Respiração celular: tudo o que você precisa saber

A respiração celular é um processo essencial que ocorre nas células, convertendo nutrientes em energia. Ela se divide em duas formas: a respiração aeróbica e a respiração anaeróbica.

Para os estudantes que desejam ir bem nas provas do Exame Nacional do Ensino Médio (Enem) e aprofundar seus conhecimentos sobre o assunto, é fundamental compreender a relação entre a respiração celular e a mitocôndria - algo que está no campo da citologia.

Neste artigo, vamos entender melhor os conceitos a respeito do tema.

O que é a respiração celular?

A respiração celular é um processo metabólico fundamental que ocorre de maneira contínua em todos os organismos vivos. Seu objetivo principal é gerar energia necessária para a sobrevivência das células na forma de ATP (Adenosina trifosfato).

Alguns organismos conseguem executar o que chamamos de respiração anaeróbica, dispensando a presença de oxigênio.

No entanto, outros seres vivos, incluindo animais, plantas, fungos e algumas bactérias, dependem da respiração aeróbica, que precisa de oxigênio para acontecer.

Vamos explorar os processos que envolvem a respiração celular e compreender como as células convertem as substâncias orgânicas em energia para manter seu funcionamento.

Onde ocorre a respiração celular? Conheça as organelas envolvidas

A respiração celular acontece em diferentes etapas e locais dentro da célula, cada parte desempenhando papéis específicos.

As três principais organelas que realizam a respiração celular são as mitocôndrias, os hidrogenossomos e os mitossomos.

✔️ Mitocôndrias

São organelas celulares essenciais responsáveis pela respiração celular, conhecidas como as "usinas de energia" da célula.

Elas possuem duas membranas, uma externa e uma interna com cristas altamente dobradas, onde ocorrem as principais etapas da respiração celular, como ciclo de Krebs e cadeia de transporte de elétrons. As mitocôndrias são cruciais para a produção de ATP (Adenosina trifosfato), a “moeda” de energia da célula.

✔️ Hidrogenossomos e mitossomos

São estruturas encontradas em células de organismos anaeróbicos e que operam em ambientes com baixo nível de oxigênio. Ambas têm seu papel na produção de energia, convertendo compostos orgânicos em ATP.

No entanto, sua eficiência na produção de ATP é menor quando comparada às mitocôndrias, que funcionam em ambientes com maior disponibilidade de oxigênio.

Fórmula geral da respiração celular

A respiração celular aeróbica é composta, além da glicólise, pelo ciclo de Krebs e pela cadeia de transporte de elétrons. Esses processos dependem da presença de oxigênio e acontecem no interior das mitocôndrias e nas cristas mitocondriais, respectivamente.

• Respiração celular aeróbica

C₆H₁₂O₆ (glicose) + 6O₂ (oxigênio) → 6CO₂ (dióxido de carbono) + 6H₂O (água) + Energia (ATP)

Por outro lado, a respiração anaeróbica, composta pela glicólise, não requer oxigênio para sua realização e ocorre no citoplasma.

Existem variações nos tipos de respiração anaeróbica, porém os dois principais são:

• Fermentação alcoólica

Glicose + 2ADP + 2Pi → 2 Etanol + 2CO₂ + 2ATP + 2 H₂O (resultado: álcool)

• Fermentação lática

Glicose + 2ADP + 2Pi → 2 Lactato + 2ATP + 2 H₂O (resultado: lactose)

Quais os tipos de respiração celular?

A seguir, vamos analisar os diferentes tipos de respiração celular.

Respiração celular aeróbica

A respiração celular aeróbica é vital para organismos dependentes de oxigênio, pois converte glicose em ATP, uma eficiente fonte de energia para funções metabólicas e atividades celulares.

Respiração celular anaeróbica

Em ambientes com baixa concentração de oxigênio, como regiões marinhas e lagos de maior profundidade, os organismos recorrem a alternativas para o transporte de elétrons durante a respiração celular. Esse processo é conduzido por diversas bactérias que utilizam compostos como enxofre, nitrogênio, manganês e ferro como substitutos para a transferência de elétrons.

Algumas bactérias, por falta das enzimas necessárias para o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória, não conseguem realizar a respiração aeróbica.

Quando expostos ao oxigênio, esses organismos podem até mesmo não sobreviver, e são categorizados como anaeróbios estritos. Um exemplo é a bactéria Clostridium tetani, responsável pelo tétano.

Etapas da respiração celular aeróbica

Conheça as três etapas do processo de respiração celular aeróbica: glicólise, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa.

Glicólise

A glicólise é o processo em que a glicose se quebra em partes menores, liberando energia. Essa etapa metabólica ocorre no citoplasma da célula, enquanto as outras são realizadas nas mitocôndrias. Veja:

A glicose (C₆H₁₂O₆) se divide em duas moléculas de ácido pirúvico ou piruvato (C₃H₄O₃). São várias etapas oxidativas, que envolvem enzimas presentes no citoplasma, bem como moléculas de NAD. Elas realizam a desidrogenação das moléculas, ou seja, removem os hidrogênios dos quais os elétrons serão doados para a cadeia respiratória.

