Bioenergética e Reacções RedoxMitocondriais

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1 Bioenergética e Reacções RedoxMitocondriais Respiração Celular Constituintes e caracterização da cadeia mitocondrial detransporte deelectrõeselectrões Cadeia Respiratória Mecanismosde transporte de electrões na Mitocôndria Fosforilação oxidativa Oxi reduções com e sem oxigénio Formas 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, nº58556 Eduardo Bicacro, nº58615 Pedro teixeira, nº58482

2 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.

3 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).

4 Resumo dos eetosaté eventos à conclusão da fosforilação oxidativa Moléculas altamente Fluxo de electrões energéticas na cadeia mitocondrial Liberta (passíveis de serem oxidadas) (reacções redox) (r. exergónica) ENERGIA Energia armazenada sob a forma de potencial electroquímico Movimento de protões através da membrana interna mitocondrial É consumida (r. endergónica) Síntese ATP (Teoria quimiosmótica Peter Mitchell, 1961)

5 Constituintes da Cadeia Mitocondrial de transporte de Electrões

6 Desidrogenase É uma Oi Oxirredutase. dt Enzima que oxida um substrato, transferindo um ou mais protões e um par de electrões para um aceitador. Desidrogenase 2e + H + Existem diferentes tipos de molécula aceitadora que intervêm neste tipo de reacção, que seguidamente se apresentam.

7 NAD + e NADP + NAD Nicotinamida adenina dinucleótido adenina dinucleótido (estrutra com 2 nucleótidos nicotinamida e adenina). São coenzimas de desidrogenases. (Grupo fosfato no caso de NADP+)

8 FMN e FAD Dá se o nome de Flavoproteínas às desidrogenases com coenzima FAD ou FMN FMN flavina mononucleótido FAD flavina adenina dinucleótido FMN Ribitol FAD

9 Centro reactivo FAD + 2H + + 2e FADH 2 O potencial de redução padrão do nucleótido de flavina depende da proteína a que está associado. (interacções que este estabelece com ela)

10 Coenzima Q 10 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.

11 Citocromo Proteína com um grupo prostéticoheme (com Fe). Estado Oxidado Fe 3+ ; Estado Reduzido Fe 2+ Mitocôndrias têm 3 tipos de citocromo: a, b e c. Os diferentes tipos são distinguidos tendo em conta os comprimentos de onda de máxima ái absorção de luz.

12 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 t cíclica porfirina i

13 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.

14 Complexosda Cadeia Mitocondrial de transporte de Electrões

15 (changepresenter)

16 Cadeia Respiratória: Cadeiade Cdid transporte t de electrões na Mitocôndria FosforilaçãoOxidativa

17 Cadeia de transporte de electrões na Mitocôndria A transferência de electrões da molécula l dd dadora (NADH) até à aceitadora (O 2 ), 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

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19 NADH E O = 0.320V O 2 E O =0.8166V Electrões no sentido de potenciais crescentes ΔE 0 = ΔG 0 = nfδe 0

20 Representação esquemática da cadeia de transporte electrónico UQ Ubiquinona Cytc Citocromo C IMM Membrana Mitocondrial Interna Setas pretas são as transferências de electrões

21 Elementos dadoresde electrões com alta energia NADH Cadeia de transporte de electrões para o oxigénio Relembrar Ciclo de Krebs...

22 Complexo I NADH: quinona oxidorredutase p (EC ) ; 850kDa ; 43 subunidades proteicas

23 Complexo I Catalisa a oxidação do NADH e a redução da coenzima Q a Ubquinol. Componentes: Flavoproteína FMN. FMN Minimo 6 centros Fe S Reacções Exergónicas: Reacção Endergónica: 4H + in 4H + out Reacção total do complexo I NADH + CoQ + 5H + in NAD + + CoQH 2 + 4H + out

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25 Vias de redução da Ubiquinona

26 Complexo II succinatodesidrogenase (EC ) ; 140 kda ; 4 subunidades proteicas

27 Complexo II Catalisa a oxidação do Succinato e a redução da coenzima Q. Componentes: Flavoproteina FAD ; Subunidades C e D são proteínas integradas com grupos heme; Não ocorre bombeamento Protónico neste complexo Proteinas de Fe S Reacções Exergónicas: Reacção total do complexo II Succinato + CoQ Fumarato + CoQH 2

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29 Complexo III ubiquinona:citocromocoxirredutase (EC ) ; 250 kda ; 11 subunidades proteicas

30 Complexo III Catalisa a oxidação doubiquinole a redução do Citocromoc. Componentes: Citocromob e c 1 Grupos heme Proteínas Fe S Reacções Exergónicas: Reacção Endergónica: 4H + in 4H + out Reacção total do complexo I QH cytochrome c 1 (Fe III ) + 2 H + in Q + 2 cytochrome c 1 (Fe II ) + 4 H + out

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32 Complexo IV citocromocoxidase (EC ) ; 160kDa ; 13 subunidades proteicas

33 Complexo IV Catalisa a oxidação do citocromoc e a redução do Oxigénio a Água. Componentes: CuA (centro binuclear de Cu) Citocromo a Centro binuclear Citocromo a 3 CuB Reacções Exergónicas: Reacção Endergónica: 4H + in 4 H + out Reacção total do complexo I 4 Cit c (reduzido) + 8 H + in+ O 2 4 Cit c(oxidado) + 2 H 2 O + 4 H + out

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35 Quanta energia se conseguiu armazenar? Força motriz protónica devido ao gradiente de concentração e potencial da membrana. ΔG 0 = nfδe 0 = 220kJ/mol (de NADH) = 20kJ/mol (de H + ) 200kJ/10mol (de H + ) Grande parte da energia foi armazenada. Permite a sintese de ATP

36 FosforilaçãoOxidativa ATP Sintase ATPases enzimas que efectuam transporte activo (com gasto de ATP); Quando funcionam de forma inversasão são denominadas ATP sintases; Domínios: F 0 e F 1 Porção integrada Subunidades: a ; b ; c Porção periférica Subunidades: α ; β ; γ ; δ

37 FosforilaçãoOxidativa ATP Sintase Como é realizada a síntese? Junto à superfície da porção F 1 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.

