Fosforilação oxidativa -Oxidative phosphorylation

A cadeia de transporte de elétrons na célula é o local da fosforilação oxidativa. O NADH e o succinato gerados no ciclo do ácido cítrico são oxidados, liberando a energia do O 2 para alimentar a ATP sintase .

Fosforilação oxidativa (UK / ɒ k s ɪ d . ə . t ɪ v / , US / ɑː k . s ɪ ˌ d . t ɪ v / ) ou fosforilação ligada ao transporte de elétrons ou oxidação terminal é a via metabólica em quais células usam enzimas para oxidar nutrientes, liberando assim energia química para produzir trifosfato de adenosina (ATP). Em eucariotos , isso ocorre dentro das mitocôndrias . Quase todos os organismos aeróbicos realizam fosforilação oxidativa. Essa via é tão difundida porque libera mais energia do que os processos alternativos de fermentação , como a glicólise anaeróbica .

A energia armazenada nas ligações químicas da glicose é liberada pela célula no ciclo do ácido cítrico produzindo dióxido de carbono, e os doadores de elétrons energéticos NADH e FADH . A fosforilação oxidativa usa essas moléculas e O 2 para produzir ATP , que é usado em toda a célula sempre que a energia é necessária. Durante a fosforilação oxidativa, os elétrons são transferidos dos doadores de elétrons para uma série de aceptores de elétrons em uma série de reações redox que terminam em oxigênio, cuja reação libera metade da energia total.

Nos eucariotos , essas reações redox são catalisadas por uma série de complexos proteicos dentro da membrana interna da mitocôndria da célula, enquanto, nos procariontes , essas proteínas estão localizadas na membrana externa da célula. Esses conjuntos ligados de proteínas são chamados de cadeia de transporte de elétrons . Nos eucariotos, cinco complexos protéicos principais estão envolvidos, enquanto nos procariotos muitas enzimas diferentes estão presentes, usando uma variedade de doadores e aceptores de elétrons.

A energia transferida pelos elétrons que fluem através desta cadeia de transporte de elétrons é usada para transportar prótons através da membrana mitocondrial interna , em um processo chamado transporte de elétrons . Isso gera energia potencial na forma de um gradiente de pH e um potencial elétrico através desta membrana. Essa reserva de energia é aproveitada quando os prótons fluem de volta através da membrana e descem o gradiente de energia potencial, através de uma grande enzima chamada ATP sintase em um processo chamado quimiosmose . A ATP sintase usa a energia para transformar o difosfato de adenosina (ADP) em trifosfato de adenosina, em uma reação de fosforilação . A reação é impulsionada pelo fluxo de prótons, que força a rotação de uma parte da enzima. A ATP sintase é um motor mecânico rotativo.

Embora a fosforilação oxidativa seja uma parte vital do metabolismo, ela produz espécies reativas de oxigênio , como superóxido e peróxido de hidrogênio , que levam à propagação de radicais livres , danificando as células e contribuindo para doenças e, possivelmente, envelhecimento e senescência . As enzimas que realizam essa via metabólica também são alvo de muitas drogas e venenos que inibem suas atividades.

Quimiosmose

A fosforilação oxidativa funciona usando reações químicas que liberam energia para conduzir reações que requerem energia. Diz-se que os dois conjuntos de reações estão acoplados . Isso significa que um não pode ocorrer sem o outro. A cadeia de reações redox que conduz o fluxo de elétrons através da cadeia de transporte de elétrons, de doadores de elétrons, como NADH , a receptores de elétrons , como oxigênio e hidrogênio (prótons), é um processo exergônico – libera energia, enquanto a síntese de ATP é um processo exergônico. processo endergônico , que requer um aporte de energia. Tanto a cadeia de transporte de elétrons quanto a ATP sintase estão embebidas em uma membrana, e a energia é transferida da cadeia de transporte de elétrons para a ATP sintase por movimentos de prótons através dessa membrana, em um processo chamado quimiosmose . Uma corrente de prótons é conduzida do lado N negativo da membrana para o lado P positivo através das enzimas de bombeamento de prótons da cadeia de transporte de elétrons. O movimento dos prótons cria um gradiente eletroquímico através da membrana, é chamado de força próton-motriz . Ele tem dois componentes: uma diferença na concentração de prótons (um gradiente H + , Δ pH ) e uma diferença no potencial elétrico , com o lado N tendo uma carga negativa.

A ATP sintase libera essa energia armazenada completando o circuito e permitindo que os prótons fluam a favor do gradiente eletroquímico, de volta ao lado N da membrana. O gradiente eletroquímico impulsiona a rotação de parte da estrutura da enzima e acopla esse movimento à síntese de ATP.

Os dois componentes da força próton-motriz são termodinamicamente equivalentes: nas mitocôndrias, a maior parte da energia é fornecida pelo potencial; em bactérias alcalófilas , a energia elétrica precisa até compensar uma diferença de pH inversa. Inversamente, os cloroplastos operam principalmente em ΔpH. No entanto, eles também requerem um pequeno potencial de membrana para a cinética da síntese de ATP. No caso da fusobacterium Propionigenium modestum , ela conduz a contra-rotação das subunidades a e c do motor F O da ATP sintase.

