Em formação

SS1_2019_Lecture_08 - Biologia


Introdução à respiração e Transporte de elétrons Correntes

Visão geral e pontos a serem considerados

Nos próximos módulos, começaremos a aprender sobre o processo de respiração e os papéis que as cadeias de transporte de elétrons desempenham nesse processo. Uma definição da palavra "respiração" com a qual a maioria das pessoas está familiarizada é "o ato de respirar". Quando nós respiração, o ar, incluindo o oxigênio molecular, é trazido para os nossos pulmões de fora do corpo. O oxigênio é então reduzido e os produtos residuais, incluindo o oxigênio reduzido na forma de água, são exalados. Mais genericamente, algum reagente entra no organismo e, em seguida, é reduzido e deixa o corpo como um produto residual.

Essa ideia genérica, em poucas palavras, pode ser geralmente aplicada em toda a biologia. Observe que o oxigênio nem sempre precisa ser o composto que é trazido, reduzido e descartado como resíduo. Os compostos nos quais os elétrons são "despejados" são mais especificamente conhecidos como "aceitadores de elétrons terminais. "As moléculas das quais os elétrons se originam variam muito ao longo da biologia (até agora, vimos apenas uma fonte possível - a reduzida molécula de glicose baseada em carbono).
Entre a fonte original de elétrons e o receptor de elétrons terminal está uma série de reações bioquímicas envolvendo pelo menos uma reação vermelho / boi. Essas reações vermelho / boi captam energia para a célula ao acoplar a reação exergônica vermelho / boi a uma reação que requer energia na célula. Na respiração, um conjunto especial de enzimas realiza uma série interligada de reações vermelho / boi que, em última instância, transferem elétrons para o receptor de elétrons terminal.

Essas "cadeias" de enzimas vermelhas / boi e transportadores de elétrons são chamadas cadeias de transporte de elétrons (ETC). Em células eucarióticas com respiração aeróbica, a ETC é composta de quatro grandes complexos multiproteicos embutidos na membrana mitocondrial interna e dois pequenos transportadores de elétrons difusíveis transportando elétrons entre eles. Os elétrons são passados ​​de enzima para enzima por meio de uma série de reações vermelho / boi. Essas reações acoplam reações exergônicas vermelho / boi ao transporte endergônico de íons hidrogênio através da membrana mitocondrial interna. Este processo contribui para a criação de um gradiente eletroquímico transmembrana. Os elétrons que passam pelo ETC gradualmente perdem energia potencial até o ponto em que são depositados no receptor de elétrons do terminal, que normalmente é removido como resíduo da célula. Quando o oxigênio atua como o aceptor final de elétrons, a diferença de energia livre desse processo vermelho / boi de várias etapas é ~ -60 kcal / mol quando o NADH doa elétrons ou ~ -45 kcal / mol quando FADH2 doa.

Nota: O oxigênio não é o único, nem o mais frequentemente usado, aceitador de elétrons do terminal na natureza

Lembre-se de que usamos o oxigênio como um exemplo de apenas um dos vários possíveis aceitadores de elétrons terminais que podem ser encontrados na natureza. As diferenças de energia livre associadas à respiração em organismos anaeróbicos serão diferentes.

Em módulos anteriores, discutimos o conceito geral de reações vermelho / boi em biologia e introduzimos a Torre de elétrons, uma ferramenta para ajudá-lo a entender a química vermelho / boi e estimar a direção e magnitude das diferenças de energia potencial para vários pares vermelho / boi. Em módulos posteriores, fosforilação e fermentação em nível de substrato foram discutidos e vimos como as reações exergônicas vermelho / boi poderiam ser acopladas diretamente por enzimas à síntese endergônica de ATP.

Esses processos são hipotetizados como uma das formas mais antigas de produção de energia usada pelas células. Nesta seção, discutimos o próximo avanço evolutivo no metabolismo de energia celular, a fosforilação oxidativa. Em primeiro lugar, lembre-se de que, a fosforilação oxidativa não implicam o uso de oxigênio. Em vez disso, o termo fosforilação oxidativa é usado porque este processo de síntese de ATP depende de reações vermelho / boi para gerar uma reação eletroquímica potencial transmembrana que pode então ser usado pela célula para fazer o trabalho de síntese de ATP.


