Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

15Respiração celular e fermentação

Um frasco de levedura em solução açucarada com o ar excluído borbulha dióxido de carbono e transforma o açúcar em álcool; deixe o ar entrar e o borbulhar diminui, o álcool cessa, e a levedura cresce dez vezes mais rápido com o mesmo açúcar. Pasteur viu isso em 1861 e não conseguiu explicar; a explicação levou um século e atravessa este capítulo inteiro. O oxigênio permite a uma célula extrair da glicose quinze vezes a energia que ela consegue sem ele, e o faz passando os elétrons do açúcar por uma cadeia de transportadores até o oxigênio, bombeando prótons através de uma membrana enquanto eles caem, e deixando os prótons voltarem por uma turbina que fabrica ATP. Este capítulo descreve a glicólise, o ciclo de Krebs, a cadeia respiratória e o acoplamento quimiosmótico dela, as fermentações que dispensam o oxigênio, e a queima de gorduras e proteínas pela mesma maquinaria.

15.1 A oxidação da glicose

Proposição 15.1 (A reação global e as etapas dela)

A oxidação completa da glicose,

\mathrm{C_6H_{12}O_6} + 6\,\mathrm{O_2} \to 6\,\mathrm{CO_2} + 6\,\mathrm{H_2O}, \qquad \Delta G^{\circ\prime} = -2870\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol},

é realizada em três etapas que nunca deixam os elétrons encontrarem o oxigênio diretamente. A glicólise, no citosol, parte a glicose em dois piruvatos e rende 2 ATP e 2 NADH. A oxidação do piruvato e o ciclo de Krebs, na matriz mitocondrial, oxidam o piruvato a $\mathrm{CO_2}$ , carregando os elétrons em 8 NADH e 2 $\mathrm{FADH_2}$ e fabricando 2 GTP. A fosforilação oxidativa, na membrana mitocondrial interna, passa esses elétrons ao oxigênio por uma cadeia de transportadores que bombeia prótons, e o gradiente de prótons move a síntese de cerca de 26 ATP. Ao todo, uns 30 ATP por glicose: cerca de metade da energia livre de combustão capturada, e o resto liberado como calor.

Definição 15.2 (Transportadores de elétrons)

O $\mathrm{NAD^+}$ (dinucleotídeo de nicotinamida e adenina) aceita dois elétrons e um próton de um substrato e vira NADH; o FAD aceita dois elétrons e dois prótons e vira $\mathrm{FADH_2}$ . Os dois são coenzimas de desidrogenases, e os dois são reciclados: reduzidos pelo catabolismo, reoxidados pela cadeia respiratória. Uma célula contém apenas micromols deles, que se renovam milhares de vezes por hora. Os potenciais redox deles, $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ para o par $\mathrm{NAD^+}/\mathrm{NADH}$ , os põem muito abaixo do oxigênio ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ): cada par de elétrons que o NADH entrega ao oxigênio libera $\Delta G^{\circ\prime} = -2F\Delta E = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , o bastante para mais de quatro ATP.

As três etapas da respiração. A glicólise e o ciclo de Krebs retiram os elétrons da glicose e os põem no NADH e no FADH_2; a fosforilação oxidativa os converte em dinheiro. — As três etapas da respiração. A glicólise e o ciclo de Krebs retiram os elétrons da glicose e os põem no NADH e no $\mathrm{FADH_2}$ ; a fosforilação oxidativa os converte em dinheiro.

15.2 A glicólise

Definição 15.3 (Glicólise)

A glicólise é uma sequência de dez reações enzimáticas no citosol que converte uma glicose (C6) em dois piruvatos (C3). Na fase de investimento dois ATP são gastos para fosforilar o açúcar (a hexoquinase e depois a fosfofrutoquinase, PFK), e o difosfato de seis carbonos é partido em dois fosfatos de três carbonos. Na fase de retorno cada triose é oxidada pelo $\mathrm{NAD^+}$ (a única oxidação da glicólise) e os fosfatos dela são transferidos ao ADP por fosforilação em nível de substrato — um fosfato entregue diretamente de um intermediário rico em energia ao ADP, sem membrana nem oxigênio envolvidos. O balanço:

\text{glicose} + 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2\,\text{piruvato} + 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O} .

Ela não precisa de oxigênio; é a via mais antiga e mais universal do metabolismo.

A glicólise em linhas gerais. Dois ATP são gastos para construir um difosfato de seis carbonos, que se parte em duas trioses; a oxidação delas e duas fosforilações em nível de substrato devolvem, cada par, quatro ATP e dois NADH. A fosfofrutoquinase é a válvula de controle da via.

