Respiração celular e fermentação: o que são e como ocorrem

Existem diferentes formas de produção e obtenção de energia, e ela é fundamental para os seus crescimentos, manutenções de atividade metabólicas diversas e vitais, bem como para a reprodução.

Na respiração celular as moléculas orgânicas (glicose) sofrem degradações químicas e formam compostos menores (CO2 e H2O) na presença de O2 (aceptor final de elétrons), gerando 38 moléculas de ATP em média.

Na fermentação, que também ocorre sobre a degradação da glicose, não há a participação do gás oxigênio, produzindo 2 ATP ao final do processo.

A respiração e a fermentação compartilham uma etapa em comum: a glicólise, que ocorre no citoplasma. Contudo, na respiração ocorrem mais etapas, já dentro das mitocôndrias, que são o Ciclo de Krebs e a Cadeiras Transportadora de Elétrons.

A respiração celular

A respiração celular é dividida em três etapas, sendo duas na mitocôndria e uma no citoplasma. Ao longo do processo são produzidas moléculas de CO2, as quais serão liberadas pelos organismos. Os Hidrogênios liberados a partir da quebra da glicose são captados pelo aceptores de elétrons, como o NAD e FAD. Esses NAD e FAD irão garantir que os esses “H” cheguem ao final do processo, onde irão participar da produção de energia.

A equação global a seguir apresentam um resumo do processo de respiração aeróbia tendo como substratos a glicose ou a sacarose:

Considerando os animais, por exemplo, a glicose é oriunda da ingestão e o gás oxigênio da inspiração. O gás carbônico será eliminado e as moléculas de água e ATP serão aproveitadas. O processo envolve três etapas: a glicólise, o Ciclo de Krebs e a Cadeia de Transporte de Elétrons (CTE).

As etapas da respiração celular

Glicólise

Consiste na primeira etapa da respiração celular e ocorre no citoplasma. Nessa fase há o investimento de 2 ATP, porém são produzidos 4 ATPs, o que resulta em um saldo positivo de duas moléculas de ATP.

A glicose é degradada em duas moléculas de piruvato (um açúcar de 3 carbonos fundamental para a próxima etapa – o ciclo de Krebs). Os hidrogênios desprendidos da glicose são captados pelo NAD, formando NADH, o qual será fundamental para a terceira etapa (CTE).

legenda: representação da glicólise, mostrando a formação do piruvato e seus 3 átomos de carbono. Nota-se a produção de quatro ATPs e de dois NADH, bem como o investimento de dois ATPs no início.

legenda: esquema mostrando a glicose e a glicólise, resultando em piruvato ainda no citoplasma. A seguir, o piruvato passa para a mitocôndria para participar do Ciclo de Krebs.

O Ciclo de Krebs

Ocorre na matriz mitocondrial. O piruvato é uma molécula que possui grande quantidade de energia livre em suas ligações químicas. A primeira reação de transformação do piruvato se dá em acetil-CoA e ainda não faz parte do Ciclo propriamente dito.

A primeira reação propriamente dita do Ciclo de Krebs é a de transformação do acetil-CoA em citrato, que por sua vez é oxidado a isocitrato, 2-oxoglutarato, succinil-CoA, succinato, fumarato, malato e finalmente a oxalacetato, fechando o Ciclo.

Para cada molécula de piruvato que entra no ciclo são produzidas três moléculas de CO2. Os Hidrogênios (elétrons) liberados nas reações são captados pelo NAD e FAD, originando, respectivamente, NADH e FADH2. Ademais, são produzidos 2 ATPs.

Cadeia Transportadora de Elétrons (CTE)

Ocorre nas cristas mitocondriais. É a etapa mais energética da respiração celular, somando sozinha aproximadamente 36 ATPs. O processo consiste na transferência de H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas. Esses hidrogênios foram captados, por exemplo, pelo NAD e FAD nas etapas anteriores e disponibilizados para a CTE.

Esse transporte de Hidrogênios (elétrons) caminha em direção ao oxigênio, o qual atua como aceptor final, o que, por sua vez, acaba produzindo moléculas de água. Nesse contexto, surgem os ATPs em um processo denominado fosforilação oxidativa.

Legenda: representação da fosforilação oxidativa com a passagem dos hidrogênios entre diferentes níveis de energia a partir do NADH, formando água no final.

Fermentação

A fermentação é um processo energético sem a participação do gás oxigênio, onde a glicose tem sua quebra parcial. O rendimento energético é bem menor do que o da respiração celular, produzindo somente 2 ATPs por glicose.

Ocorre em nível de citoplasma e sua etapa básica é similar àquela da respiração, sendo, também, denominada glicólise. Existem diferentes tipos de respiração, destacando a forma Alcoólica e Lática.

Tipos de Fermentação

A fermentação alcoólica

Realizada, por exemplo, por bactérias e leveduras, destacando o fungo da espécie Saccharomyces cerevisiae. Inicia-se com a glicólise, resultando na formação de piruvato e NADH. A seguir, cada piruvato será descarboxilado se tornando um acetaldeído, o qual receberá os Hidrogênios (elétrons) do NADH, formando o etanol ou álcool etílico.

Destaca-se o uso desse processo na fabricação de pães e bebidas alcoólicas, por exemplo. No caso dos pães, o CO2 liberado durante o processo é fundamental para o crescimento das massas.

legenda: esquema demonstrando o processo de fermentação etílica resumidamente

A fermentação lática

Realizada principalmente por bactérias chamadas Lactobacilos. Também pode ser realizada por alguns tipos de células musculares. O processo inicia-se com a glicólise e produz piruvato e NADH. O piruvato recebe os Hidrogênios (elétrons) do NADH, formando ácido lático.

Comumente, o processo é usado na produção de queijos e derivados. Ressalta-se que quando o suprimento de oxigênio é baixo durante exercícios intensos e prolongados, as células musculares podem realizar essa fermentação para gerar energia para esses momentos, o que pode causar acúmulo de ácido lático nos músculos e gerando um desconforto, denominado fadiga muscular.

legenda: esquema demonstrando o processo de fermentação lática resumidamente

Respiração celular e fermentação no Enem

Por serem processos energéticos, os assuntos podem surgir de forma diversificada, visto a relevância do tema “energia” para o ENEM. É comum que os temas ocorram de forma contextualizada quanto às práticas na produção de pães, leite e bebidas alcoólicas, bem como em aplicações humanas e biotecnológicas pertinentes.

Observe os trechos a seguir com itens e respostas corretas de provas anteriores do ENEM sobre esses temas.

ENEM 2019

Um dos processos biotecnológicos mais antigos é a utilização de microrganismos para a produção de alimentos. Num desses processos, certos tipos de bactérias anaeróbicas utilizam os açúcares presentes nos alimentos e realizam sua oxidação parcial, gerando como produto final da reação o ácido lático.

Qual produto destinado ao consumo humano tem sua produção baseada nesse processo?

A) Pão

B) Vinho

C) Iogurte

D) Vinagre

E) Cachaça

Gabarito: letra c) Iogurte

ENEM 2012

Há milhares de anos o homem faz uso da biotecnologia para a produção de alimentos como pães, cervejas e vinhos. Na fabricação de pães, por exemplo, são usados fungos unicelulares, chamados de leveduras, que são comercializados como fermento biológico. Eles são usados para promover o crescimento da massa, deixando-a leve e macia.

O crescimento da massa do pão pelo processo citado é resultante da:

A) liberação de gás carbônico

B) formação de ácido lático

C) formação de água

D) produção de ATP

E) liberação de calor

Gabarito: a) liberação de gás carbônico