11.2 Cadeia de transporte de elétrons mitocondrial

A maioria dos transportadores de elétrons estão agrupados em 4 complexos

enzimáticos

A oxidação das coenzimas reduzidas processa-se na membrana interna da mitocôndria, da qual fazem parte os componentes da cadeia de transporte de elétrons. A maior parte destes componentes se organiza em quatro complexos enzimáticos, designados I, II, III e IV, que atravessam a membrana interna. Cada complexo enzimático é constituído por diversas subunidades proteicas associadas a grupos prostéticos diferentes, como FMN, FAD, centros ferro-enxofre e grupos heme, ou a íons de cobre. Sem fazer parte de complexos, aparecem ainda dois componentes móveis da cadeia de transporte de elétrons: a coenzima Q (CoQ), que conecta os Complexos I e II ao Complexo III, e o citocromo c, que conecta o Complexo III ao Complexo IV. Estes componentes organizam-se em ordem

crescente de potenciais de redução (Tabela 11.1).

A disposição dos transportadores de elétrons na membrana interna da

mitocôndria está esquematizada na Figura 11.1. Dois elétrons do NADH são transferidos para o Complexo I, do Complexo I para CoQ, depois para o Complexo III, citocromo c, Complexo IV e finalmente para o oxigênio. Elétrons presentes no succinato e em outros substratos têm uma entrada especial na cadeia de transporte de elétrons: são transferidos ao Complexo II e em seguida para CoQ; desta etapa em diante, seguem o caminho comum: Complexo III, citocromo c, Complexo IV e oxigênio.

 

Tabela 11.1 Potenciais de redução padrão (Eo9) dos componentes da cadeia de

transporte de elétrons.

Par oxidado/reduzido o E9 (volts)

NAD+/NADH – 0,32

Complexo I FMN/FMNH2 – 0,30

Centros Fe-S ox/red1 – 0,38 a – 0,27

Fumarato/Succinato + 0,03

Complexo II FAD/FADH2 – 0,04

Centros Fe-S ox/red – 0,03 a 10,06

Citocromo b ox/red – 0,08

CoQ/CoQH2 + 0,05

Complexo III 2 Heme b – 0,03 566ox/red

Heme b 562ox/red + 0,03

Centros Fe-S ox/red + 0,28

Citocromo c 1ox/red + 0,22

Citocromoc ox/red + 0,24

Complexo IV Citocromo a ox/red + 0,29

Cu2+ 1+ /Cu + 0,34

Citocromo a 3ox/red + 0,55

O2/H2O + 0,82

1 +3 +2 As formas oxidada e reduzida dos centros Fe-S e citocromos contêm Fe e Fe, respectivamente.

2O citocromo b contém dois grupos heme, b e b , também chamados de b e b , devido ao 566 562 L H valor baixo (Low) e alto (High), respectivamente, de seus potenciais de redução.

As transferências são possíveis porque todos os compostos presentes nos complexos, mais a CoQ e o citocromo c, podem apresentar-se nos estados reduzido e oxidado — ao receberem um elétron do componente anterior da cadeia, reduzem-se; transferindo o elétron para o componente seguinte, oxidam-se e estão aptos a receber elétrons novamente.

A seguir será apresentada a natureza química dos grupos prostéticos e, mais adiante, a sua organização nos complexos I a IV. A estrutura tridimensional com grau de resolução atômica dos Complexos I, II, III e IV já foi descrita.

 

Os grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de oxidação-redução

As reações de oxidação-redução são efetivamente cumpridas pelos grupos prostéticos dos complexos enzimáticos e pelos transportadores móveis que constituem a cadeia respiratória.

 

Figura 11.1 Disposição dos Complexos I, II, III e IV, transportadores de elétrons, na membrana interna da mitocôndria. As setas indicam a trajetória dos elétrons provenientes do NADH ou do succinato até o oxigênio. C = citocromo c; Q = coenzima Q.

