RESPIRAÇÃO CELULAR. Disciplina: Biologia Série: 2ª série EM - 1º TRIM Professora: Ivone Azevedo da Fonseca Assunto: Respiração Celular

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1 Disciplina: Biologia Série: 2ª série EM - 1º TRIM Professora: Ivone Azevedo da Fonseca Assunto: Respiração Celular RESPIRAÇÃO CELULAR A MAIS QUÍMICA DAS REAÇÕES BIOLÓGICAS Questão certa em vestibulares de biologia, a respiração celular necessita de um pouco de paciência para ser entendida. O resumo abaixo, ilistrado com alguns esquemas, faz com que o vestibulando perceba com facilidade o que é este processo. Mesclando conhecimentos de química e biologia, e até mesmo de física, este ganho e perda de energia que se dá dentro das células de nosso corpo, fazem com que estejamos em constante atividade, sem mesmo percebermos. RESPIRAÇÃO CELULAR A energia necessária para a manutenção da vida, na maioria dos seres vivos, provém da reação entre os alimentos ingeridos e as moléculas de oxigênio. As principais etapas desse processo ocorrem nas MITOCÔNDRIAS. Mitocôndrias são organelas formadas de dupla membrana, do mesmo tipo da membrana plasmática. A membrana externa é lisa e a interna, coberta de pregas, chamadas de cristas mitocondriais. No interior das mitocôndrias há uma solução coloidal com várias substâncias dissolvidas, sendo que, entre elas há DNA, RNA e ribossomos e é chamada matriz mitocondrial. 1

2 Sobre as cristas mitocondriais existem enzimas respiratórias e uma molécula transportadora de energia, o ATP (trifosfato de adenosina). As enzimas oxidativas existentes nas cristas mitocondriais reagem com o corante verde janus B, oxidando-o, o que faz com que as mitocôndrias, habitualmente incolores, apresentem uma cor verde, sendo que o corante permanece incolor no restante do hialoplasma. # HIPÓTESE DA ORIGEM DAS MITOCÔNDRIAS: em experimentos com substâncias radioativas, observou-se que as mitocôndrias são capazes de se autoduplicar com independência em relação à célula onde se encontra. Elas possuem características de seres procariontes, como ribossomos pequenos, DNA em anel e a semelhança das cristas mitocondriais com o mesossomo das bactérias (prega na membrana que possui as enzimas respiratórias). Portanto, pensa-se que as mitocôndrias possam ter entrado em células antigas e ter estabelecido com elas uma relação de endomutualismo. Os vegetais usam energia luminosa do sol, que transformam em energia química potencial, geralmente, glicose. Essa energia fica armazenada nas ligações químicas das moléculas formadas. Quando essas moléculas são quebradas, a energia é liberada, sendo então usada para os processos vitais, como transporte ativo, produção de calor, movimentação, síntese, crescimento etc. # Qual a diferença entre COMBUSTÃO e RESPIRAÇÃO? No processo de combustão, como a queima da gasolina ou da madeira, as moléculas são quebradas violentamente, rapidamente, liberando grandes quantidades de energia em pouco tempo. Isso é bom quando se tenta mover uma máquina pesadíssima, como é o automóvel. Porém, se ocorresse processo semelhante nas células vivas, o excesso de energia e de calor matariam a célula. Por isso, as reações da respiração celular são sempre fragmentadas em várias reações intermediárias, de modo que a energia é liberada gradativamente, lentamente, sem por em risco a vida da célula. As quebras de ligações químicas liberam energia porque os elétrons caem de nível orbital, deslocando-se para mais perto dos núcleos. Como as ligações mais perto 2

