FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA: ETAPAS, FUNÇÕES E INIBIDORES - BIOLOGIA - 2025

A fosforilação oxidativa é um processo onde são sintetizadas moléculas de ATP a partir de ADP e P _i (fosfato inorgânico). Este mecanismo é realizado por bactérias e células eucarióticas. Em células eucarióticas, a fosforilação ocorre na matriz mitocondrial de células não fotossintéticas.

A produção de ATP é impulsionada pela transferência de elétrons das coenzimas NADH ou FADH ₂ para O ₂. Este processo representa a principal produção de energia na célula e é derivado da quebra de carboidratos e gorduras.

Fonte: Robot8A

A energia armazenada nos gradientes de carga e pH, também conhecida como força motriz do próton, permite que esse processo aconteça. O gradiente de prótons gerado faz com que a parte externa da membrana tenha uma carga positiva devido à concentração de prótons (H ⁺) e a matriz mitocondrial seja negativa.

Onde ocorre a fosforilação oxidativa?

Os processos de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa estão associados a uma membrana. Em procariotos, esses mecanismos ocorrem através da membrana plasmática. Em células eucarióticas, eles se associam à membrana mitocondrial.

O número de mitocôndrias encontradas nas células varia dependendo do tipo de célula. Por exemplo, em mamíferos, os eritrócitos não possuem essas organelas, enquanto outros tipos de células, como células musculares, podem ter até milhões delas.

A membrana mitocondrial consiste em uma membrana externa simples, uma membrana interna um pouco mais complexa e, entre elas, o espaço intermembranar, onde muitas enzimas dependentes de ATP estão localizadas.

A membrana externa contém uma proteína chamada porina que forma os canais para a difusão simples de pequenas moléculas. Essa membrana é responsável por manter a estrutura e o formato das mitocôndrias.

A membrana interna tem maior densidade e é rica em proteínas. Também é impermeável a moléculas e íons, portanto, para cruzá-lo, eles precisam de proteínas intermembranas para transportá-los.

Dentro da matriz, dobras da membrana interna se estendem, formando sulcos que permitem que ela tenha uma grande área em um pequeno volume.

Usina de energia celular

A mitocôndria é considerada produtora de energia celular. Ele contém as enzimas envolvidas nos processos do ciclo do ácido cítrico, oxidação dos ácidos graxos e as enzimas redox e proteínas do transporte de elétrons e fosforilação do ADP.

O gradiente de concentração de prótons (gradiente de pH) e o gradiente de carga ou potencial elétrico na membrana interna da mitocôndria são responsáveis ​​pela força motriz do próton. A baixa permeabilidade da membrana interna para íons (exceto H ⁺) permite que a mitocôndria tenha um gradiente de voltagem estável.

O transporte eletrônico, o bombeamento de prótons e a produção de ATP ocorrem simultaneamente nas mitocôndrias, graças à força motriz do próton. O gradiente de pH mantém as condições ácidas na intermembrana e na matriz mitocondrial com condições alcalinas.

Para cada dois elétrons transferidos para o O _2, cerca de 10 prótons são bombeados através da membrana, criando um gradiente eletroquímico. A energia liberada nesse processo é produzida gradativamente pela passagem dos elétrons pela cadeia de transporte.

Estágios

A energia liberada durante as reações de oxidação-redução do NADH e FADH ₂ é consideravelmente alta (em torno de 53 kcal / mol para cada par de elétrons), portanto, para ser utilizada na fabricação de moléculas de ATP, deve ser produzida gradativamente com a passagem de elétrons através de transportadores.

Estes são organizados em quatro complexos localizados na membrana mitocondrial interna. O acoplamento dessas reações à síntese de ATP é realizado em um quinto complexo.

Cadeia de transporte de elétrons

O NADH transfere um par de elétrons que entram no complexo I da cadeia de transporte de elétrons. Os elétrons são transferidos para o mononucleotídeo de flavina e, em seguida, para a ubiquinona (coenzima Q) por meio de um transportador de ferro-enxofre. Este processo libera grande quantidade de energia (16,6 kcal / mol).

Ubiquinona transporta elétrons através da membrana para o complexo III. Neste complexo, os elétrons passam pelos citocromos b e c ₁ graças a um transportador ferro-enxofre.

Os elétrons passam do complexo III para o complexo IV (citocromo c oxidase), transferidos um a um no citocromo c (proteína da membrana periférica). No complexo IV, os elétrons passam por um par de íons de cobre (Cu _a ²⁺), depois para o citocromo c _a, depois para outro par de íons de cobre (Cu _b ²⁺) e deste para o citocromo a ₃.

