Fosforilação Oxidativa

Fosforilação Oxidativa

Fosforilação Oxidativa

Grande parte da energia acumulada na degradação de compostos é armazenada em coenzimas (NADH, FADH2). È importante que estas coenzimas sejam reoxidadas, podendo assim, participar novamente dos ciclos de degradação de nutrientes, e doando a energia armazenada para a síntese de ATP. Nos seres aeróbios, essas coenzimas são reoxidadas por reação com o O2, efetuada por uma cadeia de transporte de elétrons, que está muito relacionada com a síntese de ATP. Esta síntese consiste na fosforilação do ADP, e por utilizar a energia derivada da oxidação das coenzimas, é denominada fosforilação oxidativa.

E° (NAD/NADH) = -0,32V

E° (O2/H2O) = -0,82V

Devido a isso, NADH passa seus elétrons para O2, que reage com H+ da matriz mitocondrial e forma H2O.

Se esta reação ocorre-se diretamente, toda a energia seria liberada na forma de calor. Para contornar este problema, a célula adotou a estratégia de formar um gradiente de prótons, e utilizar este gradiente para a síntese de ATP através da ATP-sintase. Para formar este gradiente, os elétrons de NADH passam por vários complexos (cadeia de transporte de elétrons) organizados de acordo com seu potencial de redução (de forma crescente) até atingirem o oxigênio.

A oxidação da coenzima se processa na membrana interna da mitocôndria (que é impermeável mesmo a prótons). No geral, é composto por 4 complexos (I, II, III, IV) que atravessam essa membrana, e por dois componentes móveis (coenzima Q e citocromo c).

Complexo I: O NADH doa elétrons para a molécula de FMN (centro de oxiredução), que retira um próton da matriz reduzindo-se a FMNH2. Os elétrons de FMNH2 são transferidos para uma seqüência de centros Fe-S, e depois são entregues à coenzima Q, deixando o complexo. Nesta etapa são retirados prótons da matriz e liberados no espaço intermembranar.

Complexo II: A succinato desidrogenase é uma parte integrante do ciclo de krebs responsável pela transformação do succinato (proveniente da succinil-CoA) em fumarato (que posteriormente se tornará malato e, então, oxaloacetato) a partir da redução de FAD+ em FADH2. Esta é a única enzima do ciclo que é parte integrante da membrana mitocondrial. Ela acopla a oxidação do succinato com a redução da coenzima Q, representando um ponto de entrada para os elétrons presentes em FADH2 devido ao ciclo de Krebs, ao invés dos NADH.

O complexo II também apresenta centro de oxiredução Fe-S. Como Fe-S não recebe prótons, H+ provenientes de FADH2 retornam à matriz mitocondrial. Portanto, o complexo II não contribui para o gradiente de prótons.

CoQ: A coenzima Q (ubiquinona) recebe os elétrons provenientes do complexo I, II, e de outros ciclos, em que houve a formação de FADH2, e partir dela, todos seguirão o mesmo caminho. A ubiquinona é bastante hidrofóbica, o que permite sua mobilidade pela fase lipídica da membrana. Ela recebe 2 próton e 2 elétrons, passando de Q para QH2, sendo que possuem um intermediário radical livre (QH°) assim como o centro FMN.

Complexo III: É responsável pela catálise da transferência dos elétrons da CoQ até o citocromo c, acompanhada de transferência de prótons, e faz parte do ciclo Q:

De acordo com a hipótese do ciclo Q, a enzima apresenta dois espaços catalíticos: um para oxidação de QH2 e outro para a redução de Q, ambos envolvendo intermediários com radicais livres (QH°).

O complexo III, portanto, promove a redução do citocromo c, a retirada de 2 prótons da matriz e a introdução de 4 prótons no espaço intermembranar.

Complexo IV: É responsável pela catálise dos elétrons do citocromo c para o oxigênio, formando águam acoplado ao bombeamento de prótons. Essa formação de água a partir da redução de O2 é indispensável para algumas espécies de animais, como os camelos, que passam muito tempo sem beber água. Apesar disso, algumas espécies de bactérias utilizam outros compostos, como NO3-, NO2-, CO32- , ao mesmo tempo em que podem não utilizar NADH ou FADH2, e sim NH4+, H2S e H2.

Quatro elétrons provenientes do citocromo c são recebidos pelo centro CUa/CUa, em seguida transferidos para o hemea e depois para o centro catalítico formado pela associação do heme a3 ao centro CUb, onde, dentão, serão doados ao oxigênio.

A redução de O2 com a transferência de 1 elétron leva à formação de radicais livres. Apesar disso, a redução de oxigênio a água catalisada pelo citocromo c ocorre sem que haja a liberação de radicais livres: os intermediários ficam fortemente ligados ao centro reacional, e só se desligam quando a água está formada. As outras etapas da fosforilação são responsáveis pela maior parcela de formação de superóxidos, e por isso o organismo desenvolveu sistemas de defesa, como sistemas enzimáticos de dissipação de radicais livres, transformando-os em água, e o proteção com antioxidantes, vitaminas e carotenóides.

