Aula 5: Mitocôndrias e a Respiração Celular

Aula 5: Mitocôndrias e a Respiração Celular
A respiração celular é o processo que, através da destruição de cadeias
carbônicas de moléculas orgânicas, a energia química é liberada às reações
do metabolismo. Pode ser: aeróbia (realizada pela maioria dos seres vivos,
que se processa parte no citoplasma e parte no interior da mitocôndria) e
anaeróbia (realizada por alguns micro-organismos e algumas células de
organismos superiores, que se processa inteiramente no citoplasma).
Nesta fase ocorre também desidrogenação com formação de 2 NAD2H.
Assim, temos:
Mitocôndria
É uma organela delimitada por duas membranas semelhantes à
plasmática. A membrana interna possui dobras, chamadas cristas
mitocondriais. Entre as cristas está uma solução coloidal idêntica ao
citoplasma, chamada matriz mitocondrial.
Na matriz e na membrana interna encontram-se várias enzimas
responsáveis pelas reações químicas da respiração. A vantagem das cristas é
aumentar a superfície de enzimas sem aumentar o tamanho da mitocôndria.
Na matriz encontramos DNA, RNA e ribossomos; logo, as mitocôndrias
possuem equipamento próprio para a síntese de proteínas (enzimas
respiratórias) e são capazes de se autoduplicar, garantindo que o seu número
se mantenha constante nas células.
É bem provável que as mitocôndrias sejam bactérias primitivas que, no
passado, teriam invadido as células, passando a viver harmonicamente com
elas. Esta é a Teoria da Endossimbiose, e suas evidências são: 1) autonomia
reprodutiva das mitocôndrias; 2) presença de DNA circular e ribossomos 70
S, típico de organismos procariontes; 3) semelhança entre as cristas
mitocondriais e os mesossomos das bactérias; 4) alguns antibióticos (ex:
cloroanfenicol) inibem a síntese de proteínas no interior das mitocôndrias.
Membrana interna
2) Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Cítrico: Ocorre na matriz
mitocondrial. Neste ciclo, as 2 moléculas de ácido pirúvico serão
desidrogenadas (realizadas pelo NAD e FAD [flavina adenina
dinucleotídeo]) e descarboxiladas (retiradas de moléculas de CO2 do ácido
pirúvico por enzimas denominadas descarboxilases) gradativamente.
Antes de iniciar o ciclo, o ácido pirúvico é preparado para o Ciclo de
Krebs, sendo descarboxilado e desidrogenado, formando 1 NAD2H e 1
CO2, ele se reúne a uma substância chamada coenzima A (CoA), formando
o acetil-Coa (2 C). O acetil-Coa, se liga a um composto de 4C existente na
matriz mitocondrial, o ácido oxaloacético, resultando em um composto de
6C, o ácido cítrico. O ácido cítrico sofre desidrogenações e
descarboxilações, resultando em vários compostos intermediários e, no final
do processo, o ácido oxaloacético é regenerado e devolvido à matriz.
Durante estas transformações, são produzidas 3 NAD2H, 1 FAD2H, 2
CO2 e 1 GTP (guanosina trifosfato), que se transforma em ATP. Tem-se
então como saldo: 4 NAD2H, 1 FAD2H, 3 CO2 e 1 ATP para cada
molécula de ácido pirúvico que inicia o processo. Resumidamente, temos:
Membrana externa
Cristas
Matriz
NAD2H
NAD2H
CO2
Respiração Aeróbia
Na respiração aeróbia, as moléculas orgânicas interagem com o
oxigênio, produzindo gás carbônico e água. A quebra das cadeias das
moléculas orgânicas é feita gradativamente, liberando energia em pequenas
parcelas. A principal molécula utilizada pelas células é a glicose (C 6H12O6) e
o processo pode ser resumido pela reação abaixo:
C6H12O6 + 6 O2 → 6 CO2 + 6 H2O + ENERGIA
A energia armazenada nas ligações químicas da glicose é liberada
através de oxidações (perda de elétrons) sucessivas. Estas reações ocorrem
por retiradas de átomos de hidrogênio da molécula – uma série de
desidrogenações sucessivas, catalisada por enzimas chamadas
desidrogenases, que possuem como coenzima o grupamento NAD
(nicotinamida adenina dinucleotídeo). O NAD recolhe estes átomos de
hidrogênio, que passam por várias substâncias intermediárias, liberando
energia gradativamente, até reagirem por fim com o oxigênio absorvido do
ambiente, formando água.
