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Fosforilação oxidativa

Última atualização em 19 de agosto de 2022

Definição de fosforilação oxidativa

A fosforilação oxidativa, também conhecida como OXPHOS, refere-se às reações redox que envolvem o fluxo de elétrons ao longo de uma série de proteínas ligadas à membrana, juntamente com a geração de trifosfato de adenosina (ATP).

A fosforilação oxidativa é a quarta e última etapa na respiração celular. Embora a respiração possa ser representada como a simples ‘combustão’ de carboidratos para formar dióxido de carbono e água, a célula não pode se dar ao luxo de liberar toda a energia química armazenada em carboidratos em uma única etapa, uma vez que danificaria irreversivelmente o equilíbrio intricado e a homeostase do The organismo.

Cm (H2O) N + XO2 -> MCO2 + YH2O + Energia

A equação representa a combustão de carboidratos.

Em vez disso, os nutrientes são primeiro digeridos e assimilados. Eles passam por metabolismo no citoplasma e seus produtos finais são transportados para as mitocôndrias, para participar do ciclo do KREB, também conhecido como ciclo do ácido cítrico. Aqui, a energia química nas moléculas orgânicas é liberada gradualmente, através da oxidação em passo ao dióxido de carbono. O processo também gera vários elétrons de alta energia, que são aproveitados por moléculas especiais chamadas portadores de elétrons. Os portadores de elétrons mais comuns associados à fosforilação oxidativa são a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) e dinucleotídeo de adenina flavina (FAD). Quando NAD+ e FAD aceitam elétrons, eles se tornam agentes redutores (NADH e FADH2) que são capazes de transferir esses elétrons para moléculas que têm uma alta afinidade por eles.

A fosforilação oxidativa começa com a oxidação de NADH e FADH2. A energia dos elétrons liberados por essas duas moléculas é aproveitada de maneira passo a passo e usada para criar um gradiente de prótons através da membrana mitocondrial interna nos eucariotos. Esse gradiente de prótons alimenta a formação de ATP a partir de ADP, catalisada pela enzima ATP sintase. O aceitador final desses elétrons de alta energia é o oxigênio e, portanto, a fosforilação oxidativa gera ATP e a água.

ATP como moeda energética

O ATP possui três grupos de fosfato em estreita proximidade física um do outro. A adição de cada grupo fosfato precisa ser acoplado a outra reação de liberação de energia ou exercício, uma vez que a repulsão natural entre os grupos fosfato carregada negativamente precisa ser superada. Uma vez formado o ATP, ele se torna um armazenamento pronto de energia, porque a ligação do fosfato terminal pode ser rapidamente hidrolisada para alimentar algum outro processo dentro da célula. Isso faz com que o ATP se comporte como a moeda energética da célula.

A presença de ATP permite que a célula realize respiração, armazene a energia temporariamente nas ligações de alta energia da molécula e a use em diferentes locais e pontos no tempo. Sem ATP, todas as reações endergônicas (que requerem energia) teriam que ser acopladas no tempo e no espaço com a oxidação de nutrientes, limitando severamente a complexidade possível dentro de um organismo vivo.

A importância dessa molécula é sublinhada pelo fato de que o ATP é encontrado em todas as células vivas e a ATP sintase é amplamente conservada em todo o mundo vivo. Além disso, qualquer processo que interrompa fundamentalmente a geração dessa molécula leva a uma morte muito rápida.

Conversão de energia

A fonte de energia original para quase toda a biosfera são as reações nucleares dentro do sol. De plantas e outros autotróficos, a protozoários de célula única e os maiores mamíferos, a energia para sustentar a vida é derivada do sol através de uma série de conversões de energia.

Nos autotróficos, a radiação solar é usada pela primeira vez para gerar elétrons de alta energia, que são usados para bombear prótons contra seu gradiente de concentração, criando uma força motora de prótons em uma membrana. A energia potencial em um gradiente eletroquímico é canalizada para gerar ATP, o que, por sua vez, facilita a formação de macromoléculas complexas. Os nutrientes criados por autotróficos são consumidos por heterotróficos, digeridos e depois metabolizados em suas células. A energia de ligação química nessas moléculas se comporta como um sistema de armazenamento para a energia inicialmente aproveitada do sol. Quando os nutrientes são oxidados, a energia da ligação é liberada-tanto como ATP quanto como elétrons de alta energia. Em um processo que é paralelo às reações iniciais nos cloroplastos, esses elétrons são usados para criar gradualmente um gradiente eletroquímico que, mais uma vez, alimenta a formação de ATP. O ATP é gerado e utilizado repetidamente para sustentar os processos de vida do organismo.