 

A flavina mononucleotídio (FMN), um grupo prostético do Complexo I, é um derivado da vitamina riboflavina, com estrutura semelhante à do FAD

(Seção 9.1), e, como este, capaz de receber 2 prótons e 2 elétrons, passando à forma totalmente reduzida, FMNH . A redução de FMN ocorre em duas 2

etapas (Figura 11.2): ao receber 1 próton e 1 elétron, converte-se em uma

semiquinona, um radical livre (Seção 11.2.1), que, ao reagir com mais 1 próton e 1 elétron, origina FMNH 2. As proteínas que contêm uma coenzima derivada da riboflavina (FAD ou FMN) são designadas flavoproteínas.

Figura 11.2 Estruturas da flavina mononucleotídio. A forma oxidada (FMN) reage com um próton e um elétron, convertendo-se na forma semiquinona (FMNH•); a incorporação de mais um próton e um elétron resulta na forma totalmente reduzida (FMNH ). 2

 

 

Os centros ferro-enxofre (centros Fe-S), cofatores dos Complexos I, II e III, são formados de íons de ferro e de enxofre, podendo apresentar diversas configurações: Fe-S, Fe 2-S2, Fe4-S4 etc. Estão associados à cadeia

polipeptídica por ligação covalente a resíduos de cisteína (Figura 11.3). As proteínas que contêm centros desta natureza são chamadas proteínas ferro-enxofre (ou proteínas com ferro não hêmico, para indicar que o íon de ferro não faz parte de um grupo heme). Os centros Fe-S não recebem prótons; são transportadores de elétrons unicamente, recebidos e doados pelo íon de ferro, que se alterna entre os estados de oxidação Fe3+ e Fe2+.

A ubiquinona ou coenzima Q (CoQ ou Q) representa uma família de quinonas que diferem pelo número de unidades isoprênicas presentes em sua cadeia lateral. A forma mais comum encontrada nos mamíferos apresenta 10 dessas unidades. As características hidrofóbicas da ubiquinona permitem sua mobilidade na fase lipídica da membrana, ao contrário dos outros componentes da cadeia de transporte de elétrons, que têm posições relativamente fixas na membrana mitocondrial, com exceção do citocromo c. A ubiquinona oxidada (Q) recebe 2 prótons e 2 elétrons, originando a forma reduzida, o ubiquinol (QH ). A redução, como no caso do FMN, 2 ocorre via uma forma intermediária, que é um radical livre, a

semiubiquinona, QH• (Figura 11.4).

Figura 11.3 Estrutura de um centro ferro-enxofre do tipo Fe-S . Os 4 4 átomos de ferro estão ligados a átomos de enxofre e a resíduos de cisteína da cadeia polipeptídica da proteína ferro-enxofre.

 

 

Figura 11.4 Formas da coenzima Q. A forma oxidada, ubiquinona (Q), origina a semiubiquinona (QH•) ao receber um próton e um elétron; a reação com mais um próton e um elétron produz a forma reduzida, ubiquinol (QH ). 2

 

Os citocromos são proteínas transportadoras de elétrons, que contêm

heme (Seção 3.2) como grupo prostético. Em células de eucariotos, proteínas deste tipo fazem parte da membrana interna da mitocôndria, das membranas do retículo endoplasmático e da membrana tilacoide dos cloroplastos; em bactérias, localizam-se na membrana plasmática. Em todas essas membranas ocorre transporte de elétrons. O íon de ferro presente no grupo heme é responsável pela capacidade de transferência de elétrons destas proteínas.

Os citocromos são classificados em a, b e c, segundo o espectro de absorção que apresentam — os três tipos estão representados na cadeia de transporte de elétrons. Os subtipos de citocromos são caracterizados por um índice que indica, em nanômetros, o pico de absorção máxima; dois exemplos são o citocromo b562 e o citocromo b566 do Complexo III. Os citocromos diferem também quanto aos radicais substituintes do grupo heme e quanto à forma de ligação do heme à cadeia polipeptídica. Esta ligação, nos tipos a e b, é não covalente e, no tipo c, é covalente (tioéter),

formada com resíduos de cisteína (Figura 11.5). Naturalmente, cada citocromo é constituído por uma cadeia polipeptídica com uma sequência de aminoácidos que lhe é própria.

 

Figura 11.5 Estrutura dos grupos prostéticos dos citocromos. Os citocromos dos tipos a, b e c apresentam o grupo heme caracterizado pelos substituintes X, Y, Z indicados na figura. Nos citocromos do tipo c, o grupo heme estabelece ligações tioéter com resíduos de cisteína da cadeia polipeptídica; nos outros dois tipos, a ligação é não covalente.