Proposição 15.4 (Controle na fosfofrutoquinase)

A PFK, a primeira etapa irreversível comprometida com a glicólise, é uma enzima alostérica (Capítulo 13) inibida pelo ATP e pelo citrato — os sinais de que a energia e o combustível do ciclo de Krebs estão abundantes — e ativada pelo AMP e pelo ADP, os sinais de que não estão. Quando o ATP está alto, o fluxo pela glicólise cai em segundos; quando a célula gasta ATP, o AMP sobe bruscamente (pela adenilato quinase, $2\,\mathrm{ADP} \rightleftharpoons \mathrm{ATP} + \mathrm{AMP}$ ) e a PFK se abre. A carga energética da célula regula a via que a preenche.

15.3 Oxidação do piruvato e ciclo de Krebs

Definição 15.5 (Piruvato-desidrogenase, acetil-CoA)

O piruvato entra na mitocôndria e é oxidado pelo complexo piruvato-desidrogenase a acetil-CoA — um grupo acetila de dois carbonos carregado pela coenzima A (Capítulo 11) numa ligação tioéster rica em energia —, liberando um $\mathrm{CO_2}$ e um NADH. O acetil-CoA é a entrada comum de todos os combustíveis no ciclo: os carboidratos pelo piruvato, as gorduras pela $\beta$ -oxidação, e muitos aminoácidos diretamente.

Definição 15.6 (O ciclo de Krebs)

O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico), na matriz mitocondrial, condensa o acetil-CoA (C2) com o oxaloacetato (C4) em citrato (C6) e, em oito etapas, oxida os dois carbonos a $\mathrm{CO_2}$ enquanto regenera o oxaloacetato. Por grupo acetila: 3 NADH, 1 $\mathrm{FADH_2}$ , 1 GTP (por fosforilação em nível de substrato) e 2 $\mathrm{CO_2}$ . Por glicose (dois acetilas): 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP, 4 $\mathrm{CO_2}$ — que, com os 2 $\mathrm{CO_2}$ da piruvato-desidrogenase, dão os seis da equação global. Nenhum oxigênio é consumido no ciclo em si; ele só funciona enquanto a cadeia respiratória reoxida o NADH dele. Ele também é anfibólico: os intermediários dele são desviados para a biossíntese (Capítulo 16) e repostos a partir de aminoácidos e de piruvato.

O ciclo de Krebs. Um grupo acetila entra condensando-se com o oxaloacetato; dois carbonos saem como CO_2 nas duas descarboxilações; as quatro oxidações carregam três NADH e um FADH_2; o oxaloacetato é regenerado para a volta seguinte. — O ciclo de Krebs. Um grupo acetila entra condensando-se com o oxaloacetato; dois carbonos saem como $\mathrm{CO_2}$ nas duas descarboxilações; as quatro oxidações carregam três NADH e um $\mathrm{FADH_2}$ ; o oxaloacetato é regenerado para a volta seguinte.

Exemplo 15.7 (Acompanhando os carbonos)

Forneça a uma célula glicose marcada com $\mathrm{^{14}C}$ no carbono 1: a marcação aparece no carbono metila do piruvato, depois no do acetil-CoA, entra no citrato, e só sai como $\mathrm{CO_2}$ na segunda ou na terceira volta do ciclo — os dois carbonos liberados numa dada volta pertencem ao oxaloacetato da volta anterior. Krebs (1937) deduziu o ciclo da observação de que quantidades catalíticas de qualquer um dos ácidos dele estimulavam a oxidação de muito mais piruvato do que elas próprias poderiam explicar: elas estavam sendo regeneradas.

Hans Krebs (1900–1981), que desvendou o ciclo em 1937 a partir das velocidades com que músculo de pombo moído oxidava os ácidos dele. Fotografia: Fundação Nobel, domínio público.

15.4 Fosforilação oxidativa

Definição 15.8 (A cadeia respiratória)

A cadeia respiratória são quatro complexos proteicos da membrana mitocondrial interna e dois transportadores móveis. O NADH entrega os elétrons dele ao complexo I, e o $\mathrm{FADH_2}$ (pela succinato-desidrogenase, o complexo II) entrega os dele; os dois reduzem a ubiquinona (Q), uma quinona lipossolúvel que se difunde na membrana; a Q os passa ao complexo III, que os entrega ao citocromo $c$ , uma proteína pequena da face externa; e o complexo IV (a citocromo-oxidase) os entrega, de quatro em quatro, ao $\mathrm{O_2}$ , formando água. Em cada um dos complexos I, III e IV os elétrons caem em potencial e a energia bombeia prótons da matriz para o espaço intermembranas: cerca de 4, 4 e 2 por par de elétrons, dez por NADH e seis por $\mathrm{FADH_2}$ (que entra abaixo do complexo I).

