Respiração celular em humanos

definição

A respiração celular, também chamada de aeróbica (do grego antigo "aer" - ar), descreve a quebra de nutrientes como glicose ou ácidos graxos em humanos usando oxigênio (O2) para gerar energia, que é necessária para a sobrevivência das células. No processo, os nutrientes são oxidados, ou seja, liberam elétrons, enquanto o oxigênio é reduzido, o que significa que aceita elétrons. Os produtos finais que surgem do oxigênio e nutrientes são dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).

Função e tarefas da respiração celular

Todos os processos do corpo humano requerem energia. Exercícios, funções cerebrais, batimentos cardíacos, saliva ou cabelo e até mesmo a digestão, todos requerem energia para funcionar.

Além disso, o corpo precisa de oxigênio para sobreviver. A respiração celular é de particular importância aqui. Com a ajuda deste e do oxigênio do gás, é possível ao corpo queimar substâncias ricas em energia e obter delas a energia necessária. O oxigênio em si não nos fornece energia, mas é necessário para realizar os processos de combustão química no corpo e, portanto, é essencial para a nossa sobrevivência.

O corpo conhece muitos tipos diferentes de transportadores de energia:

• A glicose (açúcar) é o principal transportador de energia e bloco de construção básico, bem como o produto final separado de todos os alimentos ricos em amido
• Os ácidos graxos e a glicerina são os produtos finais da decomposição das gorduras e também podem ser usados ​​na produção de energia
• O último grupo de transportadores de energia são os aminoácidos, que sobram como produto da degradação das proteínas. Depois de uma certa transformação no corpo, eles também podem ser usados ​​na respiração celular e, portanto, para a geração de energia

Leia mais sobre isso em Exercício e queima de gordura

A fonte de energia mais comum usada pelo corpo humano é a glicose. Existe uma cadeia de reações que leva aos produtos CO2 e H2O com o consumo de oxigênio. Este processo inclui o Glicolise, então o Divisão de glicose e a transferência do produto, o Piruvato por meio da etapa intermediária do Acetil-CoA no Ciclo do ácido cítrico (Sinônimo: ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs) Os produtos da decomposição de outros nutrientes, como aminoácidos ou ácidos graxos, também fluem para esse ciclo. O processo no qual os ácidos graxos são "quebrados" para que também possam fluir para o ciclo do ácido cítrico é denominado Oxidação beta.

O ciclo do ácido cítrico é, portanto, uma espécie de ponto de entrada onde todas as fontes de energia podem ser alimentadas no metabolismo energético. O ciclo ocorre no Mitocôndria em vez disso, as "usinas de energia" das células humanas.

Em todos esses processos, alguma energia é consumida na forma de ATP, mas já foi obtida, como é o caso, por exemplo, da glicólise. Além disso, existem predominantemente outros estoques de energia intermediários (por exemplo, NADH, FADH2) que apenas cumprem sua função como estoques de energia intermediários durante a geração de energia. Essas moléculas de armazenamento intermediário então fluem para a última etapa da respiração celular, ou seja, a etapa de fosforilação oxidativa, também conhecida como cadeia respiratória. Esta é a etapa para a qual todos os processos funcionaram até agora. A cadeia respiratória, que também ocorre na mitocôndria, também consiste em várias etapas, nas quais o portador de energia multifacetado ATP é então obtido das moléculas de armazenamento intermediárias ricas em energia. No total, a quebra de uma molécula de glicose resulta em um total de 32 moléculas de ATP.

Para aqueles particularmente interessados

A cadeia respiratória contém vários complexos de proteínas que desempenham um papel muito interessante aqui. Eles funcionam como bombas que bombeiam prótons (íons H +) para a cavidade da membrana dupla mitocondrial enquanto consomem as moléculas de armazenamento intermediário, de modo que há uma alta concentração de prótons ali. Isso causa um gradiente de concentração entre o espaço intermembranar e a matriz mitocondrial. Com a ajuda desse gradiente, existe finalmente uma molécula de proteína que funciona de maneira semelhante a um tipo de turbina de água. Impulsionada por esse gradiente em prótons, a proteína sintetiza uma molécula de ATP a partir de um ADP e um grupo fosfato.

Você pode encontrar mais informações aqui: Qual é a cadeia respiratória?

ATP

O Trifosfato de adenosina (ATP) é o portador de energia do corpo humano. Toda a energia que surge da respiração celular é inicialmente armazenada na forma de ATP. O corpo só pode usar a energia se estiver na forma da molécula de ATP.

Se a energia da molécula de ATP se esgota, o difosfato de adenosina (ADP) é criado a partir do ATP, por meio do qual um grupo fosfato da molécula é separado e a energia é liberada. A respiração celular ou a geração de energia servem ao propósito de regenerar continuamente o ATP do chamado ADP para que o corpo possa usá-lo novamente.