A energia liberada é armazenada em uma molécula de ATP (adenosina
trifosfato). Quando uma molécula precisa de energia para realizar algum
trabalho, o ATP cede o seu terceiro fosfato, rico em energia, e transforma-se
em ADP. O ATP pode ser regenerado através de reações de fosforilação do
ADP.
3) Cadeia Respiratória ou Fosforilação Oxidativa: Ocorre nas cristas
mitocondriais. Nesta etapa, os elétrons dos átomos de H retirados pelo NAD
serão transportados por várias moléculas intermediárias (entre elas, a
coenzima Q ou ubiquinona, e os citocromos) até o oxigênio. Com ele,
formam água e grande quantidade de moléculas de ATP:
A respiração aeróbia compreende 3 etapas:
1) Glicólise: Ocorre no hialoplasma celular e consiste na quebra parcial
da glicose em 2 moléculas de ácido pirúvico (C3H4O3), liberando energia
suficiente para a produção de 4 ATP. Entretanto, são gastos 2 ATP para
ativar a glicólise, restando então o saldo de 2 ATP.
Durante o trajeto, os elétrons formam com os transportadores compostos
cuja quantidade de energia é menor do que a do transportador anterior.
Assim, teremos uma liberação de energia em etapas, utilizada para a síntese
de ATP. Por fim, estes elétrons reduzirão o oxigênio (aceptor de elétrons
definitivo), formando a água. Assim, o O2 precisa ser continuamente
fornecido à célula: se parar, os transportadores permanecem reduzidos, sem
condições de receber novos H+, o que interrompe toda a cadeia respiratória.
FAD2H
NAD2H
CO2
ATP
Neste caminho:
1 NAD2H → 3 ATP
1 FAD2H → 2 ATP
Assim, temos um saldo de 38 ATP para cada molécula de glicose,
conforme o quadro seguinte:
Hidrogênios
ATP
Glicólise
2 NAD2H
4 ATP
Ciclo de Krebs
(2 voltas)
8 NAD2H
2 FAD2H
2 ATP
Cadeia Respiratória
10 NAD2H
2 FAD2H
30 ATP
4 ATP
Total
-
40 ATP
Gasto Inicial
-
2 ATP
38 ATP*
Saldo
* No fígado e coração; em células musculares e nervosas, os átomos de
H retirados durante a glicólise perdem energia ao atravessar a membrana
mitocondrial e o rendimento é de 36 ATP.
Respiração Anaeróbia ou Fermentação
Processo de quebra da glicose sem a presença de oxigênio do ambiente.
Na respiração anaeróbia, por não ter o oxigênio como aceptor final de
elétrons, as bactérias podem utilizar outras moléculas, como NO3- (Nitrato)
e S (enxofre). Na respiração anaeróbia pode ocorre também a liberação de
gás metano (CH4).
O processo mais conhecido de respiração anaeróbia é a fermentação. Ela
pode ser de 2 tipos: lática e alcoólica. Na fermentação, a quebra da glicose
termina na glicólise.
Os organismos que a realizam podem ser:
- Anaeróbios Estritos ou Obrigatórios – não possuem as enzimas
responsáveis pelas reações químicas do Ciclo de Krebs e da Cadeia
Respiratória, e não sobrevivem em presença de oxigênio. Ex: bactéria do
tétano.
- Anaeróbios Facultativos – Fazem respiração aeróbia, mas podem optar
pela fermentação caso falte oxigênio. Ex: células musculares.
Fermentação Lática: Realizada por bactérias (p.ex: lactobacilos) usadas
na produção de iogurtes e coalhadas. O produto final é o ácido lático. Este
processo pode ser resumido pela seguinte equação:
Durante um esforço muscular prolongado, o oxigênio que chega ao
músculo não é suficiente para fornecer toda a energia necessária. As células
musculares passam a realizar a fermentação lática. O acúmulo de ácido
lático nos músculos causa dor, cansaço e cãibras. Posteriormente, parte do
ácido lático é conduzida pela corrente sanguínea para o fígado, onde será
transformado em glicose. Outra parte permanece no músculo, sendo
oxidada aerobicamente durante o repouso, quando a célula volta a dispor de
oxigênio.
A célula muscular em repouso produz um excesso de ATP, que passa a
sua energia para um outro composto, a creatina fosfato, armazenada na
célula. Em caso de necessidade, a creatina fosfato cede energia para a
produção de ATP e este é usado no trabalho muscular.
