ATP sintase como um moinho molecular
A célula não tem uma tomada para carregar ATP, portanto a energia para sua síntese é obtida por meio de um mecanismo molecular especial localizado na membrana mitocondrial interna. Este mecanismo é a enzima ATP sintase, que funciona com o princípio de um moinho de vento.
A ATP sintase é composta por duas partes: a membrana F0 (o rotor através do qual os prótons passam) e a catalítica F1 (onde o fosfato inorgânico é adicionado ao ADP). O fluxo de prótons através da F0 gira o rotor: a cada três prótons, ele gira 120°, e a cada rotação desse tipo, uma molécula de ATP é sintetizada em uma das subunidades. Uma rotação completa produz aproximadamente três moléculas de ATP.
Gradiente de prótons e o espaço intermembrana
Para que a ATP sintase gire, o espaço intermembrana da mitocôndria deve manter uma alta concentração de prótons H+, enquanto a matriz deve ter uma baixa concentração. Essa diferença cria um gradiente eletroquímico, designado como ΔμH+, e é composto por dois componentes: o potencial químico (diferença de concentração) e o potencial elétrico (diferença de cargas em ambos os lados da membrana).
As faces da membrana interna são geralmente chamadas de:
- Lado P (positivo) — voltado para o espaço intermembrana, carregado positivamente devido ao excesso de prótons;
- Lado N (negativo) — voltado para a matriz, carregado negativamente.
Os prótons tendem a retornar do lado P para o lado N, mas a membrana é impermeável e o único caminho é através do rotor da ATP sintase.
Fontes de elétrons: NADH e FADH2
Os prótons são bombeados para o espaço intermembrana usando a energia liberada durante a transferência de elétrons. As fontes de elétrons são as coenzimas reduzidas formadas no ciclo de Krebs e em outras reações:
- NADH + H+ — carrega efetivamente um íon hidreto (H−) com dois elétrons;
- FADH2 — também atua como um doador de dois elétrons e dois prótons.
Os elétrons são transferidos sequencialmente através dos complexos proteicos da membrana interna, perdendo energia que é usada para bombear prótons.
Complexos I e II da cadeia respiratória
Complexo I — NADH-ubiquinona oxidorredutase (NADH desidrogenase). Aceita dois elétrons do NADH através do flavina mononucleotídeo (FMN), transferindo-os para a ubiquinona (Q). A ubiquinona, ao receber dois elétrons e dois prótons da matriz, transforma-se em ubiquinol (QH2). Neste processo, 4 prótons são bombeados da matriz para o espaço intermembranar.
Complexo II — Succinato desidrogenase. Não bombeia prótons. Sua função é manter o pool de ubiquinol através da oxidação do succinato a fumarato (uma reação do ciclo de Krebs), com a formação de FADH2 e subsequente transferência de elétrons para a ubiquinona. O grupo heme B no complexo impede o vazamento de elétrons para o oxigênio, prevenindo a formação de peróxido de hidrogênio e espécies reativas de oxigênio.
Complexo III e o ciclo Q
Complexo III — Ubiquinol-citocromo c oxidorredutase. Utiliza a energia da reoxidação do ubiquinol. Possui dois centros ativos: um no lado P e outro no lado N. Os elétrons do QH2 são divididos: um vai para o citocromo c através da proteína ferro-enxofre de Rieske, e o segundo vai para o heme B e de volta para a ubiquinona, reduzindo-a no lado N (ciclo Q).
A quebra de ligações covalentes durante a redistribuição de elétrons libera energia, permitindo que o complexo pompeie 4 prótons para o espaço intermembrana. O citocromo c é um transportador móvel que entrega elétrons ao próximo complexo.
Complexo IV e formação de água
Complexo IV — Citocromo c oxidase. Aceita um elétron de cada uma das quatro moléculas de citocromo c. Seu centro ativo contém um aglomerado bimetálico com átomos de ferro e cobre. Os elétrons são transferidos sequencialmente para o oxigênio molecular O2.
A redução controlada do oxigênio evita a formação de peróxido: prótons da matriz são gradualmente adicionados a ele, resultando na formação de duas moléculas de H2O. A energia do processo é usada para bombear 2 prótons para o espaço intermembrana. Dessa forma, a cadeia respiratória "descarta" os elétrons com segurança para o aceptor final — o oxigênio.
Balanço energético
Quantidade total de prótons bombeados:
- Oxidação de uma molécula de NADH: 4 (Complexo I) + 4 (Complexo III) + 2 (Complexo IV) = 10 prótons;
- Oxidação de uma molécula de FADH2: 4 (Complexo III) + 2 (Complexo IV) = 6 prótons.
Como cerca de 3 a 4 prótons são gastos para sintetizar um ATP, o rendimento é de aproximadamente 2,5 ATPs por NADH e 1,5 ATPs por FADH2 (arredondado para 3 e 2, respectivamente).
Pontos-chave
- A ATP sintase é uma enzima F0F1 que sintetiza ATP usando a energia do gradiente de prótons.
- O gradiente eletroquímico de H+ é gerado pelos complexos I, III e IV da cadeia respiratória.
- O NADH doa elétrons para o complexo I, e o FADH2 para o complexo II através da succinato desidrogenase.
- A ubiquinona (Q) e o citocromo c são transportadores móveis de elétrons.
- O complexo II não bombeia prótons, mas apenas mantém o pool de ubiquinol.
- O complexo IV reduz o O2 a H2O, prevenindo a formação de peróxido.
- A oxidação do NADH produz ~2,5 ATPs, e a do FADH2 produz ~1,5 ATPs.
- O vazamento de elétrons para o oxigênio leva à formação de espécies reativas de oxigênio e dano celular.