Objetivos
Cadeia Transportadora de Elé
Elétrons
e
Fosforilaç
Fosforilação Oxidativa
Demonstrar
como o transporte de elé
elétrons
na membrana mitocondrial gera forç
força
pró
prótonton-motriz para a sí
síntese de ATP
Importância
Alexandre Havt
da utilizaç
utilização de ATP para as
reaç
reações bioló
biológicas
Obtenç
Obtenção de Energia
Obtenç
Obtenção de Energia
Quimiolitotró
Quimiolitotróficos (compostos inorgânicos)
Quimiotró
Quimiotróficos
Carboidratos
Lipídeos
Proteínas
Quimiorganotró
Quimiorganotróficos (compostos orgânicos)
Obtenção de energia por oxidação de
compostos do meio
CO2
H+ + e-
Coenzimas
H+ + e(reduzidas)
Nutrientes oxidados
(H+)
(e-)
Perda de pró
e elé
prótons
elétrons
Átomos de carbono convertidos em CO2
Coenzimas reduzidas
Reduç
Redução de Oxigênio em H2O
Fontes de ATP
Metabolismo
anaeró
anaeróbio de nutrientes
Alá
Aláctico
Fosfocreatina
quinase - ATP
Láctico
Glicose
– Piruvato – Lactato
Metabolismo
Ciclo
aeró
aeróbio de nutrientes
do ácido cí
cítrico
Cadeia transportadora de elé
elétrons
Fosforilaç
Fosforilação oxidativa
Coenzimas
(oxidadas)
ATP + H2O
O2 + ADP + Pi
Potência aeró
aeróbia e anaeró
anaeróbia
Substrato
mmol ATP/Kg/s
ATP/Kg/s
Tempo de retardo
Oxidaç
Oxidação lipí
lipídica
1,0
>2h
Oxidaç
Oxidação da glicose
sanguí
sanguínea
1,0
≅ 90 minutos
Oxidaç
Oxidação de glicogênio
2,8
Alguns minutos
Glicó
Glicólise
4,5
5 – 10 segundos
Catabolismo de
fosfocreatina
9,0
Instantâneo
1
Contribuiç
Contribuição aeró
aeróbia e anaeró
anaeróbia na
produç
produção de energia
% Anaeró
Anaeróbio
% Aeró
Aeróbio
0-10
Duraç
Duração do exercí
exercício (s)
94
06
0-15
88
12
0-20
82
18
0-30
73
27
0-45
63
37
0-60
55
45
0-75
49
51
0-90
44
56
0-120
37
63
0-180
27
73
0-240
21
79
Metabolismo Aeró
Aeróbio
Mitocôndria
Externa -
Interna – cristas
Gliceraldeido 3-fosfato
Piruvato
AcetilAcetil-CoA
Ciclo do ácido cí
cítrico
Isocitrato
α-cetoglutarato
α-cetoglutarato
SuccinilSuccinil-CoA
Malato
Oxaloacetato
Succinato
Fumarato
Total
-
-
Oxidaç
Oxidação
2
-
Possam
participar novamente das vias catabó
catabólicas
2
2
2
-
2
Energia
conservada é usada para:
para:
10
2
as variaç
variações de energia livre padrão:
padrão:
Transferência
∆Go’
= - 220 kJ.mol-1 ([
Síntese
∆Go’
de 2 elé
elétrons de NADH para o O2
] dos produtos > [ ] dos reagentes)
reagentes)
Estraté
Estratégia celular para sí
síntese de ATP
Energia da transferência de elé
elétrons para gerar gradiente de pró
prótons
Reduç
Redução do O2 em H2O
Ocorre na membrana interna da mitocôndria
Quatro complexos enzimá
enzimáticos
I – NADHNADH-CoQ redutase (FMN / centros FeFe-S)
II – SuccinatoSuccinato-CoQ redutase (FAD / Centros FeFe-S / Citocromo b)
III – CoQCoQ-citocromo c redutase (Citocromos b e c1 / Centros FeFe-S)
IV – Cicromo c oxidase (Citocromos a e a3 / Íons de cobre)
2 transportadores de elé
elétrons
Coenzima Q (CoQ
(CoQ)) – ubiquinona (não proté
protéico)
Citocromo c
] dos produtos < [ ] dos reagentes)
reagentes)
“Se a transferência de elé
elétrons das coenzimas reduzidas
fosse feita diretamente para o O2 toda a energia seria liberada
na forma de calor”
calor”
Síntese de ATP
de ATP
= + 31 kJ.mol-1 ([
Cadeia Transportadora de Elé
Elétrons
Oxidaç
Oxidação de Coenzimas
Compare
conservada nas coenzimas reduzidas
2
2 (GTP)
4
Absorç
Absorção de bacté
bactérias
aeró
aeróbias
Energia
2
33-fosfoglicerato
Enzimas de oxidaç
oxidação
Matriz
DNA mitocondrial
Ribossomos
Oxidaç
Oxidação de Coenzimas
Moles de Moles de Moles de
ATP
NADH
FADH2
Glicó
Glicólise
superfí
superfície lisa
Espaç
Espaço intermembranar
Oxidaç
Oxidação da Glicose
Reaç
Reação
Membrana dupla