Uma rápida visão geral dos princípios relevantes para as cadeias de transporte de elétrons

Uma ETC começa com a adição de elétrons, doados de NADH, FADH2 ou outros compostos reduzidos. Esses elétrons se movem através de uma série de transportadores de elétrons, enzimas que estão embutidas em uma membrana ou outros transportadores que sofrem reações vermelho / boi. A energia livre transferida dessas reações exergônicas vermelho / boi é freqüentemente associada ao movimento endergônico dos prótons através de uma membrana. Como a membrana é uma barreira eficaz para espécies carregadas, esse bombeamento resulta em um acúmulo desigual de prótons em ambos os lados da membrana. Isso, por sua vez, "polariza" ou "carrega" a membrana, com uma rede positiva (prótons) de um lado da membrana e uma carga negativa do outro lado da membrana. A separação de cargas cria um potencial elétrico. Além disso, o acúmulo de prótons também causa um gradiente de pH conhecido como químico potencialatravés da membrana. Juntos, esses dois gradientes (elétricos e químicos) são chamados de gradiente eletroquímico.

Revisão: A Torre de Elétrons

Visto que a química vermelho / boi é tão central para o tópico, começamos com uma rápida revisão da tabela de potencial de redução - às vezes chamada de "torre vermelha / boi" ou "torre de elétrons". Você pode ouvir seus instrutores usarem esses termos de forma intercambiável. Como discutimos nos módulos anteriores, todos os tipos de compostos podem participar de reações biológicas vermelho / boi. Entender todas essas informações e classificar os pares vermelhos / bois em potencial pode ser confuso. Uma ferramenta foi desenvolvida para classificar semi-reações vermelho / boi com base em seus potenciais de redução ou E0' valores. Se um determinado composto pode atuar como um doador de elétrons (redutor) ou aceitador de elétrons (oxidante) depende de qual outro composto está interagindo. A torre vermelha / boi classifica uma variedade de compostos comuns (suas meias reações) da maioria dos E negativos0', compostos que eliminam prontamente os elétrons, para o E mais positivo0', compostos com maior probabilidade de aceitar elétrons. A torre organiza essas meias reações com base na capacidade dos elétrons de aceitar elétrons. Além disso, em muitas torres vermelha / boi, cada meia reação é escrita por convenção com a forma oxidada à esquerda seguida pela forma reduzida à direita. As duas formas podem ser separadas por uma barra, por exemplo, a meia reação para a redução de NAD+ para NADH está escrito: NAD+/ NADH + 2e-, ou por colunas separadas. Uma torre de elétrons é mostrada abaixo.

Figura 1. Uma "torre vermelha / boi" biológica comum

Observação

Use a torre vermelha / boi acima como um guia de referência para orientá-lo quanto ao potencial de redução dos vários compostos na ETC. As reações vermelho / boi podem ser exergônicas ou endergônicas, dependendo do potencial vermelho / boi relativo do doador e do aceitador. Lembre-se também de que há muitas maneiras diferentes de ver isso conceitualmente; este tipo de torre vermelha / boi é apenas uma via.

Observação: Os atalhos de idioma reaparecem

Na tabela vermelha / boi acima, algumas entradas parecem ter sido escritas de maneiras não convencionais. Por exemplo, citocromo cboi / vermelho. Parece haver apenas um formulário listado. Porque? Este é outro exemplo de atalhos de linguagem (provavelmente porque alguém estava com preguiça de escrever citocromo duas vezes) que podem ser confusos - especialmente para os alunos. A notação acima pode ser reescrita como Citocromo cboi/ Citocromo cvermelho para indicar que a proteína do citocromo c pode existir no estado oxidado Citocromo cboi ou estado reduzido Citocromo cvermelho.

Analise o vídeo Red / ox Tower

Para um breve vídeo sobre como usar a torre vermelha / boi em problemas vermelho / boi, clique aqui. Este vídeo foi feito pelo Dr. Easlon para alunos da Bis2A.

Usando a torre vermelha / boi: uma ferramenta para ajudar a entender as cadeias de transporte de elétrons

Por convenção, as meias-reações da torre são escritas com a forma oxidada do composto à esquerda e a forma reduzida à direita. Observe que compostos como glicose e gás hidrogênio são excelentes doadores de elétrons e têm potenciais de redução muito baixos.0'. Compostos, como oxigênio e nitrito, cujas meias reações têm potenciais de redução positiva relativamente altos (E0') geralmente fazem bons aceitadores de elétrons são encontrados na extremidade oposta da tabela.

Exemplo: Menaquinona

Vejamos a menaquinonaboi / vermelho. Este composto fica no meio da torre vermelha / boi com uma meia-reação E0' valor de -0,074 eV. Menaquinonaboi pode aceitar espontaneamente (ΔG <0) elétrons de formas reduzidas de compostos com meia-reação E inferior0'. Essas transferências formam menaquinonavermelho e a forma oxidada do doador de elétrons original. Na tabela acima, exemplos de compostos que poderiam atuar como doadores de elétrons para menaquinona incluem FADH2, um E0' valor de -0,22, ou NADH, com um E0' valor de -0,32 eV. Lembre-se de que as formas reduzidas estão no lado direito do par vermelho / boi.

