Cadeia transportadora de elétrons

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Cadeia transportadora de elétrons, cadeia respiratória ou fosforilação oxidativa.
O que é?
É um processo metabolico de síntese de atp a partir da energia liberada pelo transporte de elétrons na cadeia respiratória, é a convergência final de todas as vias de degradação oxidativa.
Como funciona?
A oxidação dos mais variados combustíveis metabólicos libera elétrons que são entregues pelas desidrogenasesa transportadores específicos, reduzindo-os (de NAD+ e FAD a NADH+ e FADH2). 
A energia livre disponibolizada pelo fluxo de elétrons criado é acoplada ao transporte contracorrente de protóns através da membrana interna da mitocôndria (impermeável a estes prótons), conservando parte desta energia como potencial eletroquímico transmembrana. O fluxo transmembrana dos prótons "de volta", a favor de seu gradiente de concentração através de poros protéicos específicos fornece energia livre para a síntese de ATP.
O NADH+ e o FADH2 transportam os elétrons de diferentes vias até a CTE, onde os doam. Dentro da cadeia, o fluxo se estabelece entre uma série de transportadores que incluem: carreadores de membrana (como as quinonas), citocromos e proteínas ferro-sulfonadas.
-Ubiquinona- singularmente, sua redução pode se dar em duas etapas diferentes:
· Recebe o 1º elétron, sendo reduzida a radical semiquinona - UQH 
· 2º elétron - Ubiquinol - UQH2 
Depende do que?
Depende de dois fatores, a energia livre obtida do transporte de elétrons e armazenada na forma de gradiente de íons hidrogênio e uma enzima transportadora denominada ATPsintase. 
Como e onde acontece?
Durante o fluxo de elétrons há liberação de energia livre suficiente para a síntese de  ATP em 3 locais da cadeia respiratória: 
Complexos I, III e IV. "SÍTIOS DE FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA"
Nestes locais a liberação de energia livre é em quantidade equivalente à necessária para a síntese do ATP. 
 A cadeia respiratória é formada por 4 complexos enzimáticos (formados por flavoproteínas, centros ferro-enxofre e citocromos) e 2 transportadores da fase lipídica (coenzima Q e citocromo C).
Os complexos enzimáticos são:
 1. Complexo I: NADH-Ubiquinona redutase (NADH + H+ Desidrogenase)
 É o principal ponto de acesso de elétrons para a cadeia respiratória. 
É composto de 25 subunidades, tem FMN (flavina mononucleotídeo) como flavoproteína e 24 agrupamentos Fe-S (distribuídos em 5 centros ferro-enxofre). 
 A FMN não difunde, pois está rigidamente presa ao complexo I.
 O complexo I possui uma bomba eletrogênica de prótons, que expulsa H+ da mitocôndria. 
 O funcionamento desta bomba de prótons (que funciona a energia elétrica - fluxo de elétrons num circuito condutor) aumenta o gradiente de prótons em 4: 2 H+ são expulsos e 2 H+ são consumidos da matriz\ mitocondrial.
 Um aumento de 4 H+ no gradiente de prótons é capaz de gerar 1 ATP. 
Complexo I: NADH à Ubiquinona
Equação geral:  NADH + H+ + UQ     
        A entrega não é direta, passando por FMN (Flavina MonoNucleotídeo), que entrega os elétrons à Fe-S ao qual está associada, e só então estes são entregues à UQ.
 2. Complexo II: Succinato-Ubiquinona redutase (Succinato Desidrogenase)
É o segundo local por onde os elétrons penetram na cadeia respiratória.
Possui 11 subunidades, sua flavoproteína é o FAD (que também está preso ao complexo enzimático), 7 grupos Fe-S (organizados em 3 centros ferro-enxofre) e o citocromo b560. 
Esta enzima faz parte do ciclo de Krebs, onde recebe a denominação de Succinato Desidrogenase.
 Não possui bomba de prótons. Logo, não aumenta o gradiente de prótons.
Complexo II: Succinato à Ubiquinona
        A enzima responsável pela oxidação do succinato (a succinato desidrogenase), é a única do Ciclo do Ácido Cítrico ligada à membrana interna da mitocôndria e é através dela que os elétrons são doados ao FAD, para daí serem entregues à UQ via Fe-S. Este complexo não é responsável pelo bombeamento de nenhum próton para o espaço intermembrana. Assim, os elétrons que chegam à CTE via FADH2 só serão responsáveis pelo bombeamento de prótons a partir do complexo III, daí a síntese de 1ATP a menos pelo FADH2 em comparação ao NADH+.
