Conceito

A fosforilação oxidativa é uma via metabólica que utiliza energia libertada pela oxidação de nutrientes de forma a produzir trifosfato de adenosina (ATP).

Segundo  Peter Mitchel,1961 A Fosforilação oxidativa representa o fim das rotas metabólicas de produção de energia em organismos aeróbicos.

A Fosforilação oxidativa e representada por estágio 3 do processo metabolico, pela reação de oxidação de NADH e FADH2 e síntese de ATP. É o principal sítio de produção de ATP em organismos aeróbicos não fotossintetizantes. Envolve o consumo de O2 e formação de H20. É realizada pela transferência de electrões de doadores electrónicos (moléculas redutoras ) para aceitadores electrónicos (moléculas oxidantes ).

A energia derivada do transporte de electrões é convertida numa força motriz protónica e é principalmente utilizada para bombear protões para o exterior da matriz mitocondrial.

Substrato da fosforilação oxidativa

NADH – Di fosfopiridina nucleotídeo (reduzida);

FADH2 – Di nucleótidos de flavina-adenina;

O2 – Di oxigênio;

CO2 – Di óxido de carbono;

H2O –  Água;

P – Fósforo;

Cu – Cobre;

Fe – Ferro;

ADP; e

ATP.

Local da ocorrência da fosforilação oxidativa

MITOCÔNDRIA (Ocorre somente em organela de eucariotos e possui duas membranas):

Membrana Mitocondrial Externa ( MME ): Permeável a pequenas moléculas;

Membrana Mitocondrial Interna ( MMI ): Impermeável em a maioria das moléculas Inclusive H+. Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2 até O2 estão na MMI;

Espaço intermembranal ( Cristas membranais ); e

Matriz mitocondrial (Local de oxidações, Ciclo de Krebs, β-oxidação de lipídeos e Oxidação de Aminoácidos ): contem complexo de piruvato desidrogenase, enzimas da Beta-Oxidação de acido graxo, enzimas de oxidação de aminoácidos, DNA, ribossoma, ATP, ADP, P, Mg2+, Ca2+ e K+.

Cadeia transportadora de electrões ou cadeia respiratória

Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2 até O2 estão na MMI.

Potencial de transferência de elétrons

potential de redução:

Potential redox; e

potential de óxido redução; e

Par redox : Forma oxidada (oxidante) → X. Forma reduzida (redutor) → X−

Potencial de redução ˂ 0. A forma oxidada tem menor afinidade por elétrons que o H2

Potencial de redução ˃ 0. A forma oxidada tem maior afinidade por elétrons que o H2

Um agente redutor forte (como o NADH) tem a tendência de doar elétrons (E’0 < 0), um agente oxidante forte (como o O2) está pronto para aceitar elétrons (E’0 > 0)

A força impulsora da fosforilação oxidativa é o potencial de transferência de elétrons de NADH e FADH2 em relação ao do O2

O NAD(P)H São carreadores de elétrons solúveis em água, que se associam reversivelmente a desidrogenases.

Substrato reduzido + NAD(P)+ ↔ Substrato oxidado + NAD(P)H + H+ ( Desidrogenases à remoção de 2 átomos de H do substrato ).

NADH → carreador de elétrons das vias catabólicas até a porta de entrada na CTE

NADPH → geralmente supre elétrons para reações anabólicas.

Na fosforilação oxidativa ocorrem 3 tipos de transferência de elétrons na CTE:

Transferência direta como na redução de Fe3+ a Fe2+

Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-)

Transferência como íon hidreto (:H+) que tem 2 elétrons + 3 tipos de moléculas carreadoras de elétrons atuam na CTE.

Os carreadores de elétrons na mitocôndria

Coenzima ubiquinona (Q):

São pequenas e Lipossolúvel;

A coenzima Q10 é a mais comum em mamíferos;

Se difunde livremente no espaço intermembranas; e

Capaz de fazer a junção entre o doador de 2e- e um aceptor de 1e- (como as flavoproteínas)

Carrega tanto elétrons como prótons, junta o fluxo de e- com o movimento de Prótons

Citocromos a, b e c:

Citocromo c é solúvel no espaço intermembrana e podem interagir com a MMI;

O fluxo de elétrons pelos carreadores vai daquele com menor potencial para o maior potencial; e

Potencial Redox diferentes aos das moléculas livres devido a interação com proteínas NADH, Q, Cit b, Cit c1, Cit c, Cit a,  Cit a3 e O2.

Complexos da cadeia respiratória.

Complexo I:

Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos dentro da mitocôndria;

O Complexo catalisa 2 processos simultâneos e acoplados;

NADH + H+ + Q à NAD+ + QH2 ( Processo Exergônico ); e

Transferência de 4 H+ para o espaço intermembrana ( Processo Endergônica ).

Complexo ii (succinato-desidogenase):

Porta de entrada dos electrões do FADH2 produzidos no ciclo do ácido cítrico;

Canaliza diretamente os electrões do succinato para a cadeia transportadora de electrões;

FADH2 + Q à FAD + QH2 (Exergônico );

Sem transferência de H+ para o espaço intermembrana;

QH2: Porta de entrada de parte dos electrões do NADH produzidos no citoplasma;

Porta de entrada de electrões de outras vias oxidativas; e

β-oxidação de ácidos graxos.

