Todos os seres vivos precisam queimar combustíveis orgânicos, como a glicose, para obter energia. A queima ocorre pelo processo de respiração celular. Além disso, entender o processo de energia dos seres vivos é fundamental para a biologia.
A – Respiração Celular
Fenômeno que consiste basicamente no processo de extração de energia química de moléculas como carboidratos e lipídios.
Antes de começarmos a estudar os tipos de respiração, é necessário falar um pouco sobre o ATP.
ATP
A energia dos seres vivos é liberada nas reações metabólicas é armazenada em uma molécula especial, o ATP (adenosina trifosfato). sob a forma de ligações químicas muito ricas em energia.
O ATP é constituído pela adenina (adenina é uma das quatro bases nucleicas usadas na formação dos nucleotídeos dos ácidos nucleicos DNA e RNA) ligada a uma ribose (Carboidrato) e a três grupos fosfóricos, formando a adenosina trifosfato.
Os grupos de fosfato estão unidos entre si por ligações químicas com grande quantidade de energia. Ao perder um grupo fosfórico, ele transforma-se em ADP (adenosina difosfato), liberando energia.
O ATP possui duas ligações de alta energia e o ADP apenas uma. Ao absorver energia e ganhar um grupo fosfórico, o ADP pode voltar a ser ATP.
Tipos de Respiração
De acordo com a presença ou ausência do oxigênio, a respiração pode ser de dois tipos:
• Aeróbica
Na presença de oxigênio.
• Anaeróbica
Na ausência de oxigênio.
I – Respiração Aeróbica
Nesse processo, a glicose (carboidrato) combina-se com o oxigênio do ar formando resíduos com menos quantidade de energia (gás carbônico e água). É como se a glicose fosse “desmontada”. Esses resíduos são oxidados ou “queimados” liberando energia.
A respiração celular ocorre principalmente nas mitocôndrias e pode ser representada pela equação seguinte:
Glicose + Oxigênio => Gás Carbônico + Água + Energia
A glicose deve ser “desmontada” gradativamente. Assim, a respiração aeróbica compreende, basicamente, três fases: Glicólise, Ciclo de Krebs e Cadeia Respiratória.
A – Glicólise
Todas as etapas da glicólise acontecem no citoplasma. Inicialmente a molécula de glicose recebe dois grupos fosfato, convertendo-se em frutose 1,6-P:
Glicose + 2 ATP => frutose 1,6-P + 2 ADP
A seguir, essa molécula é fragmentada em duas, com três átomos de carbono cada, denominada ácido pirúvico (C3H4O3).
Frutose 1,6-P + 4 ADP => 2 ácidos pirúvicos + 4 ATP
Para ser ativada e tornar-se reativa, a célula consome 2 ATP. No entanto, a energia química liberada no rompimento das ligações químicas da glicose permite a síntese de 4 ATP. Portanto, a glicólise apresenta um saldo energético positivo de 2 ATP (o rompimento das ligações da glicose liberam 4ATP, ocorre gasto de 2 ATP, sobram 2 ATP).
Nessa quebra, duas moléculas de NAD (nicotinamida – adenina – dinucleotídeo) recolhem átomos de hidrogênio com elétrons ricos em energia, convertendo-se em duas moléculas de NADH. Essa duas moléculas de NADH irão levar esses átomos de hidrogênio para o interior das mitocôndrias (2 moléculas de NADH formadas).
Em seguida, uma nova oxidação transforma cada molécula de ácido pirúvico em uma molécula de acetil coenzima-A (ou acetil Co-A). Nessa passagem mais duas moléculas de NAD se convertem em NADH (mais 2 moléculas de NADH formadas, totalizando agora 4 NADH).
2 ácido pirúvicos + 2 Co-A + 2 NAD => 2 acetil Co-A + 2 NADH + 2 CO2
Saldo
Até a presente etapa, a partir de uma molécula de glicose, foram formadas 2 CO2 (gás carbônico), 2 acetil Co-A, 2 ATP e 4 NADH.
Atenção!
A transformação do ácido pirúvico em acetil Co-A se dá na membrana mitocondrial. Portanto, todas as etapas posteriores irão ocorrer no interior da mitocôndria e não mais no citoplasma.
B – Ciclo de Krebs
Também chamado de Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo dos Ácidos Tricarboxílicos. Todas as etapas desse ciclo ocorrem na mitocôndria, mais precisamente na matriz mitocondrial.
Nesse ciclo, os átomos de hidrogênio (ricos em energia) do acetil Co-A são removidos. Com isso, ocorre a liberação de átomos de carbono na forma de CO2 (produto estável da respiração aeróbica), que deixa a célula. Cada molécula de acetil Co-A promove uma volta no ciclo.
As principais etapas serão representadas a seguir. Não há necessidade de memorizá-las.
Inicialmente, a molécula de acetil Co-A se funde a uma molécula de ácido Oxalacético. A molécula resultante da fusão é o ácido cítrico (com 6 carbonos). Em algumas etapas do ciclo são perdidos átomos de carbono e de hidrogênio.
