Respiração Celular: Mecanismos de Produção de Energia

Respiração Celular

• A energia utilizada pelas células eucariontes para realizar suas atividades provém da ruptura gradual de ligações covalentes de moléculas de compostos orgânicos ricos em energia. Na célula vegetal, esses compostos são sintetizados com a energia resultante da transformação de energia solar em energia química durante o processo de fotossíntese. Na fotossíntese, graças principalmente ao pigmento clorofila, processa-se a acumulação da energia solar sob a forma de ligações químicas nos hidratos de carbono, principalmente hexoses, que se polimerizam para formar amido. As hexoses originadas na fotossíntese são fonte de energia e, também, de carbono em condições de ser utilizado para a síntese de diversas macromoléculas.
• As células, porém, não utilizam diretamente a energia liberada dos hidratos de carbono e gorduras, mas utilizam um composto intermediário, o ATP, geralmente produzido graças à energia contida nas moléculas de glicose e de ácidos graxos.
• Nos animais, os ácidos graxos são, do ponto de vista quantitativo, uma fonte energética muito mais importante do que os carboidratos. Enquanto uma molécula-grama (mol) de glicose gera 38 mols de ATP, uma de ácido palmítico gera 126 mols de ATP. Um homem adulto tem energia depositada em glicogênio suficiente apenas para um dia, mas gordura (ácidos graxos) suficiente para fornecer energia durante um mês. Quando o organismo está em repouso, as células utilizam mais glicose, proveniente do glicogênio; no entanto, durante o exercício físico, há mobilização dos ácidos graxos depositados nas gorduras.
• O ATP tem duas ligações ricas em energia: quando uma delas se rompe, libera aproximadamente 10 kcal por mol.
• O citoplasma contém energia acumulada nos depósitos de moléculas de triacilglicerídeos (gorduras neutras), de moléculas de glicogênio e também, sob a forma de compostos intermediários (metabólitos) ricos em energia, dos quais o principal é o ATP, principal combustível das células. Os triacilglicerídeos e o glicogênio representam acúmulo de energia sob forma estável e concentrada, mas dificilmente acessível, ao passo que o ATP é um composto instável, que não contém energia tão concentrada, mas facilmente utilizável, pois a enzima que rompe a molécula de ATP (ATPase) é muito abundante na célula.
• Glicogênio e gorduras podem ser comparados a dinheiro no banco, e ATP a dinheiro no bolso.
• Esse processo, que consome O₂ e produz CO₂, chama-se respiração celular.
• As células utilizam dois mecanismos para retirar energia dos nutrientes: a glicólise anaeróbia, que ocorre no citosol, e a fosforilação oxidativa, que se realiza nas mitocôndrias.
• A glicólise ocorre no citosol, enquanto a produção de acetilcoenzima A e a oxidação fosforilativa se processam nas mitocôndrias. A maior produção de ATP ocorre na mitocôndria, devido à oxidação dos substratos oriundos dos nutrientes, com consumo de oxigênio e formação de água e CO₂ (respiração aeróbia), contrastando com a glicólise (respiração anaeróbia), que não consome oxigênio e produz pouco ATP.

Glicólise Anaeróbia

• Produz apenas dois mols de ATP por cada mol de glicose.
• É o processo pelo qual uma sequência de aproximadamente 11 enzimas do citosol promove transformações graduais numa molécula de glicose, sem consumo de oxigênio, produzindo duas moléculas de piruvato e liberando energia que é armazenada em duas moléculas de ATP. O ATP se forma a partir do ADP e do fosfato inorgânico (Pi) existentes no citosol.
• Essa degradação da glicose não necessita de oxigênio, razão pela qual é chamada de glicólise anaeróbia ou fermentação.
• A glicólise é um processo pouco eficiente.
• 2 ADP + 2 Pi + energia → 2 ATP

Fosforilação Oxidativa

• Cada mol de glicose produz mais 36 mols de ATP.
• O piruvato é oxidado até se formarem água e gás carbônico, com alto rendimento energético.
• A fosforilação oxidativa é aeróbia e se processa nas mitocôndrias.

