Fosforilação oxidativa

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A fosforilação oxidativa é a culminação do 
metabolismo produtor de energia em organismos 
aeróbios. Todos os passos oxidativos na 
degradação de carboidratos, gorduras e 
aminoácidos convergem para esse estágio final da 
respiração celular, onde a energia da oxidação 
governa a síntese de ATP. A fotofosforilação é a 
maneira pela qual os organismos fotossintéticos 
capturam a energia do sol – a fonte, em última 
análise, da energia na biosfera – e a utilizam para 
produzir ATP. Em eucariotos, a fosforilação 
oxidativa ocorre nas mitocôndrias e a 
fotofosforilação nos cloroplastos. 
A fosforilação oxidativa e a fotofosforilação têm 
mecanismos semelhantes em três aspectos. (1) Os 
dois processos envolvem o fluxo de elétrons por 
meio de uma cadeia de transportadores da 
membrana; (2) a energia livre que se torna 
disponível por esse fluxo de elétrons “montanha 
abaixo” (exergônico) é acoplada ao transporte 
“montanha acima” de prótons através de uma 
membrana impermeável a prótons, conservando a 
energia livre da oxidação do combustível na forma 
de um potencial eletroquímico transmembrana; (3) 
o fluxo transmembrana de retorno dos prótons a 
favor de seu gradiente de concentração por canais 
proteicos específicos fornece a energia livre para a 
síntese de ATP, catalisada por um complexo 
proteico presente na membrana (ATP-sintase), que 
acopla o fluxo de prótons à fosforilação do ADP. 
Imagem: O mecanismo químiosmótico para a 
síntese de ATP. (a) Em mitocôndrias, os elétrons se 
movem por uma cadeia de transportadores ligados 
a membranas (a cadeia respiratória) 
espontaneamente, governados pelo alto potencial 
de redução do oxigênio e pelos potenciais de 
redução relativamente baixos dos diversos 
substratos reduzidos (combustível) que sofrem 
oxidação na mitocôndria. 
 
A matriz mitocondrial, delimitada pela membrana 
interna, contém o complexo da piruvato-
desidrogenase e as enzimas do ciclo do ácido 
cítrico, a via de b-oxidação de ácidos graxos e as 
Fosforilação oxidativa 
 
Reações de transferência de elétrons em mitocôndrias 
vias de oxidação de aminoácidos – todas as vias de 
oxidação de combustível, exceto a glicólise, que 
ocorre no citosol. 
A permeabilidade seletiva da membrana interna 
segrega os intermediários e as enzimas das vias 
metabólicas citosólicas daqueles dos processos 
metabólicos que ocorrem na matriz. No entanto, 
transportadores específicos carregam piruvato, 
ácidos graxos e aminoácidos ou seus a-cetoácidos 
derivados para dentro da matriz, para acesso à 
maquinaria do ciclo do ácido cítrico. ADP e Pi são 
especificamente transportados para dentro da 
matriz quando ATP recém-sintetizado é 
transportado para fora. 
 
 
A fosforilação oxidativa começa com a entrada de 
elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, 
chamada de cadeia respiratória. A maioria desses 
elétrons surge da ação das desidrogenases, que 
coletam elétrons das vias catabólicas e os 
canalizam para aceptores universais de elétrons – 
nucleotídeos de nicotinamida (NAD+ ou NADP+ ) 
ou nucleotídeos de flavina (FMN ou FAD). 
Desidrogenases ligadas a nucleotídeos de 
nicotinamida catalisam reações reversíveis dos 
seguintes tipos gerais: 
 
