Fosforilação Oxidativa

  • ATP synthase
  • coenzima Q (CoQ)
  • acoplamento quimiossimótico
  • cristae
  • cytochrome b-c complexo
  • li>citocromo cli>citocromo oxidaseli> cadeia de transporte de electrões (ETC)li> subunidade F0li> subunidade F1li>intermembrana space

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  • matrix
  • NADH desidrogenase
  • fosforilação oxidativa
  • força motora de prótons (PMF)
  • par deredox
  • potencial deredox
  • cadeia de respeito
  • succinato desidrogenase
  • ubiquinona
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    Introdução e Objectivos

    Este tutorial irá descrever os mecanismos envolvidos na síntese do ATP durante a respiração celular. A fase final da respiração celular ocorre nas mitocôndrias, onde os portadores de electrões reduzidos (NADH e FADH2) doam os seus electrões ao oxigénio através de uma cadeia de transporte de electrões. À medida que os electrões viajam, é gerado um gradiente electroquímico de hidrogénio através de uma das duas membranas mitocondriais. A energia deste gradiente de prótons electroquímicos é utilizada para sintetizar o ATP.

    No final deste tutorial deve saber:

    • A natureza do acoplamento quimiossimótico do transporte de electrões e síntese de ATP
    • As características de uma mitocôndria
    • O significado do potencial redox e como determina o fluxo de electrões
    • Os mecanismos de transporte de electrões (incluindo o papel dos portadores reduzidos de electrões NADH e FADH2, e oxigénio)
    • Como se forma o gradiente electroquímico do hidrogénio
    • Como se utiliza o gradiente electroquímico do hidrogénio para sintetizar o ATP
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    O acoplamento quimiosmótico do transporte de electrões e síntese de ATP

    A maioria do ATP celular é sintetizada durante a respiração celular nas mitocôndrias de células animais e vegetais, e durante a fotossíntese nos cloroplastos de células vegetais e algas. O mecanismo de síntese de ATP nestas duas organelas é muito semelhante e representa um mecanismo de conservação evolutiva (que as bactérias também empregam). Basicamente, este mecanismo é dois processos ligados: transporte de electrões e síntese de ATP (ambos são mediados por proteínas ligadas à membrana). Os electrões são transferidos ao longo de uma cadeia de transporte de electrões (ETC) que é composta por complexos proteicos incorporados numa membrana. medida que os electrões se deslocam de uma proteína para outra, os prótons são bombeados através da membrana. Isto resulta num gradiente de prótons electroquímicos, onde a energia livre libertada durante o movimento dos electrões é capturada neste gradiente. Os iões de hidrogénio fluem de volta através da membrana (descendo o gradiente electroquímico) através de um complexo proteico especializado denominado ATP synthase, que captura a energia livre do gradiente de hidrogénio para impulsionar a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. A ligação do transporte de electrões, bombeamento de prótons e síntese de ATP é referida como acoplamento quimiossimótico. Nas mitocôndrias este processo é a fase final da respiração celular e é referido como fosforilação oxidativa. Nos cloroplastos, este processo é frequentemente referido como as reacções de luz da fotossíntese. Este tutorial irá descrever a fosforilação oxidativa em detalhe. A fotossíntese será descrita no próximo tutorial.

    Fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias

    Figure 1. A estrutura de uma mitocôndria. Uma mitocôndria tem duas membranas: uma interna e uma externa. O espaço rodeado pela membrana interna é denominado matriz, e as invaginações da membrana interna são denominadas cristae. O espaço entre a membrana interna e a membrana externa é denominado espaço intermembrana. As proteínas que medeiam os processos de fosforilação oxidativa, incluindo o transporte de electrões e a síntese de ATP, são incorporadas na membrana interna.

