Respiração celular

A respiração celular é um processo metabólico essencial para o funcionamento das células aeróbias. Saber como ela acontece é importante para mandar bem nas questões de Biologia do Enem!

Nos últimos anos, o Enem fez mais de trinta questões relacionadas ao metabolismo celular. Essas questões abordavam principalmente os processos de respiração celular e fermentação, uma vez que são temas facilmente relacionados às questões cotidianas, como a saúde humana e a produção industrial.

Sendo assim, você já sacou que entender um pouquinho de respiração celular é essencial para começar o Enem com o pé direito, certo?

Como funciona a respiração celular

A respiração celular é um processo metabólico essencial para o funcionamento das células aeróbias (aquelas que utilizam oxigênio na respiração). A partir desse processo, a célula consegue obter energia para utilizar nas mais diferentes atividades.

Para começar a entender esse processo é preciso que você lembre que o principal “ingrediente” utilizado na respiração celular é a glicose. A glicose é um carboidrato formado por uma pequena cadeia de 6 carbonos (C6H12O6) e armazena energia nas suas ligações carbônicas.

Na respiração celular ocorre uma reação de combustão onde as ligações da glicose são quebradas e os átomos de carbono e hidrogênio resultantes ligam-se a átomos de oxigênio formando moléculas de água e gás carbônico. A energia liberada nessas quebras é transferida para os ATPs, que são moléculas onde a energia é mais fácil de ser requisitada pela célula.

Em um processo comum de combustão a quebra das moléculas energéticas é violenta e uma grande quantidade de energia é liberada de uma vez só. Isso não poderia ocorrer na célula, pois a destruiria. Por isso, a respiração celular ocorre de maneira gradativa, em diferentes etapas.

Dividimos didaticamente essas etapas em três fases:

  1. Glicólise;
  2. Ciclo de Krebs;
  3. Cadeia respiratória.

Por conta dessa divisão, muitos estudantes ficam apavorados com tantos nomes e etapas. Mas, fique tranquilo. O importante é que você entenda o processo e modo geral, assim como a sua importância para a célula. Vamos começar?

Glicólise

O nome dessa fase já diz tudo: glico (de glicose) e lise (de quebra).

Esta etapa inicia a quebra da glicose. É também chamada de via glicolítica e ocorre totalmente no citoplasma. Esta fase da respiração celular não utiliza oxigênio, por isso falamos que é uma etapa anaeróbica.

Para iniciar a glicólise, a célula investe 2 ATPs (lembre-se que o ATP é a “moeda energética da célula”) para “ativar” a molécula de glicose, deixando-a mais reativa. Isso pode parecer meio esquisito, afinal, comecei contando para você que o objetivo deste processo é obter energia, certo? Mas, não se preocupe! Esse pequeno investimento é compensado no final.

Gastando 2 ATPs, a célula consegue quebrar a glicose em duas moléculas de 3 carbonos cada. Estas moléculas resultantes são chamadas de ácido pirúvico ou piruvato, cuja fórmula molecular é C3H4O3. Com esta quebra é liberada uma certa quantidade de energia, parte dela é guardada em 4 moléculas de ATPs. A outra parte dessa energia é captura pelos NAD+ (uma coenzima que ajuda a carregar elétrons que são liberados ao “desconectar” os átomos e funciona como uma bateria que carrega energia).

Dessa maneira, a molécula de NAD+  retira átomos de hidrogênios das moléculas resultantes da quebra da glicose, finalizando a formação das duas moléculas de piruvato e ficando carregadas com energia na forma de elétron.

Após essa desidrogenação, o  NAD+  passa a ser chamada de NADH.

E o que temos ao fim da glicólise? Com a quebra da glicose são produzidos 4 ATPs, mas como gastamos 2 para iniciar a glicólise, temos um saldo positivo de 2 ATPs. Além do saldo energético capturado pelos ATPs, temos também a energia armazenada nas moléculas de NADH que serão utilizadas nas próximas etapas da respiração celular para produzir ainda mais ATPs.

Veja a seguir a equação que resume a glicólise:

Respiração celular - glicólise

Depois da glicólise, as moléculas de piruvato e os NADH formados vão para dentro da mitocôndria, onde acontecerão as outras etapas da respiração celular.

Ciclo de Krebs

O ciclo de Krebs, também chamado de ciclo do ácido cítrico, foi descrito pelo biólogo (também médico e químico) alemão Sir Hans Adolf Krebs (1900 – 1981) e lhe rendeu o prêmio Nobel de medicina em 1953.

