Respiração celular: processo, tipos e funções - Ciência - 2023

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o respiração celular é um processo que gera energia na forma de ATP (trifosfato de adenosina). Mais tarde, essa energia é direcionada para outros processos celulares. Durante esse fenômeno, as moléculas sofrem oxidação e o aceptor final dos elétrons é, na maioria das vezes, uma molécula inorgânica.

A natureza do aceptor final de elétrons depende do tipo de respiração do organismo estudado. Em aeróbios - como o Homo sapiens - o aceptor final de elétrons é o oxigênio. Em contraste, para respiradores anaeróbicos, o oxigênio pode ser tóxico. No último caso, o aceptor final é uma molécula inorgânica diferente de oxigênio.

A respiração aeróbica foi amplamente estudada por bioquímicos e consiste em duas fases: o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons.


Nos organismos eucarióticos, todo o mecanismo necessário para que a respiração ocorra está dentro da mitocôndria, tanto na matriz mitocondrial quanto no sistema de membrana dessa organela.

O maquinário consiste em enzimas que catalisam as reações do processo. A linhagem procariótica é caracterizada pela ausência de organelas; Por esse motivo, a respiração ocorre em regiões específicas da membrana plasmática que simulam um ambiente muito semelhante ao da mitocôndria.

Terminologia

No campo da fisiologia, o termo "respiração" tem duas definições: respiração pulmonar e respiração celular. Quando usamos a palavra respiração na vida cotidiana, estamos nos referindo ao primeiro tipo.

A respiração pulmonar compreende a ação de inspirar e expirar, este processo resulta na troca de gases: oxigênio e dióxido de carbono. O termo correto para esse fenômeno é "ventilação".


Em contraste, a respiração celular ocorre - como o próprio nome indica - dentro das células e é o processo responsável pela geração de energia por meio de uma cadeia de transporte de elétrons. Este último processo é o que será discutido neste artigo.

Onde ocorre a respiração celular?

Localização da respiração em eucariotos

A respiração celular ocorre em uma organela complexa chamada mitocôndria. Estruturalmente, as mitocôndrias têm 1,5 mícron de largura e 2 a 8 mícrons de comprimento. Eles são caracterizados por possuírem seu próprio material genético e por se dividirem por fissão binária - características vestigiais de sua origem endossimbiótica.

Possuem duas membranas, uma lisa e outra interna com dobras que formam as cristas. Quanto mais ativa a mitocôndria, mais cristas ela tem.


O interior da mitocôndria é chamado de matriz mitocondrial. Neste compartimento estão as enzimas, coenzimas, água e fosfatos necessários para as reações respiratórias.

A membrana externa permite a passagem da maioria das moléculas pequenas. No entanto, é a membrana interna que realmente restringe a passagem por transportadores muito específicos. A permeabilidade dessa estrutura desempenha um papel fundamental na produção de ATP.

Número de mitocôndrias

As enzimas e outros componentes necessários para a respiração celular são encontrados ancorados nas membranas e livres na matriz mitocondrial.

Portanto, células que requerem maior quantidade de energia são caracterizadas por possuírem um elevado número de mitocôndrias, ao contrário das células cuja necessidade energética é menor.

Por exemplo, as células do fígado têm, em média, 2.500 mitocôndrias, enquanto uma célula muscular (muito ativa metabolicamente) contém um número muito maior, e as mitocôndrias desse tipo de célula são maiores.

Além disso, eles estão localizados em regiões específicas onde a energia é necessária, por exemplo, ao redor do flagelo do esperma.

Localização da respiração procariótica

Logicamente, os organismos procarióticos precisam respirar e não têm mitocôndrias - nem organelas complexas características dos eucariotos. Por esse motivo, o processo respiratório ocorre em pequenas invaginações da membrana plasmática, de forma análoga ao que ocorre na mitocôndria.