    A oxidação completa da glucose em CO2 ocorre durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico (ambos descritos no tutorial anterior); pode recordar-se que muito pouca energia, sob a forma de ATP, é efectivamente produzida nestas duas vias (ver Fig. 5; no tutorial Glicólise, Fermentação e o Ciclo do Ácido Cítrico). A maior parte da energia, neste ponto, é armazenada nos portadores reduzidos de electrões NADH e FADH2. Serão utilizados na fase final da respiração celular, nomeadamente na fosforilação oxidativa, que ocorre nas mitocôndrias. Uma mitocôndria é uma organela rodeada por duas membranas (uma interna e uma externa; Figura 1). Estas duas membranas definem o espaço intermembrana, e a matriz (o próprio espaço interior da mitocôndria) é definida pela membrana interna. A membrana exterior é muito permeável, e permite que muitas moléculas entrem e saiam da mitocôndria. A membrana interna, que é muito menos permeável, é o local da fosforilação oxidativa. As proteínas da ETC e da ATP synthase estão incorporadas na membrana interna, que tem numerosas infoldings distintas (denominadas cristae). A cristae aumenta a área de superfície da membrana interna. A matriz é o local do ciclo do ácido cítrico. As mitocôndrias também contêm os seus próprios genomas e podem transcrever mRNAs e traduzir proteínas.

    Potencial Redox

    Figure 2. A cadeia de transporte de electrões. A transferência de electrões para um portador de electrões reduzido para outro portador de electrões no ETC é mostrada como uma função da energia livre de transferência de electrões desse portador de electrões para o oxigénio. Isto é calculado como a diferença entre o potencial redox do portador individual de electrões (por exemplo NADH) e o potencial redox do oxigénio. O fluxo de electrões ocorre de forma gradual, libertando a energia livre de forma incremental.

    Na fosforilação oxidativa, os portadores de electrões reduzidos (NADH e FADH2) doam os seus electrões às proteínas do ETC. Os electrões são passados de proteína para proteína de forma gradual, acoplados ao bombeamento de prótons através da membrana mitocondrial interna, para o espaço intermembrana. Eventualmente, os electrões são doados ao oxigénio para formar água, daí a necessidade de oxigénio na respiração celular. A direcção do fluxo de electrões ao longo do ETC é determinada pela afinidade dos diferentes portadores de electrões. Esta afinidade pode ser expressa como um potencial redox, uma medida empírica da afinidade de qualquer par de compostos oxidados e reduzidos (par redox) para os electrões. Por exemplo, a reacção NAD+ + 2H+ + 2e- -> NADH (NADH e NAD+ são o par redox) tem um potencial redox de -320mV; este valor negativo indica que NADH é um bom doador de electrões (tem uma afinidade relativamente baixa para electrões). Em contraste, a reacção 1/2 O2 + 2H+ + 2e- -> H2O tem um potencial redox de +820mV, indicando que o oxigénio é um excelente doador de electrões (tem uma alta afinidade para os electrões). No ETC, a direcção do fluxo de electrões é de compostos com menores potenciais redox para compostos com potenciais redox sucessivamente mais elevados; ou seja, começando com NADH ou FADH2 e terminando com oxigénio (ver Figura 2). Quando os electrões são passados de um doador de electrões (por exemplo, NADH) para um aceitador de electrões (por exemplo, O2, a energia livre libertada pode ser calculada a partir da diferença entre o potencial redox de um par redox (e.g. NADH e NAD+) e o outro par redox.

    A Cadeia Respiratória

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    Figure 3. Fosforilação oxidativa: transporte de electrões e síntese de ATP. A cadeia respiratória é composta por três grandes complexos proteicos fixados na membrana (cor de laranja) e dois portadores móveis de electrões (cor de preto). Os electrões são doados de NADH para NADH desidrogenase, um grande complexo proteico que bombeia prótons através da membrana interna. Depois, os electrões são transportados para o complexo de citocromo b-c através da pequena molécula móvel coenzima Q (Q), também denominada ubiquinon; o complexo de citocromo b-c também bombeia protões através da membrana interna. Estes electrões são entregues ao último complexo proteico, citocromo oxidase, pelo citocromo proteico móvel c (cyt c). A citocromo oxidase doa os electrões ao oxigénio, e a água é formada. A citocromo oxidase também bombeia prótons através da membrana. A concentração de hidrogénio é muito maior no espaço intermembrana do que na matriz, gerando assim um gradiente de prótons electroquímicos. Este gradiente impulsiona os prótons de volta através da membrana interna através da ATP synthase (mostrada em cinza) que catalisa a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi).

