Estágios, funções e inibidores da fosforilação oxidativa

O fosforilação oxidativa É um processo em que as moléculas de ATP são sintetizadas a partir de ADP e P_Yo (Fosfato inorgânico). Este mecanismo é realizado por bactérias e células eucarióticas. Nas células eucarióticas, a fosforilação é realizada na matriz mitocondrial de células não fotoossintéticas.

A produção de ATP é direcionada pela transferência de elétrons do NADH ou FADH Coenzymes₂ também₂. Este processo representa a maior produção de energia da célula e é derivado da degradação de carboidratos e gorduras.

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A energia armazenada nos gradientes de carga e pH, também conhecida como força motora protônica, permite que esse processo seja realizado. O gradiente de prótons gerado, faz com que a parte externa da membrana tenha uma carga positiva devido à concentração de prótons (H⁺) e a matriz mitocondrial é negativa.

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Onde ocorre a fosforilação oxidativa?

Os processos de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa estão associados a uma membrana. Nos procariontes, esses mecanismos são realizados através da membrana plasmática. Nas células eucarióticas, eles estão associados à membrana das mitocôndrias.

O número de mitocôndrias encontradas nas células varia de acordo com o tipo de célula. Por exemplo, em mamíferos, os eritrócitos não têm essas organelas, enquanto outros tipos de células, como células musculares, podem ter milhões deles.

A membrana mitocondrial consiste em uma membrana externa simples, uma membrana interna um pouco mais complexa, e no meio deles o espaço intermembranal, onde muitas enzimas dependentes do ATP estão localizadas.

A membrana externa contém uma proteína chamada Porina que forma os canais para a simples difusão de pequenas moléculas. Esta membrana é responsável por manter a estrutura e a forma das mitocôndrias.

A membrana interna tem maior densidade e é rica em proteínas. Também é à prova d'água para moléculas e íons, para cruzá -lo, eles precisam.

Dentro da matriz, as dobras da membrana interna se estendem, formando cumes que permitem ter uma grande área em um pequeno volume.

Energia celular central

As mitocôndrias são consideradas o centro de energia celular. Nele estão as enzimas envolvidas nos processos do ciclo do ácido cítrico, oxidação de ácidos graxos e enzimas redox e proteínas do transporte de elétrons e fosforilação de doutorado.

O gradiente de concentração dos prótons (gradiente de pH) e o gradiente de cargas ou potencial elétrico na membrana interna das mitocôndrias são a causa da força motora protônica. A pouca permeabilidade da membrana interna para íons (exceto H⁺) permite que as mitocôndrias tenham um gradiente de tensão estável.

Transporte eletrônico, prótons bombeando e ATP obtendo simultaneamente nas mitocôndrias, graças à força do motor protônico. O gradiente de pH mantém condições ácidas na matriz intermembranar e mitocondrial com condições alcalinas.

Para cada dois elétrons transferidos para o O₂ Cerca de 10 prótons são bombeados pela membrana, criando um gradiente eletroquímico. A energia destacada nesse processo é produzida gradualmente passando elétrons através da cadeia de transportadores.

Estágios

A energia liberada durante as reações de redução de óxido de NADH e FADH₂ É consideravelmente alto (cerca de 53 kcal/mol para cada par de elétrons); portanto, para ser usado na fabricação de moléculas ATP, deve ser produzido gradualmente com a passagem de elétrons através de transportadores.

Estes estão organizados em quatro complexos localizados na membrana mitocondrial interna. O acoplamento dessas reações à síntese de ATP é realizado em um quinto complexo.

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Cadeia de transporte de elétrons

NADH transfere alguns elétrons que entram no complexo I da cadeia de transporte de elétrons. Os elétrons são transferidos para o mononucleotídeo de flavina e depois para a ubiquinona (coenzima q) através de um transportador de açúcar de ferro. Este processo libera uma grande quantidade de energia (16,6 kcal/mol).

Ubiquinona transporta elétrons através da membrana para o complexo III. Neste complexo, os elétrons passam por citocromos B e C₁ Graças a um transportador de açúcar de ferro.

Do complexo III, os elétrons passam para o complexo IV (citocromo c oxidase), transferidos um pelo citocromo c (proteína da membrana periférica). No complexo IV, os elétrons passam por um par de íons de cobre (Cu_para²⁺), então para o citocromo c_para, depois para outro par de íons de cobre (Cu_b²⁺) e disso para o citocromo a₃.

Finalmente, os elétrons são transferidos para O₂ que é o último aceitador e forma uma molécula de água (h₂O) para cada par de elétrons recebidos. A passagem de elétrons do complexo IV para o₂ Também gera muita energia livre (25,8 kcal/mol).

