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OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS:
Cadeia respiratória e fosforilação
oxidativa
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
Metabolismo: integração entre catabolismo e anabolismo
Estágio 1Produção deAcetil-CoA
Estágio 2Oxidação deAcetil-CoA
Estágio 3Transporte
de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
mitocôndrias
Localização da glicólise e do ciclo de Krebs (tricarboxilicos ou dos ácidos cítricos) e do transporte de elétrons e fosforilação
Citoplasma Interior da mitocôndria
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
A variação de energia livre na hidrólise do ATP é grande e negativa
A hidrólise diminui a repulsão entre as cargas
Estabilização por ressonância
Ionização
Os produtos formados na hidrólise do ATP são mais estáveis porque fazem ressonância e apresentam menos repulsão eletrostática
Existem duas formas de formação do ATP
1 – Fosforilação ao nível de Substrato
2 – Fosforilação através da cadeia transportadora de elétrons acoplada a fosforilação
(nos animais)
Gliceraldeido 3-fosfato desidrogenase
•Enzima da via glicolítica•NADH produzido no citoplasma*•Destino do NADH em meio aeróbico e meio anaeróbico
Produto desta reação contémenergia para fosforilar ADP emATP
(1)
Fosforização ao nível de substratoFosforização ao nível de substrato
Conversão do succinil-CoA em succinatoConversão do succinil-CoA em succinato Etapa de fosforilação da enzima Etapa de fosforilação da enzima GTP ou ATP (GTP ou ATP (ΔΔG’º = 0)G’º = 0)
(1)
No passo 1, um grupo fosforil ocupa o lugar da CoA no succinil-CoA ligado a enzima, formando um composto acila-fosfato de alta energia. No passo 2, o succinil-fosfato cede seu grupo fosforil para um resíduo de histidina da cadeia polipeptídica da enzima, formando um derivado de alta energia. No passo 3, o grupo fosforil é transferido desse resíduo de His para o grupo fosfato terminal da molécula de GDP (ADP) formando GTP (ATP).
Mecanismo da reação
da succinil-CoA
sintetase
Inicialmente o succinil-CoA se liga à enzima succinil-CoA sintetase.
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS:
Cadeia respiratória e fosforilação
oxidativa
Estrutura da mitocondria
• Membrana externa
• Membrana interna
• Matriz mitocondrial
Estudo dos componentesda membrana mitocondrial
Complexos proteícos transportadores de elétrons
O que são grupos prostéticos?
COMPONENTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA
COMPLEXO I: recebe elétrons do NADHCOMPLEXO II: recebe elétrons do FADH2
UBIQUINONA (Q)COMPLEXO IIICITOCROMO c e COMPLEXO IV
NADH NAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
Nucleotídeos: transporte energia
NADH + H+ NAD+
SuccinatoFumarato
Matriz
ADP + Pi
ATP
H2O1/2 O2 +
2H+
Cit cEspaço
intermembrana
F1
F0
H+
4H+ 2H+
4H+
P O
HHH H
O
N
N
NH2
N
N
HO
OH
CH2P OHO
O-
O
O-
O
ADP
HPO42-
+
P O
HHH H
O
N
N
NH2
N
N
HO
OH
CH2P OP OO-
O
O-
O
O-
O
-O
ATP+
H2O
Ligações fosfoanidrido
Ligações fosfoéster
O gradiente eletroquímico de prótons gerado durante o transporte de elétrons é usado para síntese de ATP através do complexo ATPsintase
Matriz
Espaço intermembrana
H+ H+H+
H+
H+
H+H+ H+
H+
Fo
F1
Modelo mostrando a síntese de ATP
Proteínas transportadoras de eletrons
Proteínas integrais e periféricas
Extrusão de prótons
Complexo ATP sintase
Gradiente químico
Gradiente elétrico
Gradiente eletroquímico
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
Potencias de óxido-redução
Ared Aox + e- oxidaçãoAs formas oxidada e reduzida do composto (Ared / Aox ) constituem um sistema chamado par redox.
