Bioquímica. Respiração Celular. Profª. Ana Elisa Matias

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1 Bioquímica Respiração Celular Profª. Ana Elisa Matias

2 Metabolismo Metabolismo é o conjunto de transformações e reações químicas através das quais se realizam os processos de síntese, degradação (ou decomposição) das células. Este fenômeno está relacionado com três funções vitais: nutrição (inclusão de elementos essenciais no organismo), respiração (oxidação desses elementos essenciais para produção de energia química) e síntese de moléculas estruturais (utilizando a energia produzida). 2

3 Metabolismo O processo metabólico se divide em dois grupos denominados anabolismo (reações de síntese) e catabolismo (reações de degradação). Anabolismo são reações químicas construtivas, ou seja, produzem nova matéria orgânica nos seres vivos e por isso consomem energia. Por exemplo, a síntese de proteínas no tecido muscular a partir de aminoácidos. Catabolismo são reações químicas destrutivas, ou seja, há uma quebra de substâncias e consequente liberação de energia. Por exemplo, a quebra da molécula de glicogênio com liberação de glicose. 3

4 Metabolismo A energia para a manutenção da vida provém da degradação das moléculas orgânicas (carboidratos, lipídios, proteínas) que o organismo utiliza como alimento. Nossas células, por exemplo, oxidam moléculas de certos nutrientes absorvidos, degradando-as a moléculas de água e de gás carbônico e obtendo a energia para suas atividades vitais. 4

5 Metabolismo Nos seres vivos, a energia obtida das moléculas orgânicas degradadas não é transferida diretamente para os processos celulares: ela é primeiramente armazenada em moléculas de trifosfato de adenosina (ATP), cuja função é captar energia liberada nas reações químicas e transferi-la quando a célula necessitar. O metabolismo basal (mb) é a quantidade de calorias ou energia, durante o repouso, que o corpo necessita fazer funcionar todos os órgãos. 5

6 Como a energia é armazenada na célula? Nas ligações fosfato da molécula de ATP.

7 Adenosina Trifosfato (ATP) Função: armazenamento temporário de energia. Estrutura: Os ATPs são formados por uma molécula de adenosina (base nitrogenada adenina + açúcar ribose) combinada a três radicais fosfato ligados em cadeia. A energia liberada pela quebra de nutrientes é temporariamente armazenada nas ligações da cadeia de fosfatos. 7

8 Adenosina Trifosfato (ATP) Armazena nas suas ligações fosfatos a energia liberada na quebra da glicose. Quando a célula precisa de energia para realizar alguma reação química, as ligações entre os fosfatos são quebradas, energia é liberada e utilizada no metabolismo celular.

9 Adenosina Trifosfato (ATP) 9

10 Adenosina Difosfato (ADP) Quando a célula precisa de energia para fazer funcionar uma bomba de sódio e potássio, por exemplo, ela irá quebrar a molécula de ATP. Essa quebra é bastante simples, uma vez que é feita por hidrólise (quebra pela água). Assim, quebra-se a ligação entre o 2º e o 3º grupo fosfato e libera-se a energia que mantinha esses dois grupamentos ligados. Dessa maneira, ao fim da quebra dessa molécula, temos um grupo fosfato livre e uma molécula de ADP. 10

11 Aceptores intermediários de Hidrogênio NAD e FAD São aceptores intermediários de hidrogênio, ligando-se a prótons H + produzidos durante as etapas da respiração e cedendo-os para o oxigênio, que é aceptor final de hidrogênios.