Tipos

Existem dois tipos fundamentais de respiração, dependendo da molécula que atuou como aceptora final dos elétrons. Na respiração aeróbia, o aceptor é o oxigênio, enquanto na anaeróbica é uma molécula inorgânica - embora em alguns casos específicos o aceptor seja uma molécula orgânica. Descreveremos cada um em detalhes abaixo:

Respiração aeróbica

Em organismos de respiração aeróbica, o aceptor final de elétrons é o oxigênio. As etapas que ocorrem são divididas em ciclo de Krebs e cadeia de transporte de elétrons.

A explicação detalhada das reações que ocorrem nessas vias bioquímicas será desenvolvida na próxima seção.

Respiração aneróbica

O aceptor final consiste em uma molécula diferente de oxigênio. A quantidade de ATP gerada pela respiração anaeróbia depende de vários fatores, incluindo o organismo em estudo e a via utilizada.

Porém, a produção de energia é sempre maior na respiração aeróbia, uma vez que o ciclo de Krebs funciona apenas parcialmente e nem todas as moléculas transportadoras da cadeia participam da respiração.

Por esse motivo, o crescimento e o desenvolvimento de indivíduos anaeróbios são significativamente menores do que os aeróbios.

Exemplos de organismos anaeróbicos

Em alguns organismos, o oxigênio é tóxico e eles são chamados de anaeróbios estritos. O exemplo mais conhecido é o da bactéria que causa o tétano e o botulismo: Clostridium.

Além disso, existem outros organismos que podem alternar entre a respiração aeróbia e a anaeróbia, denominando-se anaeróbios facultativos. Em outras palavras, eles usam oxigênio quando lhes convém e, na ausência dele, recorrem à respiração anaeróbica. Por exemplo, a conhecida bactéria Escherichia coli possui este metabolismo.

Certas bactérias podem usar o íon nitrato (NO3–) como um aceptor de elétrons final, como os gêneros de Pseudomonas Y Bacilo. O referido íon pode ser reduzido a íon nitrito, óxido nitroso ou gás nitrogênio.

Em outros casos, o aceptor final consiste no íon sulfato (SO42-) que dá origem ao sulfeto de hidrogênio e usa carbonato para formar metano. O gênero de bactérias Desulfovibrio é um exemplo desse tipo de aceitador.

Essa recepção de elétrons nas moléculas de nitrato e sulfato é crucial nos ciclos biogeoquímicos desses compostos - nitrogênio e enxofre.

Processo

A glicólise é uma via anterior à respiração celular. Ele começa com uma molécula de glicose e o produto final é o piruvato, uma molécula de três carbonos. A glicólise ocorre no citoplasma da célula. Esta molécula deve ser capaz de entrar na mitocôndria para continuar sua degradação.

O piruvato pode se difundir através de gradientes de concentração na organela, através dos poros da membrana. O destino final será a matriz das mitocôndrias.

Antes de entrar na primeira etapa da respiração celular, a molécula de piruvato sofre certas modificações.

Primeiro, ele reage com uma molécula chamada coenzima A. Cada piruvato se cliva em dióxido de carbono e no grupo acetil, que se liga à coenzima A, dando origem ao complexo de aceil coenzima A.

Nesta reação, dois elétrons e um íon de hidrogênio são transferidos para o NADP+, produzindo NADH e é catalisado pelo complexo da enzima piruvato desidrogenase. A reação requer uma série de cofatores.

Após essa modificação, os dois estágios da respiração começam: o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons.

O ciclo de Krebs

O ciclo de Krebs é uma das reações cíclicas mais importantes da bioquímica. Também é conhecido na literatura como ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico (TCA).

É nomeado em homenagem a seu descobridor: o bioquímico alemão Hans Krebs. Em 1953, Krebs recebeu o Prêmio Nobel por essa descoberta que marcou o campo da bioquímica.

O objetivo do ciclo é a liberação gradual da energia contida na acetil coenzima A. Consiste em uma série de reações de oxidação e redução que transferem energia para diferentes moléculas, principalmente NAD.+.

Para cada duas moléculas de acetil coenzima A que entram no ciclo, quatro moléculas de dióxido de carbono são liberadas, seis moléculas de NADH e duas de FADH são geradas.2. O CO2 é liberado na atmosfera como uma substância residual do processo. GTP também é gerado.

