Cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

Transcrição

1 Cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

2 MAPA II POLISSACARÍDIOS PROTEÍNAS LIPÍDIOS GLICOSE AMINOÁCIDOS ÁCIDOS GRAXOS Fosfoenolpiruvato (3) Asp Gly Ala Ser Cys Leu Ile Lys Phe Glu Piruvato (3) CO 2 Acetil-CoA (2) CO 2 Oxaloacetato (4) Citrato (6) CO 2 Malato (4) Isocitrato (6) Fumarato (4) α CO 2 Cetoglutarato (5) Succinato (4) CO 2

3 Glicólise Glicose + NAD + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + H + 2ATP + 2H2O Descarboxilação oxidativa do piruvato (processo aeróbico) Piruvato + NAD + + CoA Acetil-CoA + NADH + H + + CO2 Ciclo de Krebs Acetyl-CoA + 3NAD + + FAD + GDP + pi 3NADH + FADH 2 + GTP+ COA +2 C0 2

4 Glicólise 2 Gliceraldeido 3-fosfato Saldo : 2NADH +2ATP Glicose + NAD + 2ADP + 2Pi 2Piruvato + 2NADH + 2H + 2ATP + 2H2O

5 Formação de Acetil-CoA 2 Piruvatos Saldo : 2NADH

6 Ciclo de Krebs 2Acetyl CoA 6NADH 2FADH 2 2 ATP

7 Rendimento da oxidação da glicose Mols de NADH Mols de FADH 2 ATP Glicólise 2 2 Piruvato Acetil CoA 2 Ciclo de Krebs

8 Etapas da oxidação da glicose Rendimento da oxidação da glicose I. Glicose a 2 piruvatos (glicólise) II. III. IV. 2 piruvaos a 2 acetil-coa (formação de acetil-coa). 2 acetil-coa entram no ciclo de Krebs NADH e FADH 2 passam pela cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa. Oxidação completa de 1 mol de glicose: I II III I+II+III IV Mols de ATP formados coenzimas 2NADH 2NADH 6NADH 2FADH 2 10NADH 2FADH 2 30ATP 4ATP 30 4 Fosforilação no nível do substrato 2ATP 2ATP 4ATP 4 Total 38

9 Ácido graxo de 18 carbonos β-oxidação Ciclo de Krebs Soma ATP 9 Acetil-CoA 8 NADH 8 FADH 2 27 NADH 9 FADH 2 9 GTP 36 NADH 17 FADH 2 9 GTP 108 ATP 34 ATP 9 ATP 151 ATP Cada NADH forma 3 ATP e cada FADH 2 forma 2 ATP 151-2=149

10

11 Energia armazenada nas coenzimas (NADH e FADH 2 ) 1. Possibilita a re-utilização das coenzimas. 2. A re-oxidação possibilita que a energia mantida nas coenzimas possa ser utilizada para a síntese de ATP. Respiração Celular Processo em que as células aeróbicas produzem seu ATP pela oxidação das coenzimas pelo oxigênio. Processo efetuado pela cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória). Fosforilação oxidativa Síntese do ATP (ADP +P i da oxidação das coenzimas. ATP) utilizando a energia

12 Respiração celular e fosforilação oxidativa Transferência da energia das coenzimas para a formação do ATP ATP é a única forma de energia utilizável pelas células Transformação da energia contida nas coenzimas reduzidas em um gradiente prótons utilizando este gradiente para a síntese de ATP Transferência de elétrons das coenzimas para o oxigênio via várias passagens intermediárias pela cadeia de transporte de elétrons. Elétrons partem da coenzima reduzida que tem um potencial de redução menor que os componentes da cadeia de transporte de elétrons percorrendo uma sequência de transportadores com potencial de redução crescente. Até atingirem o oxigênio com o maior potencial de redução. A transferência de elétrons é acompanhada por queda de energia livre. Ao mesmo tempo há a formação de um gradiente de prótons estabelecendo-se uma concentração diferente de prótons de cada lado da membrana onde ocorre o transporte de elétrons. O aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de prótons possibilita a síntese de ATP.

13 Respiração celular A oxidação das coenzimas reduzidas processa-se na membrana interna da mitocôndria aonde se localizam os componentes da cadeia de transporte de elétrons. Os componentes se agrupam em 4 complexos I, II, III e IV. Além disso dois componentes móveis fazem parte da cadeia de transporte de elétrons, coenzima Q (CoQ), conecta Complexo I ao II e ao III, e o citocromo c, que conecta o Complexo III ao IV. Menor potencial de redução Complexo I Complexo II coenzima Q (ubiquinona) Complexo III citocromo C Complexo IV Sucessivas reduções e oxidações Maior potencial de redução

14 Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Complexo I Derivado da Riboflavina Flavina mononucleotídeo (FMN).

