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 possuem órgãos especializados para a respiração dependem da difusão através das superfícies externas do tecido para obter oxigênio. Outros têm órgãos especializados para trocas gasosas ou têm um sistema respiratório completo . Em organismos, tais como nematóides (lombrigas), gases e nutrientes são trocados com o ambiente externo por difusão através da superfície do corpo dos animais. Insetos e aranhas têm órgãos respiratórios chamados traquéias, enquanto peixes têm guelras como locais de troca gasosa.

Os seres humanos e outros mamíferos têm 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 dos músculosdiafragma e acessório , bem como a taxa de respiração.

Respiração Interna

Processos respiratórios externos explicam como o oxigênio é obtido, mas como o oxigênio chega às células do corpo ? A respiração interna envolve o transporte de gases entre o sangue e os tecidos do corpo. O oxigênio dentro dos pulmões difunde-se através do epitélio fino dos alvéolos pulmonares (sacos aéreos) em capilarescircunvizinhos 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 pelo sistema 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 pelas células na respiração celular . Para acessar a energia armazenada nos alimentos que ingerimos, as moléculas biológicas que compõem os alimentos ( carboidratos , proteínas etc.) devem ser decompostas em formas que o corpo possa utilizar. Isto é conseguido através do processo 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 (CO ₂), água (H ₂O) 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 e os glóbulos vermelhos . O ATP gerado no processo fornece a energia necessária para realizar funções celulares normais, como síntese de macromoléculas, contração muscular, movimento de cílios e flagelos e divisão celular .

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

• A glicólise ocorre no citoplasma e 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 das mitocôndrias celulares e sofre nova oxidação no ciclo de Krebs.
• Ciclo de Krebs : Duas moléculas adicionais de ATP são produzidas neste ciclo juntamente com o CO ₂ , prótons e elétrons adicionais, e as moléculas de alta energia NADH e FADH ₂ . 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 elétrons é uma série de complexos de proteínas transportadoras de elétrons dentro da membrana interna mitocondrial. NADH e FADH ₂ gerados 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 protéico ATP sintase para 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 por procariontes 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 no citoplasma da 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. Fermentação é um processo químico para a quebra de carboidratosem 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 por músculoscélulas 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 CO ₂ . 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 por plantas , leveduras e algumas espécies de bactérias. Esse processo é usado na produção de bebidas alcoólicas, combustíveis e assados.

Como os extremófilos gostam de algumas bactérias e arcaicos?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.

• “Como funcionam os pulmões.” Instituto Nacional do Coração, Pulmão e Sangue , Departamento de Saúde e Serviços Humanos dos EUA, www.nhlbi.nih.gov/health-topics/how-lungs-work. 
• Lodish, Harvey. “Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa”. Relatórios atuais de neurologia e neurociência , Biblioteca Nacional de Medicina dos EUA, 1 de janeiro de 1970, www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK21528/. 
• 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.