Os átomos de carbono entram na formação do CO2, liberado pela célula. Os átomos de hidrogênio são recolhidos pelo NAD, anteriormente citado e pelo FAD (flavina-adenina-dinucleotídeo). Em uma das etapas da sequência, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP se converta em ATP.
Portanto, em cada volta do ciclo, são formados 2 CO2, 1 ATP, 3 NADH e 1 FADH. Como cada molécula de glicose origina duas moléculas de acetil Co-A, permite que o ciclo seja adicionado duas vezes.
Saldo
No total o ciclo de Krebs produz, por molécula de glicose: 4 CO2, 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH.
As moléculas de CO2 são liberadas pela célula, juntamente com as geradas na glicólise, totalizando seis moléculas. As duas moléculas de ATP tornam-se disponíveis para o uso da célula. As seis moléculas de NADH e as duas de FADH irão levar os átomos de hidrogênio para a cadeia respiratória.
C – Cadeia Respiratória
Também conhecida como cadeia transportadora de elétrons, é a última etapa da respiração aeróbica e é composta por uma série de enzimas, os citocromos. Todos eles estão presentes junto das cristas mitocondriais, onde a cadeia respiratória acontece.
Os citocromos são proteínas dotadas de um anel central com íons ferro. Quando um citocromo recebe um par de elétrons, os seus íons Fe +++ se transformam em Fe++. Quando o par de elétrons é cedido para o citocromo seguinte, os íons ferro retornam ao seu estado inicial.
Os pares de elétrons provenientes dos átomos de hidrogênio ao passarem de um para o outro, vão liberando energia. Ao mesmo tempo, os prótons H+ circulam pelo espaço existente entre as membranas interna e externa das mitocôndrias.
Em algumas etapas da passagem de pares de elétrons pela cadeia, a energia liberada é suficiente para que uma molécula de ADP seja ligada a um grupo fosfato formando uma molécula de ATP.
Como a fosforilação se faz graças à energia proveniente da oxidação da glicose, chamamos de fosforilação oxidativa.
Na cadeia respiratória, os elétrons provenientes dos átomos de hidrogênio, transportados pelo NADH, possibilitam a produção de três moléculas de ATP. Já os elétrons transportados pelo FADH, permitem a produção de apenas duas moléculas.
Depois que passam pela cadeia transportadora, os pares de elétrons são recolhidos pelo oxigênio, juntamente com seus respectivos prótons, formando moléculas de água.
Na cadeia respiratória, o aceptor final de elétrons é o oxigênio. Na falta dele, os outros componentes da cadeia passam a reter elétrons, cessando a produção de ATP e causando a morte da célula por falência energética.
Saldo Final
Balanço Energético da Respiração Aeróbica
Atualmente, considera-se como correto que uma molécula de glicose produz, na respiração aeróbica, 36 moléculas de ATP.
Equação Geral da Respiração Aeróbica
Glicose + 6 O2 + 36 ADP => 6 CO2 + 6 H2O + 36 ATP
II – Respiração Anaeróbica
Nas células, o tipo de respiração anaeróbica realizada é denominada fermentação. Nesse processo, a célula obtém energia a partir da oxidação incompleta da molécula de glicose, sem a utilização de oxigênio.
Na fermentação, os aceptores finais dos átomos de hidrogênio são compostos orgânicos originados na glicólise e o rendimento energético é menor que na respiração aeróbica.
A fermentação pode ser de dois tipos, e em ambos há a produção de duas moléculas de ATP ao final do processo: Fermentação Alcoólica e Fermentação Lática.
A – Fermentação Alcoólica
Na fermentação alcoólica, a glicose inicialmente sofre a glicólise, originando duas moléculas de ácido pirúvico, dois NADH2 e um saldo energético positivo de duas moléculas ATP.
Cada molécula de ácido pirúvico perde um CO2 (ou se “descarboxila”), originando aldeído acético que atua como receptor dos hidrogênios só NADH2 formando
o álcool etílico (dois carbonos), produto final desse tipo de fermentação.
B – Fermentação Lática
Do mesmo modo que na fermentação alcoólica, no processo de fermentação lática a glicose sofre glicólise, originando duas moléculas de ácido pirúvico, dois NADH2 e duas moléculas de ATP.
O ácido pirúvico age como aceptor dos átomos de hidrogênio e se converte em ácido lático. Como não ocorre a descarboxilação do ácido pirúvico, não há formação de CO2.
A fermentação de energia dos seres vivos é lática é realizada por micro-organismos (certas bactérias, fungos e protozoários) e por certos animais. Um exemplo de microrganismo fermentador são os Lactobacillus, bactérias utilizadas no processo de fabricação de queijos, coalhadas e iogurtes. Eles convertem a lactose (açúcar do leite) em ácido lático. O ácido lático reduz o pH, provocando a precipitação das proteínas do leite, formando o coalho no processo de energia dos seres vivos.
Saldo Final
Tanto na fermentação alcoólica quanto na fermentação lática, o saldo energético ao final do processo é de duas moléculas de ATP por molécula de glicose.
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