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Cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

Última atualização em 19 de agosto de 2022

A fosforilação oxidativa é um processo que envolve um fluxo de elétrons através da cadeia de transporte de elétrons, uma série de proteínas e portadores de elétrons dentro da membrana mitocondrial. Esse fluxo de elétrons permite que a cadeia de transporte de elétrons bombeie prótons para um lado da membrana mitocondrial. À medida que os prótons aumentam, eles criam uma força motora de prótons, um tipo de pressão eletroquímica. Essa pressão é revivida através de complexos de proteínas especializados, que capturam a energia dos prótons à medida que fluem para o outro lado da membrana. A energia é então usada para unir um grupo de fosfato à molécula adenosina difosfato (ADP), criando trifosfato de adenosina (ATP). Isso completa o processo de fosforilação oxidativa.

Etapas de fosforilação oxidativa

Antes da cadeia de transporte de elétrons

Para que a cadeia de transporte de elétrons seja capaz de bombear prótons para um lado da membrana interna mitocondrial, ela deve primeiro ter uma fonte desses elétrons e prótons. Existem vários processos celulares que levam à oxidação (“queima”) de várias fontes de alimentos celulares. Esses processos incluem glicólise, o ciclo do ácido cítrico, o metabolismo da oxidação de ácidos graxos e a oxidação de aminoácidos.

Todos esses processos envolvem a transferência de elétrons e prótons para coenzimas. As coenzimas mais comuns são dinucleotídeo de adenina de nicotinamida (NAD) e dinucleotídeo de adenina flavina (FAD). O NAD pode ser reduzido com elétrons e um próton para se tornar NADH, enquanto o FAD pode assumir dois prótons e quatro elétrons para se tornar FADH2. Essas coenzimas podem se ligar às proteínas da cadeia de transporte de elétrons e transferir seus elétrons e prótons. Isso se torna o primeiro estágio na cadeia de transporte de elétrons.

Dentro da cadeia de transporte de elétrons

A cadeia de transporte de elétrons consiste em quatro complexos proteicos, simplesmente denominados complexos I, Complexo II, Complexo III e Complexo IV. Cada complexo foi projetado para receber elétrons de uma coenzima ou um dos outros complexos da cadeia. As ações que cada complexo toma podem ser vistas na imagem abaixo.

O complexo I é responsável por aliviar o NADH de seu hidrogênio e elétrons. A energia recebida tomando os elétrons permite que o complexo I bombeie o átomo de hidrogênio através da membrana mitocondrial interna, que concentra os hidrogênios no espaço intermembranar. Os elétrons são então passados para a coenzima Q (COQ). O COQ pode assumir hidrogênios e elétrons e pode ser reduzido para coqh2. A coenzima transfere os elétrons para o complexo III.

Enquanto isso, o Complex II também está recebendo elétrons e prótons. Estes vêm do FADH2, do ciclo do ácido cítrico. O complexo II alivia o FADH2 de seus elétrons e os passa para o Coq. A coenzima os passa para o complexo III, que agora recebe elétrons e sua energia de duas fontes. Isso permite que o complexo III bombeie grandes quantidades de hidrogênio através da membrana. O citocromo c (cyt c) permite que os elétrons sejam passados para o complexo IV, o complexo final na cadeia de transporte de elétrons. Esse complexo passa os elétrons para moléculas de oxigênio, onde se ligam com hidrogênios para produzir água. Com a parte final de energia, outro próton é passado pela membrana.

Síntese de ATP

Nesse ponto, a cadeia de transporte de elétrons construiu um grande número de íons de hidrogênio no espaço intermembranar. Ele fez isso com a energia recebeu através da passagem de elétrons através de uma série de reações de liberação de energia. A etapa final da fosforilação oxidativa é a produção de ATP, ou o processo de fosforilação.

Esse processo ocorre em um complexo chamado ATP sintase. Esse grande complexo usa a força-motiva de prótons para conectar grupos fosfato a moléculas de ADP. Como existem tantos prótons construídos no espaço intermembranar, eles querem avançar para o outro lado. A ATP sintase usa essa energia para passar por uma mudança conformacional. Ao fazer isso, força o grupo ATD e fosfato e reduz a energia necessária para se unir. O ATP pode então continuar a reações de combustível em toda a célula, quando é exportado das mitocôndrias.

A cadeia de transporte de elétrons dentro da fosforilação oxidativa

A fosforilação oxidativa faz parte de um sistema maior, respiração celular. As 4 etapas da respiração celular podem ser vistas na imagem abaixo. O primeiro passo ocorre fora das mitocôndrias. Isso envolve a quebra de glicose, lipídios ou aminoácidos. Esta etapa é simbolizada aqui apenas com “glicólise”. Lembre -se de que existem outras maneiras de gerar piruvato e intermediários o ciclo Krebs (ciclo do ácido cítrico).