A maioria das desidrogenases que agem no 
catabolismo é específica para NAD1 como aceptor 
de elétrons. Algumas estão no citosol, outras estão 
nas mitocôndrias e ainda outras têm isoenzimas 
mitocondriais e citosólicas. 
Desidrogenases ligadas ao NAD+ removem dois 
átomos de hidrogênio de seus substratos. Um deles 
é transferido como íon hidreto (:H2) ao NAD1; o 
outro é liberado como H+ no meio. NADH e 
NADPH são carregadores de elétrons solúveis em 
água, que se associam reversivelmente com 
desidrogenases. O NADH carrega elétrons das 
reações catabólicas até seu ponto de entrada na 
cadeia respiratória. 
O NADPH geralmente supre elétrons para reações 
anabólicas. As células mantêm conjuntos 
separados de NADPH e NADH, com diferentes 
potenciais redox. Isso é alcançado mantendo- -se a 
razão de [forma reduzida] / [forma oxidada] 
relativamente alta para NADPH e relativamente 
baixa para NADH. Nenhum desses nucleotídeos 
pode atravessar a membrana mitocondrial interna, 
mas os elétrons que eles carregam podem ser 
lançados através dela indiretamente. 
Flavoproteínas contêm um nucleotídeo de flavina, 
FMN ou FAD, muito fortemente ligado, às vezes 
de forma covalente. O nucleotídeo de flavina 
oxidado pode aceitar um elétron (produzindo a 
forma semiquinona) ou dois elétrons (produzindo 
FADH2 ou FMNH2). A transferência de elétrons 
ocorre porque a flavoproteína tem um potencial de 
redução maior do que o composto oxidado. 
 Os elétrons passam por uma série de 
carregadores ligados à membrana 
Elétrons são canalizados para aceptores 
universais de elétrons 
 
A cadeia respiratória mitocondrial consiste em 
uma série de carregadores que agem 
sequencialmente, sendo a maioria deles 
proteínas integrais com grupos prostéticos 
capazes de aceitar e doar um ou dois elétrons. 
Ocorrem três tipos de transferência de elétrons 
na fosforilação oxidativa: 
(1) transferência direta de elétrons, como na 
redução de Fe3+ a Fe2+, 
 (2) transferência na forma de um átomo de 
hidrogênio (H+ + e-), e 
 (3) transferência como um íon hidreto (:H2), 
que tem dois elétrons. O termo equivalente 
redutor é usado para designar um único elétron 
equivalente transferido em uma reação de 
oxidação-redução. 
Além do NAD e das flavoproteínas, outros três 
tipos de moléculas carregadoras de elétrons 
funcionam na cadeia respiratória: uma quinona 
hidrofóbica (ubiquinona) e dois tipos diferentes de 
proteínas que contêm ferro (citocromos e proteínas 
ferro-enxofre). 
A ubiquinona (coenzima Q) é uma benzoquinona 
solúvel em lipídeos, com uma longa cadeia lateral 
isoprenoide. Carrega elétrons em cadeias de 
transferência de elétrons associadas a membranas. 
Como a ubiquinona é pequena e hidrofóbica, ela é 
livremente difusível dentro da bicamada lipídica da 
membrana mitocondrial interna e capaz de 
movimentar equivalentes redutores entre outros 
carregadores de elétrons menos móveis na 
membrana. Além disso, por carregar elétrons e 
prótons, ela desempenha um papel central em 
acoplar o fluxo de elétrons ao movimento de 
prótons. 
Os citocromos são proteínas com absorção 
caracteristicamente forte de luz visível, devido aos 
seus grupos prostéticos heme contendo ferro. As 
mitocôndrias têm três classes de citocromos, 
designados a, b e c, distinguidos por diferenças em 
seus espectros de absorção de luz. Os cofatores 
heme dos citocromos a e b são fortemente, mas não 
covalentemente, ligados às suas proteínas 
associadas; os hemes dos citocromos tipo c são 
covalentemente ligados por meio de resíduos de 
Cys. 
Na reação global catalisada pela cadeia respiratória 
mitocondrial, os elétrons se movem do NADH, 
succinato ou outro doador primário de elétrons, por 
flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre 
e citocromos e, finalmente, ao O2. 
 
