Cadeia Transportadora de Eletrons

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Fosforilação oxidativa 
 
Introdução 
• Introdução à fosforilação oxidativa. A corrente 
de transporte de elétrons forma um 
gradiente de prótons através da membrana 
mitocondrial interna, que leva à síntese do 
ATP via osmose química. 
 
Por que precisamos de 
oxigênio? 
• Você, assim como vários outros organismos, 
precisa de oxigênio para viver. Se você já 
segurou sua respiração por muito tempo, 
deve saber que a falta de oxigênio pode 
causar tonturas ou desmaios, ou até mesmo 
a morte. Mas você já pensou em por que 
isso acontece, ou o que o seu corpo faz 
exatamente com todo esse oxigênio? 
• Você precisa de oxigênio pois suas células 
precisam desta molécula na fosforilação 
oxidativa, a última etapa da respiração celular. 
A fosforilação oxidativa é formada por dois 
componentes estreitamente ligados: a cadeia 
de transporte de elétrons e a quimiosmose. 
Na cadeia de transporte de elétrons, os 
elétrons passam de uma molécula para outra, 
e a energia liberada durante essa 
transferência é usada para formar um 
gradiente eletroquímico. Na quimiosmose, a 
energia armazenada no gradiente é usada 
para formar ATP. 
• E qual será o papel do oxigênio neste 
contexto? O oxigênio fica no final da cadeia 
de transporte de elétrons, onde ele aceita 
elétrons e prótons para formar água. Se o 
oxigênio não estiver lá para aceitar elétrons 
(por exemplo, se a pessoas não estiver 
respirando oxigênio suficiente), o ATP não 
será produzido pela quimiosmose. Sem 
quantidades suficientes de ATP, as células 
não podem realizar reações necessárias para 
seu funcionamento e, após um certo período 
de tempo, podem até morrer. 
• Neste artigo, vamos examinar 
detalhadamente a fosforilação oxidativa, 
vendo como ela fornece a maior parte da 
energia química pronta (ATP) usada pelas 
células do seu corpo. 
 
Visão geral: fosforilação oxidativa 
 
• A cadeia transportadora de elétrons é 
uma série de proteínas e moléculas 
orgânicas encontradas na membrana 
interna da mitocôndria. Os elétrons são 
passados de um componente da cadeia 
transportadora para outro em uma série 
de reações redox. A energia liberada 
nestas reações é capturada na forma de 
um gradiente de prótons, o qual é usado 
para produzir ATP em um processo 
chamado quimiosmose. Juntas, a cadeia 
transportadora de elétrons e a 
quimiosmose formam a fosforilação 
oxidativa. As principais etapas desse 
processo, mostradas de maneira 
simplificada no diagrama acima, incluem: 
↪ Entrega de elétrons por NADH e 
FADH 2. Os carreadores reduzidos 
(NADH e FADH2) das outras etapas da 
respiração celular transferem seus 
elétrons para moléculas próximas ao 
início da cadeia de transporte. No 
processo, eles voltam a ser NAD+ e FAD, 
que podem ser reutilizados em outras 
etapas da respiração celular. 
↪ Transferência de elétrons e 
bombeamento de prótons. Conforme os 
elétrons passam pela cadeia, eles se 
movem de um nível de energia mais alta 
para um de mais baixa, liberando energia. 
Parte dessa energia é usada para 
bombear íons H+, tirando-os da matriz 
celular e jogando-os no espaço 
intermembranar. Esse bombeamento 
estabelece um gradiente eletroquímico. 
↪ Divisão do oxigênio, formando 
água. No final da cadeia de transporte de 
elétrons, os elétrons são transferidos 
para a molécula de oxigênio, que é se 
divide ao meio e se junta ao H+, 
formando água. 
↪ Síntese de ATP causada pelo 
gradiente. Conforme os íons H+ fluem a 
favor do gradiente para a matriz, eles 
passam por uma enzima chamada ATP 
sintase, que aproveita o fluxo de prótons 
para sintetizar ATP. 
• Vamos analisar mais detalhadamente a 
cadeia de transporte de elétrons e a 
quimiosmose nas seções abaixo. 
 
