Fosforilação Oxidativa é uma das etapas metabólicas da respiração celular. Acontece apenas na presença de oxigênio (seres aeróbicos), que é necessário para oxidar moléculas intermediárias e participar de reações para formação da molécula de ATP e produzir energia.
O que é a Fosforilação Oxidativa?
Nas primeiras etapas da respiração celular (glicólise e ciclo de Krebs), parte da energia produzida na degradação de compostos é armazenada em moléculas intermediárias, as coenzimas, como o NAD+ e o FAD+.
Essa energia de oxidação das coenzimas é utilizada para a síntese de ATP. Para isso ocorre a fosforilação do ADP, ou seja, ele recebe grupos fosfato. Por isso esse processo é chamado Fosforilação Oxidativa.
É muito importante, entretanto, que as coenzimas sejam reoxidadas, de forma a poderem participar novamente dos ciclos de degradação de nutrientes, doando mais energia para a síntese de ATP.
O processo de fosforilação oxidativa acontece apenas nos seres aeróbios, nos quais o oxigênio faz a reoxidação das coenzimas através de uma cadeia de transporte de elétrons ou cadeia respiratória, como também é chamada.
Leia também:
- ATP
- Mitocôndrias: estrutura, função e importância
- Enzimas
- Respiração Celular
- Metabolismo Celular
Cadeia Transportadora de Elétrons
Muitas reações químicas que produzem energia, a liberam na forma de calor, o que não seria um mecanismo apropriado para as células.
Para resolver essa situação, a estratégia celular é formar um gradiente de prótons e produzir uma molécula “carregadora” de energia chamada ATP. Essa síntese é intermediada por um complexo enzimático chamado ATP-sintase.
O gradiente protônico é formado através da cadeia transportadora de elétrons, que são moléculas que se encontram inseridas na membrana das mitocôndrias, além de dois componentes móveis (coenzima Q e citocromo c). Essas moléculas são organizadas segundo seu potencial de oxirredução.
Portanto, a energia vai sendo liberada aos poucos através dessas moléculas integrantes da cadeia respiratória e somente no final da mesma o hidrogênio se une ao oxigênio formando água.
O saldo energético dessa etapa, ou seja, o que é produzido ao longo de toda a cadeia transportadora de elétrons é de 38 ATPs.
Saiba mais sobre o Metabolismo energético.
Estrutura das Mitocôndrias
- Mitocôndria:
- Organelos de membrana dupla
- Gera energia para a célula na forma de trifosfato de adenosina (ATP)
- Fornece sinais importantes para o corpo e auxiliam na diferenciação celular e morte celular
- Membranas internas e externas envolvem as mitocôndrias:
- Compostas por uma bicamada fosfolipídica e proteína
- Membrana interna:
- Contém proteínas que geram reações necessárias para a ETC (por exemplo, ATP sintase).
- Possui invaginações chamadas cristas, que abrigam complexos respiratórios
- Cristas são dobras que aumentam a área de superfície da membrana interna e efetivamente aumentam a capacidade respiratória das mitocôndrias.
- A membrana interna é permeável apenas ao O2 , CO2 e H2O.
- Matriz: espaço dentro da membrana interna
- Local de proteínas importantes: enzimas e intermediários do ciclo do ácido cítrico e oxidação do piruvato
- Contém o genoma do DNA mitocondrial
- O ADP e o fosfato inorgânico (P i ) são especificamente transportados para a matriz à medida que o ATP recém-sintetizado é transportado para fora.
- Membrana externa: contém porinas que permitem a difusão de iões e metabolitos
- A passagem de metabolitos, como ATP, ADP, ião cálcio (Ca2+) e fosfato é um processo mediado por proteínas de transporte:
- Armazena canais aniónicos dependentes de voltagem, que permitem o trânsito de nucleotídeos e iões
- Permite a geração de gradientes de iões
- Transportadores específicos carregam piruvato, ácidos gordos e aminoácidos ou os seus alfa-ceto derivados na matriz para acesso à maquinaria do ciclo do ácido cítrico.
- A passagem de metabolitos, como ATP, ADP, ião cálcio (Ca2+) e fosfato é um processo mediado por proteínas de transporte:
- Espaço intermembranar: entre as membranas externa e interna
- Contém as mesmas pequenas moléculas que estão presentes no citosol
- Região controlada com diferentes grandes proteínas que são reguladas pela membrana externa
Anatomia da mitocôndria:
As estruturas importantes da mitocôndria incluem a membrana externa, o espaço intermembranar, a membrana interna e a matriz.
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Complexos da ETC
Complexo I
- NADH: ubiquinona oxidorredutase
- O complexo enzimático move 2 eletrões do NADH para um carregador (ubiquinona) através de uma reação “redox” que desloca 4 protões.
- Os protões são bombeados da matriz para o espaço intermembranar.
Complexo II
- Succinato desidrogenase
- Entrega eletrões para o pool de quinona
- Transfere FAD para quinona
Complexo III
- Coenzima Q-citocromo c redutase
- 4 protões translocados para o espaço intermembranar
- Complexo inibido por dimercaprol
Complexo IV
- Citocromo c oxidase
- 4 eletrões transferidos para O2 e produzem 2 moléculas de H2O.
