Por que o processo de síntese de ATP que ocorre nas mitocôndrias e chamado de fosforilação oxidativa?

A molécula adenosina trifosfato - ATP, é chamada de Moeda Energética das células. Ela tem a função de armazenar pequenas quantidades de energia provenientes da quebra dos alimentos. Saiba mais!

A molécula de Adenosina Trifosfato faz parte de vários processos estudados na Biologia, como a respiração celular e a fotossíntese. Nesta aula você vai entender o significado, a função e como ocorre a produção de ATP nos seres vivos. No final ainda tem videoaula e exercícios para você praticar o que aprendeu!

O que é ATP e qual é a sua função

A sigla ATP significa adenosina trifosfato ou trifosfato de adenosina. Ela é uma pequena molécula considerada a “moeda energética” das células. Essa fama se deve ao fato de que a função do ATP é armazenar em suas ligações químicas pequenas quantidades de energia provenientes da quebra dos alimentos.

Isso significa que a molécula de adenosina trifosfato serve como um “recipiente” de armazenamento temporário de energia. Ao estudar os processos que acontecem dentro das células (como a respiração celular e a fotossíntese) você verá constantes referências às moléculas de adenosina trifosfato.

Antes de estudar esses processos, é extremamente importante entender a produção de ATP, sua estrutura e funcionamento. Então, vamos revisar?

Primeiramente, veremos como ocorre a produção de ATP. A molécula de ATP é formada por uma molécula de adenosina (base nitrogenada adenina + açúcar ribose) combinada a três radicais fosfato ligados em cadeia, como você pode ver na imagem abaixo:

As ligações da cadeia de fosfatos – que está à esquerda na imagem – é que armazena temporariamente a energia liberada pela quebra de nutrientes. Uma molécula de glicose, por exemplo, carrega em si uma grande quantidade de energia. Mas a célula não consegue consumir toda essa energia de uma vez. Por isso, a energia da glicose é transferida aos poucos para várias moléculas de ATP durante o processo de respiração celular.

Dessa forma, enquanto moléculas de carboidratos e lipídios servem como estoque de energia a longo prazo,  a molécula de ATP é utilizada praticamente de imediato pela célula.

Quando a célula precisa de energia para fazer funcionar uma bomba de sódio e potássio, por exemplo, ela irá quebrar a molécula de ATP. Essa quebra é bastante simples, uma vez que é feita por hidrólise (quebra pela água). Assim, quebra-se a ligação entre o 2º e o 3º grupo fosfato e libera-se a energia que mantinha esses dois grupamentos ligados.

Resumo sobre a produção de ATP

Para ajudar você a pegar o embalo desta revisão, veja agora com a professora Juliana Evelyn Santos, do canal do Curso Enem Gratuito, uma introdução para entender melhor como ocorre a produção de ATP:

Excelente o resumo da professora Juliana. Vamos prosseguir.

O que é adenosina difosfato (ADP)

Ao fim da quebra da molécula de ATP, sobra um grupo fosfato livre e uma molécula de adenosina difosfato (ADP). O  “tri” se transforma em “di” porque a molécula passa a ter apenas dois grupamentos fosfato. Veja na imagem em seguida:

A recarga do ADP para a produção de ATP pode ocorrer tanto durante a fosforilação oxidativa (processo que ocorre na respiração celular) como na fotofosforilação (processo que ocorre na fotossíntese).

Por fim, é importante lembrar que a produção de ATP é considerada um anabolismo, pois é um processo de síntese de uma molécula. Já a quebra de ATP em ADP + grupo fosfato é considerada uma reação de catabolismo, pois quebra uma molécula para produzir energia.

As mitocôndrias e a produção de ATP

As mitocôndrias são responsáveis pela respiração celular, ocasião em que ocorre uma grande produção de ATP. Por isso, vale relembrarmos o que é e como funciona essa organela celular antes de estudarmos a respiração celular.

As mitocôndrias se originam a partir do processo de endossimbiose entre um eucarionte ancestral e um procarionte aeróbio. Estão presentes em células eucariontes como protozoários, fungos, plantas e animais.

A estrutura da Mitocôndria

Observe a estrutura da Mitocôndria  na imagem acima. Em seguida, veja na lista a seguir que a estrutura é formada por:

• Membrana externa.
• Membrana interna.
• Matriz mitocondrial, apresentando DNA, RNA, ribossomos e proteínas.
• Cristas mitocondriais, dobras na membrana interna.

