14 - Respiração celular

14.1. Respiração Aeróbica, Anaeróbica e Fermentação

Respiração celular é dividida em respiração celular aeróbica, respiração celular anaeróbica e fermentação. Todos estes são processos de obtenção de energia a partir de compostos orgânicos, e consistem numa série de reações químicas que visam à degradação (“quebra”) de moléculas orgânicas no interior da célula, com o objetivo de liberar a energia nelas contida.

Parte dessa energia irradia-se para o meio sob a forma de calor e parte é utilizada na síntese de moléculas de ATP, nas quais fica armazenada até ser utilizada numa atividade. Assim, o objetivo da respiração celular aeróbica, respiração celular anaeróbica e a fermentação é a síntese de moléculas de ATP (Fig.1).

Figura 1 - Os compostos orgânicos utilizados no processo de obtenção de energia estão representados principalmente pelos carboidratos, notadamente a glicose. No entanto, na carência de carboidratos, as células passam a utilizar lipídios e, na falta destes, chegam a lançar mão das proteínas para obtenção de energia.

O O2 pode participar ou não como um dos reagentes dessas reações que visam à obtenção de energia. Quando o O2 participa, diz-se que o processo é aeróbio (aeróbico); quando não há participação do O2, o processo é dito anaeróbio (anaeróbico). A respiração pode ser aeróbia ou anaeróbia (fermentação).

Existem células que só realizam processo aeróbio; outras que só realizam o processo anaeróbio; e, ainda, existem aquelas que podem realizar as duas modalidades. Assim, podemos classificar as células em:


Aeróbias estritas

Só realizam o processo aeróbio. Na ausência de O2, morrem. A maioria das células do nosso corpo está incluída nessa categoria.


Anaeróbias estritas ou obrigatórias

Só realizam o processo anaeróbio. A presença do O2, inclusive, lhes é prejudicial, chegando a matá-las.

Isso acontece, por exemplo, com células de alguns microrganismos, como é o caso do Clostridium tetani, bactéria causadora do tétano.

Anaeróbias facultativas

São capazes de realizar processo aeróbio e anaeróbio, conforme tenham ou não à sua disposição o O2. Na presença de O2, realizam o processo aeróbio; na ausência de O2, passam a obter energia por processo anaeróbio. Isso é feito, por exemplo, por nossas células musculares esqueléticas.

14.2. RESPIRAÇÃO AERÓBIA


As mitocôndrias atuam no processo de respiração aeróbia, no qual o oxigênio é usado para obter energia de uma fonte alimentar, como, por exemplo, a glicose (C6H12O6). Na respiração, a glicose é degradada em água e gás carbônico, com liberação de energia na forma de ATP.

Trata-se de uma reação exergônica e podemos resumir o processo na seguinte equação química:


C6H12O6 + 6O6 ===> 6 CO2 + 6H2O + Energia


A glicose (C6H12O6), utilizada como reagente, pode ser obtida através da alimentação, no caso de organismo heterótrofo, ou, então, é produzida dentro da própria célula, através da fotossíntese ou da quimiossíntese, no caso de o organismo ser autótrofo.

O oxigênio (O2), que também é um reagente da respiração aeróbia, normalmente é proveniente do meio ambiente, podendo, dependendo da espécie, ser retirado da atmosfera, da água (O2 que se encontra dissolvido entre as moléculas de água dos rios, mares, lagos, etc.) e mesmo do solo.

O gás carbônico ou dióxido de carbono (CO2) é um dos produtos finais da reação. Em altas concentrações no interior do organismo, torna-se uma substância prejudicial e tóxica para as células, uma vez que é um óxido ácido. Assim, quanto maior a sua concentração num meio, mais ácido esse meio se torna. Essa acidificação excessiva pode levar à morte das células. Por isso, o CO2 formado nas reações da respiração aeróbia, normalmente, é eliminado para o meio ambiente. Na respiração aeróbia, portanto, há, normalmente, uma troca de gases (absorção de O2 e eliminação do CO2) entre o organismo e o meio ambiente.

A água (H2O), outro produto da reação, pode ser utilizada no próprio metabolismo celular, como também pode ser eliminada por meio de diferentes processos (transpiração, por exemplo). Quanto à energia liberada pela reação, parte dela é perdida para o meio sob a forma de calor, e parte é utilizada na fosforilação de moléculas de ADP para a fabricação de ATP (Fig.2).

A respiração aeróbia feita a partir da glicose pode ser subdividida em três etapas básicas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.

