Bioquímica Básica
11 Cadeia de Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa
11.1 Oxidação de coenzimas e síntese de ATP
Os processos de oxidação de glicose, ácidos graxos e aminoácidos levam à produção de acetil-CoA que, no ciclo de Krebs, é totalmente oxidada a CO . O ciclo de Krebs constitui, portanto, o estágio final e 2
máximo de oxidação dos átomos de carbono que compõem carboidratos, lipídios e proteínas. A oxidação destes compostos é acompanhada da redução de grande quantidade das coenzimas NAD+ e FAD.
Para exemplificar, está apresentado a seguir o cômputo do número de mols destas coenzimas que são reduzidas na oxidação total de um mol de glicose:
Etapa/Reação Mols de NADH Mols de FADH2
Glicólise
Gliceraldeído 3-fosfato → 1,3-Bisfosfoglicerato 2 —
Piruvato → Acetil-CoA 2 —
Ciclo de Krebs
Isocitrato → α-Cetoglutarato 2 —
α-Cetoglutarato → Succinil-CoA 2 —
Succinato → Fumarato — 2
Malato → Oxaloacetato 2 —
Total 10 2
Concomitantemente, há produção de 4 mols de ATP: 2 mols de saldo da glicólise e 2 mols produzidos no ciclo de Krebs (como ATP ou GTP). Do ponto de vista energético, verifica-se que, da energia total disponível na molécula de glicose, uma fração muito pequena leva à produção de ATP; a maior parte é conservada nas coenzimas reduzidas. Este fenômeno repete-se na oxidação de lipídios e aminoácidos: ao longo das reações de sua degradação, pouco ATP é sintetizado e muitas coenzimas são reduzidas.
As coenzimas reduzidas devem ser reoxidadas por duas razões. Primeiramente, para que, voltando à forma oxidada, possam participar outra vez das vias de degradação dos nutrientes. Em segundo lugar, é a partir da oxidação destas coenzimas que a energia nelas conservada pode ser empregada pelas células para sintetizar ATP.
As células aeróbias produzem a maior parte do seu ATP por oxidação das coenzimas pelo oxigênio (a chamada “respiração celular”), efetuada por uma cadeia de transporte de elétrons, também denominada de cadeia respiratória, à qual está intimamente associada a síntese de ATP. Esta síntese consiste na fosforilação do ADP (ADP + P → ATP) e, por utilizar a i energia derivada da oxidação das coenzimas, é denominada fosforilação oxidativa.
A oxidação de coenzimas libera grande quantidade de energia
Nos organismos aeróbios a oxidação das coenzimas é feita por transferência de seus elétrons para o oxigênio; recebendo elétrons, o oxigênio liga-se a prótons do meio, formando água. Este processo libera grande quantidade de energia, em virtude da diferença entre os potenciais de redução da coenzima reduzida e do oxigênio, como será visto pelo cálculo a seguir. O potencial de redução de NAD+/NADH é igual a – 0,32 V e o potencial de O2/H2O, é +0,82 V. Usando a expressão pode-se calcular o valor de ΔGo′ para a transferência de 2 elétrons do NADH para o oxigênio:
ΔG°′ = – 2 × 96,5 × [0,82 – (– 0,32)] ΔG°′ = – 220 kJ · mol–1
O valor encontrado é bastante alto quando comparado ao valor de ΔGo′ da síntese de ATP, 31 kJ · mol–1. Em outras palavras, do ponto de vista meramente quantitativo, a energia liberada na oxidação de um mol de NADH permite a produção de cerca de sete mols de ATP, em condições padrão. A questão fundamental, entretanto, é: como utilizar esta energia para sintetizar ATP? Se a transferência de elétrons das coenzimas reduzidas fosse feita diretamente para o oxigênio, toda a energia do processo seria liberada como calor, inutilizável pelas células para promover os processos que requerem energia.
A estratégia adotada pelas células consiste em:
1. transferir os elétrons das coenzimas para o oxigênio, não
diretamente, mas em etapas;
2. transformar a energia contida nas coenzimas reduzidas em um
gradiente de prótons que é utilizado para sintetizar ATP.
A formação do gradiente de prótons é acoplada às passagens intermediárias dos elétrons por vários compostos, que constituem uma cadeia de transporte de elétrons. Para cumprir esta função, os compostos que formam a cadeia são organizados em membranas, de acordo com seus potenciais de redução: os elétrons partem da coenzima reduzida, que tem potencial de redução menor que os componentes da cadeia, e percorrem uma sequência de transportadores com potenciais de redução crescentes, até atingirem o oxigênio, que tem o maior potencial de redução. As transferências de elétrons entre estes compostos são sempre acompanhadas de queda de energia livre (ver equação anterior).
O transporte de elétrons é facilitado pelo fato de tais compostos estarem organizados em membranas, com posições definidas, de modo a situar cada componente entre aquele que lhe fornecerá elétrons e aquele ao qual seus elétrons serão doados. Ao mesmo tempo em que as passagens de elétrons se processam, forma-se um gradiente de prótons, ou seja, estabelece-se uma concentração de prótons diferente de cada lado da membrana onde ocorre o transporte de elétrons — os componentes da cadeia de transporte de elétrons atuam como bombas de prótons. É o aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de prótons que torna possível a síntese de ATP.