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Respiração e Fermentação





Respiração Celular



A mitocôndria é a responsável pela respiração celular.

A respiração celular é um fenômeno que consiste basicamente no processo de extração de energia química acumulada nas moléculas de substâncias orgânicas diversas, tais como carboidratos e lipídios. Nesse processo, verifica-se a oxidação ou "queima" de compostos orgânicos de alto teor energético, como gás carbônico e água, além da liberação de energia, que é utilizada para que possam ocorrer as diversas formas de trabalho celular.

Importância da respiração celular 
Nos organismos aeróbicos, a equação simplificada da respiração celular pode ser assim representada:
C6H12O6 + O2 ⇒ 6 CO2 + 6 H2O + energia
A respiração é um fenômeno de fundamental importância para o trabalho celular e, portanto, para manutenção de vida num organismo. A fotossíntese depende da presença de luz solar para que possa ocorrer. Já a respiração celular, inclusive nas plantas, é processada tanto no claro como no escuro, ocorre em todos os momentos da vida de organismo e é realizada por todas as células vivas que o constituem. Se o mecanismo respiratório for paralisado num indivíduo, suas células deixam de dispor de energia necessária para o desempenho de suas funções vitais; inicia-se, então, um processo de desorganização da matéria viva, o que acarreta a morte do indivíduo.
Na respiração, grande parte da energia química liberada durante oxidação do material orgânico se transforma em calor. Essa produção de calor contribui para a manutenção de uma temperatura corpórea em níveis compatíveis com a vida, compensando o calor que normalmente um organismo cede para o ambiente, sobretudo nos dias de frio. Isso se verifica principalmente em aves e mamíferos; em outros grupos, como os anfíbios e os repteis, o organismo é aquecido basicamente através de fontes externas de calor, quando, por exemplo, o animal se expõe ao sol. 


Tipos de respiração
Já vimos que nos seres vivos a energia química dos alimentos pode ou não ser extraída com a utilização do gás oxigênio. No primeiro caso, a respiração é chamada aeróbica. No segundo, anaeróbica.


• Respiração aeróbica
A respiração aeróbica se desenvolve sobretudo nas mitocôndrias, organelas citoplasmáticas que atuam como verdadeiras "usinas" de energia. 

C6H12O6 + O2 ⇒ 6 CO2 + 6 H2O + energia

Nessa equação, verifica-se que a molécula de glicose (C6H12O6) é "desmontada" de maneira a originar substâncias relativamente mais simples (CO2 e H2O). A "desmontagem" da glicose, entretanto, não pode ser efetuada de forma repentina, uma vez que a energia liberada seria muito intensa e comprometeria a vida da célula. É preciso, portanto, que a glicose seja "desmontada" gradativamente. Assim, a respiração aeróbica compreende, basicamente, três fases: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.


Glicólise

Glicólise significa "quebra". Nesse processo, a glicose converte-se em duas moléculas de um ácido orgânico dotado de 3 carbonos, denominado ácido pirúvico (C3H4O3). Para a ser ativada e tornar-se reativa a célula consome 2 ATP (armazena energia química extraída dos alimentos distribuindo de acordo com a necessidade da célula). No entanto, a energia química liberada no rompimento das ligações químicas da glicose permite a síntese de 4 ATP. Portanto, a glicólise apresenta um saldo energético positivo de 2 ATP.

Na conversão da glicose em ácido pirúvico, verifica-se a ação de enzimas denominadas desidrogenases, responsáveis, como o próprio nome diz, pela retirada de hidrogênios. Nesse processo, os hidrogênios são retirados da glicose e transferidos a dois receptores denominados NAD (nicotinamida adenina dinucleotídio). Cada NAD captura 2 hidrogênios. Logo, formam-se 2 NADH2.
Obs: A glicólise é um fenômeno que ocorre no hialoplasma, sem a participação do O2. 

Ciclo de Krebs
O ácido pirúvico, formado no hialoplasma durante a glicose, penetra na mitocôndria, onde perde CO2, através da ação de enzimas denominadas descarboxilases. O ácido pirúvico então converte-se em aldeído acético.
O aldeído acético, pouco reativo, combina-se com uma substância chamada coenzima A (COA), originando a acetil-coenzima A (acetil-COA), que é reativa. Esta, por sua vez combina com um composto. Nesse momento inicia-se o ciclo de Krebs, fenômeno biológico ocorrido na matriz mitocondrial.
Da reação da acetil-CoA, ocorrem series de desidrogênações e descarboxilações até originar uma nova molécula de ácido oxalacético, definido um ciclo de reações, que constitui o ciclo de Krebs. 


