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Os organismos vivos requerem uma entrada contínua de energia para manter as funções celulares e do organismo, como crescimento, reparo, movimento, defesa e reprodução. As células só podem usar energia química para alimentar suas funções, portanto, precisam coletar energia de ligações químicas de biomoléculas, como açúcares e lipídios. Organismos autotróficos, ou seja, plantas, algas e bactérias fotossintéticas e quimiossintéticas, convertem materiais inorgânicos em tais biomoléculas, aproveitando a energia do ambiente, como a luz solar durante a fotossíntese. Organismos heterotróficos são incapazes de sintetizar biomoléculas de alta energia a partir de materiais inorgânicos, então eles obtêm energia consumindo compostos de carbono produzidos por outros organismos, principalmente de autótrofos. Quando a energia é necessária, as ligações químicas dos compostos de carbono são quebradas para colher a energia armazenada nessas ligações. Os processos para coletar energia das biomoléculas são chamados de respiração celular.
A respiração celular ocorre em organismos autotróficos e heterotróficos, onde a energia se torna disponível para o organismo mais comumente através da conversão de difosfato de adenosina (ADP) em trifosfato de adenosina (ATP). Existem dois tipos principais de respiração celular - respiração aeróbica e respiração anaeróbica. A respiração aeróbica é um tipo específico de respiração celular, na qual o oxigênio (O2) é necessário para criar ATP. Nesse caso, a glicose (C6H12O6) pode ser oxidada completamente em uma série de reações enzimáticas para produzir dióxido de carbono (CO2) e água (H2O).
A respiração aeróbica ocorre em três estágios. Um processo chamado glicólise divide a glicose em duas moléculas de três carbonos chamadas piruvato. Este processo libera energia, parte da qual é transferida para o ATP. Em seguida, as moléculas de piruvato entram na mitocôndria para participar de uma série de reações chamadas ciclo de Krebs, também conhecido como ciclo do ácido cítrico. Isso completa a quebra da glicose, colhendo parte da energia em ATP e transferindo elétrons para moléculas transportadoras. No último estágio, conhecido como fosforilação oxidativa, os elétrons passam por um sistema de transporte de elétrons na membrana interna mitocondrial, que mantém um gradiente de íons de hidrogênio. As células aproveitam a energia desse gradiente de prótons para gerar a maior parte do ATP durante a respiração aeróbica.
A respiração aeróbica requer oxigênio, no entanto, existem muitos organismos que vivem em locais onde o oxigênio não está prontamente disponível ou onde outros produtos químicos sobrecarregam o meio ambiente. Extremófilos são bactérias que podem viver em lugares como fontes hidrotermais oceânicas profundas ou cavernas subaquáticas. Em vez de usar oxigênio para se submeter à respiração celular, esses organismos usam aceptores inorgânicos, como nitrato ou enxofre, que são mais facilmente obtidos nesses ambientes hostis. Esse processo é chamado de respiração anaeróbica.
Quando o oxigênio não está presente e a respiração celular não pode ocorrer, ocorre uma respiração anaeróbica especial chamada fermentação. A fermentação começa com a glicólise para capturar parte da energia armazenada na glicose em ATP. No entanto, como a fosforilação oxidativa não ocorre, a fermentação produz menos moléculas de ATP do que a respiração aeróbica. Em humanos, a fermentação ocorre em glóbulos vermelhos que não possuem mitocôndrias, bem como nos músculos durante a atividade extenuante gerando ácido lático como subproduto, por isso é chamada de fermentação do ácido lático. Algumas bactérias realizam a fermentação do ácido lático e são usadas para fazer produtos como iogurte. Na levedura, um processo conhecido como fermentação alcoólica gera etanol e dióxido de carbono como subprodutos e tem sido usado por humanos para fermentar bebidas ou fermentar massa.
A respiração celular, juntamente com a fotossíntese, é uma característica da transferência de energia e matéria e destaca a interação dos organismos com seu ambiente e outros organismos da comunidade. A respiração celular ocorre dentro de células individuais, no entanto, na escala dos ecossistemas, a troca de oxigênio e dióxido de carbono por meio da fotossíntese e da respiração celular afeta os níveis atmosféricos de oxigênio e dióxido de carbono.
Curiosamente, os processos de respiração celular e fotossíntese são diretamente opostos um do outro, onde os produtos de uma reação são os reagentes da outra. A fotossíntese produz a glicose que é usada na respiração celular para produzir ATP. Essa glicose é então convertida novamente em CO2 durante a respiração, que é um reagente usado na fotossíntese. Mais especificamente, a fotossíntese constrói uma molécula de glicose a partir de seis moléculas de CO2 e seis moléculas de H2O, capturando energia da luz solar e liberando seis moléculas de O2 como subproduto. A respiração celular usa seis moléculas de O2 para converter uma molécula de glicose em seis moléculas de CO2 e seis moléculas de H2O, aproveitando a energia como ATP e calor.
