Fosforilação oxidativa

Termodinâmica do transporte de elétrons

Na cadeia de transporte de elétrons (CTE), as partículas movem-se de um potencial redox negativo (-0,4 V) para um positivo (+0,8 V). À medida que os elétrons passam pela cadeia, sua energia livre diminui. Em determinados estágios, ocorre uma queda acentuada na energia livre — e é exatamente nesses pontos (pontos de acoplamento) que são criadas condições ótimas para a síntese de moléculas de ATP.

A energia liberada durante a passagem de elétrons através dos Complexos I, III e IV é gasta no transporte ativo de prótons de hidrogênio ($H^+$) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Como resultado, surge um potencial eletroquímico de prótons ($\Delta\mu H^+$), que se baseia na diferença de concentração de prótons em ambos os lados da membrana interna.

Ação da ATP sintase e troca de nucleotídeos

Quando o gradiente de prótons atinge um nível crítico, a ATP sintase (Complexo V) entra em ação. Um canal iônico especial abre-se nessa enzima. Os prótons fluem a favor do gradiente do espaço intermembranar de volta para a matriz mitocondrial.

A energia do potencial eletroquímico é transformada em energia de ligações químicas. Ocorre a reação de fosforilação: ADP + $P_i \rightarrow$ ATP

Para que o ATP recém-formado possa ser utilizado pela célula em processos que consomem energia, ele deve ser transportado para o citoplasma. Esta função é realizada pela ATP-ADP translocase, uma proteína transportadora embutida na membrana interna mitocondrial. Ela funciona por um mecanismo de anti-porte: retira uma molécula de ATP da matriz e, simultaneamente, introduz uma molécula de ADP para o ressíntese subsequente.

Coeficiente de fosforilação oxidativa (P/O)

A eficiência da síntese de ATP é avaliada utilizando o coeficiente P/O. Esta é a razão entre a quantidade de fosfato inorgânico utilizado e a quantidade de átomos de oxigênio que foram consumidos e reduzidos a água.

Os valores do coeficiente dependem de qual coenzima doa hidrogênio para a cadeia respiratória:

• P/O = 3 (Valor máximo): Observado quando o hidrogênio vem do NADH. Os elétrons passam por três pontos de acoplamento (Complexos I, III e IV), cada um dos quais cria um gradiente suficiente para a síntese de uma molécula de ATP.
• P/O = 2: Ocorre se o hidrogênio vem de desidrogenases dependentes de FAD (por exemplo, na reação de oxidação do succinato). Os elétrons contornam o Complexo I, são transferidos diretamente para a ubiquinona e passam por apenas dois pontos de acoplamento — os Complexos III e IV.

Nota: Em uma célula viva, os valores reais de P/O são sempre ligeiramente inferiores aos máximos teóricos (3 e 2), uma vez que parte da energia do potencial eletroquímico é inevitavelmente dissipada na forma de calor.

Reações nos pontos de acoplamento

Cada um dos três complexos principais realiza sua reação específica, acompanhada pelo bombeamento de prótons:

1. Complexo I (NADH desidrogenase). Oxida o NADH e reduz a ubiquinona (Q) a $QH_2$.
2. Complexo III (Q-citocromo c oxidorredutase). Realiza a transferência de elétrons do ubiquinol ($QH_2$) para o citocromo c.
3. Complexo IV (Citocromo c oxidase). Transfere elétrons do citocromo c diretamente para o oxigênio, reduzindo-o com a formação de uma molécula de água.

O Complexo II (Succinato desidrogenase) não possui função de bomba de prótons, portanto não participa da geração do gradiente e não é um ponto de acoplamento.

5 etapas da transformação de energia

A conversão de energia no organismo, desde o substrato até a ligação de alta energia, é uma sequência estrita de cinco estágios:

1. A energia das ligações químicas das substâncias oxidadas (substratos).
2. A energia dos elétrons nas coenzimas reduzidas (NADH e $FADH_2$).
3. A energia dos elétrons transferidos pela cadeia transportadora de elétrons para o oxigênio (potencial redox).
4. A energia do potencial eletroquímico transmembrana (gradiente de $\Delta\mu H^+$).
5. A energia das ligações químicas ricas em energia na molécula de ATP.

Resumo: perguntas e respostas sobre o tema

O que mais estudar sobre o tema

• Estrutura química detalhada dos Complexos I, III, IV e V
• O mecanismo do motor rotativo dentro da ATP sintase
• Estrutura e propriedades redox das coenzimas NADH e FADH2
• O papel da ubiquinona (coenzima Q) e do citocromo c como transportadores móveis
• Desacoplamento entre respiração tecidual e fosforilação oxidativa

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