Succinato coq redutase

O complexo II (coq redutase succinate) recebe um par de elétrons do ciclo do ácido cítrico, devido à oxidação de uma molécula de succinato a fumarato. Esses elétrons são transferidos para a moda, depois passando por um grupo de ferro-azul para o Ubiquinona. A partir desta coenzima, eles vão para o complexo III e seguem a rota descrita anteriormente.

A energia liberada na reação de transferência de elétrons à moda não é suficiente para aumentar os prótons através da membrana, de modo que, nesta etapa da cadeia, não há força motora protônica e, consequentemente, o FADH produz menos h⁺ do que o NADH.

Acoplamento ou transdução de energia

A energia gerada no processo de transporte de elétrons descrita anteriormente deve ser usada para produção de ATP, reação catalisada pela ATP sintase ou enzima complexa V. A conservação de tal energia é conhecida como acoplamento de energia, e o mecanismo tem sido difícil de caracterizar.

Várias hipóteses foram descritas para descrever esta transdução de energia. O melhor aceito é a hipótese de acoplamento quimiosmótico, descrito abaixo.

Acoplamento quimiosmótico

Este mecanismo propõe que a energia usada para a síntese de ATP vem de um gradiente de protônico nas membranas celulares. Esse processo intervém nas mitocôndrias, cloroplastos e bactérias e está ligado ao transporte de elétrons.

Os complexos I e IV do transporte eletrônico agem como bombas de prótons. Eles sofrem de mudanças conformacionais que lhes permitem bombear os prótons para o espaço intermembranal. No complexo IV para cada par de elétrons, dois prótons são bombeados para fora da membrana e mais dois permanecem na matriz formando H₂QUALQUER.

Ubiquinona em complexo III aceita prótons dos complexos I e II e os libera fora da membrana. Os complexos I e III permitem a passagem de quatro prótons para cada par de elétrons transportados.

A matriz mitocondrial tem baixa concentração de prótons e potencial elétrico negativo, enquanto o espaço intermembranal apresenta as condições inversas. O fluxo de prótons através desta membrana implica o gradiente eletroquímico que armazena a energia necessária (± 5 kcal/mol por próton) para a síntese de ATP.

Síntese de ATP

A enzima ATP sintetase é o quinto complexo envolvido na fosforilação oxidativa. É responsável por aproveitar a energia do gradiente eletroquímico para formar ATP.

Esta proteína transmembranal consiste em dois componentes: f₀ e f₁. O componente f₀ permite o retorno dos prótons à matriz mitocondrial funcionando como um canal e o f₁ catalisa a síntese do ATP via ADP e P_Yo, Usando a energia do referido retorno.

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O processo de síntese de ATP requer uma mudança estrutural em f₁ e a montagem de componentes f₀ e f₁. A translocação de prótons através de f₀ Causa mudanças conformacionais em três subunidades de f₁, permitindo que isso atue como um motor de rotação, direcionando a formação do ATP.

A subunidade responsável pela união do ADP com P_Yo vai de um estado fraco (l) para um ativo (t). Quando o ATP é formado, uma segunda subunidade passa para um estado aberto (O) que permite a liberação desta molécula. Após o lançamento do ATP, esta subunidade passa do estado aberto para um estado inativo (L).

As moléculas ADP e P_Yo Eles ingressam em uma subunidade que passou de um estado ou do estado l.

Produtos

A cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação produzem moléculas ATP. NADH oxidação produz cerca de 52,12 kcal/mol (218 kJ/mol) de energia livre.

A reação global para a oxidação de NADH é:

NADH+1⁄2 ou₂ +H⁺ ↔ h₂O+nad⁺

A transferência de elétrons da NADH e FADH₂ Ocorre através de vários complexos, permitindo que a mudança de energia livre ΔG ° seja dividida em "pacotes" menores, que são acoplados à síntese de ATP.

A oxidação de uma molécula NADH gera a síntese de três moléculas de ATP. Enquanto a oxidação de uma molécula FADH₂ Está anexado à síntese de dois ATP.

Essas coenzimas vêm dos processos de glicólise e ciclo de ácido cítrico. Para cada molécula de glicose degradada, 36 ou 38 moléculas ATP estão terminando, dependendo da localização das células. No cérebro e no músculo esquelético 36 ATP são produzidos enquanto 38 ATP são produzidos em tecido muscular.

Funções

Todos os organismos, unicelulares e multicelulares, precisam de uma energia mínima em suas células para realizar os processos dentro deles e, por sua vez, manter funções vitais no corpo completo.