12 Um pouco mais sobre o nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD) Também conhecido por dinucleótido de nicotinamida e adenina ou ainda difosfopiridina nucleotídeo. É uma coenzima que apresenta dois estados de oxidação: NAD + (oxidado) e NADH (reduzido). A forma NADH é obtida pela redução do NAD + com dois elétrons e aceitação de um próton (H + ). NAD + + H + + 2e - NADH 12

13 NAD H+ + H+

14 Trata-se de um composto orgânico (a forma ativa da vitamina B3) encontrado nas células de todos os seres vivos e usado como "transportador de elétrons" nas reações metabólicas de oxi-redução. Em sua forma reduzida (NADH) faz a transferência de elétrons durante a fosforilação oxidativa. 2 Hidrogênios 14

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16 Flavina adenina dinucleotídeo (FAD) H+ H+

17 RESPIRAÇÃO CELULAR É o processo de conversão ou extração da energia das ligações químicas das moléculas orgânicas que será utilizada para todas as formas de trabalho biológico. A organela responsável por esse mecanismo é a mitocôndria. Neste processo ocorre a liberação de dióxido de carbono e energia e o consumo de oxigênio e glicose, ou outra molécula orgânica.

18 RESPIRAÇÃO CELULAR

19 Respiração Aeróbica processo pelo qual a glicose é degradada em CO 2 e H 2 O na presença de oxigênio. Rendimento 38 ATPs por molécula de glicose quebrada. C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + 38 ATP

20 RESPIRAÇÃO CELULAR Na respiração aeróbia, a desmontagem da glicose pode ser reduzida assim: 1.Quebra gradativa das ligações entre os carbonos e saída de CO 2 DESCARBOXILAÇÃO 2. Remoção dos hidrogênios da glicose em vários momentos do processo DESIDROGENAÇÃO 3. Queima dos hidrogênios, na cadeia respiratória OXIDAÇÃO 4. Liberação de energia capturada pelo sistema ADP ATP e formação de água 5. Na ausência de O 2, o processo no interior da mitocôndria é interrompido e tem início a ACEPTORES INTERMEDIÁRIOS DEHIDROGÊNIO substâncias que retiram hidrogênio dos derivados da glicose e cedem ao oxigênio

21 Respiração Aeróbica Fases: 1. Anaeróbia (glicólise): não necessita de oxigênio para ocorrer e é realizada no citoplasma ou hialoplasma. 2. Aeróbia (ciclo de Krebs e cadeia transportadora de elétrons): requer e presença de oxigênio e ocorre dentro das mitocôndrias

22 MITOCÔNDRIAS RESPIRAÇÃO CELULAR PRODUÇÃO DE ATP A T P 3 - FOSFATOS BASE NITOGENADA ADENINA LIGAÇÕES RICAS EM ENERGIA CALORÍFICA PENTOSE RIBOSE ETAPAS DA RESPIRAÇÃO CELULAR I- GLICÓLISE Quebra da glicose - ATP II- CICLO DE KREBS - Conjunto de reações que formam CO 2 - NADH 2 - FADH 2 - ATP III- CADEIA RESPIRATÓRIA Produção de moléculas de ATP H20

23 LOCAIS DA RESPIRAÇÃO CELULAR 1a. GLICÓLISE HIALOPLASMA 3a. CADEIA RESPIRATÓRIA MEMBRANA INTERNA MEMBRANA EXTERNA M I T O C Ô N D R I A S CRISTAS 2a. CICLO DE KREBS MATRIZ

24 MITOCÔNDRIA Formada por 2 membranas; A membrana externa é lisa e controla a entrada/saída de substâncias da organela; A membrana interna contém inúmeras pregas chamadas cristas mitocondriais, onde ocorre a cadeia transportadora de elétrons; 24

25 MITOCÔNDRIA Cavidade interna é preenchida por uma matriz viscosa, onde podemos encontrar várias enzimas envolvidas com a respiração celular, DNA, RNA e pequenos ribossomos. É nessa matriz mitocondrial que ocorre o ciclo de Krebs.