A cadeia de transporte de 
elétrons 
• A cadeia transportadora de elétrons é 
um grupo de proteínas e moléculas 
orgânicas inseridas na membrana, a 
maior parte delas organizadas em quatro 
grandes complexos numerados de I a IV. 
Em eucariontes, muitos exemplares 
dessas moléculas são encontrados na 
membrana mitocondrial interna. Em 
procariontes, os componentes da cadeia 
transportadora de elétrons são 
encontrados na membrana plasmática. 
• Os elétrons ao passarem pela cadeia, 
passam de um nível mais alto de energia 
para outro mais baixo, movendo-se de 
moléculas menos ávidas por elétrons 
para moléculas mais ávidas. Libera-se 
energia nessa transferência 
"descendente" de elétrons, e muitos dos 
complexos de proteínas utilizam a 
energia para bombear prótons da matriz 
mitocondrial para o espaço 
intermembranar, formando um gradiente 
de prótons.. 
 
 
• Todos os elétrons que entram na cadeia de 
transporte vêm das moléculas de NADH e 
FADH2 produzidas durante os primeiros 
estágios da respiração celular: glicólise, 
oxidação do piruvato e do ciclo do ácido 
cítrico. 
• O NADH é um bom doador de elétrons em 
reações redox (ou seja, seus elétrons estão 
em um alto nível de energia), portanto ele 
pode transferir seus elétrons diretamente 
para o complexo I, voltando a ser NAD+. 
Conforme os elétrons percorrem o 
complexo I em uma série de reações redox, 
energia é liberada e o complexo usa essa 
energia para bombear prótons da matriz para 
o espaço intermembranar. 
• O FADH2 não é tão bom doador de elétrons 
quanto o NADH (ou seja, seus elétrons estão 
em um nível de energia mais baixa), então 
não pode transferir seus elétrons para o 
complexo I. Em vez disso, ele os leva pela 
cadeia de transporte até o complexo II, que 
não bombeia prótons através da membrana. 
↪ Por causa desse "atalho", cada molécula 
de FADH2, faz com que menos prótons 
sejam bombeados (e contribui menos ao 
gradiente de próton) do que cada molécula 
de NADH. 
• Complexo I. O NADH transfere seus elétrons 
para o complexo I. O complexo I é muito 
grande, e a parte dele que recebe os 
elétrons é uma flavoproteína, uma proteína 
com uma molécula orgânica chamada 
mononucleótido de flavina (FMN). O FMN é 
um grupo prostético, uma molécula não 
proteica firmemente ligada a uma proteína e 
essencial para a atividade desta, e é o FMN 
que aceita elétrons do NADH. O FMN passa 
os elétrons a outra proteína dentro do 
complexo I, com ferro e enxofre (chamada 
de proteína Fe-S), que transfere os elétrons 
a um pequeno carreador chamado 
ubiquinona (Q, no diagrama acima). 
• Complexo II. Como o NADH, o FADH_22start 
subscript, 2, end subscript deposita seus 
elétrons na cadeia de transporte de elétrons, 
mas o faz pelo complexo II, pulando 
completamente o complexo I. Na verdade, o 
FADH_22start subscript, 2, end subscript faz 
parte do complexo II, assim como a enzima 
que o reduz durante o ciclo de ácido cítrico; 
diferente de outras enzimas do ciclo, ele está 
presente na membrana mitocondrial interna. 
O FADH_22start subscript, 2, end 
subscript 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. 
• Fora dos dois primeiros complexos, os 
elétrons de NADH e FADH2, percorrem 
exatamente a mesma rota. Tanto o 
complexo I quanto o complexo II passam seus 
elétrons para um pequeno e ágil carreador 
de elétrons chamado ubiquinona (Q), que é 
reduzido para formar QH2 e atravessa a 
membrana entregando os elétrons ao 
complexo III. Conforme os elétrons 
percorrem o complexo III, mais íons H+ íons 
são bombeados através da membrana, e os 
elétrons são finalmente entregues a outro 
ágil carreador chamado citocromo C (cit C). O 
cit C carrega os elétrons até o complexo IV, 
onde um último grupo de íons H+ é 
bombeado através da membrana. O 
complexo IV passa os elétrons para o O2, 
que se divide em dois átomos de oxigênio 
que aceitam prótons da matriz, formando 
água. São necessários quatro elétrons para 
reduzir cada molécula de O2 e duas 
moléculas de água são formadas no 
processo. 
• Complexo III. Como o complexoI, o complexo 
III inclui uma proteína de ferro-enxofre (Fe-S), 
mas também contém duas proteínas de um 
outro tipo, conhecidas como citocromos. 
Os Citocromos são uma família de proteínas 
que têm grupos prostéticos heme com íons 
de ferro. (Você já ouviu falar da proteína 
hemoglobina, que transporta oxigênio no 
sangue? A hemoglobina também tem grupos 
heme, mas eles se ligam ao oxigênio em vez 
de aos elétrons.) No complexo III, os elétrons 
são passados de um citocromo a uma 
proteína de ferro-enxofre até um segundo 
citocromo, para finalmente serem 
transferidos para fora do complexo, para um 
carreador de elétrons (o citocromo C). Como 
o complexo I, o complexo III bombeia prótons 
da matriz para o espaço intermembranar, 
contribuindo para o gradiente de 
concentração de H+. 
• Complexo IV. Do complexo III, o citocromo C 
entrega os elétrons para o último complexo 
da cadeia de transporte de elétrons, o 
complexo IV. Lá, os elétrons passam por mais 
dois citocromos, sendo que o segundo tem 
uma função muito interessante: com a ajuda 
de um íon de cobre próximo, ele transfere 
os elétrons para o O2, dividindo o oxigênio 
para formar duas moléculas de água. O 
mecanismos de transferência é muito 
interessante e vale a pena ser estudado, mas 
basicamente o grupo heme e o íon de cobre 
ligam-se firmemente à molécula de oxigênio 
e mantém em posição até que ela seja 
completamente reduzida (ou seja, até que 
tenha recebido elétrons e prótons suficientes 
para formar água). Os prótons usados para 
formar água vêm da matriz, contribuindo para 
o gradiente de H+, e o complexo IV também 
bombeia prótons da matriz para o espaço 
intermembranar. 
 
