Fosforilação Oxidativa
Fosforilação Oxidativa é a produção de ATP utilizando energia derivada da transferência de electrões num sistema de transporte de electrões e ocorre por quimiossimosmose.
Para compreender a fosforilação oxidativa, é importante rever primeiro o átomo de hidrogénio e o processo de oxidação e redução. Um átomo de hidrogénio contém apenas um próton (H+) e um electrão (e-). Portanto, o termo protão e o termo íon de hidrogénio (H+) são intercambiáveis. Lembre-se também que os electrões têm energia armazenada, ou energia potencial, pronta a funcionar e quando um átomo ou molécula perde esse electrão (torna-se oxidado) essa energia é libertada e capaz de fazer o trabalho celular.
Reacções de oxidação-redução são reacções químicas acopladas em que um átomo ou molécula perde um ou mais electrões (oxidação ) enquanto outro átomo ou molécula ganha esses electrões (redução ). O composto que perde os electrões torna-se oxidado; o composto que ganha esses electrões torna-se reduzido. Nos compostos covalentes, contudo, é geralmente mais fácil perder um átomo inteiro de hidrogénio (H) – um próton e um electrão – do que apenas um electrão. Uma reacção de oxidação durante a qual tanto um próton como um electrão são perdidos chama-se desidrogenação. Uma reacção de redução durante a qual tanto um protão como um electrão são ganhos chama-se hidrogenação .
Células utilizam moléculas específicas para transportar os electrões que são removidos durante a oxidação de uma fonte de energia. Estas moléculas são chamadas portadores de electrões e tornam-se alternadamente oxidadas e reduzidas durante a transferência do electrão e do protão. Estas incluem três coenzimas livremente difusíveis conhecidas como NAD+, FAD, e NADP+. As formas reduzidas destas coenzimas (NADH, FADH2, e NADPH) têm um poder de redução porque as suas ligações contêm uma forma de energia utilizável.
- NAD+ , ou nicotinamida adenina dinucleótido, é uma coenzima que funciona frequentemente em conjunto com uma enzima chamada desidrogenase. A enzima remove dois átomos de hidrogénio (2H+ e 2e-) do seu substrato. Ambos os electrões mas apenas um próton são aceites pelo NAD+ para produzir a sua forma reduzida, NADH, mais H+. O NADH é utilizado para gerar força motriz do próton (discutido abaixo) que pode impulsionar a síntese de ATP.
li>FAD , ou dinucleótido flavina-adenina, é uma coenzima que também funciona em conjunto com uma enzima chamada desidrogenase. A enzima remove dois átomos de hidrogénio (2H+ e 2e-) do seu substrato. Ambos os electrões e ambos os prótons são aceites pelo FADH2 para produzir a sua forma reduzida. A FADH2 é utilizada para gerar força motriz de prótons (discutida abaixo) que pode impulsionar a síntese de ATP.li>NADP+, ou nicotinamida adenina dinucleótido fosfato, é uma coenzima que utiliza desidrogenase para remover dois átomos de hidrogénio (2H+ e 2e-) do seu substrato. Ambos os electrões, mas apenas um próton, são aceites pelo NADP+ para produzir a sua forma reduzida, NADPH, mais H+. O NADPH não é utilizado para síntese de ATP mas os seus electrões fornecem a energia para certas reacções de biossíntese, tais como as envolvidas na fotossíntese.
Durante o processo de respiração aeróbica, discutido na secção seguinte, as reacções de oxidação-redução acoplada e os portadores de electrões fazem frequentemente parte do que se chama uma cadeia de transporte de electrões, uma série de portadores de electrões que eventualmente transferem electrões de NADH e FADH2 para o oxigénio. Os portadores difusíveis de electrões NADH e FADH2 transportam átomos de hidrogénio (prótons e electrões) a partir de substratos em vias catabólicas exergónicas, como a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, para outros portadores de electrões que estão incorporados em membranas. Estes portadores de electrões associados às membranas incluem flavoproteínas, proteínas de enxofre de ferro, quinonas e citocromos. O último portador de electrões na cadeia de transporte de electrões transfere os electrões para o aceitador terminal de electrões, oxigénio.
p>A teoria quimiossimótica explica o funcionamento das cadeias de transporte de electrões. De acordo com esta teoria, a transferência de electrões para um sistema de transporte de electrões através de uma série de reacções de oxidação-redução liberta energia (Figura \PageIndex{1}}). Esta energia permite que certos portadores na cadeia transportem iões de hidrogénio (H+ ou prótons) através de uma membrana.
p>Dependente do tipo de célula, a cadeia de transporte de electrões pode ser encontrada na membrana citoplasmática, na membrana interna das mitocôndrias, e na membrana interna dos cloroplastos.
- Em células procarióticas, os prótons são transportados do citoplasma da bactéria através da membrana citoplasmática para o espaço periplasmático localizado entre a membrana citoplasmática e a parede celular.
- Em células eucarióticas, os prótons são transportados da matriz das mitocôndrias através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembrana localizado entre as membranas mitocondriais interna e externa.
- Em células vegetais e células de algas, os prótons são transportados do estroma do cloroplasto através da membrana tilóide para o espaço interior do tilóide.
À medida que os iões de hidrogénio se acumulam num dos lados de uma membrana, a concentração de iões de hidrogénio cria um gradiente electroquímico ou diferença potencial (tensão) através da membrana. (O fluido do lado da membrana onde os protões se acumulam adquire uma carga positiva; o fluido do lado oposto da membrana é deixado com uma carga negativa). O estado energizado da membrana como resultado desta separação de carga é chamado força motriz do próton ou PMF.
Esta força motriz do próton fornece a energia necessária para enzimas chamadas ATP synthases (Figura \PageIndex{5}}), também localizadas nas membranas acima mencionadas, para catalisar a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato. Esta geração de ATP ocorre quando os prótons atravessam a membrana através dos complexos de síntese de ATP e reentram ou no citoplasma bacteriano (Figura \PageIndex{5}), na matriz das mitocôndrias, ou no estroma dos cloroplastos. À medida que os prótons descem o gradiente de concentração através da ATP synthase, a energia libertada provoca a rotação do rotor e da haste da ATP synthase. A energia mecânica desta rotação é convertida em energia química à medida que o fosfato é adicionado ao ADP para formar o ATP.
p>Proton força motriz é também utilizada para transportar substâncias através das membranas durante o transporte activo e para rodar flagelos bacterianos.
No final da cadeia de transporte de electrões envolvidos na respiração aeróbica, o último portador de electrões na membrana transfere 2 electrões para meia molécula de oxigénio (um átomo de oxigénio) que simultaneamente se combina com 2 prótons do meio circundante para produzir água como produto final (Figura \PageIndex{3}). As cadeias de transporte de electrões envolvidas na fotossíntese acabam por transferir 2 electrões para NADP+ que se combinam simultaneamente com 2 prótons do meio circundante para produzir NADPH.