Respiração Celular: onde ocorre, etapas e os produtos finais

Os seres vivos precisam realizar inúmeros processos celulares para sobreviver às condições adversas no ambiente em que vivem. 

Essas reações metabólicas permitem que os músculos se contraiam para locomoção, que o corpo produza células imunes para reconhecer e eliminar organismos e compostos que apresentam risco para o indivíduo, entre outras atividades. 

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Para que ocorram muitas dessas reações é preciso de energia. E a energia nas células é proveniente da molécula de ATP que é sintetizada a partir da degradação de moléculas orgânicas (carboidratos e lipídios).

O ATP (Adenosina Trifosfato) é um nucleotídeo constituído por três íons fosfatos ligados covalentemente a um nucleosídeo. Essa ligação entre os íons fosfato armazena grande quantidade de energia que, quando quebrada, fornece energia para o desempenho de outros processos metabólicos.

A síntese de ATP é um dos processos celulares mais importantes, pois praticamente todas as demais reações metabólicas dependem da energia contida nessas moléculas. 

Sua síntese pode ocorrer de forma aeróbica (dependendo de O2) como na respiração celular ou ainda de forma anaeróbica (não dependendo de O2) através do de fermentação.

A respiração celular é um conjunto de três etapas relacionadas que, além da molécula de ATP, gera também Dióxido de Carbono (CO2) e Água (H2O). Um elevado número de reações químicas intermediárias ocorre ao longo do processo de respiração celular até a formação dos produtos finais:

Descarboxilação

Reação de Remoção de grupos carboxila gerando CO2 que no caso dos organismos heterótrofos é eliminado para o ambiente.

Desidrogenação

Perda de átomos de hidrogênio, que são capturadas por outras moléculas, característica de um processo de oxidação.

Fosforilação

Adição de grupamento fosfato em uma molécula. No caso da respiração celular o fosfato é adicionado ao nucleosídeo Adenosina formando o de ATP.

A primeira fase da respiração é chamada de glicólise e ocorre no citosol celular. As demais etapas da respiração vão acontecer dentro das mitocôndrias, organelas compostas de duas membranas e que são responsáveis pela síntese de ATP. 

A segunda etapa é chamada de Ciclo de Krebs e ocorre na região chamada de matriz mitocondrial, o espaço interno da organela, dentro das duas membranas. 

A terceira etapa é conhecida como cadeia transportadora de elétrons vai acontecer nas invaginações contidas na membrana interna da mitocôndria em uma região chamada de cristas mitocondriais.

A primeira etapa da respiração celular é conhecida por ser a etapa anaeróbica da respiração, pois não depende de oxigênio para ocorrer. 

A etapa consiste que quebrar uma molécula de glicose (C6H12O6) oriunda da alimentação ou da quebra do glicogênio. Essa glicose é absorvida pelas células que precisam sintetizar o ATP e, no próprio citosol, é quebrada gerando duas moléculas de ácido pirúvico também chamado de piruvato (C3H4O3).

A glicólise consiste em dez reações para que o ácido pirúvico seja formado como produto final. Logo no início, a glicose recebe dois grupos fosfato oriundos da quebra de dois ATPs formando a molécula frutose-1,6-bifosfato que não é tão estável quanto a molécula de glicose, sendo mais fácil sua quebra ao longo da etapa.

Além das duas moléculas de ácido pirúvico geradas, também são geradas quatro moléculas de ATP, porém como a etapa consome dois ATPs na reação inicial, o saldo positivo é de dois ATPs gerados.

Durante a glicólise, há a liberação de quatro átomos de hidrogênio que se ligam a moléculas conhecidas como NAD+, tornando-se NADH + H+. 

O NAD+ é conhecido como carreador intermediário de elétrons, pois sua função é capturar os íons liberados da quebra das ligações covalentes e transferi-los para outro aceptor (aceptor final de elétrons). Esses íons transportam os elétrons que serão utilizados também para sintetizar de ATP.

Produtos da Glicólise

• 2 Ácidos Pirúvicos;
• 2 ATPs (4, porém dois são consumidos na própria etapa);
• 2 NADH + H+.

Antes de entrar no Ciclo de Krebs, o ácido pirúvico precisa sofrer algumas transformações para conseguir chegar até a matriz mitocondrial. 

Assim que passa pela membrana externa da mitocôndria, o ácido pirúvico sofre descarboxilação tornando-se acetil, liberando uma molécula de CO2 além de um aceptor NADH+H+. 

O acetil se liga a uma enzima chamada Coenzima-A tornando o complexo Acetil-CoA que consegue entrar na matriz mitocondrial. Dentro da matriz, o acetil-CoA reage com o Ácido Oxalacético, a coenzima-A é liberada e o produto formado é o Ácido Cítrico que, finalmente, inicia o ciclo de Krebs

Também chamado de Ciclo de Ácido Cítrico, pois o substrato utilizado é o próprio ácido cítrico gerado da união do Acetil-CoA com o ácido oxalacético.

O Ciclo é composto por oito reações em que a molécula de ácido cítrico vai perdendo carbono na forma de CO2 e liberando elétrons na forma de íons H+ que são coletados por aceptores intermediários. 

Cada molécula de ácido cítrico que entra no ciclo libera energia suficiente para a formação de uma molécula de ATP, três NADH+H+ e uma molécula de FADH2 (outro aceptor intermediário de elétrons).

No final do Ciclo de Krebs, após a formação da última molécula de NADH+H+ o produto final gerado é o ácido oxalacético que está pronto para reagir com a próxima molécula de Acetil-CoA que entrará na matriz mitocondrial. Dessa forma, enquanto houver Acetil-CoA na matriz, ocorrerá Ciclo de Krebs.

Produtos do Ciclo de Krebs (por molécula de acetil-CoA que entra na matriz)

• 1 Ácido Oxalacético;
• 1 ATP;
• 3 NADH + H+;
• 1 FADH2;
• 2 CO2.

Também chamada de cadeia respiratória ou fosforilação oxidativa. Essa etapa ocorre nas cristas mitocondriais formadas pelas invaginações presentes na membrana interna da mitocôndria. 

Nessas cristas há um conjunto de proteínas de membrana que, através de uma bomba de prótons, transferem os átomos de hidrogênio e seus elétrons presentes nos carreadores de NADH+ e FADH2.

Os elétrons são transportados para a matriz mitocondrial enquanto que os íons H+ são transferidos para o espaço intermembrana da mitocôndria (entre as duas membranas da organela). 

Essa transferência e separação de íons e elétrons geram um gradiente de cargas em que a matriz mitocondrial fica com carga negativa e o espaço intermembranas fica com carga positiva.

De acordo com a química, cargas opostas se atraem promovendo um retorno dos íons H+ para a matriz mitocondrial. Parte dessa energia oriunda da atração e do retorno do H+ por meio de um transportador é utilizada para produzir moléculas de ATP.

Os demais íons H+ liberados no processos se unem ao oxigênio gerando água (H2O), fazendo com que o oxigênio seja o aceptor final de elétrons.

Saldo da cadeia transportadora de elétrons

• 26 ATP;
• 6 H2O.

Para cada molécula de glicose, são gerados:

• Na Glicólise: 2 ATPs;
• No Ciclo de Krebs: 2 ATPs;
• Na Cadeia Respiratória: 26 ATPs.

Em bactérias aeróbias, a Glicólise e o Ciclo de Krebs ocorrem no citoplasma, enquanto que a Cadeia Respiratória ocorre nos Mesossomos (regiões de membrana equivalente as cristas mitocondriais).

Em ambientes desprovidos de Oxigênio, os organismos presentes utilizam de outros elementos para promover a cadeia respiratória. Muitas bactérias utilizam compostos como enxofre, ferro e principalmente nitrogênio como aceptor final em regiões marinhas ou muito profundas da crosta terrestre.

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