CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS: COMPONENTES, SEQUÊNCIA, INIBIDORES - BIOLOGIA - 2024

A cadeia de transporte de elétrons consiste em um conjunto de moléculas de proteínas e coenzimas dentro de uma membrana. Como o próprio nome indica, é responsável pelo transporte de elétrons das coenzimas NADH ou FADH2 para o receptor final que é o O2 (oxigênio molecular).

Nesse processo de transporte, a energia liberada quando os elétrons são transferidos das coenzimas para o oxigênio molecular, por meio de centros redox ligados às proteínas, está associada à produção de energia (ATP). Esta energia é obtida graças ao gradiente de prótons que é gerado na membrana mitocondrial interna.

Fonte: Usuário: Rozzychan

Este sistema de transporte é feito de vários componentes que podem ser encontrados em pelo menos dois estados de oxidação. Cada um deles é efetivamente reduzido e reoxidado durante o movimento dos elétrons do NADH ou FADH2 para o O2.

As coenzimas NAD + e FAD são reduzidas nas vias de oxidação de ácidos graxos e no ciclo do ácido cítrico como consequência da oxidação de vários substratos. Essas coenzimas são posteriormente oxidadas na cadeia de transporte eletrônico.

Portanto, o sistema de transporte eletrônico consiste em uma sequência de reações de oxidação-redução que estão conectadas umas às outras.

Componentes da corrente

Dependendo do tipo de organismo, podem ser observados 3 a 6 componentes constituindo a cadeia de transporte de elétrons. O processo de transporte de elétrons e a síntese de ATP por fosforilação oxidativa, são processos que ocorrem em uma membrana.

No caso das células procarióticas (bactérias aeróbias), esses processos ocorrem associados à membrana plasmática. Nas células eucarióticas, ocorre na membrana mitocondrial, de modo que os componentes do transporte de elétrons são encontrados na parte interna da membrana.

Os elétrons são transferidos gradualmente através de quatro complexos que compõem a cadeia de transporte eletrônico.

Cada complexo possui diversos componentes protéicos associados a grupos protéticos (componentes não aminoácidos de proteínas conjugadas) redox, que permitem aumentar seus potenciais de redução.

Além disso, esse sistema de transporte é composto por várias espécies moleculares, como flavoproteínas; coenzima Q também chamada de ubiquinona (CoQ ou UQ); vários citocromos, tais como citocromo b, c, c1, a e a3; proteínas com grupos Fe-S e proteínas ligadas ao Cu. Essas moléculas se ligam à membrana, com exceção do citocromo c.

Complexo I

O complexo I, denominado NADH coenzima quinona oxidoredutase, ou NADH desidrogenase, é composto por cerca de 45 cadeias polipeptídicas e contém uma molécula de mononucleotídeo de flavina (FMN) e oito a nove aglomerados de Fe-S. Como o próprio nome indica, este complexo transfere um par de elétrons da coenzima NADH para CoQ.

A função do complexo NADH desidrogenase começa com a ligação do NADH ao complexo no lado da matriz da membrana mitocondrial interna. Os elétrons são então transportados do NADH para o FMN. Posteriormente, os elétrons passam da flavina reduzida (FMNH2) para as proteínas com Fe-S.

O FMNH2 funciona como uma espécie de ponte entre as proteínas NADH e Fe-S, uma vez que esta última pode transferir apenas um elétron, enquanto a coenzima NADH transfere dois, de forma que as flavinas realizam esta transferência de um único elétron graças ao ao seu estado redox de semiquinona.

Finalmente, os elétrons são transferidos dos aglomerados de Fe-S para a coenzima Q, que é um portador de elétrons móvel com uma cauda isoprenóide que o torna hidrofóbico, permitindo que atravesse o centro da membrana mitocondrial.

Complexo II

O Complexo II, mais conhecido como succinato desidrogenase, é uma proteína integrante da membrana mitocondrial interna e é uma enzima que intervém no ciclo do ácido cítrico.

Esse complexo é composto por duas subunidades hidrofílicas e duas hidrofóbicas com grupos heme b que fornecem o sítio de ligação para CoQ, além de uma flavoproteína e uma proteína com Fe-S.

