Fosforilação Oxidativa

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- É o ponto mais elevado do metabolismo produtor de 
energia em organismos aeróbios. Todos os passos 
oxidativos na degradação de carboidratos, gorduras e 
aminoácidos convergem para esse estágio final da 
respiração celular, onde a energia da oxidação governa a 
síntese de ATP; 
- Em eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre nas 
mitocôndrias. O entendimento atual sobre a síntese de 
ATP nessas organelas tem como base a 
 de que diferenças 
transmembrana na concentração de prótons servem de 
reservatório/estoque para a energia extraída das 
reações biológicas da oxidação; 
 
A expulsão de prótons pelas bombas presentes na membrana 
mitocondrial interna (fluxo de elétrons por carreadores) gera um 
gradiente de prótons que será aproveitado pela ATP-sintase para 
a produção de ATP; 
A fosforilação oxidativa envolve (1) o fluxo de elétrons 
por meio de uma cadeia de transportadores da 
membrana; (2) a energia livre que se torna disponível por 
esse fluxo de elétrons “montanha abaixo” (exergônico) é 
acoplada ao transporte “montanha acima” de prótons 
através de uma membrana impermeável a prótons, 
conservando a energia livre da oxidação do combustível 
na forma de um potencial eletroquímico transmembrana; 
(3) o fluxo transmembrana de retorno dos prótons a 
favor de seu gradiente de concentração por canais 
proteicos específicos fornece a energia livre para a 
síntese de ATP, catalisada por um complexo proteico 
presente na membrana (ATP-sintase), que acopla o fluxo 
de prótons à fosforilação do ADP; 
- O NADH (reduzido) cede elétrons para o NAD+ (oxidado) 
e esses elétrons são repassados para o oxigênio, gerando 
água: ½O2 + NADH + H+ ⇄ H2O + NAD+; 
 
- As mitocôndrias têm duas membranas: a membrana 
mitocondrial externa é prontamente permeável a 
moléculas pequenas e a íons, que se movem livremente 
por canais transmembrana, formados por uma família de 
proteínas integrais de membrana chamadas de porinas. 
A membrana interna é impermeável à maioria das 
moléculas pequenas e dos íons, incluindo prótons (H+); as 
únicas espécies que cruzam a membrana o fazem por 
meio de transportadores específicos. A membrana 
interna aloja os componentes da cadeia respiratória e a 
ATP-sintase; 
- A matriz mitocondrial, delimitada pela membrana 
interna, contém o complexo da piruvato-desidrogenase e 
as enzimas das diversas vias de oxidação (exceto a 
glicólise, que ocorre no citosol). A permeabilidade seletiva 
da membrana interna segrega os intermediários e as 
enzimas das vias metabólicas citosólicas daqueles dos 
processos metabólicos que ocorrem na matriz; 
 
- 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 (NAD+ e FAD). Desidrogenases ligadas ao 
NAD+ removem dois átomos de hidrogênio de seus 
substratos. Um deles é transferido como íon hidreto ao 
NAD+, o outro é liberado como H+ no meio. O NADH 
carrega elétrons das reações catabólicas até seu ponto 
de entrada na cadeia respiratória, o complexo da NADH-
desidrogenase; 
- 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; 
- 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 (também chamada de coenzima Q, ou 
simplesmente Q) 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 são proteínas com absorção 
caracteristicamente forte de luz visível, devido aos seus 
grupos prostéticos heme contendo. As mitocôndrias têm 
três classes de citocromos, designados a, b e c, 
distinguidos por diferenças em seus espectros de 
absorção de luz. 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; 
- 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; 
 
Cada grupo consiste em 4 anéis de 5 membros contendo 
nitrogênio, em uma estrutura cíclica chamada porfirina. Os quatro 
átomos de nitrogênio estão coordenados com um íon central de Fe, 
Fe2+ ou Fe3+. O sistema conjugado de ligações duplas (sombreado 
em cor salmão) do anel de porfirina tem elétrons deslocados que, 
de forma relativa, são facilmente excitados por fótons com 
comprimentos de onda da luz visível, o que explica a forte absorção 
de luz por estes hemes na faixa visível do espectro; 
- Em , 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. 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; 
 
