Fosforilação oxidativa

O campo de estudo da fosforilação oxidativa iniciou-se em 1906, com a divulgação por Arthur Harden de um papel vital do fosfato na fermentação celular, embora fossem conhecidos apenas então fosfatos de açúcares. A ligação entre a oxidação de açúcares e a síntese de ATP foi firmemente estabelecida no início da década de 1940 do século XX por Herman Kalckar, confirmando-se o papel central do ATP na transferência de energia proposto por Fritz Albert Lipmann em 1941. Mais tarde, em 1949, Morris Friedkin e Albert L. Lehninger provaram que a coenzima NADH ligava vias metabólicas tais como o ciclo do ácido cítrico e a síntese de ATP. Durante as duas décadas seguintes permaneceu incógnito o mecanismo de produção do ATP, tendo havido a procura de um elusivo "intermediário de alta energia" que ligaria a oxidação às reacções de fosforilação. Este problema foi resolvido por Peter D. Mitchell com a publicação da teoria quimiosmótica em 1961. A proposta foi inicialmente controversa, mas foi lentamente aceite e Mitchell recebeu um prémio Nobel pelos seus estudos em 1978. A investigação que se seguiu neste campo concentrou-se na purificação e caracterização das enzimas desta via, havendo contribuições importantes por David Ezra Green nos complexos da cadeia de transporte electrónico e Efraim Racker na ATP sintase.

Embora as diversas formas de vida na Terra utilizem uma larga gama de nutrientes diferentes, quase todas usam a fosforilação oxidativa para produção de ATP, a molécula que fornece energia metabólica. Esta via é tão universal provavelmente por ser uma forma altamente eficiente de armazenar energia, comparando com processos alternativos de fermentação como a glicólise.[carece de fontes?] A fosforilação oxidativa funciona utilizando reacções químicas exergónicas para dar energia a reacções endergónicas; os dois tipos de reacção dizem-se, neste caso, acoplados, ou seja, um não ocorre sem o outro. O fluxo de electrões através da cadeia de transporte electrónico, desde doadores electrónicos como o NADH a aceitadores de electrões como o oxigénio, é um processo exergónico, ou seja, liberta energia, enquanto que a síntese da ATP é endergónica e requer portanto energia. A variação de energia livre associada à transferência de electrões através de um dos três complexos corresponde a uma força motriz protónica capaz de fazer a síntese de ATP. Para cada NADH que se oxida, ou seja, para cada par de electrões transportado pelos complexos I, III e IV, há a síntese de três ATP.[carece de fontes?]

A cadeia de transporte eletrónico transporta protões e electrões, mediando a passagem de electrões de doadores reduzidos a aceitadores electrónicos e transportando protões através da membrana. Estes processos tanto usam moléculas solúveis como grupos ligados a proteínas. Nas mitocôndrias, os electrões são transferidos dentro do espaço intermembranar pela proteína de transporte electrónico citocromo c, que, por ser hidrossolúvel, pode circular no espaço intermembranar. O citocromo c transporta apenas electrões, através da oxirredução de um ião de ferro localizado num grupo hemo pertencente à estrutura da proteína. Também se encontra citocromo c nalgumas bactérias, localizando-se no espaço periplasmático. Na membrana mitocondrial interna, a coenzima Q10 (Q), um transportador electrónico lipossolúvel, transporta não só electrões mas também protões, usando um ciclo redox. Esta pequena molécula de benzoquinona é muito hidrofóbica, podendo por isso difundir-se facilmente pela membrana. Quando Q aceita dois electrões e dois protões, passa à forma totalmente reduzida ubiquinol (QH2); quando QH2 liberta dois protões e dois elecrões, volta ao estado ubiquinona (Q). Como resultado, se duas enzimas estão dispostas de modo que Q seja reduzido de um lado da membrana e QH2 seja oxidado no outro lado, a ubiquinona acoplará estas reacções e transportará protões através da membrana. Algumas cadeias de transporte electrónico bacterianas usam quinonas diferentes, tais como a menaquinona (ou vitamina K), além da ubiquinona.

Diversos processos bioquímicos catabólicos, tais como a glicólise, o ciclo dos ácidos tricarboxílicos e a beta-oxidação, produzem a coenzima NADH. Esta coenzima contém electrões que possuem um alto potencial de transferência (correspondente a um potencial de eléctrodo muito negativo), ou seja, ao acontecer a oxidação do NADH, é libertada grande quantidade de energia. No entanto, a célula não liberta esta energia de uma só vez, pois tal reacção poderia ser incontrolável. Os electrões são então removidos do NADH e transferidos para o dioxigénio através de uma série de passos catalisados por diferentes enzimas, em que cada passo liberta uma pequena quantidade de energia. Este conjunto de enzimas, designados complexos I, II, III e IV, constitui a cadeia de transporte electrónico e encontra-se na membrana interna da mitocôndria. O succinato é também oxidado pela cadeia de transporte electrónico, mas entra na via metabólica num ponto diferente.[carece de fontes?]

