O que e a cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons?

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A cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons é a terceira e última etapa da respiração celular, processo ocorrido no interior das mitocôndrias e que tem como papel a geração de energia em forma de ATP. É na cadeia respiratória que ocorre a maior parte do ATP produzido pelo processo de respiração celular.

Na cadeia respiratória, quatro grandes complexos proteicos inseridos na membrana interna da mitocôndria realizam o transporte dos elétrons de NADH e de FADH2 (formados na glicólise e no ciclo de Krebs) ao gás oxigênio, reduzindo-os a NAD+ e FAD, respectivamente. Estes elétrons possuem grande afinidade com o gás oxigênio e, ao combinarem-se a ele, o reduz a moléculas de água ao final da reação. O gás oxigênio participa efetivamente da respiração celular nesta etapa, assim, sua ausência implicaria na interrupção do processo.

Os elétrons do NADH e do FADH2, atraídos pelo gás oxigênio, percorrem um caminho por entre os complexos proteicos, liberando neste trajeto uma grande quantidade de energia. A energia liberada pelos elétrons na passagem de uma proteína a outra da cadeia respiratória é chamada de força eletromotiva, e ocasiona a passagem dos íons H+ da matriz mitocondrial para o pequeno espaço entre as membranas da mitocôndria.

Altamente concentrados no espaço entre as membranas mitocondriais, estes íons H+ tendem a retornar à matriz mitocondrial, gerando um potencial de difusão denominado força protomotiva. Para que consigam retornar, estes íons têm de passar por um dos complexos proteicos da cadeia respiratória, o sintase do ATP. Este complexo pode ser comparado à turbina de uma usina hidrelétrica: é composto por um rotor interno que, ao ser movido pela passagem dos íons H+, convertem a energia potencial da difusão dos íons em energia mecânica (a rotação da sintase do ATP) e, em seguida, em energia química.

Em outras palavras, a conversão da energia mecânica em energia química consiste na utilização da energia liberada com a entrada dos íons H+ pelo complexo proteico para a produção das moléculas de ATP. Nesta reação, a energia mecânica produzida é utilizada para a inserção de um fosfato à molécula de ADP (adenosina difosfato), transformando-o em ATP (adenosina trifosfato), em uma reação denominada fosforilação oxidativa. Contido de energia química, este ATP, ao final do processo, será fornecido a todas as células como fonte de energia para a realização de suas atividades.

A energia liberada pelos elétrons de NADH e do FADH2 em sua passagem pela cadeia respiratória rendem, teoricamente, 34 moléculas de ATP. Em condições normais, porém, esse rendimento é menor, sendo formadas 26 moléculas. Se estas 26 moléculas forem somadas aos dois ATP formados na glicólise e aos dois ATP formados no ciclo de Krebs, pode-se dizer que a respiração celular chega ao rendimento máximo de 30 moléculas de ATP por molécula de glicose, embora em teoria este número fosse de 38 moléculas de ATP por molécula de glicose.

Referência:

AMABIS, José Mariano; MARTHO, Gilberto Rodrigues. Biologia em Contexto. 1ª edição. São Paulo: Editora Moderna, 2013.

Dentro da biologia, a bioenergética é uma área que está muito ligada à bioquímica e que estuda as transformações de energia nos seres vivos. A cada minuto do dia milhares de reações químicas ocorrem por todo o organismo, essas reações são denominadas de metabolismo. Os processos celulares do organismo necessitam de energia tanto para serem iniciados como para terem continuidade. Essa energia vem dos nutrientes alimentares, mas ela não é aproveitada diretamente dos alimentos. Ela é recolhida e conduzida como uma forma acessível de energia através de um composto rico em energia (ATP – adenosina trifosfato) por meio das vias metabólicas celulares, que são estudadas pela bioenergética.

Entre os processos responsáveis pela produção de energia nos seres vivos temos respiração celular, que é o processo através do qual as células obtêm energia e consiste na quebra de moléculas ricas em energia (geralmente a glicose) com auxílio do oxigênio. Resulta na produção de gás carbônico com consequente liberação de energia para o organismo. Esse processo tem três fases:

Glicólise – é um processo anaeróbico que ocorre no citoplasma celular. Consiste na quebra de uma molécula de glicose em duas moléculas de piruvato (um composto que possui três carbonos) através de dez reações químicas sucessivas, que ocorrem de forma lenta.

Ciclo de Krebs – é a segunda fase da respiração e ocorre no interior da mitocôndria (matriz mitocondrial). Caracteriza-se por um conjunto de oito reações químicas sequenciais, sendo que quatro delas ocorre com a liberação de energia que é armazenada na forma de NADH e FADH2. Para que o ciclo seja iniciado é necessária a formação da molécula de acetil-CoA, que é proveniente da remoção do grupo carboxila na forma de CO2 do piruvato. O acetil-CoA se combina com um ácido chamado oxaloacetato, dando origem ao citrato, que é transformado em isocitrato. O isocitrato é desidrogenado, com liberação de CO2 e a formação de um composto chamado α-cetoglutarato. Mais um CO2 é liberado do α-cetoglutarato, formando o succinil-CoA que passa por uma reação e é convertido em succinato.  O succinato é oxidado a fumarato, que é hidratado e produz malato. Por fim, o malato é oxidado a oxaloacetato. Considerando que cada molécula de glicose produz dois acetil-CoA, ao final do ciclo de Krebs serão produzidos 6 NADH, 2 FADH2, 4 CO2 e 2 ATPs.

Cadeia respiratória – fase que ocorre nas cristas mitocondriais e é responsável pela maior parte do ATP produzido durante a respiração celular. As moléculas transportadoras de elétrons NADH e FADH2 percorrem a cadeia transportadora de elétrons, que é formada por proteínas integrais de membrana, até chegarem ao oxigênio (aceptor final), que forma água. Durante a passagem dos elétrons pela cadeia transportadora ocorre liberação de uma grande quantidade de energia, armazenada na forma de ATP. No final da respiração celular há um saldo positivo de 30 ou 32 moléculas de ATP por molécula de glicose.

A fermentação, assim como a respiração celular, é um processo de obtenção de energia a partir da quebra de moléculas ricas em energia, geralmente a glicose. Porem a fermentação ocorre na ausência de oxigênio. A fermentação láctica produz o ácido láctico como composto principal. Bactérias fermentadoras, como as do gênero Lactobacillus, precisam de energia para sobreviverem e manterem seu metabolismo. Como fonte de energia, essas bactérias utilizam a lactose, que é quebrada por enzimas produzidas pelas bactérias. Essa quebra forma a glicose e a galactose. É a partir da glicose que ocorre a fermentação, originando como produto final o ácido láctico. Células musculares também são capazes de realizar fermentação láctica quando o organismo é submetido a esforço físico intenso.

A fermentação alcoólica parte do piruvato, que é convertido em acetaldeído e posteriormente em álcool etílico. Esse tipo de fermentação é realizado por fungos unicelulares (leveduras), com destaque para o fungo Saccharomyces cerevisae, também conhecido como fermento biológico. A fermentação alcoólica é comumente utilizada na produção de cervejas e vinhos. Tanto a fermentação láctica como a alcoólica tem como saldo final 2 ATPs.

Referências:

Silva, D. A. F. et al. Bioenergética do metabolismo celular: ATP e exercício físico. Revista Brasileira de Fisiologia do Exercício – v.8, n.4 - outubro/dezembro 2009.

D'Angelo, F. S. Bioenergética e química celular. Jaleko Acadêmicos. Disponível em: < https://www.jaleko.com.br>.

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