    A cadeia de transporte de electrões mitocondriais, também referida como cadeia respiratória, está organizada em três complexos multiproteicos: NADH desidrogenase, complexo de citocromo b-c, e citocromo oxidase. Cada complexo de cadeia respiratória é composto por várias proteínas diferentes capazes de transportar tanto electrões como de bombear protões através da membrana interna, gerando assim um gradiente de protões electroquímicos (ilustrado na Figura 3). As proteínas dentro destes complexos têm uma variedade de grupos protéticos (ver tutorial Propriedades das Macromoléculas 1-Proteínas), incluindo centros de enxofre de ferro, hemes, flavinas (as moieties de DADs de múltiplos anéis) e cobre, todas capazes de aceitar e doar electrões. O transporte de electrões é iniciado quando um par de electrões e um próton são libertados da NADH e aceites pela NADH desidrogenase, sendo os electrões transportados de uma proteína para outra dentro do complexo. Os electrões são então transportados desse complexo para o complexo de citocromo b-c pelo coenzima transportadora móvel de electrões Q (CoQ), também chamada ubiquinona, o único portador não protéico de electrões na cadeia respiratória. Os electrões movem-se através do complexo de citocromo b-c e são transportados para o complexo final pelo pequeno citocromo proteico c. O complexo final, citocromo oxidase, catalisa a transferência dos electrões para o oxigénio. A energia livre desta reacção completa (NADH + H+ + 1/2 O2 -> NAD+ + H2O) é de -52,6 kcal/mol. A energia livre é libertada de forma gradual à medida que os electrões se movem através do ETC, e é capturada no gradiente do próton electroquímico. O FADH2 também doa os seus electrões à cadeia respiratória, mas como o seu potencial redox é superior ao da NADH desidrogenase, não pode doar os seus electrões a esse complexo proteico. Em vez disso, os electrões de FADH2 são doados para succinarem a desidrogenase, que, por sua vez, passará os electrões para a CoQ e serão transportados através do resto da cadeia respiratória. O gradiente electroquímico de hidrogénio que é gerado durante o transporte de electrões iniciado pelo FADH2 não é tão grande como o gerado pelo NADH. Isto porque o FADH2 dona os seus electrões para succinarem a desidrogenase, que não bombeia quaisquer prótons, e os electrões contornam a desidrogenase NADH, que bombeia os prótons.

    O gradiente electroquímico de prótons

    Coordenadamente com o transporte de electrões, os três complexos proteicos respiratórios acima descritos bombeiam os prótons da matriz para o espaço intermembrana, resultando num gradiente electroquímico através da membrana interna. À medida que os electrões se deslocam através destes complexos multi-proteínas, são frequentemente emparelhados com um próton (H+) para neutralizar a sua carga à medida que se deslocam de um lado da membrana para o outro. Alterações alostéricas nos complexos proteicos podem também resultar no bombeamento de prótons através da membrana. O bombeamento de prótons gera um gradiente através da membrana interna de uma diferença de unidade de pH (uma diferença de dez vezes na concentração de iões de hidrogénio) entre a matriz e o espaço intermembrana. Além disso, é gerado um potencial de membrana devido a uma carga positiva no espaço da membrana intermembrana e a carga líquida negativa na matriz. O gradiente electroquímico através da membrana interna é composto tanto pelo gradiente de pH como pelo potencial da membrana e é a força, frequentemente referida como a força motriz do próton (PMF), que conduzirá os prótons de volta através da membrana interna para dentro da matriz e, ao fazê-lo, conduzirá a síntese de ATP.

    ATP synthase

    Figure 4. A estrutura do ATP synthase. O ATP synthase é composto por duas subunidades: F0 e F1. Cada uma destas subunidades é composta de múltiplas proteínas. A subunidade F0 é composta por proteínas de membrana integral: 1 cópia da proteína a; 2 cópias da proteína b; e entre 12-14 cópias da proteína c, que forma o canal para os prótons fluírem através da membrana. A subunidade F1 é composta por cinco proteínas distintas: 3 cópias de alfa, 3 cópias de beta, 1 cópia de gamma, delta e epsilon. medida que os protões fluem através da membrana, as subunidades c e as subunidades delta e epsilon anexas rodam. O resto das subunidades são estacionárias. Quando os prótons entram, o anel formado pelas subunidades c e o talo (composto pelas subunidades delta e épsilon) giram. Esta rotação induz alterações conformacionais nas subunidades beta, catalisando a síntese de ATP.