Produção de Acetil-CoA

• É produzida a partir da coenzima A e de acetato originados do piruvato ou da beta-oxidação dos ácidos graxos.
• Piruvato, derivado da glicólise, e ácidos graxos atravessam as membranas mitocondriais e, na matriz da organela, geram acetato, que se liga à coenzima A para formar acetil-CoA.
• A transformação de piruvato em acetil-CoA deve-se a um sistema multienzimático da matriz mitocondrial, o complexo desidrogenase do piruvato, constituído de cópias múltiplas de três enzimas, cinco coenzimas e duas proteínas reguladoras. Esse complexo converte o piruvato em acetil-CoA, liberando CO₂, que é eliminado da mitocôndria. A acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico.
• Enzimas presentes nas duas membranas mitocondriais transferem ácidos graxos para a matriz da mitocôndria, onde eles são degradados por um ciclo de reações denominado beta-oxidação dos ácidos graxos, que remove dois átomos de carbono de cada vez, produzindo uma molécula de acetil-CoA em cada volta do ciclo. A acetil-CoA assim gerada também entra no ciclo do ácido cítrico, onde a oxidação continua.

Ciclo do Ácido Cítrico (Krebs)

• É uma sequência cíclica de reações enzimáticas na qual ocorre, graças à presença das enzimas chamadas desidrogenases, a produção gradual de elétrons e prótons.
• Os elétrons são captados por moléculas complexas como o NAD, o FAD e os citocromos, que funcionam como transportadores de elétrons, num processo de oxidorredução. O hidrogênio, resultante das reações, é liberado na matriz mitocondrial, sob a forma de prótons (H⁺).
• O ciclo do ácido cítrico tem início com a condensação da acetil-CoA, proveniente de piruvato ou de ácidos graxos, com ácido oxalacético, produzindo ácido cítrico. Ele sofre uma série de modificações e acaba produzindo ácido oxalacético, que, por sua vez, recomeça o ciclo.
• O resultado final do ciclo do ácido cítrico: graças às desidrogenases, ocorre a produção de hidrogênio, que dará prótons e elétrons. Descarboxilases levam à produção de CO₂, e no processo existe uma reação exoenergética que promove a síntese de dois mols de ATP por mol de glicose consumida. A função principal do ciclo do ácido cítrico é, portanto, produzir elétrons com alta energia e prótons, gerando CO₂. Seu rendimento energético é baixo.
• O ciclo do ácido cítrico fornece metabólitos que serão usados para a síntese de aminoácidos e hidratos de carbono.

Sistema Transportador de Elétrons

• É uma cadeia, formada por enzimas e compostos não-enzimáticos, cuja função é transportar elétrons. Dentre esses transportadores de elétrons estão os citocromos, compostos orgânicos ricos em ferro. Ao longo dessa cadeia, elétrons de alta energia são transportados, cedendo gradualmente essa energia, que é veiculada para três lugares determinados da cadeia, onde ocorre a síntese de ATP por mol de glicose consumida.
• Existem, ao longo da cadeia de oxidação fosforilativa, três locais nos quais a energia liberada pela oxidação é gradualmente transferida para o ATP graças à fosforilação do ADP. Nesses locais da cadeia, ocorre o acoplamento da liberação de energia com o seu armazenamento por fosforilação. Existem moléculas tóxicas, como o dinitrofenol, que desacoplam essa transferência de energia, bloqueando a síntese de ATP e dissipando a energia sob a forma de calor.
• Ao chegarem ao fim do sistema transportador, os elétrons ativam moléculas de oxigênio, produzindo O^- graças a um sistema enzimático, chamado citocromo-oxidase. Esse oxigênio com um elétron a mais combina-se com os prótons, produzindo água. A citocromo-oxidase é fortemente inibida pelo cianeto, razão pela qual esse composto é um tóxico muito violento.
• A respiração aeróbia produz CO₂, H₂O e energia (calor).
• Na mitocôndria, o consumo de oxigênio está relacionado à fosforilação de ADP: oxidação fosforilativa. O ADP é transferido do citosol para a mitocôndria, onde é transformado em ATP, que passa para o citosol, onde vai exercer suas funções como combustível celular. Existe, portanto, um fluxo constante de ADP para dentro e ATP para fora da mitocôndria.
• A metade da energia liberada dos nutrientes é armazenada pelas mitocôndrias em moléculas de ATP. Os outros 50% são dissipados sob a forma de calor, que é utilizado para aquecer o corpo.