Exercícios: A respiração celular

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

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

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.