Finalmente, os elétrons são transferidos para o O _2, que é o último aceptor e forma uma molécula de água (H ₂ O) para cada par de elétrons recebidos. A passagem de elétrons do complexo IV para o O ₂ também gera uma grande quantidade de energia livre (25,8 kcal / mol).

Succinato CoQ redutase

O complexo II (succinato CoQ redutase) recebe um par de elétrons do ciclo do ácido cítrico, por meio da oxidação de uma molécula de succinato a fumarato. Esses elétrons são transferidos para o FAD, passando por um grupo ferro-enxofre, para a ubiquinona. Desta coenzima vão para o complexo III e seguem a rota anteriormente descrita.

A energia liberada na reação de transferência de elétrons para o FAD não é suficiente para conduzir os prótons através da membrana, portanto, nenhuma força motriz de prótons é gerada nesta etapa da cadeia e, consequentemente, o FADH produz menos H ⁺ do que NADH.

Acoplamento ou transdução de energia

A energia gerada no processo de transporte de elétrons descrito anteriormente deve ser capaz de ser utilizada para a produção de ATP, uma reação catalisada pela enzima ATP sintase ou complexo V. A conservação desta energia é conhecida como acoplamento de energia, e o mecanismo tem sido difícil de caracterizar.

Várias hipóteses foram descritas para descrever esta transdução de energia. A mais aceita é a hipótese de acoplamento quimiosmótico, descrita a seguir.

Acoplamento quimiosmótico

Esse mecanismo propõe que a energia usada para a síntese de ATP provém de um gradiente de prótons nas membranas celulares. Este processo intervém nas mitocôndrias, cloroplastos e bactérias e está ligado ao transporte de elétrons.

Os complexos I e IV do transporte de elétrons atuam como bombas de prótons. Estes passam por mudanças conformacionais que lhes permitem bombear prótons para o espaço intermembrana. No complexo IV, para cada par de elétrons, dois prótons são bombeados para fora da membrana e mais dois permanecem na matriz, formando H ₂ O.

Ubiquinona no complexo III aceita prótons dos complexos I e II e os libera para o exterior da membrana. Cada um dos complexos I e III permite a passagem de quatro prótons para cada par de elétrons transportados.

A matriz mitocondrial possui baixa concentração de prótons e potencial elétrico negativo, enquanto o espaço intermembrana apresenta as condições inversas. O fluxo de prótons através desta membrana representa o gradiente eletroquímico que armazena a energia necessária (± 5 kcal / mol por próton) para a síntese do ATP.

Síntese de ATP

A enzima ATP sintetase é o quinto complexo envolvido na fosforilação oxidativa. É responsável por aproveitar a energia do gradiente eletroquímico para formar ATP.

Esta proteína transmembrana consiste em dois componentes: F ₀ e F ₁. O componente F ₀ permite o retorno dos prótons à matriz mitocondrial, funcionando como um canal e o F ₁ catalisa a síntese de ATP através do ADP e P _i, utilizando a energia desse retorno.

O processo de síntese do ATP requer uma mudança estrutural em F ₁ e a montagem dos componentes F ₀ e F ₁. A translocação de prótons através de F ₀ provoca alterações conformacionais em três subunidades de F ₁, permitindo que atue como um motor de rotação, direcionando a formação de ATP.

A subunidade responsável pela ligação do ADP com P _i muda de um estado fraco (L) para um ativo (T). Quando o ATP é formado, uma segunda subunidade entra em um estado aberto (O) que permite a liberação dessa molécula. Depois que o ATP é liberado, essa subunidade vai do estado aberto para o estado inativo (L).

As moléculas ADP e P _i ligam-se a uma subunidade que passou do estado O para o estado L.

produtos

A cadeia de transporte de elétrons e a fosforilação produzem moléculas de ATP. A oxidação do NADH produz cerca de 52,12 kcal / mol (218 kJ / mol) de energia livre.

A reação geral para a oxidação de NADH é:

NADH + 1/2 O ₂ + H ⁺ ↔ H ₂ O + NAD ⁺

A transferência de elétrons de NADH e FADH ₂ ocorre por meio de vários complexos, permitindo que a mudança de energia livre ΔG ° se decomponha em “pacotes” de energia menores, que são acoplados à síntese de ATP.

A oxidação de uma molécula de NADH gera a síntese de três moléculas de ATP. Enquanto a oxidação de uma molécula de FADH ₂ está acoplada à síntese de dois ATP.

Essas coenzimas vêm dos processos do ciclo da glicólise e do ácido cítrico. Para cada molécula de glicose degradada, elas acabam produzindo 36 ou 38 moléculas de ATP, dependendo da localização das células. No cérebro e no músculo esquelético 36 ATP são produzidos, enquanto no tecido muscular 38 ATP são produzidos.