A quantidade de energia liberada pela fosforilação oxidativa é alta, comparada com a quantidade produzida pela fermentação anaeróbica . A glicólise produz apenas 2 moléculas de ATP, mas algo entre 30 e 36 ATPs são produzidos pela fosforilação oxidativa das 10 moléculas de NADH e 2 de succinato feitas pela conversão de uma molécula de glicose em dióxido de carbono e água, enquanto cada ciclo de oxidação beta de uma gordura ácido produz cerca de 14 ATPs. Esses rendimentos de ATP são valores máximos teóricos; na prática, alguns prótons vazam através da membrana, diminuindo o rendimento de ATP.

Moléculas de transferência de elétrons e prótons

Redução da coenzima Q da sua forma ubiquinona (Q) para a forma ubiquinol reduzida (QH 2 ).

A cadeia de transporte de elétrons transporta prótons e elétrons, passando elétrons de doadores para receptores e transportando prótons através de uma membrana. Esses processos usam moléculas de transferência solúveis e ligadas a proteínas. Nas mitocôndrias, os elétrons são transferidos dentro do espaço intermembranar pela proteína de transferência de elétrons solúvel em água citocromo c . Este carrega apenas elétrons, e estes são transferidos pela redução e oxidação de um átomo de ferro que a proteína mantém dentro de um grupo heme em sua estrutura. O citocromo c também é encontrado em algumas bactérias, onde está localizado no espaço periplasmático .

Dentro da membrana mitocondrial interna, a coenzima transportadora de elétrons lipossolúvel Q10 ( Q) transporta elétrons e prótons por um ciclo redox . Esta pequena molécula de benzoquinona é muito hidrofóbica , por isso se difunde livremente dentro da membrana. Quando Q aceita dois elétrons e dois prótons, ele se reduz à forma ubiquinol (QH 2 ); quando QH 2 libera dois elétrons e dois prótons, torna-se oxidado de volta à forma de ubiquinona (Q). Como resultado, se duas enzimas são arranjadas de modo que Q seja reduzido em um lado da membrana e QH 2 oxidado no outro, a ubiquinona irá acoplar essas reações e transportar prótons através da membrana. Algumas cadeias de transporte de elétrons bacterianas usam diferentes quinonas, como a menaquinona , além da ubiquinona.

Dentro das proteínas, os elétrons são transferidos entre cofatores de flavina , aglomerados de ferro-enxofre e citocromos. Existem vários tipos de aglomerados de ferro-enxofre. O tipo mais simples encontrado na cadeia de transferência de elétrons consiste em dois átomos de ferro unidos por dois átomos de enxofre inorgânico ; estes são chamados de clusters [2Fe–2S]. O segundo tipo, chamado [4Fe-4S], contém um cubo de quatro átomos de ferro e quatro átomos de enxofre. Cada átomo de ferro nesses aglomerados é coordenado por um aminoácido adicional , geralmente pelo átomo de enxofre da cisteína . Os cofatores de íons metálicos sofrem reações redox sem ligar ou liberar prótons, de modo que na cadeia de transporte de elétrons eles servem apenas para transportar elétrons através de proteínas. Os elétrons se movem por longas distâncias através das proteínas saltando ao longo das cadeias desses cofatores. Isso ocorre por tunelamento quântico , que é rápido em distâncias inferiores a 1,4 × 10 −9 m.

Cadeias de transporte de elétrons eucarióticas

Muitos processos bioquímicos catabólicos , como a glicólise , o ciclo do ácido cítrico e a oxidação beta , produzem a coenzima NADH reduzida . Esta coenzima contém elétrons com alto potencial de transferência ; em outras palavras, eles liberarão uma grande quantidade de energia após a oxidação. No entanto, a célula não libera essa energia de uma só vez, pois isso seria uma reação incontrolável. Em vez disso, os elétrons são removidos do NADH e passados ​​para o oxigênio por meio de uma série de enzimas, cada uma liberando uma pequena quantidade de energia. Esse conjunto de enzimas, composto pelos complexos I a IV, é chamado de cadeia transportadora de elétrons e é encontrado na membrana interna da mitocôndria. O succinato também é oxidado pela cadeia de transporte de elétrons, mas alimenta a via em um ponto diferente.

Em eucariotos , as enzimas neste sistema de transporte de elétrons usam a energia liberada do O 2 pelo NADH para bombear prótons através da membrana interna da mitocôndria. Isso faz com que os prótons se acumulem no espaço intermembranar e gere um gradiente eletroquímico através da membrana. A energia armazenada neste potencial é então utilizada pela ATP sintase para produzir ATP. A fosforilação oxidativa na mitocôndria eucariótica é o exemplo mais bem compreendido desse processo. A mitocôndria está presente em quase todos os eucariotos, com exceção de protozoários anaeróbios, como Trichomonas vaginalis , que reduzem prótons a hidrogênio em uma mitocôndria remanescente chamada hidrogenossoma .