Uma vez que a menaquinona foi reduzida, ela agora pode espontaneamente (ΔG <0) doar elétrons para qualquer composto com uma meia-reação E maior0' valor. Possíveis aceitadores de elétrons incluem citocromo bboi com um E0' valor de 0,035 eV; ou ubiquinonaboi com um E0' de 0,11 eV. Lembre-se de que as formas oxidadas ficam do lado esquerdo da meia reação.

Cadeias de transporte de elétrons

Um cadeia de transporte de elétrons, ou ETC, é composto por um grupo de complexos de proteínas dentro e ao redor de uma membrana que ajudam a acoplar energeticamente uma série de reações exergônicas / espontâneas vermelho / boi ao bombeamento endergônico de prótons através da membrana para gerar um gradiente eletroquímico. Este gradiente eletroquímico cria um potencial de energia livre que é denominado um força motriz de prótons cujo fluxo exergônico energeticamente "descendente" pode mais tarde ser acoplado a uma variedade de processos celulares.

Visão geral da ETC

Etapa 1: os elétrons entram no ETC de um doador de elétrons, como NADH ou FADH2, que são gerados durante uma variedade de reações catabólicas, incluindo aquelas associadas à oxidação da glicose. Dependendo do número e dos tipos de portadores de elétrons do ETC sendo usados ​​por um organismo, os elétrons podem entrar em uma variedade de lugares na cadeia de transporte de elétrons. A entrada de elétrons em um "ponto" específico na ETC depende dos respectivos potenciais de redução dos doadores e aceitadores de elétrons.


Etapa 2: após a primeira reação vermelho / ox, o doador de elétrons inicial ficará oxidado e o aceptor de elétrons ficará reduzido. A diferença no potencial vermelho / ox entre o aceptor de elétrons e o doador está relacionada a ΔG pela relação ΔG = -nFΔE, onde n = o número de elétrons transferidos e F = constante de Faraday. Quanto maior for um ΔE positivo, mais exergônica será a reação vermelho / boi.


Etapa 3: se energia suficiente for transferida durante uma etapa exergônica vermelho / boi, o portador de elétrons pode acoplar essa mudança negativa na energia livre ao processo endergônico de transporte de um próton de um lado da membrana para o outro.


Etapa 4: depois de várias transferências vermelho / ox, o elétron é entregue a uma molécula conhecida como aceptor terminal de elétrons. No caso dos humanos, o aceptor terminal de elétrons é o oxigênio. No entanto, existem muitos, muitos, muitos outros possíveis aceitadores de elétrons na natureza; Veja abaixo.

Nota: possível discussão

Os elétrons que entram no ETC não precisam vir do NADH ou FADH2. Muitos outros compostos podem servir como doadores de elétrons; os únicos requisitos são (1) que existe uma enzima que pode oxidar o doador de elétrons e, em seguida, reduzir outro composto, e (2) que o ∆E0'é positivo (por exemplo, ΔG <0). Mesmo pequenas quantidades de transferências de energia gratuitas podem aumentar. Por exemplo, existem bactérias que usam H2 como um doador de elétrons. Isso não é muito difícil de acreditar porque a meia reação 2H+ + 2 e-/ H2 tem um potencial de redução (E0') de -0,42 V. Se esses elétrons forem eventualmente entregues ao oxigênio, então o ΔE0'da reação é 1,24 V, que corresponde a um grande ΔG negativo (-ΔG). Alternativamente, existem algumas bactérias que podem oxidar o ferro, Fe2+ em pH 7 para Fe3+ com um potencial de redução (E0') de + 0,2 V. Essas bactérias usam oxigênio como seu aceptor de elétron terminal e, neste caso, o ΔE0'da reação é de aproximadamente 0,62 V. Isso ainda produz um -ΔG. O resultado final é que, dependendo do doador e aceitador de elétrons que o organismo usa, pouca ou muita energia pode ser transferida e usada pela célula por elétrons doados à cadeia de transporte de elétrons.

Quais são os complexos da ETC?

