Respiração celular

A respiração celular é um processo fundamental para o funcionamento dos seres vivos. É o modo em que as células obtêm energia de moléculas orgânicas, como a glicose, por meio de uma série de etapas e reações bioquímicas, que, ao final, formam as moléculas de ATP (adenosina trifosfato), a “moeda energética” das células.

Esse processo pode ocorrer na presença (respiração aeróbica) ou ausência (respiração anaeróbica) do oxigênio, o que gera diferentes processos metabólicos. Estudar os aspectos e detalhes da respiração celular é de extrema importância para compreendermos como os seres vivos obtêm e utilizam energia para manterem suas complexas funções vitais.

Leia também: ATP — detalhes sobre a adenosina trifosfato

Tópicos deste artigo

• 1 - Resumo sobre respiração celular
• 2 - Videoaula sobre respiração celular
• 3 - O que é respiração celular?
• 4 - Tipos de respiração celular
  • → Respiração aeróbica
  • → Respiração anaeróbica
• 5 - Etapas da respiração celular
  • → 1ª etapa: Glicólise
  • → 2ª etapa: Ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico
  • → 3ª etapa: Fosforilação oxidativa ou cadeia respiratória
• 6 - Fórmula da respiração celular
• 7 - Respiração celular e fermentação
• 8 - Mapa mental sobre respiração celular
• 9 - Exercícios resolvidos sobre respiração celular

Ciclo de Krebs

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Mitocôndrias

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Resumo sobre respiração celular

• A respiração celular é um processo metabólico que converte energia química, de moléculas orgânicas, em ATP.
• É um processo essencial para todas as formas de vida existentes.
• Existem dois diferentes tipos de respiração celular: a respiração aeróbica e a respiração anaeróbica.
• A respiração aeróbica utiliza oxigênio para gerar as moléculas de ATP e é comum nos eucariontes.
• A respiração anaeróbica ocorre sem a utilização do oxigênio e é realizada por alguns microrganismos.
• Os tipos de respiração anaeróbica variam de fermentação lática à fermentação alcoólica.
• Glicólise é a etapa da respiração em que há a quebra de uma molécula de glicose em duas de piruvato.
• Ciclo de Krebs é a etapa em que ocorrem diferentes conversões de moléculas e liberação de CO2, ATP, NADH e FADH.
• Fosforilação oxidativa é a etapa na qual há liberação de H2O e a maior produção de ATP por meio da transferência de elétrons.
• A fórmula geral da respiração celular é C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + ATP.

Videoaula sobre respiração celular

O que é respiração celular?

A respiração celular é um conjunto de reações metabólicas realizadas por todos os seres vivos, em que a célula converte a energia química de moléculas orgânicas em moléculas de adenosina trifosfato, o ATP. Essas moléculas orgânicas, como a glicose, são quebradas nesse processo e acabam liberando a energia química que antes estava armazenada em suas ligações químicas. Essa energia é, assim, transferida para as moléculas de ATP, que serão posteriormente utilizadas pelas células para que elas possam desenvolver suas demais atividades metabólicas.

Tipos de respiração celular

Existem dois tipos conhecidos de respiração celular: a respiração aeróbica, em que a célula consegue obter energia das moléculas químicas, com participação das moléculas de O2 (oxigênio) e liberação de energia e de CO2 (dióxido de carbono); e a respiração anaeróbica, em que as células não necessitam do oxigênio para completar a reação da formação das moléculas de ATP (respiração anaeróbica).

→ Respiração aeróbica

Respiração aeróbica é o tipo mais comum e eficiente de respiração celular. Comum na maioria dos organismos eucariontes, como animais, plantas e fungos, embora alguns seres procariontes também realizem esse processo, como bactérias aeróbicas. Esse processo ocorre na presença de O2, e, nesse tipo de respiração, é produzida uma grande quantidade de ATP.

