A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória

Prévia do material em texto

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 (NAD1 ou NADP1) ou nucleotídeos de flavina (FMN ou FAD). Desidrogenases ligadas a nucleotídeos de nicotinamida catalisam reações reversíveis.
A maioria das desidrogenases que agem no catabolismo é específica para NAD1 como aceptor de elétrons.
Desidrogenases ligadas ao NAD1 removem dois átomos de hidrogênio de seus substratos. Um deles é transferido como íon hidreto (:H2) ao NAD1; o outro é liberado como H1 no meio 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 complexo da NADH-desidrogenase.
O NADPH geralmente supre elétrons para reações anabólicas. As células mantêm conjuntos separados de NADPH e NADH, com diferentes potenciais redox. 
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. O potencial de redução padrão de um nucleotídeo de flavina, ao contrário daquele de NAD ou NADP, depende da proteína com a qual está associado. Interações locais com grupos funcionais na proteína distorcem os orbitais de elétrons no anel de flavina, mudando as estabilidades relativas das formas reduzidas e oxidadas. O potencial de redução padrão relevante é, portanto, aquele da flavoproteína em particular e não o do FAD ou do FMN isolados. O nucleotídeo de flavina deve ser considerado parte do sítio ativo da flavoproteína, em vez de um reagente ou produto na reação de transferência de elétrons. Como as flavoproteínas participam de transferências de um ou dois elétrons, elas servem de intermediários entre reações nas quais dois elétrons são doados (como em desidrogenações) e aquelas nas quais um elétron é cedido (como na redução de uma quinona a hidroquinona. 
Os elétrons passam por uma série de carregadores ligados à membrana. 
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 Fe31 a Fe21, (2) transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H1 1 e2), 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. Os compostos intimamente relacionados, plastoquinona (de cloroplastos vegetais) e menaquinona (de bactérias) desempenham papéis análogos àquele da ubiquinona, carregando elétrons em cadeias de transferência de elétrons associadas a membranas. A ubiquinona pode aceitar um elétron para se tornar o radical semiquinona (•QH) ou dois elétrons para formar ubiquinol (QH2) e, como os carregadores flavoproteínas, atuar na junção entre um doador de dois elétrons e um aceptor de um elétron. 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. Cada tipo de citocromo em seu estado reduzido (Fe21) tem três bandas de absorção na faixa visível. A banda de comprimento de onda mais longo é próxima de 600 nm em citocromos tipo a, próxima de 560 nm no tipo b e perto de 550 nm no tipo c. Para distinguir citocromos intimamente relacionados dentro de um determinado tipo, a absorção máxima exata algumas vezes é utilizada nos nomes, como no citocromo b562. 
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. Da mesma maneira que no caso das flavoproteínas, o potencial de redução padrão do átomo de ferro do heme de um citocromo depende de sua interação com as cadeias laterais da proteína, sendo, portanto, diferente para cada citocromo. Os citocromos dos tipos a e b e alguns do tipo c são proteínas integrais da membrana mitocondrial interna. Uma exceção marcante é o citocromo c das mitocôndrias, proteína solúvel que se associa com a superfície externa da membrana interna por meio de interações eletrostáticas. 
Em proteínas ferro-enxofre, o ferro está ausente no heme, mas encontra-se em associação com átomos de enxofre inorgânico, ou com átomos de enxofre dos resíduos de Cys na proteína, ou com ambos. Esses centros de ferro-enxofre (Fe-S) variam de estruturas simples, com um único átomo de Fe coordenado com quatro grupos Cys¬SH, a centros Fe-S mais complexos, com dois ou quatro átomos de Fe. Proteínas ferro--enxofre de Rieske são uma variação nesse tema, onde um átomo de Fe está combinado com dois resíduos de His em vez de com resíduos de Cys. Todas as proteínas ferro-enxofre participam de transferências de um elétron, nas quais um átomo de ferro do aglomerado ferro-enxofre é oxidado ou reduzido. Pelo menos oito proteínas Fe-S funcionam na transferência mitocondrial de elétrons. O potencial de redução das proteínas Fe-S varia de 20,65 V a 10,45 V, dependendo do microambiente do ferro dentro da proteína. 
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. Uma observação dos métodos utilizados para determinar a sequência em que os carregadores agem é informativa, uma vez que as mesmas abordagens gerais foram utilizadas para estudar outras cadeias de transferência de elétrons, como aquelas nos cloroplastos.
Primeiro os potenciais de redução padrão dos carre-gadores de elétrons individuais foram experimentalmente determinados. Poderia ser esperado que os carregadores funcionassem em ordem crescente de poten-cial de redução, porque os elétrons tendem a fluir espon-taneamente de carregadores de E9° menores para carrega-dores de E9° maiores. A ordem dos carregadores deduzida por este método é NADH S Q S citocromo b S citocromo c1 S citocromo c S citocromo a S citocromo a3 S O2. Observe, no entanto, que a ordem dos potenciais de redu-ção padrão não é necessariamente a mesma que a ordem de potenciais de redução reais sob condições celulares, que depende das concentrações das formas reduzidas e oxidadas. Um segundo método para determinar a sequência de carregadores de elétrons envolvereduzir toda a cadeia de carregadores experimen-talmente, fornecendo uma fonte de elétrons, mas nenhum aceptor de elétrons (sem O2). Quando o O2 é repentina-mente introduzido no sistema, a taxa com a qual cada carregador de elétrons se torna oxidado (medida espec-troscopicamente) revela a ordem em que os carregadores funcionam. O carregador mais próximo do O2 (no final da cadeia) cede seu elétron primeiro, o segundo carregador contado a partir do final é o próximo a ser oxidado, e assim por diante. Tais experimentos confirmaram a sequência deduzida a partir dos potenciais de redução padrão.Em uma confirmação final, agentes que inibem o fluxo de elétrons ao longo da cadeia foram usados em combina-ção com medidas do grau de oxidação de cada carregador. Na presença de O2 e de um doador de elétrons, os carrega-dores que funcionam antes da etapa inibida ficam comple-tamente reduzidos, e aqueles que funcionam depois dessa etapa são completamente oxidados. Usando diversos inibidores que bloqueiam diferentes etapas da ca-deia, os investigadores determinaram a sequência inteira, a mesma deduzida nas duas primeiras abordagens.