A membrana mitocondrial interna. Os elétrons (laranja) caem do NADH ou do FADH_2 pelos complexos até o oxigênio; os complexos I, III e IV bombeiam prótons para fora (verde); a ATP-sintase os deixa voltar e fabrica ATP. — A membrana mitocondrial interna. Os elétrons (laranja) caem do NADH ou do $\mathrm{FADH_2}$ pelos complexos até o oxigênio; os complexos I, III e IV bombeiam prótons para fora (verde); a ATP-sintase os deixa voltar e fabrica ATP.

Teorema 15.9 (Acoplamento quimiosmótico)

O gradiente de prótons construído pela cadeia — cerca de $0.16\,\mathrm{V}$ de potencial de membrana (matriz negativa) mais uma unidade de pH, uma força próton-motriz de cerca de $0.22\,\mathrm{V}$ , ou $21\,\mathrm{kJ}$ por mol de prótons — é o único elo entre o transporte de elétrons e a síntese de ATP. A ATP-sintase, um motor rotativo da membrana interna, deixa passar cerca de $3\,\mathrm{H}^{+}$ por ATP fabricado, e mais um é gasto para importar o fosfato e exportar o ATP: 4 por ATP. Daí a razão P/O: $10/4 = 2.5$ ATP por NADH e $6/4 = 1.5$ por $\mathrm{FADH_2}$ .

Evidências. As mitocôndrias só fabricam ATP quando a membrana interna delas está íntegra e fechada; fragmentos que transportam elétrons mas não conseguem manter um gradiente não fabricam nenhum. Os desacopladores, como o dinitrofenol, que transportam prótons através da membrana, abolem a síntese de ATP enquanto o consumo de oxigênio continua e até se acelera, com a energia saindo como calor — a gordura marrom faz isso de propósito com a proteína desacopladora dela (Capítulo 2), e o dinitrofenol já foi vendido como remédio para emagrecer que matava por hipertermia. Os inibidores da cadeia (o cianeto sobre o complexo IV) param os dois; os inibidores da sintase (a oligomicina) param a síntese de ATP e, com o gradiente sem poder se descarregar, param também a respiração, que um desacoplador então restabelece. Um gradiente de pH artificial imposto a mitocôndrias no escuro move a síntese de ATP, como nos cloroplastos (Capítulo 14). ∎

Uma mitocôndria aberta. As dobras da membrana interna multiplicam a área disponível para a cadeia e para a sintase; a matriz lá dentro abriga o ciclo de Krebs.

Método 15.10 (O balanço de ATP de uma glicose)

Glicólise: $+2$ ATP (líquido), $+2$ NADH no citosol.
Piruvato-desidrogenase: $+2$ NADH. Ciclo de Krebs: $+6$ NADH, $+2$ $\mathrm{FADH_2}$ , $+2$ GTP ( $=$ ATP).
Fosforilação oxidativa: $2.5$ ATP por NADH mitocondrial (8: 20 ATP), $1.5$ por $\mathrm{FADH_2}$ (2: 3 ATP).
O NADH citosólico não atravessa a membrana interna; os elétrons dele entram por uma lançadeira que os entrega ao $\mathrm{FAD}$ (1.5 cada, no músculo e no encéfalo) ou ao $\mathrm{NAD^+}$ (2.5 cada, no fígado e no coração): 3 ou 5 ATP.
Total: $2 + 2 + 20 + 3 + 3 = 30$ , ou $32$ com a lançadeira melhor. Eficiência: $30\times 50/2870 \approx 52\,\%$ nas condições celulares.

15.5 Fermentação

Definição 15.11 (Fermentação)

Sem oxigênio a cadeia respiratória para, o NADH não pode ser reoxidado, e a glicólise pararia em poucos segundos por falta de $\mathrm{NAD^+}$ . A fermentação o regenera usando o próprio piruvato como aceptor de elétrons: na fermentação láctica (músculo, hemácias, bactérias lácticas) o piruvato é reduzido a lactato; na fermentação alcoólica (leveduras, algumas plantas) ele é descarboxilado a acetaldeído, que é reduzido a etanol, liberando $\mathrm{CO_2}$ . O rendimento é o da própria glicólise: 2 ATP por glicose, um quinze avos do da respiração; o carbono é pouquíssimo oxidado e os produtos ainda guardam quase toda a energia do combustível. A respiração anaeróbia — uma cadeia de transporte de elétrons que termina em nitrato, sulfato ou carbonato em vez de oxigênio, em muitas bactérias — é outra coisa, tratada no volume do Ano 2.