Em contraste com a similaridade geral que existe na estrutura e função das cadeias respiratórias em eucariontes, as enzimas de transferência electrónica em bactérias e arqueas são muito diversificadas; utilizam também diversos outros compostos químicos como substratos, permitindo a sua adaptação a diferentes condições ambientais. Tal como acontece nos eucariontes, a cadeia de transporte electrónico em procariontes utiliza a energia libertada da oxidação de um substrato para bombear iões através de uma membrana e gerar um gradiente electroquímico. Em bactérias, a fosforilação oxidativa em Escherichia coli é a mais bem compreendida; em contraste, os sistemas em arqueas são ainda pouco compreendidos. Em E. coli, a fosforilação oxidativa utiliza uma grande variedade de agentes redutores e oxidantes, listados abaixo. O potencial de meia onda de um composto dá uma medida da quantidade de energia libertada quando esse composto é oxidado ou reduzido, tendo agentes redutores potenciais negativos e agentes oxidantes potenciais positivos.[carece de fontes?]

A ATP sintase, também designada complexo V, é a enzima final na via da fosforilação oxidativa. Esta enzima encontra-se presente em todas os organismos vivos e funciona de forma idêntica em procariontes e eucariontes. A enzima utiliza a energia armazenada num gradiente de protões existente através da membrana para realizar a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). Existem estimativas de serem necessários entre três e quatro protões para sintetizar um ATP, havendo alguns estudos que apontam para uma variação nestes números, dependendo das condições. ADP + P i + 4H c i t o s o l + ⇌ ATP + H 2 O + 4H m a t r i z + {\displaystyle {\mbox{ADP}}+{\mbox{P}}_{i}+{\mbox{4H}}_{citosol}^{+}\rightleftharpoons {\mbox{ATP}}+{\mbox{H}}_{2}{\mbox{O}}+{\mbox{4H}}_{matriz}^{+}} Esta reacção de fosforilação é um equilíbrio químico, que pode ser deslocado alterando-se a força motriz protónica. Se não existe uma força motriz, a reacção da ATP sintase prossegue da direita para a esquerda, havendo a hidrólise de ATP e o bombeamento de protões para fora da matriz, através da membrana. No entanto, quando a força motriz é alta, a reacção procede da esquerda para a direita, permitindo o fluxo de protões no sentido do gradiente de concentração (da maior concentração para a menor) e produzindo ATP a partir de ADP.

O dioxigénio (oxigénio molecular) é um aceitador terminal de electrões ideal, por ser um agente oxidante forte. A redução do dioxigénio pode originar intermediários potencialmente danosos. Embora a transferência de quatro protões e quatro electrões reduza o dioxigénio a água, uma espécie química inócua, a transferência de um ou dois electrões produz o anião radical superóxido e o peróxido de hidrogénio.[carece de fontes?] e − e − O 2 ⟶ O 2 ∙ _ ⟶ O 2 2 − Super o ´ xido Per o ´ xido {\displaystyle {\begin{matrix}\quad &{e^{-}}&\quad &{e^{-}}\\{{\mbox{O}}_{2}}&\longrightarrow &{\mbox{O}}_{2}^{\underline {\bullet }}&\longrightarrow &{\mbox{O}}_{2}^{2-}\\\quad &\quad &{\mbox{Super}}{\acute {\mbox{o}}}{\mbox{xido}}&\quad &{\mbox{Per}}{\acute {\mbox{o}}}{\mbox{xido}}\\\quad &\quad \end{matrix}}} Estas espécies reactivas de oxigénio e os seus produtos de reacção, tais como o radical hidroxilo, são muito danosos para as células, pois oxidam proteínas e lípidos membranares e causam mutações no DNA. Estes danos celulares podem contribuir para determinadas patologias e pensa-se que estejam envolvidos no processo de envelhecimento.

Existem diversos compostos químicos que inibem a fosforilação oxidativa. Embora normalmente qualquer um desses compostos iniba apenas uma enzima da cadeia de transporte electrónico, a inibição de apenas um dos passos é suficiente para parar toda a cadeia. Por exemplo, a presença de oligomicina inibe a ATP sintase, impedindo a passagem de protons para dentro da mitocôndria. Tal resulta na inoperância das bombas de protons, já que o gradiente de concentração protónica se torna demasiado forte para ser superado. O NADH deixa então de ser oxidado, o que para o funcionamento do ciclo dos ácidos tricarboxílicos, pois a concentração de NAD+ cai para níveis inferiores aos necessários para o funcionamento das enzimas desse ciclo.[carece de fontes?] Nem todos os inibidores da fosforilação oxidativa são toxinas. No tecido adiposo castanho existem canais protónicos regulados designados proteínas de desacoplamento que conseguem fazer o desacoplamento da respiração e síntese de ATP. Este é um tipo de respiração rápida que produz calor e é de particular importância como forma de manter a temperatura corporal em animais em hibernação, embora tais proteínas possam também ter uma função mais geral nas respostas ao stress celular.