Etapas e Como Funciona a Respiração Celular Através das Mitocôndrias


Fermentação e respiração aeróbica mitocondrial

O metabolismo energético é realizado pelos seguin­tes organóides citoplasmáticos: mitocôndrias e cloroplastos. Esses dois organóides são capazes de sintetizar ATP (adenosina trifosfática). Acredita-se que os primeiros seres vivos eram hete­rótrofos anaeróbicos. O gás oxigênio não se fazia presen­te, então a fermentação dos nutrientes fornecia a energia necessária para a realização das atividades metabólicas. Com o passar do tempo e a evolução gradativa dos com­plexos enzimáticos, tornou-se possível o surgimento dos autótrofos, que, com a quebra da molécula de água, libe­raram o gás oxigênio para a atmosfera. Uma mudança ra­dical ocorreu por causa da presença desse gás, formando a atmosfera como ela é conhecida atualmente.
O aumento gradativo da concentração de oxigênio na água dos oceanos determinou um processo seletivo acentua­do e muitos seres unicelulares procariontes e eucariontes fermentadores obrigatórios foram se extinguindo.

Como Funciona a Respiração Celular

Segundo a pesquisadora americana Lynn Margulis, em determinado momento surge um procarionte com capacidade de utilizar o oxigênio para a produção de energia. Esse ser foi capturado pelas células eucarióticas e passou a estabelecer uma relação mutualística. A célula eucariótica, que sabe fermentar, fornece o ácido pirúvico para o procarionte, que, em troca, realiza a combustão completa e utiliza oxigênio – com o qual a eucariótica não sabia o que fazer – como aceptor final de hidrogênios. Esses seres procariontes são as nossas mitocôndrias, que têm DNA próprio e ribossomos para produzir seu arsenal proteico e enzimático.

Estudo do ATP

As células necessitam de energia, pois são unidades metabólicas. A energia livre é utilizada na realização de traba­lho, como o transporte ativo, a contração muscular e outros processos. A energia utilizada provém principalmente da que­bra dos carboidratos e dos lipídios, armazenados na forma de adenosina trifosfática, um nucleotídeo altamente energético. O ATP é formado pela união de três fosfates, uma ribose e a base adenosina.

Fermentação

O complexo enzimático dos primeiros seres era muito simplório, então a fermentação tornou-se opção viável para a produção de energia. Porém, trata-se de uma combustão incompleta, pois produz resíduos: álcool etílico, ácido láctico e\ ácido acético, substâncias que ainda contêm energia.

Tipos  de   fermentação

Fermentação alcoólica: fungos (leveduras) e algumas bactérias – liberam álcool etílico e gás carbônico.
•         Fermentação acética: bactérias – liberam ácido acético e gás carbónico.
•         Fermentação láctica: fibras musculares estriadas esqueléticas, bactérias, alguns protozoários e fungos – liberam ácido lático.

O processo de fermentação é muito semelhante para as três possibilidades. Realiza-se no citosol, onde a glicosel (C6H12O6) é quebrada em duas moléculas de ácido pirúvico (C3H6O3). Quando se diz que a molécula é quebrada, significa que ligações covalentes são rompidas e, para que isso seja possível, existe um consumo de energia no valor de 2 ATP.

Esse processo é exotérmico, isto é, depois de ocorrida a quebra, são produzidos 4 ATP e dois NADH2 (nicotinamidaj adenina dinucleotídeo reduzida), substância transportadora de hidrogênios. Ao se realizar um balanço energético, pode-se perceber que houve um saldo positivo de 2 ATP.
A glicólise é um processo realizado por todos os seres vivos. Mas e o NADH2?

Ele atua como um aceptor intermediário e precisa transferir o hidrogênio para um aceptor final. Quando isso ocorre, existe uma liberação de energia. No caso da fermentação, o próprio ácido pirúvico – subproduto da quebra da glicose – é o aceptor final.

Mitocôndria

A respiração aeróbica utiliza o gás oxigênio, e o organóide responsável pela realização desse processo é a mitocôndria, pois ela produz ATP e con­some oxigênio. Por isso, deve-se estudar primeiramente a morfologia desse organóide. As mitocôndrias podem ser visualizadas pela microscopia óptica com a utilização de corante verde Jânus. Elas estão em grande quantidade nas células eucarióticas. São organóides constituídos por duas membranas lipoprotéicas, que delimitam dois compartimentos: a câmara externa e a câma­ra interna, onde se encontra a matriz mitocondrial.

Existem diferenças estruturais entre essas membranas. A externa apresen­ta uma grande quantidade de proteínas transportadoras do tipo canal, cuja função é permitir o livre acesso entre o citosol e o espaço intermembrano-so. Já a membrana interna, de composição lipoprotéica, promove seletivida-de. Essa seletividade é muito importante para manter a composição química da câmara interna, diferentemente do espaço intermembranoso. Como é possível perceber na ilustração anterior, a mem­brana interna apresenta dobras, denominadas de cristas mitocondriais. Essas cristas aumentam a superfície interna, tornando a produção de ATP mais eficiente, pois é nelas que ocorre a cadeia respiratória, etapa mais energética da respiração aeróbica.

A matriz, que preenche a câmara interna, é uma solução altamente proteica, com enzimas envolvidas na degradação dos ácidos graxos e pelo ciclo de Krebs. Nessa matriz encontram-se DNA mitocondrial e ribossomos. Todas as mitocôndrias dos seres humanos originaram-se a partir de mitocôndrias maternas, provenientes do gameta feminino. O conjunto das mitocôndrias forma o condrioma.

