Como Suas Células Transformam Comida em Energia

No verão de 1937, no departamento de bioquímica da Universidade de Sheffield, Hans Krebs alimentava à mão, com músculo de peito de pombo finamente picado, um conjunto de instrumentos de vidro chamados manômetros de Warburg. O músculo era picado bem fino, mantido vivo em solução, e recebia diversas pequenas moléculas, uma de cada vez, enquanto o aparelho media a velocidade com que ele consumia oxigênio. Krebs estava caçando a rota que os átomos de carbono percorrem ao serem desmontados dentro de uma célula viva, e naquele verão ele rastreou uma alça de reações que se voltava sobre si mesma, um carrossel químico que ele batizaria de ciclo do ácido cítrico. Ele redigiu o trabalho e o submeteu naquele outono a uma pequena revista holandesa chamada Enzymologia.

Aquele músculo de pombo estava fazendo a mesma coisa que suas células fazem agora, enquanto você lê esta frase. O pão que você comeu hoje de manhã, ou o arroz, ou a colher de açúcar do seu café, está sendo desmontado molécula por molécula e convertido em uma forma utilizável de energia. A pergunta que este artigo responde é enganosamente simples: como, exatamente, a comida do seu prato se torna a força que move seus músculos, seus nervos e seus pensamentos? A resposta é um processo em três partes que os biólogos chamam de respiração celular, e ele é uma das peças de maquinaria mais elegantes de toda a biologia.

Três Etapas, Três Endereços Dentro de Uma Célula

A respiração celular é a combustão enzimática controlada da glicose, e a palavra combustão é mais literal do que parece. Queimar uma tora e queimar açúcar dentro de uma célula envolvem, no geral, a mesma química: um combustível reage com o oxigênio, saem gás carbônico e água, e há liberação de energia. A diferença é de controle. Uma tora libera toda a sua energia de uma só vez, em forma de calor e luz, o que seria inútil e perigoso dentro de uma célula. A célula, em vez disso, desmonta a glicose em muitos passos pequenos e cuidadosamente administrados, cada um supervisionado por uma enzima específica, de modo que a energia possa ser capturada em vez de desperdiçada.

Essa desmontagem acontece em três etapas sequenciais, e cada uma ocorre em um compartimento diferente da célula. A primeira etapa, a glicólise, acontece no citoplasma, o interior aquoso que preenche a célula fora de suas estruturas internas. A segunda etapa, o ciclo de Krebs, ocorre mais para dentro, no espaço central da mitocôndria chamado matriz. A terceira e mais produtiva etapa, o transporte de elétrons, está fixada na membrana interna dessa mesma mitocôndria. Manter esses três endereços bem claros é a chave para entender todo o processo, porque uma molécula de glicose que entra na célula percorre um caminho físico do citoplasma até a mitocôndria, sendo desmontada aos poucos pelo trajeto.

Partindo ao Meio um Açúcar de Seis Carbonos

A jornada começa com a glicólise, uma via enzimática de dez passos cujo nome significa simplesmente a quebra do açúcar. Uma única molécula de glicose tem seis átomos de carbono encadeados. Ao longo de dez reações, cada uma catalisada por sua própria enzima, a glicólise cliva essa cadeia de seis carbonos em duas moléculas de três carbonos chamadas piruvato. Isso acontece inteiramente no citoplasma, antes mesmo de o combustível chegar a uma mitocôndria, e não exige oxigênio nenhum.

A glicólise foi desvendada ao longo da década de 1930 por um trio de pesquisadores, Gustav Embden, Otto Meyerhof e Jakub Parnas, cujos nomes ainda estão associados à via nos livros didáticos. O que a torna notável não é apenas sua química, mas sua pura antiguidade. A glicólise é a via produtora de energia mais antiga e universal conhecida na biologia, presente em quase todo ser vivo, da bactéria à baleia-azul. Ela quase certamente é anterior à ascensão do oxigênio na atmosfera da Terra, e é por isso que pode funcionar perfeitamente bem sem ele. A via custa à célula um pequeno investimento de energia no início e depois o devolve com juros, rendendo um lucro líquido modesto de duas moléculas de ATP por glicose, junto a um par de transportadores de elétrons chamados NADH que farão muita diferença mais adiante.

A Ponte que Atravessa a Parede Mitocondrial

Ao fim da glicólise, a célula tem duas moléculas de piruvato paradas no citoplasma, e o ciclo de Krebs que as consumirá ocorre dentro da mitocôndria. Entre os dois há uma reação de ligação curta, porém decisiva, muitas vezes chamada de passo de transição. Cada piruvato é transportado através da membrana mitocondrial interna até a matriz. Uma vez lá dentro, ele perde um de seus átomos de carbono, que sai na forma de gás carbônico, e o fragmento restante de dois carbonos é unido a uma molécula transportadora chamada coenzima A.