Os passos restantes ocorrem dentro das mitocôndrias. As linhas amarelas na imagem representam a geração de coenzimas reduzidas, ou moléculas que carregam elétrons. Enquanto alguns ATP são gerados durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, a maioria é gerada através da fosforilação oxidativa. A cadeia de transporte de elétrons é simbolizada pela escada vermelha, representando a liberação sucessiva de energia dos elétrons. As setas laranja representam a ATP sintase, que cria ATP através da força motora de prótons.

Fosforilação oxidativa dentro da respiração celular

Portanto, a cadeia de transporte de elétrons faz parte da fosforilação oxidativa, que é o último estágio da respiração celular. O mais interessante desses processos é que eles são conservados ao longo da evolução. A cadeia de transporte de elétrons pode ser observada nos organismos mais básicos. Qualquer eucarioto (célula com organelas) tem mitocôndrias e, portanto, usa exatamente esse mesmo método para produzir ATP. Até as plantas, que geralmente são consideradas tão diferentes dos animais, dependem do mesmo processo de fosforilação oxidativa.

Curiosamente, o processo de fotofosforilação é muito semelhante à fosforilação oxidativa. Este processo é usado na fotossíntese. No entanto, em vez de usar oxigênio para criar água, ele usa água para criar oxigênio. Basicamente, o oposto da fosforilação oxidativa, a fotossíntese usa uma cadeia de transporte de elétrons própria para transportar energia da luz solar para as ligações de moléculas de açúcar. A planta pode então usar essas moléculas para alimentar outras células dentro de seu corpo. Assim como faria um animal, ele quebra a glicose no piruvato, e o piruvato entra nas mitocôndrias e, eventualmente, sofre a fosforilação oxidativa alimentada pela cadeia de transporte de elétrons.

Questionário

1. Qual das alternativas a seguir é uma afirmação verdadeira? A. A fosforilação oxidativa e a cadeia de transporte de elétrons não são relacionadas.

Resposta à pergunta nº 1

C está correto. O processo de ATP sintase que liga grupos fosfato ao ADP é o processo de fosforilação. A energia usada para esse processo vem da oxidação de várias substâncias, e os elétrons recebidos por isso. Esses elétrons geram um gradiente de prótons, que aciona a ATP sintase.

2. O que aconteceria com uma célula se não houvesse cadeia de transporte de elétrons? R. A célula não teria energia B. A célula desmoronaria C. A célula teria menos energia

Resposta à pergunta nº 2

C está correto. Embora a fosforilação oxidativa forneça um enorme suprimento de energia, existem outras vias que as células podem seguir para produzir energia. Lembre -se de que a cadeia de transporte de elétrons precisa de oxigênio. Sem oxigênio, ele vai parar de funcionar. É quando as células precisam recorrer a métodos menos eficientes de produção de energia, como a fermentação.

3. Como cientista em seu laboratório, você extrai as mitocôndrias da sua própria célula e das células da sua planta doméstica favorita. Você coloca cada mitocôndria em um prato pequeno, cercado de piruvato. Você mede quanto ATP cada mitocôndria ganha. O que você espera? R. As mitocôndrias animais farão mais ATP B. As mitocôndrias da planta tornarão mais ATP C. Eles produzirão aproximadamente a mesma quantidade de ATP

Resposta à pergunta nº 3

C está correto. Pensa -se que todas as mitocôndrias tenham surgido do mesmo ancestral bacteriano bilhões de anos atrás. Assim, em plantas e animais, eles operam essencialmente da mesma maneira. Um dos principais diferentes entre plantas e animais pode vir no número de mitocôndrias por célula. Um animal pode embalar suas células musculares com mitocôndrias para fornecer energia para contrações, onde uma célula vegetal pode precisar apenas de um punhado de mitocôndrias em cada célula para fornecer suas necessidades de energia.

Referências

  • Lodish, H., Berk, A., Kaiser, C. A., Krieger, M., Scott, M.P., Bretscher, A.,. . . Matsudaira, P. (2008). Biologia celular molecular (6ª ed.). Nova York: W.H. Freeman e companhia.
  • Nelson, D.L. & Cox, M.M. (2008). Princípios de bioquímica. Nova York: W.H. Freeman e companhia.
  • Widmaier, E.P., Raff, H., & Strang, K. T. (2008). Fisiologia humana de Vander: os mecanismos da função corporal (11ª ed.). Boston: McGraw-Hill Ensino Superior.

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