A lógica química da... Fermentação e Respiração

Prof. Doutor Pedro Silva

Professor Associado, Universidade Fernando Pessoa

Aula em vídeo: Fosforilação oxidativa

Os electrões libertados pela oxidação de substratos são transferidos pelas enzimas para moléculas especiais: os aceitadores de electrões. Os aceitadores de electrões podem ser de vários tipos, e os mais comuns são o NAD⁺ e o FAD. Cada uma destas moléculas pode receber dois electrões, transformando-se respectivamente em NADH+H⁺ e FADH₂. Como as quantidades de NAD⁺ e FAD na célula são muito pequenas, é necessário haver mecanismos para transformar o NADH+H⁺ e FADH₂ de novo em NAD⁺ e o FAD. Isto é feito por transferência dos electrões do NADH+H⁺ e FADH₂ para outras moléculas, o que pode ocorrer por fermentação ou respiração. A distinção entre estes não é (ao contrário do que geralmente se pensa) o facto de um utilizar O₂ e o outro não!

Fermentação

Na fermentação, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH₂) é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH₂). Por exemplo, nos músculos, durante exercício físico intenso, o NADH produzido na glicólise transfere os seus electrões para o piruvato (uma molécula orgânica produzida também pela glicólise), dando origem a lactato.

(A relação entre a descida do pH dos músculos durante a produção do lactato e a ocorrência de cãibras é discutida em pormenor nestes dois artigos). Esta é a fermentação láctica . Existem muitos outros tipos de fermentação em microorganismos, sendo o mais conhecido a fermentação alcoólica:

Respiração

Na respiração, a molécula que recebe os electrões do NADH (ou FADH₂) não é um produto da mesma via metabólica que produziu o NADH (ou FADH₂). Existem microorganismos que utilizam como aceitador de electrões SO₄^2-, SeO₄^2- ,NO₃^-, NO₂^-, NO, U⁶⁺ (urânio), Fe³⁺, H⁺, etc. Os mamíferos utilizam O₂, e a sua respiração é por isso chamada respiração aeróbica. A respiração aeróbica ocorre na membrana interna da mitocôndria, que contém os complexos proteicos de transferência electrónica. Cada um destes complexos recebe electrões de uma molécula e transfere-os para outra molécula diferente, e o conjunto chama-se por isso cadeia transportadora de electrões:

• NADH desidrogenase ou complexo I. Em mamíferos é constituído por mais de vinte cadeias polipeptídicas, de muitas das quais não se conhece a função. Este complexo recebe os dois electrões do NADH+H⁺ e transfere-os através de agregados de Fe-S para uma molécula lipofílica a ubiquinona (Q), que se transforma então em ubiquinol (QH₂). Neste complexo a transferência de electrões para a ubiquinona liberta energia suficiente para transportar protões (H⁺) da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar, o que faz diminuir o pH do espaço intermembranar em relação à matriz. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
• sucinato desidrogenase ou complexo II. É a única enzima do ciclo de Krebs que não se encontra na matriz mitocondrial. Oxida succinato a fumarato, e transfere os dois electrões para uma molécula de FAD, que é reduzida a FADH₂. Posteriormente estes electrões são transferidos para a ubiquinona, tal como acontece no complexo I. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)
• citocromo bc₁ ou complexo III. Recebe os electrões do ubiquinol produzido pelos complexos I e II, e transfere-os para o citocromo c, uma pequena proteína solúvel presente no espaço intermembranar. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui).
• citocromo c oxidase ou complexo IV. Transfere quatro electrões para o O₂, reduzindo-o a duas moléculas de água. Estes electrões provêm de outras tantas moléculas de citocromo c. (Mais pormenores, incluindo uma estrutura tridimensional manipulável, aqui)

Nos complexos I, III e IV a transferência electrónica liberta energia suficiente para transportar H⁺ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranar. Isto provoca um aumento da concentração de H⁺ (e do potencial eléctrico) no espaço intermembranar, i.e. um maior potencial químico do H⁺ no espaço intermembranar do que na matriz. No entanto, quando se têm duas soluções de potencial químico diferente separadas por uma membrana, o soluto tem tendência para se deslocar do local onde o seu potencial químico é maior para o local em que o seu potencial químico é menor (o que, para uma substância sem carga eléctrica, é equivalente a mover-se dos locais de maior concentração para os de menor concentraçao).

