O que é a cadeia respiratória , como funciona e que papel desempenha no metabolismo energético? Neste artigo você terá uma explicação simples da cadeia respiratória.
A cadeia respiratória corre ao longo da membrana interna da mitocôndria e é controlada por cinco complexos de proteínas.
Para liberar a energia conservada nos processos metabólicos anteriores, um chamado gradiente de potencial é criado entre os complexos individuais: os elétrons liberados dos equivalentes de redução são enviados junto com o hidrogênio por uma cadeia de transporte de elétrons, na qual cada estágio subsequente tem um potencial redox menor do que o anterior. No final da cadeia, o hidrogênio é combinado com o oxigênio, resultando em água. A coisa especial sobre isso: uma reação normal e descontrolada de oxigênio e hidrogênio (a chamada reação oxi-hidrogênio) é altamente exotérmica, então muita energia é liberada e a célula explode imediatamente. Na cadeia de transporte, essa energia é liberada gradativamente e utilizada para gerar energia na forma de ATP , de modo que a reação no final da cadeia seja menos violenta.
A energia liberada como resultado é usada para produzir ATP. Isso acontece da seguinte forma: enquanto os complexos proteicos aderem à membrana interna, alguns dos íons de hidrogênio (prótons) liberados dos equivalentes de redução oxidados (doadores de elétrons) são “apertados” no espaço entre a membrana interna e externa, a membrana intermembrana. espaço. Isso ocorre com gasto de energia, uma vez que há mais prótons no espaço intermembranar do que fora dele, então deve-se trabalhar contra o equilíbrio de difusão. Essa energia vem da cadeia de transporte de elétrons. Os prótons capturados aqui não podem se difundir de volta por si mesmos, mas apenas por meio de uma enzima especial , a ATP sintase, que atua como um “porteiro” na membrana celular interna.senta. Ele permite que os prótons passem de maneira controlada e usa a energia liberada para produzir ATP. É como a ‘máquina de imprimir dinheiro’ da célula.
A cadeia respiratória funciona da seguinte forma:
- O NADH é oxidado a NAD no complexo I (enzima: NADH desidrogenase). O ubiquinol é formado. Quatro prótons são transportados para o espaço intermembranar para cada NADH.
- No complexo II (enzima: succinato desidrogenase) os elétrons são transferidos do FADH para a ubiquinona. Por sua vez, o ubiquinol é formado. Nenhum próton é transferido aqui.
- O ubiquinol é oxidado no complexo III (enzima: citocromo c redutase). Para isso, o citocromo C é reduzido. A ubiquinona é formada novamente. Dois prótons migram para o espaço intermembranar.
- No complexo VI (enzima: citocromo C oxidase), o citocromo C é oxidado novamente e o oxigênio é reduzido a água. Quatro prótons migram para o espaço intermembranar. Os prótons para a síntese de água vêm da matriz, o interior da mitocôndria.
- Finalmente, o complexo V (enzima: ATP sintase) é responsável pela síntese de ATP. Ainda não está claro quantos prótons são necessários para o ATP: alguns autores supõem três, outros quatro.
O equilíbrio global da cadeia respiratória é
10 NADH + 2 FADH + 32 ADP + 32 P + 6 O2 –> 12 H2O + 10 NAD + 2 FAD + 32 ATP
Se você juntar todas as três vias metabólicas, a célula ganha 36 ATP por molécula de glicose: 2 da glicólise, 2 do ciclo do ácido cítrico , 32 da cadeia respiratória. “Somente” CO2 e água permanecem da glicose.
Cadeia respiratória simplesmente explicada
Na biologia, a cadeia respiratória ou oxidação final é uma parte do metabolismo energético aeróbico em células eucarióticas e procarióticas. Ocorre na membrana mitocondrial interna dobrada em eucariotos e na membrana plasmática em procariontes . É a última etapa da respiração celular e segue a glicólise, a descarboxilação oxidativa e o ciclo do ácido cítrico. Sua principal tarefa é converter energia de nutrientes (por exemplo, carboidratos) em uma forma de energia (ATP) que nosso corpo pode usar, por exemplo, durante os esportes.
As moléculas transportadoras carregadas de elétrons ou equivalentes de redução NADH e FADH 2 da glicólise , descarboxilação oxidativa e do ciclo do ácido cítrico cedem seus elétrons na cadeia respiratória. Você pode pensar na cadeia respiratória como componentes interativos localizados na membrana. Quatro proteínas móveis grandes e duas menores transportam os elétrons liberados – como uma espécie de cadeia (cadeia de transporte de elétrons ) – até o aceptor final de oxigênio (O 2 ) .