Enzimas e substratos respiratórios típicos em eucariotos.
Enzima respiratória par redox Potencial de ponto médio 

(Volts)

NADH desidrogenase NAD + / NADH -0,32
Succinato desidrogenase FMN ou FAD / FMNH 2 ou FADH 2 -0,20
Complexo citocromo bc 1 Coenzima Q10 ox / Coenzima Q10 vermelho +0,06
Complexo citocromo bc 1 Citocromo b ox / Citocromo b vermelho +0,12
Complexo IV Citocromo c ox / Citocromo c vermelho +0,22
Complexo IV Citocromo um boi / Citocromo um vermelho +0,29
Complexo IV O 2 / HO +0,82
Condições: pH = 7

NADH-coenzima Q oxidorredutase (complexo I)

Complexo I ou NADH-Q oxidorredutase . As abreviaturas são discutidas no texto. Em todos os diagramas de complexos respiratórios neste artigo, a matriz está na parte inferior, com o espaço intermembranar acima.

A NADH-coenzima Q oxidorredutase , também conhecida como NADH desidrogenase ou complexo I , é a primeira proteína da cadeia de transporte de elétrons. O Complexo I é uma enzima gigante com o complexo I de mamífero com 46 subunidades e uma massa molecular de cerca de 1.000 kilodaltons (kDa). A estrutura é conhecida em detalhes apenas a partir de uma bactéria; na maioria dos organismos, o complexo se assemelha a uma bota com uma grande "bola" saindo da membrana para dentro da mitocôndria. Os genes que codificam as proteínas individuais estão contidos tanto no núcleo da célula quanto no genoma mitocondrial , como é o caso de muitas enzimas presentes na mitocôndria.

A reação que é catalisada por esta enzima é a oxidação de dois elétrons do NADH pela coenzima Q10 ou ubiquinona (representada como Q na equação abaixo), uma quinona lipossolúvel que é encontrada na membrana da mitocôndria:

 

 

 

 

( 1 )

O início da reação, e de fato de toda a cadeia de elétrons, é a ligação de uma molécula de NADH ao complexo I e a doação de dois elétrons. Os elétrons entram no complexo I através de um grupo prostético ligado ao complexo, o mononucleotídeo de flavina (FMN). A adição de elétrons ao FMN o converte em sua forma reduzida, FMNH 2 . Os elétrons são então transferidos através de uma série de aglomerados de ferro-enxofre: o segundo tipo de grupo prostético presente no complexo. Existem aglomerados de ferro-enxofre [2Fe–2S] e [4Fe–4S] no complexo I.

À medida que os elétrons passam por esse complexo, quatro prótons são bombeados da matriz para o espaço intermembranar. Exatamente como isso ocorre não está claro, mas parece envolver mudanças conformacionais no complexo I que fazem a proteína ligar prótons no lado N da membrana e liberá-los no lado P da membrana. Finalmente, os elétrons são transferidos da cadeia de aglomerados de ferro-enxofre para uma molécula de ubiquinona na membrana. A redução da ubiquinona também contribui para a geração de um gradiente de prótons, pois dois prótons são retirados da matriz e reduzidos a ubiquinol (QH 2 ).

Succinato-Q oxidorredutase (complexo II)

Succinato-Q oxidorredutase , também conhecido como complexo II ou succinato desidrogenase , é um segundo ponto de entrada para a cadeia de transporte de elétrons. É incomum porque é a única enzima que faz parte tanto do ciclo do ácido cítrico quanto da cadeia de transporte de elétrons. O complexo II consiste em quatro subunidades proteicas e contém um cofator de flavina adenina dinucleotídeo (FAD), aglomerados de ferro-enxofre e um grupo heme que não participa da transferência de elétrons para a coenzima Q, mas acredita-se que seja importante na diminuição da produção de reativo. espécies de oxigênio. Oxida o succinato em fumarato e reduz a ubiquinona. Como essa reação libera menos energia do que a oxidação do NADH, o complexo II não transporta prótons através da membrana e não contribui para o gradiente de prótons.

 

 

 

 

( 2 )

Em alguns eucariotos, como o verme parasita Ascaris suum , uma enzima semelhante ao complexo II, fumarato redutase (menaquinol: fumarato oxidorredutase, ou QFR), opera no sentido inverso para oxidar o ubiquinol e reduzir o fumarato. Isso permite que o verme sobreviva no ambiente anaeróbio do intestino grosso , realizando fosforilação oxidativa anaeróbica com fumarato como aceptor de elétrons. Outra função não convencional do complexo II é observada no parasita da malária Plasmodium falciparum . Aqui, a ação reversa do complexo II como oxidase é importante na regeneração do ubiquinol, que o parasita usa em uma forma incomum de biossíntese de pirimidina .