Figura 2- Esquema representando o processo de gasto energético.

14.2.1. Glicólise

A primeira etapa da respiração celular é a glicólise, este processo corre no citoplasma das células e consiste numa sequência de reações que tem como finalidade “quebrar” ou decompor a molécula de glicose (que possui 6 carbonos) em duas moléculas menores (cada uma com 3 carbonos) de uma substância denominada ácido pirúvico (piruvato). Este processo é extremamente complexo e envolve a participação de 10 enzimas, que ao final da etapa teremos a produção de 2 moléculas de piruvato, além da produção final de 2 ATPs (Fig. 3).

Para iniciar a quebra da molécula de glicose afim de produzir energia, a célula deve inicialmente gastar ATP, fosforilando (adicionando fosfato) à molécula de glicose (1) e posteriormente à molécula de Frutose-6-fosfato (3). Este processo irá promover um enfraquecimento das ligações de carbono exatamente no meio da molécula, facilitando a quebra da mesma (4). Após a quarta reação inicia-se as etapas de produção, que culminarão com a produção de 2 NADH (6) e a produção de 4 ATPs (7 e 10), além é claro das duas moléculas de ácido pirúvico (piruvato).

Figura 3 -O esquema mostra que reações da glicólise consomem 2 ATP, liberam hidrogênios com a consequente formação de 2NADH (2NADH + H + ), liberam energia que é utilizada para a síntese de 4 ATP e formam duas moléculas de ácido pirúvico. O NAD ou NAD + (nicotinamida adenina dinucleotídeo) é um transportador de hidrogênios. Ao receber hidrogênios, o NAD passa para a sua forma reduzida NADH + H + que, por comodidade didática, muitos autores preferem representar por NADH2 ou NAD.2H). Embora a oxidação e a redução sejam definidas para perda e ganho de elétrons, podemos também usar esses termos quando são ganhos ou perdidos átomos de hidrogênio, porque as transferências de átomos de hidrogênio envolvem transferência de elétrons (H = H + + e – ). Os NADH2 formados na glicólise irão para a cadeia respiratória.

Após a glicólise, cada molécula de ácido pirúvico sofre descarboxilação (saída de CO2, devido à ação das enzimas descarboxilases), e desidrogenação (saída de H+), transformando-se em ácido acético (composto com apenas dois carbonos na molécula). Este processo irá permitir a reação com a Coenzima A, para assim poder adentrar à mitocôndria (Fig.4).

14.2.2. Ciclo de Krebs

Assim que o Acetil CoA entra na mitocôndria o radical acetil do ácido acético desliga-se da coenzima A e reage com o ácido oxalacético (um composto que tem 4 carbonos na molécula), formando o ácido cítrico (com 6 carbonos na molécula). Assim, o ácido cítrico é o primeiro composto formado nessa etapa e, por isso, o ciclo de Krebs é conhecido também por ciclo do ácido cítrico. No quadro a seguir, temos uma representação esquemática e resumida do ciclo de Krebs (Fig. 5).

Figura 4 - As moléculas de CO2 liberadas dessas reações são eliminadas para o meio extracelular e, posteriormente, liberadas no meio ambiente. Os Hidrogênios liberados são captados por moléculas de NAD, formando NADH que, por sua vez, irão para a cadeia respiratória. Cada molécula de ácido acético liga-se à coenzima A, formando um composto conhecido por acetil CoA que irá para o ciclo de Krebs.

Figura 5 - O esquema do ciclo de Krebs resumido.

Devemos destacar que em cada volta do ciclo, ocorrem os seguintes fenômenos: o ácido cítrico é degradado sucessivamente em compostos com 5 e 4 carbonos, até reconstituir o ácido oxalacético, ocorre a liberação de 2 O2 (descarboxilação) que, normalmente, serão eliminados para o meio extracelular e, posteriormente, para o meio ambiente e a liberação de energia que permitirá diretamente a síntese de um ATP e liberação de 4H+ (desidrogenação). Destes, 3H+ são captados por moléculas de NAD, formando 3NADH, e o outro H+ liga-se a uma molécula de FAD, formando um FADH2. O FAD (flavina adenina dinucleotídeo), assim como o NAD, é um aceptor e transportador de hidrogênios. Os NADH e o FADH2 formados durante as reações do ciclo de Krebs também irão para a cadeia respiratória (Fig. 4).

