Como as Células Produzem Energia: Respiração e Fermentação

A maioria dos seres vivos produz ATP por meio da respiração celular, processo de oxidação em que o gás oxigênio atua como agente oxidante nas moléculas orgânicas. Nesse processo, moléculas de ácidos graxos e glicídios, principalmente glicose, são degradadas, formando moléculas de gás carbônico (CO2). Ocorre também liberação de energia, utilizada na produção de moléculas de ATP a partir de ADP e Pi.

A equação geral da respiração aeróbica da glicose, de acordo com dados recentes, é:

C6H12O6 + 6 O2 + 30 ADP -> 6 CO2 + 6 H2O + 30 ATP

A respiração celular da glicose ocorre em três etapas metabólicas: glicólise, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa. Nas células eucarióticas, a glicólise ocorre no citosol, enquanto o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa ocorrem no interior das mitocôndrias.

Glicólise

Acontece no citosol, em que uma molécula de glicose é quebrada em duas de ácido pirúvico (C3H4O3), com saldo positivo de duas moléculas de ATP. A glicólise é uma etapa anaeróbica do processo de degradação da glicose, uma vez que não necessita de gás oxigênio para ocorrer. As etapas seguintes são aeróbicas e só ocorrem se houver gás oxigênio suficiente. Para iniciar o processo de glicólise são consumidas duas moléculas de ATP; ao final do processo formam-se 4 moléculas de ATP, um rendimento líquido de 2 ATP por molécula de glicose metabolizada. No processo também participam 2 moléculas de NAD+; cada uma delas captura 2 elétrons energizados e um íon H+ provenientes da glicose, formando-se 2 moléculas de NADH. Além disso, mais 2 íons H+ são liberados para o citosol.

Ciclo de Krebs

O ácido pirúvico produzido na glicólise é transportado para dentro da mitocôndria e, na matriz mitocondrial, reage imediatamente com uma substância denominada coenzima A (CoA). Dois ácidos pirúvicos provenientes da glicólise; cada um formará um ciclo de Krebs. Nessa reação é produzida uma molécula de acetilcoenzima A (acetil-CoA) e uma molécula de gás carbônico (CO2). Esse gás carbônico, que começou como glicose, é o que você soltará durante o processo de hematose. Dela também participa uma molécula de NAD+, que se transforma em NADH ao capturar 2 elétrons de alta energia e 1 dos 2 íons H+ liberados na reação.

Ácido pirúvico + CoA + NAD+ -> Acetil-CoA + NADH + CO2 + H+

Em resumo, no ciclo de Krebs são formados: 2 CO2 + 3 NADH + 1 FADH2 + 1 GTP (equivalente a um ATP).

Cadeia Respiratória (Fosforilação Oxidativa)

Nas cristas mitocondriais há elétrons como meio para bombear H+ e produzir muito ATP. Os FADH2 e NADH produzidos durante a glicólise e o ciclo de Krebs agora perderam seus hidrogênios. Os elétrons dos FADH2 e NADH ligam-se à cadeia transportadora de elétrons ou cadeia respiratória. Isto faz com que o H+ seja bombeado do interior da mitocôndria para o espaço intermembrana. Esse espaço que o H+ usa para passar do interior para o espaço intermembrana é denominada ATP sintase, é comparável à turbina de uma usina hidrelétrica: ela possui um rotor interno que gira, movido pela passagem de íons H+, produzindo energia para unir fosfatos inorgânicos ao ADP, transformando em ATP. De volta ao interior da mitocôndria, os íons H+ combinam-se com os elétrons transportados pela cadeia respiratória e com átomos provenientes do gás oxigênio, formando moléculas de água (H2O).

2 NADH + 2 H+ + O2 -> 2 NAD+ + 4 H2O

2 FADH2 + O2 -> 2 FAD + 2 H2O

Fermentação

É um processo de obtenção de energia em que substâncias orgânicas do alimento são degradadas parcialmente, originando moléculas menores. A fermentação é utilizada por muitos fungos e bactérias que vivem em ambientes pobres em gás oxigênio. Além disso, nossas próprias células executam fermentação se faltar gás oxigênio para a respiração celular. Na fermentação láctica, o ácido pirúvico transforma-se em ácido láctico. O ácido láctico causa abaixamento do pH do leite (maior acidez), o que leva à coagulação das proteínas e formação de um coalho sólido, utilizado na fabricação de queijos. Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico transforma-se em etanol (álcool etílico) e gás carbônico. Esse tipo de fermentação é realizada pelo fungo Saccharomyces cerevisiae, uma levedura conhecida popularmente como fermento-de-padaria ou levedo de cerveja.