Flavoproteína-Q oxidorredutase de transferência de elétrons

A flavoproteína-ubiquinona oxidorredutase de transferência de elétrons (ETF-Q oxidorredutase), também conhecida como flavoproteína desidrogenase de transferência de elétrons , é um terceiro ponto de entrada para a cadeia de transporte de elétrons. É uma enzima que aceita elétrons da flavoproteína de transferência de elétrons na matriz mitocondrial e usa esses elétrons para reduzir a ubiquinona. Essa enzima contém uma flavina e um cluster [4Fe-4S], mas, diferentemente dos outros complexos respiratórios, ela se liga à superfície da membrana e não atravessa a bicamada lipídica.

 

 

 

 

( 3 )

Em mamíferos, esta via metabólica é importante na beta oxidação de ácidos graxos e catabolismo de aminoácidos e colina , pois aceita elétrons de múltiplas acetil-CoA desidrogenases. Nas plantas, a ETF-Q oxidorredutase também é importante nas respostas metabólicas que permitem a sobrevivência em longos períodos de escuridão.

Q-citocromo c oxidorredutase (complexo III)

As duas etapas de transferência de elétrons no complexo III: Q-citocromo c oxidorredutase . Após cada etapa, Q (na parte superior da figura) deixa a enzima.

A Q-citocromo c oxidorredutase também é conhecida como citocromo c redutase , complexo citocromo bc 1 ou simplesmente complexo III . Nos mamíferos, esta enzima é um dímero , com cada subunidade complexa contendo 11 subunidades de proteína, um aglomerado de ferro-enxofre [2Fe-2S] e três citocromos : um citocromo c1 e dois citocromos b . Um citocromo é um tipo de proteína de transferência de elétrons que contém pelo menos um grupo heme . Os átomos de ferro dentro dos grupos heme do complexo III alternam entre um estado ferroso reduzido (+2) e férrico oxidado (+3) à medida que os elétrons são transferidos através da proteína.

A reação catalisada pelo complexo III é a oxidação de uma molécula de ubiquinol e a redução de duas moléculas de citocromo c , uma proteína heme vagamente associada à mitocôndria. Ao contrário da coenzima Q, que carrega dois elétrons, o citocromo c carrega apenas um elétron.

 

 

 

 

( 4 )

Como apenas um dos elétrons pode ser transferido do doador de QH 2 para um aceptor do citocromo c de cada vez, o mecanismo de reação do complexo III é mais elaborado do que os dos outros complexos respiratórios e ocorre em duas etapas chamadas de ciclo Q . Na primeira etapa, a enzima liga três substratos, primeiro, QH 2 , que é então oxidado, com um elétron sendo passado para o segundo substrato, o citocromo c. Os dois prótons liberados de QH 2 passam para o espaço intermembranar. O terceiro substrato é Q, que aceita o segundo elétron do QH 2 e é reduzido a Q .− , que é o radical livre ubisemiquinona . Os dois primeiros substratos são liberados, mas esse intermediário ubisemiquinona permanece ligado. Na segunda etapa, uma segunda molécula de QH 2 é ligada e novamente passa seu primeiro elétron para um aceptor do citocromo c. O segundo elétron é passado para a ubisemiquinona ligada, reduzindo-a a QH 2 à medida que ganha dois prótons da matriz mitocondrial. Este QH 2 é então liberado da enzima.

À medida que a coenzima Q é reduzida a ubiquinol no lado interno da membrana e oxidada a ubiquinona no outro, ocorre uma transferência líquida de prótons através da membrana, aumentando o gradiente de prótons. O mecanismo de duas etapas bastante complexo pelo qual isso ocorre é importante, pois aumenta a eficiência da transferência de prótons. Se, em vez do ciclo Q, uma molécula de QH 2 fosse usada para reduzir diretamente duas moléculas de citocromo c, a eficiência seria reduzida pela metade, com apenas um próton transferido por citocromo c reduzido.

Citocromo c oxidase (complexo IV)

Complexo IV: citocromo c oxidase .

O citocromo c oxidase , também conhecido como complexo IV , é o complexo proteico final na cadeia de transporte de elétrons. A enzima mamífera tem uma estrutura extremamente complicada e contém 13 subunidades, dois grupos heme, além de vários cofatores de íons metálicos – ao todo, três átomos de cobre , um de magnésio e um de zinco .

Essa enzima medeia a reação final na cadeia de transporte de elétrons e transfere elétrons para oxigênio e hidrogênio (prótons), enquanto bombeia prótons através da membrana. O oxigênio aceptor de elétrons final é reduzido a água nesta etapa. Tanto o bombeamento direto de prótons quanto o consumo de prótons da matriz na redução de oxigênio contribuem para o gradiente de prótons. A reação catalisada é a oxidação do citocromo c e a redução do oxigênio:

 

 

 

 

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Redutases e oxidases alternativas

Muitos organismos eucarióticos têm cadeias de transporte de elétrons que diferem das enzimas de mamíferos muito estudadas descritas acima. Por exemplo, as plantas têm oxidases NADH alternativas, que oxidam NADH no citosol em vez de na matriz mitocondrial, e passam esses elétrons para o pool de ubiquinona. Essas enzimas não transportam prótons e, portanto, reduzem a ubiquinona sem alterar o gradiente eletroquímico através da membrana interna.

