CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

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CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
BIOQUÍMICA II
A cadeia transportadora de elétrons (CTE) é um conjunto de reações que ocorre nas cristas mitocondriais nas células animais e ocorre nos cloroplastos nas células vegetais, e fornece energia para outro processo, a fosforilação oxidativa. Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa são, portanto, eventos relacionados, ou melhor, acoplados. Entretanto, cada um deles pode ocorrer independentemente e tem componentes e produtos diferentes. 
A cadeia transportadora de elétrons resulta na síntese de água, sendo um fluxo de elétrons através de uma cadeia de transportadores com redução de O2 a H2O, com os elétrons sendo cedidos por FADH2 e NADH (antes reduzidos no ciclo de Krebs agora são oxidados)
NADH – agente redutor forte – tendência a doar elétrons;
O2 – agente oxidante forte – pronto para aceitar elétrons;
A fosforilação oxidativa resulta na síntese de ATP
Similaridades: Transporte de elétrons gera gradiente de prótons.
Diferenças: de onde os elétrons recebem a sua energia. Mitocôndria é da alimentação; cloroplasto é através de energia luminosa.
	Reações de oxidação e redução envolvem transferência de elétrons:
Oxidação = perda de elétrons.
Redução = ganho de elétrons.
O Potencial de Redução é o potencial que mede a afinidade por elétrons.
A tendência para que uma reação de oxido-redução ocorra dependa da afinidade relativa do receptor de elétrons de cada par redox. 
Ele é medido pela equação de Nersnt.
Potenciais de redução padrão X Variação de energia livre
A variação de energia livre disponível por meio do fluxo de elétrons (variação de energia livre para uma reação de oxido-redução) é proporcional às diferenças nos potenciais de redução (ΔE).
ΔG = -nℑ ΔE
A cadeia transportadora de elétrons utiliza os aceptores (NADH e FADH2) reduzidos em outras vias metabólicas tais como glicólise ou ciclo do ácido cítrico. A síntese de ATP por fosforilação oxidativa é dependente da energia gerada durante o transporte de elétrons da cadeia mitocondrial. As vias catabólicas adicionam elétrons em aceptores de elétrons universais, os nucleotídeos NAD+ (nicotinamida) e FMN e FAD (flavina).
 
A mitocôndria apresenta duas membranas. Uma externa e uma interna super envaginada, sendo a interna muito mais SELETIVA do que a externa. 
A membrana externa é prontamente permeável a pequenas moléculas e íons que se movem livremente através dos canais formandos por proteínas porinas, enquanto a interna é impermeável a maioria das moléculas e íons, INCLUINDO prótons, dessa forma, ela necessita de transportadores específicos. É nessa membrana que se tem todas as ptns e componentes importantes da cadeia transportadora de elétrons e a ATP síntase, que são organizados em uma sequência definida. Esta organização obedece a um padrão baseado no potencial redox de cada um dos componentes. Alguns componentes são complexos proteicos integrais de membrana, outros são componentes móveis.
Transferência de elétrons: a cadeia respiratória mitocondrial consiste de uma serie de carreadores de elétrons atuando sequencialmente, muitos dos quais são ptns integrais com grupamentos prostéticos capazes de aceitar ou doar um ou dois elétrons. 
Quem são os transportadores? 
NAD*, FAD e FMN (desidrogenases)
Ubiquinona (Coenzima Q)
Citocromos
Proteínas Ferro-enxofre (Cisteína)
Proteínas Ferro-enxofre Rieske (Histidina)
1) NAD+: Nucleotídeos de nicotinamida.
Substrato reduzido + NAD+ substrato oxidado + NADH + H+
	NADH é sua forma reduzida.
2) FAD E FMN: nucleotídeos de flavina.
Substrato reduzido + FAD substrato oxidado + FADH2 
3) UBIQUINONA (coenzima Q)
É uma cadeia pequena e hidrofóbica/lipossolúvel e por isso pode ser difundir livremente pela membrana interna mitocondrial (por razão da sua cauda apolar que permite essa afinidade com a membrana, por isso carrega é na mitocôndria). Ela carrega 2 H+ e 2é, mas também pode carregar 1 de cada vez, o que gera um radical semiquinona.
4) CITOCROMOS: moléculas contendo um grupamento prostético heme, que contém Ferro. Por conter ferro pode variar entre um estado oxidado e um estado reduzido, participando de reações de oxirredução.
Na mitocôndria existem 3 classes: a, b e c. 
A e B estão associados a proteínas integrais de membrana, enquanto a C é proteína solúvel associada a superfície externa da membrana interna da mitocôndria.
5) PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE: é um ferro associado a enxofre inorgânico e/ou a enxofre de Cisteína. Pode se associar a Histidina também (ferro-enxofre Rieske). 
O centro Ferro-Enxofre pode conter diferentes quantidades de Ferro.
São capazes de transferir 1 é – 1 Fe-S é oxidado ou reduzido.
A CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS (CTE)
Como dito anteriormente são complexos multienzimáticos inseridos na membrana interna da mitocôndria, numerados de 1 ao 4 de acordo com a ordem de fluxo de elétrons, que passam de um complexo ao outro por razão do potencial de redução (do menor pro maior). 
Em resumo: o transporte de elétrons na mitocôndria é direcionado pelo potencial de redução de cada complexo.
As coenzimas reduzidas são super importantes nesse processo, pois a energia conservada nessas moléculas é transformadas em forma de ATP, através da fosforilação oxidativa, que acontece no complexo. E isso só é possível acontecer com uma transferência de elétrons. 
Em resumo: Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para ubiquinona a partir de dois diferentes doadores de elétrons: NADH (complexo I) e succinato (complexo II). O complexo III carreia elétrons da ubiquinona reduzida para o citocromo c e o complexo IV completa a sequência de transferência para o O2.
O complexo I - NADH desidrogenase 
Tem atividade NADH desidrogenase, ou seja, usa NADH como substrato para uma reação de desidrogenação. Este complexo apresenta, como co-fator, flavina mononucleotídeo (FMN), além de centros ferro-enxofre (6).
É uma bomba de prótons governada pela energia de transferência de elétrons. No complexo o percurso dos elétrons é:
	NADH FMN Fe-S UQ FeS UQ
Os elétrons são transferidos do NADH para o FMN, formando FMNH2. Dois elétrons percorrem ainda os centros ferro-enxofre até atingirem a ubiquinona. Quatro prótons são bombeados da matriz mitocondrial para o espaço entre as membranas interna e externa.
O alvo final dos elétrons é a ubiquinona (UQ). O complexo transporta dois elétrons para a ubiquinona e quatro prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar.
O complexo II - succinato desidrogenase 
O complexo II é um complexo independente, que aceita elétrons apenas do FADH2 e os transfere também para a ubiquinona, através do se centro ferro-enxofre. Ele é uma enzima que também participa do ciclo de Krebs através de sua atividade succinato desidrogenase. 
A reação que ocorre no complexo é a seguinte:
Succinato + UQ Fumarato + UQH2
O percurso dos elétrons é o seguinte:
Succinato FADH2 2Fe2+ UQH2
Só que a ubiquinona (Q) pode ser parcialmente reduzida e formar um radical semiquinona (QH*). A redução deste radical leva à formação de ubiquinol (QH2). Em condições fisiológicas, a quantidade de semiquinona formada é muito pequena, pois toda semiquinona é rapidamente convertida a ubiquinol.
*Não há transferência de prótons. 
O complexo III – ubiquinona-citocromo c oxirredutase
Transferência de elétrons do ubiquinol ao citocromo c.
A coenzima Q (CoQ) ou ubiquinona (Q) passa seus elétrons para o citocromo c (e bombeia prótons) num ciclo redox único chamado ciclo Q. A CoQ tem a habilidade de aceitar um par de elétrons (aceptor dieletrônico) e passá-los, um de cada vez, através de um intermediário semiquinona até o complexo III.
Ocorre a reoxidação da ubiquinona, doa seus 2 elétrons (mas citocromo só é capaz de receber 1 elétron). 1 vai para o citocromo, o segundo elétron é usado para reduzir o intermediário semiquinona a ubiquinol, bombeando dois prótons da matriz para o espaço intermembranas e retornandoubiquinol para o pool da membrana. O resultado fi nal dessas reações é o bombeamento de quatro prótons para cada molécula de ubiquinol que é oxidada. A razão para a complexidade deste processo é que a cadeia precisa transferir dois elétrons do ubiquinol para duas moléculas carreadoras de um elétron (aceptor monoeletrônico), o citocromo c.
O complexo IV - citocromo oxidase
Na seqüência da cadeia transportadora temos até agora 2 citocromos reduzidos. Eles são componentes móveis da cadeia que, em seguida, sofrerão oxidação, enquanto passam seus elétrons para o próximo componente, o complexo IV. Essa enzima é composta de dez subunidades, mas grande parte da sua estrutura ainda hoje é desconhecida. Sabe-se que a citocromo oxidase utiliza dois hemes (a e a3) e dois sítios de cobre. 