O produto dessa junção é o acetil-CoA, e ele merece atenção especial porque é o ponto universal de entrada de combustível no ciclo de Krebs. A glicose não é a única coisa que vai parar aqui. Gorduras e proteínas, quando o corpo as queima por energia, também são decompostas em acetil-CoA e alimentam o mesmo ciclo. O passo de transição, em outras palavras, é uma espécie de funil químico onde várias fontes de combustível convergem para uma única via comum, e ele também captura outra molécula de NADH no processo.

Oito Passos ao Redor de uma Alça de Carbono

Agora o combustível entra no ciclo que Krebs rastreou com seu músculo de pombo. O ciclo de Krebs, também chamado de ciclo do ácido cítrico, é uma alça fechada de oito reações enzimáticas que completa a oxidação do acetil-CoA dentro da matriz mitocondrial. A palavra alça é exata. O ciclo começa ligando o grupo acetil de dois carbonos a uma molécula de quatro carbonos para formar uma de seis carbonos, e depois dá a volta por mais seis passos até regenerar aquela molécula inicial de quatro carbonos, pronta para receber o próximo acetil-CoA e girar de novo.

A cada volta completa, o ciclo realiza várias coisas ao mesmo tempo. Ele libera duas moléculas de gás carbônico, que é por onde o restante do carbono da glicose finalmente deixa a célula como resíduo, para acabar sendo expirado. Ele captura três moléculas de NADH e uma de um transportador aparentado chamado FADH₂, ambos carregados de elétrons de alta energia. E gera uma molécula de GTP, um primo próximo do ATP que a célula converte prontamente no próprio ATP. Como cada glicose original foi dividida em dois piruvatos, e cada piruvato se torna um acetil-CoA, o ciclo gira duas vezes para cada molécula de glicose, dobrando todos esses rendimentos.

A Verdadeira Usina: Elétrons, Prótons e um Motor que Gira

Até este ponto, a célula produziu bem pouco ATP diretamente utilizável, apenas um punhado de moléculas. A imensa maioria do retorno vem na etapa final, e funciona por um mecanismo indireto e genuinamente belo. Todos aqueles transportadores de NADH e FADH₂ acumulados durante a glicólise, o passo de transição e o ciclo de Krebs chegam agora à membrana mitocondrial interna e entregam seus elétrons de alta energia a uma cadeia de quatro grandes complexos proteicos embutidos nessa membrana.

À medida que os elétrons descem pela cadeia, caindo de um complexo para o seguinte como a água que despenca por uma sequência de degraus, a energia liberada é usada para bombear prótons (íons de hidrogênio) para fora da matriz e para dentro do estreito espaço intermembranas. Isso acumula um gradiente eletroquímico, uma diferença acentuada na concentração de prótons através da membrana, armazenando energia da mesma forma que a água represada por uma barragem armazena energia. Os prótons então jorram de volta para a matriz por um único canal, uma turbina molecular notável chamada ATP sintase que gira fisicamente conforme os prótons passam por ela e usa essa rotação para acoplar grupos fosfato ao ADP, fabricando ATP em larga escala. Esse acoplamento de um gradiente de prótons à produção de ATP é chamado de quimiosmose, e bem ao fim da cadeia de elétrons, o oxigênio é o aceptor final de elétrons, combinando-se com os elétrons e prótons gastos para formar água. Essa é a razão exata pela qual você precisa respirar: o único trabalho essencial do oxigênio no corpo é se posicionar no fim dessa cadeia e aceitar elétrons, mantendo toda a linha de montagem em funcionamento.

Fazendo as Contas, com Honestidade

Então, quanta energia uma única molécula de glicose acaba rendendo? Os livros didáticos mais antigos costumavam citar um número redondinho de 36 ou 38 ATP, mas a contabilidade honesta e moderna a coloca em cerca de 30 a 32 ATP por glicose em condições aeróbicas, porque parte do gradiente de prótons escapa e levar os elétrons para dentro da mitocôndria tem seu próprio pequeno custo. Desse total, a glicólise contribui com cerca de 2, o ciclo de Krebs contribui com cerca de 2, e a etapa de transporte de elétrons, o processo de fosforilação oxidativa, contribui com os 26 a 28 restantes. A lição contida nesses números é contundente. As duas primeiras etapas, apesar de todo o seu drama químico, geram apenas uma fração da energia. A esmagadora maioria é produzida pelo motor que gira na membrana interna, e é por isso que o oxigênio e as mitocôndrias importam tanto.

