O que é a respiração celular, como ocorrem suas etapas individuais e qual é o seu balanço energético? 

Respiração celular simplesmente explicada

A respiração celular (também oxidação biológica/respiração aeróbica/respiração interna) é um processo metabólico responsável pela geração de energia nas células . Gera energia na forma de ATP ( trifosfato de adenosina ) e ocorre principalmente nas mitocôndrias . 

Os subprocessos da respiração celular são:

  1. a glicólise
  2. a descarboxilação oxidativa
  3. o ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs)
  4. a cadeia respiratória

Durante a respiração celular, o açúcar simples glicose (açúcar da uva) é decomposto em vários estágios por enzimas. Como pré-requisito para o processo, o oxigênio deve estar presente . O processo produz dióxido de carbono e água. A fórmula da respiração celular pode ser representada pela seguinte equação: 

C6O6H12 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O _ _ _

O organismo pode posteriormente utilizar parte da energia assim adquirida para o funcionamento dos órgãos.Definição de respiração celular

A respiração celular é uma via metabólica catabólica (= degradante) que produz energia na forma de 30 a 32 moléculas de ATP . O dióxido de carbono e a água são formados a partir de açúcar e oxigênio em reações redox. A respiração celular é composta pelos subprocessos de glicólise, descarboxilação oxidativa, ciclo do ácido cítrico e cadeia respiratória.

Visão geral da respiração celular 

Basicamente, durante a respiração celular, um composto de alta energia, a glicose , é gradualmente decomposto (oxidado) em compostos de baixa energia. Assim , ocorrem reações redox .

equilíbrio geral da respiração celular é: 

C6O6H12 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O _ _ _

Isso libera energia na forma de ATP (trifosfato de adenosina). Decorre do fato de que nos vários processos metabólicos o ADP (difosfato de adenosina) é suplementado com um grupo fosfato (fosforilação).

As reações parciais da respiração celular são a glicólise , a descarboxilação oxidativa , o ciclo do ácido cítrico   e a cadeia respiratória . No total, 30-32 moléculas de ATP são ganhas por molécula de glicose na respiração celular . O corpo pode então usá-los como energia. 

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Nota: A respiração celular ocorre tanto em eucariotos quanto em procariontes , ou seja, células com e sem núcleo celular.

ATP (trifosfato de adenosina)

O corpo pode usar parte da energia liberada pela respiração celular para a síntese de ATP (trifosfato de adenosina ) . Esta é uma moeda de energia utilizável . A energia liberada pode então, por exemplo, possibilitar processos como a contração muscular ou processos de transporte nas membranas .

ATP é um nucleotídeo com 3 grupos fosfato . Portanto, consiste em uma base (aqui adenina), uma molécula de açúcar (ribose) e um resíduo de fosfato, de modo que o transportador de energia é semelhante aos blocos de construção do seu DNA . A ligação entre o segundo e o terceiro grupo fosfato é muito energética. Quando é dividido, ADP (difosfato de adenosina e fosfato são formados.

portador de elétrons 

A energia liberada durante a respiração celular pode ser armazenada na forma de ATP com a ajuda de transportadores de elétrons e a redução de certas coenzimas . Funciona assim:

  1. Durante a respiração celular, os elétrons são liberados nas reações de oxidação.
  2. Certas moléculas transportadoras de elétrons (oxidantes) absorvem esses elétrons e são assim reduzidas. NAD + e FAD (coenzimas) ocorrem aqui na respiração celular . NADH e FADH 2 são então formados sob carga de elétrons (redução) .
  3. Na última etapa da respiração celular, os portadores voluntariamente cedem seus elétrons ao oxigênio eletronegativo. Isso permite que ATP adicional seja gerado.

passos da respiração celular 

A respiração celular é dividida em vários subprocessos. As etapas ou fases individuais da respiração celular são as seguintes: 

  • glicolise
  • descarboxilação oxidativa
  • ciclo do ácido cítrico
  • cadeia respiratória

A seguir, explicamos os passos para você de forma breve e simples!

glicolise 

A glicólise é o primeiro passo na respiração celular . A coisa mais importante sobre este processo pode ser encontrada aqui em resumo:

  • A oxidação ocorre durante a glicólise. Duas moléculas de piruvato (C 3 H 3 O 3 ) são formadas a partir de uma molécula de glicose . É o ânion do ácido pirúvico.
  • A energia contida na glicose é armazenada na forma de ATP e nas moléculas transportadoras de elétrons NADH . 
  • O processo ocorre no citoplasma tanto em eucariotos quanto em procariontes .
  • Pode ocorrer em condições aeróbicas e anaeróbicas (com ou sem oxigênio atmosférico).

processo de glicólise

A glicólise consiste em 10 reações individuais catalisadas por enzimas. Você pode dividi-los em 2 seções:

  1. Fase de preparação (fase de investimento de energia): Aqui a célula primeiro investe energia na forma de 2 moléculas de ATP. Portanto, não tem benefício energético direto, mas serve para dividir a glicose em duas moléculas C 3 (gliceraldeído-3-fosfato; GAP). Estes, por sua vez, são necessários na segunda seção importante da glicólise. 
  2. Fase de rendimento (fase de geração de energia): Aqui o GAP é dividido em cinco etapas para piruvato (corpo C 3 ). No processo, são obtidas 4 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH. Assim, mais energia já está sendo adquirida do que foi consumida anteriormente.

Equilíbrio da glicólise

equação bruta (equilíbrio geral) da glicólise na forma de uma equação de reação se parece com isso: 

Glicose + 2 NAD + + 2 ADP + Pi → 2 piruvato + 2 NADH + 2 H + + 2 ATP

2 moléculas de piruvato, 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH são formadas a partir de uma molécula de glicose .

Descarboxilação oxidativa 

A glicólise é seguida por descarboxilação oxidativa. Aqui, o acetato é produzido a partir do piruvato , que é posteriormente convertido nas seguintes etapas da respiração celular.

Importante: A oxidação do piruvato só pode ocorrer se houver oxigênio . Se este não for o caso, ocorre a chamada respiração ou fermentação anaeróbica  ( fermentação láctica ou fermentação alcoólica ).  Comparado com a respiração celular, no entanto, esta forma de ganhar energia é menos eficiente. 

Processo de descarboxilação oxidativa

A descarboxilação oxidativa ocorre da seguinte forma:

  1. Primeiro, o piruvato é transportado do citoplasma para a matriz da mitocôndria .
  2. Lá, finalmente ocorre uma outra oxidação, na qual o dióxido de carbono (CO 2 ) é separado e o acetato é formado.
  3. O acetato é então ativado pela transferência de um grupo específico (coenzima A). Uma molécula é formada que você pode chamar de acetil coenzima A.
  4. A ligação entre o acetato e a coenzima A é muito energética, razão pela qual o grupo acetil pode ser facilmente transferido. Isso é importante para o curso da respiração celular.

Equilíbrio da descarboxilação oxidativa

O equilíbrio da descarboxilação oxidativa fica assim:

2 piruvato + 2 NAD + + 2 CoA + 2 H + → 2 acetil CoA + 2 NADH + 2 CO 2

Se partirmos de 1 molécula de glicose, 2 moléculas de piruvato formam 2 moléculas de acetil-CoA , 2 moléculas de NADH e 2 moléculas de dióxido de carbono gasoso. 

ciclo do ácido cítrico 

O ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs) é a via metabólica que segue a descarboxilação oxidativa. Vários produtos intermediários são formados a partir do acetil-CoA em um ciclo . Quando eles são feitos, a energia é gerada.

Nos eucariotos, o ciclo do ácido cítrico ocorre na matriz da mitocôndria, enquanto nos procariotos ocorre no citoplasma.

curso do ciclo do ácido cítrico

O ciclo do ácido cítrico, também conhecido como ciclo de Krebs, ocorre em várias etapas que juntas formam um ciclo . O primeiro passo é particularmente importante: nesse processo é formado o chamado citrato (sal do ácido cítrico), no qual o acetil-CoA transfere seu grupo acetil para uma molécula aceitadora (oxaloacetato).