Cadeia respiratória 

Essa fase ocorre nas cristas mitocondriais. Os hidrogênios retirados da glicose e presentes nas moléculas de FADH2 e NADH2 são transportados até o oxigênio, formando água. Dessa maneira, na cadeia respiratória o NAD e o FAD funcionam como transportadores de hidrogênios.
Na cadeia respiratória, verifica-se também a participação de citocromos, que tem papel de transportar elétrons dos hidrogênios. À medida que os elétrons passam pela cadeia de citocromos, liberam energia gradativamente. Essa energia é empregada na síntese de ATP.

Depois de muitos cálculos..., podemos dizer que o processo respiratório aeróbico pode, então, ser equacionado assim:

C6H12O6 + 6 O2 ⇒ CO2 + 6 H2O + 38 ATP 


• Respiração anaeróbica

O processo de extração de energia de compostos sem utilização de oxigênio (O2) é denominado respiração anaeróbica. Alguns organismos, como o bacilo de tétano, por exemplo, têm na respiração anaeróbica o único método de obtenção de energia – são os chamados anaeróbicos estritos ou obrigatórios. Outros como os levedos de cerveja, podem realizar respiração aeróbica ou anaeróbica, de acordo com a presença ou não de oxigênio – são por isso chamados de anaeróbicos facultativos.
Na respiração aeróbica, o O2 funciona como aceptor final de hidrogênios. Na respiração anaeróbica, também fica evidente a necessidade de algum aceptor de hidrogênios. Certas bactérias anaeróbicas utilizam nitratos, sulfatos ou carbonatos como aceptores finais de hidrogênios. Os casos em que os aceptores de hidrogênios são compostos orgânicos que se originam da glicólise. Esses tipos de respiração anaeróbica são chamados de fermentações. 


Fermentação – rendimento energético inferior

Nos processos fermentativos, a glicose não é totalmente " desmontada ". Na verdade, a maior parte da energia química armazenada na glicose permanece nos compostos orgânicos que constituem os produtos finais da fermentação.

Há 2 tipos principais de fermentação: a alcoólica e a láctica. Ambas produzem 2 ATP no final do processo. Portanto, o processo fermentativo apresenta um rendimento energético bem inferior ao da respiração aeróbica, que produz 38 ATP.


A fermentação alcoólica
Na fermentação alcoólica, a glicose inicialmente sofre a glicólise, originando 2 moléculas de ácido pirúvico, 2 NADH2 E um saldo energético positivo de 2 ATP, em seguida o ácido pirúvico é descarboxilado, originando aldeído acético e CO2, sob a ação de enzimas denominadas descarboxilases. O aldeído acético, então, atua como receptor de hidrogênios do NADH2 e se converte em álcool etílico.


A fermentação láctica
Na fermentação láctica, a glicose sofre glicólise exatamente como na fermentação alcoólica. Porém enquanto na fermentação alcoólica o aceptor de hidrogênios é o próprio aldeído acético, na fermentação láctica o aceptor de hidrogênios é o próprio ácido pirúvico, que se converte em ácido láctico. Portanto não havendo descarboxilação do ácido píruvico, não ocorre formação de CO2.

Veja abaixo a equação simplificada da fermentação láctica:

C6H12O6 ⇒ 2C3H6O3 + 2ATP 

A fermentação láctica é realizada por microorganismos (certas bactérias, fungos e protozoários) e por certos animais.

As bactérias do gênero Lactobacillus são muito empregadas na fabricação de coalhadas, iogurtes e queijos. Elas promovem o desdobramento do açúcar do leite (lactose) em ácido láctico. O acúmulo de ácido láctico no leite torna-o " azedo ", indicando uma redução do pH. Esse fato provoca a precipitação das proteínas do leite, formado o coalho. 


Por: Mylle Diógenes Barros


Vídeo explicando como ocorre a respiração celular:






Veja também:








FERMENTAÇÃO



FERMENTAÇÃO - RESUMO - Maximiliano Mendes 2012


A fermentação é um processo de geração de energia no qual ocorre a oxidação incompleta de substâncias orgânicas, como a glicose, em contraposição à oxidação completa que ocorre na respiração celular. Logo, na fermentação, nem todas as ligações covalentes entre os átomos de carbono serão rompidas, e, assim, esse processo libera menos energia que a respiração celular (energia que será armazenada nas ligações entre os grupos fosfato do ATP).