ATP-sintase

Hipótese quimiosmótica: A energia do transporte de elétrons é utilizada para transportar prótons da matriz para o espaço intermembranar, criando um gradiente de prótons.

A face membranar voltada para a matriz fica mais negativa e com um pH mais alto, enquanto que a face voltada para o espaço intermembranar fica positivo e com um pH mais baixo, gerando um potencial elétrico. A energia conservada nesse gradiente eletroquímico é chamada força próton-motriz, constituída, portanto, pelo gradiente elétrico e o de pH.

O retorno do próton à matriz é espontâneo, liberando energia mecânica, que será armazenada sob forma de energia química no ATP.

Existem duas teorias que explicam o bombeamento direto:

Acoplamento direto: propõem que o transporte de elétrons é diretamente relacionado com o bombeamento de prótons, ou seja, alguns transportadores, ao serem reduzidos, captam prótons da matriz, e ao serem oxidados, os liberam no espaço intermembranas. Ela justifica bem o complexo I e III, mas não o complexo IV, que não dispõem de enzimas reduzidas.

Acoplamento indireto: propõem que ao serem oxidadas, as proteínas transportadoras sofreriam uma mudança conformacional, reduzindo o valor do pka de seus grupos ionizáveis. Assim, quando expostas na face interna da membrana, as cadeias laterais se ligam a prótons; após a transferência de elétrons há uma diminuição de seus pkas e as cadeias laterais passam a ficar expostas na face externa da membrana, liberando prótons para o espaço intermembranas.

Acredita-se que a ATP sintase é formada por duas partes: F1, que seria a porção periférica, e F0, que fica embebida na membrana interna.

Controle respiratório

Controle respiratório é o mecanismo de coordenação das velocidades do transporte de elétrons e a síntese de ATP. No organismo, só há síntese de ATP se houver oxidação das coenzimas.

Teoria quimiosmótica (2): a maior disponibilidade de ADP estimula a ATP sintase, resultando numa diminuição do gradiente eletroquímico graças a passagem de H+ pela proteína de volta a matriz. A diminuição do gradiente estimula as bombas de prótons, e é então acelerada. Assim, quando a célula utiliza energia, e baixa a quantidade de ATP disponível (aumentando ADP) a oxidação das coenzimas é aumentada. Quando o consumo de ATP é reduzido, este se acumula, mantendo uma baixa concentração de ADP, inibindo assim sua síntese

Inibidores e desacopladores

Inibidores: existem drogas capazes de atuar especificamente em cada complexo, levando ao interrupmento da cadeia de transporte de elétrons, e com isso não se forma gradiente de prótons, interrompendo a síntese de ATP também. Estas são drogas letais.

Desacopladores: Existem substâncias lipofílicas, que são capazes de atravessar a membrana impermeável interna da mitocôndria. Algumas dessas substâncias são levemente básicas, ou ácidos muito fracos, capazes de se protonarem no pH do meio intramembranar, e levam estes prótons até a matriz. Dessa forma, eles impedem a formação gradiente de prótons, e a energia que seria usada para a síntese de ATP é dissipada na forma de calor. Este mecanismo torna a oxigenação do O2 mais favorável, e a mitocôndria passa a consumir muito mais oxigênio que o normal.

Existem desacopladores naturais em nossas membranas, levando a termogênese. Recém nascidos mamíferos possuem uma massa chamada tecido adiposo marrom, que funciona como uma forma de proteção. Este tecido contém muitas mitocôndrias, e estas possuem uma proteína transportadora de prótons (UCP), sendo uma forma de adaptação ao frio e ao jejum.

Oxidação do NADH citossólico

A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NADH e NAD+, de forma que o NADH produzido no citossol não pode ser diretamente oxidado. Para isso, o organismo desenvolveu um sistema de lançadeiras, proteínas que transferem NADH para um composto citossólico capaz de atravessar a membrana.

Lançadeira do malato-aspartato: O NADH citossólico reduz o oxaloacetato a malato, que passa pela membrana, e então é oxidado a oxaloacetato novamente, produzindo NADH. Oxaloacetato, como dissemos, não passa pela membrana, então ele recebe um grupo amino do glutamato, formando aspartato e saindo para o citossol, lá ele retorna a oxaloacetato.

Lançadeira do glicerol fosfato: O NADH citossólico reduz diidroxiacetona fosfato, formando glicerol 3-fosfato, que difunde-se até a membrana interna, onde se localiza uma isoenzima que contém FAD como grupo prostético. A diidroxiacetona fosfato é regenerada, produzindo FADH2, que entrega os elétrons a CoQ.

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