O citrato é necessário para as etapas posteriores. Basicamente ocorrem em  duas fases :

  1. A primeira metade consiste em quatro reações individuais e é responsável por quebrar a estrutura de carbono (citrato) na forma de eliminação de dióxido de carbono.
  2. A segunda metade também consiste em quatro reações individuais e serve para restaurar a molécula aceptora oxaloacetato. Somente quando este processo estiver concluído, o ciclo pode ser repetido.

Parte da energia liberada é armazenada na forma de GTP e nas moléculas transportadoras de elétrons NADH e FADH2 . O GTP é estruturado de forma semelhante ao ATP e pode ser facilmente convertido nele.

Você também pode chamar o ciclo do ácido cítrico de centro do metabolismo . Isso porque, além de gerar energia, também fornece precursores para a biossíntese de outras moléculas, como aminoácidos ou nucleotídeos . Portanto, é simultaneamente uma  via metabólica degradante (catabólica) e anabólica (anabólica) – você também a chama de anfibólica.

Equilíbrio do ciclo do ácido cítrico

balanço líquido para uma molécula de acetil-CoA no ciclo do ácido cítrico é: 

Acetil-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi  2 H 2 O → 3 NADH + 3 H + + FADH 2  + GTP + 2 CO 2 + CoA-SH 

Duas moléculas de acetil-CoA são formadas a partir de cada molécula de glicose que é previamente quebrada na glicólise e na descarboxilação oxidativa. Portanto, o ciclo é completado duas vezes por molécula de glicose. Um total de 6 moléculas de NADH , 2 moléculas de FADH 2 , 2 moléculas de GTP, que são convertidas em 2 moléculas de ATP , assim como dióxido de carbono e coenzima A são produzidos a partir de uma molécula de glicose .

cadeia respiratória 

A cadeia respiratória é a etapa da respiração celular onde a energia armazenada nos transportadores de elétrons (NAD + e FADH) é convertida em moléculas de ATP .

Os elétrons dos transportadores NADH e FADH 2 , que se originam da glicólise, da descarboxilação oxidativa e do ciclo do ácido cítrico, são doados a complexos específicos de membrana. Ele converte ADP em ATP e reduz o oxigênio em água. O processo ocorre na membrana mitocondrial interna .

curso da cadeia respiratória

Você pode pensar na cadeia respiratória como componentes interativos localizados na membrana. Quatro proteínas móveis grandes e duas menores transportam os elétrons liberados como uma espécie de cadeia (cadeia de transporte de elétrons ):

  • A cadeia de transporte é construída como uma espécie de escada descendente, com os elétrons migrando de um degrau para o outro .
  • Cada nível libera uma quantidade pequena e controlável de energia. Os elétrons liberados pelos  transportadores de elétrons (NADH e FADH 2 ) fluem ‘downhill’ de um nível de energia mais alto para um mais baixo (= gradiente de energia ) .
  • O último sistema redox transfere os elétrons para as moléculas de oxigênio . Juntamente com os prótons de hidrogênio (H + ), eles reagem para formar água . 

A energia liberada durante o fluxo de elétrons também leva a um transporte ativo de prótons (H ) . A rigor, o processo  não faz mais parte da cadeia respiratória, mas leva à produção de ATP:

  • Os prótons se movem da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isso cria uma diferença de concentração (gradiente de concentração) : há muitos prótons no espaço intermembranar, mas poucos na matriz.
  • Como a membrana mitocondrial atua como uma barreira, os prótons ficam “presos” no espaço intermembranar. Eles só podem voltar para a matriz mitocondrial através de uma proteína de canal – ATP sintase – para equilibrar a diferença de concentração e carga.
  • A ATP sintase acopla essa difusão de prótons com a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. Como resultado, a energia é transferida para o transportador de energia universal ATP .

Você também pode se referir ao processo geral da cadeia de transporte de elétrons e síntese de ATP como fosforilação oxidativa .

Equilíbrio da cadeia respiratória

2,5 moléculas de ATP podem ser formadas para cada par de elétrons que é transferido do NADH para o oxigênio na cadeia respiratória . A oxidação do FADH 2 garante o ganho de 1,5 moléculas de ATP .