 

O citocromo c, ao contrário dos outros citocromos, que são proteínas

integradas (Seção 7.2), é uma proteína periférica, situada na face externa da membrana interna da mitocôndria, com a qual estabelece ligações fracas. É uma proteína relativamente pequena e seu tamanho e mobilidade permitem-lhe conectar o Complexo III, do qual recebe elétrons, ao Complexo IV, ao qual doa elétrons.

Os grupos prostéticos do Complexo IV compreendem dois grupos heme, do tipo a e a3, além de três íons de cobre, que se alternam entre os estados de oxidação Cu2+ e Cu1+.

 

O Complexo I oxida o NADH, reduz a coenzima Q e atua como uma bomba de

prótons

O Complexo I, também chamado NADH-ubiquinona oxirredutase

(Figura 11.6), é a primeira enzima da cadeia de transporte de elétrons de mitocôndrias da maioria dos eucariotos. Ela catalisa a transferência de dois elétrons do NADH à ubiquinona, acoplada à translocação de quatro prótons através da membrana interna da mitocôndria. Sua atuação responde por cerca de 40% da força próton-motriz gerada pela cadeia respiratória mitocondrial.

 

Figura 11.6 Transferências de elétrons no Complexo I. As setas vermelhas indicam o caminho que percorrem: são doados do NADH ao FMN e, deste, a centros Fe-S (apenas um está representado) para serem transferidos à coenzima Q. As setas verdes indicam movimentação de prótons, retirados da matriz (setas finas) ou bombeados para o espaço intermembranas (seta grossa).

 

É um dos maiores complexos de membrana conhecidos, com estrutura extremamente complexa, constando de 44 cadeias polipeptídicas em mitocôndrias de mamíferos. Ao microscópio eletrônico, apresenta forma de L — um braço fica imerso na membrana (domínio hidrofóbico) e o outro, periférico (domínio hidrofílico), projeta-se na matriz mitocondrial. Às cadeias polipeptídicas do domínio hidrofílico estão associados os centros redox: uma molécula de FMN e oito centros Fe-S, dispostos em uma longa sequência linear. O domínio transmembrana não contém centros redox e apresenta subunidades com estrutura homóloga à de translocases

antiportadoras de íons (Seção 7.4.1), que funcionariam como transportadoras de prótons; outros elementos estruturais do domínio hidrofóbico, incluindo uma hélice longa e flexível, estabelecem a conexão mecânica dos canais de prótons entre si e com o domínio hidrofílico, do qual ficam distantes. O sítio de ligação da ubiquinona encontra-se na interface entre os dois domínios.

A redução de FMN por elétrons doados por NADH constitui a primeira transferência de elétrons para a cadeia de transporte de elétrons:

 

NADH é produto de várias reações do metabolismo. Alguns exemplos são as reações de oxidação de:

 

— gliceraldeído 3-fosfato (glicólise, Seção 9.1);

— piruvato (Conversão piruvato → acetil-CoA, Seção 9.3);

— isocitrato, α-cetoglutarato e malato (ciclo de Krebs, Seção 10.1);

— β-hidroxiacil-CoA (ciclo de Lynen, Seção 16.2).

Todas estas reações são catalisadas por desidrogenases que utilizam NAD+ como coenzima.

O resultado da primeira reação catalisada pelo Complexo I é a oxidação do NADH e a entrada dos elétrons na membrana interna da mitocôndria, de onde só sairão para serem doados ao oxigênio, no final da cadeia. A redução de FMN implica a retirada de um próton da matriz.

Continuando seu percurso, os elétrons do FMNH2 são transferidos para os centros Fe-S e depois para a coenzima Q. Novamente, são consumidos

prótons da matriz para converter CoQ em CoQH2 (Figura 11.4).

Neste ponto, deve ser ressaltado um fenômeno essencial do transporte de elétrons, que é a movimentação concomitante de prótons, adicionais àqueles utilizados para a redução dos cofatores.

