Uma Introdução aos Tipos de Respiração

Respiração Externa

Um método para obter oxigênio do ambiente é através da respiração externa ou respiração. Nos organismos animais, o processo de respiração externa é realizado de várias maneiras diferentes. Os animais que não possuemórgãosespecializados para a respiração dependem da difusão através das superfícies externas do tecido para obter oxigênio. Outros têm órgãos especializados para trocas gasosas ou têm umsistema respiratóriocompleto . Em organismos, tais comonematóides(lombrigas), gases e nutrientes são trocados com o ambiente externo por difusão através da superfície do corpo dos animais. Insetos earanhastêm órgãos respiratórios chamados traquéias, enquanto peixes têm guelras como locais de troca gasosa.

Os seres humanos e outrosmamíferostêm um sistema respiratório com órgãos respiratórios especializados (pulmões) e tecidos. No corpo humano, o oxigênio é levado para os pulmões por inalação e o dióxido de carbono é expelido dos pulmões pela expiração. Respiração externa em mamíferos engloba os processos mecânicos relacionados à respiração. Isso inclui contração e relaxamento dosmúsculosdiafragma e acessório , bem como a taxa de respiração.

Respiração Interna

Processos respiratórios externos explicam como o oxigênio é obtido, mas como o oxigênio chega àscélulas do corpo? A respiração interna envolve o transporte de gases entre osanguee os tecidos do corpo. O oxigênio dentro dospulmõesdifunde-se através doepitéliofino dos alvéolos pulmonares (sacos aéreos) emcapilarescircunvizinhos contendo sangue exaurido de oxigênio. Ao mesmo tempo, o dióxido de carbono se difunde na direção oposta (do sangue para os alvéolos pulmonares) e é expelido. Sangue rico em oxigênio é transportado pelosistema circulatóriode capilares pulmonares para células e tecidos do corpo. Enquanto o oxigênio está sendo liberado nas células, o dióxido de carbono está sendo captado e transportado das células dos tecidos para os pulmões.

O oxigênio obtido da respiração interna é usado pelascélulasnarespiração celular. Para acessar a energia armazenada nos alimentos que ingerimos, as moléculas biológicas que compõem os alimentos (carboidratos,proteínasetc.) devem ser decompostas em formas que o corpo possa utilizar. Isto é conseguido através doprocesso digestivo,onde os alimentos são decompostos e os nutrientes são absorvidos pelo sangue. Como o sangue circula por todo o corpo, os nutrientes são transportados para as células do corpo. Na respiração celular, a glicose obtida da digestão é dividida em suas partes constituintes para a produção de energia. Através de uma série de etapas, a glicose e o oxigênio são convertidos em dióxido de carbono (CO₂), água (H₂O) ea molécula de alta energia adenosina trifosfato (ATP). O dióxido de carbono e a água formados no processo difundem-se para o fluido intersticial que envolve as células. A partir daí, o CO_{2 se}difunde para o plasma sanguíneo eos glóbulos vermelhos. O ATP gerado no processo fornece a energia necessária para realizar funções celulares normais, como síntese de macromoléculas, contração muscular, movimento decílios e flagelosedivisão celular.

A respiração celular aeróbicaconsiste em três estágios:glicólise,ciclo do ácido cítrico( ciclo de Krebs) e transporte de elétrons com fosforilação oxidativa.

• A glicóliseocorre nocitoplasmae envolve a oxidação ou divisão da glicose em piruvato. Duas moléculas de ATP e duas moléculas do NADH de alta energia também são produzidas na glicólise. Na presença de oxigênio, o piruvato entra na matriz interna dasmitocôndriascelulares e sofre nova oxidação no ciclo de Krebs.
• Ciclo de Krebs: Duas moléculas adicionais de ATP são produzidas neste ciclo juntamente com o CO₂, prótons e elétrons adicionais, e as moléculas de alta energia NADH e FADH₂. Os elétrons gerados no ciclo de Krebs se movem pelas dobras da membrana interna (cristas) que separam a matriz mitocondrial (compartimento interno) do espaço intermembranar (compartimento externo). Isso cria um gradiente elétrico, que ajuda a cadeia de transporte de elétrons a bombear prótons de hidrogênio para fora da matriz e para o espaço intermembranar.
• A cadeia de transporte de elétronsé uma série de complexos de proteínas transportadoras de elétrons dentro da membrana interna mitocondrial. NADH e FADH₂gerados no ciclo de Krebs transferem sua energia na cadeia de transporte de elétrons para transportar prótons e elétrons para o espaço intermembranar. A alta concentração de prótons de hidrogênio no espaço intermembrana é utilizada pelo complexo protéicoATP sintasepara transportar os prótons de volta para a matriz. Isso fornece a energia para a fosforilação do ADP para ATP. O transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa são responsáveis ​​pela formação de 34 moléculas de ATP.

