Fosforilacao oxidativa- Jaleko

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BIOQUÍMICA 
FOSFORILAÇÃO 
OXIDATIVA 
 
 
 
 
 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
 
INTRODUÇÃO 
A fosforilação oxidativa corresponde ao último estágio do metabolismo aeróbi-
co produtor de energia, sendo o ponto de convergência da degradação de car-
boidratos, lipídios e aminoácidos. O processo de oxidação desses compostos 
leva à produção de Acetil-CoA a qual é totalmente oxidada a CO2 no Ciclo de 
Krebs, sendo este o ponto máximo de oxidação dos átomos de carbono que 
compõem carboidratos, proteínas e lipídios. 
Esse processo consiste na redução do O2 e H2O com os elétrons doados pelas 
coenzimas aceptoras de elétrons NADH e FADH2, as quais sofreram redução 
ao longo dos processos de oxidação. A obtenção de energia na forma de ATP 
dá-se a partir do fluxo desses elétrons por uma cadeia de transportadores liga-
dos à membrana mitocondrial interna. 
A OXIDAÇÃO DAS COENZIMAS 
A reoxidação das coenzimas é de extrema importância pois, ao voltar à forma 
oxidada, estas podem participar novamente das vias de degradação dos nutri-
entes. Além disso, é através desse processo que a energia nelas conservada 
pode ser reaproveitada pelas células a partir da síntese de ATP. 
Como anteriormente mencionado, o processo de oxidação das coenzimas acep-
toras de elétrons ocorre pela transferência destes elétrons ao oxigênio. Ao re-
ceber o elétron, o oxigênio se liga a prótons presentes no meio, formando H2O. 
A diferença de potenciais de óxido-redução entre a coenzima reduzida e o oxi-
gênio faz com que neste processo seja liberada grande quantidade de energia 
que será designada para a produção de ATP. No entanto, caso os elétrons das 
coenzimas fossem passados diretamente ao oxigênio, essa energia seria dissi-
pada na forma de calor, inutilizável pela célula. Sendo assim, a estratégia ado-
 
 
 
 
 
tada para aproveitar essa energia consiste em transformá-la em um gradiente 
de prótons. 
CADEIRA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS 
A obtenção do gradiente de prótons é conseguida pela transferência indireta 
dos elétrons das coenzimas para o oxigênio através da passagem por vários 
compostos que constituem uma cadeia transportadora de elétrons. 
Os compostos constituintes da cadeia são posicionados de forma crescente de 
acordo com seus potenciais de óxido-redução. Desta forma, os elétrons partem 
da coenzima reduzida – que apresenta potencial de óxido-redução menor que 
os componentes da cadeira – e percorrem uma sequência de transportadores 
com potenciais crescentes até chegarem ao oxigênio, que apresenta o maior 
potencial. 
Ao mesmo tempo que ocorre o fluxo de elétrons, é estabelecida uma diferença 
de concentração de prótons de cada um dos lados da membrana onde ocorre o 
transporte (gradiente de prótons). A energia contida neste gradiente é, então, 
utilizada na fosforilação do ADP, formando ATP, e, por utilizar a energia deri-
vada da oxidação de coenzimas, é denominada fosforilação oxidativa. 
Os componentes da cadeia transportadora de elétrons organizam-se na mem-
brana mitocondrial interna em quatro complexos (I, II, III, IV). Além destes, dois 
importantes componentes estão dispostos para conectar os complexos entre si: 
coenzima Q (CoQ) que conecta os Complexos I e II ao Complexo III, e o Cito-
cromo C que conecta o Complexo III ao Complexo IV. 
Com exceção da coenzima Q, todos os outros componentes do transporte de 
elétrons são proteínas que estão associados a grupos prostéticos como FAD, 
FMN (flavina mononucleotídeo) e centros ferro-enxofre. 
A transferência de elétrons pelos quatro complexos, além do CoQ e do citocro-
mo c, é possível pois todos eles são capazes de ser reduzidos e oxidados. As-
 
 
 