A energia do sol, portanto, é transmutada de uma forma para outra, como a energia nos elétrons, a energia potencial nos gradientes de prótons e a energia de ligação das macromoléculas.

Estrutura das mitocôndrias

Diz -se que as mitocôndrias evoluíram de bactérias antigas que se tornaram endossimbiontes nos eucariotos, criando as primeiras células nucleadas que poderiam sofrer respiração aeróbica. A estrutura das membranas mitocondriais reflete essa origem; Essas organelas têm um genoma distinto, máquinas de tradução de proteínas independentes (tRNA, ribossomos e proteínas associadas) e complexos de cadeia respiratória que refletem a respiração aeróbica em bactérias.

As mitocôndrias têm duas membranas – a membrana interna e externa – e a membrana externa é estruturalmente semelhante às membranas plasmáticas eucarióticas. No entanto, eles também contêm vários canais transmembranares chamados Porins. As maiores moléculas para difundir livremente através de porinas são cerca de 6000 daltons em massa atômica, tornando a membrana permeável à maioria das moléculas e proteínas pequenas. A membrana interna é impermeável a quase todas as moléculas, com exceção do oxigênio, dióxido de carbono e água. Essa propriedade é importante, porque permite que a organela regular o fluxo de íons e moléculas na membrana e use a concentração diferencial dessas substâncias para alimentar a formação de ATP.

A membrana mitocondrial interna possui várias invaginações chamadas cristas que aumentam sua área de superfície. Os complexos proteicos envolvidos nas reações redox da fosforilação oxidativa são incorporadas em cristas. Da mesma forma, a ATP sintase também está presente como uma proteína transmembranar em cristas. A membrana mitocondrial interna envolve uma matriz rica em proteínas que recebe moléculas de piruvato do citoplasma e contém enzimas que geram acetil coenzima A. A matriz também é o local onde ocorrem as reações do ciclo do ácido citrico. A matriz é tão densa que se assemelha a um cristal de proteína, com uma concentração de proteína de 500 mg/ml.

A impermeabilidade da membrana mitocondrial interna dos íons permite manter um potencial eletroquímico de 180 mV gerado principalmente pelo bombeamento de prótons da matriz no espaço entre membranas. Isso torna a matriz da mitocôndria ligeiramente alcalina, com um pH de cerca de 8.

Cadeia de transporte de elétrons

A cadeia de transporte de elétrons da fosforilação oxidativa envolve quatro principais complexos proteicos (numerados I, II, III e IV), cada um com crescentes potenciais de redução. Em essência, à medida que o elétron se move de um complexo de proteínas para o outro, ele viaja em direção a moléculas que têm uma maior afinidade por elétrons. O elétron perde energia nesse processo, e essa energia é usada para bombear prótons no espaço entre membranas.

Entre os dois portadores de elétrons, o NADH tem um potencial de redução mais baixo e libera elétrons para o complexo I. O complexo I também é conhecido como NADH: quinona oxidoredutase e é instrumental na transferência dos elétrons do NADH para uma proteína chamada ubiquinona. Esse enorme complexo ligado à membrana consiste em 46 cadeias polipeptídicas e pode combinar a aceitação de dois elétrons do NADH com o movimento de 4 íons H+ da matriz para o espaço entre membros. Cada um desses quatro prótons é bombeado através de um canal separado e dedicado.

Por outro lado, o FADH2 doa seus elétrons através do complexo II, que também é conhecido como succinato desidrogenase. Esse complexo relativamente menor consiste em quatro subunidades e não facilita o movimento em tandem de prótons em toda a membrana. Das quatro subunidades, duas atuam como âncoras hidrofóbicas na membrana mitocondrial interna. A terceira subunidade possui uma molécula de FAD conectada covalentemente. As quatro subunidades juntas formam um site de ligação à ubiquinona. O complexo II participa do ciclo do ácido cítrico e da fosforilação oxidativa. Portanto, torna-se uma rota paralela para os elétrons atingirem o pool de quinona e a FAD recebe elétrons de alta energia dos produtos do metabolismo de ácidos graxos.