Os cientistas podem medir a taxa de respiração celular usando um respirômetro, avaliando a taxa de troca de oxigênio. Compreender a Lei dos Gases Ideais é de fundamental importância para saber como funciona o respirômetro. A Lei dos Gases Ideais afirma que o número de moléculas de gás em um recipiente pode ser determinado a partir da pressão, volume e temperatura. Mais especificamente, o produto do volume e da pressão de um gás é igual ao produto do número de moléculas de gás, a constante ideal do gás e a temperatura do gás. Os respirômetros contêm hidróxido de potássio que retém o dióxido de carbono produzido pela respiração na forma sólida como carbonato de potássio. Quando as células consomem oxigênio, o volume de gás no sistema do respirômetro diminui sem dióxido de carbono para aumentá-lo novamente, permitindo que os cientistas calculem a quantidade de oxigênio usada usando a equação do gás ideal.
A respiração celular é um processo importante que cria energia utilizável para os organismos, portanto, estudar os contextos em que ela é melhorada ou impedida não é apenas interessante, mas também necessário. Especialmente, as mitocôndrias são essenciais para a respiração celular e quaisquer condições que afetem a saúde mitocondrial têm imensas consequências para a saúde do organismo. Por exemplo, as miopatias mitocondriais são um grupo de doenças neuromusculares causadas por danos mitocondriais, afetando predominantemente células nervosas e musculares, que requerem altos níveis de energia para funcionar1. Além disso, muitos venenos funcionam inibindo a respiração celular. Por exemplo, o cianeto inibe a produção de ATP por meio da fosforilação oxidativa, entendendo assim os mecanismos cianeto ou outros venenos metabólicos Da mesma forma, alguns medicamentos, como certos antibióticos, quimioterápicos, estatinas e anestésicos, também podem interferir na função mitocondrial e podem não ser adequados para tratar pacientes com distúrbios mitocondriais3.
Tudo o que está vivo requer uma fonte de energia para alimentar suas atividades. Em última análise, essa fonte de energia é o sol. Como então os organismos na Terra aproveitaram essa energia? Tudo começa com os fotossintetizadores. Esses organismos são capazes de pegar dióxido de carbono e água e, em seguida, usar a energia capturada do sol como fótons para forçar essas moléculas a se unirem, produzindo glicose e oxigênio. A glicose é a chave para o próximo passo crítico, que quase todos os organismos usam de uma forma ou de outra - a respiração celular. A respiração celular é realizada por enzimas, seja na membrana celular dos procariontes ou nas mitocôndrias dos eucariotos.
A reação química começa quebrando a glicose usando oxigênio para criar dióxido de carbono e água novamente, mas no processo, a energia que originalmente foi usada para fazer a molécula de glicose vai para dois novos lugares. Uma delas é sintetizar ATP, ou moléculas de trifosfato de adenosina, uma fonte de energia que as células podem usar prontamente. O resto é perdido como calor. Até agora, falamos sobre um tipo de respiração celular que usa oxigênio, e isso é chamado de respiração aeróbica, mas alguns organismos e células são capazes de respirar na ausência de oxigênio. Isso é chamado de respiração anaeróbica. E em vez de produzir CO2 e água, esse processo faz o etanol como subproduto. A fermentação é um exemplo desse tipo de respiração. É assim que as leveduras são capazes de produzir álcool em recipientes lacrados. Podemos usar uma ferramenta chamada respirômetro para medir a respiração aeróbica. Muito simplesmente, este dispositivo mede a quantidade de oxigênio usada por um organismo, germinando sementes de plantas neste caso. As sementes em germinação estão respirando, o que significa que podemos esperar que elas usem oxigênio e liberem dióxido de carbono. Eles ainda não têm suas partes verdes, então não estão fotossintetizando.
Medir a respiração em um respirômetro usa um método inteligente baseado na lei dos gases ideais, P vezes V é igual a n vezes R vezes T. P é a pressão do sistema. V é o volume do gás. n é o número de moles de gás presentes. R é a constante ideal do gás... e T é a temperatura absoluta. Resumindo, isso significa que você pode descobrir quantas moléculas de gás estão presentes em uma amostra medindo seu volume, supondo que você conheça a pressão e a temperatura, porque R é uma constante.
Os respirômetros contêm hidróxido de potássio, que retém o dióxido de carbono na forma sólida como carbonato de potássio. Assim, devido à respiração celular, o oxigênio no tubo selado é usado pelas sementes e elas liberam dióxido de carbono, que por sua vez fica preso como carbonato de potássio. Assim, à medida que a respiração celular progride, o volume total de gás dentro do sistema diminui. Podemos quantificar isso conectando o respirômetro a um dispositivo chamado manômetro. Aqui, à medida que as moléculas de oxigênio são consumidas, a pressão cai dentro da câmara do respirômetro e um líquido colorido dentro de um minúsculo tubo capilar é puxado na direção da diminuição da pressão. Podemos então estimar a quantidade de gás restante no tubo do respirômetro lendo o valor no nível do manômetro. Este sistema versátil pode ser configurado com muitas variáveis diferentes, como diferentes temperaturas, por exemplo, e pode ser usado para testar a taxa de respiração em muitos tipos diferentes de organismos vivos.
Neste laboratório, você usará um respirômetro e um manômetro para medir a taxa de respiração das sementes em germinação.