Outro exemplo de uma cadeia de transporte de elétrons divergente é a oxidase alternativa , que é encontrada em plantas , bem como em alguns fungos , protistas e possivelmente em alguns animais. Esta enzima transfere elétrons diretamente do ubiquinol para o oxigênio.

As vias de transporte de elétrons produzidas por essas NADH e ubiquinona oxidases alternativas têm rendimentos de ATP menores do que a via completa. As vantagens produzidas por uma via encurtada não são totalmente claras. No entanto, a oxidase alternativa é produzida em resposta a estresses como frio, espécies reativas de oxigênio e infecção por patógenos, além de outros fatores que inibem toda a cadeia de transporte de elétrons. Vias alternativas podem, portanto, aumentar a resistência de um organismo à lesão, reduzindo o estresse oxidativo .

Organização de complexos

O modelo original de como os complexos da cadeia respiratória são organizados é que eles se difundem livre e independentemente na membrana mitocondrial. No entanto, dados recentes sugerem que os complexos podem formar estruturas de ordem superior chamadas supercomplexos ou " respirasomes ". Neste modelo, os vários complexos existem como conjuntos organizados de enzimas que interagem. Essas associações podem permitir a canalização de substratos entre os vários complexos enzimáticos, aumentando a taxa e a eficiência da transferência de elétrons. Dentro desses supercomplexos de mamíferos, alguns componentes estariam presentes em quantidades maiores do que outros, com alguns dados sugerindo uma razão entre os complexos I/II/III/IV e a ATP sintase de aproximadamente 1:1:3:7:4. No entanto, o debate sobre essa hipótese supercomplexa não está completamente resolvido, pois alguns dados parecem não se encaixar nesse modelo.

Cadeias de transporte de elétrons procarióticas

Em contraste com a semelhança geral na estrutura e função das cadeias de transporte de elétrons em eucariotos, bactérias e arqueas possuem uma grande variedade de enzimas de transferência de elétrons. Estes usam um conjunto igualmente amplo de produtos químicos como substratos. Em comum com os eucariotos, o transporte de elétrons procarióticos usa a energia liberada da oxidação de um substrato para bombear íons através de uma membrana e gerar um gradiente eletroquímico. Nas bactérias, a fosforilação oxidativa em Escherichia coli é compreendida com mais detalhes, enquanto os sistemas arqueais são atualmente pouco compreendidos.

A principal diferença entre a fosforilação oxidativa eucariótica e procariótica é que bactérias e arqueas usam muitas substâncias diferentes para doar ou aceitar elétrons. Isso permite que os procariontes cresçam sob uma ampla variedade de condições ambientais. Em E. coli , por exemplo, a fosforilação oxidativa pode ser conduzida por um grande número de pares de agentes redutores e agentes oxidantes, que estão listados abaixo. O potencial de ponto médio de um produto químico mede quanta energia é liberada quando ele é oxidado ou reduzido, com agentes redutores tendo potenciais negativos e agentes oxidantes potenciais positivos.

Enzimas respiratórias e substratos em E. coli .
Enzima respiratória par redox Potencial de ponto médio 

(Volts)

Formato desidrogenase Bicarbonato / Formato -0,43
Hidrogenase Próton / Hidrogênio -0,42
NADH desidrogenase NAD + / NADH -0,32
Glicerol-3-fosfato desidrogenase DHAP / Gly-3-P -0,19
Piruvato oxidase Acetato + Dióxido de Carbono / Piruvato ?
Lactato desidrogenase Piruvato / Lactato -0,19
D -aminoácido desidrogenase 2-oxoácido + amônia / D -aminoácido ?
Glicose desidrogenase Gluconato / Glicose -0,14
Succinato desidrogenase Fumarato / Succinato +0,03
Ubiquinol oxidase Oxigênio / Água +0,82
Nitrato redutase Nitrato / Nitrito +0,42
Nitrito redutase Nitrito / Amônia +0,36
Dimetilsulfóxido redutase DMS / DMS +0,16
Trimetilamina N -óxido redutase TMAO / TMA +0,13
Fumarato redutase Fumarato / Succinato +0,03

Como mostrado acima, E. coli pode crescer com agentes redutores como formato, hidrogênio ou lactato como doadores de elétrons e nitrato, DMSO ou oxigênio como aceitadores. Quanto maior a diferença no potencial do ponto médio entre um agente oxidante e um redutor, mais energia é liberada quando eles reagem. Destes compostos, o par succinato/fumarato é incomum, pois seu potencial de ponto médio é próximo de zero. O succinato pode, portanto, ser oxidado a fumarato se um agente oxidante forte, como o oxigênio, estiver disponível, ou o fumarato pode ser reduzido a succinato usando um agente redutor forte, como o formato. Essas reações alternativas são catalisadas pela succinato desidrogenase e fumarato redutase , respectivamente.

