Exercícios: O rendimento energético

Quantas moléculas de ATP líquidas são obtidas na glicólise para cada glicose e quantas no total (valor teórico clássico) quando ela é degradada completamente por via aeróbica?

Por que a fermentação é muito menos rentável energeticamente do que a respiração aeróbica, embora ambas comecem com a glicólise? Explique o que acontece com o piruvato em cada caso.

Ordene por ordem decrescente de rendimento energético por molécula de glicose: respiração aeróbica, fermentação lática e fermentação alcoólica. Justifique a ordenação.

O que significa afirmar que uma via metabólica tem um rendimento energético de $40\ \%$? Explique o que acontece com o restante da energia contida no alimento.

Indique quantas moléculas de ATP são obtidas, segundo os valores atualmente aceitos, por cada NADH e por cada $\text{FADH}_2$ que transferem seus elétrons para a cadeia respiratória.

A energia dos alimentos é frequentemente expressa em quilocalorias. Explique o que é uma quilocaloria e que relação ela tem com a energia que a célula armazena, por fim, sob a forma de ATP.

Por que razão os organismos que realizam respiração aeróbia conseguem sustentar corpos maiores e mais ativos do que os que apenas fermentam? Relacione a sua resposta com o rendimento energético de cada via.

O corpo humano gasta energia mesmo em repouso absoluto (metabolismo basal). Cite dois processos que consomem ATP mesmo quando estamos deitados e imóveis, e explique por que razão são imprescindíveis para a manutenção da vida.

Na respiração aeróbia obtêm-se cerca de $36$-$38\ \text{ATP}$ por glicose, dos quais apenas $2$ provêm da glicólise. Calcule que porcentagem do rendimento total é fornecida pelas etapas mitocondriais (considerando $36\ \text{ATP}$ como total) e comente o resultado.

Calcule quantas moléculas de glicose uma célula precisa degradar para obter $180\ \text{ATP}$ por via aeróbia ($36\ \text{ATP/glucosa}$) e quantas por fermentação ($2\ \text{ATP/glucosa}$). Comente qual é a implicação dessa diferença para os organismos anaeróbios.

O gráfico compara as moléculas de ATP obtidas por cada molécula de glicose em função da via metabólica utilizada. Uma cultura de leveduras sem oxigênio degrada $100\ \text{mol}$ de glicose por fermentação alcoólica. Calcule, a partir do gráfico, quantos mols de ATP ela obtém, quantos obteria se realizasse a respiração aeróbia dessa mesma glicose e quantas vezes a via aeróbia é mais rentável.

Uma pessoa ingere em uma refeição $100\ \text{g}$ de glicose (massa molar $180\ \text{g/mol}$, ou seja, cerca de $0,56\ \text{mol}$). Calcule quantos mols de ATP o seu organismo pode obter por via aeróbia ($36\ \text{ATP}$ por glicose) e a quantos gramas de ATP equivalem (massa molar do ATP: $507\ \text{g/mol}$). Comente o valor obtido.

Na fermentação alcoólica obtêm-se $2\ \text{mol}$ de ATP por mol de glicose. Calcule quantos mols de glicose seriam necessários fermentar para igualar a quantidade de ATP obtida pela respiração aeróbia de apenas um mol de glicose, e justifique que problema isso acarreta para um microrganismo anaeróbio em um meio com escassez de açúcar.

A combustão de $1\ \text{g}$ de glicose libera cerca de $4\ \text{kcal}$ e a de $1\ \text{g}$ de gordura libera cerca de $9\ \text{kcal}$. Explique a que se deve essa diferença e calcule quantos gramas de gordura fornecem a mesma energia que $90\ \text{g}$ de glicose.

Durante uma maratona, um corredor realiza cerca de $10000\ \text{kJ}$ de trabalho útil. Se o organismo dele apresentar um rendimento global de $25\ \%$, calcule quanta energia química dos alimentos ele precisou mobilizar e explique por que o corpo dele esquenta tanto durante a corrida.

Num quimiostato de laboratório cultiva-se uma comunidade microbiana mista composta por duas espécies com idêntica afinidade pela glicose: uma levedura com respiração aeróbia facultativa e uma bactéria fermentadora estrita (anaeróbia obrigatória).

1. a) Se o biorreator, mantido inicialmente sem oxigênio, começar a ser oxigenado continuamente mantendo constante o fornecimento de glicose, preveja a evolução da biomassa de ambas as populações e a variação no consumo específico de glicose por célula (efeito Pasteur). Justifique a sua previsão relacionando a eficiência energética de ambas as vias catabólicas com a síntese de macromoléculas.
2. b) Um estudante argumenta que, sendo a respiração aeróbica termodinamicamente mais eficiente, a fermentação é uma via biológica primitiva destinada a desaparecer por seleção natural. Refute essa afirmação propondo duas situações fisiológicas ou nichos ecológicos atuais nos quais a fermentação seja a estratégia metabólica ótima ou insubstituível, justificando o porquê em cada caso.

Uma ave migratória de $30\ \text{g}$ deve enfrentar uma travessia ininterrupta que requer um gasto energético metabólico equivalente a $2\ \text{mol}$ de ATP.

Dados:

• Glicose: $180\ \text{g/mol}$; rendimento = $36\ \text{mol}$ de ATP por mol de glicose. O glicogênio é armazenado hidratado com $2\ \text{g}$ de água para cada grama de polissacarídeo seco.

• Ácido palmítico: $256\ \text{g/mol}$; rendimento = $106\ \text{mol}$ de ATP por mol de ácido graxo. Os triacilgliceróis são armazenados de forma anidra.

1. a) Calcule a massa total de reserva (em gramas) que a ave deveria incorporar ao seu corpo antes da viagem caso armazenasse essa energia exclusivamente sob a forma de gordura, em comparação com a de armazená-la exclusivamente como glicogênio hidratado.
2. b) A partir dos resultados obtidos, interprete a repercussão biomecânica sobre o voo e preveja o que aconteceria com a viabilidade da migração no caso de usar glicogênio.
3. c) Justifique bioquimicamente por que um grama seco de ácido palmítico rende mais do dobro de ATP do que um grama de glicose, considerando o grau de oxidação dos seus átomos de carbono.

Um laboratório de ecofisiologia compara o gasto metabólico de um mamífero homeotérmico (um rato de $25\ \text{g}$) e de um réptil poiquilotérmico (um lagarto de $25\ \text{g}$) medindo o consumo de $\text{O}_2$ (em $\text{mL}\ \text{O}_2\cdot\text{g}^{-1}\cdot\text{h}^{-1}$) a diferentes temperaturas ambientais.

1. a) Preveja como variará o consumo de $\text{O}_2$ em cada animal quando a temperatura ambiente desce bruscamente de $22\ \text{°C}$ para $6\ \text{°C}$. Justifique a resposta relacionando a respiração celular com a manutenção da temperatura corporal em homeotérmicos.
2. b) Numa situação de escassez extrema de alimento durante várias semanas, o lagarto sobrevive mantendo-se inativo, enquanto o rato morre em questão de 24 a 48 horas se suas reservas se esgotarem. Justifique este fato com base na taxa metabólica basal e no destino do ATP em ambos os animais.
3. c) Em ambientes frios, os mamíferos ativam a termogênese no tecido adiposo marrom por meio da proteína desacopladora termogenina (UCP-1) da membrana mitocondrial interna. Explique como essa proteína altera a fosforilação oxidativa para dissipar energia sob a forma de calor sem síntese de ATP.