Fosforilação Oxidativa

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A fosforilação oxidativa é responsável pela 
maior parte do ATP sintetizado por 
organismos. Ela é formada por dois 
componentes: a cadeia de transporte de 
elétrons e a quimiosmose. 
Na cadeia de transporte de elétrons, esses 
passam de uma molécula pra outra e essa 
energia liberada é usada para a formação de 
um gradiente eletroquímico. 
Na quimiosmose, a energia armazenada no 
gradiente é usada pela ATP-sintase para a 
síntese de ATP. 
O oxigênio fica no final do processo da cadeia 
de transporte, aceitando os elétrons e 
prótons para formar água. Ou seja, é 
importante ressaltar que há uma 
dependência entre o transporte de elétrons 
e a produção de ATP. 
 
 
 
 
 
A membrana mitocondrial externa é 
permeável a moléculas pequenas e íons. A 
membrana mitocondrial interna é 
impermeável à maioria das moléculas 
pequenas e íons, incluindo prótons (H+). 
A maioria dos elétrons surgem nas vias 
catabólicas pela ação das desidrogenases, 
que os catalisam para os transportadores 
de elétrons (NAD+ e FAD). 
RELEMBRANDO: As enzimas desidrogenases 
ligadas ao NAD removem dois átomos de H 
dos seus substratos, um é liberado como H+ 
no meio e o outro é transferido para o NAD 
como íon hidreto = NADH. 
Já o FAD pode aceitar um elétron = semi-
quinona ou dois elétrons = FADH2. 
PS: Lembrar que o FAD possui um potencial 
de redução maior que o NAD – aceita mais 
elétrons numa oxirredução. 
A cadeia transportadora de elétrons é uma 
série de proteínas e moléculas orgânicas 
encontradas na membrana interna. Os 
elétrons passam por ela por meio de 
reações redox. 
Além do NAD e das flavoproteínas, existem 
outras moléculas carreadoras de elétrons 
que funcionam na cadeia respiratória: 
• Ubiquinona: Pode atuar na junção 
entre um doador de dois elétrons ou 
aceptor de um elétron; Ela é capaz de 
movimentar redutores equivalentes 
na membrana e de desempenhar 
papel central no acoplamento do fluxo 
de elétrons ao movimento de prótons. 
• Citocromo: São proteínas com 
absorção forte à luz visível; Os 
citocromos do tipo a e b e alguns do 
tipo c são proteínas integrais da 
membrana interna. 
• Proteínas ferro-enxofre: Participam 
de transferências de um elétron. 
COMPLEXOS ENZIMÁTICOS 
Os carreadores de elétrons atuam em 4 
complexos multienzimáticos. 
OBS: Todos os elétrons que entram na 
cadeia de transporte vêm das moléculas de 
NADH e FADH2 produzidas lá no início: 
glicólise, oxidação do piruvato e ciclo de 
Krebs. 
 Complexo I: Catalisa a transferência 
de elétrons para a ubiquinona através 
de NADH. Nesse complexo há a 
transferência exergônica para a 
ubiquinona de um íon hidreto do NADH 
e de um próton da matriz e a 
transferência endergônica de 4 
prótons da matriz para o espaço 
intermembrana – Matriz fica 
carregada negativamente e o espaço 
fica positivamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 Complexo II: Acopla a oxidação do 
succinato em um sítio com a redução 
da ubiquinona em outro sítio. O FADH2 
transfere seus elétrons para as 
proteínas de ferro-enxofre dentro 
do complexo II, que por sua vez 
passam os elétrons para a ubiquinona 
(Q), o mesmo transportador que 
coleta os elétrons do complexo I. Esse 
processo não é acompanhado de 
bombeamento de prótons. 
 
