Chemiosmosis

Introduction

ATP is an essential requirement for the various metabolic processes taking place in living organisms. O fornecimento contínuo de ATP é necessário para a continuidade da vida. Qualquer interrupção na síntese de ATP pode resultar em eventos nocivos e potencialmente fatais.

na maioria dos sistemas vivos, o ATP é feito pela fosforilação de moléculas ADP já existentes. Este processo de fosforilação é um processo endotérmico que requer alguma energia química. Esta energia é fornecida pela quebra dos compostos complexos obtidos a partir de alimentos como acontece em organismos heterotróficos ou pela captura e utilização da energia solar na forma de luz, como acontece na fotossíntese.

em ambos os casos, a síntese de ATP ocorre pelo processo de quimiosmose. A quimiosmose é definida como o movimento dos iões para baixo do seu gradiente de concentração através de uma membrana semipermeável, ou seja, osmose dos iões. Neste artigo, discutiremos em detalhe a teoria quimiosmótica, e os mecanismos pelos quais ela ajuda a fazer a ATP, a moeda de energia da célula.A teoria quimiosmótica foi apresentada pela primeira vez por Peter D. Mitchell em 1961. He suggested that most of the ATP in the metabolic cells is synthesized by utilizing the energy stored in the electrochemical gradient across the inner mitochondrial membrane. Este gradiente eletroquímico foi estabelecido pela primeira vez usando as moléculas de alta energia, NADH, e FADH2. Estes compostos foram formados durante o metabolismo de moléculas de alimentos como glicose, etc.

durante o metabolismo do oxigénio, é metabolizado para formar acetil CoA, que é ainda metabolizado na matriz mitocondrial. As moléculas de acetil CoA estão sujeitas a oxidação em um processo chamado ciclo de ácido cítrico. Este ciclo é combinado com a redução de intermediários como NAD e FAD. Os intermediários de alta energia (NADH e FADH2) formados como resultado da redução são levados para a cadeia de transporte de elétrons (ETC).

estes intermediários de alta energia são, de facto, os portadores de electrões. Os elétrons de NADH e FADH2 são doados para a cadeia de transporte de elétrons. À medida que os elétrons se movem para baixo do ETC, uma grande quantidade de energia é liberada que é usada para produzir o gradiente eletroquímico através da membrana mitocondrial interna. A energia deste gradiente é mais tarde usada para conduzir uma bomba de protões, que eventualmente fosforilatos ADP para ATP.

esta teoria quimiosmótica não foi aceita imediatamente, pois era contra os pontos de vista dos cientistas na época. Acreditava-se que a energia do fluxo de elétrons era armazenada na forma de alguns intermediários de alta energia que eram diretamente usados para fazer ATP. Entretanto, com o tempo, as evidências científicas começaram a provar a hipótese quimiosmótica. A teoria foi aceita, e Mitchell foi premiado com o Prêmio Nobel de Química em 1978.

the chemiosmotic theory now explains the ATP synthesis in mitochondria, chloroplasts, and many bacteria. As aplicações da teoria quimiosmótica em todas estas organelas são discutidas em detalhe nas partes subseqüentes deste artigo.A Quimiosmose na mitocôndria é a principal fonte de ATP durante a respiração celular nos procariontes. Este processo ocorre na mitocôndria das células vivas. Vamos entender a estrutura da mitocôndria antes de mergulhar no processo da quimiosmose.

Estrutura das Mitocôndrias

Mitocôndria membrana dupla-vinculado organelas presentes em todas as células eucarióticas, com algumas exceções. A membrana exterior é lisa enquanto a membrana interna apresenta várias inflorescências. A cadeia de transporte de elétrons está localizada na membrana mitocondrial interna.

cadeia de transporte de electrões

a cadeia de transporte de electrões é composta por quatro complexos proteicos incorporados na membrana mitocondrial interna.

• complexo I: é composto por NADH desidrogenase, FMN e uma proteína ferro-enxofre.Complexo II: este complexo tem uma enzima Succinato desidrogenase, FAD, e uma proteína ferro-enxofre tal como o complexo I.
• complexo II: é complexo citocromo com citocromo b e citocromo c1. Citocromos são as proteínas heme que atuam como portadores de elétrons.
• complexo IV: É outro complexo citocromo contendo citocromo a e citocromo a3. O citocromo a3 é citocromo contendo cobre. Além disso, outra proteína CuA contendo cobre também está presente neste complexo.

