A fosforilação oxidativa é um processo vital que ocorre nas mitocôndrias das células eucarióticas, responsável pela produção de ATP, a principal forma de energia utilizada pelas células. Este processo é dividido em vários estágios, incluindo a glicólise, o ciclo de Krebs e a cadeia de transporte de elétrons. Durante a cadeia de transporte de elétrons, ocorre a fosforilação oxidativa propriamente dita, onde a energia liberada durante a transferência de elétrons é utilizada para bombear prótons através da membrana mitocondrial interna, gerando um gradiente de prótons que é então utilizado pela ATP sintase para produzir ATP.
Existem diversos inibidores da fosforilação oxidativa, que podem agir em diferentes estágios do processo e interferir na produção de ATP. Estes inibidores são frequentemente utilizados em pesquisas científicas para estudar a função das mitocôndrias e também têm aplicações terapêuticas, sendo utilizados no tratamento de doenças mitocondriais e em algumas terapias contra o câncer. É importante compreender os estágios, funções e inibidores da fosforilação oxidativa para entender melhor como as células obtêm e utilizam a energia necessária para suas funções vitais.
Conheça as fases do processo de fosforilação oxidativa e sua importância na respiração celular.
A fosforilação oxidativa é um processo crucial na respiração celular, responsável por gerar a maior parte da energia utilizada pelas células. Este processo ocorre nas mitocôndrias e consiste em várias etapas que convertem a energia química armazenada nos alimentos em energia química utilizável na forma de ATP. Conhecer as fases desse processo e sua importância é fundamental para compreender como as células obtêm energia para suas funções vitais.
A primeira fase da fosforilação oxidativa é a cadeia de transporte de elétrons, onde ocorre a transferência de elétrons ao longo de uma série de complexos proteicos localizados na membrana mitocondrial interna. Durante esse processo, a energia liberada é utilizada para bombear prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, criando um gradiente de prótons. Essa etapa é essencial para a criação do potencial de membrana, que será utilizado na síntese de ATP.
A segunda fase é a fosforilação acoplada, onde o gradiente de prótons gerado é utilizado para impulsionar a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Esse processo ocorre na ATP sintase, uma enzima que sintetiza ATP a partir da energia liberada pela passagem dos prótons de volta para a matriz mitocondrial. Essa síntese de ATP é conhecida como fosforilação oxidativa, pois depende da presença de oxigênio para manter a cadeia de transporte de elétrons funcionando adequadamente.
A importância da fosforilação oxidativa na respiração celular é evidente quando consideramos que a maioria das células depende desse processo para produzir a energia necessária para suas atividades metabólicas. Qualquer interferência nesse processo pode levar a uma diminuição na produção de ATP e comprometer a função celular. Por isso, a compreensão das fases e mecanismos envolvidos na fosforilação oxidativa é essencial para o estudo da bioenergética celular.
Em resumo, a fosforilação oxidativa é um processo complexo e altamente regulado que desempenha um papel fundamental na respiração celular. Conhecer suas fases e entender sua importância é essencial para compreender como as células obtêm energia e como as disfunções nesse processo podem afetar a saúde e o funcionamento do organismo como um todo.
Quais substâncias podem bloquear a cadeia respiratória e prejudicar a produção de energia celular?
Existem várias substâncias que podem bloquear a cadeia respiratória e prejudicar a produção de energia celular. Um dos principais inibidores da fosforilação oxidativa é o cianeto, que se liga ao complexo IV da cadeia respiratória e impede a transferência de elétrons. Outro exemplo é o monóxido de carbono, que também interfere no funcionamento da cadeia respiratória, diminuindo a produção de ATP.
Além disso, substâncias como a rotenona e a antimicina A também são conhecidas por bloquear a cadeia respiratória em diferentes pontos, causando disfunção na produção de energia celular. Esses inibidores podem levar a uma redução significativa na quantidade de ATP gerada, resultando em prejuízos para diversas funções celulares.
Por isso, é importante estar ciente dos possíveis inibidores da fosforilação oxidativa e tomar medidas para evitá-los, a fim de garantir um adequado suprimento de energia para as células. Manter uma alimentação saudável e evitar a exposição a substâncias tóxicas são algumas das formas de proteger a cadeia respiratória e promover a produção eficiente de ATP.
Qual a importância do NADH e FADH na produção de energia celular?
Fosforilação oxidativa é um processo essencial para a produção de energia nas células, permitindo a síntese de ATP, a moeda energética do organismo. Nesse processo, o NADH e o FADH desempenham papéis fundamentais, atuando como transportadores de elétrons que ajudam a gerar o gradiente de prótons necessário para a síntese de ATP.
