Respiração celular (rendimento global)

Este é um assunto que normalmente gera alguma confusão quando eu o abordo nas aulas. O motivo é muito simples… muitos dos meus alunos aprenderam que quando uma molécula de NADH cede os eletrões à cadeia respiratória mitocondrial, formam-se 3 ATP, e quando é o FADH2 o dador de eletrões, são produzidos 2 ATP. Quando eu nas minhas aulas digo que na realidade são 2,5 ATP produzidos quando o dador de eletrões é o NADH, e 1,5 quando é o FADH2, são muitos os que fazem uma cara de intrigados. Já agora, deixem-me só fazer uma correção a algo que é muito frequente eu ouvir. Não se deve dizer que o NADH é convertido em 2,5 ATP, mas sim que leva à produção de 2,5 ATP, pois o NADH não é gasto no processo, apenas cede 2 eletrões. Mas voltando ao rendimento energético… outra coisa que costuma causar confusão quando eu digo que se produzem 2,5 ATP, é o facto de estar a falar de “meio ATP”. Mas afinal como é que se produz “meio ATP”? E o que significa do ponto de vista químico “meio ATP”? Na realidade é uma ideia estranha e confusa mas a justificação é muito simples. Como é lógico, não e produz “meio ATP”, o que se passa é que a energia libertada durante o transporte dos eletrões ao longo da cadeia respiratória mitocondrial é suficiente para se produzir 2,5 ou 1,5 ATP (consoante o dador dos eletrões é o NADH ou o FADH2, respetivamente). Como o processo ocorre continuamente, o somatório da energia libertada por cada 2 dadores de eletrões é suficiente para garantir 1 ATP em conjunto.

Mas voltando à quantidade total de ATP, como é que se chega ao valor de 2,5 ou 1,5 ATP, e porque é que o 3 e 2 ATP que muitos aprendem está errado? Recapitulando o funcionamento da cadeia respiratória mitocondrial, quando é o NADH o dador de eletrões, ele cede 2 eletrões ao complexo I, que bombeia 4 protões para o espaço intermembranar. Os eletrões passam para o complexo II, que bombeia mais 4 protões para o espeço intermembranar. Depois atravessam o complexo IV até chegarem ao O2, levando ao bombeamento de mais 2 protões para o espaço intermembranar, o que perfaz um total de 10 protões bombeados para o espaço intermembranar por cada NADH que cede os eletrões à cadeia respiratória. Se o dador de eletrões for o FADH2, estes são cedidos ao complexo II, que não bombeia protões. Seguidamente passam para o complexo III, que bombeia 4 protões para o espaço intermembranar, e, finalmente, para o complexo IV, que bombeia mais 2 protões, ou seja, no total são bombeados 6 protões. De acordo com a teoria quimiosmótica, os protões vão regressar à matriz, a favor do gradiente de concentração, libertando energia. Foi demonstrado experimentalmente que por cada 4 protões que regressam a matriz, é libertada energia suficiente para se produzir uma molécula de ATP. Sendo assim, quando o dador dos eletrões é o NADH, são produzidas 10/4 = 2,5 moléculas de ATP, e quando é o FADH2, produzem-se 6/4 = 1,5 ATP!

Respiração celular - Teoria quimiosmótica

A teoria quimiosmótica, postulada em 1961 por Peter Mitchel permite explicar de que forma o transporte de eletrões ao longo da cadeia respiratória mitocondrial está relacionado com a síntese de ATP. Na realidade, à medida que os eletrões vão atravessando os complexos da cadeia respiratória, eles vão estar como que a descer uma “escadaria energética”, passando sempre gradualmente para um nível energético inferior. Por outras palavras, vão sendo libertadas pequenas quantidades de energia, que individualmente não têm grande utilidade para a célula. No entanto, parte dessa energia é utilizada para bombear protões para o espaço intermembranar, ou seja, parte da energia libertada é conservada sob a forma de um gradiente de H+. Este gradiente permite a acumulação de uma grande quantidade de energia, pois trata-se de um gradiente eletroquímico. É um gradiente químico, pois estamos a falar de uma assimetria de concentrações de H+ entre os dois lados da membrana interna. Mas é simultaneamente um gradiente elétrico, pois gera-se uma assimetria de cargas. O H+ é bombeado para o espaço intermembranar sem o envio de nenhum contra-ião, ou seja, vão-se acumular cargas positivas no espaço intermembranar, quando comparado com a matriz que se torna mais negativa. A esta altura muitos devem estar a perguntar “Mas qual é a utilidade desse processo? Para que é que a célula precisa de um gradiente de H+?” A teoria quimiosmótica explica exatamente isso!