Coenzima Q é também um membro da cadeia de transporte de electrões. É um derivado da quinina com uma longa cauda isoprenóide embutida na membrana mitocondrial interna. É omnipresente na natureza e também é chamada ubiquinona. Devido à sua solubilidade lipídica e à sua estrutura isoprenóide, a coenzima Q Pode mover-se livremente ao longo da membrana mitocondrial interna. Portanto, também é considerado como um portador de elétrons livre ou móvel.

citocromo c, um citocromo presente no espaço intramembranoso, é também um componente da cadeia de transporte de electrões.

ATP Sintase

além da cadeia de transporte de elétrons, outro complexo está presente no interior da membrana mitocondrial chamado Complexo V. Esse complexo atua como um canal de prótons e tem uma capacidade intrínseca de phosphorylate ADP para ATP. Assim, também é conhecido como ATP sintase.

o canal de protões na ATP sintase Está ligado a um anel. À medida que os prótons passam através do canal, eles giram o anel e a energia é gerada que é usada para fosforilar ADP.

espaço Intermembranoso

é um espaço entre as membranas mitocondriais exteriores e interiores. A concentração de diferentes íons neste espaço é diferente da matriz mitocondrial. Os protões da matriz mitocondrial são bombeados e armazenados neste espaço para a quimiosmose.

processo

o processo quimiosmótico na mitocôndria envolve as seguintes etapas;

• elétrons são fornecidos para a cadeia de transporte de elétrons através dos portadores de elétrons de alta energia como NADH e FADH2. NADH fornece elétrons ao complexo I do ETC, enquanto FADH2 fornece elétrons ao complexo II.
• os elétrons então se movem para baixo da cadeia de transporte de elétrons libertando uma quantidade considerável de energia. O fluxo de elétrons no ETC pode ser representado pela seguinte equação::

Complexo I -> Complexo II -> Coenzima Q -> Complexo III -> Citocromo c -> complexo IV -> Oxigênio

o Oxigênio funciona como aceitador final de elétrons na cadeia de transporte de elétrons.

• os iões ou protões do hidrogénio já se encontram numa concentração mais baixa na matriz mitocondrial. A energia liberada pelos elétrons é usada para bombear esses prótons para o espaço intermembranoso contra seu gradiente de concentração. Desta forma, a energia dos elétrons é armazenada na forma de um gradiente eletroquímico.
• à medida que os protões se reúnem no espaço intermembranoso para uma determinada concentração, eles começam a descer o seu gradiente de concentração através do canal de protões na ATP sintase. Durante este processo, eles giram o anel de prótons e liberam energia.Esta energia é usada pela ATP sintase para fosforilar ADP a ATP no lado estromal da membrana mitocondrial interna.

Importance

the chemiosmotic process in mitochondria is the source of obtaining energy via cellular respiration. Qualquer obstáculo neste processo tornará impossível a obtenção de energia através da respiração celular.

inibição

este processo pode ser inibido por qualquer inibidor da cadeia de transporte de electrões ou proteínas não recoller. Canais proteicos descoupler que fornecem um caminho alternativo para protões para entrar no estroma mitocondrial sem passar pela ATP sintase. A energia do gradiente electroquímico é desperdiçada sob a forma de calor e não se produz ATP. Algumas drogas também atuam como proteínas uncoupler como a Asprina.

Quimiosmose em cloroplastos

cloroplastos são as organelas presentes em autotróficos fotossintéticos. A quimiosmose nas organelas ocorre durante reações de fotossíntese dependentes da luz, quando a energia dos elétrons fotoexcitados é usada para fazer ATP para reações escuras.Vamos primeiro entender a estrutura dos cloroplastos.

estrutura

tal como as mitocôndrias, os cloroplastos também são organelas de membrana dupla. No entanto, ambas as membranas dos cloroplastos são lisas sem qualquer inflexão. O estroma dos cloroplastos enchia a maior parte do espaço das organelas.Os tilacóides são estruturas em forma de moeda presentes no interior dos cloroplastos que são empilhados uns sobre os outros para formar grana. Thylakoids are the site for light-dependent reactions and chemiosmosis. Eles são compostos por um lúmen ligado por uma membrana chamada membrana tilacóide.

os Fotossistemas de moléculas de clorofila e a cadeia de transporte de electrões estão localizados na membrana tilacóide.

cadeia de transporte de electrões

a cadeia de transporte de electrões nas membranas tilacóides é diferente da presente nas mitocôndrias. É associado com os fotossistemas presentes nas membranas tilacóides.Os Fotossistemas são os aglomerados de moléculas de clorofila que coletam a energia da luz, usam-na para excitar os elétrons das moléculas de clorofila e transferem-na para a cadeia de transporte de elétrons.

um portador de electrões chamado plastoquinona (Pq) está presente em estreita associação com o fotossistema II.