Equação de reação

Devido ao fato de os ácidos graxos terem comprimentos diferentes e os aminoácidos também terem estruturas muito diferentes, não é possível montar uma equação simples para esses dois grupos para caracterizar com precisão seu rendimento de energia na respiração celular. Porque cada mudança estrutural pode determinar em qual etapa do ciclo do citrato o aminoácido flui.
A decomposição dos ácidos graxos na chamada oxidação beta depende de seu comprimento. Quanto mais longos os ácidos graxos, mais energia pode ser obtida deles. Isso varia entre os ácidos graxos saturados e insaturados, com os ácidos graxos insaturados fornecendo no mínimo menos energia, desde que tenham a mesma quantidade.

Pelas razões já mencionadas, uma equação pode ser melhor descrita para a quebra da glicose. Uma molécula de glicose (C6H12O6) e 6 moléculas de oxigênio (O2) resultam em um total de 6 moléculas de dióxido de carbono (CO2) e 6 moléculas de água (H2O):

• C6H12O6 + 6 O2 se torna 6 CO2 + 6 H2O

O que é glicólise?

A glicólise descreve a degradação da glicose, ou seja, açúcar de uva. Esta via metabólica ocorre em células humanas, bem como em outras, por exemplo, levedura durante a fermentação. O local onde as células realizam a glicólise é no citoplasma. Aqui estão presentes enzimas que aceleram as reações de glicólise para sintetizar ATP diretamente e fornecer os substratos para o ciclo do ácido cítrico. Este processo cria energia na forma de duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADH + H +. A glicólise, juntamente com o ciclo do ácido cítrico e a cadeia respiratória, ambos localizados na mitocôndria, representam a via de degradação do açúcar simples glicose para o transportador de energia universal ATP. A glicólise ocorre no citosol de todas as células animais e vegetais . O produto final da glicólise é o piruvato, que pode então ser introduzido no ciclo do ácido cítrico por meio de uma etapa intermediária.

No total, 2 ATP são usados ​​por molécula de glicose na glicólise para poder realizar as reações. No entanto, 4 ATP são obtidos, de modo que há efetivamente um ganho líquido de 2 moléculas de ATP.

Glicólise dez etapas de reação até que um açúcar com 6 átomos de carbono se transforme em duas moléculas de piruvato, cada uma composta por três átomos de carbono. Nas primeiras quatro etapas da reação, o açúcar é convertido em frutose-1,6-bifosfato com a ajuda de dois fosfatos e um rearranjo. Este açúcar ativado agora é dividido em duas moléculas com três átomos de carbono cada. Outros rearranjos e a remoção dos dois grupos fosfato resultam em dois piruvatos. Se o oxigênio (O2) estiver disponível, o piruvato pode ser posteriormente metabolizado em acetil-CoA e introduzido no ciclo do ácido cítrico. No geral, a glicólise com duas moléculas de ATP e duas moléculas de NADH + H + tem um rendimento de energia relativamente baixo. No entanto, ele estabelece a base para a quebra posterior do açúcar e, portanto, é essencial para a produção de ATP na respiração celular.

Nesse ponto, faz sentido separar a glicólise aeróbica da anaeróbica. A glicólise aeróbica leva ao piruvato descrito acima, que pode então ser usado para gerar energia.
Em contrapartida, na glicólise anaeróbica, que ocorre em condições de deficiência de oxigênio, o piruvato não pode mais ser utilizado porque o ciclo do ácido cítrico requer oxigênio. No contexto da glicólise, também é criada a molécula de armazenamento intermediário NADH, ela própria rica em energia e que também fluiria para o ciclo de Krebs em condições aeróbias. No entanto, a molécula-mãe NAD + é necessária para manter a glicólise. É por isso que o corpo “morde” a “maçã azeda” aqui e converte essa molécula de alta energia de volta à sua forma original. O piruvato é usado para realizar a reação. O chamado lactato ou ácido láctico é formado a partir do piruvato.

Leia mais sobre isso em

• Lactato
• Limiar anaeróbio

Qual é a cadeia respiratória?

A cadeia respiratória é a última parte do caminho de degradação da glicose. Após a metabolização do açúcar na glicólise e no ciclo do ácido cítrico, a cadeia respiratória tem a função de regenerar os equivalentes de redução (NADH + H + e FADH2) que se formam. Isso cria o transportador de energia universal ATP (trifosfato de adenosina). Como o ciclo do ácido cítrico, a cadeia respiratória está localizada nas mitocôndrias, que também são chamadas de “usinas de energia da célula”. A cadeia respiratória consiste em cinco complexos enzimáticos que estão embutidos na membrana mitocondrial interna. Cada um dos dois primeiros complexos enzimáticos regenera NADH + H + (ou FADH2) em NAD + (ou FAD). Durante a oxidação do NADH + H +, quatro prótons são transportados do espaço da matriz para o espaço intermembrana. Dois prótons também são bombeados para o espaço intermembranar em cada um dos três complexos de enzimas a seguir. Isso cria um gradiente de concentração que é usado para produzir ATP. Para este propósito, os prótons fluem do espaço intermembrana através de uma ATP sintase de volta para o espaço da matriz. A energia liberada é usada para finalmente produzir ATP a partir do ADP (difosfato de adenosina) e fosfato. Outra tarefa da cadeia respiratória é interceptar os elétrons gerados pela oxidação dos equivalentes de redução. Isso é feito transferindo os elétrons para o oxigênio. Ao reunir elétrons, prótons e oxigênio, a água normal é criada no quarto complexo enzimático (citocromo c oxidase). Isso também explica por que a cadeia respiratória só pode ocorrer quando há oxigênio suficiente.