    O PMF é utilizado para conduzir a síntese de ATP através da síntese de ATP, um complexo proteico que converte a energia do gradiente do próton em ligações químicas. A ATP synthase tem duas subunidades distintas: a subunidade transmembrana F0, que contém um canal proteico para o fluxo de prótons; e a subunidade F1, que se projeta para o espaço da matriz e catalisa a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Figura 4). Uma porção da subunidade F1 designada por pedúnculo liga as duas subunidades. À medida que os prótons fluem através do canal na subunidade F0, provocam a rotação do talo incorporado na subunidade F1 estacionária, convertendo assim a energia do gradiente electroquímico em energia mecânica. Como o talo gira numa direcção, induz mudanças conformacionais nas proteínas da subunidade F1, que, por sua vez, catalisam a síntese de ATP – convertendo assim a energia mecânica da rotação do talo em energia de ligação química. Aproximadamente três prótons devem passar pelo complexo de síntese de ATP para que uma molécula de ATP seja sintetizada.

    O gradiente de prótons como a ligação entre o transporte de electrões e a síntese de ATP

    O gradiente de prótons é crítico para o acoplamento quimiossimótico do transporte de electrões e da síntese de ATP. À medida que os electrões são movidos ao longo da cadeia respiratória, os prótons são bombeados através da membrana interna, da matriz para o espaço intermembrana; isto resulta num gradiente de prótons electroquímicos. A força deste gradiente conduz os prótons de volta através da membrana interna para a matriz, através da subunidade F0 da ATP synthase, o que resulta na activação das subunidades F1 e na síntese de ATP. Em média, para cada NADH, são sintetizados aproximadamente 3 ATP, e para cada FADH2, são sintetizados aproximadamente 2 ATP. O menor rendimento de ATP para FADH2 resulta do menor gradiente de prótons gerado quando os electrões são doados a partir de FADH2. Neste caso, os electrões são doados para succinarem a desidrogenase, que não bombeia prótons quando os electrões entram no ETC, contornando assim a desidrogenase de NADH e os prótons que bombeia através da membrana.

    Sumário

    Fosforilação oxidativa é um mecanismo para a síntese de ATP tanto em células vegetais como animais. Envolve o acoplamento quimiossimótico do transporte de electrões e a síntese de ATP. A fosforilação oxidativa ocorre nas mitocôndrias. A mitocôndria tem duas membranas: uma membrana interior e uma membrana exterior. O espaço definido pela membrana interna é a matriz, e o espaço entre as duas membranas é o espaço intermembrana. NADH e FADH2, geradas na glicólise e no ciclo do ácido cítrico, são oxidadas nas mitocôndrias. Doam os seus electrões a complexos proteicos embutidos na membrana interna das mitocôndrias, compostos por muitos polipéptidos com uma variedade de grupos protéticos capazes de aceitar e doar electrões. Estes complexos são componentes da cadeia respiratória. Os electrões doados por NADH e FADH2 são transportados ao longo da cadeia respiratória e serão eventualmente doados para oxigénio, gerando assim água. A direcção do transporte de electrões é determinada pelo potencial redox de cada portador potencial de electrões. Existem três grandes complexos proteicos que participam na cadeia respiratória que transporta electrões e que bombeia iões de hidrogénio através da membrana interna, resultando assim num gradiente electroquímico de hidrogénio. Este gradiente electroquímico gera uma força motriz de prótons (PMF) que conduz os iões de hidrogénio de volta através da membrana interna através da sintase ATP. A ATP synthase é composta por duas subunidades: a subunidade F0, que fornece um canal para o fluxo de iões de hidrogénio de volta através da membrana interna; e a subunidade F1, que catalisa a síntese de ATP a partir de ADP + Pi. À medida que os iões de hidrogénio fluem através da subunidade F0, uma porção da subunidade gira na membrana. Ao rodar, induz alterações conformacionais na subunidade F1 que activam a actividade de síntese de ATP, convertendo assim a energia livre do gradiente electroquímico do hidrogénio (gerado pelas proteínas da cadeia de transporte de electrões) na energia de uma ligação química.

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