À esquerda: levedura de padeiro, brotando. À direita: o que a fermentação dela faz com a massa: o CO_2 de dois ATP de glicólise por glicose, preso no glúten. O etanol evapora no forno. — À esquerda: levedura de padeiro, brotando. À direita: o que a fermentação dela faz com a massa: o $\mathrm{CO_2}$ de dois ATP de glicólise por glicose, preso no glúten. O etanol evapora no forno.

Proposição 15.12 (O efeito Pasteur)

Uma célula capaz de respirar consome glicose muito mais depressa quando privada de oxigênio do que quando ele é fornecido, e cresce muito menos com ela.

Evidências. Pasteur (1861) viu a levedura de uma cuba arejada consumindo açúcar devagar e se multiplicando, ao passo que numa cuba selada ela consumia açúcar dez vezes mais depressa, multiplicava-se pouco e fabricava álcool. A explicação é o rendimento de ATP: para obter o mesmo ATP a partir de 2 por glicose em vez de 30, a célula precisa rodar a glicólise quinze vezes mais rápido, e a PFK, liberada da inibição pelo ATP e pelo citrato que a respiração mantém, permite isso. Um músculo em disparada mostra o mesmo efeito em poucos segundos: o glicogênio dele cai vinte vezes mais depressa que em repouso, e o lactato sobe. ∎

Definição 15.13 (Quociente respiratório)

O quociente respiratório QR é a razão entre o $\mathrm{CO_2}$ produzido e o $\mathrm{O_2}$ consumido, em mols. O carboidrato dá 1.0 (seis de cada por glicose); a gordura, cerca de 0.7 (palmitato: $\mathrm{C_{16}H_{32}O_2} + 23\,\mathrm{O_2} \to 16\,\mathrm{CO_2} + 16\,\mathrm{H_2O}$ , $16/23 = 0.70$ ), porque os carbonos dela são mais reduzidos e precisam de mais oxigênio por $\mathrm{CO_2}$ ; a proteína, cerca de 0.8. Uma cultura em fermentação libera $\mathrm{CO_2}$ sem captar oxigênio: o QR dela é infinito, e um QR acima de 1 numa cultura mista mede a parcela de fermentação. Medido num animal inteiro por análise dos gases, o QR diz qual combustível ele está queimando.

Exemplo 15.14 (Ler um QR)

Um ser humano em repouso depois de uma refeição rica em carboidratos: QR 0.95, queimando glicose. A mesma pessoa depois de uma noite de jejum: 0.75, gordura. Um maratonista no trigésimo quilômetro, com o glicogênio esgotado: 0.72. Um frasco de levedura em glicose com um pouco de ar: QR 4 — três quartos da glicose dela estão sendo fermentados.

15.6 Outros combustíveis e a regulação do conjunto

Proposição 15.15 (As gorduras e as proteínas entram na mesma maquinaria)

Os ácidos graxos são ativados a acil-CoA e, na matriz mitocondrial, encurtados de dois em dois carbonos pela $\beta$ -oxidação, com cada rodada rendendo um acetil-CoA, um NADH e um $\mathrm{FADH_2}$ : o palmitato (C16) dá 8 acetil-CoA, 7 NADH e 7 $\mathrm{FADH_2}$ — cerca de 106 ATP, ou $6.6\,$ ATP por carbono contra os 5 da glicose. Os aminoácidos perdem o nitrogênio deles como amônia (convertida em ureia no fígado) e os esqueletos de carbono deles entram como piruvato, acetil-CoA ou intermediários do ciclo de Krebs. Todo combustível converge para o acetil-CoA e para a cadeia; a célula escolhe entre eles por hormônios e pelo estado do ATP dela, como descreve o Capítulo 16.

Exemplo 15.16 (Um grama de cada)

Um grama de glicose ( $5.6\,\mathrm{mmol}$ ) rende cerca de $170\,\mathrm{mmol}$ de ATP; um grama de palmitato ( $3.9\,\mathrm{mmol}$ ), cerca de $410\,\mathrm{mmol}$ — os $38\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ contra os $17\,\mathrm{kJ}/\mathrm{g}$ do Capítulo 9, convertidos em moeda. A gordura custa mais oxigênio por ATP, e é por isso que o músculo de um velocista, limitado pelo oxigênio, queima glicogênio, e uma ave migratória, com oxigênio de sobra e limitada pela massa, queima gordura.

15.7 Exercícios

Exercício 15.1 ★

Cite as três etapas da respiração, a localização delas e o que cada uma produz.

Solução

Solução de Exercício 15.1.

Glicólise, citosol: 2 piruvatos, 2 ATP, 2 NADH. Oxidação do piruvato e ciclo de Krebs, matriz mitocondrial: 6 $\mathrm{CO_2}$ , 8 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. Fosforilação oxidativa, membrana interna: água a partir do oxigênio, cerca de 26 ATP.