Os carregadores de elétrons da cadeia respiratória 
são organizados em complexos supramoleculares 
inseridos dentro da membrana, podendo ser 
fisicamente separados. 
Um leve tratamento da membrana mitocondrial 
interna com detergentes permite a separação de 
quatro complexos carregadores singulares, cada 
um capaz de catalisar a transferência de elétrons 
por uma porção da cadeia. 
Os complexos I e II catalisam a transferência de 
elétrons para a ubiquinona a partir de dois doadores 
de elétrons diferentes: NADH (complexo I) e 
succinato (complexo II). O complexo III carrega 
elétrons da ubiquinona reduzida para o citocromo 
c, e o complexo IV completa a sequência, 
transferindo elétrons do citocromo c para o O2. 
Complexo I: NADH à ubiquinona. 
O complexo I, também chamado de NADH: 
ubiquinona-oxidorredutase ou NADH-
desidrogenase, é uma enzima grande, compostapor 
42 cadeias diferentes de polipeptídeos, incluindo 
uma flavoproteína contendo FMN e pelo menos 
seis centros de ferro-enxofre. O complexo I tem 
formato de L, com um braço do L na membrana e 
o outro se estendendo para a matriz. O complexo I 
catalisa dois processos simultâneos e 
obrigatoriamente acoplados: (1) a transferência 
exergônica para a ubiquinona de um íon hidreto do 
NADH e de um próton da matriz, expressa por: 
 
(2) a transferência endergônica de quatro prótons 
da matriz para o espaço intermembrana. O 
complexo I é, portanto, um bombeador de prótons 
que utiliza a energia da transferência de elétrons, e 
a reação que ele catalisa é vetorial: ela move 
prótons em uma direção específica de um local (a 
matriz, que se torna negativamente carregada com 
a saída dos prótons) a outro (o espaço 
intermembrana, que se torna positivamente 
carregado). 
Os carregadores de elétrons atuam em 
complexos multienzimáticos 
 
Amital (fármaco do tipo barbiturato), rotenona 
(produto vegetal comumente utilizado como 
inseticida) e piericidina A (antibiótico) inibem o 
fluxo de elétrons dos centros de ferro-enxofre do 
complexo I para a ubiquinona e, portanto, 
bloqueiam o processo global da fosforilação 
oxidativa. 
 
Separação dos complexos funcionais da cadeia 
respiratória. Inicialmente, a membrana 
mitocondrial externa é removida por tratamento 
com o detergente digitonina. Fragmentos da 
membrana interna são então obtidos por ruptura 
osmótica das mitocôndrias, e os fragmentos são 
suavemente dissolvidos em um segundo 
detergente. A mistura resultante de proteínas da 
membrana interna é separada por cromatografia de 
troca iônica em diferentes complexos (de I a IV) da 
cadeia respiratória, cada um com sua composição 
proteica singular (ver Tabela 19-3), e a enzima 
ATP-sintase (algumas vezes chamada de complexo 
V). Os complexos isolados de I a IV catalisam 
transferências entres doadores (NADH e 
succinato), carregadores intermediários (Q e 
citocromo c) e O2, conforme representado. In vitro, 
a ATP-sintase isolada tem apenas atividade de 
hidrólise de ATP (ATPase) e não de síntese de 
ATP. 
 
Imagem: Via dos elétrons de NADH, succinato, 
acil-CoA de ácidos graxos e glicerol-3-fosfato para 
a ubiquinona. Ubiquinona (Q) é o ponto de entrada 
para os elétrons derivados das reações do citosol, a 
partir de reações de oxidação dos ácidos graxos e 
da oxidação do succinato (no ciclo do ácido 
cítrico). Os elétrons do NADH passam por uma 
flavoproteína com o cofator FMN e para uma série 
de centros Fe-S (no complexo I) e, então, para Q. 
Os elétrons do succinato passam por uma 
flavoproteína com o cofator FAD e de vários 
centros Fe-S (no complexo II) a caminho de Q. O 
glicerol-3- -fosfato doa elétrons a uma 
flavoproteína (glicerol-3-fosfato-desidrogenase) na 
face externa da membrana mitocondrial interna, de 
onde eles passam para Q. A acil-CoA-
desidrogenase (a primeira enzima da b-oxidação) 
transfere elétrons à flavoproteína transferidora de 
elétrons (FTE), de onde eles passam a Q por meio 
da FTE:ubiquinona-oxidorredutase. 
Imagem: NADH:ubiquinona-oxidorredutase 
(complexo I). O complexo I catalisa a transferência 
de um íon hidreto de NADH a FMN, de onde dois 
elétrons passam por uma série de centros de Fe-S 
para o centro Fe-S N-2 no braço da matriz do 
complexo. A transferência de elétrons de N-2 para 
a ubiquinona no braço da membrana forma QH2, 
que se difunde na bicamada lipídica. Esta 
transferência de elétrons também governa a 
expulsão da matriz de quatro prótons por par de 
elétrons. O mecanismo detalhado que acopla a 
transferência de elétrons e prótons no complexo I 
ainda não é conhecido, mas provavelmente envolve 
um ciclo Q similar ao do complexo III, onde QH2 
participa duas vezes para cada par de elétrons. O 
fluxo de prótons produz um potencial 
eletroquímico através da membrana mitocondrial 
interna (lado N negativo, lado P positivo). 
 