3. Complexo III: Ubiquinol-Citocromo C Redutase
Este complexo recebe elétrons oriundos tanto do complexo I quanto do III através da coenzima Q reduzida (QH2, ou Ubiquinol), que é oxidada neste sítio.
 É composto por 8 subunidades protéicas, 2 centros Fe-S e 3 citocromos (b560, b566 e C1).
 
Possui bomba de prótons. Neste ponto, 2 H+ são expulsos da mitocôndria, mas nenhum próton é consumido ao nível da matriz mitocondrial. Em decorrência disso, a operação do complexo III leva à produção de apenas 0,5 ATP.
Complexo III: Ubiquinona ao Citocromo c
        A Ubiquinona pode movimentar-se ao longo da bicamada lipídica. Assim, após receber elétrons a partir de qualquer um dos complexos anteriores, caminha até o complexo III, responsável por recebê-los e repassá-los ao citocromo c. A UQH2, entretanto, só doará um elétron por vez ao cit c, o outro será doado a um cit b no complexo, que o devolverá à UQ, estabelecendo um ciclo em que se repetem estas etapas: UQH recebe um elétron do complexo I ou II mais 1H+ da matriz. A UQH2 assim formada libera 1H+ para o espaço intermembrana e um elétron para o cit b. A UQH resultante libera outro H+ e doa um elétron ao cit c. A UQ recebe de volta um elétron do cit b e 1H+ da matriz.
4. Complexo IV: Citocromo C Oxidase
Esta é uma enzima notável, uma das poucas que interage diretamente com o O2.
È formada por 12 subunidades, 2 citocromos (a, a3) e 2-3 íons cobre (que usamos comercialmente na fabricação de fios para conduzir elétrons).
Os 4 complexos difundem-se lateralmente na MMI, ora afastando-se, ora aproximando-se. Nunca se tocam. O transporte de elétrons de um complexo a outro requer um transportador (ubiquinona e citocromo C).
Complexo IV - redução do O2
        O citocromo c é livre para movimentar-se na superfície externa da membrana, levando assim os elétrons recebidos do complexo III ao IV. Só o fará, entretanto, quando houver acumulado 4 elétrons. Neste complexo, os elétrons após passarem pelos cit a e a3, serão doados a 4H+ e 1O2 da matriz, sintetizando assim duas moléculas de água.
Quais condições?
As condições para que ocorra a fosforilação oxidativa são um bombeamento de prótons pela cadeia respiratória, criando um fluxo da matriz para o citosol e uma membrana mitocondrial interna impermeável a prótons e íntegra.
A cadeia Respiratória, ao transportar os elétrons, bombeia prótons da matriz para o citosol; a membrana mitocondrial interna, por ser impermeável a prótons, impede o retorno destes à matriz; cria-se um GRADIENTE DUPLO - de pH e eletrostático - através da membrana mitocondrial interna, que gera uma situação de alta instabilidade e, por conseqüência, uma força que atrai os prótons de volta. Esta força, chamada força próton-motriz, dirige o refluxo de prótons à matriz mitocondrial através dos canais de prótons da enzima ATPase; a passagem dos prótons pela ATPase determina a síntese do ATP. Os elétrons do NADH que são obtidos em vias oxidativas citosólicas e, principalmente em vias mitocondriais - como a cadeia glicolítica, por exemplo, entram na mitocôndria através de um sistema de transporte conhecido como "Transporte  Malato/Aspartato". 
Através deste processo, o oxaloacetato é reduzido a malato no citosol, este atravessa a membrana mitocondrial interna para ser reoxidado a oxaloacetato com redução do NAD, agora na matriz mitocondrial. O processo ocorre com gasto de energia.
Os transportadores de elétrons da cadeia respiratória e sua seqüência
  NADH-Desidrogenase: 
               É o primeiro transportador da seqüência; recebe os pares de elétrons do NADH e os transfere para a Ubiquinona. Possui um grupo prostético FMN – Flavina Mononucleotídeo – que intermedia o processo. 