Um citocromo complexo composto de dois cytochromes estão presentes junto ao photosystem II.

Próximo da série é o photosystem I. cobre contendo proteína chamada plastocyanin (Pc) e de um ferro que contém proteína chamada ferredoxin (Fd) estão presentes em estreito contacto com photosystem I. Ambas estas proteínas são as transportadoras de elétrons.

ATP Synthase

próximo ao sistema fotográfico I é ATP synthase. Tem uma estrutura semelhante à ATP sintase presente na membrana mitocondrial interna. A única diferença é que o canal protão está localizado em direção ao lúmen do tilacóide, enquanto o domínio F0 com capacidade de fosforilação está localizado em direção ao estroma do cloroplast.

Process

the chemiosmosis on thylakoid membranes takes place during the light-dependent reactions. Ocorre no caso de fluxo de elétrons cíclico e não cíclico.

fluxo de elétrons não cíclicos

durante este processo, elétrons fotoexcitados movem-se através dos dois fotossistemas. Envolve os seguintes passos;

• os fótons da luz caem nos fotossistemas e excitam os electrões.
• os electrões fotoexcitados movem-se através da cadeia de transporte de electrões. O caminho para estes elétrons pode ser representado pela seguinte equação:

Photosystem I -> Plastoquinone -> Complexo Citocromo -> Plastocyanin -> Photosystem II -> Ferredoxin -> NADP

NADP é o aceitador final de electrões.

• à medida que os electrões se movem para baixo da cadeia de transporte de electrões, é libertada energia que é usada para bombear iões de hidrogénio do estroma dos cloroplastos para o lúmen dos tilacóides.
• a energia dos electrões é armazenada na forma de gradiente electroquímico de protões através da membrana tilacóide.
• estes protões descem o gradiente de concentração de volta para o estroma enquanto passam pelo canal de protões da ATP sintase. Durante a sua viagem, os protões giram o anel e libertam energia.Esta energia é usada para fosforilar ADP a ATP no estroma dos cloroplastos.

fluxo cíclico de electrões

no fluxo cíclico, os electrões fotoexcitados passam através da cadeia de transporte de electrões e regressam ao fotossistema I após cada ciclo. O fluxo de elétrons é representado da seguinte forma:

Photosystem II -> Ferredoxin -> Complexo Citocromo -> Plastocyanin -> Photosystem II

Como o elétron passa através da cadeia de transporte de elétrons, a sua energia é usada para bombear prótons para o thylakoid lúmen. ATP é feita quando esses prótons se difundiram de volta para o estroma, assim como o fluxo não cíclico de elétrons.

Importance

Chemiosmosis in chloroplasts is the source of ATP molecules for dark reactions of photosynthesis. Se o processo quimiosmótico não consegue fazer moléculas de ATP, as reações escuras não podem prosseguir, e os organismos não conseguem produzir glicose. Este processo quimiosmótico tem a importância primordial no processo de fotossíntese. É o processo pelo qual a energia leve é convertida em energia química e armazenada como altas ligações de energia nas moléculas de ATP.

Summary

Chemiosmosis is the movement of protons down the concertation gradient acoplado with the ATP synthesis in cellular respiration as well as photosynthesis.Peter D. Mitchell propôs esta hipótese pela primeira vez em 1961. No início, não foi aceite. No entanto, após alguns anos, foi amplamente aceito com base em evidências experimentais.A Quimiosmose envolve as cadeias de transporte de elétrons localizadas nas mitocôndrias e cloroplastos.O processo quimiosmótico na mitocôndria ocorre durante a respiração celular.

• NADH and FADH2 provide electrons to the ETC on the inner mitochondrial membrane.À medida que os elétrons se movem para baixo do ETC, os prótons são bombeados contra o gradiente de concentração.
• o próton move-se de volta para a matriz passando pela ATP sintase.
• os protões libertam energia que é usada para fazer ATP.

the chemiosmotic process in chloroplasts stakes place during photosynthesis.

• os electrões fotoexcitados movem-se para baixo do ETC na membrana tilacóide.
• a energia do elétron é usada para bombear o próton do estroma para o lúmen tilacóide.Quando os protões voltam para estroma, passam pela ATP sintase.
• a energia ou protões é usada para fazer ATP pela ATP sintase.Este processo ocorre durante o fluxo cíclico e não cíclico de elétrons nas reações dependentes da luz.