Vale esclarecer uma confusão que tropeça muitos estudantes aqui. A palavra respiração tem dois significados distintos. A respiração pulmonar é o movimento muscular de entrada e saída de ar dos pulmões, o subir e descer do seu peito. A respiração celular é a combustão enzimática da glicose lá no fundo das suas mitocôndrias. As duas estão conectadas, já que a respiração pulmonar fornece o oxigênio de que a respiração celular precisa e remove o gás carbônico que ela produz, mas não são a mesma coisa. Quando um biólogo fala em respiração, em geral é desse processo molecular que se trata.

O Que Acontece Quando o Oxigênio Acaba

Como toda a cadeia de transporte de elétrons depende do oxigênio como aceptor final, remover o oxigênio leva toda a maquinaria aeróbica a uma parada. O ciclo de Krebs trava, a ATP sintase para de girar, e a célula perde acesso à maior parte de seu suprimento de energia. Ainda assim, a glicólise, aquela via ancestral do citoplasma, pode continuar funcionando e ainda espremer seus 2 ATP por glicose, mas só se a célula conseguir regenerar continuamente uma molécula chamada NAD⁺ de que a glicólise precisa como matéria-prima.

A fermentação é o truque que realiza exatamente isso. Sem nenhum outro lugar para onde mandar seus elétrons, a célula os devolve ao piruvato, liberando o NAD⁺ de que a glicólise precisa para prosseguir. Nos seus músculos durante uma corrida intensa, quando seus pulmões não conseguem fornecer oxigênio rápido o suficiente, isso produz lactato, o acúmulo associado àquela sensação de ardência da fadiga. Na levedura, a mesma manobra de emergência produz etanol e gás carbônico, que é toda a base química da fabricação de cerveja e de pão. As bolhas no pão e o álcool na cerveja são, ambos, células de levedura rodando discretamente a glicólise sem oxigênio.

Sete Prêmios Nobel por Trás de um Diagrama

O diagrama limpo da respiração celular em qualquer livro de biologia repousa sobre quase um século de trabalho minucioso e cerca de sete Prêmios Nobel. A história vai dos estudos de Louis Pasteur sobre fermentação, no século XIX, passando por Krebs e seu músculo de pombo nos anos 1930, e chega até a estrutura cristalina em resolução atômica da ATP sintase obtida por John Walker em 1994, que finalmente permitiu aos cientistas ver o motor molecular girando. Um capítulo dessa história é especialmente instrutivo sobre como a ciência de fato funciona. Em 1961, Peter Mitchell publicou na Nature uma proposta argumentando que a síntese de ATP está acoplada a um gradiente de prótons através de uma membrana, a ideia quimiosmótica descrita acima. A maior parte da área a rejeitou por quase uma década, achando-a estranha e contraintuitiva. Ainda assim, em 1978 as evidências haviam crescido a tal ponto que Mitchell recebeu o Prêmio Nobel de Química como único laureado, a reabilitação de uma ideia que um dia parecera quase herética. A imagem moderna de como as células produzem energia não nos foi entregue pronta; ela foi forjada na argumentação ao longo de gerações.

Pontos-Chave

A respiração celular é a combustão controlada da glicose em três etapas, transformando-a em gás carbônico e água, com rendimento de cerca de 30 a 32 ATP por molécula de glicose; ela começa com a glicólise partindo um açúcar de seis carbonos em dois piruvatos no citoplasma sem precisar de oxigênio, passa por um passo de transição que converte o piruvato em acetil-CoA, o ponto universal de entrada de combustível, depois roda o ciclo de Krebs de oito passos na matriz mitocondrial, onde cada volta libera duas moléculas de gás carbônico e carrega os transportadores de elétrons NADH e FADH₂, e termina com o transporte de elétrons na membrana mitocondrial interna, onde esses transportadores alimentam elétrons por uma cadeia de quatro complexos proteicos que bombeiam prótons para construir um gradiente, e a ATP sintase aproveita esse gradiente por meio da quimiosmose para fabricar a maior parte do ATP da célula, com o oxigênio servindo como o indispensável aceptor final de elétrons. A maior fatia da energia vem dessa última etapa oxidativa, e não das duas primeiras, e é por isso que respiramos; quando o oxigênio está ausente, a fermentação permite que a glicólise siga mancando sozinha, produzindo lactato no músculo e etanol na levedura; e toda a imagem dos livros didáticos, frequentemente confundida com a mera respiração pulmonar, foi montada ao longo de um século de trabalho coroado pela hipótese quimiosmótica de Mitchell, um dia rejeitada, e por cerca de sete Prêmios Nobel.