No total, 38 moléculas de ATP são produzidas porprocariontes na oxidação de uma única molécula de glicose. Esse número é reduzido para 36 moléculas de ATP em eucariotos, pois dois ATP são consumidos na transferência de NADH para mitocôndrias.

A respiração aeróbica ocorre apenas na presença de oxigênio. Quando o suprimento de oxigênio é baixo, apenas uma pequena quantidade de ATP pode ser gerada nocitoplasmada célula pela glicólise. Embora o piruvato não possa entrar no ciclo de Krebs ou cadeia de transporte de elétrons sem oxigênio, ele ainda pode ser usado para gerar ATP adicional por fermentação.Fermentaçãoé um processo químico para a quebra decarboidratosem compostos menores para a produção de ATP. Em comparação com a respiração aeróbica, apenas uma pequena quantidade de ATP é produzida na fermentação. Isso ocorre porque a glicose é apenas parcialmente quebrada. Alguns organismos são anaeróbios facultativos e podem utilizar tanto a fermentação (quando o oxigênio é baixo ou não disponível) quanto a respiração aeróbica (quando o oxigênio está disponível). Dois tipos comuns de fermentação são a fermentação do ácido láctico e a fermentação alcoólica (etanol). A glicólise é o primeiro estágio de cada processo.

Fermentação Ácida Láctica

Na fermentação do ácido láctico, o NADH, o piruvato e o ATP são produzidos pela glicólise. O NADH é então convertido em sua forma de baixa energia NAD⁺, enquanto o piruvato é convertido em lactato. O NAD⁺é reciclado de volta à glicólise para gerar mais piruvato e ATP. A fermentação de ácido lático é comumente realizada pormúsculoscélulas quando os níveis de oxigênio se esgotam. O lactato é convertido em ácido láctico, que pode acumular-se em níveis elevados nas células musculares durante o exercício. O ácido láctico aumenta a acidez muscular e provoca uma sensação de queimação que ocorre durante o esforço extremo. Quando os níveis normais de oxigênio são restaurados, o piruvato pode entrar na respiração aeróbica e muito mais energia pode ser gerada para ajudar na recuperação. O aumento do fluxo sanguíneo ajuda a fornecer oxigênio e remover o ácido láctico das células musculares.

Fermentação Alcoólica

Na fermentação alcoólica, o piruvato é convertido em etanol e CO₂. O NAD⁺também é gerado na conversão e é reciclado de volta à glicólise para produzir mais moléculas de ATP. A fermentação alcoólica é realizada porplantas, leveduras e algumas espécies de bactérias. Esse processo é usado na produção de bebidas alcoólicas, combustíveis e assados.

Como osextremófilosgostam de algumasbactériasearcaicos?sobreviver em ambientes sem oxigênio? A resposta é por respiração anaeróbica. Este tipo de respiração ocorre sem oxigênio e envolve o consumo de outra molécula (nitrato, enxofre, ferro, dióxido de carbono, etc.) em vez de oxigênio. Ao contrário da fermentação, a respiração anaeróbica envolve a formação de um gradiente eletroquímico por um sistema de transporte de elétrons que resulta na produção de várias moléculas de ATP. Ao contrário da respiração aeróbica, o receptor de elétrons final é uma molécula diferente de oxigênio. Muitos organismos anaeróbicos são anaeróbios obrigatórios; eles não realizam fosforilação oxidativa e morrem na presença de oxigênio. Outros são anaeróbios facultativos e também podem realizar respiração aeróbica quando o oxigênio está disponível.

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• Oren, Aharon. “Respiração anaeróbica.”The Canadian Journal of Chemical Engineering, Wiley-Blackwell, 15 de setembro de 2009, onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/9780470015902.a0001414.pub2/full.