- 8 protões adicionados ao gradiente de protões
Transporte de Elétrons
- Membrana mitocondrial interna:
- Principalmente impermeável a moléculas e iões, como iões de hidrogénio (H+)
- Separa os intermediários e enzimas das vias metabólicas no citosol daqueles que ocorrem na matriz mitocondrial
- Contém cofatores que foram reduzidos ao longo das vias catabólicas que ocorrem em diferentes compartimentos celulares
- Carrega o compartimento da cadeia respiratória e a ATP sintase
- Matriz mitocondrial:
- Contém as enzimas do complexo piruvato desidrogenase
- Também contém as enzimas do ciclo do ácido cítrico, a via de beta-oxidação de ácidos gordos e outras vias envolvidas na oxidação de aminoácidos.
- Aqui, o transporte de eletrões através de 3 complexos respiratórios é acoplado ao bombeamento exterior de protões.
Membranas
mitocondriais:
As proteínas-chave estão dentro da membrana interna. O ciclo do ácido cítrico é crucial para o processo, pois fornece NADH para a cadeia de transporte de eletrões (ETC).
Fosforilação Oxidativa
- A ETC está ligada à fosforilação oxidativa através do gradiente de protões.
- A ATP sintase aproveita o gradiente de protões através da fosforilação oxidativa para gerar
ATP:
- A ATP sintase funciona como um canal iónico para os protões retornarem à matriz mitocondrial.
- A energia é gerada pelo fluxo de protões, usado para a síntese de ATP.
- Existem várias maneiras de gerar ATP:
- Glicolise:
- São produzidos 2 ATP durante a glicólise.
- São reduzidos 2 NAD+ a NADH.
- 2 moléculas de piruvato são então usadas para produzir 2 moléculas de Acetil-CoA pela piruvato desidrogenase, que produz 1 NADH cada.
- 2 Moléculas de acetil-CoA entram no ciclo do ácido cítrico, onde se condensam com oxaloacetato e geram:
- 2 trifosfatos de guanosina (GTP), convertidos em 2 ATPs
- 6 NADH
- 2 FADH2
- Glicolise:
- A ETC é crucial para configurar o gradiente de protões:
- Cada NADH entra na cadeia de transporte de eletrões no complexo I, onde é reoxidado e passa os seus eletrões para a CoQ.
- Os eletrões fluem da CoQ para o complexo III, que os retransmite através do citocromo c para o complexo IV.
- Aqui, são aceites pelo O2.
- Tanto o complexo I quanto o complexo III transportam 4 protões cada um para o espaço intermembranar, enquanto o complexo IV bombeia 2 para o espaço membranar por cada par de eletrões.
- 6 NADH produzidos durante o ciclo do ácido cítrico geram 60 protões no espaço intermembranar.
- 2 ATP gerados durante a glicólise e 2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
Tabela: Protões transportados para o espaço intermembranar como resultado da oxidação de 1 molécula de palmitoil-CoA em CO 2 e H 2
7 FADH 2 | 42 |
7 NADH | 70 |
8 NADH | 80 |
8 NADH | 80 |
8 FADH 2 | 48 |
8 NADH | 80 |
400 |
Controlo da Fosforilação Oxidativa
- Existem mecanismos de regulação importantes para controlar a taxa de glicólise, o ciclo do ácido cítrico, a oxidação do piruvato e a fosforilação oxidativa pelas concentrações relativas:
- ATP
- ADP
- AMP
- NADH
- A glicólise, a degradação de ácidos gordos e o ciclo do ácido cítrico constituem as fontes primárias de eletrões que entram na ETC mitocondrial.
- O controlo da glicólise e do ciclo do ácido cítrico é coordenado com a necessidade de fosforilação oxidativa.
- A fosforilação oxidativa é mantida pelos requisitos de energia celular:
- O ADP intracelular e o ATP são medidas do estado de energia de uma célula.
- Um suprimento adequado de eletrões para alimentar a cadeia de transporte de eletrões é fornecido pela regulação dos pontos de controlo da glicólise e do ciclo do ácido cítrico pelo
NADH e metabolitos:
- Fosfofrutoquinase (PFK, pela sigla em inglês)
- Piruvato desidrogenase
- Citrato sintase
- Isocitrato desidrogenase (IDH, pela sigla em inglês)
- Alfa-cetoglutarato desidrogenase
- O bloqueio do ciclo do ácido cítrico e a glicólise pelo citrato, que dificulta a glicólise, facilita o modo de ação do sistema de nucleotídeos da adenina:
- Níveis aumentados de NADH e acetil-CoA impedem a oxidação do piruvato em acetil-CoA.
- Uma alta relação NADH/NAD+ dificulta as reações de desidrogenase no ciclo do ácido cítrico.
- Outro efeito regulador importante é a inibição de PFK pelo citrato:
- Quando a necessidade de ATP diminui, o ATP aumenta e o ADP diminui.
- Como o ADP ativa a IDH e o ATP inibe a alfa-cetoglutarato desidrogenase, o ciclo do ácido cítrico diminui.
- A desaceleração leva a uma acumulação da concentração de citrato.
- O citrato deixa a mitocôndria através de um sistema de transporte específico e, uma vez no citosol, atua para conter a degradação de hidratos de carbono, inibindo a PFK.
Referências
- Ahmad, M, Woiberg, A, Kahwaji, CI. (2020). Biochemistry, electron transport chain. StatPearls. Retrieved May 26, 2021, from //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK526105/
- Cooper, GM. (2000). The mechanism of oxidative phosphorylation. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates. //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9885/
- Alberts, B, Johnson, A, Lewis, J, et al. (2002). Electron-transport chains and their proton pumps. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. //www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26904/