Na reação global catalisada pela cadeia respiratória 
mitocondrial, os e- se movem do NADH, succinato ou 
outro doador primário de e-, por flavoproteínas, Q, 
proteínas Fe-S e citocromos e, finalmente, ao O2; 
- Os carregadores de elétrons da cadeia respiratória são 
organizados em complexos enzimáticos inseridos dentro 
da membrana. Os complexos I e II catalisam a 
transferência de elétrons para a ubiquinona a partir de 
dois doadores de elétrons diferentes: NADH (complexo I) 
e succinato (complexo II); 
- O , também chamado de NADH-ubiquinona-
oxidorredutase, NADH-redutase ou NADH-desidrogenase, 
é uma enzima grande, composta por 42 cadeias 
diferentes de polipeptídeos, incluindo uma flavoproteína 
contendo FMN e pelo menos seis centros de ferro-
enxofre. Tem formato de L, com um braço do L na 
membrana e o outro se estendendo para a matriz. O 
complexo I catalisa dois processos simultâneos e 
obrigatoriamente acoplados: (1) a transferência 
exergônica para a ubiquinona de um íon hidreto do NADH 
e de um próton da matriz, expressa por: 
 
e (2) a transferência endergônica de quatro prótons da 
matriz para o espaço intermembrana. O complexo I é, 
portanto, um bombeador de prótons que utiliza a energia 
da transferência de elétrons, e a reação que ele catalisa 
é vetorial: ela move prótons em uma direção específica 
de um local (a matriz, que se torna negativamente 
carregada com a saída dos prótons) a outro (o espaço 
intermembrana, que se torna positivamente carregado); 
 
- O , também chamado succinato-
desidrogenase, é a única enzima do ciclo do ácido cítrico 
ligada à membrana. Ele retira elétrons do succinato (o 
oxida para formarfumarato) e os entrega para o FAD, 
gerando FADH2, que repassa esses elétrons para grupos 
de ferro que, por sua vez, repassam para ubiquinona, a 
qual é transformada em ubiquinol; 
 
- O , também chamado de complexo de 
citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c-oxidorredutase, 
é uma enzima intermembrana transportadora de 
elétrons oriundos dos complexos 1 e 2, os repassando 
para o complexo 4; 
 
- O , também chamado de complexo de 
citocromo-oxidase, recebe elétrons vindos do citocromo 
C no espaço intermembrana e os repassa para o oxigênio 
molecular, gerando água; 
 
 
Características dos carregadores de elétrons; 
O NADH (proveniente em sua maioria do ciclo de Krebs) 
doa seu par de elétrons para o complexo I. Já o complexo 
II recebe os elétrons vindos do FADH2. Ambos os pares 
são transportados na forma de coenzima Q reduzida 
(ubiquinol), que se encaminha para o complexo III, o qual, 
por sua vez, entrega os elétrons para o citocromo C (o 
reduz). Esse citocromo repassa os elétrons (um por vez) 
para o complexo IV (o citocromo é oxidado e o complexo 
é reduzido) e, finalmente, para o oxigênio; 
- A cadeia transportadora de elétrons foi desvendada 
com o uso de bloqueadores do transporte de elétrons: a 
retenona e amital bloqueiam o fluxo de e- do complexo I 
para a ubiquinona; a antimicina impede o fluxo de e- do 
ubiquinol para o complexo III; CN-, N3- e CO bloqueiam o 
fluxo de e- do complexo IV para o oxigênio; 
 
Os complexos 1, 3 e 4 são bombas de prótons (à medida que 
repassam elétrons, expulsam prótons para o espaço 
intermembrana, gerando um gradiente de prótons: o meio externo 
é mais ácido do que o interior da mitocôndria). O complexo 2 é 
apenas uma enzima transportadora de elétrons. Complexos 1 e 3 
expulsam 4p cada, complexo 4 expulsa 2p: e- vindos do NADH 
liberam ao todo 10p (maior capacidade de produção de ATP – 2,5), 
enquanto e- vindos do FADH2 liberam 6p (1,5 ATP); 
- A fosforilação é acoplada à respiração: o controle da 
respiração e da produção de ATP é feito pela 
disponibilidade de ADP (os elétrons são transferidos para 
o O2 somente se o ADP for concomitantemente 
fosforilado a ATP);