Isso libera energia. É usado para bombear prótons de hidrogênio (H + ) para o interior das mitocôndrias. Uma diferença de concentração (gradiente de prótons) ocorre entre o interior e a matriz mitocondrial. Uma proteína de canal – a ATP sintase – permite que os prótons se difundam de volta para a matriz . A síntese de ATP – a “moeda energética” universal de nossas células – está ligada a isso. Você também pode chamar esse processo de quimiosmose .
A cadeia de transporte de elétrons e a quimiosmose juntos são definidas como fosforilação oxidativa .
Definição de cadeira respiratória
A cadeia respiratória ou oxidação final descreve as reações finais da respiração celular nas quais os elétrons são transferidos do NADH e FADH 2 para o oxigênio molecular por meio de vários transportadores de elétrons associados à membrana. Ao mesmo tempo, é produzido ATP (28 moléculas de ATP por molécula de glicose).
Sequência e função da cadeia respiratória
A cadeia respiratória inclui as reações finais da quebra aeróbica dos nutrientes (= respiração celular ). Só ocorre quando o oxigênio está presente.
Seu processo ocorre após a glicólise, oxidação do piruvato e o ciclo do ácido cítrico. A energia liberada nessas reações da quebra de materiais operacionais (por exemplo, carboidratos) foi parcialmente conservada em moléculas transportadoras de elétrons na forma de NADH e FADH 2 . Como o nome “transportador” já sugere, sua tarefa é transportar substâncias. Neste caso, são os elétrons liberados durante as reações de oxidação.
Os portadores agora migram da matriz mitocondrial, onde ocorre o ciclo do ácido cítrico, para o local da cadeia respiratória – a membrana interna da mitocôndria. Você também pode chamá-lo de cadeia respiratória mitocondrial. Lá eles cedem seus elétrons por meio de uma série de complexos de proteínas que contêm outros transportadores e enzimas. O alvo representa o oxigênio atmosférico (O 2 ) que é reduzido a água (H 2 O). NADH e FADH 2 , por outro lado, são oxidados a NAD + e FAD. Agora você pode ser colocado de volta no ciclo da glicólise ou do ácido cítrico e o ciclo pode começar novamente.
Agora chegamos à função da cadeia respiratória. A oxidação desses transportadores de elétrons libera muita energia. Ele é armazenado na forma de moeda de energia de nossas células – ATP (trifosfato de adenosina) – e pode ser usado para outros processos metabólicos, como a contração muscular. Você provavelmente já ouviu falar que as mitocôndrias são chamadas de “usinas de energia de nossas células”. Agora você também sabe o porquê!
reação de oxi-hidrogênio
Você pode comparar os processos químicos na cadeia respiratória mitocondrial com a chamada reação de oxi-hidrogênio. Aqui hidrogênio (H 2 ) e oxigênio (O 2) explosivamente à água. Muita energia é liberada no processo. No entanto, essa reação não pode ocorrer diretamente nas células, pois não é possível “domar” essa grande quantidade de energia. Não podia ser dominado e tornado utilizável para o corpo. Você pode imaginar isso como se uma carga explosiva fosse detonada nas células. Talvez você já conheça essa reação violenta da sua aula de química na escola ou do laboratório da universidade. Por esta razão, a energia da reação deve ser controlada e liberada gradualmente para permitir que o ATP se acumule. Isso é garantido por uma cadeia de transporte de elétrons .
cadeia de transporte de elétrons
Você pode imaginar a cadeia de transporte de elétrons como sucessivos complexos de membrana ( sistemas redox ) que podem absorver (=redução) e liberar (=oxidação) elétrons (e – ). A cadeia de transporte é estruturada como uma espécie de escada descendente, com os elétrons migrando de degrau em degrau. Cada nível libera uma quantidade pequena e controlável de energia. Os elétrons fluem “descendo” de um nível de energia mais alto para um mais baixo (= gradiente de energia ). O último sistema redox transfere os elétrons para as moléculas de oxigênio. Juntamente com os prótons de hidrogênio (H + ), eles reagem para formar água.