Alguns procariontes usam pares redox que têm apenas uma pequena diferença no potencial do ponto médio. Por exemplo, bactérias nitrificantes como Nitrobacter oxidam nitrito em nitrato, doando os elétrons para o oxigênio. A pequena quantidade de energia liberada nessa reação é suficiente para bombear prótons e gerar ATP, mas não é suficiente para produzir NADH ou NADPH diretamente para uso no anabolismo . Esse problema é resolvido usando uma nitrito oxidorredutase para produzir força próton-motriz suficiente para executar parte da cadeia de transporte de elétrons no sentido inverso, fazendo com que o complexo I gere NADH.

Os procariontes controlam o uso desses doadores e aceitadores de elétrons variando quais enzimas são produzidas, em resposta às condições ambientais. Essa flexibilidade é possível porque diferentes oxidases e redutases usam o mesmo pool de ubiquinona. Isso permite que muitas combinações de enzimas funcionem juntas, ligadas pelo intermediário ubiquinol comum. Essas cadeias respiratórias, portanto, têm um design modular , com conjuntos de sistemas enzimáticos facilmente intercambiáveis.

Além dessa diversidade metabólica, os procariontes também possuem uma variedade de isozimas  – diferentes enzimas que catalisam a mesma reação. Por exemplo, em E. coli , existem dois tipos diferentes de ubiquinol oxidase usando oxigênio como aceptor de elétrons. Sob condições altamente aeróbicas, a célula usa uma oxidase com baixa afinidade pelo oxigênio que pode transportar dois prótons por elétron. No entanto, se os níveis de oxigênio caem, eles mudam para uma oxidase que transfere apenas um próton por elétron, mas tem alta afinidade pelo oxigênio.

ATP sintase (complexo V)

A ATP sintase, também chamada de complexo V , é a enzima final na via de fosforilação oxidativa. Esta enzima é encontrada em todas as formas de vida e funciona da mesma maneira em procariontes e eucariontes. A enzima usa a energia armazenada em um gradiente de prótons através de uma membrana para conduzir a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato (P i ). As estimativas do número de prótons necessários para sintetizar um ATP variaram de três a quatro, com algumas células sugerindo que podem variar essa proporção, para se adequar a diferentes condições.

 

 

 

 

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Esta reação de fosforilação é um equilíbrio , que pode ser deslocado alterando a força próton-motriz. Na ausência de uma força próton-motriz, a reação da ATP sintase ocorrerá da direita para a esquerda, hidrolisando o ATP e bombeando prótons para fora da matriz através da membrana. No entanto, quando a força próton-motriz é alta, a reação é forçada a ocorrer na direção oposta; ele prossegue da esquerda para a direita, permitindo que os prótons fluam a favor de seu gradiente de concentração e transformando o ADP em ATP. De fato, nas H+-ATPases vacuolares intimamente relacionadas , a reação de hidrólise é usada para acidificar compartimentos celulares, bombeando prótons e hidrolisando ATP.

A ATP sintase é um complexo proteico maciço com forma de cogumelo. O complexo enzimático de mamíferos contém 16 subunidades e tem uma massa de aproximadamente 600 kilodaltons . A porção embutida na membrana é chamada FO e contém um anel de subunidades c e o canal de prótons. A haste e o capacete em forma de bola são chamados de F 1 e é o local da síntese de ATP. O complexo em forma de bola no final da porção F 1 contém seis proteínas de dois tipos diferentes (três subunidades α e três subunidades β), enquanto o "caule" consiste em uma proteína: a subunidade γ, com a ponta do pedúnculo estendendo-se para a esfera das subunidades α e β. Ambas as subunidades α e β ligam nucleotídeos, mas apenas as subunidades β catalisam a reação de síntese de ATP. Alcançando ao longo do lado da porção F 1 e de volta para a membrana está uma longa subunidade em forma de bastão que ancora as subunidades α e β na base da enzima.

À medida que os prótons atravessam a membrana através do canal na base da ATP sintase, o motor F O acionado por prótons gira. A rotação pode ser causada por mudanças na ionização de aminoácidos no anel de subunidades c causando interações eletrostáticas que impulsionam o anel de subunidades c além do canal de prótons. Este anel rotativo, por sua vez, impulsiona a rotação do eixo central (a haste da subunidade γ) dentro das subunidades α e β. As subunidades α e β são impedidas de girar pelo braço lateral, que atua como um estator . Esse movimento da ponta da subunidade γ dentro da esfera das subunidades α e β fornece energia para que os sítios ativos nas subunidades β passem por um ciclo de movimentos que produz e libera ATP.

Mecanismo da ATP sintase . ATP é mostrado em vermelho, ADP e fosfato em rosa e a subunidade γ rotativa em preto.

Essa reação de síntese de ATP é chamada de mecanismo de mudança de ligação e envolve o sítio ativo de uma subunidade β ciclando entre três estados. No estado "aberto", ADP e fosfato entram no sítio ativo (mostrado em marrom no diagrama). A proteína então se fecha em torno das moléculas e as liga frouxamente – o estado "solto" (mostrado em vermelho). A enzima então muda de forma novamente e força essas moléculas a se unirem, com o sítio ativo no estado "apertado" resultante (mostrado em rosa) ligando-se à molécula de ATP recém-produzida com afinidade muito alta . Finalmente, o sítio ativo volta ao estado aberto, liberando ATP e ligando mais ADP e fosfato, pronto para o próximo ciclo.