Processos metabólicos exigem que a energia seja realizada. A maior parte da energia utilizável é obtida pela degradação de carboidratos e gorduras. Esta energia deriva do processo de fosforilação oxidativa.

Controle de fosforilação oxidativa

A taxa de uso de ATP nas células controla a síntese do mesmo e, por sua vez, devido ao acoplamento da fosforilação oxidativa com a cadeia de transporte de elétrons, geralmente regula a taxa de transporte eletrônico.

A fosforilação oxidativa tem um controle estrito que garante que o ATP não seja gerado mais rápido do que é consumido. Existem certas etapas no processo de transporte de elétrons e a fosforilação acoplada que regulam a taxa de produção de energia.

Controle coordenado da produção de ATP

As principais rotas de produção de energia (ATP celular) são glicólise, o ciclo de ácido cítrico e fosforilação oxidativa. O controle coordenado desses três processos regula a síntese de ATP.

O controle de fosforilação pela razão de ação de massa ATP depende da contribuição precisa dos elétrons na cadeia de transmissão. Por sua vez, isso depende do relacionamento [NADH]/[NAD⁺] que é preservado elevado pela ação da glicólise e pelo ciclo do ácido cítrico.

Esse controle coordenado é realizado regulando os pontos de controle da glicólise (PFK inibida por citrato) e o ciclo do ácido cítrico (piruvato de desidrogenase, citrato de redução, itocitrato desidrogenase e α-zetoglutarato desidrogenase).

Controle por aceitador

O complexo IV (citocromo c oxidase) é uma enzima regulada por um de seus substratos, ou seja, sua atividade é controlada pelo citocromo reduzido C (c (c²⁺), que por sua vez está em equilíbrio com a relação das concentrações entre [NADH]/[NAD⁺] e a razão de ação de massa de [ATP]/[ADP] + [P_Yo].

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Quanto maior o [nadh]/[nad⁺] e abaixe o [ATP]/[ADP]+[P_Yo], mais concentração será citocromo [c²⁺] e maior será a atividade do complexo IV. Isso é interpretado, por exemplo, se compararmos organismos com diferentes atividades de repouso e alta atividade.

Em um indivíduo com alta atividade física, o consumo de ATP e, portanto, sua hidrólise para ADP + P_Yo Será muito alto, gerando uma diferença na taxa de ação de massa que causa um aumento em [c²⁺e, portanto, um aumento na síntese de ATP. Em um indivíduo em repouso, a situação reversa ocorre.

No final, a velocidade da fosforilação oxidativa aumenta com a concentração de ADP dentro das mitocôndrias. Essa concentração depende dos translocadores ADP-ATP responsáveis ​​pelo transporte de nucleotídeos de adenina e P_Yo Do citosol ao matriz mitocondrial.

Agentes de desconexo

A fosforilação oxidativa é influenciada por certos agentes químicos, que permitem que o transporte eletrônico continue sem a fosforilação do ADP, dissociando a produção e conservação da energia.

Esses agentes estimulam a velocidade de consumo de oxigênio das mitocôndrias na ausência de ADP, causando um aumento na hidrólise de ATP. Eles agem eliminando um intermediário ou quebrando um estado de energia da cadeia de transportadores de elétrons.

O 2.4-dinitrofenol, um ácido fraco que passa pelas membranas mitocondriais, é responsável por dissipar o gradiente de prótons, porque se juntam a eles no lado ácido e os liberam no lado básico.

Este composto foi usado como uma "pílula emagrecedores" porque foi descoberto que produziu um aumento na respiração, portanto, um aumento na taxa metabólica e perda de peso associada. No entanto, foi demonstrado que seu efeito negativo poderia até causar a morte.

A dissipação do gradiente protônico produz calor. As células de tecido adiposo marrom usam dissociação, controlado hormonalmente, para produzir calor. Mamíferos e recém -nascidos de hibernados que não têm cabelo consistem nesse papel que os serve como uma espécie de cobertor térmico.

Inibidores

Compostos ou agentes inibitórios impedem o consumo de ou₂ (transporte eletrônico) como a fosforilação oxidativa associada. Esses agentes evitam a formação de ATP através do uso de energia produzida no transporte eletrônico. Portanto, a cadeia de transporte parada como esse consumo de energia não é organizado.

O antibiótico de oligomicina funciona como um inibidor de fosforilação em muitas bactérias, impedindo a estimulação com ATP da síntese de ATP.

Existem também agentes ionóforos, que compõem complexos solúveis em gordura com cátions como k⁺ e na⁺, e passar pela membrana mitocondrial com esses cátions. As mitocôndrias então usam energia produzida em transporte eletrônico para bombear cátions em vez de sintetizar o ATP.

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