O Complexo I catalisa a primeira etapa da formação do gradiente de prótons: a transferência (exergônica) de elétrons do NADH à ubiquinona é acoplada à translocação (endergônica) de prótons através da membrana interna da mitocôndria para o espaço intermembranas. Admitindo-se que a estequiometria do processo seja de quatro prótons bombeados por dois elétrons transferidos (4H+/2e–), a reação catalisada pelo Complexo I pode ser resumida em:

NADH + H+ (matriz) + 4 H+ (matriz) + Q → NAD+ + 4 H+ (espaço

intermembranas) + QH2

 

O Complexo I atua como uma bomba de prótons, movida pelas reações redox que ocorrem nos seus centros de oxidação-redução. As hipóteses sobre como ocorre o acoplamento entre os dois processos estão analisadas

na Seção 11.3.

 

O Complexo II oxida o succinato, transferindo seus elétrons também para a

coenzima Q

O Complexo II, também denominado succinato desidrogenase, é uma

enzima peculiar porque participa do ciclo de Krebs (Seção 10.1) e faz parte da cadeia respiratória. Ela catalisa a oxidação de succinato a fumarato, com redução de FAD a FADH . A oxidação do FADH ocorre acoplada à 2 2 redução da coenzima Q e, por esta razão, a enzima é ainda chamada

succinato-ubiquinona oxirredutase. A succinato desidrogenase (Figura

11.7) representa um segundo ponto de entrada de elétrons na cadeia respiratória; a reação por ela catalisada é:

 

Succinato + CoQ → Fumarato + CoQH2

 

A succinato desidrogenase, em muitos organismos, é constituída por uma porção esférica, que se projeta para a matriz mitocondrial, unida a um pedúnculo, imerso na membrana. Em vertebrados, o domínio hidrofílico consta de uma flavoproteína (FAD), que contém o sítio de ligação ao succinato, e de uma proteína ferro-enxofre, com três centros Fe-S dispostos linearmente. A porção hidrofóbica é formada por duas subunidades transmembrana e um grupo prostético heme b. O sítio de ligação da coenzima Q localiza-se entre os dois domínios da enzima.

Os elétrons e os prótons do succinato são transferidos para o FAD, que se reduz a FADH 2; os elétrons do FADH2 são doados à série de centros Fe-S. Como os centros Fe-S não recebem prótons, os prótons presentes no FADH2 são devolvidos à matriz mitocondrial. Os elétrons são finalmente recebidos por CoQ, que se liga a prótons da matriz e é reduzida a CoQH2

(Figura 11.4). A participação do heme b nas reações redox permanece controversa.

Como não há translocação de prótons através da membrana interna durante as transferências de elétrons no Complexo II, ele não contribui para a formação do gradiente de prótons.

Figura 11.7 A succinato desidrogenase (Complexo II), que também participa do ciclo de Krebs, catalisa a oxidação do succinato por transferência dos elétrons (setas vermelhas) ao grupo prostético, FAD; a seguir são captados por centros Fe-S (a figura mostra um dos centros) e passados para a coenzima Q. O Complexo II não catalisa a extrusão de prótons.

 

A coenzima Q constitui um ponto de convergência de elétrons

A coenzima Q recebe os elétrons provenientes dos complexos I e II.

Existem outras vias de transferência de elétrons para a CoQ (Figura 11.8). Em todas estas vias, o substrato é oxidado por uma desidrogenase (uma flavoproteína), com redução de FAD a FADH 2; os elétrons, depois de passarem por compostos intermediários, são entregues à CoQ.

Exemplos deste tipo de substrato são encontrados no metabolismo de

triacilgliceróis (Seção 16.1). Um deles, o glicerol 3-fosfato, origina di-hidroxiacetona fosfato, por ação da glicerol 3-fosfato desidrogenase, localizada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso, os elétrons do substrato passam diretamente do FAD para a coenzima Q. Outra via que reduz CoQ inicia-se com a oxidação de acil-CoA (primeira

reação da β-oxidação de ácidos graxos — Seção 16.2), catalisada pela acil-CoA desidrogenase, cuja coenzima, FAD, é reduzida. Os elétrons do FADH2 são transferidos pela ETF (da denominação inglesa para flavoproteína transferidora de elétrons) para outra flavoproteína, que também contém um centro Fe-S, a ETF-ubiquinona oxirredutase, que, finalmente, doa o par de elétrons para CoQ.