26 Glicólise (via de Embden Meyerhof Parnas) Os carboidratos, as biomoléculas mais abundantes na natureza, são as fontes universais de nutrientes para as células humanas. A glicose é o carboidrato mais importante. Nas células, a glicose é degradada ou armazenada por diferentes vias. A glicólise transforma a glicose em duas moléculas de piruvato (ou lactato) posteriormente, degradado para a produção de energia. 26

27 Glicólise Quebra da glicose em duas moléculas de piruvato + NADH + ATP

28 Glicólise O glicogênio, a forma de armazenamento da glicose nos mamíferos, é sintetizado pela glicogênese. As reações da glicogenólise desdobram o glicogênio em glicose. É também possível sintetizar glicose a partir de precursores não carboidratos pelo mecanismo chamado gliconeogênese. A via das pentoses fosfato converte a glicose em ribose 5 fosfato (o açúcar utilizado para a síntese dos nucleotídeos e ácidos nucléicos) e outros tipos de monossacarídeos. O NADPH, um importante agente redutor celular, é também produzido por essa via. 28

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30 Glicólise A oxidação completa da D-glicose ocorre com uma variação da energia livre padrão de -2840kJ/mol, que pode ser empregada para produzir ATP de maneira aeróbica e anaeróbica. 30

31 Nos vegetais superiores e nos animais, a glicose tem três destinos principais: (a) Pode ser armazenada como polissacarídeo ou como sacarose. 31

32 (b) Pode ser oxidada a compostos de três átomos de carbono (piruvato) por meio da glicólise. 32

33 Pode ser oxidada a pentoses, por meio das pentoses fosfatos (rota do fosfogliconato). GSH glutationa (forma reduzida) GSSG glutationa (forma oxidada) 33

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35 Glicólise Função: quebra de moléculas de glicose e formação do piruvato (ácido pirúvico). Local: citosol Procedimento: Glicose 2 piruvato: liberação de hidrogênio e energia. 2NAD 2NADH. Produção:4 ATP Gasto: 2ATP Saldo energético: 2 ATP O piruvato formado entra na mitocôndria e é convertido em acetil CoA, que segue para o ciclo de Krebs. 35

36 Glicólise Ocorre no citosol da célula e consiste na degradação da glicose, por ação enzimática, a fim de produzir duas moléculas de piruvato. Durante as reações da glicólise, parte da energia livre liberada é conservada na forma de ATP e NADH. ATP 36

37 Em certos tecidos e tipos celulares de mamíferos como eritrócitos, medula renal, cérebro e esperma, por exemplo, a glicose, por meio da glicólise, é a única fonte de energia metabólica. Fermentação - Termo geral que denota a degradação anaeróbica da glicose ou de outros nutrientes orgânicos em vários produtos para obter energia conservada na forma de ATP. 37

38 O processo da glicólise difere de uma espécie para outra apenas em detalhes da sua regulação e no destino metabólico subsequente do piruvato formado. A oxidação da glicose (glicólise) para a formação de duas moléculas de piruvato (3 átomos de C, cada) ocorre em uma sequência de 10 passos. A via glicolítica é dividida em duas etapas que têm por objetivo a síntese de energia e a formação de piruvato 38

39 VIA GLICOLÍTICA Fase preparatória (5 primeiros passos). Passo 1: fosforilação da glicose no grupo hidroxila em C-6 para liberar glicose-6-fosfato. - A molécula de glicose que entra nos tecidos é fosforilada (ganha um grupo fosfato) com gasto energético de uma molécula de ATP, dando origem à glicose-6-fosfato e ADP. Doador de fosfato: ATP 39

40 Trata-se de uma reação irreversível, catalisada pela enzima hexoquinase. IMPORTANTE: o nome comum quinase (transferase) é aplicado a todas as enzimas que catalisam a transferência do grupo fosfato terminal do ATP para um receptor nucleofílico qualquer. Ex.: hexose, no caso da hexoquinase. 40

41 Para ser ativa, a hexoquinase, assim como muitas outras quinases, requer Mg 2+, atuando como cofator da enzima, já que o substrato da enzima é o complexo MgATP

42 - Passo 2: a D-glicose-6-fosfato assim formada é convertida em D-frutose-6-fosfato. Mg 2+ Fosfoexose isomerase Mg 2+ Fosfoexose isomerase OBS: A enzima fosfoexose isomerase é também chamada de fosfoglicoisomerase 42