 
 
 
 
 
 
OBS: O heme b do complexo II pode servir 
para reduzir a frequência com que elétrons 
“vazem” para fora do sistema, movendo-se 
ao oxigênio molecular formando ERO – 
espécies reativas de oxigênio. A produção de 
ERO pode ser dada pelas mitocôndrias não 
estarem produzindo ATP e uma alta razão 
NADH/NAD+ na matriz, causando estresse 
oxidativo. 
Embora os níveis altos de ERO seja 
prejudicial, níveis baixos podem indicar um 
sinal que reflete hipoxia, desencadeando 
ajustes metabólicos. 
 Complexo III: A ubiquinona é reduzida 
formando QH2 e atravessa a 
membrana entregando os elétrons ao 
complexo III. Os elétrons percorrem o 
III, até serem “entregues” para o 
citocromo C. Nesse complexo há o 
bombeamento de prótons da matriz 
para o espaço intermembranar, 
contribuindo para o gradiente de 
concentração de H+. 
 Complexo IV: O cit C vai carregar os 
elétrons até o complexo IV. Lá eles 
passam por mais 2 citocromos em 
que no segundo transfere os elétrons 
para o O2, dividindo e formando duas 
moléculas de água. Os prótons usados 
para formar água vêm da matriz, 
contribuindo para o gradiente de H+ e 
o complexo IV também bombeia 
prótons (2) da matriz para o espaço 
intermembranar. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Respirassomos: Combinações funcionais de 
dois ou mais compostos de transferência de 
elétrons diferentes. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
OBS: Alguns elétrons entram nessa cadeia 
de carreadores por vias alternativas. 
O NADH e o FADH2 passam seus elétrons 
para a cadeia de transporte, voltando a ser 
NAD+ e FAD. Isso é importante porque as 
formas oxidadas destes carreadores de 
elétrons são usadas na glicólise e no ciclo de 
ácido cítrico, portanto precisam estar 
disponíveis para que esses processos 
funcionem. 
A energia eletroquímica devido à diferença 
na concentração de prótons e à separação 
de cargas representa uma conservação de 
energia da transferência de elétrons = 
força próton-motriz. 
Quando os prótons fluem a favor do seu 
gradiente eletroquímico, possibilitam energia 
para realizar trabalho. Essa energia, 
impulsiona a síntese de ATP pela ATP-
sintase. 
O fluxo de elétrons é acompanhado pela 
transferência de prótons através da 
membrana, produzindo um gradiente químico 
e um elétrico. Assim, pela impermeabilidade 
da membrana, os prótons só podem 
retornar a matriz por meio de um canal 
específico (Fo). A força motriz que direciona 
os prótons de volta a matriz proporciona a 
energia necessária para a síntese de ATP, 
catalisada pelo complexo F1, associado ao Fo. 
A ATP-sintase tem dois componentes: O Fo 
– proteína periférica – e F1 – proteína 
integral da membrana. 
É necessária a presença de um substrato 
oxidável para que haja a síntese de ATP. Com 
isso, o substrato é oxidado, o O2 é consumido 
e o ATP sintetizado. Ou seja, o consumo de 
O2 e a síntese de ATP dependem, não 
somente de ADP + Pi mas também de um 
substrato oxidável. 
OBS: Embora a ATP-sintase equilibre o ATP 
com ADP+Pi, na ausência de um gradiente de 
prótons, o ATP recém sintetizado não deixa 
a superfície da enzima. 
Inibidores da transferência de elétrons 
bloqueiam a síntese de ATP e o contrário 
ocorre também, a inibição da síntese de ATP 
bloqueia a transferência de elétrons. 
 
 
 
 
 
 
 
A adição de venturicidina ou oligomicina, 
inibidores da ATP-sintase, bloqueia a síntese 
de ATP e a respiração. Dinitrofenol (DNP) é 
um desacoplador, permitindo que a 
respiração continue sem a síntese de ATP. 
Quando o fluxo de prótons para dentro da 
matriz através do canal proteico da ATP-
sintase é bloqueado (p. ex., com oligomicina), 
não existe nenhum caminho para o retorno 
dos prótons para a matriz, e a extrusão 
continuada de prótons da matriz governada 
pela atividade da cadeia respiratória gera um 
grande gradiente de prótons. 
 
