Fosforilação Oxidativa

A fosforilação oxidativa é o processo pelo qual a energia libertada à medida que os eletrões passam pela cadeia de transporte de eletrões mitocondrial até ao oxigénio é utilizada para sintetizar ATP. É a fase final e dominante da produção de energia aeróbica e fornece a maior parte do ATP produzido a partir de hidratos de carbono e gorduras.

Definition

A fosforilação oxidativa é o processo mitocondrial no qual os eletrões de coenzimas reduzidas são transferidos através de uma cadeia de transportadores para o oxigénio molecular, com a energia libertada usada para bombear protões através da membrana interna e o gradiente eletroquímico resultante impulsionando a síntese de ATP pela ATP sintase.

Scope

A entrada abrange os complexos da cadeia respiratória, o estabelecimento da força próton-motriz, o acoplamento da transferência de eletrões à fosforilação através da ATP sintase, e o princípio quimiosmótico que explica a ligação. Trata a fosforilação oxidativa como um tópico bioenergético em bioquímica, e não como orientação clínica.

Core questions

• Como a transferência de eletrões para o oxigénio é acoplada à síntese de ATP?
• O que é a força próton-motriz e como é gerada?
• Como a ATP sintase usa o gradiente de protões para produzir ATP?
• Por que a maior parte do ATP da oxidação de combustíveis provém desta fase?

Key concepts

• Complexos da cadeia de transporte de eletrões
• Coenzimas reduzidas NADH e FADH2 como doadores de eletrões
• Oxigénio molecular como aceitador final de eletrões
• Bombeamento de protões e a força próton-motriz
• ATP sintase e catálise rotacional
• Acoplamento da oxidação à fosforilação
• Supercomplexos respiratórios

Key theories

Teoria Quimiosmótica

Peter Mitchell propôs que a oxidação e a fosforilação são acopladas não através de um intermediário químico partilhado, mas através de um gradiente eletroquímico de protões: os complexos respiratórios bombeiam protões através da membrana mitocondrial interna à medida que transferem eletrões em direção ao oxigénio, e a força próton-motriz assim criada impulsiona a ATP sintase a fosforilar o ADP.

Mechanisms

Os eletrões doados por NADH e FADH2 entram na cadeia de complexos respiratórios incorporados na membrana mitocondrial interna e passam por uma série de transportadores de afinidade crescente por eletrões, terminando no oxigénio molecular, que é reduzido a água. Em vários complexos, a energia libertada é usada para bombear protões da matriz para o espaço intermembranar, construindo um gradiente eletroquímico de protões — a força próton-motriz. Os protões que fluem de volta através da ATP sintase impulsionam um mecanismo rotativo que catalisa a formação de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. Como cada par de eletrões atravessa múltiplos locais de bombeamento de protões, esta fase produz muito mais ATP do que as reações a nível do substrato a montante. Evidências indicam que os complexos podem se agrupar em supercomplexos de ordem superior que influenciam o fluxo de eletrões.

Clinical relevance

Defeitos herdados e adquiridos da cadeia respiratória subjazem a um grupo reconhecido de doenças mitocondriais, que tendem a afetar tecidos com alta demanda energética, como músculos e nervos, e a disrupção da fosforilação oxidativa é central para a lesão isquémica e para a ação de certas toxinas. Esta entrada descreve a bioquímica e não é uma base para diagnóstico ou tratamento individual.

History

Depois que os transportadores da cadeia respiratória foram caracterizados no início do século XX, o enigma central era como a sua transferência de eletrões impulsiona a síntese de ATP. A hipótese quimiosmótica de Peter Mitchell, de 1961, resolveu isso ao propor um gradiente de protões como o intermediário de acoplamento, uma visão que prevaleceu sobre os modelos rivais de intermediários químicos. O mecanismo da ATP sintase como uma enzima rotativa foi posteriormente estabelecido através do trabalho associado a Paul Boyer e John Walker.

Key figures

• Peter Mitchell
• Paul Boyer
• John Walker
• David Keilin

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999
• lapuente-brun-2013

Frequently asked questions

Por que a fosforilação oxidativa produz muito mais ATP do que a glicólise?

Cada par de eletrões de NADH ou FADH2 passa por vários complexos de bombeamento de protões, e o gradiente de protões resultante impulsiona a ATP sintase a produzir múltiplos ATP, enquanto a glicólise produz apenas uma pequena quantidade líquida por fosforilação direta a nível do substrato.

Qual é o papel do oxigénio na fosforilação oxidativa?

O oxigénio é o aceitador final de eletrões; ao aceitar eletrões no final da cadeia e ser reduzido a água, permite que o fluxo de eletrões e o bombeamento de protões continuem, o que impulsiona a síntese de ATP.