Respiração celular: definição, equação e etapas

O filósofo Bertrand Russell disse: "Todo ser vivo é uma espécie de imperialista, buscando transformar o máximo possível de seu ambiente em si mesmo. "Metáforas à parte, a respiração celular é a maneira formal pela qual os seres vivos fazem esta. A respiração celular leva substâncias capturadas do ambiente externo (fontes de ar e carbono) e converte-os em energia para construir mais células e tecidos e para realizar a manutenção da vida Atividades. Também gera resíduos e água. Isso não deve ser confundido com "respiração" no sentido comum, que geralmente significa a mesma coisa que "respiração". Respirar é como organismos adquirem oxigênio, mas isso não é o mesmo que processar oxigênio, e a respiração não pode fornecer o carbono também necessário para respiração; a dieta cuida disso, pelo menos nos animais.

A respiração celular ocorre em plantas e animais, mas não em procariotos (por exemplo, bactérias), que não têm mitocôndrias e outras organelas e, portanto, não podem fazer uso de oxigênio, limitando-as à glicólise como uma energia fonte. As plantas são talvez mais comumente associadas à fotossíntese do que à respiração, mas a fotossíntese é a fonte de oxigênio para a respiração das células vegetais, bem como uma fonte de oxigênio que sai da planta e pode ser usada por animais. O subproduto final em ambos os casos é o ATP, ou trifosfato de adenosina, o principal transportador de energia química nos seres vivos.

A respiração celular, muitas vezes chamada de respiração aeróbica, é a quebra completa da molécula de glicose na presença de oxigênio para produzir dióxido de carbono e água:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ + 38 ADP +38 P -> 6CO₂ + 6H₂O + 38 ATP + 420 Kcal

Esta equação tem um componente de oxidação (C₆H₁₂O₆ -> 6CO₂), essencialmente uma remoção de elétrons na forma de átomos de hidrogênio. Ele também tem um componente de redução, 6O₂ -> 6H₂O, que é a adição de elétrons na forma de hidrogênio.

O que a equação como um todo se traduz é que a energia mantida nas ligações químicas dos reagentes é usado para conectar difosfato de adenosina (ADP) a átomos de fósforo livres (P) para gerar trifosfato de adenosina (ATP).

O processo como um todo envolve várias etapas: a glicólise ocorre no citoplasma, seguida pelo Krebs ciclo e a cadeia de transporte de elétrons na matriz mitocondrial e na membrana mitocondrial respectivamente.

O primeiro passo na quebra da glicose em plantas e animais é uma série de 10 reações conhecidas como glicólise. A glicose entra nas células animais de fora, por meio de alimentos que são quebrados em moléculas de glicose que circulam no sangue e são absorvidos pelos tecidos onde a energia é mais necessária (incluindo o cérebro). As plantas, em contraste, sintetizam glicose a partir da absorção de dióxido de carbono de fora e usando a fotossíntese para converter o CO₂ à glicose. Nesse ponto, independentemente de como tenha chegado lá, todas as moléculas de glicose estão comprometidas com o mesmo destino.

No início da glicólise, a molécula de glicose de seis carbonos é fosforilada para aprisioná-la dentro da célula; os fosfatos são carregados negativamente e, portanto, não podem flutuar através da membrana celular como as moléculas não polares e não carregadas às vezes podem. Uma segunda molécula de fosfato é adicionada, o que torna a molécula instável, e logo ela é clivada em dois compostos não idênticos de três carbonos. Estes logo assumem a forma química adquirida e são reorganizados em uma série de etapas para, em última análise, produzir duas moléculas de piruvato. Ao longo do caminho, duas moléculas de ATP são consumidas (elas fornecem os dois fosfatos adicionados à glicose no início) e quatro são produzidos, dois por cada processo de três carbonos, para produzir uma rede de duas moléculas de ATP por molécula de glicose.

Nas bactérias, a glicólise por si só é suficiente para as necessidades de energia da célula - e, portanto, de todo o organismo. Mas em plantas e animais, esse não é o caso, e com o piruvato, o destino final da glicose mal começou. Deve-se notar que a glicólise em si não requer oxigênio, mas o oxigênio é geralmente incluído em discussões sobre a respiração aeróbica e, portanto, a respiração celular, porque é necessária para sintetizar piruvato.

Um equívoco comum entre os entusiastas da biologia é que os cloroplastos têm a mesma função nas plantas que as mitocôndrias nos animais e que cada tipo de organismo tem apenas um ou outro. Não é assim. As plantas têm cloroplastos e mitocôndrias, enquanto os animais têm apenas mitocôndrias. As plantas usam cloroplastos como geradores - eles usam uma pequena fonte de carbono (CO₂) para construir um maior (glicose). As células dos animais obtêm sua glicose quebrando macromoléculas como carboidratos, proteínas e gorduras e, portanto, não precisam criar glicose de dentro para fora. Isso pode parecer estranho e ineficiente no caso das plantas, mas as plantas desenvolveram uma característica que os animais não desenvolveram: a capacidade de aproveitar a luz solar para uso direto em funções metabólicas. Isso permite que as plantas literalmente façam seus próprios alimentos.

Acredita-se que as mitocôndrias tenham sido um tipo de bactéria autônoma há muitas centenas de milhões de anos, uma teoria apoiada por seus notável semelhança estrutural com bactérias, bem como sua maquinaria metabólica e a presença de seu próprio DNA e organelas chamadas ribossomos. Os eucariotos surgiram há mais de um bilhão de anos, quando uma célula conseguiu engolfar outra (a hipótese do endossimbionte), levando a um arranjo que foi muito benéfico para o engulfer neste arranjo por causa da expansão da produção de energia capacidades. As mitocôndrias consistem em uma membrana plasmática dupla, como as próprias células; a membrana interna inclui dobras chamadas cristas. A porção interna da mitocôndria é conhecida como matriz e é análoga ao citoplasma de células inteiras.

