A fosforilação oxidativa é o processo metabólico de síntese de ATP a partir da energia liberada pelo transporte de elétrons na cadeia respiratória. Todo o processo depende de dois fatores, a energia livre obtida do transporte de elétrons e armazenada na forma de gradiente de íons hidrogênio e uma enzima transportadora denominada ATPsintase. Durante o fluxo de elétrons há liberação de energia livre suficiente para a síntese de  ATP em 3 locais da cadeia respiratória: Complexos I, III e IV. Estes locais são denominados "SÍTIOS DE FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA". Nestes locais a liberação de energia livre é em quantidade equivalente à necessária para a síntese do ATP.  

              A Enzima ATPsintase ou ATPase, ou ainda, F1FoATPase, é uma enzima de estrutura muito complexa, formada por 16 sub-unidades polipeptídicas distribuídas em 2 frações funcionais: as frações Fo e F1.

               A Fração F1 é semelhante a uma maçaneta cujo cabo seria a fração Fo. Está ligada na membrana mitocondrial interna (nas cristas), sempre voltada para o lado da matriz mitocondrial. Possui 9 unidades polipeptídicas de 5 tipos diferentes - 3 a , 3 b , 1 g , 1 d e 1 e - e vários sítios de ligação com o ATP, ADP e fosfato. Tem atividade de síntese do ATP, mas para isso precisa estar associada à fração Fo; quando dissociada de Fo, só é capaz de hidrolizar o ATP.

               A Fração Fo atua como um canal de prótons através da membrana mitocondrial interna. É formada por um conjunto de 9 a 12 polipeptídeos localizados através dessa membrana, e está ligada à F1 sempre do lado da matriz mitocondrial. O "o" subscrito não é um zero, mas sim a letra inicial da palavra "oligomicina", um potente inibidor desta enzima e, por conseqüência, da fosforilação oxidativa.

 

A Hipótese Quimiosmótica para transferência de eletrons

             Segundo Mitchell, as condições para que ocorra a fosforilação oxidativa são um bombeamento de prótons pela cadeia respiratória, criando um fluxo da matriz para o citosol e uma membrana mitocondrial interna impermeável a prótons e íntegra.

              A partir desta situação, Mitchell prevê os seguintes eventos na membrana mitocondrial interna: a Cadeia Respiratória, ao transportar os elétrons, bombeia prótons da matriz para o citosol; a membrana mitocondrial interna, por ser impermeável a prótons, impede o retorno destes à matriz; cria-se um GRADIENTE DUPLO - de pH e eletrostático - através da membrana mitocondrial interna, que gera uma situação de alta instabilidade e, por conseqüência, uma força que atrai os prótons de volta. Esta força, chamada força próton-motriz, dirige o refluxo de prótons à matriz mitocondrial através dos canais de prótons da enzima ATPase; a passagem dos prótons pela ATPase determina a síntese do ATP.

 

Transporte de Equivalentes Redutores

                Os elétrons do NADH que são obtidos em vias oxidativas citosólicas e, principalmente em vias mitocondriais - como a cadeia glicolítica, por exemplo, entram na mitocôndria através de um sistema de transporte conhecido como "Transporte  Malato/Aspartato". Através deste processo, o oxaloacetato é reduzido a malato no citosol, este atravessa a membrana mitocondrial interna para ser reoxidado a oxaloacetato com redução do NAD, agora na matriz mitocondrial. O processo ocorre com gasto de energia.

A Cadeia de Transportadores  

 

                Os transportadores de elétrons da cadeia respiratória e sua seqüência estão descritos a seguir:

  NADH-Desidrogenase:

               É o primeiro transportador da seqüência; recebe os pares de elétrons do NADH e os transfere para a Ubiquinona. Possui um grupo prostético FMN Flavina Mononucleotídeo que intermedia o processo.

                                                 NADH + H+ + FMN ? NAD+ + FMNH2

  Succinato-Desidrogenase:

                Atua no Ciclo de Krebs, e tem o FAD como grupo prostético; também doa seus elétrons do FADH2 diretamente para a Ubiquinona.

  Ubiquinona:

 

Recebe os pares de elétrons do NADH e do FADH2 e os transfere para uma seqüência de Hemeproteínas denominadas citocromos.

Os citocromos são divididos em 3 classes principais: citocromos a, b e c.

Citocromo b: É o primeiro citocromo da seqüência a reduzir; transfere os elétrons da ubiquinona para o citocromo c1.
Citocromo c1: Recebe os elétrons de b e doa para o citocromo c.
Citocromo c: Transfere os elétrons do c1 para o citocromo a . Difere dos outros citocromos por ser uma proteína  hidrossolúvel.

Citocromo a: Transfere os elétrons de c para o citocromo a3.
Citocromo a3 : Último citocromo da seqüência, doa o par de elétrons para o oxigênio, que reduz para formar uma molécula de água.
Oxigênio: É o aceptor final de elétrons da cadeia respiratória; sua redução a água é a última etapa da respiração celular.

Balanço Final da respiração Celular

                Ao calcularmos o rendimento em ATPs da oxidação total de uma molécula de glicose, e considerando que cada par de elétrons do NADH rende 3 ATPs, e cada par de elétrons do FADH2 rende 2 ATPs na fosforilação oxidativa, temos:

 

10 NADH

30 ATPs

2 FADH2

4 ATPs

2 ATPs + 2 GTPs

4 ATPs

Total:

38 ATPs

 

               Este número pressupõe gasto de ATP zero em processos paralelos, o que não ocorre na prática; considerando-se o gasto de ATP utilizado no início da respiração, o balanço final gira em torno de 36 ATPs.