Função: aceitar elétrons do citocromo c para reduzir o oxigênio, formando duas moléculas de água. O complexo é responsável o último ponto de bombeamento de prótons da cadeia.
Subunidade II: Dois íons cobre complexados a dois grupos -SH de cisteína formam o centro binuclear CuA.
Subunidade I: Dois grupos heme - a e a3 - e um íon cobre – CuB – formam outro centro binuclear (a3+CuB).
A redução de uma molécula de oxigênio para formar duas moléculas de água requer quatro elétrons. Entretanto, o citocromo c, como vimos anteriormente, transporta apenas um elétron de cada vez. A redução incompleta do oxigênio pode gerar peróxidos ou radicais livres de oxigênio, espécies altamente reativas. O funcionamento eficiente da citocromo oxidase impede a formação desses radicais pela incompleta redução do oxigênio.
Mecanismo: primeiro citocromo chega no complexo IV e libera seu 1é. Esse é percorre o 1º íon Cu2+ e reduz o segundo íon Cu2+ à Cu+. O segundo citocromo c entre liberando outro é reduzindo o Fe3+ à Fe2+. Quando o cobre e ferro estão reduzidos o O2 se liga a eles, eles voltam a forma oxidada, e ocorre a formação de uma “ponte de peróxido” que precisa ser quebrada. Dessa forma, o terceiro citocromo chega e libera seu é, esse é liberado da energia para o H+ que tá na intermembrana entra e quebrar a ponte se associando a 1 oxigênio. O quarto citocromo realiza a mesma função, tendo a entrada de outro H+ se associando a outro oxigênio. Depois disso corre a entrada de 2H+e a formação de H2O.
4 H+ + O2 2H20
Ordem de transferência de e-: 
Cit c → CuA → heme a → heme a3 → CuB → O2
Reação global:
 4 Cit c (reduzido) + 8 H+ N + O2 4 Cit c (oxidado) + 4H+P + 2H2O
POR QUE TRANSPORTAR TODOS ESSES ELÉTRONS? 
Para conservar energia entre lados da membrana e gerar gradiente de H+ que vai ser convertida em ATP na ATP sintase.
Ao final do complexo IV temos um saldo final de:
	NADH + 11H+ + ½ O2 NAD+ + 10H+ + H2O
A ATP sintase é uma enzima que catalisa a síntese de ATP, esta enzima é responsável pela estapada chamada de fosforilação oxidativa. É nessa etapa que a energia do fluxo de elétrons é convertida em ATP.
Até o complexo IV o resultado da CTE é a formação de duas moléculas de água e um aumento de concentração de prótons no espaço intermembranas. Este gradiente protônico é também um gradiente eletroquímico, pois ocorre uma diferença de potencial (ddp) entre um lado e outro da membrana mitocondrial interna. Ou seja, a concentração de prótons em um lado da membrana determina que este lado seja mais positivo que o outro.
A membrana mitocondrial interna não é permeável a prótons e, portanto, qualquer movimento deles requer um transportador específico. O complexo ATP sintase tem uma estrutura complexa: parte da enzima funciona como um canal de prótons e é por ali que estes retornarão à matriz mitocondrial, desfazendo o gradiente. Segundo Peter Mitchell, a ATP sintase usa a energia do gradiente de prótons para sintetizar ATP, a partir de ADP e Pi. Esta teoria é chamada Teoria Quimiosmótica, e é a mais aceita nos dias de hoje.
ATP sintase é uma enzima constituída por duas partes com atividades distintas, chamadas F1 e F0. Por este motivo ela também é chamada F1- F0 – ATPase. A síntese de ATP ocorre em um ambiente hidrofóbico da F1Fo ATP sintase.
A REGULAÇÃO DA CADEIA TRANSPORTADORA DE
ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
A cadeia transportadora de elétrons é regulada pela disponibilidade dos substratos, NADH, FADH2, ADP, Pi e oxigênio. Assim, ela e a fosforilação oxidativa estarão inibidas nas seguintes situações:
NADH/NAD+ – baixa – nesta situação o poder redutor é baixo e existe uma baixa concentração de doadores de elétrons para a CTE.
ATP/ADP – alta – nesta situação a carga energética da célula é alta, e, portanto, a síntese de ATP não precisa ser estimulada.
O2 – baixo – o oxigênio é o aceptor final dos elétrons e, na ausência dele, os transportadores ficam saturados e não são mais capazes de aceitar novos elétrons, paralisando a cadeia transportadora. É por isso que precisamos respirar oxigênio.