3 do núcleo precisam de menor quantidade de energia, ocorre a liberação do excesso desta energia cada vez que o elétron ocupar uma órbita mais próxima do núcleo do átomo. A energia liberada pelo alimento não é usada toda imediatamene, sendo armazenada em ligações químicas entre átomos de fósforo, presentes no ATP, trifosfato de adenosina. Toda a energia necessária para a realização de qualquer trabalho vem sempre do ATP. Quando é preciso, o átomo de fósforo mais externo é liberado. A quebra da ligação química que o unia à molécula libera uma quantidade de energia que é utilizada nos processos bioquímicos; nesse caso, o ATP fica sendo ADP + P + energia para os processos vitais. Uma molécula de ADP precisa permanentemente ser regenerada, momento em que o ADP reúne-se a um átomo de fósforo, virando novamente ATP. A energia necessária para esse processo é proveniente da respiração, por isso, essa reação é chamada de FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA ou respiração celular. ADENOSINA + P + P + P = ATP ligações com muita energia ADENOSINA + P + P (ADP) + P (liberando energia para os movimentos, sínteses, atividade elétrica, transporte ativo etc). ADP + P + energia da respiração = ATP, pronto para ser usado novamente. ESQUEMA SIMPLIFICADO DA RESPIRAÇÃO CELULAR C 6 H 12 O O 2 6 CO H 2 O calorias A energia para a fosforilação, que transforma ADP em ATP, pode vir tanto da mudança de orbital dos elétrons, quanto da retirada de hidrogênios de algumas substâncias, no caso, a glicose. 3

4 ETAPAS DA RESPIRAÇÃO São elas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. 1. GLICÓLISE: A glicose é parcialmente quebrada, liberando pequena parcela de energia. Esse processo acontece no hialoplasma e não depende do uso do oxigênio. A molécula de Glicose é ativada com gasto de 2ATP. A seguir, ela é desidrogenada e quebrada em duas moléculas de 3 carbonos cada uma, ou seja, duas moléculas de Piruvato ou de Ácido Pirúvico, etapa que produz 4 ATP. Como houve um gasto inicial de 2 ATP, o saldo é de 2 ATP. 2. CICLO DE KREBS: Nessa fase, as moléculas de ácido pirúvico penetram na matriz mitocondrial. O ciclo de Krebs é uma série de reações, onde cada molécula de ácido pirúvico (3C) é descarboxilada (perdendo uma molécula de CO 2 ), formando um composto de 2 carbonos. Essa molécula de 2 C combina-se com outra, de 4 C, que serve de suporte para que as ligações sejam quebradas gradativamente, liberando um pouco de energia de cada vez. Quando a molécula de 2 C une-se à de 4 C, forma-se um composto intermediário com 6 C, chamado de ácido cítrico. O ácido cítrico (6 C) é descarboxilado e desidrogenado por várias reações químicas intermediárias. Para o Ciclo de Krebs há gasto de água, porém, na etapa seguinte (cadeia respiratória) os hidrogênios retirados pelos NAD serão entregues ao oxigênio, formando uma quantidade de moléculas de água que supera o que foi gasto no processo. 4

5 ATENÇÃO: cada par de hidrogênios recolhido pelo NAD produz 3 ATP, e pelo FAD, 2 ATP. O GTP produz 1 ATP. Como há duas moléculas de ácido pirúvico, cada uma dá uma volta (ciclo de Krebs), produzindo, em cada volta: 4 NAD.2H = 12 ATP 1 FAD.2H = 2 ATP + 1 GTP = 1 ATP Total...15 ATP Em duas voltas, portanto serão produzidos os 30 ATP. Somando-se aos 2 ATP produzidos na glicólise e mais 6 ATP da cadeia respiratória (três para cada molécula de ácido pirúvico), teremos os 38 ATP totais, resultado da degradação vagarosa de uma molécula de glicose. (NAD: nicotinamida adenina dinucleotídeo) (FAD: flavina adenina dinucleotídeo) Produto final do Ciclo de Krebs No final do ciclo são produzidas 3 moléculas de CO 2 e 10 átomos de hidrogênio, dos quais 2 são recolhidos pelo FAD e os 8 H restantes são recolhidos pelo NAD. O GTP produzido (guanosina trifosfato) é depois convertido em ATP. 3. CADEIA RESPIRATÓRIA: Como vimos, a glicólise ocorre no hialoplasma, fora da mitocôndria, sem a participação do oxigênio. O ciclo de Krebs ocorre dentro da mitocôndria, na matriz mitocondrial, com o auxílio de enzimas específicas. A cadeia respiratória acontece sobre as cristas mitocondriais, onde estão as enzimas oxidativas. Essas substâncias que transportam os átomos de hidrogênio e os seus elétrons não podem ficar espalhadas na matriz da mitocôndria. Elas têm de estar arrumadas na seqüência correspondente ao caminho que os elétrons deverão seguir. Por isso, ficam sobre as cristas. Durante o transporte dos elétrons, ocorre a produção do ATP nos oxissomos, pequenas esferas que se projetam das cristas mitocondriais. À medida que passam de um composto intermediário para outro, os elétrons do hidrogênio vão ocupando níveis energéticos cada vez mais baixos, sobrando energia para a síntese dos ATP. O receptor final dos hidrogênios é o oxigênio, que os recolhe de maneira definitiva, formando água. Para que o processo continue, é preciso um 5