Box + e- Bred redução
Ared + Box Aox + Bred reação de óxido-redução Nas reações de óxido redução biológicas, os elétrons transferidos são geralmente acompanhados de prótons ou seja há transferência de átomos de hidrogênio:
AH2 + B A + BH2
(red) (ox) (ox) ( red)
A tendência do par redox (Ared / Aox ) em perder ou ganhar elétrons é
expressa pelo seu potencial de óxido-redução, representado por E que depende das espécies envolvidas e das concentrações da forma oxidada e reduzidas das espécies.
Reações de óxido-redução
Célula eletroquímica de
referência. H2 gasoso a pressão de 101 KPa e 1M
de H+
Célula teste contendo 1M das
espécies reduzida e
oxidada do par redox em exame
Fe+3 + Cu+ ↔ Fe+2 + Cu+2
Potenciais de Oxido-reduções
Fe+3 + e- ↔ Fe+2 (redução)Cu+ ↔ Cu+2 + e- (oxidação)
2 H+ + 2e- H2 (referência)NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste)
Potencial de redução padrão (E0)
Potencial de redução padrão bioquímico (E0’)
2 H+ + 2e- H2 (referência)E = 0 V
NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste)E0’ = - 0,320 V
• Uma vez conectadas as meias células, os elétrons fluem de uma meia célula para outra
• Se a reação se proceder na seguinte direção: X- + H+ X + ½ H2
• Nas meias células as reações serão: X- X + e-
H+ + e- ½ H2 • Os eletrons fluem da meia célula onde está a substância
teste (X) para a meia célula de referência ( padrão)• Dessa forma , o eletrodo é negativo em relação ao eletrodo
padrão.• O potencial redox do par H+: H2 é definido como sendo 0 V
(volts)• Potencial negativo significa que um substrato tem menor
afinidade por elétrons do que H2
• Potencial positivo significa que um substrato tem maior afinidade por elétrons que H2
OXIDAÇÃO DO NADH ATÉ OXIGÊNIO
NAD+ + H+ + 2e- NADH Eo' = - 0,32V
½O2 + H+ + 2e- H2O Eo' = + 0,82V
A reação acontecerá da seguinte forma:
½O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ Eo' = +1,14 V
Aplicando a equação:Go' = - nF.Eo'
= -2 x 96.500 x [0,82 - (- 0,32)] = - 220 kJ /mol
Potenciais de óxido-redução
ΔEo' = Eo' do oxidante - Eo' do redutor = 0,82 - ( - 0,32) = 1,14 V
• Um forte agente redutor, como NADH e FADH2 tem potencial redox negativo
• Um forte agente oxidante, como O2 , tem potencial redox positivo
• A variação de energia livre de uma reação de oxido-redução pode ser facilmente calculada somente avaliando a diferença de potencial redox dos reagentes e produtos.
Proteínas transportadoras de eletrons
Complexo I= NADH desidrogenaseComplexo II= succinato desidrogenaseComplexo III= ubiquinona: citocromo c oxidoredutaseCitocromo c Complexo IV= citocromo oxidase
NADH: ubiquinona oxidoredutase
NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- NADH desidrogenase (FMNH2) flavina mononucleotídeo é derivado da riboflavina (vitamina B2)Os centros Fe-S não recebem protons , são transportadores de eletrons. Fe3+ para Fe2+. Os protons são transferidos para o espaço intermembrana. Primeira etapa na formação do gradiente de prótons.
Complexo II também chamado de succinato desidrogenase. A enzima succinato desidrogenase faz parte do complexo
Grupo prostéticos: FAD e centros Fe-SEletrons são transferidos do succinato ao FAD, aos centros Fe-S e depois para a ubiquinona (Q).
Outras desidrogenases: acil-CoA desidrogenase da β-oxidação transfere os eletrons para a enzima transferidora de eletrons (ETF) que tem o FAD como grupo prostético e depois para a ETF: ubiquinona oxidoredutase e finalmente para a ubiquinona.
Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise
Coenzima Q ou ubiquinona
Cadeia lateral composta de unidades isoprênicas. Não é uma proteína.Naureza hidrofóbica = mobilidade na fase lipídica da membrana.Recebe 2 protons e dois eletrons e se torna reduzida (ubiquinol).
