Cadeia respiratória

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Peter Mitchell (1920-1992) foi o responsável por uma das mudanças em termos de paradigma mais consideráveis na bioquímica. Com seu trabalho ele trouxe a hipótese da quimiosmótica, que conectou o transporte biológico de elétrons à síntese do ATP. Ele era em síntese um bioquímico teórico, apesar de ter gerado dados experimentais para apoiar sua teoria. A ideia da cadeia respiratória foi formulada por David Keilin em Cambridge, pelo qual Mitchell se interessou já que ele era atraído pela ideia da compartimentalização nas células vivas e pelo aspecto vetorial (ou de mão única) dos processos metabólicos. Ele raciocinava que deveriam existir enzimas que, como os transportadores, convertiam um substrato de um lado da membrana em produto do outro lado. Utilizando evidências de outros cientistas a respeito da formação de um gradiente de pH pela cadeia respiratória, Mitchell explicou como esse gradiente impulsionava a síntese de ATP, propondo em seu artigo original, em 1961, que a cadeia respiratória associada às cristas mitocondriais gerava uma força próton-motiva, em consequência da diferença elétrica e de pH, por meio da membrana. Essa força impulsionava uma ATPase, trabalhando no sentido contrário, catalisando a condensação do fosfato com o ADP, formando ATP.

As mitocôndrias possuem uma membrana externa que é permeável a maioria dos metabólitos, que conta com a presença de diversas enzimas, das quais incluí-se a acil-CoA sintetase e a glicerolfosfato aciltransferase e outra membrana interna que tem permeabilidade seletiva, que envolve uma matriz, nela estão presentes o fosfolípideo cardiolipina, as enzimas da cadeia respiratória, à ATP-sintase e vários transportadores de membrana.

Os elétrons removidos do substrato (glicose, por exemplo) são passados a um carregador de elétrons, uma coenzima chamada de NAD+ (Dinucleótideo de nicotinamina e adenina), que é um derivado da vitamina niacina, funcionando como um agente oxidante durante as etapas anteriores da respiração, que é reduzido a NADH ao receber o par de elétrons e dois prótons do substrato. Esses elétrons removidos serão transportados pelo NADH ao “topo”, extremidade de alta energia da cadeia respiratória, que seguirá até a parte “inferior” da cadeia, que é a extremidade de baixa energia, onde encontrará o aceptor final de elétrons. Dessa forma, temos que o fluxo de elétrons na cadeia respiratória é realizado por intermédio de um espectro redox do NAD+/NADH para O2/H2O, passando por três grandes complexos proteicos. São eles o NADH-Q oxidorredutase (Complexo I), nele os elétrons são transferidos do NADH para a coenzima Q (Q), conhecida como ubiquinona, o Q-citocromo e c-oxidorredutase (Complexo III), que transfere os elétrons adiante para o citocromo c e o citocromo c-oxidase (Complexo IV), completando a cadeia, onde os elétrons são transferidos para o O2, que é reduzido para H2O.

Se compararmos a reação exergônica, de etapa única, do hidrogênio com o oxigênio, formando água, temos uma grande quantidade de energia na forma de calor e luz sendo liberada numa explosão. No caso da respiração celular, essa mesma reação ocorre, contudo em etapas ou passos, onde essa cadeia transportadora de elétrons freia a “queda” dos elétrons durante várias etapas, num movimento em cascata de uma molécula carreadora para a seguinte, em uma série de reações redox, na qual pequenas quantidades de energia são liberadas por etapa, até alcançarem o oxigênio, que é o aceptor final de elétrons, que tem grande afinidade por elétrons. Isso permite que haja o armazenamento de parte dessa energia liberada, de forma que possa ser utilizada na produção de ATP e parte seja liberada na forma de calor. Nessa transferência de elétrons iniciada pelo NADH há uma mudança de energia livre na ordem de -53 kcal, equivalente a -222 kJ/mol

A maioria das doenças mitocondriais, considerando as mais comuns e estudadas são aquelas que afetam a cadeia respiratória. Essas doenças são classificadas geneticamente por três tipos: