4.3: Ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa

O ciclo do ácido cítrico

Nas células eucarióticas, as moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise são transportadas para as mitocôndrias, que são locais de respiração celular. Se houver oxigênio disponível, a respiração aeróbica avançará. Nas mitocôndrias, o piruvato será transformado em um grupo acetil de dois carbonos (removendo uma molécula de dióxido de carbono) que será captado por um composto transportador chamado coenzima A (CoA), que é feito de vitamina B ₅. O composto resultante é chamado de acetil CoA. (Figura\(\PageIndex{1}\)). O acetil CoA pode ser usado de várias maneiras pela célula, mas sua principal função é entregar o grupo acetil derivado do piruvato para a próxima via no catabolismo da glicose.

Figura\(\PageIndex{1}\): O piruvato é convertido em acetil-CoA antes de entrar no ciclo do ácido cítrico.

Assim como a conversão do piruvato em acetil CoA, o ciclo do ácido cítrico nas células eucarióticas ocorre na matriz das mitocôndrias. Ao contrário da glicólise, o ciclo do ácido cítrico é um ciclo fechado: a última parte da via regenera o composto usado na primeira etapa. As oito etapas do ciclo são uma série de reações químicas que produzem duas moléculas de dióxido de carbono, uma molécula de ATP (ou equivalente) e formas reduzidas (NADH e FADH ₂) de NAD ⁺ e FAD ⁺, coenzimas importantes na célula. Parte disso é considerada uma via aeróbica (que requer oxigênio) porque o NADH e o FADH ₂ produzidos devem transferir seus elétrons para a próxima via do sistema, que usará oxigênio. Se o oxigênio não estiver presente, essa transferência não ocorrerá.

Dois átomos de carbono entram no ciclo do ácido cítrico de cada grupo acetil. Duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas em cada curva do ciclo; no entanto, elas não contêm os mesmos átomos de carbono contribuídos pelo grupo acetil nessa curva da via. Os dois átomos de acetil-carbono serão eventualmente liberados em turnos posteriores do ciclo; dessa forma, todos os seis átomos de carbono da molécula de glicose original serão eventualmente liberados como dióxido de carbono. São necessárias duas voltas do ciclo para processar o equivalente a uma molécula de glicose. Cada volta do ciclo forma três moléculas de NADH de alta energia e uma molécula FADH ₂ de alta energia. Esses transportadores de alta energia se conectarão com a última porção da respiração aeróbica para produzir moléculas de ATP. Um ATP (ou equivalente) também é feito em cada ciclo. Vários dos compostos intermediários do ciclo do ácido cítrico podem ser usados na síntese de aminoácidos não essenciais; portanto, o ciclo é anabólico e catabólico.

Fosforilação oxidativa

Você acabou de ler sobre duas vias no catabolismo da glicose - a glicólise e o ciclo do ácido cítrico - que geram ATP. A maior parte do ATP gerado durante o catabolismo aeróbico da glicose, no entanto, não é gerada diretamente a partir dessas vias. Em vez disso, ele deriva de um processo que começa com a passagem de elétrons por uma série de reações químicas para um aceitador final de elétrons, o oxigênio. Essas reações ocorrem em complexos proteicos especializados localizados na membrana interna das mitocôndrias de organismos eucarióticos e na parte interna da membrana celular de organismos procarióticos. A energia dos elétrons é coletada e usada para gerar um gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia potencial desse gradiente é usada para gerar ATP. Todo esse processo é chamado de fosforilação oxidativa.

A cadeia de transporte de elétrons (Figura\(\PageIndex{2}\) a) é o último componente da respiração aeróbica e é a única parte do metabolismo que usa oxigênio atmosférico. O oxigênio se difunde continuamente nas plantas para esse fim. Nos animais, o oxigênio entra no corpo através do sistema respiratório. O transporte de elétrons é uma série de reações químicas que se assemelha a uma brigada de caçamba, na qual os elétrons são passados rapidamente de um componente para o outro, até o ponto final da cadeia, onde o oxigênio é o aceitador final de elétrons e a água é produzida. Existem quatro complexos compostos de proteínas, marcados de I a IV na Figura\(\PageIndex{2}\) c, e a agregação desses quatro complexos, junto com os portadores de elétrons móveis e acessórios associados, é chamada de cadeia de transporte de elétrons. A cadeia de transporte de elétrons está presente em várias cópias na membrana mitocondrial interna dos eucariotos e na membrana plasmática dos procariontes. Em cada transferência de um elétron pela cadeia de transporte de elétrons, o elétron perde energia, mas com algumas transferências, a energia é armazenada como energia potencial, usando-a para bombear íons de hidrogênio através da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembranar, criando um gradiente eletroquímico.

