conjunto das reações que compõem a fosforilação oxidativa é chamado metabolismo aeróbico.

Carreadores de elétrons: NAD e FAD

As reações metabólicas que degradam a glicose e obtêm energia para a célula são do tipo oxidação-redução (também denominada oxirredução). Quando um composto químico (molécula, íon) perde elétron ou higrogênio, diz-se que houve oxidação. Ao contrário, se uma espécie química ganha elétron ou hidrogênio, observa-se uma redução.

A maior parte da energia da glicose é retirada por meio de reações de oxirredução. Nestas reações participam substâncias conhecidas como coenzimas. As mais importantes coenzimas carreadoras de elétrons são o dinucleotídio de nicotinamida-adenina e o dinucleotídio de flavina-adenina. As formas oxidadas dessas coenzimas são abreviadas por NAD+ e FAD+; as formas reduzidas são NADH e FADH2.

A coenzima A transfere radicais acetil e será comentada mais adiante. A figura a seguir (retirada de Alberts et al., 1997, p. 71) mostra, em (A), a estrutura do NAD em estado oxidado e estado reduzido; e em (B), a transferência de hidrogênio de uma cadeia carbônica para o NAD oxidado (NAD+).

Glicólise

A primeira via do metabolismo energético da glicose é a glicólise. A glicólise ocorre totalmente por enzimas dissolvidas no hialoplasma. Este processo metabólico não exige oxigênio molecular e pode ocorrer na sua ausência. A glicólise produz duas moléculas de ATP (por fosforilação pelo nível de substrato) para cada molécula de glicose consumida.

Em geral, nas células, a concentração de glicose é muito menor que a do líquido extracelular. Essa diferença de concentração (=gradiente de concentração) é mantida por regulação homeostática. Quando as moléculas de glicose adentram no hialoplasma muito rapidamente, vão para a via de oxidação (glicólise) ou são armazenadas sob a forma de glicogênio.

Como resultado final, a concentração hialoplasmática de glicose é muito baixa, o que faz com que exista sempre um gradiente de concentração que favorece a difusão de glicose para o interior da célula. A glicose é uma molécula muito polar, de modo que, mesmo havendo um gradiente de concentração, ela não atravessa a membrana plasmática. Na maioria dos tecidos, o transporte de glicose exige a ação do hormônio pancreático insulina, que regula a entrada de glicose e aminoácidos nas células.

Primeiramente, na glicólise, a molécula de glicose é convertida em glicose-6-fosfato, numa reação dependente do gasto de ATP. A segunda reação é a conversão da glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato, com o gasto de uma segunda molécula de ATP. Nas diversas etapas que seguem, a cadeia de seis carbonos da glicose original é quebrada em dois fragmentos, cada um com três carbonos, as moléculas de gliceraldeído-3-fosfato e estas, por fim, em duas moléculas de ácido pirúvico ou piruvato.

A conversão de duas moléculas de gliceraldeído em duas de piruvato produz duas moléculas de ATP, duas moléculas de NADH e 56 kcal de calor. Como duas moléculas de ATP foram gastas no início do processo, o resultado efetivo é de duas moléculas de ATP para cada molécula de glicose.

A conversão de um mol de glicose em dois moles de piruvato resulta na produção de dois moles de NADH. Esse NADH deve ser reoxidado para que a glicólise continue. Se o piruvato vai para a mitocôndria (metabolismo aeróbico), o NAD+ será regenerado por essa via. Se a célula não possui enzimas para o metabolismo aeróbico ou não há oxigênio disponível, a célula regenera o NAD+ pela conversão de piruvato em ácido láctico, processo em que o NADH transfere o hidrogênio para o piruvato. As células musculares esqueléticas, em ausência de oxigênio molecular, podem realizar esta glicólise anaeóbica com produção final de ácido láctico ou lactato.

Após a glicólise, o piruvato vai para a mitocôndria onde é transformado em grupo acetil (molécula com dois carbonos), que, por sua vez, é degradado no ciclo de Krebs, onde se produz mais 36 moléculas de ATP para cada molécula de glicose processada

Ciclo de Krebs

O ciclo de Krebs, ou ciclo do ácido cítrico, é uma seqüência circular de oito reações que ocorre na matriz mitocondrial. Nessas reações, os grupos acetil (que provêm dos dois piruvatos que, por sua vez, vieram da glicose) são degradados em duas moléculas de gás carbônico, ao mesmo tempo que quatro elétrons são transferidos para três NAD e um FAD, e uma molécula de ATP é formada por fosforilação pelo nível de substrato. A degradação total dos grupos acetil pelo ciclo de Krebs é explanada na figura a seguir. (figura retirada de Alberts et al., 1997, p. 661)

Para entrar no ciclo do ácido cítrico, o piruvato deve ser, primeiramente, descarboxilado, liberando CO2 e formando NADH. A molécula de gás carbônico produzida será, tal qual outras resultantes do ciclo de Krebs, excretada no nível dos alvéolos pulmonares, no processo conhecido como respiração sistêmica. A molécula com dois carbonos (grupo acetil) combina-se com a coenzima A, formando a acetil-CoA. radicais acetil provindos de lipídios também entram no ciclo de Krebs como acetil-CoA. Alguns aminoácidos oriundos do catabolismo de proteínas podem ser convertidos em intermediários do ciclo de Krebs.