Ao final, obtém-se o saldo de duas moléculas de ATP (que armazenam energia).

Ciclo de Krebs

Aqui, cada molécula de piruvato ou ácido pirúvico (produzida na etapa anterior) entra na mitocôndria. Lá, elas passas por diversas reações que resultam na formação de mais moléculas de ATP.

No ciclo de Krebs, o acetil-CoA combina-se ao ácido oxalacético para formar ácido cítrico. Durante esse processo, ocorre a liberação de CO2 e a produção de ATP, NADH e FADH2, essenciais para gerar energia a partir da glicose.

Veja o que acontece em cada etapa:

1. O grupo acetila do acetil-CoA é transferido para o oxaloacetato, formando o citrato;
2. O citrato é convertido em isocitrato;
3. Ocorre a primeira oxidação, onde o isocitrato é oxidado, reduzindo o NAD+ a NADH e liberando dióxido de carbono;
4. Acontece outra oxidação, produzindo dióxido de carbono e reduzindo o NAD+ a NADH. A molécula restante se liga à coenzima A;
5. A coenzima A é substituída por um grupo fosfato, formando uma ligação fosfato com o succinato e produzindo GTP;
6. Ocorre a terceira oxidação do ciclo, onde a FAD remove dois átomos de hidrogênio do succinato, formando FADH2;
7. Uma molécula de água é adicionada ao fumarato;
8. Esta é a última das quatro etapas de oxidação, em que o substrato é oxidado, reduzindo o NAD+ a NADH e regenerando o oxaloacetato;

Ao final são geradas duas moléculas de ATP por molécula de glicose quebrada.

Fosforilação oxidativa

A fosforilação oxidativa, também conhecida como cadeia respiratória, é a última etapa metabólica da respiração celular aeróbica. Ela é responsável pela maior parte da energia produzida durante o processo.

Nesta fase, ocorre a transferência de elétrons que derivam dos hidrogênios retirados das substâncias envolvidas nas etapas anteriores. Isso permite a formação de moléculas de água e de ATP.

No processo de transferência, diversas moléculas intermediárias estão presentes tanto nas células procariontes quanto nas cristas mitocondriais das células eucariontes.

Elas formam a cadeia transportadora de elétrons e incluem complexas proteínas, como citocromos, NAD, coenzima Q e ubiquinona.

Ao longo da fosforilação oxidativa, íons de hidrogênios são lançados no espaço entre as membranas interna e externa da mitocôndria, gerando um gradiente de concentração cujo potencial quimiosmótico será usado pela ATP-Sintase para produzir ATP.

O resultado desta fase é marcado pela maior produção de ATP, resultando em cerca de 34 ATP, encerrando assim o processo de respiração celular aeróbica.

Etapas da respiração celular anaeróbica

Confira as fases da respiração celular anaeróbica:

Glicólise

A primeira etapa da fermentação é a glicólise, na qual uma molécula de glicose se divide em duas moléculas de ácido pirúvico. Esse processo resulta na produção de 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzida).

Fermentação

Na ausência de oxigênio, as células não podem realizar o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons. Nesse cenário, o ácido pirúvico, produzido na glicólise, é convertido em diferentes produtos, dependendo do tipo de fermentação. Veja um exemplo:

Fermentação lática

Em células, como as dos músculos durante atividades intensas, o ácido pirúvico se converte em ácido lático. Isso ocorre em seres humanos durante exercícios vigorosos, resultando na produção rápida de ATP, mas também levando à fadiga muscular devido ao acúmulo de ácido lático.

Fermentação alcoólica

Em leveduras e algumas bactérias, o ácido pirúvico se converte em álcool etílico (etanol) e dióxido de carbono. Usamos esse processo na fabricação de álcool, pão e outros produtos fermentados.

Ou seja, a respiração anaeróbica resulta na produção de um número limitado de ATP, geralmente apenas 2 ATPs, o que contrasta com a respiração aeróbica, onde a cadeia respiratória é capaz de gerar uma quantidade significativamente maior de ATP.

Saldo energético da respiração celular

O saldo energético da respiração celular varia dependendo do tipo de respiração celular (aeróbica ou anaeróbica) e das condições específicas de cada célula e organismo.

