A respiração celular

Escreva a equação global da respiração aeróbia da glicose e indique que substância se oxida e qual se reduz no processo.

Nomeie as quatro etapas da respiração aeróbica e indique em que parte da célula eucariótica cada uma delas se localiza.

Desenhe ou descreva uma mitocôndria, indicando sua membrana externa, sua membrana interna com as cristas e a matriz, e indique em quais regiões ocorrem o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.

Você pode fazer isso no papel e enviar uma foto com a sua resposta.

No esquema da respiração aeróbia, indique que etapa corresponde a cada uma das caixas numeradas (1, 2 e 3), nomeie as moléculas assinaladas com A e B, e indique em que parte da célula ocorre cada etapa.

Em que local da célula ocorre a glicólise e que produtos líquidos são obtidos a partir de uma molécula de glicose nessa etapa?

Por cada molécula de glicose, a glicólise tem um saldo líquido de $2\ \text{ATP}$ e $2$ NADH. Explique por que se fala de saldo «líquido», detalhando quantos ATP são consumidos na primeira fase e quantos são produzidos na segunda.

O que é o piruvato e quais são os seus dois destinos principais após a glicólise, conforme haja ou não oxigênio disponível? Indique que tipo de via metabólica ele segue em cada caso.

Defina fermentação e nomeie os dois tipos principais com os respectivos produtos finais, indicando um organismo ou tecido que realize cada um.

Na fermentação lática, o piruvato se transforma em lactato. Explique por que esse processo permite regenerar $\text{NAD}^+$ e em que situações o tecido muscular humano o utiliza.

As leveduras e as nossas células musculares podem realizar respiração ou fermentação conforme o oxigênio disponível. Explique de que modo a célula «decide» entre uma via e outra (efeito Pasteur) e que vantagem obtém quando, havendo oxigênio, reduz o consumo de glicose mantendo o mesmo fornecimento de ATP.

Explique que papel desempenham o $\text{NAD}^+$ e o FAD na respiração celular e o que acontece com as suas formas reduzidas (NADH e $\text{FADH}_2$) na cadeia de transporte de elétrons.

O que é o ciclo de Krebs? Indique que molécula de dois carbonos entra nele proveniente da oxidação do piruvato e que gás é liberado em suas reações.

No ciclo de Krebs, o acetil-CoA se liga ao oxaloacetato e, após uma série de reações, o oxaloacetato é regenerado. Explique por que motivo essa via é chamada de «ciclo» e detalhe quais produtos energéticos e qual produto residual são gerados a cada volta.

Indique qual molécula atua como aceptor final dos elétrons na cadeia de transporte de elétrons e qual substância se forma quando essa molécula se reduz.

A ATP sintase funciona como um motor molecular rotativo. Explique o que a faz girar, que reação catalisa e em que membrana se localiza na mitocôndria.

As mitocôndrias possuem o seu próprio DNA, os seus próprios ribossomos e se dividem por bipartição. Explique que origem evolutiva esses dados sugerem (teoria endossimbiótica) e por que essas organelas são o local adequado para abrigar a respiração celular.

O cianeto bloqueia o último complexo da cadeia respiratória (a citocromo c oxidase). Preveja o que acontecerá com o consumo de oxigênio, a síntese de ATP e o destino do piruvato em uma célula intoxicada, e raciocine por que razão o cianeto é letal mesmo havendo glicose disponível.

O 2,4-dinitrofenol (DNP) é um desacoplador: torna a membrana mitocondrial interna permeável aos prótons sem que se produza ATP. Preveja, fundamentando, o que acontecerá com o consumo de oxigênio, a síntese de ATP e a temperatura corporal de quem o ingere, e explique por que razão chegou a ser utilizado para emagrecer com consequências mortais.

O monóxido de carbono liga-se à hemoglobina com maior afinidade do que o oxigênio. a) Explique que efeito tem sobre o transporte de $\text{O}_2$ para os tecidos. b) Raciocine quais etapas da respiração celular serão afetadas e por que razão as células passam a realizar fermentação embora disponham de glicose. c) Compare o mecanismo de toxicidade do monóxido de carbono com o do cianeto.

Em um biorreator industrial com leveduras (Saccharomyces cerevisiae) alimentadas com glicose, monitora-se o consumo de substrato e os metabólitos formados. Em uma primeira fase anaeróbica, as leveduras consomem glicose em grande velocidade, produzindo etanol e $\text{CO}_2$. Ao injetar oxigênio de forma contínua (segunda fase), observa-se que a velocidade de consumo de glicose se reduz a um quarto (efeito Pasteur) e cessa por completo a produção de etanol. a) Interprete e justifique, do ponto de vista bioenergético, por que as leveduras consomem muito mais glicose por unidade de tempo em anaerobiose do que em aerobiose para manter a mesma taxa de divisão celular. b) Se, em vez de leveduras, uma cultura de células musculares esqueléticas fosse submetida a essas mesmas duas condições, preveja qual metabólito orgânico se acumularia na primeira fase e fundamente se haveria liberação de $\text{CO}_2$. c) Justifique a necessidade metabólica comum que obriga tanto a levedura quanto a célula muscular a reduzir o piruvato durante a fermentação.

Analisam-se biópsias musculares de um velocista durante uma corrida de esforço máximo. Nos primeiros $2$ a $3$ segundos de corrida, a concentração celular de ATP se mantém quase invariável ($[\text{ATP}] \approx 5\ \text{mmol/kg}$), enquanto a fosfocreatina desce drasticamente de $25$ para $8\ \text{mmol/kg}$. A partir do quarto segundo, o lactato aumenta rapidamente de $1,5$ para $12\ \text{mmol/kg}$ e a potência mecânica começa a diminuir.

1. a) Justifique bioquimicamente por que a concentração de ATP permanece praticamente constante no início, apesar de a hidrólise pelas miosina-ATPases ser massiva.
2. b) Preveja o que aconteceria com os níveis de ATP, com o acúmulo de lactato e com o rendimento nos primeiros $3$ segundos se fosse administrado às fibras musculares um inibidor seletivo da creatina-quinase.
3. c) Compare a velocidade de ressíntese de ATP e a capacidade total de produção energética do sistema fosfocreatina com as da respiração mitocondrial, justificando por que um atleta não consegue manter a sua velocidade máxima ao longo de uma prova de $400\text{ metros}$.

Num debate em sala de aula sobre a origem celular, um estudante afirma: «As enzimas da glicólise e as da cadeia de transporte eletrônico mitocondrial devem ter evoluído ao mesmo tempo nas primeiras células vivas para evitar que o $\text{NAD}^+$ citossólico se esgotasse».

1. a) Refute a afirmação do estudante apresentando dois argumentos geoquímicos sobre as condições da atmosfera da Terra primitiva e um argumento evolutivo fundamentado na teoria endossimbiótica.
2. b) Se os primeiros organismos não dispunham de oxigênio nem de sistemas de transporte eletrônico dependentes de membranas complexas, justifique bioquimicamente a necessidade incontornável de acoplar a glicólise a reações de fermentação para a continuidade da vida celular.
3. c) Preveja o que aconteceria a uma bactéria anaeróbia estrita, cuja única via de regeneração do $\text{NAD}^+$ é a fermentação lática, se uma mutação inativasse a sua lactato desidrogenase num meio em que a glicose é a única fonte de carbono e energia.