Complexo II: succinato a ubiquinona. 
Succinato-desidrogenase, a única enzima do ciclo do 
ácido cítrico ligada à membrana. 
E contém cinco grupos prostéticos de dois tipos e 
quatro subunidades proteicas diferentes (Figura 19-
10). As subunidades C e D são proteínas integrais 
de membrana, cada uma com três hélices 
transmembrana. Elas contêm um grupo heme, 
heme b, e um sítio de ligação para a ubiquinona, o 
aceptor final de elétrons na reação catalisada pelo 
complexo II. As subunidades A e B se estendem 
para a matriz; elas contêm três centros 2Fe-2S, 
FAD ligado e um sítio de ligação para o substrato, 
o succinato. A via de transferência de elétrons do 
sítio de ligação do succinato a FAD e, então, pelos 
centros Fe-S rumo ao sítio de ligação de Q. 
Outros substratos das desidrogenases 
mitocondriais passam elétrons para a cadeia 
respiratória no nível da ubiquinona, mas não pelo 
complexo II. O primeiro passo na b-oxidação da 
acil-CoA dos ácidos graxos, catalisada pela 
flavoproteína acil-CoA-desidrogenase, envolve a 
transferência de elétrons do substrato para o FAD 
da desidrogenase e, então, para a flavoproteína 
transferidora de elétrons (FTE), que, por sua vez, 
passa seus elétrons a FTE:ubiquinona-
oxidorredutase. Essa enzima transfere elétrons para 
a cadeia respiratória reduzindo a ubiquinona. O 
glicerol-3-fosfato, formado a partir do glicerol 
liberado pela quebra do triacilglicerol ou pela 
redução da di-hidroxiacetona-fosfato da glicólise, é 
oxidado pela glicerol-3-fosfato-desidrogenase. 
Essa enzima é uma flavoproteína localizada na face 
externa da membrana mitocondrial interna e, como 
a succinato-desidrogenase e a acil-CoA-
desidrogenase, ela canaliza elétrons para a cadeia 
respiratória reduzindo ubiquinona. 
 
Imagem: estrutura do complexo II (succinato-
desidrogenase). Este complexo (aqui está 
apresentada a enzima do coração de porco) tem 
duas subunidades transmembrana, C e D: as 
extensões citoplasmáticas contêm as subunidades 
A e B. Logo atrás de FAD na subunidade A está o 
sítio de ligação do succinato. A subunidade B tem 
três conjuntos de centros de Fe-S; ubiquinona é 
ligada à subunidade B; um heme b está localizado 
entre as subunidade C e D. Duas moléculas de 
fosfatidiletanolamina estão tão fortemente ligadas 
à subunidade D que aparecem na estrutura 
cristalina. Os elétrons se movem (setas azuis) do 
succinato ao FAD e, então, através de três centros 
de Fe-S, para a ubiquinona. O heme b não está na 
via principal da transferência de elétrons, mas 
protege contra a formação de espécies reativas de 
oxigênio (ERO) por elétrons que saem da via. 
Complexo III: ubiquinona para citocromo c. 
Acopla a transferência de elétrons do ubiquinol 
(QH2) para o citocromo c com o transporte vetorial 
de prótons da matriz para o espaço intermembrana. 
A unidade funcional do complexo III é um dímero, 
com as duas unidades monoméricas de citocromo b 
circundando uma “caverna” no meio da membrana, 
na qual a ubiquinona fica livre para se mover do 
lado da matriz da membrana (sítio QN em um 
monômero) para o espaço intermembrana (sítio QP 
do outro monômero), à medida que ela lança 
elétrons e prótons através da membrana 
mitocondrial interna. 
Embora a via de elétrons por esse segmento da 
cadeia respiratória seja complicada, o efeito 
resultante da transferência é simples: QH2 é 
oxidado a Q, duas moléculas de citocromo c são 
reduzidas, e prótons são movidos do lado P para o 
lado N. 
 