A respiração aeróbica dá-se em três etapas principais: a glicólise, em que a glicose é quebrada em duas moléculas de piruvato; o ciclo de Krebs, no qual ocorre a oxidação do piruvato, que libera CO2 e elétrons; e, por último, a fosforilação oxidativa, etapa em que são produzidas as moléculas de ATP.

→ Respiração anaeróbica

Respiração anaeróbica é um tipo de respiração produz menos moléculas de ATP e é menos comum nas células. Ocorre em microrganismos anaeróbicos, como algumas bactérias e as leveduras (utilizadas na indústria para produção de bebidas alcoólicas), pois nesse tipo de respiração ocorre o processo de fermentação alcoólica, no qual o piruvato é convertido em etanol.

Além desses organismos unicelulares, alguns tipos de células de outros seres têm a capacidade de realizar o processo da respiração na ausência do O2. Por exemplo, em nossas células musculares (que, durante exercícios físicos intensos, têm o suprimento do O2 limitado), as mitocôndrias passam a realizar um tipo de respiração anaeróbica denominada fermentação lática, que envolve a conversão do piruvato em ácido lático.

Etapas da respiração celular

O mecanismo da respiração celular ocorre em diferentes locais da célula a depender da estrutura celular do organismo. Em seres procariontes, esse processo inicia-se na região citoplasmática e termina na membrana celular, pois esses seres não apresentam organelas membranosas. Já no caso dos eucariotos, esse processo bioquímico inicia-se no citoplasma e é finalizado no interior das mitocôndrias. Confira, a seguir, como ocorrem as etapas desse processo nas células eucariontes.

→ 1ª etapa: Glicólise

• Principais moléculas envolvidas:
  • Enzimas-chave: hexocnase, fosfofrutoquinase e piruvato quinase.
  • Entrada: 1 glicose, 2 ATP e 2 NAD+.
  • Saída: 2 piruvatos, 4 ATP, 2 NADH e 2 H2O.

Ocorre no citoplasma e é o processo pelo qual há a quebra da molécula da glicose (C6H12O6), originando duas moléculas de piruvato (C3H4O3). No início do processo, a glicose sofre a ação da enzima hexocinase, que fosforila a glicose, convertendo-a em glicose-6-fosfato.

Depois a enzima fosfofrutoquinase entra em ação, fosforilando a molécula intermediária da glicose, transformando-a em frutose-1-6-bifosfato.

Finalizando essa etapa, vem a enzima piruvato quinase atuando na produção do piruvato e de duas moléculas de ATP e duas de NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo, coenzima que auxilia na produção de energia).

Para saber mais detalhes sobre a glicólise, clique aqui.

→ 2ª etapa: Ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico

• Principais moléculas envolvidas:
  • Enzimas-chave: citrato sintase, isocitrato desidrogenase, α-cetoglutarato desidrogenase, succinil-CoA sintetase, succinato desidrogenase, fumarase, malato desidrogenase.
  • Entrada: 2 acetil-CoA, 2 ADP, 6 NAD+, 2 FAD.
  • Saída: 4 CO2, 2 ATP, 6 NADH, 2 FADH2.

Ocorre na matriz mitocondrial e inicia-se com a conversão do piruvato em acetil-CoA. A enzima citrato sintase catalisa a condensação do acetil-CoA com o oxalacetato, formando o citrato. Logo depois, as enzimas isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase catalisam a descarboxilação da molécula isocitrato para formar α-cetaglutarato e depois converter em succinil-CoA, liberando assim moléculas de CO2 e NADH.

Depois, o succinil-CoA se converte em succinato pela enzima succinil-CoA sintetase, em fumarato a partir da succinato desidrogenase, em malato com ação da fumarase; e, por último, a enzima malato desidrogenase age, formando o malato em oxalacetato, liberando nesse processo ATP, GTP, FADH (flavina adenina dinucleotídeo, coenzima que participa do metabolismo celular) e NADH.

Para saber mais detalhes sobre o ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico, clique aqui.