6 fornecimento constante de oxigênio, caso contrário, os transportadores intermediários permanecerão com seus hidrogênios (reduzidos), sem condições de receber novos átomos de hidrogênio, interrompendo a respiração. Essa etapa é chamada de FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA, porque a formação do ATP depende da colocação de um fosfato no ADP e essa fosforilação é feita com a energia proveniente das oxidações. CONTABILIDADE ENERGÉTICA HIDROGÊNIOS ATP GLICÓLISE 2 NAD.2H 4 ATP CICLO DE KREBS 8 NAD.2H + 2 FAD.2H 2 GTP 2 ATP CADEIA RESPIRATÓRIA 10 NAD.2H + 2 FAD.2H 30 ATP + 4 ATP TOTAL ATP GASTO INICIAL ATP SALDO 38 ATP Os organismos que não conseguem realizar a respiração aeróbica, limitam-se a realização da Glicólise, pois não possuem as enzimas do ciclo de Krebs, nem da cadeia respiratória. São os chamados anaeróbicos, que podem ser tanto facultativos quanto estritos. Produzem, portanto, apenas 2 ATP por molécula de glicose. Facultativos: os que podem viver tanto na presença quanto na ausência de oxigênio, como os fermentos ou leveduras. Estritos: os que podem viver somente na ausência total de oxigênio, como os seres decompositores, que reciclam a matéria na natureza e decompõem cadáveres. 6

7 TESTE SEUS CONHECIMENTOS 1) Entre as afirmativas abaixo, escolha a que completa de forma correta a seguinte frase: A função mitocondrial em uma célula pode ser comparada à função de uma usina produtora de energia porque as mitocôndrias... a) estocam moléculas de ATP que provém da digestão dos alimentos b) produzem ATP a partir da oxidação de moléculas orgânicas c) consomem ATP na síntese de glicogênio ou de amido a partir da glicose d) podem absorver energia luminosa usando a síntese de ATP e) produzem ATP a partir da síntese do amido ou do glicogênio 2) Se as mitocôndrias de um organismo sofressem uma interrupção que bloqueasse a fase da Cadeia Respiratória, esse organismo morreria. A opção que justifica corretamente a afirmativa anterior é que: a) a cadeia respiratória é uma fase da respiração aeróbia que acontece no hialoplasma das células e o seu bloqueio não ocasiona grandes prejuízos aos organismos b) a cadeia respiratória é uma fase da respiração anaeróbia que acontece no hialoplasma e o seu bloqueio provoca a morte do organismo c) a cadeia respiratória é uma fase da repiração aeróbia que acontece nas mitocôndrias e o seu bloqueio provoca a morte do organismo d) a cadeia respiratória é uma fase da respiração aeróbia que acontece nas mitocôndrias e o seu bloqueio provoca a morte do organismo aeróbio 3) Tomando-se por referência a respiração celular aeróbia, podemos afirmar que: a) é no ciclo de Krebs que ocorre diretamente a conversão de ADP em ATP b) é no interior das mitocôndrias que se processa a glicólise, uma das etapas da respiração c) é no nível do hialoplasma que se realiza o ciclo de Krebs d) é no nível da membrana interna das mitocôndrias que ficam localizadas as substâncias que formam a cadeia transportadora de elétrons e) é na glicólise que se dá a maior produção de moléculas de ATP. 4) O que diferencia a respiração celular da combustão (ambos processos ectotérmicos ou de liberação de energia) é: a) que a combustão ocorre dentro da mitocôndria e a respiraçào celular ocorre no hialoplasma b) que a combustão é um processo que ocorre somente em organismos vegetais c) o número de reações químicas que, na combustão, é bem maior d) a velocidade com que a liberação de energia se dá, sendo maior na combustão 7