ETCs são constituídos por uma série (pelo menos uma) de proteínas vermelhas / ox associadas à membrana ou (algumas são integrais) complexos de proteínas (complexo = mais de uma proteína organizada em uma estrutura quaternária) que movem elétrons de uma fonte doadora, como como NADH, a um aceptor de elétrons terminal final, como o oxigênio. Este par particular doador / aceitador terminal é o principal usado na mitocôndria humana. Cada transferência de elétrons no ETC requer um substrato reduzido como um doador de elétrons e um substrato oxidado como o aceitador de elétrons. Na maioria dos casos, o aceitador de elétrons é um membro do complexo enzimático itsef. Uma vez que o complexo é reduzido, o complexo pode servir como um doador de elétrons para a próxima reação.

Como os complexos ETC transferem elétrons?

Como mencionado anteriormente, o ETC é composto de uma série de complexos de proteínas que sofrem uma série de reações vermelhas / boi ligadas. Esses complexos são, na verdade, complexos enzimáticos multiproteicos denominados oxidorredutases ou simplesmente, redutases. A única exceção a essa convenção de nomenclatura é o complexo terminal na respiração aeróbica que usa o oxigênio molecular como o aceitador de elétrons terminais. Esse complexo enzimático é conhecido como um oxidase. As reações vermelho / boi nesses complexos são normalmente realizadas por uma porção não proteica chamada de grupo protético. Os grupos protéticos estão diretamente envolvidos nas reações vermelho / boi sendo catalisadas por suas oxidorredutases associadas. Em geral, esses grupos protéticos podem ser divididos em dois tipos gerais: aqueles que carregam elétrons e prótons e aqueles que carregam apenas elétrons.

Observação

Esse uso de grupos protéticos por membros da ETC é verdadeiro para todos os portadores de elétrons, com exceção das quinonas, que são uma classe de lipídios que podem ser diretamente reduzidos ou oxidados pelas oxidorredutases. Tanto o quinone(vermelho) e o quinone(boi) as formas desses lipídios são solúveis dentro da membrana e podem passar de um complexo para outro complexo para elétrons transportadores.

Os portadores de elétrons e prótons

  • Flavoproteínas (Fp), essas proteínas contêm um grupo protético orgânico chamado de flavina, que é a porção real que sofre a reação de oxidação / redução. FADH2 é um exemplo de um Fp.
  • Quinones são uma família de lipídios, o que significa que são solúveis dentro da membrana.
  • Também deve ser observado que NADH e NADPH são considerados elétrons (2e-) e próton (2 H+) operadoras.

Portadores de elétrons

  • Citocromos são proteínas que contêm um grupo protético heme. O heme é capaz de carregar um único elétron.
  • Proteínas ferro-enxofre contêm um aglomerado de ferro-enxofre não heme que pode carregar um elétron. O grupo protético é frequentemente abreviado como Fe-S

Respiração aeróbica versus anaeróbica

Nós, humanos, usamos oxigênio como o aceitador de elétron terminal para os ETCs em nossas células. Este também é o caso de muitos dos organismos com os quais interagimos intencionalmente e frequentemente (por exemplo, nossos colegas de classe, animais de estimação, animais alimentícios, etc.). Respiramos oxigênio; nossas células o pegam e transportam para a mitocôndria, onde é usado como o aceptor final de elétrons de nossas cadeias de transporte de elétrons. Esse processo - porque o oxigênio é usado como o aceitador de elétrons terminal - é chamado respiração aeróbica.

Embora possamos usar o oxigênio como o aceptor terminal de elétrons para nossas cadeias respiratórias, este não é o único modo de respiração no planeta. Na verdade, os processos mais gerais de respiração evoluíram em uma época em que o oxigênio não era o principal componente da atmosfera. Como consequência, muitos organismos podem usar uma variedade de compostos, incluindo nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), mesmo ferro (Fe3+) como aceitadores de elétrons terminais. Quando o oxigênio é NÃO o receptor de elétrons do terminal, o processo é referido como respiração anaeróbica. Portanto, a respiração ou a fosforilação oxidativa não requerem oxigênio de forma alguma; simplesmente requer um composto com um potencial de redução alto o suficiente para atuar como um aceitador de elétrons terminal, aceitando elétrons de um dos complexos dentro do ETC.

A capacidade de alguns organismos de variar seu aceptor terminal de elétrons fornece flexibilidade metabólica e pode garantir uma melhor sobrevivência se qualquer aceptor terminal tiver um suprimento limitado. Pense nisso: na ausência de oxigênio, morremos; mas outros organismos podem usar um aceitador terminal de elétrons diferente quando as condições mudam para sobreviver.