A função das mitocôndrias

A função essencial da mitocôndria é realizar respiração celular, produzindo ATP (que fornece energia para a célula). A quantidade de mitocôndrias é variável dependendo da demanda energética da célula. Como as células musculares tem grande consumo energético, por exemplo, apresentam grande quantidade de mitocôndrias.

A respiração celular e a síntese de ATP

A respiração celular aeróbica é quando ocorre a degradação do açúcar (glicose) em ATP. Esse processo faz parte do metabolismo de degradação de substâncias, o catabolismo, e ocorre fora e dentro da mitocôndria.

Todos os seres vivos fazem respiração, aeróbica ou anaeróbica. Veja na imagem a glicólise, que é a quebra da glicose.

A quebra da glicose ocorre para gerar ATP. Em organismos sem mitocôndria, como bactérias, a respiração ocorre numa estrutura chamada mesossomo. Esse processo usa glicose e oxigênio e produz ATP, gás carbônico e água.

As etapas da respiração celular

A respiração celular se divide em 3 etapas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.  Veja a seguir cada uma delas.

Glicólise

Primeiramente, a respiração celular ocorre no citoplasma (hialoplasma) celular.  Nessa etapa, chamada de glicólise, ocorre a quebra de uma molécula de glicose em 2 moléculas de piruvato (ácido pirúvico). Essa quebra libera H+, que é capturado por aceptores de hidrogênio (NAD) formando 2 NADH2.

Portanto, produz 4 moléculas de ATP. A quebra da glicose consome 2 ATP, gerando um saldo energético de 2 ATP. A glicólise é a única etapa da respiração celular que consome ATP.

Ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico)

Em seguida, ocorre o Ciclo de Krebs na matriz mitocondrial. Cada ácido pirúvico combina-se com a coenzima A, formando acetil-coenzima A, entrando no ciclo. Durante o processo, ocorre a formação de alguns intermediários.

O acetil-coenzima A é convertido em ácido cítrico; o ácido cítrico é convertido em ácido oxalacético; e o ácido oxalacético é convertido em ácido cítrico novamente com a incorporação de outro acetil-coenzima A.

Durante essas conversões são liberados por molécula de glicose, ou seja, 2 piruvatos: 6 NADH2, 2 FADH2, 2 CO2, 2 ATP. Assim, o Ciclo de Krebs gera um saldo energético de 2 ATP.

A Cadeia respiratória

Por fim, a última etapa ocorre nas cristas mitocondriais e é chamada de cadeia respiratória. Os 8 NADH2 e os 2 FADH2, formados nas etapas anteriores, entram na cadeia respiratória. Esses H+ capturados são extremamente energéticos.

Nas cristas mitocondriais existem proteínas chamadas citocromos, que capturam os H+ e liberam sua energia gradativamente, armazenando-a.

À medida que a energia vai sendo liberada, vão sendo formados ATPs, ligando fosfato no ADP. Assim, a energia é armazenada no ATP. O processo de união do fosfato com ADP recebe o nome de fosforilação oxidativa.

Ao final, o H+ não possui mais energia a ser aproveitada, então combina-se com o oxigênio, aceptor final de hidrogênio, formando água e sendo eliminado.  O saldo energético é de 34 ATP.

As Organelas Celulares

Confira agora com a professora Juliana um resumo final sobre quais são e como funcionam as Organelas Celulares, também conhecidas por Organelas Citoplasmáticas.

As dicas da professora Juliana:

No interior das células procariontes e eucariontes encontramos o citoplasma. Também chamado de citosol ou hialoplasma, o citoplasma é uma espécie de material gelatinoso que preenche o interior da célula.

Sua composição contém tanto substância orgânicas, quanto inorgânicas dissolvidas em água. Mergulhadas no citoplasma, encontramos as organelas citoplasmáticas. Na acima a prof Ju te ajuda a revisar as organelas citoplasmáticas, suas estruturas e funções.

Conferiu como funciona a Mitocôndria? Tem tudo a ver com o ATP.