43 A enzima fosfoexose isomerase (fosfoglico isomerase) catalisa a isomerização reversível de uma aldose, a glicose-6-fosfato, em uma cetose, a frutose-6-fosfato. A fosfoexose isomerase é específica para esse tipo de reação. A reação está em equilíbrio químico, e sua velocidade de conversão em ambos os sentidos é rápida devido a baixa energia livre padrão envolvida no processo ( G o = - 1,7 kj/mol). 43

44 - Passo 3: fosforilação da frutose-6-fosfato em frutose-1,6-bifosfato. 44

45 Há, portanto, a transferência de um grupo fosfato do ATP para a frutose-6-fosfato catalisada pela fosfofrutoquinase 1 (PFK-1). A reação é irreversível nas condições celulares. Algumas bactérias e protistas e, talvez, todos os vegetais possuem uma fosfofrutoquinase que usa o pirofosfato (PP i ), e não o ATP, como o doador do grupo fosfato na síntese da frutose-1,6-bifosfato. 45

46 Pirofosfato (PPi) 46

47 - Passo 4: Clivagem da frutose-1,6-bifosfato em duas trioses. aldolase 47

48 Catalisada pela enzima frutose-1,6-bifosfato aldolase (reação de condensação reversível). A clivagem resulta em duas trioses fosfatos diferentes: o gliceraldeído-3-fosfato (aldose) e a diidroxiacetona fosfato (cetose). A via glicolítica é alimentada apenas por uma das duas trioses: gliceraldeído-3-fosfato. 48

49 - Passo 5: A interconversão das trioses fosfato. IMPORTANTE!!! Apenas o gliceraldeído-3-fosfato pode ser degradado diretamente nos passos subsequentes da glicólise. Entretanto, a diidroxiacetona fosfato é rápida e reversivelmente convertida em gliceraldeído-3- fosfato pela enzima triose fosfato isomerase. 49

50 Passo 5: A interconversão das trioses fosfato. Essa reação completa a fase preparatória da Glicólise. triose fosfato isomerase (a) 50

51 Importante!!! - Duas moléculas de ATP precisam ser investidas para ativar, ou iniciar, a molécula de glicose para sua quebra em duas partes com 3 carbonos!! - Depois haverá um retorno positivo para esse investimento. 51

52 Dessa forma, na fase preparatória da glicólise, a energia do ATP é investida, e as cadeias carbônicas de todas as hexoses são convertidas em gliceraldeído-3-fosfato. 52

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54 Fase de pagamento: conversão do gliceraldeído- 3-fosfato em piruvato com formação de ATP. A cada duas moléculas de gliceraldeído-3- fosfato convertida em duas moléculas de piruvato, há a formação de quatro moléculas de ATP. Entretanto, o rendimento líquido de ATP por molécula de glicose degradada é apenas dois, já que duas moléculas de ATP são investidas na fase preparatória da glicólise. 54

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56 Passo 6. Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato em 1,3- bifosfoglicerato. Catalisador: gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase. Gliceraldeído-3- fosfato desidrogenase 56

57 Nessa etapa, o grupo aldeído de gliceraldeído-3- fosfato é desidrogenado, formando o grupo acilfosfato. A coenzima NAD + é o receptor de hidrogênio da reação catalisada, para liberar a coenzima reduzida NADH. O outro átomo de hidrogênio da molécula do substrato aparece em solução como H +. O NADH é continuamente reoxidado para permitir que a remoção de H + ocorra de forma ininterrupta, enquanto exista gliceraldeído-3-fosfato. 57

58 Passo 7. Transferência do fosfato do 1,3- bifosfoglicerato para o ADP. Enzima de transferência: fosfoglicerato quinase. 58

59 O grupo fosfato de alta energia é transferido do grupo carboxila do 1,3-bifosfoglicerato para o ADP, formando ATP e 3-fosfoglicerato. Os passos 6 e 7 constituem um processo acoplador de transferência de energia. Intermediário comum: 1,3-bifosfoglicerato: - No passo 6, é formado em uma reação endotérmica. - No passo 7, transfere um grupo fosfato ao ADP em uma reação fortemente exotérmica. 59