No ciclo do ácido cítrico (Krebs ou ciclo do ácido tricarboxílico), o succinato é convertido em fumarato pela succinato desidrogenase, reduzindo a coenzima FAD a FADH2. Desta última coenzima, os elétrons são transferidos para os centros Fe-S que, por sua vez, os transferem para a CoQ.

Durante as reações dessa transferência de elétrons, o potencial redox padrão é muito baixo, o que impede que a energia livre necessária para sintetizar ATP seja liberada.

Isso significa que o complexo II é o único complexo na cadeia de transporte de elétrons incapaz de fornecer energia para a síntese de ATP. No entanto, esse complexo é fundamental no processo, pois transfere os elétrons do FADH2 para o resto da cadeia.

Complexo III

O complexo III, complexo do citocromo bc1 ou CoQ citocromo c redutase, transfere elétrons da coenzima Q reduzida para o citocromo c. Essa transferência ocorre por meio de uma única via redox, conhecida como ciclo Q.

Este complexo é composto por uma proteína com Fe-S e três citocromos distintos, nos quais o átomo de ferro localizado no grupo heme varia ciclicamente entre os estados reduzido (Fe2 +) e oxidado (Fe3 +).

Os citocromos são hemoproteínas transportadoras de elétrons, que possuem atividade redox. Eles estão presentes em todos os organismos, exceto em alguns anaeróbios obrigatórios.

Essas proteínas possuem grupos heme que se alternam entre dois estados de oxidação (Fe2 + e Fe3 +). O citocromo c é um portador de elétrons móvel fracamente associado à membrana interna da mitocôndria.

Os citocromos encontrados neste complexo são os citocromos b, ce a, todos os 3 são proteínas redox ativas com grupos hae com características diferentes, que alternam seus estados de oxidação entre Fe2 + e Fe3 +.

O citocromo c é uma proteína da membrana periférica que funciona como um "lançador" de elétrons com o citocromo c1 e o complexo IV.

Complexo IV

O citocromo c e o O2 são os receptores finais para os elétrons derivados da oxidação do material orgânico; portanto, o complexo IV ou citocromo c oxidase é a enzima terminal no processo de transporte de elétrons. Este aceita elétrons do citocromo c e os transfere para a redução de O2.

A função do complexo é catalisar oxidações de um elétron das quatro moléculas consecutivas do citocromo c reduzido, ou seja, reduzir simultaneamente quatro elétrons de uma molécula de O2, produzindo finalmente duas moléculas de H2O.

Sequência de transporte de elétrons

Os elétrons são transferidos dos complexos I e II para o complexo III graças à coenzima Q e, a partir daí, passam para o complexo IV através do citocromo c. Conforme os elétrons passam por esses quatro complexos, eles aumentam o potencial de redução, liberando energia, que é então utilizada para a síntese de ATP.

No total, a transferência de um par de elétrons causa a translocação de 10 prótons através da membrana; quatro nos complexos I e IV e dois no complexo III.

NADH desidrogenase

Esta enzima catalisa a oxidação da coenzima NADH pela coenzima Q. Os elétrons se movem do NADH para o FMN, que está ligado à cauda hidrofílica do complexo I. Aglomerados de Fe-S transferem elétrons um de cada vez. Esses grupos Fe-S reduzem a CoQ, que está embutida na membrana, a ubiquinol (CoQ reduzida).

Durante a transferência de elétrons para CoQ, quatro prótons são, por sua vez, transferidos através da membrana interna para o espaço intermembrana. O mecanismo pelo qual esses prótons são translocados envolve proteínas localizadas na cauda hidrofóbica do complexo I.

O processo de transferência de elétrons nesta etapa libera energia livre, especificamente -16,6 kcal / mol.

CoQ-citocromo c redutase e ciclo Q

A coenzima Q é oxidada pelo citocromo c, em uma reação catalisada por esta coenzima. A oxidação do ubiquinol (CoQ reduzida) ocorre em um determinado local do complexo (Qo ou local de oxidação) da membrana mitocondrial, transferindo dois elétrons, um para a proteína com os grupos Fe-S e outro para os grupos heme.

No ciclo Q, a oxidação da CoQ produz semiquinona, que é onde os elétrons são transferidos para os grupos heme b1 e bh. Conforme essa transferência de elétrons ocorre, uma segunda CoQ é oxidada no local Qo, repetindo o ciclo.

