Respiração celular: o que é, onde e como ocorre

O processo de respiração celular acontece devido a atividade da mitocôndria na síntese de energia. Algumas reações químicas precisam receber energia para ocorrer, sendo chamadas endergônicas. Outras reações, no entanto, liberam energia e são chamadas de exergônicas.

O processo de respiração celular é uma reação do tipo exergônica. Nas células, as reações exergônicas liberam parte da energia sob a forma de calor e parte para promover reações endergônicas.

Essa utilização só é possível por meio de um mecanismo conhecido como acoplamento de reações, no qual há a participação de uma substância comum que direciona o aproveitamento de energia e, assim, promove pouca liberação de calor.

A respiração celular acontece devido a atividade da mitocôndria na síntese de energia (Foto: depositphotos)

Essa substância comum é principalmente o trifosfato de adenosina ou adenosina trifosfato, cuja abreviação é ATP. O ATP armazena em suas ligações grande parte da energia desprendida pelas reações exergônicas e tem a capacidade de liberar por hidrólise a energia necessária para promover reações endergônicas. 

Tipos de respiração celular

Quando falamos em mecanismos intracelulares, a palavra respiração é empregada em todo processo de síntese de ATP que envolve a cadeia respiratória. São dois os tipos de respiração: anaeróbia e aeróbia.

O termo “respiração” justifica-se nos dois processos (anaeróbio e aeróbio) porque ambos são muito parecidos e envolvem as três etapas que caracterizam o fenômeno da respiração.

Respiração anaeróbia

Na respiração anaeróbia, há um ciclo de Krebs e uma cadeia respiratória, mas o oxigênio não é o aceptor final dos hidrogenados retirados da glicose. Esses hidrogênios são recebidos por compostos inorgânicos retirados do ambiente (sulfato, nitrato ou carbonatos).

A respiração anaeróbia é realizada por algumas bactérias desnitrificantes, como a Pseudomonas denitrificans, que vivem em solos profundos, com pouco oxigênio e que produz uma quantidade menor de ATP em relação à respiração aeróbia. Elas participam do ciclo do nitrogênio, na ausência de gás oxigênio, ou seja, a desnitrificação só ocorre em regiões onde a taxa de oxigênio é reduzida ou nula, como nos pântanos. 

Respiração aeróbia

É o tipo de respiração em que o aceptor final de hidrogênios na cadeia respiratória é o oxigênio. A respiração aeróbia é realizada por muitos procariontes, protistas, fungos, plantas e animais. As reações que ocorrem na respiração aeróbia dependem da glicose como matéria orgânica a ser degradada.

A glicose obtida através do consumo de carboidratos é fonte primária para a respiração celular, contudo, aminoácidos (obtidos de proteínas), glicerol e ácidos graxos (obtidos de gorduras) também podem participar desse processo. 

A energia obtida na respiração não é usada de imediato. Cada parcela é utilizada na síntese de uma molécula de adenosina trifosfato (ATP) a partir de uma molécula de adenosina difosfato (ADP) e um íon fosfato. Essa reação se chama fosforilação e forma ATP com um fosfato rico em energia.

Quando uma célula precisa de energia para realizar algum trabalho, a ligação entre o ADP e o fosfato é quebrada, liberando energia e o fosfato, agora pobre em energia. O ADP e o fosfato podem formar de novo ATP.

A respiração aeróbia começa no citosol e, nos eucariontes, termina no interior da mitocôndria. Nos procariontes que executam esse tipo de respiração, suas etapas finais ocorrem na membrana plasmática.

A energia armazenada nas ligações químicas da glicose é liberada por meio de oxidações sucessivas. O processo de oxidação não envolve necessariamente uma reação com o gás oxigênio, e sim uma perda de elétrons, que pode ocorrer com a retirada de átomos de hidrogênio, ou seja, por desidrogenações. Os hidrogênios são retirados e transportados por compostos chamados transportadores de hidrogênios.

Etapas da respiração aeróbia

Pode-se considerar a respiração como um processo realizado em três etapas integradas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. A glicólise não depende do gás oxigênio para ocorrer, mas as outras etapas dependem direta ou indiretamente desse gás.

Nos procariontes, as três etapas ocorrem no citoplasma e a cadeia respiratória ocorre associada à face da membrana plasmática voltada para o citoplasma. Já nos eucariontes, somente a glicólise ocorre no citosol e as demais acontecem no interior das mitocôndrias, organelas ausentes nos procariontes.

Dependendo do tipo de célula eucariótica, o saldo total de ATP na respiração aeróbia pode ser de 36 ou 38 ATP. 

