Exercícios: A respiração celular

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

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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 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.

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.

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.

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.

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.