A mitocôndria consegue realizar umfeedback em relação à quantidade de ATP na célula. Ela percebe o excesso dessa molécula energética e retarda sua atividade. O tecido muscular, por exemplo, pode necessitar de mais energia. As mito­côndrias se autoduplicam e aumentam em quantidade, até certo nível populacional, para suprir essa nova demanda energética. Caso o tecido muscular não precise dessa carga extra de energia, a população mitocondrial volta à quantidade inicial.

Respiração aeróbica

A degradação dos carboidratos pela glicólise e dos ácidos graxos por meio da oxidação fornece o combustível necessário para as reações oxidativas da mitocôndria. As reações obtidas a partir da respiração celular podem ser divididas em duas fases: a anaeróbica, que existe desde os tempos mais remotos e ocorre no citosol, sem participação do oxigénio (lembre-se de que esse gás não existia na atmosfera primitiva); e a fase aeróbica, iniciada com o surgimento do oxigénio na atmosfera, que é mitocondrial, pois são as mitocôndrias que podem utilizar o oxigênio. A glicólise é uma etapa da respiração que ocorre na fase anaeróbica e o ciclo de Krebs – ou ciclo do ácido cítrico com a cadeia respiratória – ocorre na fase aeróbica, no interior da mitocôndria.

Etapas da respiração

Glicólise

É a primeira fase da respiração celular. A molécula de glicose, que tem seis carbonos, passa por uma série de reações e se transforma em duas moléculas de ácido pirúvico. Na sequência, cada ácido pirúvico perde um carbono e se transfor­ma em ácido acético. Os carbonos são liberados na forma de gás carbónico, dando início ao processo aeróbico. O radical acetil do ácido acético une-se com a coenzima A e constitui a acetil-CoA. A função da acetil-CoA é levar o radical acetil para o interior da mitocôndria, iniciando o ciclo de Krebs.

O balanço energético dessa etapa é: consumo de 2 ATP, produção de 4 ATP e fornecimento de um saldo de 2 ATP, mais 2 NADH2 na glicólise, 2 NADH2 na síntese de acetil-CoA e duas moléculas de ácido pirúvico.
Cadeia respiratória

APRIMORANDO SEUS CONHECIMENTOS

Citoesqueleto  – movimentos celulares

As células eucarióticas apresentam grande quantida­de de filamentos intermediários, microtúbulos e microfila-mentos que compõem o citoesqueleto. Com a evolução das células e sua compartimentalização, surgiu a necessi­dade de haver um “esqueleto” interno para promover a sustentação, a forma e a manutenção dos organóides em determinados setores do citoplasma.

As desidrogenases liberam íons hidrogénio (prótons) e seus elétrons para serem transportados pelos aceptores intermediários. Chegando à cadeia respiratória, os 10 NADH2 transferem os hidrogênios para o FAD, que se transforma em FADH2. Os elétrons liberam energia e 10 ADP transformam-se em 10 ATP. A partir desse ponto, há 12 FADH2, que fornecem os H+ (prótons) diretamente para o O2. Os elétrons são encaminhados por uma cadeia de citocromos (citocromo b, citocromo c, citocromo a e cito­cromo a3). Esse percurso realizado pelos elétrons é deno­minado de fosforilação oxidativa e durante o trajeto dos elétrons até o encontro com o O2 ocorre a liberação de energia suficiente para produzir 24 ATP. Quando os elé­trons encontram os prótons, reconstituem-se os átomos de hidrogénio, que se combinam com 1/2 O2 para formar água.

Balanço energético de todo o processo

Microtúbulos

São filamentos intermediários que apresentam anéis com treze subunidades de proteínas globosas, as tubulinas a e p. Os dímeros de tubulina são acrescentados para que ocorra polimerização e o aumento da estrutura. O principal centro de formação dos microtúbulos é a centrosfera, onde estão os centríolos nas células animais. Nos vegetais, existe um material semelhante, denominado de centrossoma difuso. Essas diferenças são importantes para o processo de divisão celular.

Os microtúbulos apresentam várias funções, mas a principal delas é a formação dos centríolos, presentes nas células eucarióticas (exceto nos vegetais superiores). Os centríolos são duas estruturas ocas, localizadas no cen­tro celular, que sempre estão aos pares e em posição per­pendicular, formando o diplossomo. Cada centríolo é for­mado por nove tríades de microtúbulos. São funções dos centríolos originar os cílios e os flagelos e participar da formação do fuso mitótico.

Microfilamentos

Estão presentes no citoplasma e representam as es­truturas filamentosas mais delgadas. Os microfilamentos participam dos movimentos celulares e da função estru­tural. Eles são polímeros de actina, que normalmente es­tão associadas à miosina. Nas células eucarióticas sem­pre se encontra mais actina que miosina.

São funções dos microfilamentos:
•         ciclose – movimento ordenado dos organóides celulares;
•         movimento amebóide – a célula cria projeções da membrana plasmática, os pseudópodes;
•         citocinese – estrangulamento da célula na última etapa da divisão celular.

Filamentos intermediários

Promove a conexão da membrana nuclear com a mem­brana plasmática e participa da desintegração daquela durante a prófase da divisão celular. São exemplos os filamentos de queratina, os neurofilamentos e os filamen­tos gliais.