Respiração tecidual: características gerais
Respiração tecidual é o conjunto de reações de oxidação de substratos orgânicos pelo oxigênio com a formação de água, CO₂ e energia. O substrato, que atua como doador de hidrogênio, sofre desidrogenação; os elétrons removidos são transferidos sequencialmente para o oxigênio molecular, que é reduzido a água.
Cerca de 60% da energia liberada é dissipada na forma de calor, enquanto os ~40% restantes são armazenados nas ligações de alta energia do ATP durante a fosforilação oxidativa. Assim, a respiração desempenha uma dupla função: a síntese de ATP e a manutenção da temperatura corporal.
Desidrogenases e doadores primários de hidrogênio
A remoção de hidrogênio dos substratos é catalisada por desidrogenases, localizadas predominantemente na matriz mitocondrial. De acordo com o tipo de coenzima, elas são divididas em dois grupos:
- Desidrogenases dependentes de NAD⁺ — a coenzima NAD⁺ está ligada de forma frouxa, é reduzida a NADH e se dissocia da enzima. Exemplo: oxidação do malato a oxaloacetato.
- Desidrogenases dependentes de FAD — a coenzima FAD está ligada covalentemente à proteína, sendo necessário um segundo aceptor de hidrogênio — a ubiquinona (CoQ). Exemplo: oxidação do succinato a fumarato pela succinato desidrogenase com a formação de FADH₂.
Os doadores primários de hidrogênio são os produtos do catabolismo: piruvato, isocitrato, α-cetoglutarato, malato, glutamato (para vias dependentes de NAD⁺), succinato e acil-CoA (para vias dependentes de FAD).
Cadeia transportadora de elétrons
A CTE é um sistema de transportadores embutidos na membrana interna mitocondrial. Os componentes estão dispostos em ordem crescente de potencial redox, o que garante um fluxo direcionado de elétrons do NADH/FADH₂ (baixo potencial redox) para o oxigênio (cerca de +0,8 V).
Destacam-se cinco complexos:
- Complexo I — NADH desidrogenase (NADH-CoQ redutase);
- Complexo II — succinato desidrogenase;
- Complexo III — CoQH₂ desidrogenase (citocromo bc₁);
- Complexo IV — citocromo c oxidase, que reduz o O₂ a H₂O;
- Complexo V — ATP sintase.
Os transportadores móveis entre os complexos são a ubiquinona (entre I/II e III) e o citocromo c (entre III e IV).
Gradiente de prótons e acoplamento quimiosmótico
A transferência de elétrons nos complexos I, III e IV é acompanhada pela liberação de energia, parte da qual é gasta para bombear prótons da matriz para o espaço intermembranoso. Como resultado, forma-se o potencial eletroquímico de prótons (Δμ̃H⁺), cujo principal componente é o gradiente de prótons (ΔpH).
Ao atingir um valor suficiente de Δμ̃H⁺, a ATP sintase é ativada: os prótons retornam à matriz através do seu canal de prótons, e a energia do seu movimento é utilizada para sintetizar ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Estruturalmente, a ATP sintase é composta pelo componente membranar F₀ (canal) e pelo componente da matriz F₁ (subunidades catalíticas que se ligam ao ADP e ao Pi).
Coeficiente de fosforilação oxidativa
O coeficiente P/O é o número de moléculas de ATP sintetizadas durante a redução de um átomo de oxigênio a água (transferência de dois elétrons):
- na oxidação do NADH, os elétrons passam pelos complexos I, III, IV — P/O ≈ 3;
- na oxidação do FADH₂, os elétrons entram ao nível da CoQ, contornando o complexo I — P/O ≈ 2.
Os valores reais de P/O são ligeiramente inferiores aos teóricos, uma vez que parte da energia de Δμ̃H⁺ é dissipada na forma de calor.
Controle respiratório
A taxa de respiração tecidual e a fosforilação estão acopladas e são reguladas pela concentração de ADP. Com o uso ativo de ATP na célula, o nível de ADP aumenta, o qual entra nas mitocôndrias e atua como substrato da ATP sintase. A síntese intensificada de ATP reduz o gradiente de prótons, o que estimula a atividade dos complexos da CTE e o consumo de oxigênio. Essa dependência da taxa de respiração em relação à concentração de [ADP] é chamada de controle respiratório.
Desacopladores da fosforilação oxidativa
Os desacopladores são substâncias que transportam prótons através da membrana interna, contornando a ATP sintase. Eles reduzem o Δμ̃H⁺, de modo que a energia de oxidação é dissipada em forma de calor, e a síntese de ATP diminui.
- 2,4-dinitrofenol — um desacoplador artificial clássico;
- Os ácidos graxos livres são desacopladores naturais.
Durante o resfriamento do organismo, a liberação de noradrenalina ativa a lipase tecidual, elevando o nível de ácidos graxos; o aumento do desacoplamento intensifica a produção de calor. Esse mecanismo está na base da termogênese não tremeural no tecido adiposo marrom.
Inibidores da cadeia respiratória
- Os barbitúricos e a rotenona inibem o complexo I (NADH desidrogenase);
- O antimicina A inibe o complexo III (CoQH₂ desidrogenase);
- O monóxido de carbono (CO), o gás sulfídrico (H₂S) e os cianetos (CN⁻) inibem o complexo IV (citocromo c oxidase), bloqueando a redução do oxigênio; a intoxicação por cianeto leva à morte rápida;
- A oligomicina inibe a ATP sintase (complexo V): os prótons acumulam-se no espaço intermembranoso, mas não são utilizados para a síntese de ATP.
Pontos-chave
- Respiração tecidual — oxidação de substratos com transferência de elétrons para o O₂ e formação de H₂O, CO₂ e energia.
- As desidrogenases dividem-se em dependentes de NAD⁺ e de FAD; as dependentes de FAD transferem hidrogênio para a ubiquinona.
- A CTE da membrana interna mitocondrial consiste em cinco complexos dispostos em ordem crescente de potencial redox.
- Os complexos I, III e IV bombeiam prótons para o espaço intermembranoso, formando o Δμ̃H⁺.
- A ATP sintase utiliza a energia do gradiente de prótons para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi.
- P/O = 3 para o NADH e 2 para o FADH₂.
- O controle respiratório regula a taxa de respiração pela concentração de ADP.
- Os desacopladores (2,4-dinitrometilfenol, ácidos graxos) intensificam a termogênese; os inibidores da CTE (rotenona, antimicina A, cianetos, oligomicina) bloqueiam a síntese de ATP.