60 A soma das reações em sequência é: Tratam-se de reações reversíveis. - A energia na oxidação de um aldeído a um grupo carboxilato é conservada pela formação concomitante de ATP com emprego de ADP e P i. 60

61 Obs.: A formação de ATP pela transferência de um grupo fosfato de um substrato como o 1,3-bifosfoglicerato é referida como fosforilação no nível do substrato. É diferente do mecanismo conhecido como fosforilação ligada à respiração. Neste, as enzimas envolvidas estão presas em membranas, enquanto na fosforilação no nível do substrato, as enzimas são normalmente intermediários químicos solúveis. 61

62 Passo 8. Conversão do 3-fosfoglicerato em 2- fosfoglicerato, auxiliada pela enzima fosfoglicerato mutase. Trata-se da transferência reversível do grupo fosforil entre C-2 e C-3 do glicerato. 62

63 O nome geral mutase é dado a enzimas que catalisam a transferência de um grupo funcional de uma posição para outra na mesma molécula de substrato. As mutases são uma subclasse das isomerases, enzimas que interconvertem estereoisômeros, isômeros estruturais ou posicionais. Isômeros estruturais Isômeros posicionais 63

64 Passo 9. Desidratação do 2-fosfoglicerato para fosfoenolpiruvato catalisada pela enzima enolase. O fosfoenolpiruvato é um composto com alto potencial de transferência de grupo fosforil. 64

65 IMPORTANTE!!! A enzima enolase promove a reação REVERSÍVEL da molécula de água do 2-fosfoglicerato para liberar o fosfoenolpiruvato. ENOLASE 65

66 Passo 10. Transferência do grupo fosforil do fosfoenolpiruvato para o ADP catalisada pela enzima piruvato quinase. 66

67 A enzima piruvato quinase requer K + e ou Mg 2+ ou Mn 2+ como promotores catalíticos. IMPORTANTE!! - Na reação de fosforilação, o piruvato aparece inicialmente na sua forma enol mas rapidamente tautomeriza (isomeria funcional) para liberar a forma cetônica do piruvato, que predomina em ph 7,0. 67

68 A reação é altamente energética e exotérmica, o que facilita a ligação do grupo fosfato ao ADP e a formação de ATP. A reação do piruvato quinase é essencialmente irreversível sob condições intracelulares e é um importante sítio de regulação Dessa forma, a equação geral da glicólise em condições aeróbicas pode ser descrita como: 68

69 FÓRMULA DA GLICÓLISE Glicose + 2 ADP + 2 P i + 2 NAD + ---> 2 moléculas de ácido pirúvico + 2 ATP + 2 NADH + 2 H H 2 O Observar: - a fosforilação de 2 moléculas de ADP; - A redução de 2 moléculas de NAD +.

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71 Lembrando que: - O principal objetivo da glicólise é promover a quebra de uma molécula orgânica (glicose) a fim de liberar energia (ATP) para seja utilizada no processo de respiração celular. - As duas moléculas de NADH liberadas entre o passo 5 e 6 transferem energia ao ATP na ultima fase da respiração celular. 71

72 Os dois piruvatos liberados (saldo positivo) são, em seguida, transferidos para a mitocôndria (matriz mitocondrial) para que se tenha início o ciclo do ácido cítrico. 72

73 O início do ciclo do ácido cítrico consiste na passagem do ácido pirúvico pela membrana da mitocôndria com liberação de CO 2 (aeróbico). O piruvato, sofre o processo de descarboxilação, sendo convertido em acetil-coa o qual será utilizado para dar início a via aeróbica de produção de energia denominada ciclo de Krebs 73

74 Para cada glicose quebrada, dois piruvatos foram formados e assim duas espécies acetil-coa. No processo de quebra de uma ligação com CO 2 energia é liberada e armazenada pelo NAD + que se transforma em NADH, armazenador de energia. Dessa forma são formados dois NADH 74

