20.6 Regulação da cadeia de transporte de elétrons e da síntese de ATP — Controle respiratório

O complexoα-cetoglutarato desidrogenase constitui o terceiro sítio de controle, sendo inibido por succinil-CoA, NADH e ATP. O ciclo apresenta ainda controles secundários: a citrato sintase é inibida competitivamente por succinil-CoA, e a succinato desidrogenase, por oxaloacetato.

Não há regulações por modificação covalente descritas para o ciclo de Krebs. Nem mesmo a α-cetoglutarato desidrogenase, diferentemente da piruvato desidrogenase, tem sua atividade regulada por fosforilação/desfosforilação.

20.6 Regulação da cadeia de transporte de elétrons e da

síntese de ATP — Controle respiratório

O transporte de elétrons e a síntese de ATP mitocondriais são processos fortemente acoplados. Realmente, se a síntese de ATP é absolutamente dependente do fluxo de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons (“cadeia respiratória”), a recíproca também é verdadeira: a transferência de elétrons só ocorre enquanto houver síntese de ATP. O acoplamento é resultado do controle respiratório, exercido pela disponibilidade de ADP

(Seção 11.4). O ADP é o fator limitante porque a maior produção de ATP acarreta, forçosamente, diminuição da concentração de ADP. A síntese de ATP processa-se em velocidade paralela à sua utilização, sendo impedida sempre que o nível de ATP é compatível com a demanda. Vale lembrar que o conteúdo celular total de ATP é muito pequeno e sua utilização, ininterrupta e de intensidade muito variável. Um indivíduo adulto requer diariamente cerca de 2.000 vezes mais ATP do que seu organismo dispõe. Este dado enfatiza a obrigatoriedade da síntese contínua de ATP e o seu alto índice de renovação. Também explica o tempo diminuto em que uma célula aeróbia pode viver na ausência de oxigênio.

O controle respiratório tem um claro sentido de economia celular, como pode ser evidenciado pelas consequências de um eventual aumento da razão ATP/ADP. Por falta de ADP, a fosforilação oxidativa torna-se inoperante e a cadeia de transporte de elétrons também, devido ao acoplamento dos dois processos. Segue-se o acréscimo na concentração de NADH e FADH 2, que não podem mais ser oxidados pela cadeia de transporte de elétrons. As vias metabólicas degradativas que necessitam de NAD+e FAD, como o ciclo de Krebs, a oxidação de ácidos graxos etc., não podem prosseguir, ainda mais porque ATP e NADH passam a exercer seus efeitos de efetuadores alostéricos negativos em enzimas destas vias. Generalizando, a velocidade de produção de coenzimas reduzidas é função da velocidade de sua oxidação pela cadeia de transporte de elétrons, que depende da velocidade de síntese de ATP. O controle respiratório estabelece o ajuste perfeito da oxidação de substratos à necessidade celular de ATP, ou seja, a regulação do metabolismo energético.

Diversas evidências experimentais sugerem que a concentração de ADP não é o único fator determinante do controle respiratório em mitocôndrias de eucariotos. Postula-se a ocorrência de um segundo mecanismo de controle respiratório, assim denominado em contraposição ao primeiro mecanismo descrito, exercido pela disponibilidade de ADP. O segundo mecanismo do controle respiratório baseia-se na inibição alostérica da citocromo c oxidase (Complexo IV) por ATP. A inibição depende de intervenção hormonal: é abolida por ligação, à enzima, de hormônios tireoidianos, os principais reguladores da taxa metabólica basal em mamíferos, e acionada por fosforilação da enzima pela proteína quinase dependente de cAMP (PKA).

O primeiro mecanismo de controle respiratório opera em situações de valores elevados de potencial de membrana, quando as bombas de H+ (Complexos I, III e IV) são inibidas e a ATP sintase, ativada (sua atividade aumenta com o potencial elétrico). A enzima, estimulada também por ADP, transloca prótons para dentro da mitocôndria, determinando a redução do gradiente eletroquímico e a ativação das bombas de H+; o transporte de elétrons é, então, acelerado. O segundo mecanismo de controle respiratório atua quando o potencial de membrana é baixo e a razão ATP/ADP mitocondrial é alta. Sua função seria manter a força próton-motriz em valores relativamente baixos, o que é essencial para o desempenho adequado de atividades mitocondriais tais como: 1) a membrana interna da mitocôndria é impermeável a H+ apenas em condições de baixos potenciais de membrana, sendo que em valores altos, ocorre vazamento de prótons, resultando em desacoplamento da fosforilação oxidativa; 2) a formação de radicais livres aumenta com o gradiente eletroquímico. A supressão do segundo mecanismo por hormônios tireoidianos eleva o potencial de membrana, causando o desacoplamento parcial da fosforilação oxidativa e o aumento da taxa metabólica basal. A fosforilação, possibilitando a inibição alostérica da citocromo c oxidase por ATP, tem efeito oposto: otimiza a fosforilação oxidativa, por manter baixo o gradiente eletroquímico.

Além dos mecanismos de controle da velocidade da síntese de ATP e do transporte de elétrons, deve-se analisar a eficiência da fosforilação oxidativa e o grau de termogênese a ela subordinado. Esta regulação é particularmente importante em animais endotérmicos, que consomem uma parte considerável da energia produzida para a manutenção da temperatura corpórea. A eficiência da fosforilação oxidativa é definida pela razão P/O,

entre fosfato (P i) incorporado em ATP e oxigênio consumido (Seção

11.3.1). O desacoplamento da fosforilação oxidativa diminui a sua eficiência (reduz a razão P/O), levando à dissipação da força próton-motriz e ao aumento da termogênese. A atuação das proteínas desacopladoras

(UCPs) (Seção 11.5) regula a fosforilação oxidativa, por impedir a elevação do potencial de membrana e a consequente inibição da citocromo c oxidase (e da cadeia de transporte de elétrons) quando aumenta a quantidade de ATP sintetizado.

Outra causa de desacoplamento da fosforilação oxidativa, já mencionada, é o vazamento inespecífico de prótons através da membrana interna da mitocôndria, verificado quando o gradiente eletroquímico é alto. Finalmente, o funcionamento inadequado dos componentes intrínsecos da fosforilação oxidativa também resulta em desacoplamento. Na presença de força próton-motriz elevada, as bombas de H+ são menos eficazes, translocando menos prótons por elétron transferido, quer dizer, diminui a estequiometria H+/e–, resultando em uma menor relação P/O. Este fenômeno está mais bem comprovado no Complexo IV; acarreta os mesmo resultados que os demais processos desacopladores: promove a termogênese e reduz a produção de radicais livres.