Ao fim da glicólise, as moléculas de piruvato e NADH são enviadas para dentro da mitocôndria e penetram na primeira membrana que delimita esta organela. Quando isto ocorre, o ácido pirúvico irá sofrer uma reação onde acaba perdendo um carbono na forma de gás carbônico (CO2) e forma uma molécula chamada de acetil (um composto com apenas dois carbonos).

Assim que o acetil se forma, ele reage com uma substância chamada de coenzima A. Esta coenzima irá acelerar a velocidade das reações químicas que ocorrem no Ciclo de Krebs. Com isso, temos a formação de uma segunda molécula, chamada de acetilcoenzima A (ou simplesmente acetil-CoA).

A energia que seria liberada pela quebra da ligação carbônica de cada olécula de piruvato ao se tornar acetil é captura por NAD+, formando dois NADH (um para cada piruvato que entrou na mitocôndria).

Assim, em seguida da sua formação, o acetil-CoA sofrerá uma reação de hidrólise, em que a coenzima A irá ser liberada. Ao mesmo tempo o acetil irá reagir com o ácido oxalacético que possui 4 carbonos, formando uma molécula de 6 carbonos – o ácido cítrico.

A energia contida no ácido cítrico será liberada aos pouquinhos, em uma série de pequenas quebras em que o ácido cítrico vai sofrendo descarboxilações (perdas de carbono) e desidrogenações (perdas de hidrogênio).  Na primeira quebra o ácido cítrico perde um carbono na forma de CO2  e a molécula formada é o ácido cetoglutárico. Ao perder esse carbono, a energia contida na ligação que foi quebrada é capturada por uma molécula de NAD+, formando uma molécula de NADH.

Por sua vez, o ácido cetoglucárico também perde um carbono na forma de gás carbônico. Essa quebra libera energia suficiente para a formação de mais um NADH, assim como para a formação de 1 ATP.

Em seguida, ocorre a descarboxilação do ácido cetoglucárico, formando ácido succínico (que tem 4 carbonos). Nesta etapa do ciclo de Krebs, os dois carbonos provenientes da glicose (mais precisamente do ácido pirúvico que deu início ao ciclo e que formou acetil – com dois carbonos – ao entrar na mitocôndria), já foram perdidos. Sendo assim, as reações que seguem no ciclo de Krebs têm como objetivo restaurar o ácido oxalacético (que se une ao acetil-CoA, promovendo perdas de hidrogênios em reações de desidrogenação.

Na primeira desidrogenação, o ácido succínio será transformado em ácido málico e haverá a formação de FADH2 (molécula carregadora de energia, semelhante ao NADH, mas que carrega menos energia).

Ocorrerá, então, outra reação de desidrogenação e o ácido málico finalmente reconstituirá o ácido oxalacético. Nesta desidrogenação há a formação de mais um NADH. Resumindo: ao fim do ciclo de Krebs temos a formação de 3 NADH, 1 FADH2 e 1 ATP para cada molécula de ácido pirúvico que entrou na mitocôndria.

Assim, se levarmos em consideração que uma molécula de glicose forma dois ácidos pirúvicos, temos a formação de 6 NADH, 2 FADH2 e 2 ATPs para cada molécula de glicose durante o ciclo de Krebs.

Sei que você neste momento talvez esteja desesperado(a) com tantos nomes de substâncias. Mas, não se preocupe tanto com esses nomes. Muito dificilmente um vestibular irá exigir que você saiba todos esses termos, muito menos o Enem. O que você precisa entender dessa etapa é que, basicamente, ocorre um desmonte total das moléculas de piruvato formadas na primeira etapa da respiração celular.

E que esse desmonte vai gerar “lixos”, como o gás carbônico (proveniente dos carbonos que formavam a cadeia), e energia na forma de ATP, NADH E FADH2. Os ATPs já estarão prontos para serem usados pelas células, mas os NADH e os FADH2 precisam ainda passar por mais um processo – a cadeia respiratória.

Respiração celular - Ciclo de Krebs
Resumo do ciclo de Krebs

Entendeu o Ciclo de Krebs? Agora, vamos ver a última fase da respiração celular.

Cadeia respiratória

Chegamos à ultima etapa da respiração celular. Esta fase aproveita as “baterias” carregadas nas primeiras fases da respiração celular e ocorre nas cristas mitocondriais, uma membrana que se dobra várias vezes dentro das mitocôndrias.

Nesta membrana há uma série de proteínas transmembrana, um composto orgânico chamado de coenzima Q e várias proteínas com átomos de cobre ou ferro, que são chamadas de citocromos. Todas estas substâncias mitocondriais formam  um tipo de circuito ou caminho que irá realizar várias reações químicas utilizando NADH e FADH como “combustíveis”.