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76 Ciclo de Krebs Nomes: ciclo do ácido cítrico ou ácido tricarboxílico. Mentor: Hans Adolf Krebs, (1953) Local: matriz mitocondrial Procedimento: Acetil-coenzima A (acetil-coa): entra no ciclo de Krebs. Ciclo de Krebs: liberação de CO 2, ATP, NADH, FADH 2 Cada ciclo de Krebs forma: 1 ATP, 2CO2, 3NADH e 1FADH2. Obs.: Todo o gás carbônico liberado na respiração provém da formação do acetil e do ciclo de Krebs. 76

77 O Acetil-CoA, componente fundamental e transversal no metabolismo dos seres vivos, forma-se a partir do catabolismo das três biomoléculas principais a nível energético A partir dos açúcares (graças ao intermediário piruvato), por descarboxilação oxidativa; a partir dos lípidos que se decompõem em ácidos gordos livres, por Beta-oxidação (não será aprofundado este mecanismo visto ter sido abordado anteriormente); a partir das proteínas, por desaminação oxidativa dos aminoácidos cetogénicos 77

78 Introdução O ciclo do ácido cítrico ou de Krebs consiste numa série de 8 reações metabólicas que constituem a via final comum para a oxidação de moléculas alimentares e inicia-se num metabolito comum a todas as vias, a Acetil-CoA; E um processo aeróbio pois o único mecanismo que, na mitocôndria, permite a regeneração de NAD+ e de FAD, consome O 2 (cadeia respiratória). 78

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80 O Ciclo do Ácido Cítrico possui oito passos Etapa 1: Formação do citrato É reciclada para formar outra molécula de acetil- CoA na descarboxilação de outra molécula de piruvato ou ácido cítrico Irreversível 80

81 Etapa 2: Formação do isocitrato via cis-aconitato É um ácido tricarboxílico que não se dissocia do sítio ativo desidratação hidratação Objetivo: troca da posição da hidroxila para um carbono adjacente 81

82 Etapa 3: Descarboxilação do isocitrato à -cetoglutarato e CO 2 Descarboxilaçã o oxidativa A enzima promove a descarboxilação do isocitrato a cetoglutarato Libera-se energia para redução do NAD + a NADH + H + 82

83 Etapa 4: Descarboxilação do -cetoglutarato a succinil-coa e CO 2 Carreador do grupo succinil Descarboxilaçã o oxidativa Nesta etapa ocorre a liberação da 2º molécula de CO 2 Liberação de energia para redução de NAD + a NADH Adição de uma molécula de CoA-SH originando succinil-coa. 83

84 Etapa 5: Conversão do succinil-coa em succinato Tem uma energia livre de hidrólise de sua ligação tioéster forte e negativa. A energia liberada no rompimento desta ligação é empregada para dirigir a síntese de ATP ou GTP (guanina). 84

85 O GTP é utilizado na formação de um ATP pela nucleosídio difosfocínase ( permite a transferencia do fosfato terminal do GTP) Assim, esta reação é o único exemplo no ciclo do ácido cítrico em que há formação de um fosfato de alta energia ao nível do substrato 85

86 Etapa 6: Oxidação do succinato a fumarato Nos eucariotos, a succinato desidrogenase está firmemente ligada à membrana mitocondrial interna; nos procariotos ela é ligada a membrana plasmática. É a única enzima do ciclo do ácido cítrico ligada à membrana. O malonato, um análogo do succinato, é um potente inibidor competitivo da succinato desidrogenase, logo é um bloqueador do ciclo do ácido cítrico. 86

87 Etapa 7: Hidratação do fumarato para produzir malato Esta enzima é altamente estereoespecífica; ela catalisa a hidratação da dupla ligação trans do fumarato, porém não é capaz de agir no maleato (isômero cis do fumarato) Na direção inversa, a fumarase é igualmente estereoespecífica: o D-malato não é um substrato. 87

88 A oxidação do malato a oxaloacetato O equilíbrio desta reação está muito deslocado para a esquerda sob as condições termodinâmicas padrão. Entretanto, nas células intactas, o oxaloacetato é continuamente removido pela reação da citrato sintase que é altamente exergônica. Isso conserva a concentração de oxaloacetato na célula em valores extremamente pequenos ( 10-6 M), deslocando a reação na direção de formação de oxaloacetato. 88