15 Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Complexos I, II e III Centros ferro-enxofre proteínas ferro-enxofre Transportadores de e - somente Valência Fe varia entre Fe 3+ e Fe 2+

16 Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Ubiquinona ou Coenzima Q unidades isoprênicas Mobilidade facilitada devido a sua característica hidrofóbica

17 Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Citocromos são proteínas transportadores de e - que contém grupo heme como grupo prostético Fe 2+ e Fe 3+ ligação tioéter Classificados de acordo com o seu espectro de absorção Citocromo C localizado na face externa da memb mitocondrial interna, Proteína pequena, móvel, conectam o complexo III ao IV.

18 Menor potencial de redução Complexo I Complexo II coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo III Complexo IV Maior potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações

19 Complexo I / NADH-ubiquinona óxido-redutase NADH + H + + FMN Complexo I NAD + + FMNH 2 Complexo I Glicólise Piruvato para Acetyl- CoA Ciclo de Krebs Prótons da matriz são consumidos Um dos maiores complexos conhecidos. Consiste de 46 cadeias polipeptídicas. Estrutura desconhecida. Catalisa a transferência de e - do NADH à ubiquinona com a translocação concomitante de H+ através da membrana. Reações de óxido-redução e bomba de prótons.

20 Succinato desidrogenase Complexo II Succinato-ubiquinona óxido-redutase Complexo II Acopla a oxidação do fumarato à redução da Coenzima Q É o segundo ponto de entrada de e - na cadeia respiratória.

21 Menor potencial de redução Complexo I Complexo II coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo III Complexo IV Maior potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações

22 A coenzima Q é o ponto de convergência de e - provenientes de NADH (complexo I), succinato (complexo II), glicerol 3-fosfato e acil-coa

23 Menor potencial de redução Complexo I Complexo II coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo III Complexo IV Maior potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações

24 Fosforilação oxidativa Fosforilação do ADP para a formação do ATP às custas da oxidação de coenzimas. A energia derivada do transporte de e - é convertida em uma força próton-motriz Hipótese quimiosmótica: A energia de transporte de e - é utilizada para bombear prótons através da membrana interna para o exterior da mitocôndria. Consequência do bombeamento de prótons é a formação de um gradiente de prótons. A ATP sintase catalisa a formação de ATP quando os prótons atravessam a enzima quatro prótons são necessários para cada ATP sintetizado.

25 Hipótese quimiosmótica: A energia de transporte de e - é utilizada para bombear prótons através da membrana interna para o exterior da mitocôndria. Para cada 4 prótons que entram 1 ATP é sintetizado. Os prótons entram por sítios específicos da ATP sintase. A fosforilação oxidativa só se processa em mitocôndrias intactas ou em vesículas fechadas compatíveis com a formação de um gradiente de prótons. A síntese de ATP pode ser obtida na ausência de transporte de elétrons desde que haja a um gradiente de prótons. Modelo de acoplamento direto e de acoplamento indireto para o transporte de elétrons e translocação de prótons.

26 NADH + H+ + ½ O2 + 3ADP +3Pi +3H+ FADH2 + ½ O2 + 2ADP +2Pi +2H+ NAD+ + 3ATP +4H2O FAD+ + 2ATP +3H2O Variação de energia livre associada ao transporte de e -

27 ATP produzida pela fosforilação ao nível do substrato é independente da cadéia de transporte de elétrons.

28 Etapas da oxidação da glicose Rendimento da oxidação da glicose I. Glicose a 2 piruvatos (glicólise) II. 2 piruvaos a 2 acetil-coa (formação de acetil-coa). III. 2 acetil-coa entram no ciclo de Krebs IV. NADH e FADH 2 passam pela cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa. Oxidação completa de 1 mol de glicose: I II III I+II+III IV Mols de ATP formados coenzimas 2NADH 2NADH 6NADH 2FADH 2 10NADH 2FADH 2 30ATP 4ATP 30 4 Fosforilação no nível do substrato 2ATP 2ATP 4ATP 4 Total 38

