Fosforilação Oxidativa
Acabou de ler sobre duas vias no catabolismo da glicose – a glicólise e o ciclo do ácido cítrico – que geram ATP. A maioria do ATP gerado durante o catabolismo aeróbico da glucose, no entanto, não é gerado directamente a partir destas vias. Em vez disso, deriva de um processo que começa com a passagem de electrões através de uma série de reacções químicas a um aceitador final de electrões, o oxigénio. Estas reacções ocorrem em complexos proteicos especializados localizados na membrana interna das mitocôndrias dos organismos eucarióticos e na parte interna da membrana celular dos organismos procarióticos. A energia dos electrões é colhida e utilizada para gerar um gradiente electroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia potencial deste gradiente é utilizada para gerar ATP. A totalidade deste processo é chamada fosforilação oxidativa.
A cadeia de transporte de electrões (Figura 4.19 a) é o último componente da respiração aeróbica e é a única parte do metabolismo que utiliza oxigénio atmosférico. O oxigénio difunde-se continuamente nas plantas para este fim. Nos animais, o oxigénio entra no corpo através do sistema respiratório. O transporte de electrões é uma série de reacções químicas que se assemelham a uma brigada de baldes em que os electrões passam rapidamente de um componente para o outro, para o ponto final da cadeia, onde o oxigénio é o último aceiro de electrões e a água é produzida. Existem quatro complexos compostos de proteínas, rotulados I a IV na Figura 4.19 c, e a agregação destes quatro complexos, juntamente com portadores de electrões móveis e acessórios associados, é chamada a cadeia de transporte de electrões. A cadeia de transporte de electrões está presente em múltiplas cópias na membrana mitocondrial interna de eucariotas e na membrana plasmática de procariotas. Em cada transferência de um electrão através da cadeia de transporte de electrões, o electrão perde energia, mas com algumas transferências, a energia é armazenada como energia potencial, utilizando-a para bombear iões de hidrogénio através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembrana, criando um gradiente electroquímico.
Cyanide inibe a citocromo c oxidase, um componente da cadeia de transporte de electrões. Se ocorrer envenenamento por cianeto, esperaria que o pH do espaço intermembrana aumentasse ou diminuísse? Que efeito teria o cianeto na síntese de ATP?
Electrões de NADH e FADH2 são passados para complexos proteicos na cadeia de transporte de electrões. Como são passados de um complexo para outro (há um total de quatro), os electrões perdem energia, e alguma dessa energia é utilizada para bombear iões de hidrogénio da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana. No quarto complexo proteico, os electrões são aceites pelo oxigénio, o aceitador terminal. O oxigénio com os seus electrões extra combina-se então com dois iões de hidrogénio, aumentando ainda mais o gradiente electroquímico, para formar água. Se não houvesse oxigénio presente nas mitocôndrias, os electrões não poderiam ser removidos do sistema, e toda a cadeia de transporte de electrões faria marcha atrás e pararia. As mitocôndrias seriam incapazes de gerar novos ATP desta forma, e a célula acabaria por morrer por falta de energia. Esta é a razão pela qual temos de respirar para extrair novo oxigénio.
Na cadeia de transporte de electrões, a energia livre da série de reacções que acabamos de descrever é utilizada para bombear iões de hidrogénio através da membrana. A distribuição desigual dos iões H+ através da membrana estabelece um gradiente electroquímico, devido à carga positiva dos iões H+ e à sua maior concentração num dos lados da membrana.
Iões de hidrogénio difundem-se através da membrana interna através de uma proteína de membrana integral chamada ATP synthase (Figura 4.19 b). Esta proteína complexa actua como um minúsculo gerador, virado pela força dos iões de hidrogénio que se difundem através dela, descendo o seu gradiente electroquímico a partir do espaço intermembrana, onde há muitos iões de hidrogénio que se repelem mutuamente para a matriz, onde são poucos. O giro das partes desta máquina molecular regenera o ATP a partir do ADP. Este fluxo de iões de hidrogénio através da membrana através da ATP synthase é chamado de quimiossimose.
Chemiosmose (Figura 4.19 c) é utilizado para gerar 90% do ATP feito durante o catabolismo aeróbico da glucose. O resultado das reacções é a produção de ATP a partir da energia dos electrões removidos dos átomos de hidrogénio. Estes átomos eram originalmente parte de uma molécula de glucose. No final do sistema de transporte de electrões, os electrões são utilizados para reduzir uma molécula de oxigénio a iões de oxigénio. Os electrões extra nos iões de oxigénio atraem iões de hidrogénio (prótons) do meio circundante, e a água é formada. A cadeia de transporte de electrões e a produção de ATP através da quimiossimose são colectivamente chamadas fosforilação oxidativa.