Funções da cadeia 
transportadora de elétrons 
• Regenera os transportadores de elétrons. 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. 
• Produz um gradiente de prótons. A cadeia de 
transporte produz um gradiente de prótons 
na membrana mitocondrial interna, com uma 
concentração maior de H+ no espaço 
intermembranar e uma concentração menor 
na matriz. Esse gradiente representa uma 
forma armazenada de energia e, como 
veremos, pode ser usado para produzir ATP. 
 
 
Quimiosmose 
• Os Complexos I, III, e IV da cadeia 
transportadora de elétrons são bombas de 
prótons. À medida que os elétrons se movem 
para níveis de energia mais baixos, os 
complexos capturam a energia liberada e a 
utilizam para bombear íons H+ da matriz para 
o espaço intermembranar. Este 
bombeamento forma um gradiente 
eletroquímico através da membrana 
mitocondrial interna. O gradiente é, algumas 
vezes, chamado de força próton-motiva e 
pode-se considerá-lo como uma forma de 
energia armazenada, semelhante a uma 
bateria. 
• Assim como muitos outros íons, prótons não 
são capazes de atravessar diretamente a 
bicamada fosfolipídica da membrana, pois o 
interior desta é muito hidrofóbico. Ao invés 
disso, os íons H+ podem se mover a favor 
de seu gradiente de concentração somente 
com auxílio de proteínas de canal que 
formam túneis hidrofílicos através da 
membrana. 
• Na membrana mitocondrial interna, íons H+ 
têm apenas um canal disponível: uma 
proteína transmembranar conhecida 
como ATP sintase. Conceitualmente, a ATP 
sintase se assemelha a uma turbina de usina 
hidroelétrica. Ao invés de ser acionada pela 
água, ela é acionada pelo fluxo de íons 
H+ movendo-se a favor de seu gradiente 
eletroquímico. À medida que a ATP sintase 
transforma a energia, ela catalisa a adição de 
um fosfato ao ADP, capturando a energia do 
gradiente de prótons na forma de ATP. 
 
• Chama-se este processo, em que a energia 
de um gradiente de prótons é usado para 
fazer ATP, de quimiosmose . Mais 
amplamente, a quimiosmose pode se referir 
a qualquer processo em que a energia 
armazenada em um gradiente de prótons é 
usada para realizar trabalho. Embora a 
quimiosmose seja responsável por mais de 
80% do ATP produzido durante a quebra da 
glicose na respiração celular, ela não é 
exclusiva da respiração celular. Por exemplo, 
a quimiosmose também está envolvida nas 
reações dependentes da luz 
da fotossíntese da luz. 
 