Exercícios sobre produção de ATP

1- (UNIOESTE PR/2020)

As mitocôndrias são organelas presentes no citoplasma das células eucarióticas e estão envolvidas no processo de síntese de ATP por meio da respiração aeróbica, processo este que pode ser dividido em três etapas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. Considerando a estrutura das mitocôndrias e o processo de respiração aeróbica, assinale a alternativa CORRETA.

a) O DNA mitocondrial codifica todas as proteínas necessárias para a manutenção e função da organela, possibilitando assim total independência do genoma nuclear.

b) As cristas mitocondriais são projeções da membrana mitocondrial interna nas quais estão localizadas os componentes da cadeia respiratória e o complexo enzimático responsável pela síntese de ATP.

c) A glicólise ocorre no interior da matriz mitocondrial e consiste na degradação da molécula de glicose até a formação de ácido pirúvico, com saldo líquido de duas moléculas de ATP.

d) A quantidade de mitocôndrias nos diferentes tipos celulares é constante e a distribuição dessas organelas no citoplasma ocorre totalmente ao acaso.

e) A cadeia respiratória é a etapa de maior rendimento energético, na qual o ácido pirúvico é oxidado até se formarem água e gás carbônico e é um processo exclusivo dos eucariontes.

2- (ENEM/2019)

A eritropoetina (EPO) é um hormônio endógeno secretado pelos rins que influencia a maturação dos eritrócitos. Suas formas recombinantes, sintetizadas em laboratório, têm sido usadas por alguns atletas em esportes de resistência na busca por melhores resultados. No entanto, a administração da EPO recombinante no esporte foi proibida pelo Comitê Olímpico Internacional e seu uso considerado doping.

MARTELLI, A. Eritropoetina: síntese e liberação fisiológica e o uso de sua forma recombinante no esporte. Perspectivas Online: biológicas & saúde, v. 10, n. 3, 2013 (adaptado).

Uma influência que esse doping poderá exercer na melhoria da capacidade física desses atletas está relacionada ao transporte de

a) lipídios, para aumento do gasto calórico.

b) ATP, para aumento da síntese hormonal.

c) oxigênio, para aumento da produção de ATP.

d) proteínas, para aumento da massa muscular.

e) vitamina C, para aumento da integridade dos vasos sanguíneos.

3- (FGV/2019)

As mitocôndrias e os cloroplastos são organelas que se assemelham quanto ao metabolismo responsável pela síntese de ATP. Porém, para que ocorra tal síntese, a energia utilizada provém de fontes e etapas metabólicas diferentes, sendo que

a) nas mitocôndrias, a maior produção de ATP ocorre na primeira etapa da respiração, e, nos cloroplastos, na última etapa da fotossíntese.

b) as mitocôndrias utilizam a energia contida nos polissacarídeos, e os cloroplastos utilizam a energia contida nos monossacarídeos.

c) nas mitocôndrias, a maior produção de ATP ocorre concomitante à formação da molécula de água, e, nos cloroplastos, ocorre concomitantemente com a quebra da molécula de água.

d) as mitocôndrias utilizam energia das enzimas consumidas na respiração celular, e os cloroplastos utilizam energia contida na molécula de clorofila.

e) nas mitocôndrias, a maior parte da energia é produzida durante o ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico), e, nos cloroplastos, no ciclo de Calvin-Benson (ciclo das pentoses).

4- (UNIME BA/2018)

A fermentação e respiração celular aeróbica são alternativas anaeróbias e aeróbias, respectivamente, para produção de ATP pela colheita de energia química do alimento.

A respeito desses processos e com base nos conhecimentos sobre bioenergia, é correto afirmar:

01) Ambos utilizam a glicólise para oxidar a glicose a piruvato, com rendimento de 2 ATP pela fosforilação em nível de substrato.

02) O NAD+ é o agente redutor que aceita elétrons do alimento durante a glicólise, que ocorre sem a necessidade de uma compartimentação citoplasmática.

03) Na fermentação, o aceptor final de elétrons é um composto orgânico, como o etanol, na fermentação alcoólica, e o ácido lático, na fermentação lática.

04) A oxidação do piruvato no ciclo do ácido cítrico prescinde da presença do oxigênio e ocorre no interior da mitocôndria.

05) Independente da presença do oxigênio, a glicose será oxidada completamente, proporcionando um grande rendimento energético.

Gabarito:

1. B
2. C
3. C
4. 01

Como se dá a síntese de ATP pela cadeia respiratória no processo da fosforilação oxidativa e sua regulação?

O que e o processo de fosforilação oxidativa?

Como ocorre a síntese de ATP na mitocôndria?

Quando ocorre a fosforilação oxidativa?