8 e) a velocidade com que a liberação de energia se dá, sendo maior na respiração celular. 5) As mitocôndrias possuem dupla membrana, sendo a externa lisa e a interna, repleta de dobras chamadas cristas mitocondriais. Sobre essas membranas, é correto afirmar: a) que as cristas mitocondriais oferecem a vantagem de comportarem maior quantidade de enzimas oxidativas sem que a organela tenha seu tamanho relativo aumentado. b) que é mera obra do acaso pois, se ambas fossem lisas, o rendimento na produção de energia não seria alterado. c) que as cristas diminuem o espaço interno, onde está a matriz mitocondrial. Isso diminui o rendimento da atividade mitocôndrial. d) que as dobras dificultam a atividade da cadeia respiratória, já que as enzimas ficam retidas entre elas. e) no passado ambas as membranas eram cheias de pregas. 6) Analise a figura que está no início desta matéria e responda a pergunta abaixo: Por que pode-se dizer que a figura representa a perfeita integração e interdependência entre o reino vegetal e o reino animal? 7) Coloque V para verdadeiro e F para falso. Sobre as organelas responsáveis pela respiração celular, as mitocôndrias, podemos dizer que: a) executam a fermentação bacteriana b) promovem a oxidação de compostos orgânicos c) o conjunto de mitocôndrias de uma célula é denominado nucléolo d) células muito ativas posuem poucas mitocôndrias e) são formadas por conjuntos de microtúbulos f) nas células eucariontes, fazem parte do citoplasma g) têm DNA próprio. 8

9 RESPOSTAS 1) Opção B: as mitocôndrias são responsáveis pela liberação da energia contida nos alimentos, através do processo denominado fosforilação oxidativa, ou seja, a energia solar empacotada pelos vegetais, a partir da fotossíntese, é liberada para o uso nos processos celulares dos animais. 2) Opção C: a cadeia respiratória ocorre nas cristas mitocondriais, onde as enzimas oxidativas se alinham para que as reações ocorram com organização e eficiência. A energia produzida é essencial para que a vida e as reações vitais possam continuar ocorrendo. Portanto, após alguns minutos de interrupção, ocorre a morte do organismo por falta de energia. 3) Opção D: as enzimas precisam estar alinhadas para que os elétrons possam percorrê-las eficientemente, garantindo a fosforilação dos ADPs. Se estivessem dispersas na matriz mitocondrial, por exemplo, certamente ocorreria uma queda na eficiência do processo. 4) Opção D: se ocorresse combustão, uma grande quantidade de energia seria liberada, ocasionando a morte da célula. Portanto, o ác. Pirúvico é descarboxilado e fica com 2 carbonos. Essa molécula une-se a outra, de 4 carbonos, que serve como suporte, para que a energia seja liberada gradativamente, sem causar danos para a célula. 5) Opção A: há várias estruturas celulares ou orgânicas onde há dobraduras, visando o aumento do rendimento sem aumentar o volume relativo da mesma. Podemos observar esse recurso, além da membrana interna da mitocôndria, nas lamelas dos cloroplastos, nas vilosidades intestinais e nas circunvoluções cerebrais. 6) Conforme podemos ver, na ilustração, há uma perfeita interdependência entre plantas e animais, pois as plantas montam a molécula de glicose e liberam oxigênio, assimilando energia solar. Os animais usam estas substâncias para liberarem a energia solar que elas contêm, devolvendo CO 2 e água. As plantas usam o CO 2 para a fotossíntese, reiniciando o processo. 7) Resposta: a: F b:v c: F d: F e: F f: V g: V 9