Sala de Bioquímica: Resumo didático

Quando ouvimos a palavra respiração, imediatamente a associamos com a troca de gases que ocorre no interior dos alvéolos pulmonares, em muitos animais terrestres, ou nas brânquias, em animais aquáticos: o gás oxigênio passa do ar atmosférico ou da água para o sangue, enquanto o gás carbônico realiza o movimento contrário.

Essa troca de gases, que não ocorre apenas nos animais, mas também em vegetais e em muitos microrganismos, é, no entanto, apenas o início (e também o fim) de um processo por meio do qual se obtém energia e que ocorre no interior das células da maioria dos seres vivos: a respiração celular.

Podemos representar a respiração celular, de forma bastante simplificada, pela seguinte equação química:

Sendo: C₆H₁₂O₆ - glicose e O₂ - gás oxigênio; CO₂ - gás carbônico e H₂O - água

O gás oxigênio é transportado até o interior das células, onde reage com a glicose, molécula proveniente da digestão dos alimentos consumidos pelos animais ou, no caso dos vegetais, produzida durante a fotossíntese.

Essa reação química leva à formação de moléculas de água e gás carbônico - que, por sua vez, será eliminado da célula e transportado pelo sangue ou seiva até sua eliminação para o ambiente.

Esse processo, entretanto, libera a energia contida nas ligações químicas da molécula de glicose, e parte dessa energia é utilizada para a formação de uma substância chamada ATP (Adenosine Triphospate ou trifosfato de adenosina), a partir de ADP (difosfato de adenosina) e P_i (fosfato inorgânico).

A energia liberada durante a respiração celular fica, portanto, armazenada nas moléculas de ATP e, a partir daí, pode ser usada para todas as atividades celulares que requerem gasto energético. Poderíamos, então, completar a equação química da respiração celular da seguinte forma:

Costumava-se admitir a formação de 38 moléculas de ATP durante todo o processo da respiração celular, mas pesquisas mais recentes mostram que, a partir de uma molécula de glicose, formam-se, no máximo, 30 de ATP.

A equação acima ainda é uma simplificação do processo, já que a respiração celular constitui-se de uma série de reações químicas distribuídas em três etapas: glicólise, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa.

Glicólise

Esta primeira etapa, cujo nome significa quebra da glicose (do grego: glykýs, açúcar elýsis, quebra), ocorre no citoplasma das células. Para que ela ocorra há um gasto inicial de energia (duas moléculas de ATP são consumidas), mas que será reposto, já que, ao final dessa primeira etapa, o resultado é a formação de duas moléculas de ácido pirúvico e 4 moléculas de ATP, havendo, portanto, um saldo energético de 2 ATP.

Além disso, também ocorre a liberação de elétrons energizados e íons H⁺, que são capturados por moléculas de uma substância aceptora de elétrons chamada NAD⁺(Nicotinamide Adenine Dinucleotide), formando duas moléculas de NADH.

O ácido pirúvico passa, então, ao interior das mitocôndrias, organelas celulares onde ocorrem as etapas seguintes.

Figura I: demonstração ilustrativa/didática da via glicolítica (LEHNINGER, 2003)

Oxidação do piruvato

Em condições aeróbicas, a maioria das células eucarióticas e várias bactérias oxidam o piruvato,
produzido na glicólise, a CO₂ e H₂O, em vez de o reduzirem a lactato ou etanol.

Produção de acetil-CoA a partir do piruvato

As moléculas de acetil-CoA são a forma sob a qual o ciclo de Krebs aceita a maior parte
do seu combustível.
O piruvato é oxidado a acetil-CoA e CO₂ por um complexo enzimático (3 enzimas)
denominado complexo piruvato desidrogenase. Este complexo localiza-se na mitocôndria (eucariotas)
ou no citosol (procariotas).