Quando ocorre?


Normalmente o processo ocorre associado às condições anaeróbias (ausência de O2). Porém, dependendo do organismo ou tipo celular, a fermentação também pode ocorrer na presença de O2, como exemplo, podemos citar as amebas, eucariontes sem mitocôndrias que geram energia apenas via fermentação. (Porém, é importante ressaltar que as amebas são micro-aerofílicas! Vivem em concentrações baixas de O2). Nossas células musculares, caso não recebam O2, também podem gerar energia via fermentação (fermentação láctica).


A respiração celular, ao contrário, é um processo aeróbio, só acontece na presença de O2.


E no que consiste?


Em resumo, se não há oxigênio, ou mitocôndrias, ou a maquinaria celular necessária para realizar a respiração, o organismo ou a célula poderá produzir ATP via glicólise (estamos estudando o processo tendo como base a molécula de glicose). Porém, na glicólise são produzidas apenas duas moléculas de ATP e isso pode não ser o bastante para manter um organismo funcionando. Assim, uma estratégia é acelerar o processo de glicólise fazendo com que mais moléculas de glicose venham a sofrer as reações, o que aumenta a geração de ATP, mesmo sendo dois por glicólise.


Então, como se pode acelerar esse processo? Vejamos uma explicação alternativa, que, apesar de parecer mais trabalhosa, creio que facilitará a compreensão.


Considere uma reação química qualquer abaixo, na qual duas substâncias, A e B, podem reagir para formar uma terceira, C:






(Note que essa reação é reversível, pode se dar tanto no sentido (1) quanto no (2), como efetivamente ocorre com várias reações metabólicas).


Imagine que se adicionem as substâncias A e B em um tubo de ensaio contendo apenas água. Elas começarão a reagir e formar a substância C (reação no sentido 1). Porém, as moléculas A e B não desaparecerão do sistema por completo até que se tenha apenas C. A e B reagem gerando C até que se atinja um equilíbrio químico, no qual as concentrações de A, B e C são constantes (não variam) e as reações nos sentidos (1) e (2) ocorrem na mesma velocidade: a taxa de formação de C é igual a taxa de dissociação de C em A e B.


Caso queiramos obter mais C, um produto, podemos fazer algumas coisas, dentre as quais: adicionar mais A e B ao sistema, de forma a deslocar o equilíbrio no sentido (1) e obter uma concentração de C maior, ou, simplesmente, retirar C do sistema, o que também desloca o equilíbrio no sentido (1). Nesse segundo caso, é como se mais A e B reagissem gerando C para restabelecer o equilíbrio.


Nas células, ocorre algo similar.


Se o único mecanismo que a célula tem disponível para produzir ATP é a glicólise, pode-se deslocar o equilíbrio no sentido de haver mais produção de ATP, retirando do sistema os produtos piruvato e ATP. O ATP é retirado do sistema ao ser utilizado, já os piruvatos, serão convertidos em outras substâncias (ver a figura adiante). No nosso exemplo, seria como converter C em outra substância, D.


Assim, em resumo, a fermentação consiste em duas etapas: a glicólise e as reações que convertem o piruvato em outra substância. Como os piruvatos não geram acetil-CoA e não ocorre ciclo de Krebs, não há oxidação completa, ou seja, nem todas as ligações covalentes entre os átomos de carbono da glicose são quebradas, e, por isso, a geração de energia, ou de ATP, é menor: dois na fermentação vs. 30 na respiração aeróbia.


Exemplos de fermentação:


Veremos aqui apenas os dois tipos básicos, de acordo com a figura abaixo:






Na fermentação alcoólica, são gerados etanol (um álcool) e CO2 a partir de cada molécula de ácido pirúvico. O etanol tem apenas dois átomos de carbono, um terceiro, do piruvato, é perdido como CO2. Associaremos esse processo às leveduras (Reino Fungi), porém, algumas bactérias também podem realizá-lo. Como exemplos de aplicações nas quais esse processo está envolvido temos:


Produção de bebidas alcoólicas, tendo em vista que o processo gera etanol. As diferentes bebidas alcoólicas são geradas a partir da atividade das leveduras Saccharomyces cerevisiae, que se utilizam da glicose presente em certos alimentos para gerar energia via fermentação. Daí são geradas as diversas bebidas alcoólicas, como o vinho (fermentação do suco de uva), cerveja (do malte, oriundo da cevada), saquê (arroz) e etc.