Um total de 10 NADH (2 da glicólise, 2 da oxidação do piruvato e 6 do ciclo do ácido cítrico) e 2 FADH 2 (do ciclo do ácido cítrico) estão disponíveis. Assim, 28 moléculas de ATP são formadas na cadeia respiratória .

O equilíbrio para a cadeia respiratória é o seguinte :

10 NADH + 10 H +  + 2 FADH 2 + 32 ADP + 32 Pi + 6 O 2 → 10 NAD +  + 2 FAD + 12 H 2 O + 32 ATP

Resumo da respiração celular

Em resumo, pode-se observar que uma molécula de glicose na respiração celular é decomposta em dióxido de carbono e energia utilizável (ATP) através das etapas de glicólise, descarboxilação oxidativa, ciclo do ácido cítrico e cadeia respiratória.

O local onde ocorre a respiração celular é a mitocôndria . Observe aqui, no entanto, que a glicólise ocorre no plasma celular e o piruvato é transportado para a mitocôndria.

equilíbrio da respiração celular 

Durante a respiração celular, uma molécula de glicose é responsável pela formação de 30-32 moléculas de ATP . Assim, muita energia é gerada para o corpo.

A seguinte quantidade de energia é adquirida nos processos individuais da respiração celular:

  • Glicólise : 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH são geradasna glicóliseDeste último, 3 ou 5 moléculas de ATP são então obtidas na cadeia respiratória. Dependendo do tipo de transporte para a mitocôndria, 2 moléculas de ATP já são consumidas.
  • Descarboxilação oxidativa : A descarboxilação oxidativa fornece 2 moléculas de NADH , das quais 5 moléculas de ATP são produzidas na cadeia respiratória.
  • Ciclo do ácido cítrico : No ciclo do ácido cítrico, o ganho de energia é de 2 moléculas de ATP . Além disso,são geradas 6 moléculas de NADH , das quais podem ser formadas 15 moléculas de ATP. Das 2 moléculas de FADH 2 resultantes, 3 ATP são gerados posteriormente (durante a fosforilação oxidativa).
  • Cadeia Respiratória : Nenhuma energia é gerada durante a cadeia respiratória. Em vez disso, a energia armazenada nos transportadores de elétrons das etapas anteriores é convertida em energia utilizável na forma de ATP. Um total de 26-28 moléculas de ATP são produzidas durante o processo.

Tabela de Balanço Energético da Respiração Celular

Aqui resumimos o equilíbrio energético dos processos individuais e o equilíbrio geral da respiração celular para você em uma tabela:

degrauRendimento de CoenzimaRendimento de ATP
Fase de preparação da glicólise – 2 ATPs
fase de rendimento de glicólise
2 NADH
+ 4 ATP
+ 3 ou + 5 ATP
Descarboxilação oxidativa2 NADH+ 5 ATP
ciclo do ácido cítrico
6 NADH
2 FADH 2
+ 2 ATP
+ 15 ATP
+ 3 ATP
balanço geral10 NADH e 2 FADH 230-32 moléculas de ATP

Importância da respiração celular

Na biologia, a respiração celular pode ser entendida como um processo metabólico que contribui para a geração de energia . A energia vem da quebra de matéria orgânica complexa, como carboidratos . São longas cadeias de pequenos blocos de açúcar que estão ligados entre si e são encontrados em pães , massas ou frutas , por exemplo .

Já sabia? As plantas são capazes de produziras substâncias necessárias através da fotossíntese . Nós, humanos e animais, por outro lado, os absorvemos através dos alimentos.

Os compostos de alta energia (= macromoléculas) devem primeiro ser divididos em pequenos blocos de construção (monômeros) com a ajuda de enzimas. Isto é o que acontece em nossos órgãos digestivos. No caso da quebra de carboidratos , os monômeros são principalmente glicose. As células absorvem o açúcar e o decompõem ainda mais – durante a respiração celular . Esta é a única maneira de usar a energia dos alimentos, por exemplo, para mover seus músculos .

glicolise

A respiração celular é dividida em muitos subprocessos controláveis . Estes incluem a glicólise , a descarboxilação oxidativa , o ciclo do ácido cítrico e a cadeia respiratória .