Este ciclo provoca a transferência de dois elétrons e por sua vez a translocação de quatro prótons para o espaço intermembrana, com a liberação de -10,64 kcal / mol de energia livre.

Citocromo c oxidase

Essa enzima (complexo IV) catalisa a oxidação do citocromo c (reduzido) pelo O2, que é o aceptor final de elétrons. Essa transferência produz uma molécula de H2O para cada par de elétrons transferidos, além da translocação de prótons através da membrana.

Os elétrons se movem um a um, do citocromo c reduzido para um par de íons CuA, então passam para um grupo heme e finalmente alcançam o centro binuclear do complexo contendo íons CuB e heme a3, onde ocorre a transferência de quatro elétrons até oxigênio.

No complexo IV os elementos transferem elétrons um a um, de modo que o O2 é gradualmente reduzido, de forma que não ocorre a liberação de alguns compostos tóxicos como o superóxido, o peróxido de hidrogênio ou os radicais hidroxila.

A energia liberada neste estágio corresponde a -32 kcal / mol. O gradiente eletroquímico gerado durante o processo de transferência e as mudanças de energia (ΔE) causadas por um par de elétrons ao passar pelos quatro complexos, corresponde, em cada etapa, à energia livre necessária para a produção de uma molécula de ATP.

Succinato desidrogenase

Como mencionado, este complexo tem a única, mas importante função de introduzir os elétrons do FADH2 do ciclo do ácido cítrico para a cadeia de transporte de elétrons.

Esta enzima catalisa a oxidação da coenzima FADH2 pela coenzima Q (oxidada). No ciclo do ácido cítrico, conforme o succinato é oxidado a fumarato, dois elétrons e dois prótons são transferidos para o FAD. Posteriormente, o FADH2 transfere esses elétrons para CoQ através dos centros Fe-S do complexo.

Finalmente, a partir da CoQ os elétrons são transferidos para o complexo III, seguindo as etapas descritas acima.

Os complexos da cadeia são independentes

Os quatro complexos que compõem a cadeia de transporte eletrônico são independentes, ou seja, são encontrados e operam de forma independente na membrana mitocondrial interna, e o movimento de cada um deles na membrana não depende ou está vinculado aos demais complexos.

Os complexos I e II se movem na membrana, transferindo seus elétrons para CoQ, que também se difunde na membrana e os transfere para o complexo III, de onde os elétrons passam para o citocromo c, que também é móvel na membrana e deposita os elétrons em complexo IV.

Inibidores da cadeia de transporte eletrônico

Alguns inibidores específicos atuam na cadeia de transporte eletrônico que interferem em seu processo. A rotenona é um inseticida comumente usado que se liga estequiometricamente ao complexo I, evitando a redução da CoQ.

Algumas drogas do tipo barbitúrico, como a Piericidina e o Amytal, inibem o complexo I, interferindo na transferência de elétrons dos grupos Fe-S para a CoQ.

No complexo II, alguns compostos como a teniltrifluoroacetona e o malonato atuam como inibidores competitivos com o succinato, evitando sua oxidação e, por sua vez, a transferência de elétrons para o FAD.

Alguns antibióticos, como mixotiazol e estigmatelina, ligam-se aos sítios de ligação Q da CoQ, inibindo a transferência de elétrons da coenzima Q para os centros Fe-S das proteínas.

Cianeto, azida (N3-), ácido sulfúrico e complexo de inibição de monóxido de carbono IV. Esses compostos se ligam a grupos heme, impedindo a transferência de elétrons para o centro binuclear do complexo ou para o oxigênio (O2).

Ao inibir a cadeia de transporte de elétrons, a produção de energia é interrompida pela fosforilação oxidativa, causando sérios danos e até a morte do corpo.

Referências

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. & Walter, P. (2004). Biologia celular essencial. Nova York: Garland Science. 2ª Edição.
2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). A célula. (pp. 397-402). Ed. Marbán.
3. Devlin, TM (1992). Livro didático de bioquímica: com correlações clínicas. John Wiley & Sons, Inc.
4. Garrett, RH e Grisham, CM (2008). Bioquímica. Ed. Thomson Brooks / Cole.
5. Rawn, JD (1989). Bioquímica (No. 577.1 RAW). Ed. Interamericana-McGraw-Hill
6. Voet, D., & Voet, JG (2006). Bioquímica. Panamerican Medical Ed.