Além dos complexos da cadeia respiratória mitocondrial, existe também uma enzima membranar (localizada na membrana interna), designada por ATP sintase mitocondrial (mais informações sobre esta enzima aqui). Além da subunidade catalítica, esta enzima possui uma subunidade que funciona como um poro transmembranar para a passagem de protões. Portanto a ideia é simples… os protões que se vão acumulando no espaço intermembranar, vão atravessar a membrana interna através desse poro, e como esse transporte ocorre a favor do gradiente eletroquímico, ocorre libertação de energia. Essa energia é utilizada pela ATP sintase mitocondrial para produzir ATP.

Vídeo sobre a ATP sintase mitocondrial

ATP sintase mitocondrial (características gerais)

A ATP sintase mitocondrial (F-ATP sintase) é uma enzima que está localizada na membrana interna da mitocôndria e cuja função está intimamente relacionada com a cadeia respiratória mitocondrial. Devido a isso, há alguns autores que lhe chamam Complexo V, ainda que a maioria não use esta nomenclatura. Pessoalmente, também acho que não se deve chamar Complexo V, uma vez que os complexos são, na minha opinião, os intervenientes no transporte dos eletrões, e esse processo termina no oxigénio (no complexo IV). 

Como o próprio nome sugere, a ATP sintase vai catalisar a síntese de moléculas de ATP, através do processo de fosforilação oxidativa. Ou seja, para se dar a fosforilação do ADP em ATP é necessário que ocorra uma oxidação, que neste caso passa pela utilização de NADH ou FADH2 na cadeia respiratória mitocondrial.

A reação geral de funcionamento do ATP sintase é:

ADP + Pi → ATP

Esta reação é bastante endergónica, pelo que necessita de energia para ocorrer. E de onde vem essa energia? Do gradiente de H+ criado durante o funcionamento dos complexos da cadeia respiratória. Portanto, a energia libertada durante o transporte dos eletrões é utilizada para criar uma acumulação de H+ no espaço intermembranar, sendo que depois estes iões vão ter tendência a regressar à matriz, e se o fizerem libertam energia. Essa energia é que é utilizada para se produzir ATP. Neste contexto, a ATP sintase possui duas subunidades distintas:

- subunidade Fo, que é uma subunidade transmembranar e que possui um poro, através do qual os H+ regressam à matriz. Como curiosidade, o nome é Fo (e não F ”zero”), pois a letra “o” deriva do facto desta subunidade se ligar à oligomicina, que é um antibiótico.

- subunidade F1, que é a subunidade catalítica, responsável pela síntese de ATP e localizada em associação com a face matricial da membrana interna da mitocôndria. Paradoxalmente, esta subunidade apresenta atividade de ATPase (hidrólise de ATP), quando isolada, mas quando em contacto com a membrana interna da mitocôndria e, especificamente, com a subunidade Fo, apresenta atividade de síntese de ATP.

Vídeo sobre a creatina-fosfato

Música sobre o ATP

Quem diria que a música Yellow Submarine, dos Beatles, podia ser transformada numa canção sobre o ATP? O Dr. Ahern (www.davincipress.com/metabmelodies.html), claro!

Clica aqui para fazer download da música

We All Need Just a Little ATP

Instructor sings
In the cells, inside of us, there's a sugar on adenine
Which is linked, to phosphate groups, and you know it as ATP

Everyone Sings:
If we build up a lot of ATP, we've too much energy, metabolically
If we build up a lot of ATP, we've too much energy, metabolically

Instructor sings
And the cellular decree, calls for storing up the energy
So we save, it chemically, building acids onto ACP

Everyone Sings:
Making fat stores a lot of energy, creates NADP, and uses ATP
Making fat stores a lot of energy, creates NADP, and uses ATP

Instructor sings
When we need, some energy, we burn fats in fancy cell machines
Acids all, get shuttled in, on the backs of little carnitines

Everyone Sings:
We break acids every hour today, in mitochnodri-ay, to acetyl-CoA
We break acids every hour today, in mitochnodri-ay, to acetyl-CoA

Instructor sings
One more thing, about this tune, should be remembered by, all of you
Burning fat, converts a few, FADs to FADH2s

Everyone Sings:
NADH is a product too, that you can surely use, when NAD's reduced
NADH is a product too, that you can surely use, when NAD's reduced

Animações sobre a síntese de ATP

Aqui fica os links para o download de 2 animações em flash sobre a síntese de ATP na fosforilação oxidativa.

Animação 1: http://www.mediafire.com/?3wgu6d9e9czr69b

Animação 2: http://www.mediafire.com/?o5ltn3nvo3t57eb

Música sobre síntese de ATP

Aqui vai uma música (bem mais moderna do que as do Dr. Baum), sobre síntese de ATP.

Contribuição do Leonardo. :)