              NADH + H+ + FMN ? NAD+ + FMNH2
Succinato-Desidrogenase:
                Atua no Ciclo de Krebs, e tem o FAD como grupo prostético; também doa seus elétrons do FADH2 diretamente para a Ubiquinona.
Ubiquinona, recebeos pares de elétrons do NADH e do FADH2 e os transfere para uma seqüência de Hemeproteínas denominadas citocromos.
Citocromos - são proteínas contendo ferro, portanto um grupo heme, responsável pelas diferentes variações: citocromos a, b e c. Enquanto a e b são proteínas de membrana, o c está "preso" à superfície externa da membrana interna por interações eletrostáticas.
Os citocromos são divididos em 3 classes principais: citocromos a,b e c.
Citocromo b: É o primeiro citocromo da seqüência a reduzir; transfere os elétrons da ubiquinona para o citocromo c1.
Citocromo c1: Recebe os elétrons de b e doa para o citocromo c.
Citocromo c: Transfere os elétrons do c1 para o citocromo a . Difere dos outros citocromos por ser uma proteína  hidrossolúvel.
Citocromo a: Transfere os elétrons de c para o citocromo a3.
Citocromo a3 : Último citocromo da seqüência, doa o par de elétrons para o oxigênio, que reduz para formar uma molécula de água.
Oxigênio: É o aceptor final de elétrons da cadeia respiratória; sua redução a água é a última etapa da respiração celular.
Balanço Final da respiração Celular
	10 NADH
	30 ATPs
	2 FADH2
	4 ATPs 
	2 ATPs + 2 GTPs 
	4 ATPs 
	Total:
	38 ATPs 
                Ao calcularmos o rendimento em ATPs da oxidação total de uma molécula de glicose, e considerando que cada par de elétrons do NADH rende 3 ATPs, e cada par de elétrons do FADH2 rende 2 
ATPs na fosforilação oxidativa, temos:  Este número pressupõe gasto de ATP zero em processos paralelos, o que não ocorre na prática; considerando-se o gasto de ATP utilizado no início da respiração, o balanço final gira em torno de 36 ATPs.
  Os transportadores de elétrons da fase lipídica fazem a condução de elétrons de um complexo a outro através dos lipídeos da membrana.São 2: 
 1. Coenzima Q (Ubiquinona)
  Q vem de quinona; ubi é um prefixo que nos lembra de sua distribuição ubíqua ("em toda parte").
  A coenzima Q move-se livremente pela membrana, transportando elétrons do complexo I e do complexo II para o complexo III. A sua operação é sofisticada e será estudada adiante.
Desta forma, a ubiquinona pode fazer a interação entre doadores de 2 elétrons e receptores de um único.
 2. Citocromo C
 Citocromos são hemoproteínas e por isso são coloridos.
É o agrupamento Heme que lhes confere cor. 
 Os citocromos possuem heme de 3 tipos: a, b (que é o mesmo que ocorre na hemoglobina e na mioglobina) e c.
Centros Ferro-Enxofre
 Os centros Fe-S são pontos dentro dos complexos da cadeia respiratória por onde elétrons fluem.
 Na sua passagem, o ferro para alternadamente do estado férrico (Fe+3) para o ferroso (Fe+2)) e deste para o férrico outra vez. Por isso, cada centro Fe-S transfere somente 1 elétron de cada vez.
 Os centros estão firmemente presos às proteínas onde ocorrem.
 Cada centro tem 1, 2, 4 ou vários íons de ferro, dependendo do complexo enzimático. 
 O ferro é unido ao enxofre (sulfeto) e a grupamentos SH das cisteínas da proteína a que pertence.
Proteína Fe-S - são boas doadoras de elétrons, e transferem apenas um.
 Na CTE estes elétrons serão entregues ao oxigênio.
Fosforilação oxitdativa
Os electrões libertados pela oxidação de substratos são transferidos pelas enzimas para moléculas especiais: os aceitadores de electrões. Os aceitadores de electrões podem ser de vários tipos, e os mais comuns são o NAD+ e o FAD. Cada uma destas moléculas pode receber dois electrões, transformando-se respectivamente em NADH+H+ e FADH2. Como as quantidades de NAD+ e FAD na célula são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H+ e FADH2 de novo em NAD+ e o FAD. Isto é feito por transferência dos electrões do NADH+H+ e FADH2 para outras moléculas, o que pode ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o facto de um utilizar O2 e o outro não! 