As moléculas de NADH e FADH2 irão passar por esse circuito. No começo da sequência das reações da cadeia  respiratória, o NADH é quebrado e produz NAD+ + H+. Isso faz com que elétrons altamente energéticos sejam liberados. Esses elétrons são atraídos pelo oxigênio molecular (proveniente da respiração pulmonar) que está na mitocôndria.

Mas, para que os elétrons cheguem até o oxigênio que está no interior das cristas mitocondriais, eles terão que passar pelas proteínas e citocromos presentes nestas cristas. Durante o percurso os elétrons formarão, juntamente com os transportadores, várias substâncias provisórias cuja quantidade de energia é menor que a transportada pelo transportador anterior. A energia liberada em cada uma das etapas será utilizada para transportar os íons H+ que estão na matriz para a região entre a crista e a matriz externa da mitocôndria.

Dessa maneira, essa região ficará carregada positivamente. Já o outro lado da membrana estará carregada negativamente, criando uma diferença de potencial. Com isso, os hidrogênios irão forçar sua volta tentando acabar com essa diferença. Para voltar, os hidrogênios conseguirão passar somente por um complexo proteico transmembrana chamado de enzima ATPsintase.

A ATPsintase se assemelha a uma pequena “turbina de hidrelétrica” e funciona como uma fábrica de ATPs. Quando um íon hidrogênio passa pela ATPsintase, uma parte desta enzima gira, produzindo energia que é utilizada para ligar um ADP + um P, formando ATP. Esses elétrons serão capturados pelo oxigênio que estará no fim da cadeia respiratória. Dessa maneira o oxigênio fica instável e reativo, reagindo com íons H+ produzidos no início da cadeia respiratória, formando moléculas de água.

Respiração celular - cadeira respiratória
Resumo da cadeia respiratória
Ainda está difícil de entender o que ocorre na cadeia respiratória? Então veja esta animação super legal sobre a última etapa da respiração celular:

Vale lembrar que cada molécula de NADH que entra na cadeia respiratória produzirá energia suficiente para produzir 3 moléculas de ATP. Já os elétrons carregados pelas moléculas de FADH2 são menos energéticos e produzem somente 2 ATPs.

A cadeia respiratória é também chamada de fosforilação oxidativa. Isso porque para produzir cada ATP é preciso juntar uma molécula de ADP com 1 fosfato (ADP+P) em uma reação química de fosforilação, que só ocorre devido à oxidação da glicose.

Para finalizar, qual é o saldo da cadeia respiratória? Aqui em cima disse que para cada NADH formam-se 3 ATPs . Então, façamos as contas: formamos 2 NADH na glicólise, 2 na entrada do piruvato na mitocôndria e 6 NADH no ciclo de Krebs. Sendo assim, para cada molécula de glicose quebrada na respiração celular, temos 10 NADH entrando na cadeia respiratória.

A partir dessas moléculas de NADH, teremos a formação de 30 ATPs. Mas, além dos NADH, temos também a formação de 2 moléculas de FADH2, que rendem 2 ATPs cada durante a cadeia respiratória, totalizando 4 ATPs a partir delas. Sendo assim, apenas na cadeia respiratória, ocorre a formação de 34 ATPs.

Se somarmos estes 34 ATPs com os 2 produzidos na glicólise e com os outros 2 produzidos no ciclo de Krebs, teremos um saldo de 38 ATPs produzidos em toda a respiração celular a partir de uma molécula de glicose. Atenção! Em algumas células, a entrada do piruvato na mitocôndria gasta 2 ATPs, por isso, o saldo da respiração celular nestas células será de 36 ATPs.

Para aprender um pouquinho mais sobre o processo de respiração celular, veja esta videoaula do canal Descomplica:

Exercício sobre respiração celular

(ENEM/2015)

Normalmente, as células do organismo humano realizam a respiração aeróbica, na qual o consumo de uma molécula de glicose gera 38 moléculas de ATP. Contudo, em condições anaeróbicas, o consumo de uma molécula de glicose pelas células é capaz de gerar apenas duas moléculas de ATP.

 

Respiração celular - exercício

Qual curva representa o perfil de consumo de glicose, para manutenção da homeostase de uma célula que inicialmente está em uma condição anaeróbica e é submetida a um aumento gradual da concentração de oxigênio?

a) 1

b) 2

c) 3

d) 4

e) 5

Gab: E

Sobre o(a) autor(a):

Juliana é bióloga formada pela Universidade Federal de Santa Catarina, ministra aulas de Ciências e Biologia em escolas da Grande Florianópolis desde 2007 e é coordenadora pedagógica do Blog do Enem.