O aparecimento do oxigênio na atmosfera terrestre há cerca de 2,4 bilhões de anos (Grande Oxidação) permitiu a seleção e o desenvolvimento de estruturas celulares especializadas e organismos multicelulares. A eficiência energética oferecida pela respiração aeróbica (que utiliza oxigênio) tornou possível esse desenvolvimento.
O dioxigênio (O₂), a forma molecular do oxigênio gasoso que respiramos, é indispensável para a maioria dos organismos vivos porque desempenha um papel central na produção de energia celular. Esse processo, chamado Respiração Celular Aeróbica, ocorre principalmente nas mitocôndrias das células eucarióticas.
Sem oxigênio, nossas células não poderiam produzir eficientemente ATP (adenosina trifosfato), a molécula energética universal que alimenta todas as funções biológicas.
O oxigênio é o aceptor final de elétrons na cadeia de transporte de elétrons localizada na membrana interna das mitocôndrias. O oxigênio atua, portanto, como aceptor final de elétrons na cadeia respiratória, permitindo a produção de energia a partir de moléculas de Adenosina Trifosfato (ATP).
A produção de ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃) a partir de glicose (C₆H₁₂O₆) e dioxigênio (O₂) é um processo complexo chamado respiração celular aeróbica (30-38 ATP produzidos por glicólise). Sem oxigênio, o rendimento energético cai consideravelmente (apenas 2 ATP por glicólise).
Esta transformação é a chave do metabolismo energético dos organismos aeróbicos!
A glicose (C₆H₁₂O₆) é uma estrutura química rica em elétrons (12 ligações C-H oxidáveis). Durante sua degradação metabólica, as ligações da glicose são quebradas, liberando facilmente elétrons para um aceptor como o oxigênio.
Os elétrons transferidos para o oxigênio (O₂), via cadeia respiratória mitocondrial, geram um gradiente de prótons (H⁺). O fluxo de H⁺ alimenta a ATP sintase. O₂ garante a evacuação dos e⁻ e a manutenção do gradiente.
ATP (C₁₀H₁₆N₅O₁₃P₃)
| Etapa | Localização celular | Reagentes / Produtos | ATP formados | Coenzimas reduzidas | Energia (ΔG, kJ/mol) |
|---|---|---|---|---|---|
| Glicólise | Citoplasma | C₆H₁₂O₆ → 2 piruvatos | +2 líquido (4 formados, 2 consumidos) | 2 NADH | ≈ –85 |
| Descarboxilação oxidativa | Matriz mitocondrial | 2 piruvatos → 2 acetil-CoA + 2 CO₂ | 0 | 2 NADH | ≈ –60 |
| Ciclo de Krebs | Matriz mitocondrial | 2 acetil-CoA → 4 CO₂ | +2 GTP (≈ ATP) | 6 NADH, 2 FADH₂ | ≈ –150 |
| Cadeia respiratória (fosforilação oxidativa) | Membrana interna mitocondrial | NADH, FADH₂ + O₂ → H₂O | +26 a +34 ATP | NAD⁺, FAD regenerados | ≈ –2575 |
| Total para 1 molécula de glicose | ≈ 30 a 38 ATP | 10 NADH, 2 FADH₂ | ΔG ≈ –2870 kJ/mol | ||
N.B.: O sinal de menos em ΔG = –2870 kJ/mol indica uma variação de potencial termodinâmico, especificamente a energia livre de Gibbs, durante a evolução de um sistema químico.
Fontes: Nelson & Cox (Lehninger, 2021), Berg et al. (Biochemistry, 2019), CRC Handbook (2022), Atkins (2020), NIH ODS (2023).
A privação de oxigênio (hipóxia) leva rapidamente a disfunções celulares. Após apenas alguns minutos sem oxigênio, as células cerebrais começam a morrer, o que explica por que a asfixia é tão rapidamente fatal.
Os organismos multicelulares anaeróbicos estritos são extremamente raros, pois a maioria dos seres multicelulares depende da respiração aeróbica para sua alta demanda energética. No entanto, algumas exceções notáveis existem, principalmente em ambientes extremos pobres em oxigênio, como Henneguya salminicola (Parasita do Salmão), Loricifera (Ecossistemas anóxicos dos fundos marinhos), Vermes Nematóides de Sedimentos Profundos, Fungos Anaeróbicos.
| Elemento | Símbolo | Porcentagem em massa (%) | Papel(es) fisiológico(s) | Classe |
|---|---|---|---|---|
| Oxigênio | O | 65 | Constituinte da água e das moléculas orgânicas, respiração celular | Elemento maior |
| Carbono | C | 18 | Base das moléculas orgânicas (carboidratos, lipídios, aminoácidos, DNA) | Elemento maior |
| Hidrogênio | H | 10 | Constituinte da água, equilíbrio ácido-base | Elemento maior |
| Nitrogênio | N | 3 | Aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos (DNA, RNA) | Elemento maior |
| Cálcio | Ca | 1.5 | Estrutura óssea, contração muscular, sinalização celular | Macronutriente |
| Fósforo | P | 1.0 | ATP, DNA, ossos, fosfolipídios de membrana | Macronutriente |
| Potássio | K | 0.35 | Equilíbrio osmótico, transmissão nervosa, contração muscular | Macronutriente |
| Enxofre | S | 0.25 | Aminoácidos sulfurados (cisteína, metionina), coenzimas | Macronutriente |
| Sódio | Na | 0.15 | Transmissão nervosa, pressão osmótica, absorção intestinal | Macronutriente |
| Cloro | Cl | 0.15 | Equilíbrio hídrico, ácido clorídrico gástrico (HCl) | Macronutriente |
| Magnésio | Mg | 0.05 | Co-fator enzimático, estabilização do ATP e das membranas | Macronutriente |
| Ferro | Fe | 0.006 | Hemoglobina, mioglobina, transporte de elétrons (citocromos) | Oligoelemento essencial |
| Zinco | Zn | 0.003 | Co-fator enzimático, sistema imunológico, síntese proteica | Oligoelemento essencial |
| Cobre | Cu | 0.0001 | Enzimas redox, transporte de ferro, produção de energia | Oligoelemento |
| Iodo | I | 0.00002 | Hormônios tireoidianos (T3, T4) | Oligoelemento |
| Selênio | Se | traços | Antioxidantes (glutatião peroxidase), imunidade | Oligoelemento |
| Cromo, Manganês, Molibdênio, Cobalto | Cr, Mn, Mo, Co | traços | Vários papéis catalíticos (enzimas) | Elementos traço |
Fontes: Nelson & Cox (Lehninger, 2021), EFSA (2023), ANSES (2022), NIH Dietary Supplements (2023), CRC Handbook.
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