Exercício 15.2 ★

Escreva o balanço da glicólise e explique a “fosforilação em nível de substrato”.

Solução

Solução de Exercício 15.2.

Glicose $+ 2\,\mathrm{NAD^+} + 2\,\mathrm{ADP} + 2\,\mathrm{P_i} \to 2$ piruvatos $+ 2\,\mathrm{NADH} + 2\,\mathrm{H^+} + 2\,\mathrm{ATP} + 2\,\mathrm{H_2O}$ . Fosforilação em nível de substrato: um fosfato é transferido diretamente de um intermediário rico em energia (1,3-bisfosfoglicerato, fosfoenolpiruvato) ao ADP por uma enzima, sem gradiente de membrana nem oxigênio.

Exercício 15.3 ★

A partir da figura do ciclo de Krebs, liste em ordem os produtos liberados em uma volta, e diga de onde vêm os dois $\mathrm{CO_2}$ .

Solução

Solução de Exercício 15.3.

NADH e $\mathrm{CO_2}$ (isocitrato a $\alpha$ -cetoglutarato), NADH e $\mathrm{CO_2}$ ( $\alpha$ -cetoglutarato a succinil-CoA), GTP (succinil-CoA a succinato), $\mathrm{FADH_2}$ (succinato a fumarato), NADH (malato a oxaloacetato). Os dois $\mathrm{CO_2}$ vêm das duas descarboxilações dos ácidos de seis e de cinco carbonos.

Exercício 15.4 ★

O que a fermentação realiza para uma célula sem oxigênio, e o que ela não realiza?

Solução

Solução de Exercício 15.4.

Ela regenera o $\mathrm{NAD^+}$ para que a glicólise possa continuar e render os 2 ATP por glicose dela. Ela não oxida o carbono, não extrai a energia restante (o produto guarda quase toda ela) nem fabrica mais que um quinze avos do ATP da respiração.

Exercício 15.5 ★★

Calcule o $\Delta G^{\circ\prime}$ da transferência de dois elétrons do NADH ( $E'_0 = -0.32\,\mathrm{V}$ ) para o oxigênio ( $+0.82\,\mathrm{V}$ ) e para a ubiquinona ( $+0.05\,\mathrm{V}$ ). Quantos ATP cada etapa poderia pagar, em princípio?

Solução

Solução de Exercício 15.5.

Para o oxigênio: $-2\times 96\,500\times 1.14 = -220\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , quatro ATP a $50\,\mathrm{kJ}$ . Para a ubiquinona: $-2\times 96\,500\times 0.37 = -71\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ , um ATP.

Exercício 15.6 ★★

Monte o balanço de ATP de uma glicose numa célula muscular (lançadeira do glicerol-fosfato) e numa célula do fígado (lançadeira do malato), usando razões P/O de 2.5 e 1.5.

Solução

Solução de Exercício 15.6.

Músculo: $2 + 2$ (GTP) $+ 8\times 2.5$ (NADH mitocondrial) $+ 2\times 1.5$ ( $\mathrm{FADH_2}$ ) $+ 2\times 1.5$ (NADH citosólico via FAD) $= 30$ . Fígado: o NADH citosólico dá $2\times 2.5$ : 32.

Exercício 15.7 ★★

Uma cultura consome $1.0\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{O_2}$ e libera $2.2\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ por hora em glicose. Calcule o QR e as frações da glicose respirada e fermentada.

Solução

Solução de Exercício 15.7.

QR $= 2.2$ . Glicose respirada $x$ : $6x = 1.0$ , $x = 0.167\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 2.2$ , $2y = 1.2$ , $y = 0.6\,\mathrm{mmol}$ . Fermentados $0.6/0.767 = 78\,\%$ da glicose, e respirados $22\,\%$ .

Exercício 15.8 ★★

Explique o que acontece com o consumo de oxigênio, com a síntese de ATP e com a produção de calor quando se acrescenta dinitrofenol a mitocôndrias em respiração, e por que a droga era letal.

Solução

Solução de Exercício 15.8.

O consumo de oxigênio sobe (a cadeia, livre da contrapressão do gradiente, corre a toda velocidade), a síntese de ATP para (não há gradiente para mover a sintase), e toda a energia dos elétrons aparece como calor. Os pacientes queimavam a gordura deles depressa e morriam de uma temperatura corporal que nada conseguia baixar.

Exercício 15.9 ★★

O cianeto bloqueia o complexo IV. Preveja o efeito dele sobre a cadeia respiratória, sobre o ciclo de Krebs e sobre a glicólise numa célula, e explique por que o lactato se acumula no sangue de quem foi envenenado.

