Objetivos. Obtenção de Energia. de ATP. Fontes de ATP. Potência aeróbia e anaeróbia. Fosforilação oxidativa

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1 Objetivos Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa Alexandre Havt Demonstrar como o transporte de elétrons na membrana mitocondrial gera força próton tonmotriz para a síntese s de ATP Importância da utilização de ATP para as reações biológicas Obtenção de Energia Obtenção de Energia Quimiotróficos Quimiolitotróficos (compostos inorgânicos) Quimiorganotróficos (compostos orgânicos) Carboidratos Lipídeos Proteínas Obtenção de energia por oxidação de compostos do meio CO H + + e Coenzimas (oxidadas) ATP + H O Nutrientes oxidados Perda de prótons (H + ) e elétrons (e ) Átomos de carbono convertidos em CO Coenzimas reduzidas Redução de Oxigênio em H O Coenzimas H + + e (reduzidas) O + ADP + P i Fontes de ATP Potência aeróbia e anaeróbia Metabolismo anaeróbio de nutrientes Aláctico Fosfocreatina quinase ATP Láctico Glicose Piruvato Lactato Metabolismo aeróbio de nutrientes Ciclo do ácido cítricoc Cadeia transportadora de elétrons Fosforilação oxidativa Oxidação da glicose sanguínea nea Oxidação de glicogênio Glicólise lise Substrato Oxidação lipídica Catabolismo de fosfocreatina mmol ATP/Kg/s 1,0 1,0,8 4,5 9,0 Tempo de retardo >h 90 minutos Alguns minutos 5 10 segundos Instantâneo 1

2 Contribuição aeróbia e anaeróbia na produção de energia Metabolismo Aeróbio Duração do exercício cio (s) % Anaeróbio % Aeróbio Mitocôndria Membrana dupla Externa superfície lisa Espaço intermembranar Interna cristas Enzimas de oxidação Matriz DNA mitocondrial Ribossomos Absorção de bactérias aeróbias Oxidação da Glicose Oxidação de Coenzimas Reação Glicólise lise Gliceraldeido 3fosfato 3fosfoglicerato3 Moles de ATP Moles de NADH Moles de FADH Energia conservada nas coenzimas reduzidas Oxidação Piruvato AcetilCoA Possam participar novamente das vias catabólicas Isocitrato αcetoglutarato Malato Succinato Total Ciclo do ácido cítricoc αcetoglutarato Oxaloacetato Fumarato SuccinilCoA (GTP) 4 10 Energia conservada é usada para: Síntese de ATP Redução do O em H O Oxidação de Coenzimas Compare as variações de energia livre padrão: Transferência de elétrons de NADH para o O G o = 0 kj.mol 1 ([ ] dos produtos > [ ] dos reagentes) Síntese de ATP G o = + 31 kj.mol 1 ([ ] dos produtos < [ ] dos reagentes) Se a transferência de elétrons das coenzimas reduzidas fosse feita diretamente para o O toda a energia seria liberada na forma de calor Estratégia celular para síntese s de ATP Energia da transferência de elétrons para gerar gradiente de prótons Cadeia Transportadora de Elétrons Ocorre na membrana interna da mitocôndria Quatro complexos enzimáticos I NADHCoQ redutase (FMN / centros FeS) II SuccinatoCoQ redutase (FAD / Centros FeS S / Citocromo b) III CoQcitocromo c redutase (Citocromos b e c 1 / Centros FeS) IV Cicromo c oxidase (Citocromos a e a 3 / Íons de cobre) transportadores de elétrons Coenzima Q (CoQ( CoQ) ubiquinona (não protéico) Conecta complexos I e II ao III Citocromo c Conecta complexo III ao IV

3 Cadeia Transportadora de Elétrons Complexo I (NADH( NADHCoQ redutase) Formado por 6 cadeias polipeptídicas Grupos prostéticos ticos Flavina mononucleotídeo (FMN) Capaz de receber prótons e elétrons Reduzido a forma FMNH por NADH 6 ou 7 centros Ferro Enxofre Capazes de transportar elétrons Fe +3 para Fe + Complexo I (NADH( NADHCoQ redutase) Complexo II (Succinato( SuccinatoCoQ redutase) H + Succinato desidrogenase Enzima da membrana interna mitocondrial Ciclo do ácido cítricoc Succinato oxidado à Fumarato Redução de FAD (grupo prostético) tico) à FADH Transporte de prótons e elétrons Centros FeS S e citocromo b 560 Transporte de elétrons Prótons voltam a matriz Não háh contribuição para a formação de gradiente de prótons E o e G o Succinato CoQ seja pequeno Complexo II não atinja parte externa da membrana interna Complexo II (Succinato( SuccinatoCoQ redutase) H + Coenzima Q ou ubiquinona Quinona Cadeia Lateral Unidades isoprênicas Molécula hidrofóbica Mobilidade na membrana Prótons e elétrons Forma reduzida Ubiquinol QH Forma semireduzida Semiquinona QH + 3