 
 
 
 
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. Alguns 
compostos químicos causam o 
desacoplamento sem romper a estrutura 
mitocondrial. 
Estas proteínas são apenas canais que 
permitem que os prótons passem do espaço 
intermembranar para a matriz sem passar 
pela ATP sintase. Ao criar uma rota 
alternativa para prótons voltarem para a 
matriz, as proteínas de desacoplamento 
permitem que a energia do gradiente seja 
dissipada na forma de calor. 
ROTAÇÃO DA ATP-SINTASE 
A catálise rotacional é um mecanismo em 
que os 3 sítios ativos da F1 se revezam 
catalisando a síntese de ATP. Essas 
mudanças são desencadeadas pela 
passagem de prótons pela porção Fo daATP-sintase. 
A cada momento, um desses sítios está na 
conformação beta-ATP – se liga 
fortemente ATP – o outro na beta-ADP – 
ligação frouxa – e o outro beta-vazio – 
ligação muito frouxa o que resulta no ATP 
deixando a superfície da enzima. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
LANÇADEIRAS 
Como o NADH gerado pela glicólise no citosol 
pode ser reoxidado em NAD+ pelo O2, se a 
membrana interna é impermeável a ele? 
Existem sistemas de lançadeiras que 
carregam equivalentes redutores de NADH 
citosólico para as mitocôndrias por uma via 
indireta. 
A lançadeira de NADH, que funciona no 
fígado, rim e coração é a do malato-
aspartato. 
 O NADH no citosol entra no espaço 
intermembrana por aberturas na 
membrana externa (porinas), então passa 
dois equivalentes redutores ao oxaloacetato, 
produzindo malato. O malato cruza a 
membrana interna via transportador de 
malato-a-cetoglutarato. Na matriz, o malato 
passa dois equivalentes redutores ao NAD+, 
e o NADH resultante é oxidado pela cadeia 
respiratória; o oxaloacetato formado a 
partir do malato não pode passar 
diretamente para o citosol. O oxaloacetato 
é primeiro transaminado a aspartato e o 
aspartato pode sair via transportador de 
glutamato-aspartato. O oxaloacetato é 
regenerado no citosol, completando o ciclo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
A lançadeira do músculo esquelético e do 
encéfalo é a glicerol-3-fosfato. 
No citosol, di-hidroxiacetona-fosfato aceita 
dois equivalentes redutores do NADH em 
uma reação catalisada pela glicerol-3-
fosfato-desidrogenase citosólica. Uma 
isoenzima da glicerol-3-fosfato-
desidrogenase ligada à face externa da 
membrana interna transfere então dois 
equivalentes redutores do glicerol-3-fosfato 
no espaço intermembrana para a ubiquinona. 
Esta transferência não envolve sistemas de 
transporte de membrana. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A fosforilação oxidativa produz a maior 
parte de ATP produzido em células aeróbicas 
(cerca de 30 ou 32 ATP). Sendo assim, é 
necessária a regulação da produção de ATP 
parar que haja o ajuste das necessidades 
celulares. 
 
 
 
A taxa da respiração é limitada pela 
disponibilidade de ADP como substrato para 
a fosforilação. 
A concentração intracelular de ADP é uma 
medida do estado energético das células. 
Quando aumenta a taxa de algum processo 
que requer energia, aumenta a taxa de 
quebra de ATP em ADP e Pi. Assim, com mais 
ADP disponível, a taxa de respiração 
aumenta, causando a regeneração do ATP. 
Ou seja, o ATP é formado tão rápido quanto 
é usado nas atividades celulares que 
requerem energia. 
Quando uma célula está em hipóxia, a 
transferência de elétrons para o oxigênio 
fica mais lenta, da mesma forma que o 
bombeamento de prótons. Nessas 
condições, a ATP-sintase poderia operar ao 
contrário, hidrolisando o ATP produzindo pela 
glicólise para bombear prótons para fora, 
causando uma queda alta nos níveis de ATP. 
Essa condição é evitada pelo IF1, que nesses 
casos, se liga simultaneamente a duas 
moléculas de ATP-sintase, inibindo sua 
atividade ATPásica. 
Em condições de hipoxia, a glicólise se torna 
a principal fonte de ATP. Assim o ácido 
láctico formado diminui o pH no citosol e na 
matriz mitocondrial. Dessa forma, ocorre a 
dimerização do IF1, levando uma inibição da 
atividade da ATP-sintase impedindo a 
hidrólise desnecessária de ATP. 
REGULAÇÃO DAS VIAS QUE PRODUZEM ATP 
As concentrações de ATP e ADP 
estabelecem a velocidade de transporte de 
elétrons pela cadeia respiratória, por uma 
série de controles interconectados sobre a 
respiração, a glicólise e o ciclo do ácido 
cítrico.