38 Transporte de Electões (Grande Eficácia) Contudo há uma percentagem que não se liga premanentemente ao Oxigénio (changepresenter) Resulta na formação de formas activas de oxigénio

39 Formas activas de oxigénio iéi Sistema de protecção celular anti oxidante

40 Embora: Formas Activas de oxigénio (Reactive oxygenspecies ROS) OxigénioMolecular (Grande Poder Oxidante) Ideal Aceitador de Electrões para a Cadeia 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) 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.

41 Formas activas de oxigénio

42 ROS ROS iões de oxigénio radicais livres peróxidos Geralmente pequenas moléculas altamente reactivas devido à presença de pares de electrões de valência desemparelhados. p

43 Formação das ROS As formas activas de oxigénio são formadas por : interacção de radiação ionizada com moléculas enzimas específicas para o efeito em células l 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 O 2 é prematura e incompletamente reduzida.

44 As zonas mais vulneráveis são o complexo I e complexo III Todo o Ciclo Q é também uma das principais fontes de ROS (Complexo I) Superóxido HO 2 (forma especialmente reactiva)

45 Efeitos etospejudcasdas 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.

46 Sistemas de Protecção Celular As células apresentam uma variedade de defesas contra os efeitos nocivos das ROS. Reagem com oxidantes no citoplasma e plasma sanguíneo Enzimas : Superóxidodismutase (SOD) Catalase Ascorbatoperoxidasep Antioxidantes : Vitamina C Ácido úrico Glutatião Vitamina E Ubiquinol Hidrófilo Hidrofóbico Protecção das membranas celulares da peroxidação lipídica

47 Acção Enzimática SuperóxidoDismutase M (n+1)+ SOD + O 2 M n+ SOD + O 2 M n+ SOD + O 2 + 2H + M (n+1)+ SOD + H 2 O 2 M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2) Consoante o tipo de Dismutase

48 Catalase 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 A característica importante a reter elevada velocidade de conversão

49 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 + Hd Hydrogenperoxide Dhd Dehydroascorbate bt + Wt Water C 6 H 8 O 6 + H 2 O 2 C 6 H 6 O H 2 O

50 Áid Ácido Úrico Úi 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.

51 Cadeia mitocondrial de transporte electrónico (mecanismosde defesa inerentes) Voltar Slide Comlexo II

52 Complexo II Catalisa a oxidação do Succinato e a redução da coenzima Q a Ubquinol. Componentes: Flavoproteina FAD ; Subunidades C e D são proteínas integradas com grupos heme; Proteinas de Fe S Reacções Exergónicas: Reacção total do complexo II Succinato + CoQ Fumarato + CoQH 2 ROS? ROS Reactive Oxigene Spieces (os grupos heme das subunidades C/D impede que os electrões saiam para a célula)

53 ROS: acção benéfica ROS (pequenas quantidades) Sinalização celular Recrutamento de plaquetas migração de plaquetas para o local ld da ruptura (i (sinalização oxidativa) Sistema imunitário Mobilização de sistemas it de transporte t iónico i

54 Stress oxidativo o

55 Sumário geral Respiração Celular Constituintes e caracterização da cadeia mitocondrial detransporte de electrões Cadeia Respiratória Mecanismos de transporte de electrões na Mitocôndria Fosforilação oxidativa Oxi reduções com e sem oxigénio Formas activasde oxigénio Sistema de protecção celular anti oxidante

56 Bibliografia (Bioenergética e reacções redoxmitocondriais) Nelson DL; Cox MM (Apr 2005). InteractiveAnimationaboutOxidativePhosp LehningerPrinciplesofBiochemistry, 4th horylation ed, W. H. Freeman tron_transport/electron_transport.htm Harper'sIllustratedBiochemistry Nicholls DG; Ferguson SJ (Jul 2002). (Murray, Mcgraw-Hill Medic, 26th ed Bioenergetics 3. AcademicPress. Luís S. Campos, Entender a Bioquimica Secção MetabolicPathwaysofBiochemistry da George Washington University Lodish - Molecular CellBiology 5th Oxford DictionaryofBiochemistryand Molecular Biology CellBiologyAnimations fromtheinstitute John Kyrk Matill HA (1947). Antioxidants. AnnuRevBiochem 16: Voet D; Voet JG (Mar 2004). Biochemistry, 3rd ed, Wiley Lectures Antony Crofts, 1996, UniversityofIllinoisatUrbana Champaign LecturesBioquimica e Biologia Molecular Instituto Superior Técnico InteractiveConceptsof Biochimestry Realizado Willy internet no âmbito website da unidade curricular de Metabolismo e Endocrinologia do Curso de MEBM (2Ano)por: Grupo 2 André Zamith, nº58556 Eduardo Bicacro, nº58615 Pedro teixeira, nº58482