Todas as reações bioquímicas nas células de qualquer organismo ocorrem com o gasto de energia. A cadeia respiratória é uma sequência de estruturas específicas que estão localizadas na membrana interna das mitocôndrias e servem para formar ATP. O trifosfato de adenosina é uma fonte universal de energia e é capaz de acumular em si mesmo de 80 a 120 kJ.
A cadeia respiratória do elétron - o que é isso?
Elétrons e prótons desempenham um papel importante na formação de energia. Eles criam uma diferença de potencial em lados opostos da membrana mitocondrial, o que gera um movimento direcionado de partículas - uma corrente. A cadeia respiratória (também conhecida como ETC, cadeia de transporte de elétrons) medeia a transferência de partículas carregadas positivamente para o espaço intermembranar e partículas carregadas negativamente para a espessura da membrana mitocondrial interna.
O principal papel na formação de energia pertence à ATP sintase. Esse complexo complexo transforma a energia do movimento direcionado dos prótons na energia das ligações bioquímicas. A propósito, um complexo quase idêntico é encontrado nos cloroplastos das plantas.
Complexos e enzimas da cadeia respiratória
A transferência de elétrons é acompanhada por reações bioquímicas na presença de um aparelho enzimático. Essas substâncias biologicamente ativas, numerosas cópias das quais formam grandes estruturas complexas, servem como mediadores na transferência de elétrons.
Os complexos da cadeia respiratória são os componentes centrais do transporte de partículas carregadas. No total, existem 4 dessas formações na membrana interna das mitocôndrias, bem como a ATP sintase. Todas essas estruturas estão unidas por um objetivo comum - a transferência de elétrons ao longo da ETC, a transferência de prótons de hidrogênio para o espaço intermembranar e, como resultado, a síntese de ATP.
O complexo é um acúmulo de moléculas proteicas, entre as quais se encontram enzimas, proteínas estruturais e proteínas sinal. Cada um dos 4 complexos desempenha sua própria função, apenas peculiar a ele. Vamos ver para quais tarefas essas estruturas estão presentes na ETC.
I complexo
A cadeia respiratória desempenha o papel principal na transferência de elétrons na espessura da membrana mitocondrial. As reações de abstração de prótons de hidrogênio e seus elétrons acompanhantes são uma das reações centrais da ETC. O primeiro complexo da cadeia de transporte assume moléculas de NADH+ (nos animais) ou NADPH+ (nas plantas) seguido pela eliminação de quatro prótons de hidrogênio. Na verdade, por causa dessa reação bioquímica, o complexo I também é chamado de NADH - desidrogenase (depois do nome da enzima central).
A composição do complexo desidrogenase inclui 3 tipos de proteínas ferro-enxofre, bem comomononucleotídeos de flavina (FMN).
II complexo
O funcionamento deste complexo não está associado à transferência de prótons de hidrogênio para o espaço intermembranar. A principal função desta estrutura é fornecer elétrons adicionais para a cadeia de transporte de elétrons através da oxidação do succinato. A enzima central do complexo é a succinato-ubiquinona oxidorredutase, que catalisa a remoção de elétrons do ácido succínico e a transferência para a ubiquinona lipofílica.
O fornecedor de prótons e elétrons de hidrogênio para o segundo complexo também é FADН2. No entanto, a eficiência do dinucleotídeo de flavina adenina é menor que a de seus análogos - NADH ou NADPH.
Complexo II inclui três tipos de proteínas ferro-enxofre e a enzima central succinato oxidorredutase.
III complexo
O próximo componente, ETC, consiste nos citocromos b556, b560 e c1, bem como a proteína ferro-enxofre Riske. O trabalho do terceiro complexo está associado à transferência de dois prótons de hidrogênio para o espaço intermembranar e elétrons da ubiquinona lipofílica para o citocromo C.
A peculiaridade da proteína Riske é que ela se dissolve em gordura. Outras proteínas deste grupo, que foram encontradas nos complexos da cadeia respiratória, são solúveis em água. Esta característica afeta a posição das moléculas de proteína na espessura da membrana interna das mitocôndrias.
O terceiro complexo funciona como ubiquinona-citocromo c-oxidorredutase.
IV complexo
Ele também é um complexo citocromo-oxidante, é o ponto final na ETC. Seu trabalho étransferência de elétrons do citocromo c para os átomos de oxigênio. Subsequentemente, átomos de O carregados negativamente irão reagir com prótons de hidrogênio para formar água. A principal enzima é a citocromo c-oxigênio oxidorredutase.
O quarto complexo inclui os citocromos a, a3 e dois átomos de cobre. O citocromo a3 desempenhou um papel central na transferência de elétrons para o oxigênio. A interação dessas estruturas é suprimida pelo cianeto de nitrogênio e monóxido de carbono, que em um sentido global leva à cessação da síntese de ATP e morte.
Ubiquinona
Ubiquinona é uma substância semelhante a uma vitamina, um composto lipofílico que se move livremente na espessura da membrana. A cadeia respiratória mitocondrial não pode prescindir dessa estrutura, pois é responsável pelo transporte de elétrons dos complexos I e II para o complexo III.
