Questão 122 Enem 2023 - dia 2 - Matemática e Ciências da natureza

A respiração celular aeróbica é um processo catabólico responsável pela oxidação de moléculas orgânicas, como a glicose, com o objetivo de gerar ATP (adenosina trifosfato), a substância que possibilita às células desempenharem seus processos metabólicos vitais.

A respiração aeróbica é dividida em quatro etapas: glicólise, oxidação do piruvato, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa.

Durante a glicólise, que acontece no citosol da célula, a molécula de glicose é quebrada em duas moléculas de ácido pirúvico (piruvato), gerando duas moléculas de ATP e duas moléculas de uma coenzima conhecida como NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo). O NADH (forma reduzida) é formado quando o NAD⁺ (forma oxidada) recebe dois elétrons e um H⁺ a partir de uma reação de oxirredução. A função do NADH é transportar elétrons de alta energia até a última etapa da respiração celular.

Durante a oxidação do piruvato, processo que acontece na matriz mitocondrial, as duas moléculas de ácido pirúvico são transformadas em duas moléculas de acetil-CoA (acetil-coenzima A), gerando duas moléculas de gás carbônico (CO₂) e mais duas moléculas de NADH.

Durante o ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico), que também acontece na matriz mitocondrial, as duas moléculas de acetil-CoA são completamente oxidadas, gerando quatro moléculas de CO₂, seis NADH, dois FADH₂ (molécula que possui função semelhante ao do NADH, porém resulta em menor saldo energético sob a forma de ATP) e duas moléculas de ATP.

Por fim, durante a fosforilação oxidativa, que ocorre nas cristas mitocondriais, a energia dos elétrons da glicose é utilizada para sintetizar grandes quantidades de ATP. Essa etapa é dividida em duas partes: cadeia respiratória, ou cadeia transportadora de elétrons, e quimiosmose.

Na cadeia respiratória, os elétrons trazidos pelo NADH e pelo FADH₂ são transportados por uma série de aceptores de elétrons (constituídos por citocromos), organizados em uma escala crescente de potencial de redução. Os citocromos são formados por uma parte proteica e por um grupo que contém ferro (Fe²⁺/Fe³⁺), sendo que esse metal de transição é capaz de ganhar e perder elétrons com muita facilidade. O NADH doa seus elétrons para o complexo I, enquanto o FADH₂ doa seus elétrons para o complexo II, voltando aos seus estados oxidados (NAD⁺ e FAD). Os elétrons dos complexos I e II são então doados para a coenzima Q, que por sua vez transfere esses elétrons para o complexo III, que é oxidado pelo citocromo c, o qual, por fim, doa seus elétrons para o complexo IV (citocromo c oxidase). Este último complexo proteico é oxidado pela molécula de oxigênio (O₂), que captura os elétrons do complexo IV, íons H⁺ e se transforma em água (H₂O). Dentro do contexto da respiração celular e cadeia respiratória, o gás O₂ é classificado como aceptor final de elétrons. 

O processo de quimiosmose consiste na transformação da energia dos elétrons perdidos pela glicose em energia química armazenada sob a forma de ATP. Conforme os elétrons atravessam a cadeia respiratória, os complexos I, III e IV usam a energia perdida por eles para transportar, contra o gradiente de concentração, íons H⁺ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas (localizado entre a membrana interna e a membrana externa da mitocôndria). Assim, estabelece-se, entre o espaço intermembranas e a matriz mitocondrial, um gradiente de concentração de H⁺, o qual armazena energia potencial. Um complexo enzimático conhecido como ATP sintase é capaz de transportar os íons H⁺ do espaço intermembranas para a matriz mitocondrial, a favor do gradiente de concentração, transformando a energia potencial do gradiente em energia química armazenada nas moléculas de ATP.

Figura 1: cadeia respiratória e quimiosmose. Fonte: BIOLOGIA de Campbell. Coautoria de Lisa A. Urry et al. 12. ed. Porto Alegre, RS: ArtMed, 2022. ISBN 9786558820680. Acesso em 13 de novembro de 2023.

O cianeto (HCN), um gás tóxico, é capaz de se ligar ao sítio ativo do complexo IV, de forma que os elétrons do ferro não conseguem ser doados à molécula de oxigênio. Assim sendo, o ferro do complexo IV permanece em sua forma reduzida (Fe²⁺), bem como os demais citocromos que constituem a cadeia respiratória. Como os complexos I e II também permanecem com seus elétrons, as coenzimas NADH e FADH₂ se tornam incapazes de doarem seus elétrons, permanecendo também em suas formas reduzidas. Desse modo, o gradiente de H⁺ se dissipa e novas moléculas de ATP não conseguem ser sintetizadas, levando a célula à morte. Uma vez que as coenzimas não são reduzidas pela cadeia respiratória, as concentrações das formas oxidadas, NAD⁺ e FAD, irão diminuir na célula, enquanto haverá um aumento das concentrações das formas reduzidas, NADH e FADH₂.

a) Incorreto. Devido à interrupção do fluxo de elétrons pela cadeia respiratória, a concentração de ATP diminui, levando a célula à morte.

b) Incorreto. Como o oxigênio (O₂) não consegue receber os elétrons do complexo IV, a formação de água ao final da cadeia respiratória não acontece.

c) Correto.

d) Incorreto. A formação de gás carbônico durante a oxidação do piruvato e durante o ciclo de Krebs também será inibida pelo cianeto, uma vez que a concentração de coenzimas NAD⁺ e FAD necessárias a esses processos, como reagentes, estará reduzida.

e) Incorreto. A concentração da citocromo c oxidase, ou complexo IV, é relativamente constante nas cristas mitocondriais, não sendo afetada pelo cianeto.