Conecta complexos I e II ao III
Conecta complexo III ao IV
2
Cadeia Transportadora de Elé
Elétrons
Complexo I (NADH
(NADH--CoQ redutase)
redutase)
Formado
Grupos
por 26 cadeias polipeptí
polipeptídicas
prosté
prostéticos
Flavina
mononucleotí
mononucleotídeo (FMN)
Capaz
de receber 2 pró
prótons e 2 elé
elétrons
Reduzido
6
ou 7 centros Ferro – Enxofre
Capazes
Complexo I (NADH
(NADH--CoQ redutase)
redutase)
de transportar elé
elétrons
Fe+3 para Fe+2
Complexo II (Succinato
(Succinato--CoQ redutase)
redutase)
2H+
Succinato desidrogenase
Enzima da membrana interna mitocondrial
Ciclo do ácido cí
cítrico
Succinato oxidado à Fumarato
Reduç
Redução de FAD (grupo prosté
prostético) à FADH2
Centros FeFe-S e citocromo b560
Transporte de 2 pró
prótons e 2 elé
elétrons
Transporte de elé
elétrons
Pró
Prótons voltam a matriz
Não há
há contribuiç
contribuição para a formaç
formação de gradiente de pró
prótons
∆Eo’ e ∆Go’ Succinato – CoQ seja pequeno
Complexo II não atinja parte externa da membrana interna
Coenzima Q ou ubiquinona
Complexo II (Succinato
(Succinato--CoQ redutase)
redutase)
Quinona
Cadeia Lateral
Molé
Molécula hidrofó
hidrofóbica
Unidades
isoprênicas
Mobilidade
2H+
a forma FMNH2 por NADH
na membrana
2 Pró
Prótons e 2 elé
elétrons
Forma reduzida
Forma semireduzida
Ubiquinol - QH2
Semiquinona - QH+
3
Fonte de Reduç
Reduções da CoQ
CoQ Como Ponto de Convergência dos Elé
Elétrons
Recebe elé
elétrons
Complexo I e II
Glicerol 33-fosfato desidrogenase
Transporte de elé
elétrons
Face externa da membrana interna
Grupos prosté
prostéticos
FAD
Centro FeFe-S
AcilAcil-CoA desidrogenase – metabolismo dos lipí
lipídeos
Transporte de elé
elétrons
Matriz
Grupos prosté
prostéticos
FAD –
ETF (Flavoprote
(Flavoproteíína transferidora de elé
elétrons)
ETFETF-ubiquinona óxido redutase
FAD
Centro FeFe-S
Citocromos
CoQ Como Ponto de Convergência dos Elé
Elétrons
Transportadores de elé
elétrons
Grupo heme (Ferro)
Membrana interna mitocôndria
Membrana Retí
Retículo Endoplasmá
Endoplasmático
Classificaç
Classificação
Complexo III – CoQCoQ-citocromo c redutase
Espectro de absorç
absorção
a, b e c
b e c – “heme”
heme” igual ao da hemoglobina
(grupos vinila e metila)
a – grupo isoprênico e formila
Forma de ligaç
ligação do heme à proteí
proteína
a e b – ligaç
ligação não covalente
c – covalente (ciste
(cisteíínas)
nas)
Forma de ligaç
ligação do Ferro à proteí
proteína
a e b – 2 resí
resíduos de histidina
c – resí
resíduos de histidina e cisteí
cisteína
Ciclo Q
Componentes do Ciclo Q
Citocromo b562 e b566
Centro FeFe-S
Citocromo c1
CoQ
Fe+2 – Fe+3
Traz elé
elétrons dos Complexos I e II ao III
Citocromo c
Proteí
Proteína perifé
periférica que transporta elé
elétrons do
complexo III para o IV
4
Ciclo Q
Complexo IV – Citocromo c oxidase
Componentes
Citocromo c
3 íons cobre divididos em dois grupos
CuA/CuA
CuB
Forma oxidada – Cu+2 cúprica
Forma reduzida – Cu+ cuprosa
Heme a e a3
Sítio catalí
catalítico da enzima
Complexo IV – Citocromo c oxidase
CuB e citocromo a3 (Fe+3 – Fe+2)
Formas Reativas de Oxigênio
Radicais livres
Íons de oxigênio não reduzidos completamente
Superó
Superóxido – O2-
Peró
Peróxido – O22-
Peró
Peróxido de hidrogênio – H2O2
Estraté
Estratégias de defesa
Enzima Superó
Superóxido dismutase
2 O2- + 2 H+
2 H2O2
Complexo III
Complexo IV
2H+
4H+
4H+
O2 + 2 H2O
Fosforilaç
Fosforilação Oxidativa
Gradiente de Pró
Prótons
Complexo I
O2 + H2O2
Enzima Catalase
Fosforilaç
Fosforilação do ADP em ATP utilizando a energia
liberada pelas reaç
reações de óxidoxido-reduç
redução da cadeia
transportadora de elé
elétrons.
