Cadeia de Transporte de Eletrões (ETC)

A cadeia de transporte de eletrões (ETC, pela sigla em inglês) envia eletrões através de uma série de proteínas, que geram um gradiente eletroquímico de protões que por sua vez produz energia na forma de trifosfato de adenosina (ATP, pela sigla em inglês). As proteínas geram energia através de reações "redox" que criam o gradiente de protões. O catabolismo aeróbico completo de 1 molécula de glicose produz entre 36 e 38 ATPs, principalmente através da energia obtida como coenzimas reduzidas NADH e FADH2 que são transportadas através do sistema de transporte de eletrões. Três dos 4 complexos respiratórios que compõem a cadeia respiratória mitocondrial, bem como a ATP sintase, estão integrados na membrana mitocondrial interna. A coenzima Q e o citocromo c transferem eletrões entre os complexos, que acabam por reagir com o oxigénio e geram H2O.

Última atualização: Jun 28, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Estrutura das Mitocôndrias

  • Mitocôndria:
    • Organelos de membrana dupla
    • Gera energia para a célula na forma de trifosfato de adenosina (ATP)
    • Fornece sinais importantes para o corpo e auxiliam na diferenciação celular e morte celular
  • Membranas internas e externas envolvem as mitocôndrias:
    • Compostas por uma bicamada fosfolipídica e proteína
    • Membrana interna:
      • Contém proteínas que geram reações necessárias para a ETC (por exemplo, ATP sintase).
      • Possui invaginações chamadas cristas, que abrigam complexos respiratórios
      • Cristas são dobras que aumentam a área de superfície da membrana interna e efetivamente aumentam a capacidade respiratória das mitocôndrias.
      • A membrana interna é permeável apenas ao O2 , CO2 e H2O.
    • Matriz: espaço dentro da membrana interna
      • Local de proteínas importantes: enzimas e intermediários do ciclo do ácido cítrico e oxidação do piruvato
      • Contém o genoma do DNA mitocondrial
      • O ADP e o fosfato inorgânico (P i ) são especificamente transportados para a matriz à medida que o ATP recém-sintetizado é transportado para fora.
    • Membrana externa: contém porinas que permitem a difusão de iões e metabolitos
      • A passagem de metabolitos, como ATP, ADP, ião cálcio (Ca2+) e fosfato é um processo mediado por proteínas de transporte:
        • Armazena canais aniónicos dependentes de voltagem, que permitem o trânsito de nucleotídeos e iões
        • Permite a geração de gradientes de iões
      • Transportadores específicos carregam piruvato, ácidos gordos e aminoácidos ou os seus alfa-ceto derivados na matriz para acesso à maquinaria do ciclo do ácido cítrico.
    • Espaço intermembranar: entre as membranas externa e interna
      • Contém as mesmas pequenas moléculas que estão presentes no citosol
      • Região controlada com diferentes grandes proteínas que são reguladas pela membrana externa
Anatomia da mitocôndria

Anatomia da mitocôndria:
As estruturas importantes da mitocôndria incluem a membrana externa, o espaço intermembranar, a membrana interna e a matriz.

Imagem por Lecturio.

Complexos da ETC

Complexo I

  • NADH: ubiquinona oxidorredutase
  • O complexo enzimático move 2 eletrões do NADH para um carregador (ubiquinona) através de uma reação “redox” que desloca 4 protões.
  • Os protões são bombeados da matriz para o espaço intermembranar.

Complexo II

  • Succinato desidrogenase
  • Entrega eletrões para o pool de quinona
  • Transfere FAD para quinona

Complexo III

  • Coenzima Q-citocromo c redutase
  • 4 protões translocados para o espaço intermembranar
  • Complexo inibido por dimercaprol

Complexo IV

  • Citocromo c oxidase
  • 4 eletrões transferidos para O2 e produzem 2 moléculas de H2O.
  • 8 protões adicionados ao gradiente de protões

Transporte de Elétrons

  • Membrana mitocondrial interna:
    • Principalmente impermeável a moléculas e iões, como iões de hidrogénio (H+)
    • Separa os intermediários e enzimas das vias metabólicas no citosol daqueles que ocorrem na matriz mitocondrial
    • Contém cofatores que foram reduzidos ao longo das vias catabólicas que ocorrem em diferentes compartimentos celulares
    • Carrega o compartimento da cadeia respiratória e a ATP sintase
  • Matriz mitocondrial:
    • Contém as enzimas do complexo piruvato desidrogenase
    • Também contém as enzimas do ciclo do ácido cítrico, a via de beta-oxidação de ácidos gordos e outras vias envolvidas na oxidação de aminoácidos.
  • Aqui, o transporte de eletrões através de 3 complexos respiratórios é acoplado ao bombeamento exterior de protões.
Mitochondrial membranes

Membranas mitocondriais:
As proteínas-chave estão dentro da membrana interna. O ciclo do ácido cítrico é crucial para o processo, pois fornece NADH para a cadeia de transporte de eletrões (ETC).

Imagem por Lecturio.