Complexo i e complexo II:

Vias de entrada de electrões param a ubiquinona:

NADH mitocondrial,

Succinato do ciclo do ácido cítrico,

electrões da β-oxidação de ácidos graxos via Acil-CoA-desidrogenase e do glicerol dos triacilglicerois.

NADH citosólico via glicerol 3- fosfato

Complexo III ( ubiquinonaàcitocromo c-oxidoredutase )

Canaliza os 2 electrões do Ubiquinol (QH2) para o Citocromo C com a transferência de H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana; e

Possui duas unidades de Citocromo b enterrados em 1 fenda na membrana ( QH2 + 2 Citc1 (Oxi) + 2 H+N à Q + 2 Citc1 (Red) + 4 H+P ).

Complexo III ( ubiquinonaàcitocromo c-oxidoredutase ):

2 Electrões do Ubiquinol são afunilados no Citc;

Ocorre 2 ciclos de redução do Citc com a formação da Semiquinona (Q-):

1º Ciclo, 1 electrão do QH2 é passado para o Citc no primeiro ciclo e o outro electrão (via citocromo b) para a Q formando Semiquinona – 2 H+ transportados para o espaço intermembrana; e

2º Ciclo, 1 electrão do QH2 é passado para o Citc e o outro electrão (via citocromo) para a Semiquinona formando outra QH2. 2 H+ transportados para o espaço intermembrana 2 outros H+ são retirados da Matriz.

Complexo IV ( citocromo oxidase ) :

Os electrões do Citocromo c são entregues ao O2.

4Citc (Red) + 8 H+N + O2 à 4 Citc (Oxi) + 4 H+P + 2 H2O

Sistemas de transporte mitocondrial.

Lançadeira de malatoaspartato :

Espaço intermembrana (entre a MME e MMI ): é equivalente ao citosol no que se refere às concentrações em metabólitos e íons

A MMI é composta por cerca de 75% de proteínas mais rica em relação as proteínas da MME. A MMI é permeável a O2, CO2 e H2O, Contém proteínas de transporte que controlam a passagem de metabólitos, como ATP, ADP, o piruvato, o Ca2+ e o fosfato. A impermeabilidade da MMI para a maioria dos íons e metabólitos permite a formação de um gradiente de íons através dessa barreira.

Transporte seletivo de elétrons produzidos no citoplasma para a mitocôndria. O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à cadeia transportadora de elétrons para a oxidação aeróbica do Fígado, rim e coração. Não há uma proteína transportadora de NADH na MMI, somente os elétrons do NADH citosólico são transportados para a mitocôndria por um dos vários sistemas de transporte.

Lançadeira de glicerol-3-P:

Músculo esquelético e encéfalo;

 A glicerol-3-fosfato desidrogenase catalisa a oxidação do NADH citosólico pela DHAP para produzir NAD+, o qual retorna à glicólise;

Os elétrons do glicerol-3-fosfato são transferidos para a Flavoproteína-desidrogenase da MMI, formando FADH2; e

O FADH2 fornece elétrons diretamente para Cadeia Transportadora de Elétrons àQH2.

Translocador de ATP/ADP-PI:

A MMI contém um translocador de ADP-ATP (ou adenina-nucleotídeo translocase). Transporta o ATP para fora da matriz mitocondrial acoplado à importação de ADP e Piproduzidos no citoplasma a partir de ATP. O Sistema antiporte mantém balanço eletrolítico pelo gasto de energia quimiosmótica; e

A maior parte do ATP gerado na matriz mitocondrial pela fosforilação oxidativa é utilizado no citosol.

Processo da ocorrência da fosforilação oxidativa

Durante o processo da fosforilação oxidativa os elétrons do NADH são transferidos para o complexo I, enquanto que os electrões do FADH2 são transferidos para o complexo II. O complexo I é independete do complexo II, e vice-versa. Este fato explica o rendimento energético de cada equivalente redutor.

A ubiquinona (Q) recebe os eletrons tanto do complexo I (oriundos do NADH) e do complexo II (oriundos do FADH2), e os transfere para o complexo III de forma sequencial, ou seja, em cadeia. Os hidrogênios são lançados para o espaço intermembranoso, produzindo energia na forma de ATP.

Os elétrons então transferidos para o complexo III são enviados ao citocromo C e deste para o complexo IV. Este transfere o elétron para o O2 que, reduzido, reage com os H + que retornam (após gerar energia na ATP sintase) à matriz para formar H2O. Essa água produzida pela cadeia respiratória é suficiente para manter animais hibernantes vivos e hidratados.

A Fosforilação Oxidativa acontece apenas na presença de oxigênio (seres aeróbicos), que é necessário para oxidar moléculas intermediárias e participar de reações para formação da molécula de ATP e produzir energia.

Produto da fosforilação oxidativa

Os produtos da fosforilação oxidativa são:

Moléculas de ATP; e

Produção de Energia.

Importância da fosforilação

A fosforilação oxidativa é de extrema importância na manutenção do organismo dos animais. Ela tem por objetivo maior a produção de energia, sob a forma de ATP.

Referências bibliográficas

BORGES, J.Manual de Bioquimica Avançada, São Paulo, pp 1 a 34.

MORREIRA, C. manual de Ciências Alimentares, 1ª edição, São Paulo, 2013.