No entanto, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao H⁺, em condições normais a única forma destes protões voltarem para a matriz é através de uma proteína especial: a ATP sintetase. Esta proteína é constituída por duas partes: um canal intermembranar de protões (F₀) e uma porção voltada para a matriz mitocondrial (F₁). A porção F₁ é constituída por várias subunidades com diferentes funções, e usa a energia do movimento de protões de volta à matriz para sintetizar ATP a partir de ADP e Pi.

A quantidade de ATP produzida pela ATP sintetase está por isso relacionada com a diferença de concentração de H⁺ através da membrana. Uma vez que a oxidação do NADH provoca transferência de protões da matriz para o espaço intermembranar em 3 complexos (I, III e IV) ao passo que a oxidação do FADH₂ só provoca essa transferência em dois complexos (III e IV) a quantidade de ATP produzida a partir do NADH é maior do que a produzida a partir do FADH₂. São produzidos quase 3 ATP por NADH e quase 2 ATP por cada FADH₂.

O NADH não consegue atravessar a membrana da mitocôndria. Existem por isso processos para transferir os electrões do NADH produzido no citoplasma durante a glicólise para a cadeia transportadora de electrões. Estes são:

o vaivém do malato-aspartato (que também é importante na gluconeogénese: o NADH transfere os seus electrões ao oxaloacetato. Este transforma-se em malato, que pode entrar na mitocôndria, onde é novamente transformado em oxaloacetato, com formação de NADH dentro da mitocôndria. Este NADH transfere então os seus electrões para a cadeia transportadora de electrões através do complexo I. Neste caso produzem-se aproximadamente 3 ATP por cada NADH citoplasmático.

o vaivém do glicerol-3-P. Neste vaivém, que é muito activo no tecido adiposo castanho, o NADH citoplasmático transfere os seus electrões à dihidroxiacetona-fosfato (DHAP), que é um intermediário da glicólise. Esta transforma-se em glicerol-3-P, que pode doa os seus electrões à ubiquinona através de uma glicerol-3-P desidrogenase situada na face externa da membrana interna da mitocôndria. Neste caso produzem-se aproximadamente 2 ATP por cada NADH citoplasmático.

É possível ocorrer respiração mitocondrial sem produção de ATP: basta arranjar uma forma de fazer com que os protões regressem à matriz sem passarem pela ATP sintetase. Isto pode ser feito com ionóforos: moléculas lipossolúveis com capacidade de transportar iões. São produzidas p. ex. por plantas, para se defenderem de fungos parasitas. No tecido adiposo castanho, existe uma proteína (a termogenina) que funciona como canal de protões na membrana interna da mitocôndria: o regresso dos protões à matriz através dessa proteína em vez da ATP sintetase é responsável pela geração de calor característica deste tipo de tecido.

Bibliografia

	Biochemistry, by Donald Voet & Judith Voet Um excelente livro. Expõe a Bioquímica com referências constantes à química orgânica e à lógica bioquímica. A inspiração destas páginas.... Particularmente indicado a estudantes de Licenciaturas em Bioquímica, Ciências Farmacêuticas ou Química.		Biochemistry, Stryer Um texto clássico, frequentemente actualizado e re-editado.
	Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, Thomas Devlin Aconselhado a estudantes de licenciaturas em Medicina, Enfermagem, etc. Imensos exemplos da aplicação da bioquímica a casos clínicos		Principles of Biochemistry, Lehninger Um texto clássico, frequentemente actualizado e re-editado.