Ubiquinona é um derivado de benzoquinona. Esta estrutura nos diagramas pode ser denotada pela letra Q ou abreviada como LU (ubiquinona lipofílica). A oxidação da molécula leva à formação de semiquinona, um forte agente oxidante que é potencialmente perigoso para a célula.
ATP sintase
O principal papel na formação de energia pertence à ATP sintase. Essa estrutura em forma de cogumelo usa a energia do movimento direcional das partículas (prótons) para convertê-la na energia das ligações químicas.
O principal processo que ocorre em toda a ETC é a oxidação. A cadeia respiratória é responsável pela transferência de elétrons na espessura da membrana mitocondrial e seu acúmulo na matriz. Simultaneamenteos complexos I, III e IV bombeiam prótons de hidrogênio para o espaço intermembranar. A diferença de cargas nos lados da membrana leva ao movimento direcionado de prótons através da ATP sintase. Assim H + entra na matriz, encontra os elétrons (que estão associados ao oxigênio) e forma uma substância neutra para a célula - a água.
A
ATP sintase consiste nas subunidades F0 e F1, que juntas formam uma molécula roteadora. F1 é composto de três subunidades alfa e três beta, que juntas formam um canal. Este canal tem exatamente o mesmo diâmetro dos prótons de hidrogênio. Quando partículas carregadas positivamente passam pela ATP sintase, a cabeça da molécula F0 gira 360 graus em torno de seu eixo. Durante esse tempo, os resíduos de fósforo são ligados ao AMP ou ADP (mono e difosfato de adenosina) usando ligações de alta energia, que contêm uma grande quantidade de energia.
ATP sintases são encontradas no corpo não apenas nas mitocôndrias. Nas plantas, esses complexos também estão localizados na membrana do vacúolo (tonoplasto), bem como nos tilacóides do cloroplasto.
Além disso, ATPases estão presentes em células animais e vegetais. Possuem estrutura semelhante às ATP sintases, mas sua ação visa a eliminação de resíduos de fósforo com gasto de energia.
Significado biológico da cadeia respiratória
Em primeiro lugar, o produto final das reações da ETC é a chamada água metabólica (300-400 ml por dia). Em segundo lugar, o ATP é sintetizado e a energia é armazenada nas ligações bioquímicas desta molécula. 40-60 são sintetizados por diakg de trifosfato de adenosina e a mesma quantidade é utilizada nas reações enzimáticas da célula. O tempo de vida de uma molécula de ATP é de 1 minuto, portanto a cadeia respiratória deve funcionar de forma suave, clara e sem erros. Caso contrário, a célula morrerá.
Mitocôndrias são consideradas as estações de energia de qualquer célula. O seu número depende do consumo de energia necessário para determinadas funções. Por exemplo, até 1.000 mitocôndrias podem ser contadas em neurônios, que muitas vezes formam um aglomerado na chamada placa sináptica.
Diferenças na cadeia respiratória em plantas e animais
Nas plantas, o cloroplasto é uma "estação de energia" adicional da célula. As ATP sintases também são encontradas na membrana interna dessas organelas, e isso é uma vantagem sobre as células animais.
As plantas também podem sobreviver a altas concentrações de monóxido de carbono, nitrogênio e cianeto através de um caminho resistente ao cianeto na ETC. A cadeia respiratória termina assim na ubiquinona, cujos elétrons são imediatamente transferidos para os átomos de oxigênio. Como resultado, menos ATP é sintetizado, mas a planta pode sobreviver a condições adversas. Os animais nesses casos morrem com exposição prolongada.
Você pode comparar a eficiência do NAD, FAD e da via resistente ao cianeto usando a taxa de produção de ATP por transferência de elétrons.
- com NAD ou NADP, formam-se 3 moléculas de ATP;
- FAD produz 2 moléculas de ATP;
- via resistente ao cianeto produz 1 molécula de ATP.
Valor evolutivo da ETC
Para todos os organismos eucarióticos, uma das principais fontes de energia é a cadeia respiratória. A bioquímica da síntese de ATP na célula é dividida em dois tipos: fosforilação do substrato e fosforilação oxidativa. ETC é usado na síntese de energia do segundo tipo, ou seja, devido a reações redox.
Em organismos procarióticos, o ATP é formado apenas no processo de fosforilação do substrato na fase da glicólise. Açúcares de seis carbonos (principalmente glicose) estão envolvidos no ciclo de reações e, na saída, a célula recebe 2 moléculas de ATP. Esse tipo de síntese de energia é considerado o mais primitivo, pois nos eucariotos são formadas 36 moléculas de ATP no processo de fosforilação oxidativa.
No entanto, isso não significa que as plantas e animais modernos perderam a capacidade de fosforilação do substrato. É que esse tipo de síntese de ATP se tornou apenas um dos três estágios de obtenção de energia na célula.
Glicólise em eucariotos ocorre no citoplasma da célula. Existem todas as enzimas necessárias que podem quebrar a glicose em duas moléculas de ácido pirúvico com a formação de 2 moléculas de ATP. Todos os estágios subsequentes ocorrem na matriz mitocondrial. O ciclo de Krebs, ou ciclo do ácido tricarboxílico, também ocorre nas mitocôndrias. Esta é uma cadeia fechada de reações, como resultado da qual NADH e FADH2 são sintetizados. Essas moléculas irão como consumíveis para o ETC.