A energia liberada durante o fluxo de elétrons também leva a um transporte ativo de prótons (H + ) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isso cria uma diferença de concentração (gradiente de concentração ): há muitos prótons no espaço intermembranar, mas poucos na matriz.
quimiosmose
Como a membrana mitocondrial atua como uma barreira, os prótons ficam “presos” no espaço intermembranar. Eles só podem voltar para a matriz mitocondrial através de uma proteína de canal – ATP sintase – para equilibrar a diferença de concentração e carga. Essa difusão dos prótons gera energia. Você pode imaginá-lo como uma usina hidrelétrica, onde a água é represada atrás de uma parede de represa. Esta contrapressão é usada para girar as turbinas para gerar eletricidade. No nosso caso, essa turbina é a ATP sintase. Como o próprio nome sugere, acopla a difusão de prótons com a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato.
Você pode chamar a conexão entre os processos de transporte em biomembranas (aqui prótons) e processos metabólicos (aqui síntese de ATP) quimiosmose . A cadeia respiratória ou cadeia transportadora de elétrons, juntamente com a quimiosmose, forma o processo de fosforilação oxidativa .
complexos da cadeia respiratória
Você pode imaginar os sistemas redox na cadeia respiratória como complexos multienzimáticos que são responsáveis pela transmissão de elétrons. Você pode encontrá-los na membrana interna das mitocôndrias. Três complexos atravessam a membrana completamente (integral), enquanto um ancora apenas na parte externa da membrana (periférico). Eles contêm diferentes grupos que podem aceitar e doar elétrons. Assim, ocorrem reduções e oxidações.
Complexo I
Primeiro, o NADH doa seus elétrons para o complexo I. Você também pode se referir a ele como NADH-Q oxidorredutase . O Complexo I então doa os elétrons para uma pequena molécula lipídica não polar ( ubiquinona ) localizada no interior da bicamada fosfolipídica . Isso libera energia que é usada pelas bombas de prótons no complexo I para bombear prótons da matriz para o espaço intermembranar.
complexo II
O complexo II ( succinato desidrogenase ) aceita os elétrons do FADH 2 . Como esses elétrons são posteriormente canalizados para a cadeia respiratória, eles também geram menos ATP. O Complexo II também doa seus elétrons para a ubiquinona. Cuidado! Não há transporte de prótons de hidrogênio aqui.
Complexo III
A ubiquinona agora reduzida transfere seus elétrons para o complexo III. Você também pode chamá-lo de citocromo c oxidorredutase . Ele direciona os elétrons para uma pequena proteína periférica móvel ( citocromo c ) localizada na parte externa da membrana mitocondrial interna. O transporte de prótons também ocorre aqui.
Complexo IV
O complexo IV ( citocromo c oxidase ) agora recebe os elétrons do citocromo c e os transfere para o oxigênio junto com os prótons de hidrogênio. Isso é reduzido a água. Além disso, os prótons são transportados para o espaço intermembranar.
O 2 + 4 H + + 4 e – 
2 H 2 O
ATP sintase
No final da cadeia de transporte de elétrons, você encontrará uma proteína de canal ligada à membrana – a ATP sintase. A força criada pelo gradiente de prótons construído – a chamada força motriz do próton – conduz os prótons através deste canal. Você pode pensar no canal como um motor rotativo. Está ligado a uma enzima que garante a síntese de ATP de alta energia a partir dos compostos de baixa energia ADP e fosfato. Atenção, a ATP sintase não faz mais parte da cadeia respiratória! Mas só ele fornece energia na forma de ATP.
Nós humanos sintetizamos cerca de 10 moléculas de 25 -ATP a partir de ADP por dia . Isso significa um peso de 40 kg. Em termos de peso corporal, esse é um número impressionante.
equilíbrio energético
Cerca de 32 moléculas de ATP são formadas a partir de uma molécula de glicose – 2 ATP da glicólise e 2 ATP do ciclo do ácido cítrico. 2,5 moléculas de ATP podem ser formadas para cada par de elétrons que é transferido do NADH para o oxigênio na cadeia respiratória . A oxidação do FADH 2 gera cerca de 1,5 moléculas de ATP .
Um total de 10 NADH (dois da glicólise, dois da oxidação do piruvato e seis – três por corrida – do ciclo do ácido cítrico) e 2 FADH 2 estão disponíveis. No caso da fosforilação oxidativa, o balanço energético é, portanto, de 28 moléculas de ATP . Como você pode ver, a cadeia respiratória representa a etapa “mais produtiva” em termos de produção de energia.
O equilíbrio geral da cadeia respiratória é:
10 NADH + 2 FADH 2 + 28 ADP + 28 Pi + 6 O 2 12 H 2 O + 10 NAD + + 2 FAD + 28 ATP