14.2.3. Cadeia respiratória

A cadeia respiratória, que nas células eucariotas é realizada na membrana interna da mitocôndria, tem início a partir dos NADH e dos FADH2 produzidos nas etapas anteriores da respiração celular. Nela, ocorre síntese de água, transporte de elétrons através de uma cadeia de substâncias (cadeia transportadora de elétrons) e bomba de prótons (H + ) com consequente síntese de ATP. A cadeia transportadora de elétrons é um conjunto de reações de oxirredução que envolve a participação de quatro complexos proteicos (I, II, III e IV) e de duas moléculas conectoras móveis: a ubiquinona (coenzima Q) e o citocromo C. A bomba de prótons é um mecanismo de transporte ativo que transfere íons H + da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana (espaço existente entre a membrana externa e a membrana interna da mitocôndria). A ilustração a seguir mostra de forma simplificada os principais fenômenos da cadeia respiratória.

Os elétrons provenientes da oxidação dos NADH são recebidos pelo complexo I no começo da cadeia respiratória, enquanto aqueles provenientes dos FADH2 são recebidos pelo complexo II. Desses receptores (I e II), os elétrons são transferidos para a ubiquinona (coenzima Q), de onde são repassados para o complexo III e daí para o citocromo C. Do citocromo C, eles são enviados para o complexo IV, que, então, os entrega ao O2, que se combina com íons H + , formando água (H2O). O oxigênio, portanto, é o receptor final dos elétrons na cadeia transportadora. Nesse processo de transferência de elétrons dos NADH e dos FADH2 até o O2, há, gradativamente, liberação de energia. Parte dessa energia é dissipada sob a forma de calor e parte é utilizada para bombear prótons (H + ) da matriz mitocondrial para o espaço existente entre as membranas mitocondriais. Portanto, à medida que os elétrons passam pela cadeia transportadora, os prótons são bombeados para o espaço intermembrana. O acúmulo de íons H + nesse espaço cria um gradiente de concentração de prótons: concentração alta de H + no espaço intermembrana e concentração baixa de H + na matriz mitocondrial. Devido à carga positiva nos prótons (H + ), estabelece-se também uma diferença na carga elétrica: a matriz mitocondrial torna-se mais negativa que o espaço intermembrana (Fig.4).

Juntos, o gradiente de concentração de prótons e a diferença de carga constituem uma fonte de energia potencial denominada força motora de prótons. Essa força aciona o retorno de prótons para a matriz mitocondrial, através de um canal específico de prótons formado por um complexo proteico denominado ATP-sintase (ATP-sintetase). Ao passar por esse complexo proteico, ocorre liberação de energia, que é, então, utilizada para fosforilar o ADP, ou seja, acrescentar um fosfato ao ADP, transformando-o em ATP. O complexo ATP-sintase “extrai” energia química dos íons H + para sintetizar ATP. Essa fosforilação que ocorre na cadeia respiratória é conhecida por fosforilação oxidativa (Fig.4).

Figura 4 - Ilustração representando a cadeia transportadora de elétrons, bem como os diferentes processos que nela ocorrem.

O objetivo da respiração celular é a produção de ATP. Cada molécula de NADH irá bombear 3 H +, enquanto o FADH2 irá bombear 2 H+, como cada H + produz um ATP, e o saldo total de NADH é de 10 e de FADH2 2, a produção líquida ou saldo energético (em moléculas de ATP) por glicose pode chegar a 38 ATP, dependendo do tipo de célula. Veja os quadros a seguir:

Os 10 NADAH produzidos durante todo processo de respiração irão produzir um total de 30 ATPs, enquanto o 2 FADH2 produzirão um total de 4 ATPs, somando os 2 ATPs produzidos na glicólise e os 2 ATPs produzidos no Ciclo de Krebs, totalizarão 38 ATPs,

Existem células em que a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao NADH. Nessas células, a passagem para o interior da mitocôndria dos hidrogênios transportados pelos 2NADH, produzidos no citossol durante a glicólise, requer gasto de energia, sendo gasto 1 ATP para cada um desses NADH. Nessas células, portanto, o saldo energético / glicose é de 36 ATP (38 – 2 = 36 ATP).

Para realizar a respiração aeróbica, a glicose é o “combustível” preferido pela célula, mas não é o único, na falta de glicose, a célula lança mão dos lipídios e, caso haja necessidade, até das proteínas. Isso é possível porque a substância acetil CoA, formada na respiração aeróbica, também pode ser produzida a partir de outros compostos orgânicos, como ácidos graxos, glicerol e aminoácidos.

