Citocromos da cadeia de transporte de elétrons

Os componentes principais da cadeia de transporte de elétrons são quatro multicomplexos protêicos na membrana mitocondrial interna: succinato-CoQ redutase, NADH-CoQ redutase, CoQH$_2$-citocromo c redutase e citocromo c oxidase. O último complexo transfere elétrons para o O$_2$ para formar H$_2$O. Elétrons são transferidos através da cadeia de transporte de elétrons pela redução e oxidação reversível de centros de Fe-S, ubiquinona (CoQ), citocromos e íons de cobre. Cada carreador aceita um elétron ou um par de elétrons de um carreador com um potencial de redução menos positivo e transfere o elétron para um carreador com um potencial de redução mais positivo. Então, os potenciais de redução dos carreadores de elétrons favorecem um fluxo unidimensional do NADH e FADH$_2$ para o O$_2$. Vamos considerar agora apenas os citocromos da cadeia de transporte de elétrons.

A reação de troca de elétrons nos citocromos ocorre em um átomo de ferro, coordenado em um anel de porfirina, no centro da proteína. Citocromos no estado reduzido contêm Fe(II) e, no seu estado oxidado, Fe(III). Portanto, a reação de tranferência é de um só elétron. Por simulações computacionais que levam em conta efeitos estéricos e eletrostáticos, é possível gerar modelos plausíveis do complexo formado quando dois citocromos se aproximam para que ocorra a troca de elétron. Da figura 5 é fácil ver que não podemos ter um mecanismo de esfera interna. A única possibilidade é que esteja ocorrendo uma reação de esfera externa de longa distância. Um questão que se coloca é se o elétron é transferido através da cadeia polipeptídica ou através do espaço. Evidências de que a transferência ocorre pelo espaço são discutidas em [2]

Fig. 5. Um estágio na simulação computacional do encontro entre duas proteínas de transporte de elétrons. As áreas hachuradas correspondem aos anéis de porfirinas com ferr0 (figura retirada de [6]).

A dependência da constante de velocidade com a distância é normalmente interpretada em termos de tunelamento quântico, quando temos uma partícula com energia insuficiente para cruzar uma barreira energética ``atravessando'' uma tal barreira, sendo que sua função de densidade de probabilidade decai exponencialmente com a distância, após cruzar a barreira. Quando se comparam estruturas semelhantes, este modelo reproduz bem os resultados experimentais. Isso mesmo, o transporte de elétron de um citocromo ao outro ocorre por tunelamento quântico!

Vamos analisar agora a dependência energética da velocidade de transferência de elétron à luz da teoria de Marcus, da qual tratamos anteriormente. Se $k$ é a constante de velociade da reação, $k_1$ e $k_2$ são as constantes de velocidade das reações de troca e $K$ é a constante de equilíbrio da reação global, temos

$$k^2=k_1k_2Kf \qquad f\approx 1$$ (6)

que também pode ser escrita como

$$\log k=\log (k_1k_2)^{1/2}-\frac{\Delta G^{\ominus}}{2RT}$$ (7)

onde, de novo, $\log$ denota o logaritmo natural na base $e$.

O produto $k_1k_2$ reflete a barreira intrínseca para o transporte de elétrons dos dois complexos. A constante de equilíbrio $K$ é uma medidada da energia livre de Gibbs de reação. O produto $k_1k_2$ não é fácil de se obter para proteínas, pela dificuldade em se estrudar reações de troca em proteínas. Podemos partir de uma reação com uma molécula pequena, determinando experimentalmente $k$, $k_2$ e $K$ e, assumindo que vale a equação de Marcus, calculando $k_1$, a constante de velociadade da reação de troca da proteína. A partir daí, usamos este valor de $k_1$ para as reações desta proteína com outras moléculas.

Podemos obter boas predições utilizando o mesmo valor de $k_1$ para proteínas com estruturas semelhantes. Contudo, como era de se esperar, para proteínas com estruturas significativamente distintas, caímos em uma grande discrepância (pois a estrutura da proteína é um fator fundamental para o valor de $k_1$).