O NADH e o FADH são produtos da glicólise, do ciclo de Krebs e de outras vias metabólicas, que capturam elétrons liberados durante a oxidação de moléculas de nutrientes como glicose e ácidos graxos. Esses elétrons são transferidos para a cadeia de transporte de elétrons na membrana mitocondrial, onde são utilizados para bombear prótons para o espaço intermembranoso.
Essa geração de um gradiente de prótons cria um potencial de membrana que é utilizado pela ATP sintase para sintetizar ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. O NADH e o FADH são essenciais para manter esse fluxo de elétrons e prótons, garantindo a produção eficiente de ATP para as atividades celulares.
Além disso, inibidores como a rotenona e a antimicina A podem interferir no funcionamento da cadeia de transporte de elétrons, bloqueando a transferência de elétrons e a síntese de ATP. Essas substâncias são utilizadas em pesquisas e medicamentos para estudar e tratar distúrbios metabólicos.
Em resumo, o NADH e o FADH são moléculas-chave na produção de energia celular, desempenhando um papel crucial na fosforilação oxidativa e na síntese de ATP. Seu correto funcionamento é fundamental para a manutenção da homeostase energética e do metabolismo celular.
Diferença entre inibidor da cadeia respiratória e desacoplador da fosforilação oxidativa: explicação clara.
Uma das principais diferenças entre um inibidor da cadeia respiratória e um desacoplador da fosforilação oxidativa está no seu mecanismo de ação. Enquanto o inibidor da cadeia respiratória atua bloqueando a transferência de elétrons na cadeia respiratória, o desacoplador da fosforilação oxidativa interfere no acoplamento entre o transporte de elétrons e a síntese de ATP.
Os inibidores da cadeia respiratória impedem a síntese de ATP, interrompendo o processo de fosforilação oxidativa. Por outro lado, os desacopladores da fosforilação oxidativa dissipam o gradiente de prótons através da membrana mitocondrial, diminuindo a eficiência na produção de ATP.
Enquanto os inibidores da cadeia respiratória levam a uma redução no suprimento de energia para a célula, os desacopladores da fosforilação oxidativa resultam em uma maior demanda de energia para manter o gradiente de prótons. Ambos os tipos de substâncias podem ter efeitos significativos no metabolismo celular e no funcionamento dos organismos.
Fosforilação oxidativa: estágios, funções e inibidores
A fosforilação oxidativa é um processo em que as moléculas são sintetizadas de ATP a partir de ADP e P i (fosfato inorgânico). Este mecanismo é realizado por bactérias e células eucarióticas . Nas células eucarióticas, a fosforilação é realizada na matriz mitocondrial de células não fotossintéticas.
A produção de ATP é direcionada pela transferência de elétrons das co-enzimas NADH ou FADH 2 para O 2 . Este processo representa a maior produção de energia na célula e é derivado da degradação de carboidratos e gorduras.
A energia armazenada nos gradientes de carga e pH, também conhecida como força motriz de prótons, permite que esse processo seja realizado. O gradiente de prótons que é gerado faz com que a parte externa da membrana tenha uma carga positiva devido à concentração de prótons (H + ) e a matriz mitocondrial é negativa.
Onde ocorre a fosforilação oxidativa?
Os processos de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa estão associados a uma membrana. Nos procariontes, esses mecanismos são realizados através da membrana plasmática . Nas células eucarióticas, elas estão associadas à membrana mitocondrial .
O número de mitocôndrias encontradas nas células varia de acordo com o tipo de célula. Por exemplo, em mamíferos os eritrócitos possuem estes organelos, enquanto outros tipos de células, tais como células musculares, pode ser-se a milhões.
A membrana mitocondrial consiste em uma membrana externa simples, uma membrana interna um pouco mais complexa e entre elas o espaço intermembranar, onde estão localizadas muitas enzimas dependentes de ATP.
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 a forma das mitocôndrias.
A membrana interna tem uma densidade mais alta e é rica em proteínas. Também é impermeável às moléculas e íons, portanto, para atravessá-lo, eles precisam de proteínas intermembranares para transportá-los.
Dentro da matriz, as dobras da membrana interna se estendem, formando sulcos que permitem ter grande área em um pequeno volume.
Estação de energia celular
A mitocôndria é considerada como o produtor central de energia celular. Contém as enzimas envolvidas nos processos do ciclo do ácido cítrico, oxidação de ácidos graxos e enzimas redox e proteínas do transporte de elétrons e fosforilação do ADP.
O gradiente de concentração dos prótons (gradiente de pH) e o gradiente de cargas ou potencial elétrico na membrana interna das mitocôndrias são a causa da força motriz do próton. A baixa permeabilidade da membrana interna para íons (exceto H + ) permite que as mitocôndrias tenham um gradiente de tensão estável.