29 Reação de oxidação da glicose C 6 H 12 O 6 +6O ADP + 38Pi 6CO 2 + 6H 2 O + 38 ATP

30 A ATP sintase é formada por duas subunidades F 1 e F 0 Converte energia química em motora atuando como um nano motor rotatório Matriz mitocondrial Fator de acoplamento 1 (F1) F o (se liga à oligomicina inibido da ATP sintase) F1 F1 F o canais de passagem de prótons F1 catalisa a síntese de ATP F o o F1 = a2, α2, b3,g,d, β3,γ,δ, e F 0 = a,b2,c10

31 A ATP sintase F1 F o F1 = α2, β3,γ,δ, ε F 0 = a,b2,c10

32

33 Movimento da ATP sintase

34 A ATP sintase

35 Controle respiratório Transporte de e - e síntese de ATP são processos acoplados. A oxidação de NADH e FADH 2 só ocorre se houver síntese de ATP e vice-versa. ADP regula a entrada de prótons pela ATP sintase Quando não há um gasto grande de ATP há menos ADP diminuindo a entrada de protons (H + ) pela ATP sintase. A entrada de H + requer o ADP. A magnitude do gradiente de prótons aumenta e impede a ação da bomba de prótons até que a energia necessária para bombear protons para fora da mitocôndria, contragradiente, se iguala à energia liberada pelo transporte de elétrons que para.

36

37 Inibidores Inibidores da cadéia de transporte de e - inibem a formação do gradiente de H + e consequentemente a síntese de ATP. Drogas potencialmente letais Barbituratos (hipnóticos) Rotenona (inseticida) Malonato (inibidor da succinato desidrogenase) Antimicina A (antibiótico) Cianeto (CN - ), monóxido de carbono (CO), azida (N 3- ) b Complexo I Complexo I Complexo II Complexo III Complexo IV

38 Rotenona (inseticida) Complexo I

39 Antimicina A (antibiótico) Complexo III

40 Cianeto (CN-), monóxido de carbono (CO), azida (N3-) b Complexo IV

41 Desacopladores Substâncias lipofílicas como o DNP (2,4-dinitrofenol) são capazes de dissociar o transporte de e - da fosforilação oxidativa. A síntese de ATP para o transporte de e - prossegue. o DNP impede a formação de um gradiente de H + Transporte de e- sem o transporte de prótons contragradiente torna-se energeticamente mais favorável, e a sua velocidade aumenta. Consumo de oxigênio é maior Desacopladores fisiológicos (tecido adiposo marrom) UCP1 (uncoupling protein 1) O gradiente de prótons não se estabelece e a energia do transporte de elétrons é dissipada como calor

42 Inibidores A oligomicina é um antibiótico que inibe a síntese de ATP se ligando à subunidade F o que se torna impermeável a prótons. Mantendo o gadiente de prótons e impedindo o transporte de elétrons, parando a síntese de ATP e o consumo de oxigênio. Perante a adição de desacopladores podemos verificar se a inibição está sendo feita na cadeia de transporte de elétrons ou na ATP sintase. Sob a ATP sintase o consumo de oxigênio é restaurado. F1 F1 F o o

43 A mitocôndria

44 Membrana interna da mitocôndria

45 Lançadeira malato-aspartato A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NAD + e NADH. Coenzimas reduzidas no citosol podem ser oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons graças ao sistema de lançadeiras.

46 Lançadeira malato-aspartato fígado, rim e coração malato desidrogenase citossólica aspartato amino transferase citossólica dicarboxilato translocase Aspartato-gluatmato translocase malato desidrogenase mitocondrial aspartato amino transferase mitocondrial

47 Lançadeira do glicero fosfato músculo esquelético e cérebro Apenas 2ATPs resultarão Glicerol 3-fosfato desidrogenase

48 Membrana mitocondrial interna é impermeável a diversos compostos. O transporte de diversos compostos é feito por translocases. As translocases controlam a permeabilidade da membrana interna da mitocôndria. Adenina nucleotídeo translocase (ATP/ADP) translocase (permite a saída do ATP produzido e entrada do ADP) Fosfato translocase Dicarboxilato translocase (malato, succinato, fumarato, e α-cetoglutarato). Lançadeira do malato aspartato Tricarboxilato translocase (citrato e isocitrato). Piruvato translocase (monocarboxilato translocase). Aspartato-Glutamato translocase. Lançadeira do malato aspartato Sistemas transportadores de Ca 2+ (uniportador e antiportador). Energia eletroquímica obtida pelo bombeamento de prótons acoplado à cadeia de transporte de elétrons. Reduzem o rendimento de ATP.