Portanto, tanto os carboidratos como os lipídios e as proteínas podem originar o acetil CoA através de diferentes vias metabólicas. O acetil CoA, independentemente de onde provém, seguirá o mesmo caminho, ou seja, entrará no ciclo de Krebs, conforme mostra o esquema ao lado.

A respiração aeróbia, não importando se feita a partir de glicídio, lipídio ou proteína, necessita de O2 para sua realização, e, no decorrer das reações, há a produção de CO2. O consumo de O2 está diretamente relacionado às atividades metabólicas. Assim, uma das maneiras de se avaliar a taxa metabólica de um organismo aeróbio é através do consumo de O2 feito por esse organismo num determinado intervalo de tempo: quanto mais intensa a atividade metabólica, mais intensamente se faz a respiração celular e, consequentemente, maior será o consumo de O2.

14.3. RESPIRAÇÃO ANAERÓBIA

A respiração anaeróbia é realizada por seres vivos que conseguem sobreviver na total ausência de O2. Evidentemente, esses seres também precisam de energia para suas atividades biológicas. Neles, a energia também é obtida através da oxidação de moléculas orgânicas, principalmemte a glicose. Nessas oxidações, conforme vimos, há liberação de elétrons e íons hidrogênio (H + ). Como nas células dos anaeróbios não existe O2 para receber, no final da cadeia respiratória, os elétrons e combinar com os íons H + liberados para neutralizá-los, poderíamos pensar que nessas células ocorre uma intensa acidificação, o que se tornaria um grande perigo para o metabolismo celular. Isso, entretanto, não ocorre, pois na respiração anaeróbia, alguma substância inorgânica, diferente do O2, funcionam como receptor final dos elétrons e dos íons hidrogênio, neutralizando-os e evitando, assim, a acidose da célula.

Algumas bactérias, por exemplo, fazem a degradação de compostos orgânicos à semelhança do que vimos na respiração aeróbia e usam, como aceptores finais dos íons H + e dos elétrons, compostos inorgânicos, tais como nitratos, sulfatos ou carbonatos. Dessa forma, os íons H + são neutralizados, evitando a acidose do meio intracelular, conforme mostra o exemplo a seguir:


10H + + 10e – + 2HNO3 ==> N2 + 6H2O

No exemplo anterior, os 10 íons hidrogênio e os 10 elétrons resultantes das oxidações de moléculas orgânicas são recebidos por moléculas de nitrato (HNO3) provenientes do meio extracelular. Dessa reação, surge o nitrogênio livre (N2), que se difunde para a atmosfera, e moléculas de água. Nesse exemplo de respiração anaeróbia, o nitrato funciona como aceptor final dos elétrons e dos íons hidrogênio.

Na respiração anaeróbia, assim como na aeróbia, existe uma cadeia de aceptores de elétrons na qual é produzido ATP. A diferença entre os dois tipos fica por conta do último receptor dos elétrons e dos hidrogênios da cadeia: oxigênio, na respiração aeróbia, e outra substância inorgânica, na respiração anaeróbia.

14.4. FERMENTAÇÃO

Assim como a respiração anaeróbia, a fermentação também é um processo anaeróbico (ausência de O2) de obtenção de energia, feito a partir de compostos orgânicos, em especial a glicose. Na fermentação biológica, entretanto, não há cadeia respiratória e os aceptores finais dos íons hidrogênio não são substâncias inorgânicas, e sim compostos orgânicos resultantes da própria reação.

Conforme a natureza química dos produtos orgânicos formados ao final das reações, a fermentação pode ser classificada em diferentes tipos: alcoólica, láctica, acética, butírica, etc (Fig.5). Dentre os tipos de fermentação os mais abordados no ensino médio, destacam se a fermentação: alcoólica e láctica.

Figura 5 - Os diferentes tipos de fermentação que ocorrem a partir da glicólise.

14.4.1. Fermentação alcoólica

Esse tipo de fermentação tem o álcool etílico como produto orgânico final. Nela, a glicose sofre glicólise, originando duas moléculas de ácido pirúvico, tal como acontece na respiração. Durante essa glicólise, ocorre saída de hidrogênios (desidrogenação), que são captados por moléculas de NAD, formando, então, moléculas de NADH. Nessa glicólise, à semelhança da que acontece na respiração, há consumo de 2 ATP e liberação de energia suficiente para produção de 4 ATP. Há, portanto, um saldo energético positivo de 2 ATP (4 ATP produzidos – 2 ATP gastos = 2 ATP).