O transporte eletrônico, o bombeamento de prótons e a obtenção de ATP ocorrem simultaneamente nas mitocôndrias, graças à força motriz do próton. O gradiente de pH mantém condições ácidas na intermembrana e na matriz mitocondrial com condições alcalinas.
Para cada dois electrões transferidos para O 2 10 protões são bombeados através da membrana, a criação de um gradiente electroquímico. A energia liberada nesse processo é produzida gradualmente pela passagem de elétrons pela corrente transportadora.
Etapas
A energia liberada durante as reações de redução de óxido de NADH e FADH 2 é consideravelmente alta (cerca de 53 kcal / mol por par de elétrons); portanto, para ser usada na fabricação de moléculas de ATP, deve ser produzida gradualmente com a passagem de elétrons através de transportadores.
Estes estão 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 da flavina e depois para a ubiquinona (coenzima Q) através de um transportador de ferro-enxofre. Esse processo libera uma grande quantidade de energia (16,6 kcal / mol).
A ubiquinona transporta elétrons através da membrana para o complexo III. Neste complexo, os elétrons passam pelos citocromos bec 1 graças a um transportador de ferro-enxofre.
Do complexo III, os elétrons passam para o complexo IV (citocromo c oxidase), transferido um a um no citocromo c (proteína da membrana periférica). No complexo IV electrões passam através de um par de iões de cobre (Cu para 2+ ), em seguida, para o citocromo C para , em seguida, um outro par de iões de cobre (Cu b 2+ ) e este citocromo para 3 .
Finalmente, os electrões são transferidos para O 2 , que é o último aceitador e formar uma molécula de água (H 2 O) para cada par de electrões recebido. A passagem de electrões do complexo IV a O 2 também gera uma grande quantidade de energia livre (25,8 kcal / mol).
CoQ redutase succinato
O complexo II (succinato de CoQ redutase) recebe um par de elétrons do ciclo do ácido cítrico, por oxidação de uma molécula de succinato em fumarato. Esses elétrons são transferidos para o FAD, passando então por um grupo ferro-enxofre para a ubiquinona. A partir desta coenzima, eles passam para o complexo III e seguem a rota descrita anteriormente.
A energia liberada na reação de transferência de elétrons para o FAD não é suficiente para impulsionar os prótons através da membrana, portanto, nesta etapa da cadeia, nenhuma força motriz de prótons é gerada e, consequentemente, o FADH produz menos H + que o NADH.
Acoplamento ou transdução de potência
A energia gerada no processo de transporte de elétrons descrito anteriormente deve ser capaz de ser utilizada para a produção de ATP, reação catalisada pela enzima ATP sintase ou complexo V. A conservação dessa energia é conhecida como acoplamento de energia, e o mecanismo foi difícil de caracterizar.
Várias hipóteses foram descritas para descrever essa transdução de energia. O melhor aceito é a hipótese de acoplamento quimiosmótico, descrita abaixo.
Acoplamento quimiosmótico
Este mecanismo propõe que a energia utilizada para a síntese de ATP provenha de um gradiente de prótons nas membranas celulares. Esse processo está envolvido nas mitocôndrias, cloroplastos e bactérias e está ligado ao transporte de elétrons.
Os complexos I e IV do transporte eletrônico atuam como bombas de prótons. Estes sofrem alterações conformacionais que lhes permitem bombear os prótons para o espaço intermembranar. No complexo IV para cada par de electrões são bombeados para fora da membrana e dois protões mais duas estão na matriz de forma de H 2 O.
A ubiquinona no complexo III aceita prótons dos complexos I e II e os libera para fora da membrana. Os complexos I e III permitem que quatro prótons passem através de cada par de elétrons transportados.
A matriz mitocondrial possui baixa concentração de prótons e potencial elétrico negativo, enquanto o espaço intermembranar apresenta condições inversas. O fluxo de prótons através dessa membrana assume o gradiente eletroquímico que armazena a energia necessária (± 5 kcal / mol por próton) para a síntese de 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.
Essa proteína transmembranar consiste em dois componentes: F 0 e F 1 . Componente F 0 permite o retorno de protões dentro da matriz mitocondrial e funcionando como canal de F 1 catalisa a síntese do ATP através de ADP e P i , utilizando a energia deste retorno.
O processo de síntese de ATP requer uma mudança estrutural no F 1 e montagem de componentes F 0 e F 1 . Translocação através de protões F 0 provoca alterações conformacionais em três subunidades F 1 , permitindo a este a funcionar como um motor de rotação, dirigir a formação de ATP.