CONEXÃO ARTÍSTICA

Figura\(\PageIndex{2}\): (a) A cadeia de transporte de elétrons é um conjunto de moléculas que suporta uma série de reações de redução de oxidação. (b) A ATP sintase é uma máquina molecular complexa que usa um gradiente H ⁺ para regenerar o ATP do ADP. (c) A quimiosmose depende da energia potencial fornecida pelo gradiente H ⁺ através da membrana.

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

Os elétrons do NADH e do FADH ₂ são passados para complexos proteicos na cadeia de transporte de elétrons. À medida que são passados de um complexo para outro (há um total de quatro), os elétrons perdem energia, e parte dessa energia é usada para bombear íons de hidrogênio da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. No quarto complexo proteico, os elétrons são aceitos pelo oxigênio, o aceitador terminal. O oxigênio com seus elétrons extras então se combina com dois íons de hidrogênio, aumentando ainda mais o gradiente eletroquímico, para formar água. Se não houvesse oxigênio presente na mitocôndria, os elétrons não poderiam ser removidos do sistema e toda a cadeia de transporte de elétrons recuaria e pararia. As mitocôndrias seriam incapazes de gerar novo ATP dessa maneira, e a célula acabaria morrendo por falta de energia. Essa é a razão pela qual precisamos respirar para absorver novo oxigênio.

Na cadeia de transporte de elétrons, a energia livre da série de reações que acabamos de descrever é usada para bombear íons de hidrogênio através da membrana. A distribuição desigual dos íons ^H+ pela membrana estabelece um gradiente eletroquímico, devido à carga positiva dos íons ^H+ e sua maior concentração em um lado da membrana.

Os íons de hidrogênio se difundem pela membrana interna por meio de uma proteína de membrana integral chamada ATP sintase (Figura\(\PageIndex{2}\) b). Essa proteína complexa atua como um pequeno gerador, girado pela força dos íons de hidrogênio que se difundem por ela, descendo seu gradiente eletroquímico do espaço intermembranar, onde há muitos íons de hidrogênio que se repelem mutuamente até a matriz, onde há poucos. O torneamento das peças dessa máquina molecular regenera o ATP do ADP. Esse fluxo de íons de hidrogênio através da membrana através da ATP sintase é chamado de quimiosmose.

A quimiosmose (Figura\(\PageIndex{2}\) c) é usada para gerar 90 por cento do ATP produzido durante o catabolismo aeróbico da glicose. O resultado das reações é a produção de ATP a partir da energia dos elétrons removidos dos átomos de hidrogênio. Esses átomos eram originalmente parte de uma molécula de glicose. No final do sistema de transporte de elétrons, os elétrons são usados para reduzir uma molécula de oxigênio a íons de oxigênio. Os elétrons extras nos íons de oxigênio atraem íons de hidrogênio (prótons) do meio circundante e a água é formada. A cadeia de transporte de elétrons e a produção de ATP por meio da quimiosmose são chamadas coletivamente de fosforilação oxidativa.

Rendimento do ATP

O número de moléculas de ATP geradas pelo catabolismo da glicose varia. Por exemplo, o número de íons de hidrogênio que os complexos da cadeia de transporte de elétrons podem bombear através da membrana varia entre as espécies. Outra fonte de variação decorre do transporte de elétrons pela membrana mitocondrial. O NADH gerado pela glicólise não pode entrar facilmente nas mitocôndrias. Assim, os elétrons são captados no interior da mitocôndria por NAD ⁺ ou FAD ⁺. Menos moléculas de ATP são geradas quando o FAD ⁺ atua como transportador. O NAD ⁺ é usado como transportador de elétrons no fígado e o FAD ⁺ no cérebro, portanto, o rendimento de ATP depende do tecido que está sendo considerado.

