Citologia | Respiração Celular

outubro 22, 2018

O processo de respiração celular está intimamente relacionado à produção energética das células, podendo ocorrer de forma Aeróbia ou Anaeróbia. Tais processos nada mais são do que reações bioquímica que ocorrem no interior das células objetivando, basicamente, a produção de ATP (Adenosina Trifosfato).
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Figura 1 - Mitocôndria.
(Fonte: https://bit.ly/2E2gvZA).

As células possuem duas possíveis vias metabólicas relacionadas à produção de energia. A respiração anaeróbia e a aeróbia. O processo anaeróbio não necessita da participação de oxigênio, ao contrário do aeróbio. Como veremos mais adiante, o oxigênio participará do processo como Aceptor Final de Elétrons.

Ambos os processos metabólicos atuam sobre Carboidratos (Glicose, por exemplo) e se iniciam a partir de uma reação denominada Glicólise. Simplificadamente, a glicólise objetiva a quebra da glicose, o que causará desmembramento da molécula em outras duas conhecidas como Ácido Pirúvico, ou Piruvato (Figura 2).


Figura 2 - Processo de Glicólise.
(Fonte: https://bit.ly/2ySYzuU).

Para que o processo ocorra, é necessária a sua Ativação, a energia mínima necessária para se iniciar a reação. O processo de ativação consome duas moléculas de ATP. Espere um momento! Talvez você pense o seguinte: O objetivo de tudo isso não é a produção de energia? E já começa gastando? Sim, para as duas perguntas.

A ativação é totalmente necessária, apesar do gasto energético que ela representa para a célula. Contudo, à medida que o processo se desenrola, serão produzidas mais quatro moléculas de ATP, compensando assim o gasto anterior. Desta forma, temos um saldo positivo de dois ATPs.

Antes que o Piruvato seja definitivamente produzido, são necessárias várias conversões moleculares e, em uma dessas etapas, temos a participação de duas moléculas de NAD+ (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo). As moléculas de NAD+ são denominadas Desidrogenases, ou seja, enzimas que removem hidrogênios de outras moléculas.


Figura 3 - Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo

Cada NAD+ remove dois hidrogênios, mas só permanece ligado à um deles, o outro fica livre no citoplasma. Isso acontece porque a molécula de NAD+ está oxidada, fazendo com que durante o processo sejam removidos dois elétrons (Figura 3). Um deles trará estabilidade à molécula e o outro permitirá a ligação com um hidrogênio. Como dois elétrons foram retirados, dois hidrogênios também serão removidos.

Como dois NAD+ participam do processo, quatro hidrogênios serão removidos no total, o que explica a estruturação do Piruvato. A molécula de glicose que iniciou a Glicólise possui fórmula C6H12O6 d, ao final do processo, temos dois Piruvatos com C3H4O3. Esperaríamos seis moléculas de hidrogênio (H+) em cada Piruvato. Contudo, cada molécula possui apenas três graças a atuação dos dois NADs. Formados os Piruvatos, temos agora uma dicotomia metabólica. As moléculas podem ser utilizadas para iniciar a via anaeróbia ou a aeróbia.

RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA

Seguindo a via anaeróbia, teremos as reações de Fermentação.

Fermentação Lática

Na fermentação lática, o Piruvato é convertido em Ácido Lático. Para tal, os NADH anteriormente produzidos na Glicólise serão utilizados, devolvendo os H+ antes retirados, dois para cada conversão. Ao final do processo, teremos duas moléculas de C3H5O3 (Figura 4).


Figura 4 - Fermentação Lática.

Fermentação Acética

Na fermentação acética, o Piruvato é convertido em Ácido Acético. Para tal, são necessárias algumas etapas na reação. Teremos novamente a participação de dois NAD+, um para cada conversão, além da participação de uma outra enzima denominada Descarboxilase, responsável pela remoção de CO2.

A descarboxilase fará cada Piruvato perder um CO2 e, juntamente com cada NAD+, também perderá dois H+. Finalizando o processo, é adicionada uma molécula de H2O, formando enfim, o ácido acético (C2H4O2).

Fermentação Alcoólica

Na fermentação alcoólica, o Piruvato será convertido em Álcool Etílico. Para tal, haverá a participação de descarboxilases e a devolução de H+ por parte das desidrogenases. Lembro-lhe que cada reação terá a participação de apenas uma delas. Contudo, o neste caso em particular, serão devolvidos dos H+. Ao final do processo, teremos uma molécula com C2H6O.


Figura 5 - Fermentação Alcoólica.


RESPIRAÇÃO AERÓBIA

Pela via aeróbia, teremos as reações a seguir, após a glicólise.

Síntese do Acetil-CoA

Nessa etapa do processo, os Piruvatos da Glicólise são convertidos em Acetil-CoA. O processo de produção dessa molécula é, basicamente, similar ao da fermentação acética vista anteriormente. Contudo, uma etapa à mais será adicionada, a inclusão da Coenzima-A. O acréscimo da coenzima-A é de fundamental importância para a etapa seguinte, o Ciclo de Krebs.