Fermentação Alcoólica: Realizada por vários fungos (p.ex: Saccharomices
cerevisiae), usados na fabricação de bebidas alcoólicas. O produto final é o
etanol. Neste caso, o ácido pirúvico é descarboxilado antes de receber os
átomos de hidrogênio, produzindo também CO2:
Exercícios
1) (ENEM 2010) Um ambiente capaz de asfixiar todos os animais
conhecidos do planeta foi colonizado por pelo menos 3 espécies diferentes
de invertebrados marinhos. Descobertos a mais de 3000 metros de
profundidade no Mediterrâneo, eles são os primeiros membros do reino
animal a prosperar mesmo diante da ausência total de oxigênio. Até agora,
achava-se que só bactérias pudessem ter este estilo de vida. Não admira que
os bichos pertençam a um grupo pouco conhecido, o dos loricíferos, que
mal chegam a 1,0 mm. Apesar do tamanho, possuem cabeça, boca, sistema
digestivo e uma carapaça. A adaptação dos bichos à vida no sufoco é tão
profunda que suas células dispensaram as chamadas mitocôndrias.
Lopes, R. J. Italianos descobrem animal que vive em água sem oxigênio.
Disponível em: http://www1.folha.uol.com.br. Acesso em: 10 abr 2010
(adaptado).
Que substâncias poderiam ter a mesma função do oxigênio na respiração
celular realizada pelos loricíferos?
a) S e CH4
b) S e NO3c) H2 e NO3d) CO2 e CH4
e) H2 e CO2
2) (PUC 2011) O mau cheiro que vem do lodo das Lagoas da Bacia de
Jacarepaguá no Rio de Janeiro e que, desde domingo, impesteia a Barra da
Tijuca é uma das ameaças aos Jogos Olímpicos de 2016, que terão no bairro
o epicentro das competições esportivas. O vento forte, aliado à ressaca,
revolveu o fundo das lagoas e liberou gases metano e sulfídrico.
Adaptado do Jornal O Globo de 18 ago. 2010.
Os gases metano e sulfídrico de que tratam a reportagem são resultantes da:
a) respiração aeróbica de micro-organismos
b) respiração anaeróbica de micro-organismos
c) reação do CO2 produzida por fermentação
d) biodegradação de metais e material inorgânico do lodo
e) reação da matéria orgânica com o O2 trazido pelos ventos
3) (UFRJ 2010) A hipótese sobre a origem das células eucarióticas com
maior número de adeptos é a hipótese da endossimbiose sequencial proposta
pela bioquímica Lynn Margulis. De acordo com essa hipótese, podemos
dizer que as células dos animais têm dois genomas e as das plantas têm três;
nos dois casos, os genomas funcionam de forma integrada.
Identifique em quais organelas das células dos animais e das plantas estão
localizados esses genomas.
4) (UNIRIO 2009) Fadiga muscular, de forma sucinta, pode ser definida
como o declínio da tensão muscular devido à estimulação repetitiva e
prolongada de uma atividade. Assim, quando ocorre trabalho muscular
excessivo, o ácido pirúvico resultante da glicólise é convertido em ácido
lático que é tóxico e se acumula nos músculos, causando dores musculares.
a) Qual processo biológico de obtenção de energia produz o ácido lático?
b) Em qual condição celular este processo ocorre?
5) (UERJ 2009) Para estudar o metabolismo de organismos vivos, isótopos
radioativos de alguns elementos, como o 14C, foram utilizados como
marcadores de moléculas orgânicas.
Podemos demonstrar, experimentalmente, utilizando a glicose marcada com
14C, o acúmulo de produtos diferentes da glicólise na célula muscular, na
presença ou na ausência de um inibidor da cadeia respiratória mitocondrial.
Em presença desse inibidor, o metabólito radioativo que deve acumular-se
no músculo é o ácido denominado:
a) lático
b) cítrico
c) pirúvico
d) glicérico
6) (UFRJ 2007) A eritropoetina (EPO) é uma proteína cuja atividade
principal é estimular a produção de hemácias na medula óssea. A EPO
produzida em laboratório tem sido usada pelos médicos no tratamento de
certos tipos de anemia. Alguns atletas, no entanto, usam indevidamente a
EPO com a finalidade de melhorar seu desempenho esportivo, prática
denominada doping biológico.
Explique por que a EPO melhora o desempenho dos atletas.
7) (UFRJ 2002) Em 1949, enquanto estudavam o metabolismo energético,
Eugene Kennedy e Albert Lehninger, realizaram uma experiência na qual
separaram, por centrifugação, os diferentes componentes celulares. Em
seguida, os pesquisadores colocaram cada uma das frações contendo os
diferentes componentes em soluções compostas dos nutrientes adequados e
mediram o consumo de oxigênio (O2) em cada uma das frações. Em outro
conjunto de frascos, testou-se a produção de trifosfato de adenosina (ATP)
pelas diferentes frações. A tabela abaixo mostra alguns dos resultados
possíveis em uma experiência deste tipo.
