Fosforilação oxidativa

Enquadramento

A fosforilação oxidativa é o processo mitocondrial que acopla a transferência de eletrões de NADH e FADH2 para o oxigénio à síntese de ATP. A energia libertada pela cadeia respiratória é usada para bombear protões da matriz para o espaço intermembranar. O regresso dos protões à matriz através da ATP sintase permite fosforilar ADP em ATP.

O processo integra quatro elementos: coenzimas reduzidas produzidas por vias oxidativas, complexos da cadeia respiratória, gradiente eletroquímico de protões e ATP sintase. O oxigénio é o aceitador final de eletrões e é reduzido a água. A velocidade global depende de ADP, Pi, NADH/FADH2, oxigénio e integridade da membrana mitocondrial interna.

Cadeia respiratória mitocondrial

A cadeia respiratória transfere eletrões por transportadores com potenciais redox progressivamente mais positivos. Os eletrões fluem de NADH ou FADH2 para ubiquinona, complexos proteicos, citocromo c e oxigénio. A passagem pelos complexos I, III e IV está associada a bombeamento de protões.

O complexo I recebe eletrões do NADH através de FMN e centros ferro-enxofre, reduzindo ubiquinona a ubiquinol. O complexo II corresponde à succinato desidrogenase do ciclo de Krebs; transfere eletrões do succinato para FAD e depois para ubiquinona, mas não bombeia protões. O complexo III transfere eletrões do ubiquinol para citocromo c. O complexo IV transfere eletrões do citocromo c para oxigénio e forma água.

Transportadores móveis

A ubiquinona, ou coenzima Q, é lipossolúvel e move-se no plano da membrana mitocondrial interna. Recebe eletrões do complexo I, do complexo II e de outras desidrogenases ligadas à membrana, transportando-os para o complexo III.

O citocromo c é uma proteína periférica localizada no espaço intermembranar, associada à face externa da membrana interna. Transfere eletrões, um de cada vez, do complexo III para o complexo IV. Os citocromos contêm grupos heme com ferro que alterna entre Fe2+ e Fe3+.

Teoria quimiosmótica

A teoria quimiosmótica descreve o acoplamento entre transporte de eletrões e síntese de ATP por um gradiente eletroquímico de protões. Os complexos I, III e IV bombeiam H+ da matriz para o espaço intermembranar. A membrana mitocondrial interna é pouco permeável a protões, permitindo acumular energia como diferença de pH e diferença de potencial elétrico.

A força protomotriz tem dois componentes: gradiente químico, porque há maior concentração relativa de H+ no espaço intermembranar, e gradiente elétrico, porque a matriz fica relativamente negativa. A ATP sintase converte esta energia em ligação fosfoanidrido do ATP.

ATP sintase

A ATP sintase é formada por uma porção F0, inserida na membrana e condutora de protões, e uma porção F1, voltada para a matriz e catalítica. A passagem de protões pela F0 promove rotação do eixo central. Essa rotação altera a conformação das subunidades beta da F1, permitindo ligação de ADP e Pi, síntese de ATP e libertação de ATP.

O mecanismo rotacional permite transformar energia do gradiente protónico em trabalho conformacional. Sem gradiente de protões, a ATP sintase não mantém síntese líquida de ATP. Se o gradiente for dissipado por desacopladores, a cadeia respiratória pode continuar a consumir oxigénio, mas a produção de ATP diminui.

Rendimento P/O

O rácio P/O indica o número aproximado de ATP formados por átomo de oxigénio reduzido ou, de forma prática, por par de eletrões transferidos. Como o NADH entra pelo complexo I e o FADH2 entra pelo complexo II, o NADH gera maior bombeamento de protões e maior produção de ATP.

Esta diferença explica a variação do rendimento global da oxidação da glucose entre cerca de 30 e 32 ATP.

Vaivéns do NADH citosólico

O NADH produzido na glicólise está no citosol e não atravessa livremente a membrana mitocondrial interna. Os equivalentes redutores entram por vaivéns.

O vaivém malato-aspartato, relevante no fígado, rim e coração, transfere equivalentes redutores para NAD+ mitocondrial, formando NADH na matriz. O rendimento aproxima-se do NADH mitocondrial.

O vaivém do glicerol-3-fosfato, relevante em músculo e cérebro, transfere eletrões para FAD numa desidrogenase mitocondrial associada à membrana, reduzindo ubiquinona. O rendimento aproxima-se do FADH2.

Controlo respiratório

O controlo respiratório corresponde à regulação da velocidade de consumo de oxigénio pela disponibilidade de ADP e pela necessidade de ATP. Quando ATP é consumido, ADP aumenta, a ATP sintase usa o gradiente protónico, o retorno de H+ aumenta e a cadeia respiratória acelera para repor o gradiente. Quando ADP é baixo, o retorno de protões diminui, o gradiente aumenta e a cadeia abranda.

O cálcio também coordena trabalho celular e metabolismo oxidativo. Em músculo, o aumento de cálcio durante contração ativa desidrogenases mitocondriais e favorece produção de NADH, acompanhando a maior procura de ATP.

Desacopladores

Desacopladores dissipam o gradiente de protões sem passagem produtiva pela ATP sintase. O transporte de eletrões e o consumo de oxigénio podem aumentar, mas a síntese de ATP cai. A energia libertada aparece como calor.

O desacoplamento fisiológico por UCP1 no tecido adiposo castanho permite termogénese adaptativa. O desacoplamento tóxico provoca défice energético, hipertermia e aumento do metabolismo oxidativo sem produção proporcional de ATP.

Ligação ao ciclo de Krebs

O ciclo de Krebs fornece NADH e FADH2 à cadeia respiratória. A cadeia respiratória regenera NAD+ e FAD, necessários para manter as desidrogenases do ciclo ativas. A ligação é recíproca: sem ciclo, faltam equivalentes redutores; sem cadeia respiratória, faltam coenzimas oxidadas.

A translocase ADP/ATP troca ATP mitocondrial por ADP citosólico. O transporte de fosfato fornece Pi para a síntese de ATP. Estes transportes tornam a fosforilação oxidativa funcional para a célula inteira, não apenas para a matriz mitocondrial.

Inibição e hipóxia

A hipóxia limita o complexo IV por falta de aceitador final de eletrões. A cadeia respiratória reduz o fluxo, NADH acumula, NAD+ diminui e o ciclo de Krebs abranda. A glicólise anaeróbia aumenta para manter ATP citosólico e regenerar NAD+ através da lactato desidrogenase.

Inibidores específicos permitem localizar pontos da cadeia. A inibição do complexo IV por cianeto ou monóxido de carbono impede a redução de oxigénio. A inibição da ATP sintase impede retorno produtivo de protões e abranda a cadeia por aumento do gradiente.

Síntese