BRRM - Bioenergetica e reacçSes Redox Mitocondriais Finalissima
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Bioenergética e Reacções RedoxMitocondriais
Cadeia Respiratória
Constituintes e caracterização da cadeia mitocondrial de transporte de electrões
Respiração Celular
Mecanismos de transporte de electrões na MitocôndriaFosforilação oxidativa
Oxi-reduções com e sem oxigénioFormas activas de oxigénio Sistema de protecção celular anti-oxidante
Realizado no âmbito da unidade curricular de Metabolismo e Endocrinologia do Curso de MEBM (2Ano)por: Grupo 2
André Zamith, nº58556Eduardo Bicacro, nº58615Pedro teixeira , nº58482
• As células do organismo humano necessitam de energia para realizar as funções que permitem a sustentabilidade da vida.
• A fosforilação oxidativa é o culminar de um processo de obtenção de energia realizado pelos organismos - a respiração celular aeróbia.
• A fosforilação oxidativa tem lugar na matriz mitocondrial.
Mitocôndria
É na matriz que ocorre o Ciclo de Krebs em eucariotas.
Membrana externa permeável à maioria das pequenas moléculas e iões.
Membrana interna pouco permeável (canais transportadores específicos).
Resumo dos eventos até à conclusão da fosforilação oxidativa
Moléculas altamente energéticas
(passíveis de serem oxidadas)
Fluxo de electrões na cadeia mitocondrial
(reacções redox)
ENERGIA
Liberta(r. exergónica)
É consumida(r. endergónica)
Movimento de protões através da membrana interna
mitocondrial
Energia armazenada sob a forma de potencial
electroquímico
Síntese ATP (Teoria quimiosmótica Peter Mitchell, 1961)
Constituintes da Cadeia Mitocondrial de transporte de
Electrões
Desidrogenase
• É uma Oxirredutase.
• Enzima que oxida um substrato, transferindo um ou mais protões e um par de electrões para um aceitador.
• Existem diferentes tipos de molécula aceitadora que intervêm neste tipo de reacção, que seguidamente se apresentam.
Desidrogenase
2e- + H+
NAD+ e NADP +
• NAD – Nicotinamida-adenina-dinucleótido (estrutra com 2 nucleótidos – nicotinamida e adenina).
• São coenzimas de desidrogenases.
(Grupo fosfato no caso de NADP+)
FMN e FAD• Dá-se o nome de Flavoproteínas às desidrogenases com
coenzima FAD ou FMN• FMN – flavina-mononucleótido• FAD – flavina-adenina-dinucleótido
FMN FADRibitol
Centro reactivo
• O potencial de redução padrão do nucleótido de flavina depende da proteína a que está associado. (interacções que este estabelece com ela)
FAD + 2H++ 2e-FADH2
Coenzima Q10
• É uma benzoquinona solúvel em lípidos (consegue movimentar-se no interior da bicamada fosfolipídica).
• Pode aceitar um electrão, tornando-se o radical semiquinona.
• Se aceitar outro, denomina-se ubiquinol.
• Consegue transportar protões e electrões.
Citocromo
• Proteína com um grupo prostéticoheme (com Fe).• Estado Oxidado – Fe3+ ; Estado Reduzido – Fe2+
• Mitocôndrias têm 3 tipos de citocromo: a, b e c.• Os diferentes tipos são distinguidos tendo em conta os
comprimentos de onda de máxima absorção de luz.
• Os grupos heme a e b estão fortemente ligados à parte proteica do citocromo.
• O heme c, está ligado covalentemente através de dois resíduos de Cisteína.
• 4 anéis azotados numa estrutura cíclica - porfirina
Proteínas Fe-S• O ferro surge associado a proteínas, mas não em grupos
heme. • A associação é feita através de átomos de enxofre
orgânicos, inorgânicos ou através de ambos os tipos.• Como os citocromos, participam em transferências de
apenas um electrão.
Complexosda Cadeia Mitocondrial de transporte de Electrões
(changepresenter)
Cadeiade transporte de electrões na Mitocôndria
Cadeia Respiratória:
FosforilaçãoOxidativa
Cadeia de transporte de electrões na Mitocôndria
• A transferência de electrões da molécula dadora (NADH) até à aceitadora (O2), é um processo globalmente exergónico que ocorre através de uma série de reacções redox intermédias. Este facto revela-se muito favorável do ponto de vista energético.
Potenciais de Redução Padrão dos Transportadores Electrónicos
(determinados experimentalmente)
Balanços Energéticos
NADHE’O=-0.320V
O2
E’O=0.8166V
Electrões no sentido de potenciais crescentes
ΔG’0 = -nFΔE’0
ΔE’0 =1.1366
Representação esquemática da cadeia de transporte electrónico
Setas pretas são as transferências de electrões
UQ – UbiquinonaCytc – Citocromo CIMM – Membrana Mitocondrial Interna
Elementos dadoresde electrões com alta energia
NADH Cadeia de transporte de electrões para o oxigénio
Relembrar Ciclo de Krebs...