Um exemplo genérico: um ETC simples de dois complexos

A figura abaixo mostra uma cadeia de transporte de elétrons genérica, composta de dois complexos de membrana integral; Complexo I(boi) e Complexo II(boi). Um doador de elétrons reduzido, designado DH (como NADH ou FADH2) reduz o Complexo I(boi), dando origem à forma D oxidada (como NAD+ ou FAD+) Simultaneamente, um grupo protético dentro do Complexo I agora é reduzido (aceita os elétrons). Neste exemplo, a reação vermelho / ox é exergônica e a diferença de energia livre é acoplada pelas enzimas no Complexo I à translocação endergônica de um próton de um lado da membrana para o outro. O resultado líquido é que uma superfície da membrana torna-se mais carregada negativamente, devido a um excesso de íons hidroxila (OH-), e o outro lado fica carregado positivamente devido a um aumento nos prótons no outro lado. Complexo I(vermelho) agora pode reduzir um portador de elétron móvel Q, que irá então se mover através da membrana e transferir o (s) elétron (s) para o grupo protético do Complexo II(vermelho). Os elétrons passam do Complexo I para o Q e depois do Q para o Complexo II via reações termodinamicamente espontâneas de vermelho / boi, regenerando o Complexo I(boi), que pode repetir o processo anterior. Complexo II(vermelho) em seguida, reduz A, o receptor de elétrons do terminal para regenerar o Complexo II(boi) e criar a forma reduzida do aceitador de elétrons terminal, AH. Neste exemplo específico, o Complexo II também pode translocar um próton durante o processo. Se A for oxigênio molecular, AH representa água e o processo seria considerado um modelo de ETC aeróbia. Por outro lado, se A for nitrato, NÃO3-, então AH representa NÃO2- (nitrito) e este seria um exemplo de uma ETC. anaeróbica.

Figura 1. Cadeia de transporte de elétrons complexo genérico 2. Na figura, DH é o doador de elétrons (doador reduzido) e D é o doador oxidado. A é o aceptor de elétrons terminal oxidado e AH é o produto final, a forma reduzida do aceptor. Como DH é oxidado a D, os prótons são translocados através da membrana, deixando um excesso de íons hidroxila (carregados negativamente) em um lado da membrana e prótons (carregados positivamente) no outro lado da membrana. A mesma reação ocorre no Complexo II quando o receptor de elétrons terminal é reduzido a AH.

Atribuição: Marc T. Facciotti (trabalho original)

Exercício 1

Questão de pensamento

Com base na figura acima, use uma torre de elétrons para descobrir a diferença no potencial elétrico se (a) DH for NADH e A for O2, e (b) DH é NADH e A é NO3-. Quais pares de doadores de elétrons e aceitadores de elétrons terminais (a) ou (b) "extraem" a maior quantidade de energia livre?

Visão detalhada da respiração aeróbica

A mitocôndria eucariótica desenvolveu uma ETC muito eficiente. Existem quatro complexos compostos por proteínas, marcados de I a IV, representados na figura abaixo. A agregação desses quatro complexos, junto com os portadores de elétrons acessórios e móveis associados, é também chamada de cadeia de transporte de elétrons. Este tipo de cadeia de transporte de elétrons está presente em múltiplas cópias na membrana mitocondrial interna dos eucariotos.

Figura 2. A cadeia de transporte de elétrons é uma série de transportadores de elétrons embutidos na membrana mitocondrial interna que transporta elétrons do NADH e FADH2 ao oxigênio molecular. No processo, os prótons são bombeados da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar e o oxigênio é reduzido para formar água.

Complexo I

Para começar, dois elétrons são transportados para o primeiro complexo de proteínas a bordo do NADH. Este complexo, marcado com I na Figura 2, inclui mononucleotídeo de flavina (FMN) e proteínas contendo ferro-enxofre (Fe-S). FMN, que é derivado da vitamina B2, também chamada de riboflavina, é um dos vários grupos protéticos ou cofatores na cadeia de transporte de elétrons. Os grupos protéticos são moléculas não peptídicas orgânicas ou inorgânicas ligadas a uma proteína que facilitam sua função; grupos protéticos incluem coenzimas, que são os grupos protéticos de enzimas. A enzima no Complexo I também é chamada de NADH desidrogenase e é uma proteína muito grande contendo 45 cadeias polipeptídicas individuais. O complexo I pode bombear quatro íons de hidrogênio através da membrana da matriz para o espaço intermembrana, ajudando assim a gerar e manter um gradiente de íons de hidrogênio entre os dois compartimentos separados pela membrana mitocondrial interna.