Recursos

Todos os organismos, unicelulares e multicelulares, precisam de energia mínima em suas células para realizar os processos dentro delas e, por sua vez, mantêm funções vitais em todo o organismo.

Os processos metabólicos requerem energia para acontecer. A maior parte da energia utilizável é obtida da quebra de carboidratos e gorduras. Essa energia é derivada do processo de fosforilação oxidativa.

Controle de fosforilação oxidativa

A taxa de utilização de ATP nas células controla sua síntese e, por sua vez, devido ao acoplamento da fosforilação oxidativa com a cadeia de transporte de elétrons, também geralmente regula a taxa de transporte de elétrons.

A fosforilação oxidativa tem um controle estrito que garante que o ATP não seja gerado mais rápido do que é consumido. Existem certas etapas no processo de transporte de elétrons e fosforilação acoplada que regulam a taxa de produção de energia.

Controle coordenado da produção de ATP

As principais vias de produção de energia (ATP celular) são a glicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. O controle coordenado desses três processos regula a síntese de ATP.

O controle da fosforilação pela razão de ação em massa do ATP depende do fornecimento preciso de elétrons na cadeia de transporte. Isso, por sua vez, depende da razão /, que é mantida alta pela ação da glicólise e do ciclo do ácido cítrico.

Esse controle coordenado é realizado pela regulação dos pontos de controle da glicólise (PFK inibido por citrato) e do ciclo do ácido cítrico (piruvato desidrogenase, citrato tapease, isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase).

Controle por aceitador

O complexo IV (citocromo c oxidase) é uma enzima regulada por um de seus substratos, ou seja, sua atividade é controlada pelo citocromo c reduzido (c ²⁺), que por sua vez está em equilíbrio com a razão de concentração entre / e a relação de ação de massa de / +.

Quanto maior for a razão / e quanto menor for / +, maior será a concentração de citocromo e maior será a atividade do complexo IV. Isso é interpretado, por exemplo, se compararmos organismos com diferentes atividades de repouso e alta atividade.

Em um indivíduo com alta atividade física, o consumo de ATP e, portanto, sua hidrólise para ADP + P _i será muito alto, gerando uma diferença na razão de ação da massa que causa um aumento e, portanto, um aumento na síntese de ATP. Em um indivíduo em repouso, ocorre a situação inversa.

Em última análise, a taxa de fosforilação oxidativa aumenta com a concentração de ADP na mitocôndria. A referida concentração depende dos translocadores ADP-ATP responsáveis ​​pelo transporte dos nucleotídeos de adenina e P _i do citosol para a matriz mitocondrial.

Agentes de desacoplamento

A fosforilação oxidativa é influenciada por certos agentes químicos, que permitem que o transporte de elétrons continue sem a fosforilação do ADP, desacoplando a produção e conservação de energia.

Esses agentes estimulam a taxa de consumo de oxigênio da mitocôndria na ausência de ADP, causando também um aumento na hidrólise de ATP. Eles atuam removendo um intermediário ou quebrando um estado de energia na cadeia de transporte de elétrons.

O 2,4-dinitrofenol, um ácido fraco que passa pelas membranas mitocondriais, é responsável por dissipar o gradiente de prótons, pois se ligam a eles no lado ácido e os liberam no lado básico.

Este composto foi usado como uma "pílula dietética", pois foi descoberto que produzia um aumento na respiração, portanto, um aumento na taxa metabólica e perda de peso associada. No entanto, foi demonstrado que seu efeito negativo pode até causar a morte.

A dissipação do gradiente de prótons produz calor. As células do tecido adiposo marrom usam o desacoplamento controlado por hormônios para produzir calor. Mamíferos em hibernação e recém-nascidos sem cabelo consistem nesse tecido que funciona como uma espécie de manta térmica.

Inibidores

Os compostos ou agentes inibidores evitam o consumo de O ₂ (transporte de elétrons) e a fosforilação oxidativa associada. Esses agentes evitam a formação de ATP por meio do uso da energia produzida no transporte eletrônico. Portanto, a cadeia de transporte pára quando o referido consumo de energia não está disponível.

O antibiótico oligomicina atua como inibidor da fosforilação em muitas bactérias, impedindo a estimulação da síntese de ADP para ATP.

Existem também agentes ionóforos, que formam complexos lipossolúveis com cátions, como K ⁺ e Na ⁺, e passam pela membrana mitocondrial com esses cátions. A mitocôndria então usa a energia produzida no transporte eletrônico para bombear cátions em vez de sintetizar ATP.

Referências

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