Posteriormente, os elétrons viajam pela mesma via, sendo alimentados no complexo III através da ubiquinona, que atua como um transportador de elétrons móveis dentro da membrana. O complexo III também está envolvido no bombeamento de íons H+ no espaço entre membranas. Do complexo III, outro transportador móvel chamado citocromo c carrega elétrons para o complexo IV. O complexo IV atua como o local para a etapa final nessas reações que envolvem a divisão de uma molécula de oxigênio e a formação da água. A água é o ponto de descanso final para os elétrons que entrou no sistema através do NADH e FADH2 e é usado nas vias metabólicas da célula ou é excretado do corpo.

Esta é uma representação esquemática dos complexos envolvidos na fosforilação oxidativa e na geração de ATP.

No final da cadeia de transporte de elétrons, o NAD+ e o FAD são regenerados e o gradiente eletroquímico é criado.

ATP sintase e geração ATP

A membrana mitocondrial interna é impermeável aos íons e possui um canal dedicado para o fluxo de prótons de volta à matriz. Esta é a enzima ATP sintase ligada à membrana. Consiste em duas partes – as regiões F0 e F1. F0 forma o poro de prótons e está incorporado à membrana. Quando os prótons fluem de volta para a matriz do espaço entre membranas, a atividade catalítica da enzima usa a energia potencial liberada devido à quimiosmose para a síntese ATP a partir de ADP e PI.

A imagem é uma representação simplificada da força motriz de prótons que está sendo usada para gerar ATP.

Termos de biologia relacionados

  • Gradiente eletroquímico – um gradiente que consiste em duas partes – uma diferença no comando e uma diferença nas concentrações de soluto. Comumente visto nas membranas biológicas.
  • Ligação fosfoan -hidreto – ligações químicas formadas por uma reação de desidratação entre dois derivados do ácido fosfórico. Mais comumente encontrado nas ligações que ligam os três grupos fosfatos de ATP ou GTP.
  • Reações redox – uma reação que envolve a oxidação de uma espécie química com a redução simultânea de outro produto químico.
  • Synthases – Uma enzima que catalisa a formação de uma única molécula a partir de dois componentes, geralmente sem o envolvimento direto do ATP.

Questionário

1. Qual dessas moléculas tem o maior potencial de redução? A. NADH B. FADH2 C. Complexo I D. Complexo IV

Resposta à pergunta nº 1

D está correto. Os elétrons fluem de moléculas com menor potencial de redução para aqueles com maior potencial de redução. Em outras palavras, eles se movem em direção a moléculas que têm a maior afinidade por eles. Enquanto a maior afinidade por elétrons na cadeia de transporte de elétrons é o oxigênio molecular, entre as opções dadas, o complexo IV tem o maior potencial de redução.

2. Onde os elétrons doados pelo FADH2 entram na cadeia de transporte de elétrons? A. Complexo I B. Ubiquinona C. Cytocromome C D. Complexo II

Resposta à pergunta nº 2

D está correto. Os elétrons do FADH2 entram na cadeia de transporte de elétrons através do complexo II, sem que qualquer próton seja bombeado para fora da matriz. Os elétrons do complexo I e II são entregues sobre o transportador de elétrons móveis dentro da membrana, ubiquinona. Ele atua como um ônibus espacial em direção ao complexo III, que permite o movimento dos elétrons para o complexo IV, através do citocromo C.

3. Qual destes é uma propriedade da membrana mitocondrial interna? A. impermeável à água B. impermeável aos íons C. presença de porins D. todas as opções acima

Resposta à pergunta nº 3

B está correto. A membrana mitocondrial interna precisa ser impermeável até mesmo aos menores íons (prótons) para realizar a tarefa crucial de manter um gradiente eletroquímico que pode alimentar a geração de ATP. No entanto, é livremente permeável à água, oxigênio e dióxido de carbono, uma vez que a difusão dessas moléculas é importante para o funcionamento das reações bioquímicas dentro da matriz das mitocôndrias. As porins são canais grandes que permitem que uma ampla gama de partículas se difunda. Portanto, eles são encontrados apenas na membrana externa e destruiriam completamente o funcionamento das mitocôndrias se encontrados na membrana interna.

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