Solução

Solução de Exercício 15.9.

A cadeia entope: cada transportador fica reduzido, nenhum próton é bombeado, nenhum ATP é fabricado. O NADH não é reoxidado, de modo que o ciclo de Krebs e a piruvato-desidrogenase param por falta de $\mathrm{NAD^+}$ . A glicólise, liberada da inibição pelo ATP, corre depressa e precisa regenerar o $\mathrm{NAD^+}$ dela reduzindo o piruvato a lactato, que inunda o sangue.

Exercício 15.10 ★★★

Calcule o rendimento em ATP do palmitato (8 acetil-CoA, 7 NADH, 7 $\mathrm{FADH_2}$ , menos 2 ATP da ativação) e o rendimento por carbono; calcule o oxigênio consumido por ATP para o palmitato e para a glicose. Que combustível uma foca mergulhadora deveria preferir, e qual um beija-flor?

Solução

Solução de Exercício 15.10.

$8\times 10 + 7\times 2.5 + 7\times 1.5 - 2 = 80 + 17.5 + 10.5 - 2 = 106$ ATP; $106/16 = 6.6$ por carbono. Oxigênio: o palmitato usa 23 $\mathrm{O_2}$ para 106 ATP, $0.22\,\mathrm{O}_{2}$ por ATP; a glicose, 6 para 30, $0.20\,\mathrm{O}_{2}$ por ATP. Por unidade de oxigênio a glicose é $10\,\%$ melhor: a foca, limitada pelo oxigênio debaixo d’água, prefere carboidrato; por unidade de massa a gordura é duas vezes melhor: o beija-flor, limitado pela massa em voo, migra com gordura.

Exercício 15.11 ★★★

Uma fibra muscular contém $5\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP e usa $3\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ por segundo numa disparada. Quanto tempo o ATP dela duraria sozinho? A fosfocreatina dela ( $25\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ ) regenera ATP um por um; o glicogênio dela, pela fermentação, dá 3 ATP por unidade de glicose, a até $2\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de unidades de glicose por segundo. Calcule o tempo que cada reserva consegue sustentar a disparada e explique por que uma prova de 100 m é corrida quase inteiramente sem oxigênio.

Solução

Solução de Exercício 15.11.

Só o ATP: $5/3 < 2\,\mathrm{s}$ . Fosfocreatina: $25/3 = 8\,\mathrm{s}$ . Fermentação: $2\times 3 = 6\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP por segundo, o bastante para a demanda, enquanto durarem o glicogênio e a tolerância ao lactato (dezenas de segundos). A entrega de oxigênio leva um minuto ou mais para subir e fornece no máximo cerca de $1\,\mathrm{mmol}/\mathrm{L}$ de ATP por segundo numa fibra: uma prova de dez segundos termina antes que a respiração tenha começado a ajudar, e é paga pela fosfocreatina e pela fermentação.

Exercício 15.12 ★★★

“A mitocôndria é uma bateria carregada por elétrons e descarregada por uma turbina.” Discuta em um parágrafo: o que o gradiente armazena, o que a sintase faz, onde a analogia é exata e onde ela é frouxa.

Solução

Solução de Exercício 15.12.

O gradiente armazena energia como uma diferença de concentração de prótons e de potencial elétrico através de uma membrana isolante — exatamente um capacitor carregado mais uma pilha de concentração; a cadeia é o carregador, movida pela queda dos elétrons; a sintase é um motor girado pela corrente de prótons, exatamente uma turbina, que acopla o fluxo a uma rotação mecânica que fabrica ATP. A analogia é frouxa porque a “bateria” guarda apenas milissegundos do consumo da célula e precisa ser carregada continuamente, porque os demais transportadores da mesma membrana também recorrem a ela, e porque a turbina pode girar ao contrário, hidrolisando ATP para bombear prótons quando a cadeia falha.

15.8 Problema: Levedura com ar e sem ar

Problema 15.1

Problema de fim de semana — as cubas de Pasteur revisitadas: ATP contado, glicose consumida, biomassa produzida e gases medidos, terminando na razão entre os rendimentos de ATP e na razão P/O

Levedura é cultivada em glicose em dois frascos idênticos, um arejado e um selado. Use razões P/O de 2.5 (NADH) e 1.5 ( $\mathrm{FADH_2}$ ), a lançadeira do $\mathrm{FADH_2}$ para o NADH citosólico, um rendimento de crescimento de $10.5\,\mathrm{g}$ de biomassa seca por mol de ATP, e glicose a $180\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Parte I — ATP contado.