89 Produtos de uma volta do ciclo do ácido cítrico Os 2 átomos de C que aparecem com CO 2 não são os mesmos 2C que entraram no ciclo na forma de grupo acetil; são necessárias várias voltas no ciclo para que isso aconteça. Cada volta do ciclo do ácido cítrico produz três NADH e um FADH 2, bem como um GTP (ou um ATP). Dois CO 2 são produzidos nas reações de descarboxilação oxidativa. 89

90 Importância A função principal de ocorrer o ciclo do ácido cítrico é a geração de energia, direta ou indiretamente, na forma de ATP ou Produção de elétrons altamente energéticos e prótons. Esses produtos passarão por outro processo denominado Sistema Transportador de Elétrons que será a etapa mais eficiente e altamente energética. É importante destacar outro aspecto desse ciclo : a formação de metabólitos que são utilizados em outros processos. 90

91 Acetil-CoA Estágio 2 oxidação de acetil-coa Ciclo do ácido cítrico Transportadores de e - reduzidos Qual o destino destes transportadores de e -? 91

92 CADEIA RESPIRATÓRIA OU CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS É o conjunto de substâncias presentes nas cristas da membrana interna da mitocôndria, onde ocorrem reações de óxido-redução, fornecendo a energia necessária para a ressíntese do ATP, ocorrendo também a formação de H 2 O. Composta por: - Quatro complexos proteicos I a IV; - duas moléculas conectoras móveis: coenzima Q (ubiquinona) e o Citocromo C (Cyt c).

93 Os átomos de hidrogênio retirados pelo NAD dos esqueletos de carbono durante a GLICÓLISE e o ciclo de KREBS são transportados por várias moléculas até o oxigênio, formando H 2 O e ATP. Transporta elétrons desde o NADH e o FADH 2 até o O 2 e simultaneamente bombeia prótons H + (nos complexos protéicos I, III e IV) da matriz mitocondrial (lado negativo, N) para o espaço intermembrana (lado positivo, P).

94 FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA É o processo metabólico de síntese de ATP a partir da energia liberada pelo transporte de elétrons na cadeia respiratória. Este processo depende de dois fatores: da energia livre obtida do transporte de elétrons; de uma enzima transportadora denominada ATPsintase ou ATPase.

95 Fim das rotas metabólicas de produção de energia em organismos aeróbicos Representa o estágio 3º do processo Acoplamento da oxidação de NADH e FADH 2 e síntese de ATP É o principal sítio de produção de ATP Envolve o consumo de O 2 e formação de H 2 0 Teoria Quimiosmótica - Fluxo de elétrons por carreadores criam um gradiente de concentração de prótons na membrana mitocondrial - A quebra deste gradiente está acoplada com a síntese de ATP 95

96 LOCAL: MITOCÔNDRIA - Organela de eucariotos possui duas membranas: Membrana Mitocondrial externa - MME Permeável a pequenas moléculas Membrana Mitocondrial interna - MMI Impermeável a maioria das moléculas - Inclusive H + - Necessidade de transportadores de membrana Espaço intermembranal -Cristas membranais 96

97 A fosforilação oxidativa envolve a redução do O 2 a H 2 O com elétrons doados pelo NADH e FADH 2. 97

98 UQ O complexo I é também chamado de complexo da NADH desidrogenase. - Na reação catalisada pelo complexo I, a ubiquinona oxidada (UQ) aceita um íon hidreto (2 e - e um H + ) do NADH e um próton da água na matriz. 98

99 - O complexo II é a enzima succinato desidrogenase. - Os e - alcançam a ubiquinona via complexos I e II. - A ubiquinona reduzida UQH 2 funciona como um transportador movél de elétrons e prótons. 99

100 - O complexo III também é chamado de complexo dos citocromos bc 1. - A UQH 2 passa e - ao complexo III, que os passa a uma outra conexão móvel, o citocromo c. 100