A subunidade responsável pela união do ADP com P i passa de um estado fraco (L) para um estado ativo (T). Quando o ATP é formado, uma segunda subunidade passa para um estado aberto (O) que permite a liberação dessa molécula. Depois que o ATP é liberado, essa subunidade passa do estado aberto para um estado inativo (L).
moléculas de ADP e P i se ligam a uma subunidade que se deslocou a partir de um estado ou condição L.
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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 do NADH é:
NADH + 1/2 O 2 + H + ↔ H 2 O + NAD +
A transferência de elétrons de NADH e FADH 2 ocorre através de vários complexos, permitindo que a mudança de energia livre ΔG ° seja dividida 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 é acoplada à síntese de dois ATP.
Essas coenzimas são provenientes dos processos de glicólise e ciclo do ácido cítrico. Para cada molécula de glicose degradada, 36 ou 38 moléculas de ATP são produzidas, dependendo da localização das células. No cérebro e músculo esquelético, 36 ATP são produzidos, enquanto no tecido muscular 38 ATP são produzidos.
Funções
Todos os organismos, unicelulares e multicelulares, precisam de energia mínima em suas células para realizar os processos dentro deles e, por sua vez, mantêm funções vitais em todo o organismo.
Os processos metabólicos exigem que a energia seja realizada. A maior parte da energia utilizável é obtida pela degradação de carboidratos e gorduras. Essa energia é derivada do processo de fosforilação oxidativa.
Controle da fosforilação oxidativa
A taxa de utilização de ATP nas células controla a síntese das mesmas e, por sua vez, devido ao acoplamento da fosforilação oxidativa à cadeia de transporte de elétrons, também geralmente regula a taxa de transporte eletrônico.
A fosforilação oxidativa possui um controle rigoroso que garante que o ATP não seja gerado mais rapidamente 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 de ATP depende do suprimento preciso de elétrons na cadeia de transporte. Por sua vez, isso depende da razão [NADH] / [NAD + ] que permanece alta devido à ação da glicólise e do ciclo do ácido cítrico.
Esse controle coordenado é realizado através da regulação dos pontos de controle da glicólise (PFK inibida por citrato) e do ciclo do ácido cítrico (piruvato desidrogenase, citrato cintase, isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase).
Controle pelo aceitador
O complexo IV (citocromo c oxidase) é uma enzima regulada por um de seus substratos, ou seja, sua atividade é controlada pela redução do citocromo c (c 2+ ), que por sua vez está em equilíbrio com a razão de concentrações entre [NADH] / [NAD + ] e a razão de ação em massa de [ATP] / [ADP] + [P i ].
Quanto maior a razão [NADH] / [NAD + ] e menor a [ATP] / [ADP] + [P i ], maior a concentração de citocromo [c 2+ ] e maior 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 em [c 2+ ] e, portanto, tanto um aumento na síntese de ATP. Em um indivíduo em repouso, a situação inversa ocorre.
No final, a taxa de fosforilação oxidativa aumenta com a concentração de ADP nas mitocôndrias. Esta concentração depende ADP-ATP carga translocador de nucleidos de adenina transporte e P i a partir do citosol para a matriz mitocondrial.
Agentes de dissociação
A fosforilação oxidativa é influenciada por certos agentes químicos, que permitem que o transporte eletrônico continue sem a fosforilação da ADP, dissociando a produção e a conservação de energia.
Esses agentes estimulam a taxa de consumo de oxigênio das mitocôndrias na ausência de ADP, causando também um aumento na hidrólise do ATP. Eles agem eliminando um intermediário ou interrompendo um estado de energia da cadeia de transporte de elétrons.
O 2,4-dinitrofenol, um ácido fraco que passa através das membranas mitocondriais, é responsável por dissipar o gradiente de prótons, pois eles se ligam a eles no lado ácido e os liberam no lado básico.
Este composto foi utilizado como uma “pílula de perda de peso”, pois foi encontrado um aumento na respiração, portanto, um aumento na taxa metabólica e uma 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 desacoplamento controlado hormonalmente para produzir calor. Mamíferos que hibernam e recém-nascidos que não têm cabelo consistem nesse tecido que serve como uma espécie de manta térmica.
Inibidores
Os compostos ou agentes inibidores impedem o consumo de O 2 (transporte eletrônico) e a fosforilação oxidativa associada. Esses agentes impedem a formação de ATP usando a energia produzida no transporte eletrônico. Portanto, a cadeia de transporte para quando esse consumo de energia não está disponível.
O antibiótico oligomicina funciona como um inibidor da fosforilação em muitas bactérias, impedindo a estimulação do ADP na síntese do ATP.
Existem também ionóforos, que formam complexos lipossolúveis com cátions como K + e Na + , e passam através da membrana mitocondrial com esses cátions. A mitocôndria então usa a energia produzida no transporte eletrônico para bombear cátions em vez de sintetizar ATP.
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