A respiração celular

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

Nomeia as quatro etapas da respiração aeróbia e indica em que parte da célula eucariótica se localiza cada uma delas.

Desenha ou descreve uma mitocôndria assinalando a sua membrana externa, a sua membrana interna com as cristas e a matriz, e indica em que zonas ocorrem o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.

Podes fazê-lo em papel e enviar uma fotografia com a tua resposta.

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

Em que local da célula ocorre a glicólise e que produtos líquidos se obtêm a partir de uma molécula de glicose nesta etapa?

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

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

Define fermentação e nomeia os dois tipos principais com os respetivos produtos finais, indicando um organismo ou tecido que realize cada um.

Na fermentação láctica o piruvato transforma-se em lactato. Explica por que razão este 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 consoante o oxigénio disponível. Explica de que modo a célula «decide» entre uma via e outra (efeito Pasteur) e que vantagem obtém quando, havendo oxigénio, reduz o consumo de glicose mantendo o mesmo fornecimento de ATP.

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

O que é o ciclo de Krebs? Indica que molécula de dois carbonos entra nele proveniente da oxidação do piruvato e que gás se liberta nas suas reações.

No ciclo de Krebs, o acetil-CoA liga-se ao oxaloacetato e, após uma série de reações, o oxaloacetato é regenerado. Explica por que razão se designa «ciclo» a esta via e detalha que produtos energéticos e que produto residual são gerados por cada volta.

Indica que molécula atua como aceitador final dos eletrões na cadeia de transporte de eletrões e que substância se forma quando essa molécula se reduz.

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

Realizam-se ensaios com mitocôndrias isoladas às quais se fornecem diferentes substratos respiratórios: ao fornecer malato (que gera NADH intramitocondrial), regista-se consumo de $\text{O}_2$ e uma relação de síntese de cerca de $2,5\ \text{ATP}$ por par de eletrões; ao adicionar rotenona (inibidor do Complexo I), o consumo de $\text{O}_2$ cessa, mas restabelece-se ao fornecer succinato (que reduz o FAD a $\text{FADH}_2$), rendendo apenas cerca de $1,5\ \text{ATP}$ por par de eletrões. a) Justifica a nível molecular e quimiosmótico a causa biofísica desta diferença de rendimento energético entre ambos os substratos. b) Deduz fundamentadamente o que aconteceria com o consumo de $\text{O}_2$ e com a síntese de ATP a partir de succinato se se adicionasse um inibidor específico do Complexo IV (citocromo c oxidase). c) No músculo esquelético, os eletrões do NADH glicolítico entram na cadeia respiratória através da lançadeira do glicerol-3-fosfato, enquanto no miocárdio o fazem através da lançadeira do malato-aspartato. Calcula a diferença no balanço líquido total de ATP por mole de glicose completamente oxidada entre ambos os tecidos e justifica a causa metabólica dessa discrepância.

As mitocôndrias possuem o seu próprio ADN, os seus próprios ribossomas e dividem-se por bipartição. Explica que origem evolutiva sugerem estes dados (teoria endossimbiótica) e por que razão estes organelos são o local adequado para albergar a respiração celular.

Para verificar experimentalmente a hipótese quimiosmótica, isolam-se mitocôndrias intactas e suspendem-se num meio a pH 8,0 sem ADP nem substratos oxidáveis. Após permitir que a matriz atinja esse pH, são transferidas bruscamente para um meio a pH 4,0 que contém ADP e $\text{P}_i$, em ausência total de oxigénio e de dadores de eletrões. a) Prevê fundamentadamente se se sintetizará ATP nestas condições artificiais e descreve o mecanismo biofísico através do qual a ATP sintase aproveita essa situação. b) O que aconteceria à síntese de ATP se previamente se tivesse tratado a membrana mitocondrial interna com uma substância ionófora que permite a livre passagem de protões? Justifica a tua resposta. c) Fundamenta por que razão, em condições fisiológicas normais, o esgotamento do oxigénio interrompe a fosforilação oxidativa.

O cianeto bloqueia o último complexo da cadeia respiratória (a citocromo c oxidase). Prevê o que acontecerá ao consumo de oxigénio, à síntese de ATP e ao destino do piruvato numa célula intoxicada, e raciocina 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 protões sem que se produza ATP. Prevê, fundamentando, o que acontecerá ao consumo de oxigénio, à síntese de ATP e à temperatura corporal de quem o ingere, e explica 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 oxigénio. a) Explica que efeito tem sobre o transporte de $\text{O}_2$ para os tecidos. b) Raciocina que etapas da respiração celular serão afetadas e por que razão as células passam a realizar fermentação embora disponham de glicose. c) Compara o mecanismo de toxicidade do monóxido de carbono com o do cianeto.

Num biorreator industrial com leveduras (Saccharomyces cerevisiae) alimentadas com glicose, monitoriza-se o consumo de substrato e os metabolitos formados. Numa primeira fase anaeróbia, as leveduras consomem glicose a grande velocidade produzindo etanol e $\text{CO}_2$. Ao injetar oxigénio de forma contínua (segunda fase), observa-se que a velocidade de consumo de glicose se reduz para um quarto (efeito Pasteur) e cessa por completo a produção de etanol. a) Interpreta e justifica a nível bioenergético por que razão 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 se submetesse a essas mesmas duas condições uma cultura de células musculares esqueléticas, prevê que metabolito orgânico se acumularia na primeira fase e fundamenta se haveria libertação de $\text{CO}_2$. c) Justifica a necessidade metabólica comum que obriga tanto a levedura como 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 mantém-se 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) Justifica bioquimicamente por que razão a concentração de ATP permanece praticamente constante no início, apesar de a hidrólise pelas miosina-ATPases ser massiva.
2. b) Prevê o que aconteceria com os níveis de ATP, com a acumulação de lactato e com o rendimento nos primeiros $3$ segundos se fosse administrado às fibras musculares um inibidor seletivo da creatina-quinase.
3. c) Compara a velocidade de ressíntese de ATP e a capacidade total de produção energética do sistema fosfocreatina face à respiração mitocondrial, justificando por que razão um atleta não consegue manter a sua velocidade de ponta ao longo de uma prova de $400\text{ metros}$.

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

1. a) Rebate a afirmação do aluno apresentando dois argumentos geoquímicos sobre as condições da atmosfera da Terra primitiva e um argumento evolutivo fundamentado na teoria endossimbiótica.