Produção do álcool combustível, no qual as leveduras atuarão sobre o melaço da cana de açúcar.


Fabricação de pães, bolos, biscoitos e outras massas. Inicialmente se mistura fermento biológico em pó (leveduras) à massa. No interior da massa, um meio anaeróbio, as leveduras realizam fermentação alcoólica e liberam CO2, que forma bolhas capazes de inflar a massa. E o álcool? O álcool não é produzido em grandes quantidades: os períodos de fermentação empregados na produção de bebidas alcoólicas são muito mais longos que a fermentação das massas (anos vs. minutos). Ademais, o álcool pode evaporar ou ser degradado quando a massa vai para o forno assar. Por isso é que ninguém fica doidão comendo pães (comendo água talvez).


Na fermentação láctica, os piruvatos (ou ácidos pirúvicos) são convertidos em ácido láctico, moléculas que também têm três átomos de carbono. Associaremos esse processo às bactérias (como os lactobacilos) e aos animais. Como exemplos de aplicações:


Produção de laticínios. Vou exemplificar com a produção de iogurtes naturais (coalhadas): bactérias, dentre as quais lactobacilos, que vivem no leite ou são inoculadas a ele, realizam fermentação láctica e liberam o ácido láctico para o meio. Isso torna a solução mais ácida (diminui o pH), o que causa a desnaturação de proteínas, como a caseína. Desnaturadas, as proteínas se entrelaçam, formando uma massa coagulada, a coalhada.


Outros aspectos relacionados à fermentação láctica (ou não...):


Dores musculares após esforços intensos: em atividades físicas muito intensas, a frequência cardíaca aumenta, a fim de transportar O2 mais rápido para as células musculares (e eliminar CO2). Porém, o coração não consegue se contrair numa frequência rápida o suficiente para levar O2 em quantidade suficiente para todas as células musculares. Assim, aquelas que não recebem, tem de gerar energia via fermentação láctica e esse processo pode ser mantido por aproximadamente três minutos. Durante esse tipo de atividade se tem uma sensação de queimação nos músculos, que pode doer, mas não persiste. A dor que incomoda normalmente vem no dia seguinte.


Até pouco tempo atrás se acreditava que as dores musculares mais fortes eram devidas ao acúmulo de ácido láctico, por causar acidose, porém, hoje já se sabe que, na verdade as dores são acarretadas por microlesões nas fibras musculares e substâncias inflamatórias.


“Dor de viado”, ou melhor – dor abdominal passageira relacionada ao exercício (exercise related transient abdominal pain): muitas vezes associada ao acúmulo de ácido láctico no fígado. Se você buscar informações sobre essa dor aqui na internet verá muitas explicações distintas, porém, em um artigo recente, sugere-se que essa dor, mais comum em atividades que envolvem movimentos repetitivos do tronco e que pode ser acentuada pelo período pós prandial (período após as refeições) talvez seja causada por irritação do peritônio parietal. Talvez, haja aumento de pressão no peritônio, causado pelo fricção resultante dos movimentos do tórax. Esse peritônio parietal é uma membrana serosa que reveste a cavidade abdominal (celoma). Membranas serosas são constituídas de um tecido epitelial pavimentoso simples acima de um tecido conjuntivo fino.

REFERÊNCIAS


Amabis & Martho. Biologia das Células. Moderna. 2010.
Campbell, Reece et al. Biologia. 8ª Ed. Artmed. 2010.
Catani et al. Ser Protagonista – Biologia – Vol. 1. Edições SM. 2009.
Feltre. Fundamentos da Química – Volume Único. Moderna. 2001.
Junqueira & Carneiro. Histologia Básica. 10ª Ed. Guanabara-Koogan. 2004.
Morton, DP. Exercise Related Transient Abdominal Pain. Br J Sports Med. 37. pp: 287-288.
Robergs, R. Guiasvand, F. & Parker, D. Biochemistry of Exercise-Induced Metabolic Acidosis. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol. v. 287. pp:502-516. 2004.


Na internet:


Wikipedia (em inglês), entradas diversas.


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