Complexo IV: citocromo c para O2. 
O complexo IV, também chamado de citocromo- -
oxidase, carrega elétrons do citocromo c para o 
oxigênio molecular, reduzindo-o a H2O. 
 
Resumo do fluxo de elétrons e prótons pelos quatro 
complexos da cadeia respiratória. Os elétrons 
chegam à Q por meio dos complexos I e II. A Q 
reduzida (QH2) serve como carregador móvel de 
elétrons e prótons. Ela passa elétrons ao complexo 
III, que os passa a outro elementomóvel de ligação, 
o citocromo c. O complexo IV então transfere 
elétrons do citocromo c reduzido ao O2. O fluxo de 
elétrons pelos complexos I, III e IV é acompanhado 
pelo fluxo de prótons da matriz ao espaço 
intermembrana. Lembre-se de que os elétrons da b-
oxidação de ácidos graxos também podem entrar na 
cadeia respiratória por meio de Q. 
Síntese de ATP 
De acordo com o modelo, a energia eletroquímica 
inerente à diferença de concentração de prótons e à 
separação de cargas através da membrana mitocondrial 
interna – a força próton-motriz – impulsiona a síntese 
de ATP, à medida que os prótons fluem passivamente 
de volta à matriz, por meio de um poro para prótons na 
ATP-sintase. 
O acoplamento refere-se à conexão obrigatória 
entre a síntese mitocondrial de ATP e o fluxo de 
elétrons pela cadeia respiratória; nenhum dos dois 
processos pode prosseguir sem o outro. 
Quando mitocôndrias isoladas são suspensas em 
um tampão contendo ADP, Pi e um substrato 
oxidável como succinato, três processos facilmente 
mensuráveis ocorrem: (1) o substrato é oxidado 
(succinato produz fumarato), (2) O2 é consumido e 
(3) ATP é sintetizado. O consumo de oxigênio e a 
síntese de ATP dependem da presença de um 
substrato oxidável (nesse caso, o succinato), assim 
como de ADP e Pi . 
Uma vez que a energia da oxidação de substratos 
permite a síntese de ATP nas mitocôndrias, seria 
esperado que os inibidores da passagem de elétrons 
para o O2 (como cianeto, monóxido de carbono e 
antimicina A) bloqueassem a síntese de ATP. Mais 
surpreendente é o fato de que o contrário também é 
verdadeiro: a inibição da síntese de ATP bloqueia 
a transferência de elétrons em mitocôndrias 
intactas. 
Quando mitocôndrias intactas são rompidas por 
tratamento com detergentes ou por ação física, os 
fragmentos de membrana resultantes ainda podem 
catalisar a transferência de elétrons do succinato ou 
do NADH para o O2, mas nenhuma síntese de ATP 
está acoplada a essa respiração. 
Imagem: os elétrons do NADH e de outros 
substratos oxidáveis passam por meio de uma 
cadeia de carregadores assimetricamente 
arranjados na membrana interna. O fluxo de 
elétrons é acompanhado pela transferência de 
prótons através da membrana, produzindo tanto um 
gradiente químico (DpH) quanto um gradiente 
elétrico (Dc) (combinados, a força próton-motriz). 
A membrana mitocondrial interna é impermeável a 
prótons; os prótons só podem retornar à matriz 
através de canais específicos de prótons (Fo). A 
força próton-motriz que direciona os prótons de 
volta para a matriz proporciona a energia para a 
síntese de ATP, catalisada pelo complexo F1, 
associado ao Fo.