Quais são as tarefas das mitocôndrias na respiração celular?

As mitocôndrias são organelas encontradas apenas em células eucarióticas. Eles também são chamados de “usinas de energia da célula”, pois é neles que ocorre a respiração celular. O produto final da respiração celular é o ATP (trifosfato de adenosina). Este é um portador de energia universal que é necessário em todo o organismo humano. A compartimentação das mitocôndrias é um pré-requisito para a respiração celular. Isso significa que existem espaços de reação separados na mitocôndria. Isso é alcançado por uma membrana interna e externa, de modo que haja um espaço intermembranar e um espaço de matriz interna.

No curso da cadeia respiratória, os prótons (íons de hidrogênio, H +) são transportados para o espaço intermembranar, de modo que surge uma diferença na concentração de prótons. Esses prótons vêm de vários equivalentes de redução, como NADH + H + e FADH2, que são regenerados em NAD + e FAD.

A ATP sintase é a última enzima da cadeia respiratória, onde o ATP é finalmente produzido. Impulsionados pela diferença de concentração, os prótons fluem do espaço intermembrana através da ATP sintase para o espaço da matriz. Este fluxo de carga positiva libera energia que é usada para produzir ATP a partir de ADP (difosfato de adenosina) e fosfato. As mitocôndrias são particularmente adequadas para a cadeia respiratória, pois apresentam dois espaços de reação devido à membrana dupla. Além disso, muitas vias metabólicas (glicólise, ciclo do ácido cítrico), que fornecem os materiais de partida (NADH + H +, FADH2) para a cadeia respiratória, ocorrem na mitocôndria. Essa proximidade espacial é outra vantagem e torna a mitocôndria o local ideal para a respiração celular.

Aqui você pode descobrir tudo sobre o tema da cadeia respiratória

Equilíbrio energético

O balanço de energia da respiração celular no caso da glicose pode ser resumido da seguinte forma, com a formação de 32 moléculas de ATP por glicose:

C6H12O6 + 6 O2 se torna 6 CO2 + 6 H2O + 32 ATP

(Por uma questão de clareza, o ADP e o resíduo de fosfato Pi foram omitidos dos educts)

Em condições anaeróbicas, ou seja, falta de oxigênio, o ciclo do ácido cítrico não pode ser executado e a energia só pode ser obtida por meio da glicólise aeróbica:

C6H12O6 + 2 Pi + 2 ADP tornam-se 2 lactato + 2 ATP. + 2 H2O. Portanto, apenas cerca de 6% da proporção é obtida por molécula de glicose, como seria o caso da glicólise aeróbia.

Doenças relacionadas à respiração celular

O A respiração celular é essencial para a sobrevivência, ou seja, que muitas mutações nos genes que codificam para as proteínas da respiração celular, por exemplo, enzimas da glicólise, são letais (fatal) estão. No entanto, doenças genéticas da respiração celular ocorrem. Estes podem se originar do DNA nuclear, bem como do DNA mitocondrial. As próprias mitocôndrias contêm seu próprio material genético, necessário para a respiração celular. No entanto, essas doenças apresentam sintomas semelhantes, pois todas têm uma coisa em comum: intervêm na respiração celular e a interrompem.

As doenças respiratórias celulares freqüentemente apresentam sintomas clínicos semelhantes. É especialmente importante aqui Distúrbios dos tecidos, que precisa de muita energia. Estes incluem particularmente as células nervosas, musculares, cardíacas, renais e hepáticas. Sintomas como fraqueza muscular ou sinais de danos cerebrais ocorrem frequentemente mesmo em tenra idade, se não no momento do nascimento. Também fala um pronunciado Acidose láctica (Acidificação excessiva do corpo com lactato, que se acumula porque o piruvato não pode ser suficientemente decomposto no ciclo do ácido cítrico). Órgãos internos também podem funcionar mal.

O diagnóstico e a terapia das doenças da respiração celular devem ser assumidos por especialistas, já que o quadro clínico pode ser muito diverso e diferente. A partir de hoje ainda é nenhuma terapia causal e curativa dá. As doenças só podem ser tratadas sintomaticamente.

Como o DNA mitocondrial é passado de mãe para filho de uma forma muito complicada, as mulheres que sofrem de uma doença da respiração celular devem procurar um especialista se quiserem ter filhos, pois só elas podem estimar a probabilidade de herança.