Durante as reações do ciclo, são retirados hidrogênios do acetil e estes são passados para os nucleotídios NAD+ e FAD, que levam estes hidrogênios para as cristas mitocondriais, onde acontece a fosforilação oxidativa, que gera ATP.

No processo de fosforilação oxidativa ocorrem: o transporte de elétrons; a síntese de ATP por meio de uma enzima; o consumo de oxigênio molecular e a produção de moléculas de água.

Cadeia Respiratória e a Fosforilação Oxidativa

A maior parte do ATP formado na respiração celular provém do processo de fosforilação oxidativa que ocorre nas cristas mitocondriais. Nas membranas internas da mitocôndria existe uma série de enzimas contendo ferro (chamadas citocromos) que constituem a cadeia respiratória.

Os citocromos da cadeia respiratória, inicialmente, transferem os elétrons do NADH e do FADH2 para si e, após, cedem estes elétrons para o oxigênio, reduzindo-o a água. No processo de transporte de elétrons ao longo da cadeia respiratória, acontece liberação de energia. Parte dessa energia é perdida (dissipada) sob a forma de calor, ourta parte é usada para transportar prótons (H+), através da membrana interna, da matriz até o espaço intermembranoso. Deste modo, a energia é guardada sob a forma de um gradiente de prótons entre a matriz e o espaço intermembranas.

Os prótons acumulados tendem a voltar para a matriz e o fazem atravessando a enzima ATP-sintase, situada na membrana interna mitocondrial.

Quando os prótons atravessam a enzima, sua energia é utilizada para produzir ATP a partir de ADP e um fosfato inorgânico (PO4---).Esta teoria que procura explicar a síntese de ATP a partir da energia do gradiente de prótons é conhecida como hipótese quimiosmótica. O fluxo de prótons do gradiente pode ser comparado à água de uma represa que tem sua energia potencial transformada em energia elétrica quando da passagem da água por uma turbina.

A próxima figura (retirada de Alberts et al., 1997, p. 674) representa a passagem dos prótons do gradiente através da ATP-sintase com a conseqüente produção de ATP:

Ao final do transporte de elétrons pela cadeia respiratória, estes elétrons liberaram uma energia suficiente para, por meio da ATP-sintase, regenerar trinta e seis moléculas de ATP; somando-se os 36 ATP às duas moléculas de ATP sintetisadas pela glicólise, no hialoplasma, temos o total de 38 moléculas de ATP formadas a partir da energia química oriunda de uma molécula de glicose.

A figura seguinte (retirada de Alberts et al., 1997, p. 662) esquematiza o processo geral da oxidação da glicose pela mitocôndria. Note o detalhe do transporte de elétrons e a formação do gradiente de prótons e a síntese das moléculas de ATP.

No catabolismo de lipídios, os ácidos graxos passam a ser a fonte principal de cadeias carbônicas a serem oxidadas para obter energia para a produção de ATP.

Cada radical de dois carbonos de um ácido graxo gera uma molécula de acetil-CoA ,que entra para o ciclo de Krebs. Um triglicerídio, por exemplo, é formado por três ácidos graxos unidos a uma molécula de glicerol. Portanto, a partir de uma única molécula de triglicerídio pode-se obter muitos grupos acetil, o que faz com que o teor de armazenamento de energia dos lipídios seja bem maior do que o dos glicídios.

Cadeia Respiratória

Processo metabólico de síntese de ATP a partir da energia liberada pelo transporte de elétrons na cadeia respiratória. Esta fase ocorre nas cristas mitocondriais.

Depende de alguns fatores:

Energia Livre Þ obtida do transporte de elétrons
Uma enzima transmembrana denominada ATPase

A Energia:

Durante o fluxo de elétrons Þ Liberação de energia livre suficiente para a síntese de ATP em 3 locais da cadeia respiratória: Complexos I, III e IV.
Estes locais são denominados "SÍTIOS DE FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA".
Nestes locais Þ A liberação de energia livre é em quantidade semelhante à necessária para a síntese do ATP.

Respiração Anaeróbica

Não utiliza o oxigênio, e é também denominada de fermentação. Ocorre em certas bactérias - fermentação ácida (lática ou acética) e em levedos, fermentação alcoólica. Produz 4 ATP e consome 2, produzindo um saldo de apenas 2 ATP. É utilizada na industrialização do pão, laticínios e de bebidas alcoólicas. As leveduras são células eucarióticas que possuem mitocôndrias e realizam os dois tipos de respiração simultaneamente. As fibras musculares estriadas também realizam os dois tipos de respiração. A dor muscular observada após exercício físico intenso deve-se ao acúmulo de ácido lático entre as fibras musculares. Esse ácido leva de 7 a 10 dias para ser reabsorvido pelo organismo.

Fermentação Alcoólica

C6h62O6 ==== ® 2 CO2 + 2 C2H5OH + D G = 2 ATP

Fermentação Lática

C6h62O6 ===== ® 2 C3H6O3 + D G = 2 ATP

SILVIA DIECKMANN

Fonte: www.vestibular1.com.br

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