Cada ácido pirúvico resultante da glicólise sofre descarboxilação (liberação de CO2), originando moléculas de aldeído acético. O CO2 é eliminado no meio extracelular e o aldeído acético recebe os hidrogênios do NADH. Ao receber esses hidrogênios, o aldeído acético se converte em álcool etílico que, por sua vez, também será eliminado no meio extracelular (Fig. 6).

Na fermentação alcoólica, são produzidos 4 ATP a partir da glicose, mas, como são gastos 2 ATP durante a glicólise, o saldo energético é de apenas 2 ATP. Logo, uma boa parte da energia acumulada na glicose permanece no álcool, o que justifica o fato de ele ser um excelente combustível, veja o esquema a seguir:

Figura 6 - Fermentação alcoólica

Conforme vimos no esquema anterior, os produtos finais da fermentação alcoólica são o álcool etílico e o gás carbônico. A fermentação alcoólica é realizada por algumas espécies de fungos (conhecidos por levedos ou leveduras), por algumas espécies de bactérias e até por células de vegetais superiores (algumas sementes em processo de germinação, por exemplo, embora respirem aerobicamente em ambientes contendo O2, também podem obter energia realizando a fermentação alcoólica quando falta esse gás) (Fig.6).

Um bom exemplo de ser vivo realizador desse tipo de fermentação é o fungo Saccharomyces cerevisiae, muito utilizado na fabricação da cerveja e de outras bebidas alcoólicas e, por isso, conhecido por levedura da cerveja. Espécies do gênero Saccharomyces também são utilizadas na fabricação de pães, bolos e biscoitos. Essas leveduras também são conhecidas por fermentos biológicos (fermento “de pão”, por exemplo). Na fabricação de pães e bolos, durante o preparo e cozimento da massa, o álcool escapa, enquanto o CO2 forma bolhas em meio à massa, estufando-a e promovendo o seu crescimento.

14.4.2. Fermentação láctica

A fermentação láctica é realizada por algumas espécies de microrganismos (bactérias, fungos, protozoários) e, também, por alguns tecidos animais, como o tecido muscular. Algumas bactérias do gênero Lactobacillus, por exemplo, são muito utilizadas pela indústria de laticínios na fabricação de coalhadas, iogurtes, queijos e outros derivados do leite. Essas bactérias promovem o desdobramento do açúcar do leite (lactose) e realizam a fermentação láctica, liberando o ácido láctico no meio. O acúmulo do ácido láctico no leite torna-o “azedo”.

Em nossos músculos esqueléticos, em situação de intensa atividade, pode não haver uma disponibilidade adequada de O2 para promover a respiração aeróbia (Fig. 7). Nesse caso, as células musculares passam a realizar a fermentação láctica. Entretanto, o acúmulo de ácido láctico nessas células provoca fadiga muscular, com dor intensa, o que pode causar a paralisação da atividade muscular.

Figura 7 - Fermentação lática

A fermentação láctica, portanto, pode ocorrer eventualmente nas células musculares, bastando, para isso, que os músculos sejam excessivamente solicitados e que o suprimento de oxigênio oferecido pelo sangue não satisfaça às necessidades celulares. Nessa circunstância, os íons H + começam a acumular-se nas células e, então, o ácido pirúvico passa a atuar como receptor final desses íons, transformando-se em ácido láctico. A presença do ácido láctico nas células musculares causa aquela sensação de dor muscular característica da fadiga ou câimbra.

Tanto na fermentação láctica como na alcoólica há um saldo energético de 2 ATP / glicose. Logo, o processo da fermentação apresenta um rendimento energético bem inferior ao da respiração aeróbia.

Referências:

  • JUNQUEIRA, Luis C. & CARNEIRO, J. "Biologia Celular e Molecular". Editora Guanabara Koogan, Rio de Janeiro, 1991. 5ª Edição. Cap. 1.

  • OLIVEIRA, Óscar; RIBEIRO, Elsa & SILVA, João Carlos "Desafios Biologia". Editora ASA, Porto, 2007. 2ª Edição. Cap.1.

  • AMABIS, JOSÉ MARIANO; MARTHO, GILBERTO RODRIGUES. Volume 1: Biologia das células – 3. Ed. – São Paulo: Moderna, 2010.

  • NELSON, D. L.; COX, M. M. Lehninger: Princípios de Bioquímica. 3ª ed., Sarvier, 2003

Crédito das Imagens.

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Figura 1 :