Liste o ATP, o GTP, o NADH e o $\mathrm{FADH_2}$ produzidos a partir de uma glicose pela glicólise, pela piruvato-desidrogenase e pelo ciclo de Krebs.
Calcule os prótons bombeados pela cadeia por glicose (10 por NADH mitocondrial, 6 por $\mathrm{FADH_2}$ ; o NADH citosólico entra como $\mathrm{FADH_2}$ ).
Calcule o ATP fabricado pela sintase a $4\,\mathrm{H}^{+}$ por ATP, e o ATP total por glicose com ar.
Calcule o ATP por glicose sem ar.
Calcule a razão entre os dois rendimentos.
Calcule a energia livre capturada com ar ( $\Delta G_{\text{ATP}} = -50\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ) como fração dos $2870\,\mathrm{kJ}$ , e sem ar como fração dos $2870\,\mathrm{kJ}$ e da energia de fato liberada pela fermentação (glicose a dois etanóis e dois $\mathrm{CO_2}$ : $-235\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ ).

Parte II — Glicose consumida, biomassa produzida. O frasco selado precisa fabricar ATP à mesma velocidade que o arejado para manter as células dele: $30\,\mathrm{mmol}$ de ATP por hora.

Calcule a glicose consumida por hora em cada frasco.
Calcule o etanol e o $\mathrm{CO_2}$ produzidos por hora no frasco selado, e o $\mathrm{CO_2}$ e o $\mathrm{O_2}$ trocados no arejado.
Calcule a biomassa que o frasco selado consegue construir por mol de glicose e por grama de glicose.
O frasco arejado constrói $0.5\,\mathrm{g}$ de biomassa por grama de glicose. Calcule o ATP que isso representaria a $10.5\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ , e compare com os 30 ATP disponíveis. O que limita o rendimento aeróbio?
Explique o efeito Pasteur a partir das questões 7 e 9, e cite a enzima cuja regulação o implementa.

Parte III — Gases medidos. Um terceiro frasco, mal arejado, libera $44\,\mathrm{mg}$ de $\mathrm{CO_2}$ e consome $20\,\mathrm{mg}$ de $\mathrm{O_2}$ por hora.

Converta os dois em milimols e calcule o QR.
Seja $x$ a glicose respirada e $y$ a glicose fermentada por hora. Escreva os balanços de $\mathrm{O_2}$ e de $\mathrm{CO_2}$ e resolva para $x$ e $y$ .
Que fração da glicose é fermentada? Que fração do ATP vem da fermentação?
O mesmo frasco em palmitato no lugar da glicose (em aerobiose): calcule o QR.
Um estudante mede um QR de 0.7 num animal em repouso depois de uma noite de jejum e de 1.0 depois de uma refeição. Interprete.

Parte IV — A turbina.

Calcule a energia livre de um mol de prótons que atravessa uma força próton-motriz de $0.22\,\mathrm{V}$ .
Calcule a energia de $4\,\mathrm{H}^{+}$ e a eficiência da sintase a $50\,\mathrm{kJ}$ por ATP.
Calcule a energia livre liberada por dois elétrons que caem do NADH ao $\mathrm{O_2}$ ( $1.14\,\mathrm{V}$ ), a energia armazenada nos dez prótons bombeados, e a eficiência da cadeia.
Combine as duas eficiências e compare com 2.5 ATP $\times$ $50\,\mathrm{kJ}$ sobre $220\,\mathrm{kJ}$ .
Um desacoplador é acrescentado ao frasco arejado. Preveja as mudanças no consumo de oxigênio, no rendimento de ATP, no consumo de glicose, na produção de calor e no crescimento.
A oligomicina, que bloqueia a sintase, é acrescentada em vez dele. Preveja as mudanças, e o que acontece se um desacoplador for acrescentado por cima.
Uma levedura mutante não tem o complexo I; o NADH dela entra na cadeia por uma enzima alternativa que não bombeia prótons. Calcule a razão P/O dela para o NADH e o ATP por glicose dela.
Explique por que a célula mantém o estoque de NADH mitocondrial quase todo reduzido quando falta oxigênio, e o que isso faz com o ciclo de Krebs.
Enuncie o resultado: o ATP por glicose com ar e sem ar, a razão entre os dois, e as razões P/O do NADH e do $\mathrm{FADH_2}$ .

Solução

Solução de Problema 15.1.