Outro fator que afeta o rendimento das moléculas de ATP geradas a partir da glicose é que os compostos intermediários nessas vias são usados para outros fins. O catabolismo da glicose se conecta às vias que constroem ou decompõem todos os outros compostos bioquímicos nas células, e o resultado é um pouco mais confuso do que as situações ideais descritas até agora. Por exemplo, outros açúcares além da glicose são introduzidos na via glicolítica para extração de energia. Outras moléculas que, de outra forma, seriam usadas para coletar energia na glicólise ou no ciclo do ácido cítrico podem ser removidas para formar ácidos nucléicos, aminoácidos, lipídios ou outros compostos. No geral, em sistemas vivos, essas vias de catabolismo da glicose extraem cerca de 34 por cento da energia contida na glicose.

CARREIRAS EM AÇÃO: Médico de doenças mitocondriais

O que acontece quando as reações críticas da respiração celular não ocorrem corretamente? As doenças mitocondriais são distúrbios genéticos do metabolismo. Os distúrbios mitocondriais podem surgir de mutações no DNA nuclear ou mitocondrial e resultam na produção de menos energia do que o normal nas células do corpo. Os sintomas das doenças mitocondriais podem incluir fraqueza muscular, falta de coordenação, episódios semelhantes a derrames e perda de visão e audição. A maioria das pessoas afetadas é diagnosticada na infância, embora existam algumas doenças de início na idade adulta. Identificar e tratar distúrbios mitocondriais é uma área médica especializada. A preparação educacional para essa profissão requer uma educação universitária, seguida pela faculdade de medicina com especialização em genética médica. Os geneticistas médicos podem ser certificados pelo Conselho Americano de Genética Médica e passar a se associar a organizações profissionais dedicadas ao estudo da doença mitocondrial, como a Sociedade de Medicina Mitocondrial e a Sociedade de Doenças Metabólicas Herdadas.

Resumo

O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações químicas que remove elétrons de alta energia e os usa na cadeia de transporte de elétrons para gerar ATP. Uma molécula de ATP (ou equivalente) é produzida por cada turno do ciclo.

A cadeia de transporte de elétrons é a parte da respiração aeróbica que usa oxigênio livre como o aceitador final de elétrons removidos dos compostos intermediários no catabolismo da glicose. Os elétrons passam por uma série de reações químicas, com uma pequena quantidade de energia livre usada em três pontos para transportar íons de hidrogênio pela membrana. Isso contribui para o gradiente usado na quimiosmose. À medida que os elétrons são passados do NADH ou FADH ₂ para a cadeia de transporte de elétrons, eles perdem energia. Os produtos da cadeia de transporte de elétrons são água e ATP. Vários compostos intermediários podem ser desviados para o anabolismo de outras moléculas bioquímicas, como ácidos nucléicos, aminoácidos não essenciais, açúcares e lipídios. Essas mesmas moléculas, exceto os ácidos nucléicos, podem servir como fontes de energia para a via da glicose.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{2}\): O cianeto inibe a citocromo c oxidase, um componente da cadeia de transporte de elétrons. Se ocorrer intoxicação por cianeto, você esperaria que o pH do espaço intermembranar aumentasse ou diminuísse? Que efeito o cianeto teria na síntese de ATP?

Responda

Após o envenenamento por cianeto, a cadeia de transporte de elétrons não pode mais bombear elétrons para o espaço intermembranar. O pH do espaço intermembranar aumentaria e a síntese de ATP pararia.

Glossário

acetil CoA

a combinação de um grupo acetil derivado do ácido pirúvico e da coenzima A que é produzida a partir do ácido pantotênico (uma vitamina do grupo B)

ATP sintase

um complexo proteico incorporado em membrana que regenera o ATP do ADP com a energia dos prótons se difundindo por ele

quimiosmose

o movimento de íons de hidrogênio em seu gradiente eletroquímico através de uma membrana através da ATP sintase para gerar ATP

ciclo do ácido cítrico

uma série de reações químicas catalisadas por enzimas de importância central em todas as células vivas que coletam a energia das ligações carbono-carbono das moléculas de açúcar para gerar ATP; o ciclo do ácido cítrico é uma via metabólica aeróbica porque requer oxigênio em reações posteriores para prosseguir

cadeia de transporte de elétrons

uma série de quatro grandes complexos multiproteicos embutidos na membrana mitocondrial interna que aceita elétrons de compostos doadores e coleta energia de uma série de reações químicas para gerar um gradiente de íons de hidrogênio através da membrana

fosforilação oxidativa

a produção de ATP pela transferência de elétrons pela cadeia de transporte de elétrons para criar um gradiente de prótons que é usado pela ATP sintase para adicionar grupos fosfato às moléculas de ADP

Contribuidores e atribuições

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