• O que aconteceria com a energia 
armazenada no gradiente de prótons se ela 
não fosse usada para sintetizar ATP ou 
realizar outro trabalho celular? Ele seria 
liberado na forma de calor, e, curiosamente, 
alguns tipos de células usam o gradiente de 
próton especificamente para gerar calor em 
vez de na síntese de ATP. Isso pode parecer 
um desperdício, mas é uma estratégia 
importante dos animais que precisam se 
manter aquecidos. Por exemplo, mamíferos 
que hibernam (como ursos) têm células 
especializadas conhecidas como células 
adiposas marrons. Nas células adiposas 
marrons, proteínas de desacoplamento são 
produzidas e inseridas na membrana 
mitocondrial interna. 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. 
 
Rendimento de ATP 
• Quantos ATPs por glicose são produzidos na 
respiração celular? Se você pesquisar em 
diferentes livros ou perguntar a diferentes 
professores, provavelmente vai obter 
respostas ligeiramente diferentes. No entanto, 
a maioria das fontes atuais estimam que o 
rendimento máximo de ATP por molécula de 
glicose seja cerca de 30-32 ATP. Este 
número é menor do que o de estimativas 
anteriores, porque considera a energia 
necessária para transportar o ADP para 
dentro e o ATP para fora da mitocôndria.. 
• De onde vem o valor de 30-32 ATPs? Dois 
ATPs são produzidos na glicólise, e mais dois 
ATPs (ou seu equivalente energético, GTP) 
são produzidos no ciclo de ácido cítrico. Além 
desses quatro, os ATPs restantes vêm todos 
da fosforilação oxidativa. Com base em vários 
trabalhos experimentais, parece que quatro 
íons H+ devem fluir de volta para a matriz 
através da ATP sintase para fornecer energia 
para a síntese de uma molécula de ATP. 
Quando os elétrons do NADH se movem pela 
cadeia de transporte, cerca de 10 íons H+ são 
bombeados da matriz para o espaço 
intermembranar, então cada NADH rende 
cerca de 2,5 ATPs. Os elétrons do FADH2, 
que entram na cadeia posteriormente, 
impulsionam o bombeamento de apenas 
6H+, resultando na produção de cerca de 1,5 
ATP. 
• Com essa informação, podemos fazer um 
pequeno resumo da quebra de uma molécula 
de glicose: 
 
• Um número nesta tabela ainda não está 
exato: o rendimento do ATP do NADH 
produzido na glicólise. Isto se dá porque a 
glicólise acontece no hialoplasma, e a NADH 
não é capaz de atravessar a membrana 
mitocondrial interna para entregar seus 
elétrons ao Complexo I. Ao invés disso, ela 
precisa transferir seus elétrons para um 
"sistema de transporte" molecular que os 
entrega, através de uma série de etapas, à 
cadeia transportadora de elétrons. 
 
↪ Algumas células do organismo possuem 
um sistema de transporte que entrega 
elétrons para a cadeia transportadora de 
elétrons através da FADH2.. Neste caso, 
apenas 3 ATP são produzidos para os dois 
NADH da glicólise. 
↪ Outras células do organismo possuem 
um sistema de transporte que entrega 
elétrons via NADH, resultando na produção 
de 5 ATP. 
• Em bactérias, a glicólise e o ciclo de ácido 
cítrico ocorrem no citosol, portanto não é 
necessário transporte e 5 ATP são 
produzidos. 
• 30-32 ATP da quebra de uma molécula de 
glicose é uma estimativa para cima e o 
rendimento real pode ser menor. Por 
exemplo, alguns intermediários da respiração 
celular podem ser desviados pelacélula e 
utilizados em outras vias biossintéticas, 
reduzindo o número de ATPs produzidos. A 
respiração celular é um elo de muitas vias 
metabólicas diferentes na célula, que formam 
uma rede maior que a via da quebra da 
glicose isoladamente. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
↪ 
https://pt.khanacademy.org/science/biology/cellular-respiration-and-fermentation/variations-on-cellular-respiration/a/connections-between-cellular-respiration-and-other-pathways