Cadeia Transportadora de Eletrões

Na cadeia transportadora de eletrões, a energia livre obtida da transferência de eletrões do dinucleótido de nicotinamida e adenina (NADH) e do dinucleótido de flavina e adenina (FADH₂) para o O₂, através de centros redox ligados a proteínas, está diretamente ligada à síntese de trifosfato de adenosina (ATP).

A termodinâmica do transporte de eletrões

Pode-se estimar a eficiência termodinâmica do transporte de eletrões através do conhecimento dos potenciais padrão de redução. Nas reações oxidação-redução, a afinidade de um substrato oxidado para um eletrão aumenta com o seu potencial padrão de redução, E₀’. A diferença do potencial padrão de redução, ΔE₀’, para uma reação redox envolvendo duas meias reações é expresso por:

ΔE₀’ = E₀’_{(aceitador e-)}  – E₀’_{(dador e-)}

A oxidação do NADH é altamente exergónica:

As meias reações para oxidação do NADH são:

NAD⁺ + H⁺ + 2e^– ↔ NADH E₀’ = -0.315 V

½ O₂ + 2H⁺ + 2e^– ↔ H₂O E₀’ = 0.815 V

Uma vez que a meia reação O₂/H₂O tem um maior potencial padrão de redução e, portanto, uma maior afinidade para um eletrão, a meia reação do NADH realiza-se no sentido inverso, fazendo com o que o NADH seja o dador de eletrões e o O₂ o aceitador. A reação geral é:

½ O₂ + NADH + H⁺ ↔ H₂O + NAD⁺

Fazendo com que:

ΔE₀’ = 0.815 – (-0.315) = 1.130 V

A variação de energia padrão pode ser calculada por:

ΔG₀’ = -nFΔE₀’

Onde o F, a constante de Faraday, é 96485 C.mol^-1 de eletrões e o n é o número de eletrões transferidos por mol de reagente. Assim, e uma vez que 1 V = 1 J.C^-1, a oxidação de 1 mol de NADH pelo O₂, sobre condições bioquímicas padrão, está associada à libertação de 218 kJ de energia livre.

O transporte de eletrões é termodinamicamente eficiente:

A energia livre padrão necessária para a síntese de 1 mol de ATP a partir de ADP + P_i é 30.5 kJ. A energia livre padrão de oxidação do NADH pelo O₂, se acoplada à síntese de ATP, é, portanto, suficiente para conduzir a formação de várias moléculas de ATP. Este acoplamento é conseguido através de uma cadeia transportadora de eletrões em que os eletrões são transportados através de três complexos proteicos que contêm centros redox com uma afinidade para os eletrões que vai aumentando ao longo da cadeia, em vez de os eletrões se ligarem diretamente ao O₂. Isto permite que haja a produção de ATP a partir de um processo chamado de fosforilação oxidativa. Portanto, a oxidação de 1 NADH resulta na síntese de aproximadamente 3 moléculas de ATP. A oxidação de 1 FADH₂, em que o seu contributo é regulado por um quarto complexo proteico, traduz na síntese de aproximadamente 2 moléculas de ATP. A eficiência termodinâmica da fosforilação oxidativa é de 42% sob condições bioquímicas padrão. No entanto, sob condições fisiológicas, a eficiência termodinâmica pode chegar aos 70%, bem maior do que a eficiência de um motor automóvel que ronda os 30%.

A sequência do transporte de eletrões

A energia livre necessária para a produção de ATP é extraída a partir da oxidação do NADH e FADH₂ pela cadeia transportadora de eletrões, que se apresenta como uma série de quatro complexos proteicos através dos quais os eletrões são transportados do potencial padrão de redução mais baixo para o mais elevado. Os eletrões são transportados do Complexo I e II para o Complexo III pela coenzima Q (também denominada de CoQ ou ubiquinona), e do Complexo III para o Complexo IV pelo citocromo c,

O complexo I catalisa a oxidação do NADH pela CoQ:

NADH + CoQ (oxidada) à NAD⁺ + CoQ (reduzida)

ΔE₀’ = 0.360 V

ΔG₀’= -69.5 kJ.mol^-1

O complexo III catalisa a oxidação da CoQ (reduzida) pelo citocromo c:

CoQ (reduzida) + 2 citocromo c (oxidado) à CoQ (oxidado) + 2 citocromo c (reduzido)

ΔE₀’ = 0.190 V

ΔG₀’= -36.7 kJ.mol^-1

O complexo IV catalisa a oxidação do citocromo c (reduzido) pelo O₂, o aceitador final de eletrões da cadeia transportadora:

2 citocromo c (reduzido) + 1/2O2 à 2citocromo c (oxidado) + H2O

ΔE₀’ = 0.580 V

ΔG₀’= -112 kJ.mol^-1

A variação do potencial padrão de redução dos eletrões à medida que passam do complexo I, III e IV corresponde, a cada estágio, a uma energia livre suficiente para promover a síntese de moléculas de ATP.

O complexo II catalisa a oxidação do FADH₂ pela CoQ:

FADH₂ + CoQ (oxidada) à FAD + CoQ (reduzida)

ΔE₀’ = 0.085 V

ΔG₀’= -16.4 kJ.mol^-1

Esta última reação não liberta a energia livre suficiente para sintetizar ATP; somente injeta, na cadeia transportadora, eletrões provenientes do FADH₂.

Outros assuntos relacionados:

• Fosforilação oxidativa
• Oxidorredutase da NADH-Q (Complexo I)
• Oxidorredutase da Coenzima Q (Complexo II)
• Complexo do citocromo bc1 (Complexo III)
• Oxidase do citocromo c (Complexo IV)
• Sintase do ATP (Complexo V)