Fermentação 
Na fermentação, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Por exemplo, nos músculos, durante exercício físico intenso, o NADH produzido na glicólise transfere os seus electrões para o piruvato (uma molécula orgânica produzida também pela glicólise), dando origem a lactato. 
(A relação entre a descida do pH dos músculos durante a produção do lactato e a ocorrência de cãibras é discutida em pormenor nestes dois artigos). Esta é a fermentação láctica . Existem muitos outros tipos de fermentação em microorganismos, sendo o mais conhecido a fermentação alcoólica: 
Respiração 
Na respiração, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH2) não é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH2). Existem microorganismos que utilizam como aceitador de electrões SO42-, SeO42- ,NO3-, NO2-, NO, U6+ (urânio), Fe3+, H+, etc. Os mamíferos utilizam O2, e a sua respiração é por isso chamada respiração aeróbica. A respiração aeróbica ocorre na membrana interna da mitocôndria, que contém os complexos proteicos de transferência electrónica. Cada um destes complexos recebe electrões de uma molécula e transfere-os para outra molécula diferente, e o conjunto chama-se por isso cadeia transportadora de electrões: 
· NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois electrões do NADH+H+ e transfere-os através de agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica a ubiquinona (Q), que se transforma então em ubiquinol (QH2). Neste complexo a transferência de electrões para a ubiquinona liberta energia suficiente para transportar protões (H+) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à matriz. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui) 
· sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois electrões para uma molécula de FAD, que é reduzida a FADH2. Posteriormente estes electrões são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui) 
· citocromo bc1 ou complexo III. Recebe os electrões do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui). 
· citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro electrões para o O2, reduzindo-o a duas moléculas de água. Estes electrões provêm de outras tantas moléculas de citocromo c. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui) 
Nos complexos I, III e IV a transferência electrónica liberta energia suficiente para transportar H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H+ (e do potencial eléctrico) no espaço intermembranar, i.e. um maior potencial químico do H+ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se têm duas soluções de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor (o que, para uma substância sem carga eléctrica, é equivalente a mover-se dos locais de maior concentração para os de menor concentraçao). 
No entanto, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H+, em condições normais a única forma destes protões voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas partes: um canal intermembranar de protões (F0) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F1). A porção F1 é constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de protões de volta à matriz para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi. 
A quantidadede ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H+ através da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de protões da matriz para o espaço intermembranar em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH2 só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV) a quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH2. São produzidos quase 3 ATP por NADH e quase 2 ATP por cada FADH2. 
O NADH não consegue atravessar a membrana da mitocôndria. Existem por isso processos para transferir os electrões do NADH produzido no citoplasma durante a glicólise para a cadeia transportadora de electrões. Estes são: 
 o vaivém do malato-aspartato (que também é importante na gluconeogénese: o NADH transfere os seus electrões ao oxaloacetato. Este transforma-se em malato, que pode entrar na mitocôndria, onde é novamente transformado em oxaloacetato, com formação de NADH dentro da mitocôndria. Este NADH transfere então os seus electrões para a cadeia transportadora de electrões através do complexo I. Neste caso produzem-se aproximadamente 3 ATP por cada NADH citoplasmático. 
o vaivém do glicerol-3-P. Neste vaivém, que é muito activo no tecido adiposo castanho, o NADH citoplasmático transfere os seus electrões à dihidroxiacetona-fosfato (DHAP), que é um intermediário da glicólise. Esta transforma-se em glicerol-3-P, que pode doa os seus electrões à ubiquinona através de uma glicerol-3-P desidrogenase situada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso produzem-se aproximadamente 2 ATP por cada NADH citoplasmático. 
É possível ocorrer respiração mitocondrial sem produção de ATP: basta arranjar uma forma de fazer com que os protões regressem à matriz sem passarem pela ATP sintetase. Isto pode ser feito com ionóforos: moléculas lipossolúveis com capacidade de transportar iões. São produzidas p. ex. por plantas, para se defenderem de fungos parasitas. No tecido adiposo castanho, existe uma proteína (a termogenina) que funciona como canal de protões na membrana interna da mitocôndria: o regresso dos protões à matriz através dessa proteína em vez da ATP sintetase é responsável pela geração de calor característica deste tipo de tecido.