Como essa via participa de processos anabólicos (síntese de moléculas) e catabólicos (degradação de moléculas), é chamada de “anfibólica”.

Reações do ciclo de Krebs

O ciclo começa com a fusão de uma molécula de acetil coenzima A com uma molécula de oxaloacetato. Essa união dá origem a uma molécula de seis carbonos: citrato. Assim, libera-se a coenzima A. Na verdade, ela é reutilizada um grande número de vezes. Se houver muito ATP na célula, esta etapa é inibida.

A reação acima requer energia e a obtém quebrando a ligação de alta energia entre o grupo acetila e a coenzima A.

O citrato é convertido em cis aconitato e é convertido em isocitrato pela enzima aconitase. A próxima etapa é a conversão de isocitrato em alfa cetoglutarato por isocitrato desidrogenado. Essa etapa é relevante porque leva à redução do NADH e libera dióxido de carbono.

O alfa cetoglutarato é convertido em succinil coenzima A pela alfa cetoglutarato desidrogenase, que usa os mesmos cofatores da piruvato quinase. NADH também é gerado nesta etapa e, como etapa inicial, é inibido pelo excesso de ATP.

O próximo produto é o succinato. Em sua produção ocorre a formação do GTP. O succinato muda para fumarato. Esta reação produz FADH. O fumarato, por sua vez, torna-se malato e finalmente oxaloacetato.

A cadeia de transporte de elétrons

A cadeia de transporte de elétrons visa retirar os elétrons dos compostos gerados nas etapas anteriores, como NADH e FADH2, que estão em um nível de energia alto e os conduzem a um nível de energia mais baixo.

Essa diminuição de energia ocorre passo a passo, ou seja, não ocorre de forma abrupta. Consiste em uma série de etapas nas quais ocorrem as reações redox.

Os principais componentes da cadeia são complexos formados por proteínas e enzimas acopladas a citocromos: metaloporfirinas do tipo heme.

Os citocromos são bastante semelhantes em sua estrutura, embora cada um tenha uma particularidade que lhe permite cumprir sua função específica dentro da cadeia, cantando elétrons em diferentes níveis de energia.

O movimento dos elétrons através da cadeia respiratória para níveis mais baixos, produz a liberação de energia. Essa energia pode ser usada na mitocôndria para sintetizar ATP, em um processo conhecido como fosforilação oxidativa.

Acoplamento quimiosmótico

Por muito tempo, o mecanismo de formação de ATP na cadeia foi um enigma, até que o bioquímico Peter Mitchell propôs o acoplamento quimiosmótico.

Nesse fenômeno, um gradiente de prótons é estabelecido através da membrana mitocondrial interna. A energia contida neste sistema é liberada e usada para sintetizar ATP.

Quantidade de ATP formado

Como vimos, o ATP não está se formando diretamente no ciclo de Krebs, mas na cadeia de transporte de elétrons. Para cada dois elétrons que passam do NADH para o oxigênio, ocorre a síntese de três moléculas de ATP. Esta estimativa pode variar um pouco dependendo da literatura consultada.

Da mesma forma, para cada dois elétrons que passam do FADH2, duas moléculas de ATP são formadas.

Características

A principal função da respiração celular é a geração de energia na forma de ATP para poder direcioná-la às funções da célula.

Os animais e as plantas precisam extrair a energia química contida nas moléculas orgânicas que usam para se alimentar. No caso dos vegetais, essas moléculas são os açúcares que a própria planta sintetiza com o uso da energia solar no famoso processo fotossintético.

Os animais, por outro lado, não são capazes de sintetizar seus próprios alimentos. Assim, os heterótrofos consomem alimentos na dieta - como nós, por exemplo. O processo de oxidação é responsável por extrair energia dos alimentos.

Não devemos confundir as funções da fotossíntese com as da respiração. As plantas, como os animais, também respiram. Ambos os processos são complementares e mantêm a dinâmica do mundo vivo.

Referências

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