Q e Complexo II

Complexo II recebe FADH diretamente2, que não passa pelo Complexo I. O composto que conecta o primeiro e o segundo complexos ao terceiro é a ubiquinona (Q). A molécula Q é lipossolúvel e se move livremente através do núcleo hidrofóbico da membrana. Uma vez que é reduzido, (QH2), a ubiquinona entrega seus elétrons ao próximo complexo na cadeia de transporte de elétrons. Q recebe os elétrons derivados do NADH do Complexo I e os elétrons derivados do FADH2 do Complexo II, succinato desidrogenase. Uma vez que esses elétrons desviam e, portanto, não energizam a bomba de prótons no primeiro complexo, menos moléculas de ATP são feitas a partir do FADH2 elétrons. Como veremos na seção seguinte, o número de moléculas de ATP finalmente obtidas é diretamente proporcional ao número de prótons bombeados através da membrana mitocondrial interna.

Complexo III

O terceiro complexo é composto por citocromo b, outra proteína Fe-S, centro Rieske (centro 2Fe-2S) e proteínas citocromo c; este complexo também é denominado citocromo oxidoredutase. As proteínas do citocromo têm um grupo protético de heme. A molécula heme é semelhante ao heme na hemoglobina, mas carrega elétrons, não oxigênio. Como resultado, o íon de ferro em seu núcleo é reduzido e oxidado à medida que passa os elétrons, flutuando entre diferentes estados de oxidação: Fe2+ (reduzido) e Fe3+ (oxidado). As moléculas de heme nos citocromos têm características ligeiramente diferentes devido aos efeitos das diferentes proteínas que as ligam, dando características ligeiramente diferentes a cada complexo. O complexo III bombeia prótons através da membrana e passa seus elétrons para o citocromo c para o transporte para o quarto complexo de proteínas e enzimas (o citocromo c é o aceitador de elétrons de Q; no entanto, enquanto Q carrega pares de elétrons, o citocromo c pode aceitar apenas um de uma vez).

Complexo IV

O quarto complexo é composto pelas proteínas c, a e a3 do citocromo. Este complexo contém dois grupos heme (um em cada um dos dois citocromos, a, e a3) e três íons de cobre (um par de CuA e um CuB no citocromo a3). Os citocromos mantêm uma molécula de oxigênio muito firme entre os íons de ferro e cobre até que o oxigênio seja completamente reduzido. O oxigênio reduzido então pega dois íons de hidrogênio do meio circundante para fazer água (H2O). A remoção dos íons de hidrogênio do sistema contribui para o gradiente de íons usado no processo de quimiosmose.

Quimiosmose

No quimiosmose, a energia livre da série de reações vermelho / boi que acabamos de descrever é usada para bombear prótons através da membrana. A distribuição desigual de H+ íons através da membrana estabelecem concentração e gradientes elétricos (portanto, um gradiente eletroquímico), devido à carga positiva do próton e sua agregação em um lado da membrana.

Se a membrana fosse aberta para difusão por prótons, os íons tenderiam a se difundir de volta para a matriz, impulsionados por seu gradiente eletroquímico. Os íons, entretanto, não podem se difundir através das regiões apolares das membranas fosfolipídicas sem o auxílio de canais iônicos. Da mesma forma, os prótons no espaço intermembranar só podem atravessar a membrana mitocondrial interna através de uma proteína de membrana integral chamada ATP sintase (ilustrada abaixo). Essa proteína complexa atua como um minúsculo gerador, acionado pela transferência de energia mediada por prótons que se movem em seu gradiente eletroquímico. O movimento dessa máquina molecular (enzima) serve para diminuir a energia de ativação da reação e acopla a transferência exergônica de energia associada ao movimento dos prótons em seu gradiente eletroquímico para a adição endergônica de um fosfato ao ADP, formando ATP.

Figura 3. A ATP sintase é uma máquina molecular complexa que usa um próton (H+) gradiente para formar ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi).

Crédito: modificação da obra de Klaus Hoffmeier

Nota: possível discussão

Dinitrofenol (DNP) é um pequeno produto químico que serve para desacoplar o fluxo de prótons através da membrana mitocondrial interna para a ATP sintase e, assim, a síntese de ATP. O DNP faz com que a membrana vaze para os prótons. Foi usado até 1938 como medicamento para perder peso. Que efeito você esperaria que o DNP tivesse na diferença de pH em ambos os lados da membrana mitocondrial interna? Por que você acha que esta pode ser uma droga eficaz para perder peso? Por que pode ser perigoso?