Com base nos resultados da tabela, identifique qual das frações deve
corresponder às mitocôndrias. Justifique sua resposta.
8) (ENEM 2006) As características dos vinhos dependem do grau de
maturação das uvas nas parreiras porque as concentrações de
diversas substancias da composição das uvas variam a medida que
as uvas vão amadurecendo. O gráfico a seguir mostra a variação da
concentração de três substancias presentes em uvas, em função do
tempo.
O teor alcoólico do vinho deve-se a fermentação dos açúcares do
suco da uva. Por sua vez, a acidez do vinho produzido é
proporcional a concentração dos ácidos tartárico e málico.
Considerando-se as diferentes características desejadas, as uvas
podem ser colhidas
a)mais cedo, para a obtenção de vinhos menos ácidos e menos alcoólicos.
b)mais cedo, para a obtenção de vinhos mais ácidos e mais alcoólicos.
c)mais tarde, para a obtenção de vinhos mais alcoólicos e menos ácidos.
d)mais cedo e ser fermentadas por mais tempo, para a obtenção de vinhos
mais alcoólicos.
e)mais tarde e ser fermentadas por menos tempo, para a obtenção de vinhos
menos alcoólicos.
9) (UFRJ) Há um cuidado que deve ser tornado quando se compra um
alimento enlatado. Devemos observar não só a data de fabricação e o prazo
de vencimento do produto, mas também o aspecto da lata, que não deve se
apresentar com a tampa estufada. Se a tampa estiver estufada, pode ter – se
desenvolvido, entre outras bactérias, a produtora de botulismo, uma doença
freqüentemente fatal.
a) Que tipo de respiração essa bactéria mantém no interior da lata fechada?
b) No caso do produto contaminado, o que causou a pressão no interior da
lata, estufando a tampa?
10) (FUVEST-SP) As mitocôndrias são consideradas as “casas de força”
das células vivas. Tal analogia refere-se ao fato de as mitocôndrias:
a) estocarem moléculas de ATP produzidas na digestão de alimentos.
b) produzirem ATP com utilização de energia liberada na oxidação de
moléculas orgânicas.
c) consumirem moléculas de ATP na síntese de glicogênio ou de amido a
partir de glicose.
d) serem capazes de absorver energia luminosa utilizada na síntese de ATP.
e) produzirem ATP a partir da energia liberada na síntese de amido ou de
glicogênio.
11) (UFF modif) A cadeia respiratória é parte de um mecanismo funcional
que, devido às alterações a que está sujeito, é capaz de exercer influência
sobre a vida e a morte da célula e do indivíduo. Responda às questões:
a) Na célula, em qual local ela (cadeia respiratória) ocorre ?
b) No óbito por asfixia ou por envenenamento por cianeto o que acontece
com a produção de ATP?
c) Por que a falta de oxigênio leva à morte por asfixia?
d) Qual o papel dos co-fatores NAD e FAD na respiração celular?
Gabarito Aula 5
1) B
2) B
3) Nos animais há um genoma no núcleo das células e outro nas
mitocôndrias. Nos vegetais há um genoma no núcleo, um nas mitocôndrias e
outro nos cloroplastos.
4) a) Fermentação Lática.
b) Na deficiência ou escassez de oxigênio.
5) A
6) O aumento do número de hemácias amplia a capacidade de transporte de
oxigênio, que é necessária para a produção de energia na respiração celular
aeróbica.
7) A fração A contém mitocôndrias, visto que há uma grande produção de
ATP e um concomitante consumo de oxigênio, o que indica a ocorrência de
fosforilação oxidativa ao longo da cadeia respiratória.
8) C. Quanto maior a concentração dos ácidos tartárico e málico, maior a
acidez do vinho. Isso acontece quando as uvas são colhidas mais cedo.
Quanto maior a concentração de açúcar, maior a quantidade de álcool que
será obtida, o que ocorre quando as uvas são colhidas mais tarde. Portanto,
quanto mais tarde as uvas forem colhidas, menos ácido será o vinho e maior
será o teor alcoólico.
9) a) No interior da lata ocorreu a respiração anaeróbia ou fermentação. b) A
produção de CO2.
10) B.
11) a) Nas cristas mitocondriais.
b) Bloqueio da síntese de ATP.
c) Porque os transportadores (citocromos) ficam "carregados" de elétrons,
levando ao bloqueio do fluxo de elétrons ao longo da cadeia respiratória que
param, cessando a produção de ATP.
d) Eles transportam hidrogênio, liberados na respiração aeróbia, para o O 2
formando H2O.