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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.
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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.