Energia direcionada para criar um contragradiente
de pró
prótons
Excesso de H+ fora da matriz mitocondrial
Matriz com carga negativa
Porç
Porção intermembrana carga positiva
Membrana interna impermeá
impermeável a H+
ATP sintase
Força
Próton-motriz
5
ATP sintase
ATP sintase
Componentes
Porç
Porção esfé
esférica – Fator de acoplamento 1 (F1)
Porç
Porção membranal – (Fo)
Síntese do ATP ocorre com o retorno dos pró
prótons
à matriz mitocondrial
A cada 3 pró
prótons que retornam um ATP é formado
Mudanç
Mudança na conformaç
conformação da enzima com a
entrada dos pró
prótons
ATP sintase
Controle Respirató
Respiratório
A
velocidade do transporte de elé
elétrons e
síntese de ATP são dependentes da [ ] de
ADP
Transporte
de elé
elétrons está
está acoplado à
síntese de ATP
ADP tem concentraç
concentrações limitantes
Quanto mais ADP for formado maior a
velocidade das reaç
reações de catá
catálise e maior
produç
produção de ATP
Desacopladores
Substâncias
que impedem a sí
síntese de
ATP sem a interrupç
interrupção da oxidaç
oxidação das
coenzimas
Energia das oxidaç
oxidações é dissipada como
calor
Substâncias lipofí
lipofílicas
2,4
Dinitrofenol (DNP)
Ácido
fraco
Desacoplador Endó
Endógeno
Funç
Função
Tecido
de produç
produção de calor
adiposo marrom
Certas
regiões de recé
recém-nascidos
semisemi-hibernantes
Animais
Termogenina
Proteí
Proteína
Parte
que transporta H+ para a matriz
da energia dissipada como calor
AssociaAssocia-se
Bloqueia
a pró
prótons e os carreia para a matriz
a formaç
formação do gradiente de pró
prótons
6
Rendimento da Oxidaç
Oxidação da Glicose
I) Glicose a 2 piruvatos
II) 2 piruvatos a 2 acetil CoA
III) 2 acetil CoA no ciclo do ácido cí
cítrico
IV) NADH e FADH2 na CTE e FO
Etapas
Coenzimas
produzidas
Fosforilaç
Fosforilação
no substrato
I
II
2 NADH 2 NADH
2 ATP
III
6 NADH
2 FADH2
2 GTP
I + II + III
10 NADH
2 FADH2
IV
30 ATP
4 ATP
Moles de
ATP
formados
Oxidaç
Oxidação do NADH citossó
citossólico
Membrana interna mitocondrial impermeá
impermeável a
NAD+ e NADH
Oxidaç
Oxidação indireta por lanç
lançadeiras
Células
30
4
4 ATP
hepá
hepáticas, cardí
cardíacas e renais
Permeases
4
38*
Total
Malato – Aspartato
– proteí
proteínas de transporte da membrana
Glicerol fosfato
Músculo
esquelé
esquelético e cé
cérebro mamí
mamíferos
Músculo
de vôo de insetos
NADH
– FADH2
Lanç
Lançadeira MalatoMalato-Aspartato
Transaminaç
Transaminação
Lanç
Lançadeira Glicerol Fosfato
Proteí
Proteínas Transportadoras da Membrana
Mitocondrial
Membrana externa permeá
permeável
Membrana interna impermeá
impermeável
Sistemas de transporte
Adenina nucleotí
nucleotídeo translocase (ATP/ADP
(ATP/ADP
translocase)
Transfere ATP
Quanto maior
Inibidores
da matriz por ADP do citossol
[ADP],
[ADP], maior a translocaç
translocação
da ATP/ADP
ATP/ADP translocase
Atractilosí
Atractilosídeo – glicosí
glicosídeo vegetal
Ácido bongcré
bongcréquico – antibió
antibiótico fúngico que cresce em
comida tí
típica à base de coco (bongkrek
(bongkrek em indoné
indonésio)
7
Proteí
Proteínas Transportadoras da Membrana
Mitocondrial
ADP/
ADP/ATP Translocase
Sistemas de transporte
ATP/ADP
ATP/ADP translocase + Fosfato Translocase
Dicarboxilato translocase
Fosfato adentra a matriz por troca de OH-
Malato,
Malato, Succinato e Fumarato por fosfato (P
(Pi)
Troca de um dicarboxilato por outro
Tricarboxilato translocase
Piruvato translocase
Glutamato translocase
Transporte ativo de Ca+2 uniporte
Translocase Ca+2/ 2Na+
Gasto
Energético
de ATP
Troca de citrato ou isocitrato por malato
Troca de piruvato por OH-
Dissipação
dos prótons
para a matriz
Troca de glutamato por aspartato ou OH-
Proteí
Proteínas
Transportadoras
da Membrana
Mitocondrial
8