101 - O complexo IV é também chamado de citocromo oxidase. - O complexo IV transfere elétrons do citocromo c reduzido ao O 2. - Os citocromos são proteínas transportadoras de elétrons que contêm ferro. 101

102 -O fluxo de elétrons pelos complexos I, III e IV é acompanhado do fluxo de prótons da matriz para o espaço intermembranas. - A energia de transferência dos elétrons é eficientemente conservada em um gradiente de prótons. 102

103 COMO UM GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO DE PRÓTONS É TRANSFORMADO EM ATP? 103

104 A membrana mitocondrial interna separa dois compartimentos de diferentes [H + ], resultando em diferenças na concentração química ( ph) e distribuição de cargas através da membrana. O resultado é a força próton-motora. 104

105 Espaço intermembranas Matriz Potencial químico ph (interior alcalino) Síntese de ATP dirigida pela força prótonmotora Potencial elétrico (interior negativo) 105

106 Seletividade da membrana interna da mitocôndria Membrana externa: livremente permeável a pequenas moléculas e íons Membrana interna: seletiva impermeável a íons e pequenas moléculas Matriz mitocondrial: contém enzimas do ciclo do ácido cítrico, proteínas da cadeia respiratória, enzimas da oxidação de ácido graxos e aminoácidos 106

107 A transferência de prótons através da membrana, produz tanto um gradiente químico ( ph) como um gradiente elétrico ( ). A membrana mitocondrial interna é impermeável aos prótons; Os prótons podem reentrar na matriz apenas através de canais próton-específicos (F o ); A força próton-motora, que leva os prótons de volta para a matriz, fornece energia para síntese de ATP, catalisada pelo complexo F 1, associado ao F o. 107

108 A fosforilação oxidativa tem 3 aspectos importantes: 1. Envolve o fluxo de e - através de uma cadeia de transportadores ligados à membrana; 2. A E livre está acoplada ao transporte dos prótons através da membrana interna; 3. O fluxo dos prótons fornece a E livre para síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase, que acopla fluxo de prótons à fosforilação do ADP. 108

109 ATP SINTASE têm dois domínios funcionais: F o e F 1 é um grande complexo enzimático presente na membrana mitocondrial interna. Catalisa a formação de ATP a partir do ADP e P i acompanhado pelo fluxo de prótons. Também chamado de complexo V. 109

110 A enzima ATP sintase ou ATPase está distribuída em duas frações funcionais: FRAÇÃO FO Atua como um canal de prótons através da membrana mitocondrial interna. FRAÇÃO F1 Ligada à membrana mitocondrial interna pela Fração FO, possui atividade de síntese de ATP. Quando dissociada da fração FO, possui apenas capacidade de hidrolisar ATP.

111 F o : é uma proteína integral de membrana; F 1 : é uma proteína periférica de membrana. A formação de ATP na enzima necessita de pouca energia; O papel da força prótonmotora é empurrar ATP do seu sítio de ligação na sintase. 111

112 112

113 A estequiometria da redução das coenzimas e da formação de ATP na oxidação aeróbica de uma molécula de glicose por meio da via glicolítica seguida da reação da piruvato desidrogenase, do ciclo do ácido cítrico e da fosforilaçao oxidativa. Cada NADH = 2,5 ATP Cada FADH 2 = 1,5 ATP 113

114 Estequiometria da síntese de ATP ADP + Pi + 3H + p ATP + H 2 O + 3H + n NADH O 2 = 10H + /2e - 10H + /4H + = 2,5 ATP Adenina nucleotídeo e Pi translocase: 1H + Succinato (FADH 2 ) O 2 = 6H + /2e - 6H + /4H + = 1,5 ATP Produção de ATP na oxidação completa de glicose Processo Produto ATP final Glicólise 2 NADH (citosólico) 5 2 ATP 2 Oxidação do piruvato (2 por glicose) Oxidação de acetil-coa no ciclo de Krebs 2 NADH (mitocondrial) 5 6 NADH (mitocondrial) 15 (2 por glicose) 2 FADH ATP ou GTP 2 Produção total por glicose