Em algumas bactérias e arqueias, a síntese de ATP é impulsionada pelo movimento de íons sódio através da membrana celular, em vez do movimento de prótons. Archaea, como Methanococcus , também contêm a A 1 A o sintase, uma forma da enzima que contém proteínas adicionais com pouca semelhança na sequência com outras subunidades de ATP sintase bacterianas e eucarióticas. É possível que, em algumas espécies, a forma A 1 A o da enzima seja uma ATP sintase especializada acionada por sódio, mas isso pode não ser verdade em todos os casos.

Fosforilação oxidativa - energética

O transporte de elétrons do par redox NAD + / NADH para o par redox final 1/2 O 2 / H 2 O pode ser resumido como

1/2 O 2 + NADH + H + → H 2 O + NAD +

A diferença de potencial entre esses dois pares redox é de 1,14 volt, o que equivale a -52 kcal/mol ou -2600 kJ por 6 mol de O 2 .

Quando um NADH é oxidado através da cadeia de transferência de elétrons, três ATPs são produzidos, o que equivale a 7,3 kcal/mol x 3 = 21,9 kcal/mol.

A conservação da energia pode ser calculada pela seguinte fórmula

Eficiência = (21,9 x 100%) / 52 = 42%

Assim, podemos concluir que quando o NADH é oxidado, cerca de 42% da energia é conservada na forma de três ATPs e a energia restante (58%) é perdida na forma de calor (a menos que a energia química do ATP em condições fisiológicas tenha sido subestimada).

Espécies que reagem ao oxigênio

O oxigênio molecular é um bom aceptor de elétrons terminal porque é um forte agente oxidante. A redução de oxigênio envolve intermediários potencialmente prejudiciais. Embora a transferência de quatro elétrons e quatro prótons reduza o oxigênio à água, que é inofensiva, a transferência de um ou dois elétrons produz ânions superóxido ou peróxido , que são perigosamente reativos.

 

 

 

 

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Essas espécies reativas de oxigênio e seus produtos de reação, como o radical hidroxila , são muito prejudiciais às células, pois oxidam proteínas e causam mutações no DNA . Este dano celular pode contribuir para a doença e é proposto como uma das causas do envelhecimento .

O complexo citocromo c oxidase é altamente eficiente na redução de oxigênio a água e libera muito poucos intermediários parcialmente reduzidos; no entanto, pequenas quantidades de ânion superóxido e peróxido são produzidas pela cadeia de transporte de elétrons. Particularmente importante é a redução da coenzima Q no complexo III, pois um radical livre ubisemiquinona altamente reativo é formado como intermediário no ciclo Q. Esta espécie instável pode levar ao "vazamento" de elétrons quando os elétrons são transferidos diretamente para o oxigênio, formando superóxido. Como a produção de espécies reativas de oxigênio por esses complexos de bombeamento de prótons é maior em altos potenciais de membrana, foi proposto que as mitocôndrias regulam sua atividade para manter o potencial de membrana dentro de uma faixa estreita que equilibra a produção de ATP contra a geração de oxidante. Por exemplo, oxidantes podem ativar proteínas de desacoplamento que reduzem o potencial de membrana.

Para neutralizar essas espécies reativas de oxigênio, as células contêm vários sistemas antioxidantes , incluindo vitaminas antioxidantes , como vitamina C e vitamina E , e enzimas antioxidantes, como superóxido dismutase , catalase e peroxidases , que desintoxicam as espécies reativas, limitando os danos à célula.

Fosforilação oxidativa em condições hipóxicas

Como o oxigênio é fundamental para a fosforilação oxidativa, uma deficiência no nível de O 2 provavelmente altera as taxas de produção de ATP. No entanto, a força motriz do próton e a produção de ATP podem ser mantidas pela acidose intracelular. Os prótons citosólicos que se acumularam com hidrólise de ATP e acidose láctica podem se difundir livremente através da membrana externa mitocondrial e acidificar o espaço intermembranar, contribuindo diretamente para a força motriz do próton e produção de ATP.

Inibidores

Existem várias drogas e toxinas bem conhecidas que inibem a fosforilação oxidativa. Embora qualquer uma dessas toxinas iniba apenas uma enzima na cadeia de transporte de elétrons, a inibição de qualquer etapa desse processo interromperá o restante do processo. Por exemplo, se a oligomicina inibe a ATP sintase, os prótons não podem passar de volta para a mitocôndria. Como resultado, as bombas de prótons são incapazes de operar, pois o gradiente se torna muito forte para serem superados. O NADH não é mais oxidado e o ciclo do ácido cítrico deixa de funcionar porque a concentração de NAD + cai abaixo da concentração que essas enzimas podem usar.

