Respiração celular: processo, tipos e funções

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

A natureza do aceitador final de elétrons depende do tipo de respiração do organismo estudado. Nos aeróbios – como o Homo sapiens – o aceitador final de elétrons é o oxigênio. Por outro lado, para indivíduos com respiração anaeróbica, o oxigênio pode ser tóxico. No último caso, o aceitador final é uma molécula inorgânica diferente de oxigênio.

Respiração celular: processo, tipos e funções 1

Fonte: Por Darekk2 [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)], do Wikimedia Commons

A respiração aeróbica tem sido amplamente estudada por bioquímicos e consiste em dois estágios: o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons.

Nos organismos eucarióticos, todo o mecanismo necessário para a respiração ocorrer está dentro das mitocôndrias, tanto na matriz mitocondrial quanto no sistema de membrana dessa organela.

Máquinas consiste em enzimas que catalisam 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 das mitocôndrias.

Terminologia

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

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

Por outro lado, a respiração celular ocorre – como o nome indica – dentro das células e é o processo responsável pela geração de energia através 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 eucariótica

Respiração celular: processo, tipos e funções 2

Mitocôndrias

A respiração celular ocorre em uma organela complexa chamada mitocôndria . Estruturalmente, as mitocôndrias medem 1,5 micrômetros de largura e 2 a 8 de comprimento. Eles são caracterizados por terem seu próprio material genético e serem divididos por fissão binária – características vestigiais de sua origem endossimbiótica.

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

O interior das mitocôndrias 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 tem 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, as células que requerem uma quantidade maior de energia são caracterizadas por possuir um elevado número de mitocôndrias, em contraste com as células cuja necessidade de energia é menor.

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

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

Localização da respiração procariótica

Logicamente, os organismos procarióticos precisam respirar e não possuem mitocôndrias – nem organelas complexas, características dos eucariotos. Por esse motivo, o processo respiratório ocorre em pequenas invaginações da membrana plasmática, analogamente ao que ocorre nas mitocôndrias.

Tipos

Existem dois tipos fundamentais de respiração, dependendo da molécula que atuou como o aceitador final dos elétrons. Na respiração aeróbica, o aceitador é oxigênio, enquanto no anaeróbico é uma molécula inorgânica – embora em alguns casos específicos o aceitador seja uma molécula orgânica. A seguir, descreveremos cada um em detalhes:

Respiração aeróbica

Em organismos com respiração aeróbica, o aceitador final de elétrons é o oxigênio. As etapas que ocorrem são divididas no ciclo de Krebs e na cadeia de transporte de elétrons.

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

Respiração anaeróbica

O aceitador final consiste em uma molécula que não seja oxigênio. A quantidade de ATP gerada pela respiração anaeróbica depende de vários fatores, incluindo o organismo do estudo e a via utilizada.

No entanto, a produção de energia é sempre maior na respiração aeróbica, uma vez que o ciclo de Krebs funciona apenas parcialmente e nem todas as moléculas de transporte em cadeia participam da respiração.

Por esse motivo, o crescimento e desenvolvimento de indivíduos anaeróbicos é significativamente menor que o de aeróbica.

Exemplos de organismos anaeróbicos

Em alguns organismos, o oxigênio é tóxico e é chamado de anaeróbio estrito. O exemplo mais conhecido é o da bactéria que causa tétano e botulismo: Clostridium.

Além disso, existem outros organismos que podem alternar entre respiração aeróbica e anaeróbica, chamados anaeróbios facultativos. Em outras palavras, eles usam oxigênio quando lhes convém e, na ausência deles, recorrem à respiração anaeróbica. Por exemplo, a conhecida bactéria Escherichia coli tem esse metabolismo.

Certas bactérias podem usar o íon nitrato (NO 3 ) como aceitador final de elétrons, como os gêneros de Pseudomonas e Bacillus. O referido íon pode ser reduzido a íon nitrito, óxido nitroso ou nitrogênio gasoso.

Em outros casos, o aceitador final consiste no íon sulfato (SO 4 2- ) que dá origem ao sulfeto de hidrogênio e usa carbonato para formar metano. O gênero da bactéria 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 de respiração pré-celular. Isso 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. Essa molécula deve poder entrar nas mitocôndrias para continuar sua degradação.

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

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Antes de entrar no primeiro passo da respiração celular, a molécula de piruvato sofre certas modificações.

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

Nesta reação, dois elétrons e um íon hidrogênio são transferidos para NADP + , produzindo NADH e são catalisados ​​pelo complexo enzimático piruvato desidrogenase. A reação precisa de 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 o ciclo do ácido cítrico ou do ácido tricarboxílico (TCA).

Recebe seu nome em homenagem a seu descobridor: o bioquímico alemão Hans Krebs. Em 1953, Krebs recebeu o Prêmio Nobel graças a 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 2 são geradas . O CO 2 é liberado na atmosfera como substância residual do processo. GTP também é gerado.

Como esse caminho participa dos processos anabólico (síntese de moléculas) e catabólico (degradação de moléculas), é chamado de “anfibólico”.

Reacções 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, a coenzima A. é liberada e, de fato, é reutilizada muitas vezes. Se houver muito ATP na célula, esta etapa é inibida.

A reação anterior requer energia e é obtida a partir da ruptura da ligação de alta energia entre o grupo acetil e a coenzima A.

O citrato passa para cis aconitate e passa para isocitrato pela enzima aconitase. O próximo passo é a conversão de isocitrato em alfa-cetoglutarato por isocitrato desidrogenado. Esse estágio 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 utiliza 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 succinato. Na sua produção, ocorre a formação de GTP. O succinato passa para fumarato. Esta reação produz FADH. O fumarato, por sua vez, muda para malato e finalmente oxaloacetato.

A cadeia de transporte de elétrons

A cadeia de transporte de elétrons visa pegar os elétrons dos compostos gerados nas etapas anteriores, como NADH e FADH 2 , que estão em um nível alto de energia, e levá-los a um nível mais baixo de energia.

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Essa diminuição de energia ocorre passo a passo, ou seja, não ocorre abruptamente. Consiste em uma série de etapas nas quais ocorrem reações de redução da oxidor.

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 termos de estrutura, embora cada um possua uma peculiaridade que lhe permita desempenhar sua função específica dentro da cadeia, cantando elétrons em diferentes níveis de energia.

O deslocamento de elétrons através da cadeia respiratória em níveis mais baixos causa a liberação de energia. Essa energia pode ser usada nas mitocôndrias para sintetizar ATP, em um processo conhecido como fosforilação oxidativa.

Acoplamento quimiosmótico

Durante muito tempo, o mecanismo de formação de ATP na cadeia era um enigma, até o bioquímico Peter Mitchell propor o acoplamento quimiosmótico.

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

Quantidade de ATP formada

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 ao oxigênio, ocorre a síntese de três moléculas de ATP. Essa estimativa pode variar um pouco, dependendo da literatura consultada.

Da mesma forma, para cada dois elétrons que passam da FADH 2 , duas moléculas de ATP são formadas.

Funções

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

Tanto os animais quanto as plantas precisam extrair a energia química contida nas moléculas orgânicas que usam como alimento. No caso dos vegetais, essas moléculas são os açúcares que a mesma planta sintetiza com o uso da energia solar no famoso processo fotossintético.

Os animais, por outro lado, não são capazes de sintetizar sua própria comida. Assim, heterotróficos consomem alimentos na dieta – como nós, por exemplo. O processo de oxidação é responsável pela extração de energia dos alimentos.

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

Referências

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