Fosforilação Oxidativa

  • A ETC está ligada à fosforilação oxidativa através do gradiente de protões.
  • A ATP sintase aproveita o gradiente de protões através da fosforilação oxidativa para gerar ATP:
    • A ATP sintase funciona como um canal iónico para os protões retornarem à matriz mitocondrial.
    • A energia é gerada pelo fluxo de protões, usado para a síntese de ATP.
  • Existem várias maneiras de gerar ATP:
    • Glicolise:
      • São produzidos 2 ATP durante a glicólise.
      • São reduzidos 2 NAD+ a NADH.
      • 2 moléculas de piruvato são então usadas para produzir 2 moléculas de Acetil-CoA pela piruvato desidrogenase, que produz 1 NADH cada.
      • 2 Moléculas de acetil-CoA entram no ciclo do ácido cítrico, onde se condensam com oxaloacetato e geram:
        • 2 trifosfatos de guanosina (GTP), convertidos em 2 ATPs
        • 6 NADH
        • 2 FADH2
  • A ETC é crucial para configurar o gradiente de protões:
    • Cada NADH entra na cadeia de transporte de eletrões no complexo I, onde é reoxidado e passa os seus eletrões para a CoQ.
    • Os eletrões fluem da CoQ para o complexo III, que os retransmite através do citocromo c para o complexo IV.
    • Aqui, são aceites pelo O2.
    • Tanto o complexo I quanto o complexo III transportam 4 protões cada um para o espaço intermembranar, enquanto o complexo IV bombeia 2 para o espaço membranar por cada par de eletrões.
    • 6 NADH produzidos durante o ciclo do ácido cítrico geram 60 protões no espaço intermembranar.
  • 2 ATP gerados durante a glicólise e 2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
Tabela: Protões transportados para o espaço intermembranar como resultado da oxidação de 1 molécula de palmitoil-CoA em CO 2 e H 2
Etapa de oxidação catalisadora da enzima Número de NADH ou FADH 2 formado Número de protões que no final são translocados para o espaço intermembranar
Acil-CoA desidrogenase 7 FADH 2 42
Beta-hidroxiacil-CoA desidrogenase 7 NADH 70
Isocitrato desidrogenase 8 NADH 80
Alfa-cetoglutarato desidrogenase 8 NADH 80
Succinato desidrogenase 8 FADH 2 48
Malato desidrogenase 8 NADH 80
Total 400

Controlo da Fosforilação Oxidativa

  • Existem mecanismos de regulação importantes para controlar a taxa de glicólise, o ciclo do ácido cítrico, a oxidação do piruvato e a fosforilação oxidativa pelas concentrações relativas:
    • ATP
    • ADP
    • AMP
    • NADH
  • A glicólise, a degradação de ácidos gordos e o ciclo do ácido cítrico constituem as fontes primárias de eletrões que entram na ETC mitocondrial.
  • O controlo da glicólise e do ciclo do ácido cítrico é coordenado com a necessidade de fosforilação oxidativa.
  • A fosforilação oxidativa é mantida pelos requisitos de energia celular:
    • O ADP intracelular e o ATP são medidas do estado de energia de uma célula.
    • Um suprimento adequado de eletrões para alimentar a cadeia de transporte de eletrões é fornecido pela regulação dos pontos de controlo da glicólise e do ciclo do ácido cítrico pelo NADH e metabolitos:
      • Fosfofrutoquinase (PFK, pela sigla em inglês)
      • Piruvato desidrogenase
      • Citrato sintase
      • Isocitrato desidrogenase (IDH, pela sigla em inglês)
      • Alfa-cetoglutarato desidrogenase
  • O bloqueio do ciclo do ácido cítrico e a glicólise pelo citrato, que dificulta a glicólise, facilita o modo de ação do sistema de nucleotídeos da adenina:
    • Níveis aumentados de NADH e acetil-CoA impedem a oxidação do piruvato em acetil-CoA.
    • Uma alta relação NADH/NAD+ dificulta as reações de desidrogenase no ciclo do ácido cítrico.
  • Outro efeito regulador importante é a inibição de PFK pelo citrato:
    • Quando a necessidade de ATP diminui, o ATP aumenta e o ADP diminui.
    • Como o ADP ativa a IDH e o ATP inibe a alfa-cetoglutarato desidrogenase, o ciclo do ácido cítrico diminui.
    • A desaceleração leva a uma acumulação da concentração de citrato.
    • O citrato deixa a mitocôndria através de um sistema de transporte específico e, uma vez no citosol, atua para conter a degradação de hidratos de carbono, inibindo a PFK.

Referências

  1. Ahmad, M, Woiberg, A, Kahwaji, CI. (2020). Biochemistry, electron transport chain. StatPearls. Retrieved May 26, 2021, from https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK526105/
  2. Cooper, GM. (2000). The mechanism of oxidative phosphorylation. The Cell: A Molecular Approach. 2nd edition. Sunderland (MA): Sinauer Associates. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK9885/
  3. Alberts, B, Johnson, A, Lewis, J, et al. (2002). Electron-transport chains and their proton pumps. Molecular Biology of the Cell. 4th edition. New York: Garland Science. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/NBK26904/

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