No entanto, na respiração celular aeróbica, que é a forma mais eficiente de produção de energia, o saldo energético pode ser resumido da seguinte forma:

Glicólise
Produz 4 moléculas de ATP (energia) por molécula de glicose quebrada, mas também consome 2 moléculas de ATP no processo líquido, resultando em um saldo energético de 2 ATP.
4 ATP + 2 NADH – 2 ATP → 2 ATP + 2 NADH

Ciclo de Krebs (ou ciclo do ácido cítrico)
Gera 2 moléculas de ATP por molécula de glicose quebrada.
2 x (4 NADH + 1 FADH₂ + 1 ATP) → 8 NADH + 2 FADH₂ + 2 ATP

Cadeia de transporte de elétrons
Produz um grande número de moléculas de ATP (geralmente cerca de 34 a 36 ATP) por molécula de glicose.
2 NADH da glicólise → 6 ATP
8 NADH do ciclo de Krebs → 24 ATP
2 FADH2 do ciclo de Krebs → 4 ATP
34 ATP

No total, na respiração celular aeróbica, você obtém um saldo líquido de aproximadamente 36 a 38 moléculas de ATP por molécula de glicose que é oxidada. Vale ressaltar que esses valores podem variar dependendo de vários fatores, mas essa é uma estimativa geral do saldo energético.

Agora, na respiração anaeróbica e na fermentação, o saldo energético é muito menor, pois não ocorre a cadeia de transporte de elétrons, resultando na produção de apenas 2 ATP por molécula de glicose.

Resumo: respiração celular

Veja um resumo sobre o assunto para ter em mente o que é essencial saber:

• a respiração celular é um processo vital para a produção de energia nas células, ocorrendo de duas maneiras -- aeróbica (com oxigênio) e anaeróbica (sem oxigênio);
• na respiração aeróbica, a glicose é degradada, produzindo cerca de 36-38 ATP por molécula de glicose;
• enquanto na respiração anaeróbica, a glicose se degradada parcialmente, resultando em apenas 2 ATP por molécula de glicose e subprodutos como ácido lático ou álcool;
• o saldo energético varia com o tipo de respiração e as condições celulares, com a aeróbica sendo mais eficiente em termos de ATP gerado;
• a respiração celular é essencial para a produção de energia nas células, sendo afetada pelo oxigênio disponível e influenciando a quantidade de ATP produzida.

Como a respiração celular cai no Enem e nos vestibulares

De acordo com a análise do Aprova Total, a bioenergética é o 5º tópico mais frequente no Enem, abrangendo cerca de 7,2% das questões. Isso destaca a importância desse assunto! Veja exemplos de exercícios sobre respiração celular que já apareceram em edições anteriores da prova:

Exemplo 1

(Enem 2022) Os ursos, por não apresentarem uma hibernação verdadeira, acordam por causa da presença de termogenina, uma proteína mitocondrial que impede a chegada dos prótons até a ATP sintetase, gerando calor. Esse calor é importante para aquecer o organismo, permitindo seu despertar.

SADAVA, D. et al. Vida: a ciência da biologia. Porto Alegre: Artmed, 2009 (adaptado).

Em qual etapa do metabolismo energético celular a termogenina interfere?

a) Glicólise

b) Fermentação lática

c) Ciclo do ácido cítrico

d) Oxidação do piruvato

e) Fosforilação oxidativa

Resposta: [E]
A termogenina é uma proteína que interfere na entrada de prótons na ATP sintase, resultando na interrupção do movimento de prótons através da ATP sintase e, consequentemente, na inibição da fosforilação oxidativa.

Exemplo 2

(Enem 2019) O 2,4-dinitrofenol (DNP) é conhecido como desacoplador da cadeia de elétrons na mitocôndria e apresenta um efeito emagrecedor. Contudo, por ser perigoso e pela ocorrência de casos letais, seu uso como medicamento é proibido em diversos países, inclusive no Brasil. Na mitocôndria, essa substância captura, no espaço intermembranas, prótons (H+) provenientes da atividade das proteínas da cadeia respiratória, retornando-os à matriz mitocondrial. Assim, esses prótons não passam pelo transporte enzimático, na membrana interna.

GRUNDLINGH, J. et. al. 2,4-Dinitrophenol (DNP): a Weight Loss Agent with Significant Acute Toxicity and Risk of Death. Journal of Medical Toxicology, v. 7, 2011 (adaptado).

O efeito emagrecedor desse composto está relacionado ao(à):

a) obstrução da cadeia respiratória, resultando em maior consumo celular de ácidos graxos.

b) bloqueio das reações do ciclo de Krebs, resultando em maior gasto celular de energia.

c) diminuição da produção de acetil-CoA, resultando em maior gasto celular de piruvato.

d) inibição da glicólise de ATP, resultando em maior gasto celular de nutrientes.

e) redução da produção de ATP, resultando em maior gasto celular de nutrientes.

Resposta: [E]
O 2,4-dinitrofenol (DNP) interrompe a forma como as células produzem energia. Isso faz com que as células gastem mais nutrientes para compensar a falta de energia, levando ao emagrecimento.

👉 Leia também:

Ciência e saúde: notícias de 2023 que podem aparecer no vestibular

Revise fisiologia vegetal, área da botânica que estuda as plantas

Ciências da Natureza: conheça 10 estratégias de estudo

* Colaborou neste post Alexandre Santana