Complexo I - NADH: quinona-oxidorredutase(EC 1.6.5.3) ; 850kDa ; 43 subunidades proteicas
Complexo I
Componentes:• Flavoproteína-FMN.• Minimo 6 centros Fe-S
Catalisa a oxidação do NADH e a redução da coenzima Q a Ubquinol.
• Reacções Exergónicas:
• Reacção Endergónica:
• Reacção total do complexo I
NADH + CoQ + 5H+ in→ NAD+ + CoQH2 + 4H+
out
4H+ in→ 4H+
out
Vias de redução da Ubiquinona
Complexo II - succinatodesidrogenase(EC 1.3.5.1) ; 140 kDa ; 4 subunidades proteicas
Componentes:• Flavoproteina-FAD ;• Subunidades C e D são
proteínas integradas com grupos heme;
• Proteinas de Fe-S
Complexo IICatalisa a oxidação do Succinato e a redução da coenzima Q.
• Reacções Exergónicas:
• Reacção total do complexo IISuccinato + CoQ → Fumarato + CoQH2
Não ocorre bombeamento Protónico neste complexo
Complexo III – ubiquinona:citocromocoxirredutase(EC 1.10.2.2) ; 250 kDa ; 11 subunidades proteicas
Componentes:• Citocromob e c1
• Grupos heme• Proteínas Fe-S
QH2 + 2 cytochrome c1 (FeIII) + 2 H+in → Q + 2 cytochrome c1 (FeII) + 4 H+
out
• Reacções Exergónicas:
• Reacção Endergónica:
• Reacção total do complexo I
4H+ in→ 4H+
out
Catalisa a oxidação doUbiquinole a redução do Citocromoc.
Complexo III
Complexo IV - citocromocoxidase(EC 1.9.3.1) ; 160kDa ; 13 subunidades proteicas
Componentes:• CuA (centro binuclear de Cu)• Citocromo a• Centro binuclear Citocromo a3-CuB
Complexo IV
Catalisa a oxidação do citocromoc e a redução do Oxigénio a Água.
4 Cit-c (reduzido) + 8 H+in+ O2 → 4 Cit-c (oxidado) + 2 H2O + 4 H+
out
• Reacções Exergónicas:
• Reacção Endergónica:
• Reacção total do complexo I4H+
in→ 4 H+out
Quanta energia se conseguiu armazenar?
ΔG’0 = -nFΔE’0=-220kJ/mol (de NADH)
Força motriz protónica devido ao gradiente de concentração e potencial da membrana.
= 20kJ/mol (de H+)
200kJ/10mol (de H+)
Grande parte da energia foi armazenada. Permite a sintese de ATP
ATP SintaseATPases – enzimas que efectuam transporte activo (com gasto de ATP);
Quando funcionam de forma inversa são denominadas ATP sintases;
Domínios: F0 e F1
Porção integradaSubunidades:
a ; b ; c
Porção periféricaSubunidades:
α ; β ; γ ; δ
FosforilaçãoOxidativa
ATP SintaseComo é realizada a síntese?
Junto à superfície da porção F1
a reação ADP+P ocorre quase espontaneamente.
•O que requere energia é a quebra da ligação que se estabelece entre a enzima e a ATP formada.
•O mecanismo funciona por mudanças conformacionais das subunidades β.
FosforilaçãoOxidativa
(changepresenter)
Transporte de Electões (Grande Eficácia)
Contudo há uma percentagem que não se liga premanentemente ao Oxigénio
Resulta na formação de formas activas de oxigénio
Formas activas de oxigénio
Sistema de protecção celular anti-oxidante
Formas Activas de oxigénio
• Embora:Transferência de 4 electrões e 4 protões reduza o oxigénio em água (Inofensivo)• Durante esse processo ocorre:Transferência de 1 ou 2 electrões para produzir um superóxido e peróxido,
respectivamente (Potencialmente perigoso)
OxigénioMolecular (Grande Poder Oxidante)
Ideal Aceitador de Electrões para a Cadeia
Estas espécies reactivas de oxigénio e os seus produtos de reacção (Ex:radical Hidroxilo), são muito perigosas para as celulas.Estas lesões celulares podem contribuir para o desencadear de doenças.
(Reactive oxygenspecies – ROS)
Formas activas de oxigénio
ROS• iões de oxigénio• radicais livres • peróxidos
ROS
Geralmente pequenas moléculas altamente reactivas devido à presença de pares de electrões de valência desemparelhados.