O ion Ferro presente no grupo heme é o responsável pela capacidade de transferência de eletrons destas proteínas, alternado seu estado de oxidação de Fe+2 e Fe+3. O grupo heme varia de citocromo para citocromo conforme seus grupos substituintes.Também diferem quanto aos ligantes axiais do ion ferro.
Complexo citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c oxido redutase
(complexo III)Constituído de dois citocromos b (b562 e b566), por um centro Fe-S
e pelo citocromo C1.Os eletrons da coenzima Q são transferidos para o complexo III e os prótons são transferidos para para o espaço intermembrana.
Sítios de ação de drogas que inibem a fosforilação oxidativa: antimicina e mixotiazol.
Complexo IV: transfere eletrons para o oxigênio. Também é chamado de citocromo c oxidase. Apresenta dois citocromos do tipo a (a e a3) e dois íons cobre, cada qual associado a um dos dois citocromos. Estados de oxidação do cobre: Cu+2 e Cu+1. O complexo IV é responsável pela doação de quatro eletrons para a molécula de oxigênio, que ligando-se aos prótons do meio converte-se em H2O. 95% de todo oxigênio consumido é utilizado nesta operação e são produzidos cerca de 300 ml de água, chamada de água metabólica (humanos). Animais que hibernam e animais que passam longos períodos sem ingerir água (camelos) utilizam a água metabólica.
O ΔG (força próton-motora) resultante do gradiente químico e do gradiente elétrico, é capaz de realizar a síntese de ATP.
A PRODUÇÃO DE ATP É ENZIMÁTICA
Complexo ATP sintase compreende dois componentes: cada componente é constituído de várias cadeias polipeptídicas. Uma porção, esférica, chamada de fator de acoplamento 1 (F1) que contém os sítios de síntese de ATP. A segunda porção fica embebida na membrana interna mitocondrial interna, constituindo um canal para a entrada de prótons (Fo ) assim chamado porque contém um sítio de ligação para a oligomicina, um inibidor da ATP sintase.
COMPONENTES DA FoF1ATPase
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
ADP e Pi são substratos para a ATP sintase.
Succinato é o substrato da Succinato Desidrogenase
Cianeto é uma droga que inibe a
citocromo c oxidase (inibe o transporte de elétrons)
Venturicidina e oligomicina inibem o complexo Fo (inibem a ATP sintase).
DNP é um carreador de prótonshidrofóbicos (desacoplam a Fosforilação do transporte de elétrons).
Desacopladores: são compostos que dissociam o transporte de elétrons da síntese de ATP.
Exemplo: DNP e FCCP dissipam o gradiente de prótons.
Adenina nucleotídeo translocase e fosfato translocase
ATP/ADP = ATP/ADP =
A produção de ATP acontece interligada a processos de transporte
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
NADH = 2,5 ATPFADH2 = 1,5 ATP
NADH via lançadeira glicerol fosfato = 1,5 ATPNADH via lançadeira malato-aspartato = 2,5 ATP
Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise
Lançadeira malato-aspartato
Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa
1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-
6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema
FORMAÇÃO DE CALOR (tecido adiposo marron)
• Esta proteína que tem a sigla em inglês de UCP, é a principal produtora de calor em mamíferos.
• Ocorre principalmente em animais que hibernam.
• Também tem relação com diferenças no metabolismo entre as diferentes pessoas.
• A energia derivada do transporte de elétrons é liberada como calor. UCP
• Transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente relacionados.
• Os substratos deste processo são: coenzimas reduzidas, oxigênio, ADP e Pi.
• O limitante destes processos é a concentração de ADP. Daí é o regulador mais importante. A regulação da velocidade de oxidação das coenzimas exercida pela concentração de ADP chama-se controle respiratório.
• As vias que dependem da reciclagem das coenzimas oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons (por exemplo, o ciclo de Krebs) dependem da razão ATP/ADP. O próprio ADP participa das regulações das enzimas alostéricas.
Regulação do Sistema