Em células saudáveis, a quimiosmose (ilustrada abaixo) é usada para gerar 90 por cento do ATP produzido durante o catabolismo aeróbio da glicose; é também o método usado nas reações de luz da fotossíntese para aproveitar a energia da luz solar no processo de fotofosforilação. Lembre-se de que a produção de ATP por meio do processo de quimiosmose nas mitocôndrias é chamada de fosforilação oxidativa e que um processo semelhante pode ocorrer nas membranas das células bacterianas e arqueadas. O resultado geral dessas reações é a produção de ATP a partir da energia dos elétrons removidos originalmente de uma molécula orgânica reduzida como a glicose. No exemplo aeróbico, esses elétrons reduzem o oxigênio e, portanto, criam água.

Figura 4. Na fosforilação oxidativa, o gradiente de pH formado pela cadeia de transporte de elétrons é usado pela ATP sintase para formar ATP em bactérias Gram.

Link útil: Como o ATP é feito a partir da ATP sintase

Nota: possível discussão

O cianeto inibe a citocromo c oxidase, um componente da cadeia de transporte de elétrons. Se ocorrer envenenamento por cianeto, você esperaria que o pH do espaço intermembrana aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?

Cadeias de transporte de elétrons

Um cadeia de transporte de elétrons, ou ETC, é composto por um grupo de complexos de proteínas dentro e ao redor de uma membrana que ajudam a acoplar energeticamente uma série de reações exergônicas / espontâneas vermelho / boi ao bombeamento endergônico de prótons através da membrana para gerar um gradiente eletroquímico. Este gradiente eletroquímico cria um potencial de energia livre que é denominado um força motriz de prótons cujo fluxo exergônico energeticamente "descendente" pode mais tarde ser acoplado a uma variedade de processos celulares.

Visão geral da ETC

Etapa 1: os elétrons entram no ETC de um doador de elétrons, como NADH ou FADH2, que são gerados durante uma variedade de reações catabólicas, incluindo aquelas associadas à oxidação da glicose. O resultado final é que, dependendo do doador e aceitador de elétrons que o organismo usa, pouca ou muita energia pode ser transferida e usada pela célula por elétrons doados à cadeia de transporte de elétrons.

Quais são os complexos da ETC?

ETCs são constituídos por uma série (pelo menos uma) de proteínas vermelhas / ox associadas à membrana ou (algumas são integrais) complexos de proteínas (complexo = mais de uma proteína organizada em uma estrutura quaternária) que movem elétrons de uma fonte doadora, como como NADH, a um aceptor de elétrons terminal final, como o oxigênio. Uma vez que o complexo é reduzido, o complexo pode servir como um doador de elétrons para a próxima reação.

Como os complexos ETC transferem elétrons?

Como mencionado anteriormente, o ETC é composto de uma série de complexos de proteínas que sofrem uma série de reações vermelhas / boi ligadas. Tanto o quinone(vermelho) e o quinone(boi) as formas desses lipídios são solúveis dentro da membrana e podem passar de complexos a complexos para elétrons transportadores.

Os portadores de elétrons e prótons

  • Flavoproteínas (Fp), essas proteínas contêm um grupo protético orgânico chamado de flavina, que é a porção real que sofre a reação de oxidação / redução. FADH2 é um exemplo de um Fp.
  • Quinones são uma família de lipídios, o que significa que são solúveis dentro da membrana.
  • Também deve ser observado que NADH e NADPH são considerados elétrons (2e-) e próton (2 H+) operadoras.

Portadores de elétrons

  • Citocromos são proteínas que contêm um grupo protético heme. O grupo protético é frequentemente abreviado como Fe-S

Respiração aeróbica versus anaeróbica

Nós, humanos, usamos oxigênio como o aceitador de elétron terminal para os ETCs em nossas células. Como consequência, muitos organismos podem usar uma variedade de compostos, incluindo nitrato (NO3-), nitrito (NO2-), mesmo ferro (Fe3+) como aceitadores de elétrons terminais. Pense nisso: na ausência de oxigênio, morremos; mas outros organismos podem usar um aceitador terminal de elétrons diferente quando as condições mudam para sobreviver.

Um exemplo genérico: um ETC simples de dois complexos

A figura abaixo mostra uma cadeia de transporte de elétrons genérica, composta de dois complexos de membrana integral; Complexo I(boi) e Complexo II(boi). Neste exemplo específico, o Complexo II também pode translocar um próton durante o processo. Quais pares de doadores de elétrons e aceitadores de elétrons terminais (a) ou (b) "extraem" a maior quantidade de energia livre?

Visão detalhada da respiração aeróbica

A mitocôndria eucariótica desenvolveu uma ETC muito eficiente. No processo, os prótons são bombeados da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar e o oxigênio é reduzido para formar água.