Muitos inibidores específicos da cadeia de transporte de elétrons contribuíram para o conhecimento atual da respiração mitocondrial. A síntese de ATP também depende da cadeia de transporte de elétrons, de modo que todos os inibidores específicos do local também inibem a formação de ATP. O veneno de peixe rotenona , a droga barbitúrica amital e o antibiótico piericidina A inibem o NADH e a coenzima Q.

O monóxido de carbono, cianeto, sulfureto de hidrogénio e azida inibem eficazmente a citocromo oxidase. O monóxido de carbono reage com a forma reduzida do citocromo enquanto o cianeto e a azida reagem com a forma oxidada. Um antibiótico, antimicina A , e anti-Lewisite britânico , um antídoto usado contra armas químicas, são os dois importantes inibidores do sítio entre o citocromo B e C1.

Compostos Usar Local de ação Efeito na fosforilação oxidativa
Cianeto
Monóxido de carbono
Azida
Sulfeto de hidrogênio
Venenos Complexo IV Inibe a cadeia de transporte de elétrons ligando-se mais fortemente que o oxigênio ao centro Fe - Cu na citocromo c oxidase, evitando a redução do oxigênio.
Oligomicina Antibiótico Complexo V Inibe a ATP sintase bloqueando o fluxo de prótons através da subunidade F o .
CCCP
2,4-Dinitrofenol
Venenos, perda de peso Membrana interna Ionóforos que interrompem o gradiente de prótons transportando prótons através de uma membrana. Este ionóforo desacopla o bombeamento de prótons da síntese de ATP porque transporta prótons através da membrana mitocondrial interna.
Rotenona Pesticida Complexo I Impede a transferência de elétrons do complexo I para a ubiquinona, bloqueando o sítio de ligação da ubiquinona.
Malonato e oxaloacetato Venenos Complexo II Inibidores competitivos da succinato desidrogenase (complexo II).
Antimicina A Piscicida Complexo III Liga-se ao sítio Qi da citocromo c redutase , inibindo assim a oxidação do ubiquinol .

Nem todos os inibidores da fosforilação oxidativa são toxinas. No tecido adiposo marrom , canais de prótons regulados chamados proteínas de desacoplamento podem desacoplar a respiração da síntese de ATP. Essa respiração rápida produz calor e é particularmente importante como forma de manter a temperatura corporal dos animais em hibernação , embora essas proteínas também possam ter uma função mais geral nas respostas das células ao estresse.

História

O campo da fosforilação oxidativa começou com o relatório em 1906 por Arthur Harden de um papel vital para o fosfato na fermentação celular , mas inicialmente apenas fosfatos de açúcar eram conhecidos por estarem envolvidos. No entanto, no início da década de 1940, a ligação entre a oxidação dos açúcares e a geração de ATP foi firmemente estabelecida por Herman Kalckar , confirmando o papel central do ATP na transferência de energia que havia sido proposto por Fritz Albert Lipmann em 1941. Mais tarde, em 1949 , Morris Friedkin e Albert L. Lehninger provaram que a coenzima NADH ligava vias metabólicas como o ciclo do ácido cítrico e a síntese de ATP. O termo fosforilação oxidativa foi cunhado por Volodymyr Belitser  [ uk ] em 1939.

Por mais vinte anos, o mecanismo pelo qual o ATP é gerado permaneceu misterioso, com os cientistas procurando por um elusivo "intermediário de alta energia" que ligasse as reações de oxidação e fosforilação. Este enigma foi resolvido por Peter D. Mitchell com a publicação da teoria quimiosmótica em 1961. No início, esta proposta foi altamente controversa, mas foi lentamente aceita e Mitchell recebeu um prêmio Nobel em 1978. As pesquisas subsequentes concentraram-se na purificação e caracterização as enzimas envolvidas, com contribuições importantes sendo feitas por David E. Green nos complexos da cadeia de transporte de elétrons, bem como Efraim Racker na ATP sintase. Um passo crítico para resolver o mecanismo da ATP sintase foi fornecido por Paul D. Boyer , por seu desenvolvimento em 1973 do mecanismo de "mudança de ligação", seguido por sua proposta radical de catálise rotacional em 1982. Trabalhos mais recentes incluíram estudos estruturais sobre as enzimas envolvidas na fosforilação oxidativa por John E. Walker , com Walker e Boyer sendo premiado com o Prêmio Nobel em 1997.

Veja também

Notas

Referências

Leitura adicional

Introdutório

Avançado

  • Nicholls DG, Ferguson SJ (2002). Bioenergética 3 (1ª ed.). Imprensa Acadêmica. ISBN 0-12-518121-3.
  • Haynie D (2001). Termodinâmica Biológica (1ª ed.). Cambridge University Press. ISBN 0-521-79549-4.
  • Rajan SS (2003). Introdução à Bioenergética (1ª ed.). Anmol. ISBN 81-261-1364-2.
  • Wikstrom M, ed. (2005). Aspectos Biofísicos e Estruturais da Bioenergética (1ª ed.). Sociedade Real de Química. ISBN 0-85404-346-2.

Recursos gerais

Recursos estruturais