1. Glicólise: 2 ATP, 2 NADH (citosólicos). Piruvato-desidrogenase: 2 NADH. Krebs: 6 NADH, 2 $\mathrm{FADH_2}$ , 2 GTP. 2. NADH mitocondrial $8\times 10 = 80$ ; $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ ; NADH citosólico como $\mathrm{FADH_2}$ $2\times 6 = 12$ : 104 prótons. 3. $104/4 = 26$ ATP; total $26 + 2 + 2 = 30$ . 4. 2 ATP. 5. 15. 6. Com ar, $30\times 50 = 1500\,\mathrm{kJ}$ : $52\,\%$ de 2870. Sem ar: $100\,\mathrm{kJ}$ , $3.5\,\%$ de 2870, mas $43\,\%$ dos 235 liberados — a fermentação é eficiente em capturar o que libera; ela apenas libera pouco. 7. Arejado: $30/30 = 1\,\mathrm{mmol}$ de glicose por hora; selado: $30/2 = 15\,\mathrm{mmol}$ . 8. Selado: $30\,\mathrm{mmol}$ de etanol e $30\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ por hora. Arejado: $6\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{CO_2}$ liberados e $6\,\mathrm{mmol}$ de $\mathrm{O_2}$ consumidos. 9. $2\times 10.5 = 21\,\mathrm{g}$ por mol, $0.12\,\mathrm{g}$ por grama de glicose. 10. $0.5\times 180 = 90\,\mathrm{g}$ por mol, ou seja, $90/10.5 = 8.6$ ATP em equivalente, contra 30 disponíveis: o ATP está em excesso; o rendimento é limitado pelo carbono (metade da glicose é oxidada a $\mathrm{CO_2}$ para fabricar o ATP, e a biomassa precisa de esqueletos de carbono e de poder redutor), e o ATP excedente é gasto na manutenção. 11. Para obter o mesmo ATP, a cultura selada consome quinze vezes mais glicose (questão 7) e cresce um quinto por grama (questão 9): consumo rápido de açúcar, pouco crescimento, álcool — a observação de Pasteur. A fosfofrutoquinase, inibida pelo ATP e pelo citrato sob aeração, é liberada quando a respiração para. 12. $\mathrm{CO_2}$ : $44/44 = 1.0\,\mathrm{mmol}$ ; $\mathrm{O_2}$ : $20/32 = 0.625\,\mathrm{mmol}$ : QR $= 1.6$ . 13. $\mathrm{O_2}$ : $6x = 0.625$ , $x = 0.104\,\mathrm{mmol}$ . $\mathrm{CO_2}$ : $6x + 2y = 1.0$ , $2y = 0.375$ , $y = 0.1875\,\mathrm{mmol}$ . 14. Fermentados $0.1875/0.292 = 64\,\%$ da glicose. ATP vindo da fermentação: $2y = 0.375$ contra $30x = 3.12$ da respiração: $11\,\%$ . 15. $16/23 = 0.70$ . 16. Em jejum, o animal queima gordura (QR 0.7); alimentado, ele queima o carboidrato da refeição (1.0). 17. $96\,500\times 0.22 = 21.2\,\mathrm{kJ}/\mathrm{mol}$ . 18. $4\times 21.2 = 85\,\mathrm{kJ}$ por ATP de $50\,\mathrm{kJ}$ : $59\,\%$ . 19. $2\times 96\,500\times 1.14 = 220\,\mathrm{kJ}$ ; dez prótons armazenam $10\times 21.2 = 212\,\mathrm{kJ}$ : $96\,\%$ — a cadeia desperdiça pouco; as perdas estão na sintase e nos transportadores. 20. $0.96\times 0.59 = 0.57$ ; $2.5\times 50/220 = 0.57$ : o mesmo número pelos dois caminhos. 21. O consumo de oxigênio sobe, o rendimento de ATP cai para o da fermentação (2 por glicose, vindos da glicólise, e a PFK é liberada, de modo que o consumo de glicose sobe), a produção de calor sobe, e o crescimento desaba. 22. A síntese de ATP para; o gradiente não consegue se descarregar, a cadeia empaca contra ele, o consumo de oxigênio para, e a célula fermenta o que pode. Acrescentar então um desacoplador deixa os prótons vazarem de volta: a cadeia e o consumo de oxigênio voltam, ainda sem nenhum ATP. 23. O NADH só bombeia pelos complexos III e IV: $6/4 = 1.5$ ; por glicose, $8\times 1.5 + 2\times 1.5 + 2\times 1.5 + 4 = 22$ ATP. 24. Sem oxigênio a cadeia não consegue receber elétrons, de modo que o NADH não é reoxidado e o estoque permanece reduzido; as três desidrogenases dependentes de NAD do ciclo ficam sem $\mathrm{NAD^+}$ e o ciclo para — e é por isso que a fermentação precisa regenerar o $\mathrm{NAD^+}$ no citosol para que a glicólise prossiga. 25. 30 ATP com ar, 2 sem ar: uma razão de 15; P/O de 2.5 para o NADH (10 prótons sobre 4 por ATP) e de 1.5 para o $\mathrm{FADH_2}$ (6 sobre 4).

Termos definidos neste capítulo

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