Os cloroplastos, como as mitocôndrias, têm membranas externa e interna e seu próprio DNA. Dentro do espaço delimitado por uma membrana interna encontra-se uma variedade de bolsas membranosas interconectadas, em camadas e cheias de líquido, chamadas tilacóides. Cada "pilha" de tilacóides forma um granum (plural: grana). O fluido dentro da membrana interna que envolve o grana é chamado de estroma.

Os cloroplastos contêm um pigmento chamado clorofila que dá às plantas sua coloração verde e serve como um coletor de luz solar para a fotossíntese. A equação para fotossíntese é exatamente o reverso daquela da respiração celular, mas as etapas individuais para começar dióxido de carbono para glicose de forma alguma se assemelha às reações reversas da cadeia de transporte de elétrons, o ciclo de Krebs e glicolise.

Nesse processo, também chamado de ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) ou ciclo do ácido cítrico, as moléculas de piruvato são primeiro convertidas em moléculas de dois carbonos chamadas de acetil coenzima A (acetil CoA). Isso libera uma molécula de CO₂. As moléculas de acetil CoA então entram na matriz mitocondrial, onde cada uma delas se combina com uma molécula de oxaloacetato de quatro carbonos para formar ácido cítrico. Portanto, se você estiver fazendo uma contabilidade cuidadosa, uma molécula de glicose resulta em duas moléculas de ácido cítrico no início do ciclo de Krebs.

O ácido cítrico, uma molécula de seis carbonos, é reorganizado em isocitrato e, em seguida, um átomo de carbono é removido para formar o cetoglutarato, com um CO₂ saindo do ciclo. O cetoglutarato, por sua vez, é despojado de outro átomo de carbono, gerando outro CO₂ e succinato e também formando uma molécula de ATP. A partir daí, a molécula de succinato de quatro carbonos é transformada sequencialmente em fumarato, malato e oxaloacetato. Essas reações veem íons de hidrogênio removidos dessas moléculas e aderidos a portadores de elétrons de alta energia NAD + e FAD + para formar NADH e FADH₂ respectivamente, que é essencialmente energia "criação" disfarçada, como você verá em breve. No final do ciclo de Krebs, a molécula de glicose original deu origem a 10 NADH e dois FADH₂ moléculas.

As reações do ciclo de Krebs produzem apenas duas moléculas de ATP por molécula original de glicose, uma para cada "volta" do ciclo. Isso significa que além dos dois ATP produzidos na glicólise, após o ciclo de Krebs, o resultado é um total de quatro ATP. Mas os resultados reais da respiração aeróbica ainda não se revelaram neste estágio.

A cadeia de transporte de elétrons, que ocorre nas cristas da membrana mitocondrial interna, é a primeira etapa da respiração celular que depende explicitamente do oxigênio. O NADH e FADH₂ produzidos no ciclo de Krebs estão agora posicionados para contribuir para a liberação de energia de uma maneira importante.

A forma como isso acontece é que os íons de hidrogênio armazenados nessas moléculas transportadoras de elétrons (um íon de hidrogênio pode, por presentes, ser considerado como um par de elétrons em termos de sua contribuição para esta parte da respiração) são usados ​​para criar uma gradiente quimiosmótico. Talvez você já tenha ouvido falar de um gradiente de concentração, no qual as moléculas fluem de regiões de maior concentração para áreas de concentração mais baixa, como um cubo de açúcar se dissolvendo na água e as partículas de açúcar se dispersando ao longo. Em um gradiente quimiosmótico, no entanto, os elétrons de NADH e FADH₂ acabam sendo repassados ​​por proteínas embutidas na membrana e servindo como sistemas de transferência de elétrons. A energia liberada neste processo é usada para bombear íons de hidrogênio através da membrana e criar um gradiente de concentração através dela. Isso leva a um fluxo líquido de átomos de hidrogênio em uma direção, e esse fluxo é usado para alimentar uma enzima chamada ATP sintase, que produz ATP a partir de ADP e P. Pense na cadeia de transporte de elétrons como algo que coloca um grande peso de água atrás de uma roda d'água, cuja rotação subsequente é usada para construir coisas.

Este, não por acaso, é o mesmo processo usado nos cloroplastos para aumentar a síntese de glicose. A fonte de energia para a criação de um gradiente através da membrana do cloroplasto, neste caso, não é NADH e FADH₂, mas a luz do sol. O fluxo subsequente de íons de hidrogênio na direção de menor concentração de íons H + é usado para alimentar a síntese de moléculas de carbono maiores a partir de moléculas menores, começando com CO₂ e terminando com C₆H₁₂O₆.

A energia que flui do gradiente quimiosmótico é usada para alimentar não apenas a produção de ATP, mas outros processos celulares vitais, como a síntese de proteínas. Se a cadeia de transporte de elétrons for interrompida (como ocorre com a privação de oxigênio prolongada), este gradiente de prótons não pode ser mantido e a produção de energia celular para, assim como uma roda d'água para de fluir quando a água ao seu redor não tem mais fluxo de pressão gradiente.

Porque cada molécula de NADH demonstrou experimentalmente produzir cerca de três moléculas de ATP e cada FADH₂ produz duas moléculas de ATP, a energia total liberada pela reação em cadeia de transporte de elétrons é (referindo-se à seção anterior) 10 vezes 3 (para NADH) mais 2 vezes 2 (para FADH₂) para um total de 34 ATP. Adicione isso ao 2 ATP da glicólise e ao 2 do ciclo de Krebs, e é daí que vem o valor de 38 ATP na equação para respiração aeróbica.