C a r l a    C r i s t i n a   B i a z i   L o r e n z i

F e r n a n d a   C a n d u r i

Curso de Pós Graduação

Disciplina: Bioquímica

               Lavoisier foi o primeiro a demonstrar que animais vivos consomem oxigênio, gerando dióxido de carbono. Mas, foi somente no começo do século XX que demonstrou-se que as oxidações biológicas são catalisadas por enzimas intracelulares. Sabemos que a glicose é completamente oxidada a CO2 por processos conhecidos como Glicólise e Ciclo do Ácido Cítrico (Figura 1). Examinaremos agora, como os elétrons são removidos e transportados, a partir da glicose, por processo de oxidação.
               A completa oxidação da glicose por oxigênio molecular é descrita pela seguinte equação redox:
C6H12O6 + 6 O2
6 CO2 + 6 H2O
                Para ver mais claramente a transferência dos elétrons, dividiremos a equação em duas. Na primeira reação os carbonos da glicose são oxidados:
C6H12O + 6 H2O
6 CO2 + 24 H+ + 24 e
                Na segunda, o oxigênio molecular é reduzido:
6 O2 + 24 H+ + 24 e
 12 H2O
                Nos sistemas vivos, o processo de transferência de elétrons que conecta essas reações parciais, ocorre através de um caminho complexo que culmina com a liberação de energia livre na forma de ATP (Adenosina Trifosfato).
                Os 12 pares de elétrons envolvidos na oxidação da glicose não são transferidos diretamente ao O2. Antes, eles são transferidos para as coenzimas NAD+ (Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo) e FAD (Flavina adenina Dinucleotídeo) para formar 10 NADH + 2 FADH2 (Figura 1) nas reações catalisadas pelas enzimas glicolíticas e enzimas do ciclo do ácido cítrico. Os elétrons passam, então, para uma cadeia transportadora de elétrons onde, através da reoxidação do NADH e FADH2, participam de redução-oxidação de cerca de 10 centros redox até reduzir O2  em H2O.
                Nesse processo, prótons são liberados da mitocôndria (Figura 2). A energia livre estocada no gradiente de pH resultante leva à síntese de ATP a partir de ADP e Pi através da Fosforilação Oxidativa. A reoxidação de cada NADH resulta na síntese de 3 ATPs, e a reoxidação de FADH2 produz 2ATPs, resultando em um total de 38 ATPs para cada glicose completamente oxidada a CO2 e H2O (incluindo ATPs produzidos na glicólise e 2 ATPs produzidos no ciclo do ácido cítrico).
                Os NADH e FADH2 produzidos na oxidação da glicose e de outros substratos são reoxidados na mitocôndria por um processo que compreende a remoção de seus prótons e elétrons: os prótons são liberados no meio e os elétrons são conduzidos por uma série de transportadores de elétrons até o oxigênio. Recebendo elétrons, o oxigênio liga-se a prótons do meio formando água.
                Cada um dos transportadores é capaz de receber elétrons do transportador imediatamente anterior e transferi-los ao seguinte, constituindo assim uma cadeia chamada cadeia transportadora de elétrons.
                O doador de elétrons é, invariavelmente, uma coenzima reduzida, e o aceptor final de elétrons, o oxigênio. A maioria dos transportadores de elétrons tem natureza protéica, contendo grupos prostéticos associados à cadeia polipeptídica; a óxido-redução do composto se processa no grupo prostético.