Formação das ROS
• As formas activas de oxigénio são formadas por :
- interacção de radiação ionizada com moléculas- enzimas específicas para o efeito em células fagocíticas (por ex.: macrófagos)
- produto indesejado da respiração celular.
• 1-4% do oxigénio que reage com a cadeia respiratória sofre uma redução incompleta, originando ROS;
• A mitocôndria é o principal produtor de ROS;
• O ião superóxido é frequentemente formado quando uma molécula de O2 é prematura e incompletamente reduzida .
As zonas mais vulneráveis são o complexo I e complexo IIITodo o Ciclo Q é também uma das principais fontes de ROS
Superóxido HO2 (forma especialmente reactiva)
(Complexo I)
Efeitos prejudiciais das ROS- Danos no DNA- Oxidações de ácidos gordos poli insaturados- Oxidações de aminoácidos em proteínas.- Oxidação de co-factores- Esta, além de produtora, é um alvo destes mesmo ROS’s que vão interferir no mDNA.
Sistemas de Protecção Celular
• As células apresentam uma variedade de defesas contra os efeitos nocivos das ROS.
Hidrófilo
Hidrofóbico
Enzimas :-Superóxidodismutase (SOD)-Catalase-Ascorbatoperoxidase
Antioxidantes :-Vitamina C-Ácido úrico-Glutatião-Vitamina E-Ubiquinol
Reagem com oxidantes no citoplasma e plasma sanguíneo
Protecção das membranas celulares da peroxidação lipídica
Acção Enzimática
M(n+1)+ − SOD + O2− → Mn+ − SOD + O2
SuperóxidoDismutase
Mn+ − SOD + O2− + 2H+ → M(n+1)+ − SOD + H2O2
M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2) – Consoante o tipo de Dismutase
Catalase
A característica importante a reter – elevada velocidade de conversão
2 H2O2 → 2 H2O + O2
Acção Antioxidante
• Capaz de atrasar ou prevenir a oxidação de outras moléculas• Remoção de radicais livres e inibição de oxidações oxidando-se a si próprio.
Vitamina C (ascorbato)
É a coenzima da ascorbatoperoxidase.
Ascorbate + Hydrogenperoxide → Dehydroascorbate + Water
C6H8O6 + H2O2 → C6H6O6 + 2 H2O
Ácido Úrico
Aproximadamente metade da capacidade antioxidante do plasma sanguíneo.Forte capacidade de doar electrões.
Glutatião
Tripéptido sintetizado no fígado.Presente na maioria das células (reservas próprias da mitocôndria e núcleo)2 estados oxidação – defesa antioxidante importante para os organitos.
Cadeia mitocondrial de transporte electrónico (mecanismos de defesa inerentes)
Voltar Slide Comlexo II
ROS: acção benéfica
ROS (pequenas quantidades)• Sinalização celular• Recrutamento de plaquetas – migração de
plaquetas para o local da ruptura (sinalização oxidativa)
• Sistema imunitário• Mobilização de sistemas de transporte iónico
Stress oxidativo
Sumário geral
Cadeia RespiratóriaConstituintes e caracterização da cadeia mitocondrial de transporte de electrões
Respiração Celular
Mecanismos de transporte de electrões na Mitocôndria
Fosforilação oxidativa
Oxi-reduções com e sem oxigénio
Formas activas de oxigénio
Sistema de protecção celular anti-oxidante
Bibliografia• Nelson DL; Cox MM (Apr 2005).
LehningerPrinciplesofBiochemistry, 4th ed, W. H. Freeman
• Harper'sIllustratedBiochemistry (Murray, Mcgraw-Hill Medic, 26th ed
• Luís S. Campos, Entender a Bioquimica
• Secção “MetabolicPathwaysofBiochemistry” da George Washington University
• Lodish - Molecular CellBiology 5th• Oxford
DictionaryofBiochemistryand Molecular Biology
• CellBiologyAnimations – fromtheinstitute John Kyrk
http://www.johnkyrk.com/mitochondrion.html
• InteractiveConceptsof Biochimestry – Willy internet website – InteractiveAnimationaboutOxidativePhosphorylation
http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/electron_transport/electron_transport.htm
• Nicholls DG; Ferguson SJ (Jul 2002). Bioenergetics 3. AcademicPress.
• Matill HA (1947). Antioxidants. AnnuRevBiochem 16: 177–192
• Voet D; Voet JG (Mar 2004). Biochemistry, 3rd ed, Wiley
• Lectures Antony Crofts, 1996, UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign
• LecturesBioquimica e Biologia Molecular – Instituto Superior Técnico
(Bioenergética e reacções redoxmitocondriais)
Realizado no âmbito da unidade curricular de Metabolismo e Endocrinologia do Curso de MEBM (2Ano)por: Grupo 2
André Zamith, nº58556Eduardo Bicacro, nº58615Pedro teixeira , nº58482