Figura II: demonstração ilustrativa/didática da oxidação do piruvato

A oxidação do piruvato a acetil-CoA é um exemplo de uma descarboxilação
oxidativa irreversível. A irreversibilidade da reacção foi demonstrada provando que quando
se usa CO₂ marcado radioactivamente não é possível obter piruvato com carbono radioactivo.

Além da acetil-CoA e do CO2, esta reacção produz uma molécula de NADH a partir de NAD+.

O complexo piruvato desidrogenase requer a acção de 5 cofactores: tiamina pirofosfato (TPP),
dinucleótido flavina adenina (FAD), coenzima A (CoA), dinucleótido nicotinamida adenina (NAD⁺) e
lipoato. 4 vitaminas necessárias na nutrição humana são componente vitais deste sistema: tiamina
(para TPP), riboflavina (para FAD), niacina (para NAD) e pantotenato (para CoA).

As enzimas componentes do complexo piruvato desidrogenase são: piruvato desidrogenase,
dihidrolipoil transacetilase e dihidrolipoil desidrogenase. Cada uma destas enzimas está presente
em múltiplas cópias.

Mutações nos genes que codificam as subunidades deste complexo enzimático, bem como uma
dieta deficiente em tiamina podem ter consequências graves. Animais carentes de tiamina
são incapazes de oxidar normalmente o piruvato.

Isto tem implicações principalmente a nível do cérebro, que normalmente obtém toda a sua energia
a partir da oxidação da glucose, num processo que envolve necessariamente a oxidação do piruvato.
Beribéri é uma avitaminose causada por carência de tiamina é caracterizada por uma perda da
função neuronal. Esta doença é mais frequente nas populações que se alimentam predominantemente
de arroz branco (polido). É nas cascas do arroz que a maior parte da sua tiamina se encontra.

Ciclo de Krebs

Na matriz mitocondrial (solução aquosa no interior das mitocôndrias) o ácido pirúvico reage com uma substância chamada coenzima A, dando origem a duas moléculas de gás carbônico e duas de acetilcoenzima A. Esta substância é totalmente degradada numa série de reações denominadas pelo nome genérico de ciclo de Krebs e que têm, como produtos, mais quatro moléculas de gás carbônico, além de elétrons energizados e íons H⁺, que serão capturados por NAD⁺ e por um outro aceptor de elétrons e de hidrogênio chamado FAD (Flavine Adenine Dinucleotide), originando moléculas de NADH e FADH₂. Durante esse processo, formam-se também duas moléculas de GTP (Guanosine triphosphate - muito semelhante ao ATP).

Figura II: demonstração ilustrativa/didática do Ciclo de Krebs (Table of Contents Lab)

Fosforilação oxidativa

As moléculas de NADH e FADH₂ provenientes do ciclo de Krebs liberam os elétrons energizados e os íons H⁺. Os elétrons assim liberados - e também aqueles provenientes da glicólise - passam por uma série de proteínas transportadoras (citocromos e quinonas) presentes nas membranas internas da mitocôndria.

A essa série de proteínas dá-se o nome de cadeia respiratória e, durante a passagem através dela, os elétrons perdem energia que é, então, armazenada em moléculas de ATP.

Ao final da cadeia respiratória, os elétrons menos energizados e os íons H⁺combinam-se com átomos provenientes do gás oxigênio, formando seis moléculas de água. Fosforilação oxidativa é a reação em que se formam as moléculas de ATP (26 no máximo) com a energia liberada pelos elétrons durante sua passagem pela cadeia respiratória, tendo o gás oxigênio ao final dela.

Embora o gás oxigênio só participe da fosforilação oxidativa, na sua ausência também não acontece o ciclo de Krebs, razão pela qual dizemos que essas são etapas aeróbicas da respiração celular, enquanto a glicólise é uma etapa anaeróbica. Na ausência desse gás, alguns organismos realizam a fermentação, onde a quebra da glicose forma duas moléculas de ATP e ácido pirúvico, que é transformado em ácido lático ou etanol, dependendo do organismo.