→ 3ª etapa: Fosforilação oxidativa ou cadeia respiratória

• Principais moléculas envolvidas:
  • Enzimas-chave: complexo I, II, III e IV e ATP sintase.
  • Entrada: 10 NADH, 2 FADH2, 6 O2, 32 ADP.
  • Saída: 6 H2O, 32 ATP.

Ocorre nas cristas mitocondriais por meio da doação de elétrons, fornecidos pelo NADH e FADH2, para a cadeia transportadora de elétrons. Os elétrons passam por diferentes complexos proteicos, liberando a energia que bombeia H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, criando assim um gradiente de concentração. Esse gradiente impulsiona a enzima ATP sintase na produção de ATP. Nesse processo, além da liberação de elétrons e íons, há a presença do O2, que se torna o aceptor final de elétrons, formando H2O.

Fórmula da respiração celular

O processo geral da respiração celular ocorre de maneira complexa e envolve muitas etapas. Contudo, todo ele pode ser ilustrado e resumido em uma simples equação química representada pela seguinte fórmula:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + ATP

• C6H12O6 → glicose (açúcar que serve como o “combustível” da reação).
• O2 → oxigênio (aceptor final de elétrons).
• CO2 → dióxido de carbono (produto residual).
• H2O → água (produto residual).
• ATP → adenosina trifosfato (principal molécula de energia da célula).

Respiração celular e fermentação

Respiração celular e fermentação são processos metabólicos que se assemelham no que diz respeito ao fato de que extraem energia da molécula da glicose, porém diferem em tipos de organismos, células e condições em que ocorrem.

A respiração celular aeróbica utiliza oxigênio para quebrar a glicose em outras moléculas, formando CO2, água e uma grande quantidade de ATP. Já na fermentação, respiração anaeróbica, todo esse processo ocorrerá na ausência do O2 e levará a molécula de glicose a ser convertida em ácido lático (fermentação lática) ou em etanol (fermentação alcoólica), produzindo uma quantidade mais reduzida de ATP e liberando CO2.

Enquanto a respiração celular é crucial para a maioria das formas de vida, a fermentação é uma adaptação alternativa de algumas células ou seres vivos unicelulares que precisam manter o funcionamento metabólico e a geração de energia mesmo em locais com pouca ou nenhuma disponibilidade de oxigênio.

Para saber mais sobre fermentação, clique aqui.

Mapa mental sobre respiração celular

Para baixar o mapa mental em PDF, clique aqui.

Exercícios resolvidos sobre respiração celular

Questão 1

(Enem)

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.

Resolução:

Alternativa E.

A termogenina interfere na fosforilação oxidativa, em que a ATP sintetase atua, impedindo a produção de ATP e liberando calor.

Questão 2

(Enem) Há milhares de anos o homem faz uso da biotecnologia para a produção de alimentos como pães, cervejas e vinhos. Na fabricação de pães, por exemplo, são usados fungos unicelulares, chamados de leveduras, que são comercializados como fermento biológico. Eles são usados para promover o crescimento da massa, deixando-a leve e macia.

O crescimento da massa do pão pelo processo citado é resultante da

A) liberação de gás carbônico.

B) formação de ácido lático.

C) formação de água.

D) produção de ATP.

E) liberação de calor.

Resolução:

Alternativa C.

Como o processo de fermentação também é um tipo de respiração celular, esses organismos anaeróbicos, além de liberarem ATP, liberam o gás carbônico, responsável pelo crescimento da massa do pão.

Fontes

LEHNINGER, A. et al. Princípios de Bioquímica de Lehninger. Edição 7. 2018.

BRASIL, E. D. F. Aprendizagem dos conceitos de fotossíntese e respiração celular na perspectiva histórico-cultural. Revista Kiri Kerê. 2017. Disponível em: https://periodicos.ufes.br/kirikere/article/view/15334.

CURI, R. et al. Ciclo de Krebs como fator limitante na utilização de ácidos graxos durante o exercício aeróbico. Scielo Brasil. 2003. Disponível em: https://www.scielo.br/j/abem/a/whdFDm9TtZXRNG83VSn4rZS/?lang=pt.