 
 
sim, ao receberem um elétron do componente anterior da cadeia, reduzem-se; 
transferindo o elétron para o componente seguinte, oxidam-se e estão aptas a 
receber elétrons novamente. 
Os centros ferro enxofre (Fe-S), presentes nos três primeiros Complexos, são 
formados de íons ferro e enxofre podendo apresentar-se em diversas configu-
rações. Sua ligação às cadeias polipeptídicas se dá através de ligação de resí-
duos de cisteína. Os centros Fe-S atuam unicamente transportando os elétrons 
recebidos pelo íon Fe cuja valência é alterada de Fe3+ para Fe2+. Os prótons não 
são recebidos pelos centros Fe-S, sendo transferidos da membrana interna da 
mitocôndria para o espaço intermembranas, criando uma diferença de concen-
tração de prótons entre esses espaços e o chamado gradiente de prótons. 
COMPLEXO I 
Também chamado de NADH-coenzima Q redutase, o Complexo I está associa-
do a uma molécula de FMN e 6 ou 7 centros ferro-enxofre. A FMN se comporta 
como a FAD, sendo capaz de receber 2 prótons e 2 elétrons, passando a forma 
reduzida (FMNH2). 
O doador de elétron para a redução de FMN é o NADH proveniente de reações 
metabólicas anteriores, como por exemplo: oxidação de glicealdeído-3-fosfato 
(glicólise), conversão do piruvato a Acetil-CoA, isocitrato, alfa cetoglutarato e 
malato (Ciclo de Krebs) etc. 
 NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2 
Assim, os elétrons do FMNH2 são transferidos para os centros Fe-S até deixa-
rem o Complexo I, sendo entregues à Coenzima Q. Os prótons provenientes de 
NADH+ são transferidos para o espaço intermembranas. 
 
 
 
 
 
 
 
COMPLEXO II 
 
Também chamado de succinato-coenzima Q redutase, o Complexo II conta 
com a participação da enzima succinato desidrogenase, a única enzima do Ci-
clo de Krebs presente na membrana e não na matriz mitocondrial. Essa enzima 
catalisa a reação de formação do fumarato a partir do succinato com a conse-
quente redução do FAD, que passa a ser FADH2. 
Além desta enzima, também participam do Complexo II alguns centros Fe-S e o 
citocromo b560, pelos quais passam os elétrons provenientes do FADH2 até 
estes serem doados à coenzima Q. 
Ao contrário do que ocorre no Complexo I, os prótons do FADH2 são devolvidos 
à matriz mitocondrial e, portanto, não contribuem para a formação do gradiente 
de prótons. 
COENZIMA Q 
Também chamada de ubiquinona, a Coenzima Q apresenta características hi-
drofóbicas que permitem sua mobilidade pela membrana. Ela é capaz de rece-
ber 2 prótons e 2 elétrons, passando a forma reduzida (ubiquinol), sendo os 
elétrons provenientes dos Complexos I e II. 
Outras vias de transferências de elétrons também utilizam a Coenzima Q, como 
no metabolismo dos trigacilgliceróis. Neste caso, o substrato é oxidado por uma 
desidrogenase, que é uma flavoproteína, com consequente redução de FAD a 
FADH2. 
Os elétrons de diferentes procedências, seja do Complexo I, Complexo II ou das 
flavoproteínas, percorrem um caminho comum até o oxigênio a partir da Coen-
zima Q do qual fazem parte centros de Fe-S, átomos de cobre e vários citocro-
mos. 
 
 
 
 
 
 
CITOCROMOS 
Os citocromos são proteínas transportadoras de elétrons que contêm heme 
como grupo prostético, podendo ser do grupo a, b ou c. O íon ferro, presente no 
grupo heme, é responsável pela transferência de elétrons destas proteínas ao 
alternarem entre os estados de oxidação Fe2+ e Fe3+. 
O citocromo c é uma proteína solúvel periférica, ao contrário dos outros cito-
cromos, que são proteínas transmembrana, e está situado na face externa da 
membrana mitocondrial interna. Seu pequeno tamanho e mobilidade permitem-
lhe cumprir sua função de conectar o Complexo III ao Complexo IV. 
COMPLEXO III 
Também chamado citocromo C oxi-redutase, o Complexo III é constituído por 
dois citocromos b, por um centro Fe-S e pelo citocromo c. A transferência dos 
elétrons da Coenzima Q para os componentes do Complexo III e deste para o 
citocromo c são acompanhadas de movimento de prótons: os citocromos e os 
centros Fe-S recebem apenas elétrons enquanto os prótons presentes na co-
enzima Q reduzida são liberados no espaço intermembrana. 
COMPLEXO IV 
Também chamado de citocromo c oxidase, o Complexo IV é composto por dois 
citocromos do tipo a e dois íons cobre,cada um deles associado a um citocro-
mo. Os íons cobrem participam do transporte de elétrons pois, assim como os 
íons Fe, alteram seu estado de oxidação Cu2+ e Cu1+. 
O complexo IV é responsável pela doação de quatro elétrons para a molécula 
de oxigênio, que, ligando-se a prótons do meio, converte-se em 2 moléculas de 
H2O, a chamada “água metabólica”. 
 