Os elétrons das diferentes procedências descritas percorrem, a partir da coenzima Q, um caminho comum até o oxigênio.

 

Figura 11.8 A coenzima Q é o ponto de convergência dos elétrons provenientes do NADH (via Complexo I), do succinato (via Complexo II), do glicerol 3-fosfato e de acil-CoA. ETF: flavoproteína transferidora de elétrons.

 

O Complexo III transfere elétrons da coenzima Q para o citocromo c e bombeia

prótons

O Complexo III, ou citocromo bc 1 ou ubiquinona-citocromo c oxirredutase, catalisa a transferência de elétrons da ubiquinona ao

citocromo c (Figura 11.1), acompanhada de movimentação de prótons. A enzima de mitocôndrias de mamíferos é formada pela associação de dois monômeros, cada um com 11 subunidades. Três das subunidades participam diretamente das reações redox: um citocromo b, com os grupos heme b (ou L b 566) e heme bH (ou b562), uma proteína Fe-S e o citocromo c1. O citocromo b inclui, ainda, dois sítios para ligação da ubiquinona, descritos a seguir.

O acoplamento do transporte de elétrons à translocação de prótons pelo

Complexo III é explicado pelo chamado ciclo Q (Figura 11.9). Este esquema baseia-se em um fenômeno inusitado, que é a separação dos elétrons de um composto ao ser oxidado. Na reação de oxidação de QH 2, seus elétrons seguem um caminho bifurcado: um elétron é transferido à proteína Fe-S e o outro, ao citocromo b. Como o centro Fe-S e o citocromo b recebem apenas elétrons, quando QH2 é oxidada, dois prótons são liberados no espaço intermembranas e quando Q é reduzida, são retirados da matriz.

A enzima apresenta dois sítios distintos para ligação da ubiquinona, incluídos no citocromo b: um próximo à superfície externa da membrana e outro no lado interno da membrana, razão pela qual são denominados sítio Q (de outside) e sítio Q (de inside). O heme b , de menor potencial de o i L redução, faz parte de Q o e o heme bH, com maior potencial de redução

(Tabela 11.1), compõe o sítio Q . i

Figura 11.9 Transporte de elétrons da coenzima Q para o citocromoc, catalisado pelo Complexo III: o ciclo Q. Os elétrons de QH são 2 transferidos, um de cada vez, em duas etapas. (a) Primeira etapa: QH 2 → QH•. (b) Segunda etapa: QH → Q e QH• → QH , o que equivale a QH• → 2 2 Q. As setas pontilhadas indicam os deslocamentos da forma Q: em (a), do sítio catalítico mais externo para o sítio mais interno e em (b), do interior do Complexo III para a bicamada lipídica. Dois prótons são consumidos da matriz e quatro, bombeados para o espaço intermembranas (setas verdes).

Para melhor entendimento, o ciclo Q pode ser desmembrado em duas etapas, correspondentes à oxidação consecutiva de duas moléculas de QH 2.

Na primeira etapa (Figura 11.9 a), QH 2, alojada no sítio Qo, perde um elétron que segue a rota QH2 → Fe-S → c1 → c e o H+ é liberado no espaço intermembranas. A semiubiquinona resultante (QH•) entrega o seu elétron ao heme b e, por extrusão do próton, converte-se na forma oxidada, Q, que L

migra para o sítio Qi (seta pontilhada). O elétron no heme bL percorre a molécula de citocromo b até o heme b e, em seguida, reduz Q, então no H sítio Qi. Q reage com um H+ da matriz, reconstituindo a semiubiquinona (QH•). Deste modo, a transferência de um dos elétrons de QH para o 2 citocromo c resulta na extrusão de 2 H+ e no consumo de um H+ da matriz para formar QH•, no sítio Qi.

Na segunda etapa (Figura 11.9 b), outra molécula de QH percorre a 2 mesma sequência de reações da primeira etapa, até a passagem do elétron para os heme b e formação de Q. Na presente etapa, porém, Q deixa o Complexo III e retorna à bicamada lipídica (seta pontilhada). O elétron do heme bH é doado para a semiubiquinona formada na etapa anterior (QH•), e, à custa de um H+ do interior da mitocôndria, regenera QH . A redução da 2 segunda molécula de citocromo c promove a extrusão de mais 2 H+, o consumo de outro H+ da matriz, a regeneração da molécula de QH 2 consumida e a produção da forma oxidada, Q, que se torna disponível para receber elétrons dos componentes da cadeia que a antecedem (Complexo I, II etc.).