Figura 6 - Síntese do Acetil-CoA.

Ciclo do Ácido Cítrico

A coenzima-A associada ao Acetil é necessária para que este último se associe à primeira molécula do ciclo, o Ácido Oxalacético ou, também conhecido como Oxalacetato. Após a ligação entre o ácido oxalacético e o acetil ocorre a liberação da coenzima-A. A união da duas moléculas anteriores dá origem à primeira molécula do ciclo, o Ácido Cítrico ou Citrato, justificando assim o nome do processo.

Durante as várias etapas que compõem o ciclo, o ácido cítrico sofrerá várias conversões, formando, em resumo sequencial, Succinato, Fumarato, Malato e, finalmente, retornando ao Oxalacetato. Várias moléculas intermediárias são produzidas, o que pode ser observado na Figura 6.



Figura 7 - Ciclo do Ácido Cítrico (Krebs).

Para cada acetil que participa do ciclo, serão produzidos mais três NADH, um FADH2 e um GTP (similar ao ATP), ou seja, como temos dois Acetil, serão produzidos seis NADH, dois FADH2 e 2 GTPs. Caso você esteja curioso sobre o que é um FAD (Flavina Adenina Dinucleotídeo), ela é uma enzima desidrogenase, tal qual o NAD+. Ao longo de todo o processo respiratório, foram produzidas várias moléculas de NADH e FADH2. Essas moléculas serão utilizadas na etapa seguinte.

Cadeia Respiratória

Quero que o leitor saiba neste momento que estou me utilizando de uma explicação didática e que obviamente não esclarece detalhes técnicos sobre o metabolismo. Pretendo apenas lhe passar um visão geral sobre o processo, repassando-lhe o necessário para tal. Sendo assim, voltemos para a explicação.

Na cadeia respiratória, os NADH e FADH2 produzidos serão utilizados para produzir mais ATPs. Cada NADH possui a capacidade de produzir 2,5 ATPs e, para cada FADH2, 1,5 ATPs. Deixe-me elaborar um pouco mais isso.

As enzimas desidrogenases transferem para a cadeia respiratória os elétrons “roubados” anteriormente. Esses elétrons possuem a energia que será utilizada na produção de ATPs. A cadeia respiratória é composta por várias moléculas. A primeira delas recebe os elétrons deixados pelos NADs e FADs e retira um pouco da energia contida. Em seguida, o elétron é repassado para a molécula seguinte da cadeia que irá retirar mais um pouco de energia. Isso ocorre por algumas vezes até que grande parte da energia seja retirada.

Os elétrons sem energia que chegam ao final da cadeia são entregues ao oxigênio. Isso mesmo! Só agora ele aparece. Lembre-se que ele é o aceptor final de elétrons? O oxigênio “aguarda” no final da cadeia os elétrons e os hidrogênios que, ao se unirem à ele, formam uma molécula de água. Novamente lembro que a explicação acima é uma suavização didática, para saber os detalhes reais do processo é preciso falar sobre a enzima ATP-sintase.

RESUMINDO

Uma glicose passou pela Glicólise formando duas moléculas de Piruvato. Os dois Piruvatos são convertidos em duas molécula de Acetil-CoA que participam do Ciclo do Ácido Cítrico, após liberarem a Coenzima-A. A união do Acetil com o Oxalacetato dá origem ao Citrato que será convertido em várias outras moléculas ao longo do ciclo. Se fizermos um levantamento energético dos dois processos metabólicos, observaremos nítidas diferenças. Façamos isso!

SALDO ENERGÉTICO DE ATPs POR MOLÉCULA DE GLICOSE

Respiração Anaeróbia

Glicólise - 2 NADH e 2 ATPs. Como os NADH devolvem os hidrogênios na etapa fermentativa, resta-nos apenas o saldo de dois ATPs.

Respiração Aeróbia

Glicólise - 2 NADH (fornecerão 5 ATPs) e 2 ATPs.
Síntese do Acetil-CoA - 2 NADH (fornecerão 5 ATPs).
Ciclo do Ácido Cítrico - 6 NADH (fornecerão 15 ATPs) , 2 FADH2 (fornecerão 3 ATPs) e 2 GTPs (serão considerados como ATPs).

Na cadeia respiratória os NADH e FADH2 serão utilizados para se produzir mais ATPs. Desta forma, temos um total de 10 NADH, 2 FADH2 e 4 ATPs. Cada NADH fornece 2,5 ATPs, totalizando 25 ATPs e cada FADH2 fornece 1,5 ATPs, totalizando 3 ATPs. Somando-se tudo temos 32 ATPs.

Essa quantidade de ATPs demonstra a incrível rentabilidade do processo aeróbio em comparação ao do processo anaeróbio e, aqui, finalizo mais um artigo. Esse foi um pouco longo. Caso você prefira a versão em audio, é só clicar no PODCAST abaixo.

Bons estudos.


Referências

ALBERTS, B. et al. Biologia molecular da célula. 5ª ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

   

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