 
 
 
 
A retirada de prótons da matriz mitocondrial contribui para o estabelecimento 
do gradiente de prótons. Além disso, o Complexo IV bombeia ativamente pró-
tons para o espaço intermembrana, contribuindo ainda mais para o gradiente. 
 
FONTE: NELSON, D.L. & COX, M. M. Princípios da Bioquímica de Lehninger, 6ª edição, Porto 
Alegre: Artmed, 2014. 
 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
A fosforilação oxidativa funciona com base no chamado Modelo Quimiosmótico 
descrito por Peter Mitchell. A energia derivada do transporte de elétrons é con-
vertida em uma força próton motriz que bombeia os prótons para o exterior da 
matriz mitocondrial (contragradiente), conferindo um processo endergônico. A 
diferença de concentração de prótons entre os meios estabelece uma diferença 
de pH entre a matriz e o exterior, que, somada ao gradiente elétrico, geram um 
potencial de membrana da ordem de 0,1 a 0,2 V. A energia conservada nesse 
gradiente eletroquímico é chamada de força próton motriz. 
O movimento dos prótons de volta ao interior da matriz mitocondrial é um pro-
cesso passivo, a favor do gradiente eletroquímico, que libera energia (força pró-
ton motriz) capaz de levar à síntese de ATP. A membrana interna é impermeá-
vel aos prótons, de modo que não podem voltar a matriz sem a ajuda dos sítios 
 
 
 
 
 
específicos da membrana interna constituídos pelo complexo sintetizador de 
ATP: a ATP sintase. 
A ATP SINTASE 
A ATP Sintase é uma ATPase do tipo F que catalisa a formação de ATP a partir 
de ADP e Pi. É constituída de duas porções, cada uma delas formada por várias 
cadeias polipeptídicas. A porção esférica, chamada fator de acoplamento (F1), 
contém os sítios de síntese de ATP. A outra porção, chamada FO (sensível à 
oligomicina), forma um canal embebido na membrana interna através do qual 
os prótons retornam à matriz mitocondrial. 
A ATP Sintase é o único ponto da membrana permeável aos prótons, cuja con-
centração no espaço intermembrana é maior do que na matriz mitocondrial. 
Logo, a volta dos prótons ao interior da mitocôndria é termodinamicamente fa-
vorável. Cerca de 50kJ.mol-1 são consumidos para síntese de ATP, logo, estima-
se que seja necessária a passagem de quatro prótons pela ATP sintase para 
cada ATP sintetizado. 
Essa ATPase apresenta três sítios catalíticos idênticos que podem se apresen-
tar, cada um, em três conformações distintas: aberta (open), frouxa (loose), 
apertada (tight). Antes do início de um novo ciclo catalítico, cada um dos três 
sítios apresenta-se em uma conformação, estando o primeiro deles no estado 
aberto, o segundo frouxo e o terceiro apertado, contendo este um ATP sinteti-
zado referente do ciclo anterior. 
• Etapa 1: Ligação de ADP e Pi ao sítio de conformação frouxa; 
 
• Etapa 2: Alteração conformacional nos três sítios provocada pela passa-
gem de prótons através da porção FO da ATP sintase de modo que o 
primeiro sítio passa para a conformação frouxa, o segundo para a con-
formação apertada e o terceiro para a aberta; 
 
 
 
 
 
 
• Etapa 3: O ATP é sintetizado no sítio onde havia ADP e Pi, que agora 
está na conformação apertada. Assim, o sítio de conformação aberta li-
bera o ATP formado. 
Desse modo, o ciclo termina com o mesmo quadro existente no início, diferen-
ciando apenas pois cada um dos sítios apresenta agora a conformação inicial-
mente exibida pelo sítio anterior. 
O mecanismo de ação da ATP sintase também pode ser explicado pela chama-
da catálise rotacional: a porção F1 é composta por três subunidades beta e 
três subunidades alfa. 
• Etapa 1: Uma subunidade beta começa o processo estando na confor-
mação β-ADP, que liga ADP e Pi do meio; 
 
