Qual é o papel da glicose na respiração celular?

A vida na Terra é extraordinariamente diversa, desde a menor bactéria que vive em fontes termais até os imponentes elefantes de várias toneladas que vivem na Ásia. Mas todos os organismos (coisas vivas) têm várias características básicas em comum, entre elas a necessidade de moléculas das quais derivar energia. O processo de extração de energia de fontes externas para crescimento, reparo, manutenção e reprodução é conhecido como metabolismo.

Todos os organismos consistem em pelo menos um célula (seu próprio corpo inclui trilhões), que é a menor entidade irredutível que inclui todas as propriedades atribuídas à vida usando as definições convencionais. O metabolismo é uma dessas propriedades, assim como a capacidade de se replicar ou reproduzir de outra forma. Cada célula do planeta pode e faz uso de glicose, sem o qual a vida na Terra nunca teria existido ou seria muito diferente.

A glicose tem a fórmula C₆H₁₂O₆, dando à molécula uma massa molecular de 180 gramas por mol. (Todos os carboidratos têm a fórmula geral C

A glicose na natureza existe como um anel de seis átomos, representado como hexagonal na maioria dos textos. Cinco dos átomos de carbono estão incluídos no anel junto com um dos átomos de oxigênio, enquanto o sexto átomo de carbono é parte de um grupo hidroximetil (-CH₂OH) ligado a um dos outros carbonos.

Aminoácidos, como a glicose, são monômeros proeminentes na bioquímica. Assim como glicogênio é montado a partir de longas cadeias de glicose, as proteínas são sintetizadas a partir de longas cadeias de aminoácidos. Embora existam 20 aminoácidos distintos com inúmeras características em comum, a glicose vem em apenas uma forma molecular. Assim, a composição do glicogênio é essencialmente invariante, enquanto as proteínas variam muito de uma para outra.

O metabolismo da glicose para produzir energia na forma de trifosfato de adenosina (ATP) e CO₂ (dióxido de carbono, um produto residual nesta equação) é conhecido como respiração celular. O primeiro dos três estágios básicos da respiração celular é glicolise, uma série de 10 reações que não requerem oxigênio, enquanto os dois últimos estágios são os ciclo de Krebs (também conhecido como o ciclo do ácido cítrico) e o cadeia de transporte de elétrons, que requerem oxigênio. Juntos, esses dois últimos estágios são conhecidos como respiração aeróbica.

A respiração celular ocorre quase inteiramente em eucariotos (animais, plantas e fungos). Procariontes (os domínios principalmente unicelulares que incluem bactérias e arquéias) derivam energia da glicose, mas quase sempre da glicólise sozinha. A implicação é que as células procarióticas podem gerar apenas cerca de um décimo da energia por molécula de glicose que as células eucarióticas podem, como será detalhado posteriormente.

"Respiração celular" e "respiração aeróbica" são freqüentemente usadas indistintamente quando se discute o metabolismo das células eucarióticas. Entende-se que a glicólise, embora seja um processo anaeróbico, quase invariavelmente segue para as duas últimas etapas da respiração celular. Independentemente disso, para resumir o papel da glicose na respiração celular: Sem ela, a respiração pára e segue-se a perda de vidas.

Enzimas são proteínas globulares que agem como catalisadores em reações químicas. Isso significa que essas moléculas ajudam a acelerar as reações que, de outra forma, continuariam sem as enzimas, mas muito mais lentamente - às vezes por um fator bem acima de mil. Quando as enzimas atuam, elas não são alteradas no final da reação, enquanto as moléculas sobre as quais atuam, chamadas substratos, são alteradas por design, com reagentes como a glicose transformada em produtos como o CO₂.

A glicose e o ATP têm alguma semelhança química entre si, mas usando a energia armazenada nas ligações do a primeira molécula para alimentar a síntese da última molécula requer consideráveis ​​acrobacias bioquímicas em a célula. Quase todas as reações celulares são catalisadas por uma enzima específica, e a maioria das enzimas são específicas para uma reação e seus substratos. A glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons, combinados, apresentam cerca de duas dezenas de reações e enzimas.

Quando a glicose entra em uma célula por difusão através da membrana plasmática, ela é imediatamente anexada a um grupo fosfato (P), ou fosforilado. Isso aprisiona a glicose na célula devido à carga negativa do P. Esta reação, que produz glicose-6-fosfato (G6P), ocorre sob a influência da enzima hexoquinase. (A maioria das enzimas termina em "-ase", o que torna bastante fácil saber quando você está lidando com uma no mundo da biologia.)

A partir daí, G6P é reorganizado em um tipo fosforilado do açúcar frutose, e então outro P é adicionado. Logo depois, a molécula de seis carbonos é dividida em duas moléculas de três carbonos, cada uma com um grupo fosfato; estes logo se organizam na mesma substância, gliceraldeído-3-fosfato (G-3-P).

Cada molécula de G-3-P passa por uma série de etapas de rearranjo para ser convertida na molécula de três carbonos piruvato, produzindo duas moléculas de ATP e uma molécula do transportador de elétrons de alta energia NADH (reduzido do dinucleotídeo de adenina nicotinamida, ou NAD +) no processo.

A primeira metade da glicólise consome 2 ATP nas etapas de fosforilação, enquanto a segunda metade produz um total de 2 piruvato, 2 NADH e 4 ATP. Em termos de produção de energia direta, glicólise, portanto, resulta em 2 ATP por molécula de glicose. Isso, para a maioria dos procariontes, representa o limite efetivo da utilização da glicose. Em eucariotos, o show de respiração celular de glicose apenas começou.

As moléculas de piruvato então se movem do citoplasma da célula para o interior das organelas chamadas mitocôndria, que são envolvidos por sua própria membrana plasmática dupla. Aqui, o piruvato é dividido em CO₂ e acetato (CH₃COOH-), e o acetato é agarrado por um composto da classe das vitaminas B chamado coenzima A (CoA) para se tornar acetil CoA, um importante intermediário de dois carbonos em uma série de reações celulares.

Para entrar no ciclo de Krebs, o acetil CoA reage com o composto de quatro carbonos oxaloacetato formar citrato. Como o oxaloacetato é a última molécula criada na reação de Krebs, bem como um substrato na primeira reação, a série recebe a descrição de "ciclo". O ciclo inclui um total de oito reações, que reduzem o citrato de seis carbonos a uma molécula de cinco carbonos e depois a uma série de intermediários de quatro carbonos antes de chegar novamente a oxaloacetato.

Cada molécula de piruvato que entra no ciclo de Krebs resulta na produção de mais dois CO₂, 1 ATP, 3 NADH e uma molécula de um transportador de elétrons semelhante ao NADH chamado flavina adenina dinucleotídeoou FADH₂.

• O ciclo de Krebs só pode prosseguir se a cadeia de transporte de elétrons estiver operando a jusante para pegar o NADH e o FADH₂ ele gera. Assim, se não houver oxigênio disponível para a célula, o ciclo de Krebs é interrompido.

O NADH e FADH₂ mover para a membrana mitocondrial interna para este processo. O papel da rede é o fosforilação oxidativa de moléculas de ADP para se tornarem ATP. Os átomos de hidrogênio dos portadores de elétrons são usados ​​para criar um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial. A energia desse gradiente, que depende do oxigênio para finalmente receber os elétrons, é aproveitada para alimentar a síntese de ATP.

Cada molécula de glicose contribui com qualquer coisa de 36 a 38 ATP através da respiração celular: 2 na glicólise, 2 no ciclo de Krebs e 32 a 34 (dependendo de como isso é medido no laboratório) no transporte de elétrons cadeia.