Energia e respiração

As células necessitam de um suprimento constante de energia能量, obtida através da respiração呼吸作用. A energia é necessária para:

• transporte ativo主动运输 (movimento de substâncias contra gradiente),
• movimento (por exemplo, contração muscular),
• reações anabólicas合成代谢 — construção de grandes moléculas, como na replicação do DNA e síntese proteica.

ATP é a molécula que transporta energia para onde é necessária. É formado por ADP e um grupo fosfato; quando perde esse fosfato novamente, libera um pequeno pulso de energia utilizável. O ATP é ideal para essa função, sendo chamado de moeda energética universal:

• libera energia rapidamente, em pequenas quantidades que atendem às necessidades celulares.
• é facilmente sintetizado e resintetizado, repetidamente.
• é pequeno e solúvel, permitindo fácil movimentação dentro da célula.

O ATP é produzido de duas formas: por transferência direta de um grupo fosfato em reações de fosforilação磷酸化, e por quimiosmose化学渗透 através das membranas de mitocôndrias线粒体和叶绿体.

Um substrato respiratório呼吸底物 é uma molécula decomposta para liberar energia. Por grama, lipídios liberam mais energia (possuem mais hidrogênio), proteínas vêm em segundo lugar, e carboidratos liberam menos.

O quociente respiratório呼吸商 (QR) compara os gases trocados:

Você pode calcular a RQ a partir de uma equação de respiração. Carboidratos fornecem uma RQ de aproximadamente 1.0, lipídios cerca de 0.7 e proteínas cerca de 0.9.

Exemplo resolvido. Encontre o QR para a respiração aeróbica da glicose: $\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6 + 6\text{O}_2 \rightarrow 6\text{CO}_2 + 6\text{H}_2\text{O}$.

É por isso que um RQ próximo de $1.0$ sugere que o organismo está respirando carboidrato; um RQ mais baixo (cerca de $0.7$) sugere que está usando lipídio, que requer mais oxigênio por molécula de $\text{CO}_2$.

Um respirometro呼吸计 mede o oxigênio氧气 absorvido por seres vivos, como sementes germinantes萌发种子 ou pequenos invertebrados无脊椎动物, e é usado para determinar seu QR.

Respiração aeróbica 有氧 respiration (com oxigênio) possui quatro etapas, cada uma ocorrendo em um local específico da célula:

Glicólise

Glicose 葡萄糖 (6 carbonos) é primeiramente fosforilada, usando 2 ATP, para formar frutose bifosfato (6C). Essa molécula de 6C é dividida em duas moléculas de fosfato de triose (3C cada). Estas são então oxidadas 氧化 a piruvato 丙酮酸 (3C). A glicólise resulta em um ganho líquido de 2 ATP e algum NAD reduzido 还原 (NAD é uma coenzima 辅酶, uma molécula auxiliar).

A reação de ligação

Quando há oxigênio disponível, o piruvato entra nas mitocôndrias. Lá, cada piruvato perde um dióxido de carbono 二氧化碳 e é convertido em um grupo acetila 乙酰基 de 2 carbonos. Esse grupo é carregado por coenzima A 辅酶A para formar acetil-coenzima A. Parte do dióxido de carbono é liberada e o NAD é reduzido.

O ciclo de Krebs

O grupo acetila de 2C une-se a uma molécula de 4 carbonos, oxaloacetato 草酰乙酸, formando uma molécula de 6 carbonos, citrato 柠檬酸. O citrato é então transformado novamente em oxaloacetato em uma série de pequenas etapas, pronto para aceitar o próximo grupo acetila. Durante essas etapas:

• descarboxilação 脱 remove carbono como dióxido de carbono.
• desidratação/desaminação 脱氢 remove hidrogênio, o que reduz as coenzimas NAD e FAD.

Os NAD e FAD reduzidos então transportam o hidrogênio para os transportadores na membrana interna mitocondrial.

Fosforilação oxidativa

Esta etapa produz a maior parte do ATP:

1. os átomos de hidrogênio se separam em prótons 质子和 energetico eletrons 电子.
2. os elétrons passam pela cadeia de transporte de elétrons 电子传递链, liberando energia à medida que avançam.
3. essa energia é usada para bombear prótons através da membrana interna.
4. os prótons fluem de volta para a matriz através de um canal chamado ATP sintase ATP合酶. Esse fluxo fornece a energia para produzir ATP (este é quimiosmose).
5. oxigênio é o aceitador final de elétrons: ele une-se aos elétrons e prótons para formar água.

A estrutura das mitocôndrias

A membrana interna está dobrada em cristas 嵴, oferecendo uma grande superfície para a cadeia de transporte de elétrons e a ATP sintase. A matriz interna contém as substâncias e auxiliares necessários para a reação de ligação e o ciclo de Krebs.

Quando não há oxigênio, apenas a glicólise pode ocorrer. Para manter a glicólise funcionando, a célula deve consumir o NAD reduzido. Isso acontece por meio da fermentação 发酵:

• em mamíferos, o piruvato é convertido em lactato 乳酸 (fermentação láctica). O lactato é posteriormente degradado quando o oxigênio retorna.
• em levedura 酵母, o piruvato é convertido em etanol 乙醇 e dióxido de carbono (fermentação etanólica).

Respiração anaeróbica 无氧 produces muito menos energia do que a respiração aeróbica. A respiração aeróbica também executa o ciclo de Krebs e a fosforilação oxidativa, que liberam muito mais ATP, enquanto a respiração anaeróbica obtém apenas a pequena quantidade da glicólise.

O arroz pode crescer com suas raízes debaixo d'água, onde há pouco oxigênio. Ele é adaptado de três maneiras: desenvolve aerenquima 通气组织 (espaços preenchidos com ar) nas raízes para conduzir ar para baixo; as raízes usam fermentação etanólica para continuar produzindo algum ATP; e os caules crescem mais rápido para alcançar o ar acima da água.

Um indicador 指示剂 redox como DCPIP ou azul de metileno perde sua cor quando ganha hidrogênio de células respirando. Quanto mais rápido a cor for perdida, mais rápida é a respiração da levedura, permitindo testar o efeito da temperatura ou da concentração de substrato. Um respirometro também pode ser usado para medir como mudanças de temperatura afetam a taxa de consumo de oxigênio.

• Indique onde cada etapa ocorre e seu rendimento de ATP: glicólise (citoplasma), reação de ligação + Krebs (matriz), fosforilação oxidativa (membrana interna, maior produção de ATP).
• Explique os papéis do NAD/FAD (transportam hidrogênio para a cadeia de transporte de elétrons) e do oxigênio (aceitador final de elétrons).
• RQ $=$ CO2 produzido $\div$ O2 consumido ($\approx 1.0$ carboidrato, $0.7$ lipídio); saiba como um respirometro mede isso.
• A respiração anaeróbica produz lactato (animais) ou etanol + CO2 (levedura/plantas) e muito menos ATP (apenas glicólise).