• Etapa 2: A subunidade então muda de conformação, assumindo a forma 
β-ATP a qual se liga fortemente ao ATP, estabilizando-o; 
 
• Etapa 3: Por fim, a subunidade beta muda para a conformação β-vazia, 
com baixa afinidade pelo ATP. Uma nova rotação se inicia quando a su-
bunidade assume a forma β-ADP. 
 
A força para a rotação da porção FO é conseguida pela passagem de prótons 
do espaço intermembrana à matriz mitocondrial. 
 
 
 
 
 
 
 
FONTE: NELSON, D.L. & COX, M. M. Princípios da Bioquímica de Lehninger, 6ª edição, Porto 
Alegre: Artmed, 2014. 
 
BALANÇO ENERGÉTICO 
Para cada NADH que se oxida, ou seja, para cada par de elétrons transporta-
dos pelos Complexos I, III e IV, há a síntese de 3 ou 2,5 moléculas de ATP. Ao 
passo que, para cada FADH2 oxidado, 2 ou 1,5 molécula de ATP são formadas. 
OBSERVAÇÃO: as literaturas divergem acerca da quantidade de ATP forma-
das para cada coenzima oxidada ao final do processo, mas convergem no fato 
de que a oxidação do NADH resulta em mais ATPs do que a do FADH2. 
Essa conta pode ser explicada pela quantidade de prótons bombeadas para o 
espaço intermembrana a cada NADH ou FADH2 que entra no processo, ou seja, 
a cada par de elétrons transferidas ao oxigênio. A transferência de dois elétrons 
do NADH para o O2 é acompanhada do bombeamento de 10 prótons, ao passo 
que o mesmo processo no caso do succinato, demanda o bombeamento de 6 
prótons. Se 4 prótons devem passar pela ATPase, e adentrar a matriz mitocon-
drial, para que uma molécula de ATP seja formada, podemos dizer que, em 
média, 2,5 ATP são formados para cada NADH e 1,5 ATP é formado para cada 
 
 
 
 
 
FADH. Vale lembrar que os elétrons provenientes do NADH passam por mais 
bombas de prótons do que o FADH. 
O balanço energético para uma molécula de glicose pode ser resumido em: 
• Glicólise: 2 ATP + 2 NADH 8 ATP ou 7 ATP 
 
• Ciclo de Krebs: 2 GTP (ATP) + 8 NADH + 2 FADH2 30 
ATP ou 25 ATP 
Sendo assim, cerca de 38 (em algumas literaturas) ou 32 ATPs (em outras lite-
raturas) são obtidos na oxidação completa de uma molécula de glicose. 
A saída do ATP formado da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana 
ocorre por um transportador chamado adenina nucleotídeo translocase que 
realiza o antiporte de um ATP com um ADP. O fosfato que será acoplado ao 
ADP entra na matriz mitocondrial pelo transportador fosfato translocase que 
realiza o simporte do fosfato com um próton. 
MODULAÇÃO DA FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
Para promover o ajuste da produção de ATP de acordo com a demanda celular 
naquele momento, o transporte de elétrons e a síntese de ATP são intimamente 
acopladas, ou seja, só há oxidação de coenzimas se houver síntese de ATP, e 
vice-versa. Dentre os substratos utilizados no processo, o ADP é o único que 
atinge concentrações limitantes na célula, sendo, assim, o regulador do proces-
so. 
O controle da fosforilação oxidativa depende, então, do balanço energético, ou 
seja, da relação ATP/ADP. Se esta é maior que 1, refletindo um balanço ener-
gético positivo, a cadeira respiratória é freada. Por outro lado, caso a relação 
NADH/NAD esteja maior que 1, refletindo um balanço energético negativo, o 
sistema transportador de elétrons é ativado, de modo que o fluxo de prótons 
pela ATP sintase é acelerado bem como a oxidação das coenzimas. Assim, a 
 
 
 
 
 
 
velocidade das vias que dependem da reciclagem de coenzimas oxidadas pela 
cadeia respiratória também é regulada pela razão ATP/ADP. 
 