4 Fonte de Reduções da CoQ Recebe elétrons Complexo I e II Glicerol 3fosfato 3 desidrogenase Transporte de elétrons Face externa da membrana interna Grupos prostéticos ticos FAD Centro FeS CoQ Como Ponto de Convergência dos Elétrons AcilCoA desidrogenase metabolismo dos lipídeos Transporte de elétrons Matriz Grupos prostéticos ticos FAD ETF (Flavoprote( Flavoproteína transferidora de elétrons) ETFubiquinona óxido redutase FAD Centro FeS CoQ Como Ponto de Convergência dos Elétrons Transportadores de elétrons Grupo heme (Ferro) Fe + Fe +3 Membrana interna mitocôndria Membrana Retículo Endoplasmático Classificação Espectro de absorção a, b e c Citocromos b e c heme igual ao da hemoglobina (grupos vinila e metila) a grupo isoprênico e formila Forma de ligação do heme à proteína a e b ligação não covalente c covalente (ciste( cisteínas) Forma de ligação do Ferro à proteína a e b resíduos de histidina c resíduos de histidina e cisteína Complexo III CoQcitocromo c redutase Ciclo Q Componentes do Ciclo Q Citocromo b 56 e b 566 Centro FeS Citocromo c 1 CoQ Traz elétrons dos Complexos I e II ao III Citocromo c Proteína periférica rica que transporta elétrons do complexo III para o IV 4

5 Ciclo Q Complexo IV Citocromo c oxidase Componentes Citocromo c 3 íons cobre divididos em dois grupos Cu A /Cu A Cu B Forma oxidada Cu + cúprica Forma reduzida Cu + cuprosa Heme a e a 3 Sítio catalítico tico da enzima Cu B e citocromo a 3 (Fe +3 Fe Fe + ) Complexo IV Citocromo c oxidase Formas Reativas de Oxigênio Radicais livres Íons de oxigênio não reduzidos completamente Superóxido O Peróxido O Peróxido de hidrogênio H O Estratégias de defesa Enzima Superóxido dismutase O + H + O + H O Enzima Catalase H O O + H O Gradiente de Prótons Fosforilação Oxidativa Complexo I Complexo III Complexo IV Fosforilação do ADP em ATP utilizando a energia liberada pelas reações de óxidoredução da cadeia transportadora de elétrons. H + 4H + 4H + Energia direcionada para criar um contragradiente de prótons Excesso de H + fora da matriz mitocondrial Matriz com carga negativa Porção intermembrana carga positiva Membrana interna impermeável a H + ATP sintase Força Prótonmotriz 5

6 ATP sintase ATP sintase Componentes Porção esférica Fator de acoplamento 1 (F 1 ) Porção membranal (F o ) Síntese do ATP ocorre com o retorno dos prótons à matriz mitocondrial A cada 3 prótons que retornam um ATP é formado Mudança a na conformação da enzima com a entrada dos prótons ATP sintase Controle Respiratório rio A velocidade do transporte de elétrons e síntese de ATP são dependentes da [ ] de ADP Transporte de elétrons está acoplado à síntese de ATP ADP tem concentrações limitantes Quanto mais ADP for formado maior a velocidade das reações de catálise e maior produção de ATP Desacopladores Substâncias que impedem a síntese s de ATP sem a interrupção da oxidação das coenzimas Energia das oxidações é dissipada como calor Substâncias lipofílicas licas,4 Dinitrofenol (DNP) Ácido fraco Associase se a prótons e os carreia para a matriz Bloqueia a formação do gradiente de prótons Desacoplador Endógeno Função de produção de calor Tecido adiposo marrom Certas regiões de recémnascidos Animais semihibernantes Termogenina Proteína que transporta H + para a matriz Parte da energia dissipada como calor 6

7 Rendimento da Oxidação da Glicose I) Glicose a piruvatos II) piruvatos a acetil CoA III) acetil CoA no ciclo do ácido cítricoc IV) NADH e FADH na CTE e FO Etapas Coenzimas produzidas Fosforilação no substrato Total I NADH ATP II NADH III 6 NADH FADH GTP I + II + III 10 NADH FADH 4 ATP IV 30 ATP 4 ATP Moles de ATP formados * Oxidação do NADH citossólico Membrana interna mitocondrial impermeável a NAD + e NADH Oxidação indireta por lançadeiras adeiras Malato Aspartato Células hepáticas, cardíacas acas e renais Permeases proteínas de transporte da membrana Glicerol fosfato Músculo esquelético e cérebro c mamíferos Músculo de vôo de insetos NADH FADH Lançadeira adeira MalatoAspartato Transaminação Lançadeira adeira Glicerol Fosfato Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial Membrana externa permeável Membrana interna impermeável Sistemas de transporte Adenina nucleotídeo translocase (ATP/ADP translocase) Transfere ATP da matriz por ADP do citossol Quanto maior [ADP], maior a translocação Inibidores da ATP/ADP translocase Atractilosídeo glicosídeo vegetal Ácido bongcréquico antibiótico tico fúngico que cresce em comida típica t à base de coco (bongkrek( em indonésio) 7

8 ADP/ATP ATP Translocase Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial Sistemas de transporte ATP/ADP translocase + Fosfato Translocase Fosfato adentra a matriz por troca de OH Dicarboxilato translocase Malato, Succinato e Fumarato por fosfato (P( i ) Troca de um dicarboxilato por outro Tricarboxilato translocase Troca de citrato ou isocitrato por malato Piruvato translocase Troca de piruvato por OH Glutamato translocase Troca de glutamato por aspartato ou OH Transporte ativo de Ca + uniporte Translocase Ca + / Na + Gasto Energético de ATP Dissipação dos prótons para a matriz Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial 8