Como ocorre a respiração celular

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 .

O 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. 

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

A 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

O 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:

degrau	Rendimento de Coenzima	Rendimento de ATP
Fase de preparação da glicólise		– 2 ATPs
fase de rendimento de glicólise	2 NADH	+ 4 ATP + 3 ou + 5 ATP
Descarboxilação oxidativa	2 NADH	+ 5 ATP
ciclo do ácido cítrico	6 NADH 2 FADH 2	+ 2 ATP + 15 ATP + 3 ATP
balanço geral	10 NADH e 2 FADH 2	30-32 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 .