Glicólise

Essa etapa ocorre no citosol (hialoplasma) e consiste na quebra parcial de glicose em duas moléculas de ácido pirúvico. Esse ácido e todos os outros ácidos que se formam na respiração aparecem em solução na forma ionizada, que, no caso do ácido pirúvico, é chamada piruvato. Os hidrogênios são retirados pela nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) e flavina dinucleotídeo (FAD), compostos associados a vitaminas.

Durante essa quebra parcial da glicose que envolve vários compostos intermediários, uma parte da energia é liberada em quatro parcelas, permitindo a produção de quatro moléculas de ATP. Como foram gastas duas moléculas de ATP para ativar a glicose (energia de ativação necessária para começar a reação), o saldo é de duas moléculas de ATP nessa etapa.

Ciclo de krebs

Estudada em 1938 pelo bioquímico alemão Hans Krebs (1900-1981), essa etapa ocorre na matriz da mitocôndria e no citosol das bactérias aeróbias.

Antes do ciclo se iniciar, o ácido pirúvico produzido na glicólise é oxidado, perdendo átomos de hidrogênio e elétrons (desidrogenação), além de um átomo de carbono e dois de oxigênio, formando-se uma molécula de gás carbônico e uma cadeia de dois átomos de carbono, o grupo acetila. Esse grupo se liga a uma substância chamada coenzima A (CoA) e forma acetil-CoA.

No ciclo propriamente dito, a acetil-CoA liga-se a um composto de quatro átomos de carbono, o ácido oxaloacético (oxaloacetato), existente na matriz, e forma-se um composto de seis átomos de carbono, o ácido cítrico.

As moléculas desse ácido sofrem desidrogenações e perda de átomos de carbono e de oxigênio, que saem como gás carbônico. Formam-se então vários outros compostos intermediários, que vão participar do ciclo de krebs.

Além de liberar a energia de forna gradativa, o ciclo de krebs permite que os compostos intermediários formados no processo sirvam de ligação entre o metabolismo da glicose e de outras substâncias vindas dos alimentos, como lipídios e proteínas.

Os ácidos graxos dos lipídios, por exemplo, podem ser decompostos em moléculas que entram no ciclo de krebs. Proteínas consumidas em excesso também podem ser usadas como fonte de energia: os aminoácidos perdem o grupamento amina transformando-se em ácidos que entram em várias etapas do ciclo, dependendo do tipo de aminoácido.

Cadeia respiratória

Nessa etapa que ocorre na membrana interna da mitocôndria e na membrana plasmática das bactérias aeróbias, os átomos de hidrogênio retirados das cadeias de carbono durante a glicólise e o ciclo de krebs são transportados por várias moléculas intermediárias até o oxigênio, formando água e grande quantidade de moléculas de ATP.

Nessa etapa, os átomos de hidrogênio originados das desidrogenações cedem seus elétrons para uma série de transportadores de elétrons. Decorre disso o outro nome dessa etapa: transporte eletrônico.

As moléculas transportadoras de elétrons estão arrumadas na membrana interna da mitocôndria de acordo com o trajeto que os elétrons percorrem. Além de uma substância não proteica, há um conjunto de proteínas, muitas delas com átomos de ferro ou cobre (os citocromos).

Durante o trajeto, os elétrons formam, com os transportadores, compostos cuja quantidade de energia é menor que a do transportador anterior. Dessa forma, a energia é liberada e usada na síntese de ATP. Essa síntese ocorre em um complexo enzimático, a ATP-sintase.

O último transportador se oxida ao passar os elétrons para o oxigênio absorvido do ambiente. Nesse processo, o oxigênio é a molécula que se reduz definitivamente, recebendo elétrons e íons H+ da solução, formando água.

A cadeia respiratória também é chamada fosforilação oxidativa, poque a síntese de ATP depende da entrada de um fosfato no ADP (fosforilação), e a fosforilação é realizada com a energia proveniente de oxidações.

Nas células procariotas, como é o caso das bactérias, a respiração aeróbia pode produzir um total de 36 ou 38 moléculas de ATP por molécula de glicose. Nas células eucariotas, uma parte da energia liberada na cadeia respiratória é consumida no transporte das moléculas de ATP pela membrana da mitocôndria, e o saldo de moléculas de ATP pode chegar a 30 ou 32, dependendo do tipo de célula.

O caminho da glicose

A digestão dos carboidratos no sistema digestório produz monossacarídeos, como a glicose. Depois que ocorre a absorção, as células recebem esses monossacarídeos.

Parte da glicose entra no processo de respiração celular e parte fica estocada nas células sob a forma do polissacarídeo glicogênio, armazenado principalmente nas células do fígado e dos músculos. Quando necessário, as células quebram esse glicogênio em moléculas de glicose, que participam da glicólise, liberando assim, energia para a síntese de ATP.