O ciclo Q pode ser assim resumido:

 

Primeira etapa Segunda etapa

QH • • 2 → QH QH → Q

QH• → QH2

cit c (Fe3+) → cit c (Fe2+) cit c (Fe3+) → cit c (Fe2+)

1 H+ matriz |→ 2 H+ exterior 1 H+ matriz → 2 H+ exterior

1 H+ matriz → 2 H+ exterior

Deste modo, o Complexo III, ao oxidar a coenzima Q e reduzir o citocromo c, promove a retirada de dois prótons da matriz e o bombeamento de quatro prótons para o espaço intermembranas. Apesar de o ciclo Q ser um modelo amplamente aceito, restam ainda muitas dúvidas sobre o funcionamento do Complexo III.

 

O Complexo IV catalisa a redução do oxigênio a água, acoplada ao

bombeamento de prótons

O Complexo IV, ou citocromo c oxidase, é a última enzima das cadeias de transporte de elétrons encontradas desde bactérias até eucariotos. Ela catalisa a passagem de elétrons do citocromo c para o oxigênio, combinada à extrusão de prótons.

Em mitocôndrias, a enzima constitui um dímero, sendo cada monômero formado por 13 subunidades proteicas e pelos centros redox: dois grupos heme, do tipo a e a3, e três íons de cobre. Uma das subunidades inclui o sítio de ligação do citocromo c, além de dois íons de cobre, que se organizam em um centro binuclear, o centro Cu A/CuA. Em outra subunidade, encontram-se os dois grupos heme e o terceiro íon de cobre; este íon e o heme a3 são extremamente próximos e formam o centro a3-CuB, ao qual se liga o oxigênio.

Na superfície externa da membrana interna da mitocôndria, elétrons

provenientes do citocromo c ganham acesso ao Complexo IV (Figura

11.10) pelo centro Cu /Cu ; deste são transferidos para o heme a, para o A A

centro a 3-Cu Be ao oxigênio, que é reduzido a água.

A redução de uma molécula de O a duas moléculas de H O requer sua 2 2 associação a quatro elétrons e quatro prótons. A transferência de cada elétron para o oxigênio é acompanhada da migração de um próton desde a matriz até o centro a3-CuB da enzima para reduzir o oxigênio, e é acoplada à translocação de mais um próton da matriz através de toda a extensão da membrana. Em cada ciclo catalítico, 4 prótons são utilizados como substrato para a formação de água e 4 prótons são bombeados para o espaço intermembranas. Deste modo, o Complexo IV contribui para a formação do gradiente de prótons.

Figura 11.10 Caminho hipotético percorrido pelos elétrons no Complexo IV. Quatro elétrons provenientes do citocromo c são recebidos pelo centro Cu /Cu , em seguida transferidos para o heme a e depois para o centro a-A A 3 Cu B, onde, finalmente, seriam doados ao oxigênio. Este combina-se com prótons da matriz (seta verde fina), reduzindo-se a água. Ao transferir elétrons, o Complexo IV bombeia prótons para o espaço intermembranas (seta verde larga).

 

 

A reação catalisada pelo Complexo IV pode ser representada por:

 

4 cit c2+ + 4H+ (matriz) + O + 4H+ (matriz) → 4 cit c3+ + 2H O + 4H+ 2 2

(espaço intermembranas)

 

Os detalhes dos processos de redução do oxigênio e de translocação de prótons, além da configuração dos canais de prótons, não são conhecidos.

A utilização de oxigênio pelo Complexo IV responde por cerca de 95% de todo o oxigênio consumido pelo organismo humano. A produção de H 2O neste processo chega a 300 mL diários. Em determinadas espécies, esta produção de água é fundamental para a sobrevivência, como nos casos de animais que hibernam ou de camelos, que podem passar vários dias sem ingerir água. Durante a hibernação, os animais oxidam basicamente os seus depósitos de gordura. A oxidação de ácidos graxos, por gerar grandes