FONTE: NELSON, D.L. & COX, M. M. Princípios da Bioquímica de Lehninger, 6ª edição, Porto 
Alegre: Artmed, 2014. 
AS LANÇADEIRAS DE NADH 
A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NAD+ e NADH, o que 
impede que o NADH citosólico seja diretamente oxidado pela cadeia transpor-
tadora de elétrons. Sendo assim, o sistema de lançadeiras consegue driblar a 
impermeabilidade da membrana ao transferiros elétrons do NADH para um 
composto citosólico que, reduzido, é capaz de atravessar a membrana mito-
condrial interna ou que é capaz de transferir esses elétrons para um compo-
nente da membrana. 
LANÇADEIRA DO MALATO ASPARTATO 
Ocorre nas células hepáticas, renais e cardíacas. Nesse processo, o NADH cito-
sólico reduz oxaloacetato na reação catalisada pela malato desidrogenase cito-
 
 
 
 
 
sólica. O malato formado adentra a mitocôndria onde é oxidado pela malato 
desidrogenase mitocondrial, que também utiliza o NAD como coenzima. 
Desse modo, tem-se a produção de um NADH mitocondrial a partir de NADH 
citosólico. O oxaloacetato, por sua vez, não pode atravessar a membrana, mas, 
ao receber um grupamento amino do glutamato, vai à aspartato, o qual atra-
vessa a membrana e, no citosol, regenera o oxaloacetato. 
 
 
FONTE: NELSON, D.L. & COX, M. M. Princípios da Bioquímica de Lehninger, 6ª edição, Porto 
Alegre: Artmed, 2014. 
 
LANÇADEIRA DO GLICEROL-3-FOSFATO 
Ocorre no músculo esquelético e no cérebro. Nesse processo, o NADH citosóli-
co reduz diidroxiacetona fosfato na reação catalisada pela glicerol 3-fosfato 
desidrogenase, formando glicerol 3-fosfato. Este se difunde até a face externa 
da membrana mitocondrial interna onde está localizada outra glicerol 3-fosfato 
 
 
 
 
 
desidrogenase acoplada à FAD. A diidroxiacetona é então regenerada, produ-
zindo FADH2 que entrega seus elétrons à coenzima Q. 
INIBIDORES E DESACOPLADORES 
A inibição da cadeia respiratória consiste no impedimento da transferência de 
elétrons, ao bloquear um dos complexos da cadeia, com consequente queda da 
força próton motriz e da produção de ATP. Um transportador reduzido, incapaz 
de passar adiante seus elétrons, é também incapaz de receber elétrons do 
transportador antecedente. Assim, todos os transportadores da cadeia anterio-
res ao ponto de atuação da droga estarão reduzidos. Além disso, diminui-se o 
consumo de oxigênio já que o transporte de elétrons é freado. 
• Rotenona (inseticida): inibidora do Complexo I 
 
• Malonato: inibidor competitivo da succinato desidrogenase (Complexo II) 
 
• Antimicina A: inibidor do Complexo III 
 
• Cianeto e Monóxido de Carbono: inibidores do Complexo IV 
 
• Oligomicina: bloqueia a porção F0 da ATP sintase 
Os desacopladores podem ser naturais, como as UCP 1 ou termogenina, ou 
artificiais, como o dinitrofenol (DNP). Independentemente do tipo, todos os de-
sacopladores desfazem o gradiente de prótons uma vez que fornecem uma 
alternativa para sua saída até a matriz mitocondrial, de modo que a energia é 
dissipada na forma de calor. A produção de ATP também é reduzida, como no 
caso dos inibidores da cadeia respiratória, mas, ao contrário destes, os desaco-
pladores aumentam o consumo de oxigênio já que a queda na produção de 
ATP (ATP/ADP < 1) estimula a via glicolítica e o Ciclo de Krebs, bem como o 
transporte de elétrons na cadeia respiratória. Dessa forma, a demanda por oxi-
gênio para receber esse fluxo de elétrons é maior. 
	FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
	INTRODUÇÃO
	A OXIDAÇÃO DAS COENZIMAS
	CADEIRA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
	FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
	A ATP SINTASE
	BALANÇO ENERGÉTICO
	MODULAÇÃO DA FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
	AS LANÇADEIRAS DE NADH
	INIBIDORES E DESACOPLADORES