Complexo I

Para começar, dois elétrons são transportados para o primeiro complexo de proteínas a bordo do NADH. O complexo I pode bombear quatro íons de hidrogênio através da membrana da matriz para o espaço intermembrana, ajudando assim a gerar e manter um gradiente de íons de hidrogênio entre os dois compartimentos separados pela membrana mitocondrial interna.

Q e Complexo II

Complexo II recebe FADH diretamente2, que não passa pelo Complexo I. Como veremos na seção seguinte, o número de moléculas de ATP finalmente obtidas é diretamente proporcional ao número de prótons bombeados através da membrana mitocondrial interna.

Complexo III

O terceiro complexo é composto por citocromo b, outra proteína Fe-S, centro Rieske (centro 2Fe-2S) e proteínas citocromo c; este complexo também é denominado citocromo oxidoredutase. O complexo III bombeia prótons através da membrana e passa seus elétrons para o citocromo c para o transporte para o quarto complexo de proteínas e enzimas (o citocromo c é o aceitador de elétrons de Q; no entanto, enquanto Q carrega pares de elétrons, o citocromo c pode aceitar apenas um de uma vez).

Complexo IV

O quarto complexo é composto pelas proteínas c, a e a3 do citocromo. A remoção dos íons de hidrogênio do sistema contribui para o gradiente de íons usado no processo de quimiosmose.

Quimiosmose

No quimiosmose, a energia livre da série de reações vermelho / boi que acabamos de descrever é usada para bombear prótons através da membrana. Se ocorrer envenenamento por cianeto, você esperaria que o pH do espaço intermembrana aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?

Uma hipótese de como a ETC pode ter evoluído

Uma ligação proposta entre SLP / fermentação e a evolução dos ETCs:

Em uma discussão anterior sobre o metabolismo energético, exploramos a fosforilação no nível do substrato (SLP) e as reações de fermentação. Enquanto SLP e fermentação juntos são maneiras perfeitamente boas de coletar energia, um dos subprodutos dessas reações é a acidificação da célula. Pensa-se que as células precisavam, portanto, de coevoluir mecanismos que ajudassem a remover os prótons acumulados do SLP e a fermentação do citosol (interior da célula). Uma solução para o "problema do próton" pode ter sido a evolução do F0F1-ATPase, uma enzima com várias subunidades que transloca prótons de dentro para fora da célula por meio da hidrólise do ATP (veja a figura abaixo). Esse arranjo funciona desde que pequenas moléculas orgânicas reduzidas sejam abundantes e disponíveis gratuitamente e que ATP suficiente possa ser feito por meio de SLP para "abastecer" o negócio da célula e também exportar os prótons que se acumulam. However, as these biological processes continue, the small reduced organic molecules will likely be used up and their concentration will decrease. The resulting scarcity of fuel, therefore, puts a demand on cells to find alternative mechanisms to harness energy and/or to become more efficient.

In the scheme proposed above, one potential source of "wasted ATP" is its use in the removal of protons from the cell's cytosol; organisms that could find other mechanisms to expel accumulating protons while still preserving ATP could have a selective advantage. It is hypothesized that this selective evolutionary pressure potentially led to the evolution of the first membrane-bound proteins that used red/ox reactions as their energy source (depicted in second picture) to pump out the accumulating protons. Enzymes and enzyme complexes with these properties exist today in the form of the electron transport complexes like Complex I, the NADH dehydrogenase.

Figura 1. Proposed evolution of an ATP dependent proton translocator

Figura 2. As small reduced organic molecules become limited, organisms that can find alternative mechanisms to remove protons from the cytosol may have an advantage. The evolution of a proton translocator that uses red/ox reactions rather than ATP hydrolysis could substitute for the ATPase.

Continuing with this line of logic, if organisms evolved that could now use red/ox reactions to translocate protons across the membrane they would create an electrochemical gradient, separating both charge (positive on the outside and negative on the inside; creating an electrical potential) and pH (low pH outside, higher pH inside). With excess protons on the outside of the cell membrane, and the F0F1-ATPase no longer consuming ATP to translocate protons, it is hypothesized that the electrochemical gradient could then be used to power the F0F1-ATPase "backwards" — that is, to form or produce ATP by using the energy in the charge/pH gradients set up by the red/ox pumps (as depicted below). This arrangement is called an cadeia de transporte de elétrons (ETC).

Figura 3. The evolution of the ETC; the combination of the red/ox driven proton translocators coupled to the production of ATP by the F0F1-ATPase.

NoTE: Extended reading on the evolution of electron transport chains

If you're interested in the story of the evolution of electron transport chains, check out this more in-depth discussion of the topic at NCBI.


Assista o vídeo: English. Degree of Comparison. Live @ 8:00 PM on 13th March 2021 (Novembro 2021).