Os transportadores de elétrons estão agrupados em 4 complexos
                Os componentes da cadeia de transporte de elétrons estão organizados na membrana interna da mitocôndria (Figura 2) e agrupados em quatro complexos respiratórios (Figura 3), com a seguinte composição:
                                                   Succinato desidrogenase
                                                   Proteínas ferro-enxofre
                                                   Citocromo b
                                                   Citocromos b e c1
                                                   Proteínas ferro-enxofre
                                                   Citocromos a e a1
                                                   Átomos de cobre
                Cada complexo consiste de vários componentes protéicos que são associados com uma variedade de grupos redox-ativos com sucessivos aumentos do potencial de redução. Os complexos são todos lateralmente móveis dentro da membrana interna da mitocôndria e não estão presentes em razões equimolares (Figura 4).
                Esses complexos são conectados entre si através de dois outros transportadores, que também fazem parte da membrana interna da mitocôndria: coenzima Q (CoQ) e citocromo c.
C o m p l e x o   I
                A cadeia de transporte de elétrons apresenta dois pontos de entrada para os elétrons provenientes de diferentes substratos em direção ao oxigênio: os complexos I e II. A NADH desidrogenase, responsável pela oxidação do NADH, tem como grupo prostético a flavina mononucleotídeo (FMN), que, como o FAD, é um derivado da riboflavina e, ao receber 2 H+ e 2 e-, reduz-se a FMNH2. Os substratos que são oxidados por desidrogenases que utilizam NAD+ tem seus elétrons transferidos do NADH para o FMN, por ação da NADH desidrogenase, componente do complexo I. Exemplos destes substratos são gliceraldeído 3-fosfato, piruvato, isocitrato, malato e ß-hidroxiacil-CoA.
                As proteínas ferro-enxofre presentes nos complexos I, II e III contêm átomos de enxofre inorgânico e de ferro não hêmico associados à cadeia polipeptídica por ligação a resíduos de cisteína (Figura 5). As proteínas ferro-enxofre são transportadoras de elétrons apenas, não recebendo prótons. Os elétrons são recebidos pelos átomos de ferro, que oscilam entre as formas Fe+2 e Fe+3, segundo estejam reduzidos ou oxidados. O número e a localização das proteínas ferro-enxofre que participam do transporte de elétrons ainda não são conhecidos com precisão.
                FMN e CoQ, podem adotar 3 estados de oxidação. Embora NADH pode participar em um transferência de 2 elétrons, ambas FMN e CoQ são capazes de receber e doar um ou dois elétrons, pois sua formas semiquinonas são estáveis (Figura 6).
                A coenzima Q ou ubiquinona é uma quinona com uma longa cadeia isoprênica lateral. Existem várias formas de CoQ, que diferem pelo número dessas unidades isoprênicas. As características hidrofóbicas da CoQ permitem sua mobilidade na fase lipídica da membrana, ao contrário dos outros componentes da cadeia de transporte de elétrons, que têm posições fixas. A coenzima Q, ao reduzir-se, recebe 2 H+ e 2 e- , passando então à forma CoQH2.
C o m p l e x o   II
                Esse complexo, que contém uma enzima dimérica do ciclo do ácido cítrico, a succinato desidrogenase e 3 outras pequenas subunidades hidrofóbicas, é responsável por passar elétrons do succinato para CoQ, com a participação de um FAD covalentemente ligado, uma proteína [4Fe-4S], 2 proteínas [2Fe-2S] e um citocromo b.
                O potencial redox padrão da transferência de elétrons do succinato para CoQ é insuficiente para providenciar a energia livre necessária para dirigir a síntese de ATP.
                O complexo II é, apesar disso, importante pois concede esse relativamente alto potencial eletrônico para entrar na cadeia de transporte de elétrons.
C o m p l e x o   III
                Esse complexo, que passa elétrons da CoQ reduzida para o citocromo c, contém 2 citocromos b, um citocromo c e uma proteína [2Fe-2S].
                Os citocromos, cuja função foi elucidada em 1925 por David Keilin, são proteínas que contém o heme como grupo prostético. O átomo de  ferro funciona como transportador de elétrons, variando entre os estados de oxidação 2+ e 3+. Na cadeia de transporte de elétrons existem três tipos de citocromos: a, b e c, que diferem quanto ao grupo heme e à sua forma de ligação à cadeia protéica. Nos citocromos dos tipos b e c, o heme é idêntico ao da hemoglobina quanto aos radicais substituintes; no tipo a aparece um heme modificado, com um grupo isoprênico e um grupo formila em lugar de grupos vinil e metil, respectivamente. Nos tipos a e b, a ligação à proteína é não covalente e, no tipo c, é covalente (tioéter), formada com resíduos de cisteína (Figura 7). Citocromos do tipo b são constituintes do complexo III; recentemente foi descrita a presença de pequenas quantidades deste tipo de citocromo também no complexo II. Os citocromos c e c1 fazem parte do complexo III. Os citocromos a e a3, associados a íons de cobre, constituem o complexo final da cadeia de transporte de elétrons. O citocromo a recebe elétrons diretamente do citocromo c. O citocromo a3 é o único capaz de reagir diretamente com o oxigênio. Nesta reação pouco conhecida são transferidos quatro elétrons para o oxigênio.
C o m p l e x o   IV
                Neste complexo a citocromo c oxidase catalisa a oxidação de 4 moléculas de citocromo c reduzidas e a concomitante redução de 4 elétrons de uma molécula de O2:
4 citocromosc2++4H++ O2
4 citocromos c3+ + 2H2O
 

A transferência de elétrons pode ser bloqueada
por inibidores específicos
                Há drogas capazes de atuar especificamente sobre cada um dos complexos da cadeia de transporte de elétrons. O resultado desta ação inibitória é a virtual paralisação do transporte de elétrons com a consequente inibição da síntese de ATP e das vias metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação de coenzimas. Estas drogas são, portanto, potencialmente letais.
                A Tabela 1 relaciona algumas destas drogas com a sua ação nos respectivos complexos.

Referências Bibliográficas

Lehninger, A.L. (1994) Fundamentos de Bioquímica. Ed. Sarvier S.A., 840p.

Marzzoco, A. e Torres, B.B. (1990) Bioquímica Básica. Ed. Guanabara Koogan S.A., 232p.

Stryer, L. (1988) Bioquímica. Ed. Guanabara Koogan S.A., 881p.

Voet, D. e Voet, J.G. (1995) Biochemistry. Ed. John Wiley & Sons, 1224p.