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.

Fosforilação oxidativa: estágios, funções e inibidores 1

Fonte: Robot8A [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)]

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 e F 1 . Componente F 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 e F 1 . Translocação através de protões F 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.

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 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.

Referências

  1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, A., Lewis, J., Raff, M., Roberts, K. e Walter, P. (2004). Biologia celular essencial . Nova York: Garland Science.
  2. Cooper, GM, Hausman, RE & Wright, N. (2010). A célula. (pp. 397-402). Marban
  3. Devlin, TM (1992). Livro didático de bioquímica: com correlações clínicas. John Wiley & Sons, Inc. Empresas
  4. Garrett, RH e Grisham, CM (2008). Bioquímica Thomson Brooks / Cole.
  5. Lodish, H., Darnell, JE, Berk, A., Kaiser, CA, Krieger, M., Scott, MP, & Matsudaira, P. (2008). Biologia celular molecular. Macmillan
  6. Nelson, DL, & Cox, MM (2006). Princípios de Bioquímica Lehninger 4ª edição . Ed Omega Barcelona
  7. Voet, D. & Voet, JG (2006). Bioquímica Pan-American Medical Ed.

Deixe um comentário

Este site usa cookies para lhe proporcionar a melhor experiência de usuário. política de cookies, clique no link para obter mais informações.

ACEPTAR
Aviso de cookies