Oxidações Biológicas e Introdução ao Metabolismo

Transcrição

1 Universidade Federal de Pelotas Instituto de Química e Geociências Departamento de Bioquímica Oxidações Biológicas e Introdução ao Metabolismo Professora Ana Chaves

2 Introdução nucleotídeos Transporte: ATP fosforila proteínas transportadoras forma de armazenamento de ε química nas células dos organismos vivos Proteína de membrana Soluto Soluto transportado Trabalho mecânico: ATP fosforila proteínas motoras Proteína motora Proteína movida Trabalho químico: o ATP fosforila reagentes-chave Reagentes Produto

3 Introdução O fluxo de energia na biosfera é acoplado primariamente aos ciclos de carbono e do oxigênio Metabolismo C 6 H 12 O 6 Células Fotoautotróficas Células Heterotróficas H 2 O

4 Introdução CO 2 CH Lip Prot (H + + e - ) Coenzimas (oxid) ATP + H 2 O Oxidações biológicas Coenzimas (H + + e - ) (red) O2 + ADP + P i conjunto de reações bioquímicas, em nível celular, com o propósito de suprir as células com a ε necessária à realização do trabalho celular

5 Metabolismo e Energia conceitos básicos mudança Metabolismo todas as mudanças químicas que convertem nutrientes em energia e nos compostos químicos complexos das células Anabolismo Catabolismo obtenção de substâncias complexas a partir de sustâncias simples com consumo de energia reações de síntese moléculas complexas são degradadas originando moléculas mais simples processos degradativos geradores de energia fotossíntese síntese de proteínas replicação de DNA Glicólise β-oxidação de AGs

6 Metabolismo e Energia conceitos básicos Metabolismo centenas de reações enzimáticas rotas metabólicas seqüencial Substratos intermediários Produtos Mapa das principais rotas metabólicas em uma célula típica

7 Metabolismo e Energia conceitos básicos Os organismos apresentam uma grande similaridade entre suas principais vias metabólicas Por exemplo, a glicólise, é a vai metabólica através daqual ocorre liberação de energia Mapa das principais rotas metabólicas em uma célula típica

8 Mapa das principais rotas metabólicas em uma célula típica Metabolismo e Energia conceitos básicos Síntese e degradação de CH Vitaminas, coenzimas e hormônios Síntese e degradação de Nucleotídeos Síntese e degradação de lipídeos Glicólise Ciclo de Krebs Síntese e degradação de AAs

9 Metabolismo e Energia conceitos básicos Os três estágios do metabolismo As moléculas nutrientes são hidrolisadas até suas unidades constituintes As unidades constituintes são convertidas em formas facilmente oxidáveis (principalmente Acetil- CoA). Acetil-CoA é completamente oxidado para formar CO 2 e H 2 O. Energia é capturada quando a síntese de ATP é acoplada à Cadeia de Transporte de Elétrons.

10 Metabolismo

11 Metabolismo e Energia conceitos básicos Reação Exoergônica energia livre ε livre de Gibbs (G) Variação de ε livre (ΔG) Energia livre, G Reagentes Quantidade energia liberada Produtos Reações Reação Endoergônica Marcha da reação Reagentes Endoergônicas (ΔG>0) Exoergônicas (ΔG<0) Energia livre, G Quantidade energia requerida Produtos Marcha da reação

12 Metabolismo e Energia conceitos básicos energia livre ε livre de Gibbs (G) Variação de ε livre (ΔG) ω realizado para elevar o objeto Perda de energia potencial Exemplo mecânico Endoergônica Exoergônica Reações Endoergônicas (ΔG>0) Exoergônicas (ΔG<0) Energia livre, G Exemplo químico Marcha da reação

13 Metabolismo e Energia conceitos básicos Fosfoenolpiruvato Substâncias ricas em ε ΔG de hidrólise( KJ.mol -1 ) 1,3-Bisfosfoglicerato Adenina Glicose 6 - Glicerol- Creatina Fosfocreatina Compostos de alta energia Compostos de baixa energia

14 Metabolismo e Energia conceitos básicos Substâncias ricas em ε 7,3 Kcal.mol -1

15 Metabolismo e Energia conceitos básicos Acoplamento metabólico e energético CH, Lipídeos, Proteínas Polissacarídeos, Lipídeos, Proteínas, Ácidos Nucléicos CATABOLISMO CO 2, H 2 O, NH 3 oxidativo exoergônico redutivo endoergônico ANABOLISMO Oses, AAs, AGs, BN O ATP é o elo químico entre o catabolismo e o anabolismo

16 Metabolismo e Energia conceitos básicos Moléculas complexas (por exemplo dos alimentos) Macromoléculas celulares VIAS CATABÓLICAS formas úteis de energia VIAS ANABÓLICAS diversas moléculas simples para biossínteses

17 Reações de óxido-redução Oxidação e redução são reações concomitantes agente oxidante agente redutor Elemento doador Elemento aceptor Par redox (átomos envolvidos na óxi-redução) Sofre oxidação Ganha O 2 Perde e- Perde H + Sofre redução Perde O 2 Ganha e- Ganha H +

18 Reações de óxido-redução concomitantes Se oxida Se reduz agente oxidante agente redutor Ganha O 2 Perde O 2 Perde e- Ganha e- Perde H Ganha H Reagentes Oxidação Produtos CH 4 Energia 2 O 2 CO 2 2 H 2 O Redução Metano Oxigênio Dióxido de Carbono Água

19 Reações de óxido-redução concomitantes agente oxidante agente redutor Se oxida Se reduz Ganha O 2 Perde O 2 Perde e- Ganha e- Perde H Ganha H forma oxidada da nicotinamida Desidrogenase Redução forma reduzida da nicotinamida Oxidação

20 Reações de óxido-redução concomitantes Se oxida Se reduz agente oxidante agente redutor Ganha O 2 Perde O 2 Perde e- Ganha e- Perde H Ganha H Fe 2+ Fe 3+ (ferroso) (férrico) reduzido oxidado Glicose Glicólise Glicose + O 2 Ác. Glicônico (ox) 2 Piruvato Glicose + H 2 Sorbitol (red) 2 Lactato Lactato desidrogenase Fermentação lática

21 Sentido das reações de óxido-redução óxido-reduções celulares Substratos orgânicos oxidados em várias etapas CO 2 CH Lip Prot (H + + e - ) por compostos que se reduzem ao receberem elétrons do composto oxidado Coenzimas (oxid) ATP + H 2 O Coenzimas (H + + e - ) (red) O2 + ADP + P i

22 Sentido das reações de óxido-redução e - CR O 2 ordem dos aceptores não é aleatória definida pelo potencial redox

23 Sentido das reações de óxido-redução Potencial redox Força eletromotriz que expressa a afinidade de um par redox por e - Varia entre os compostos Pode ser determinada Fluxo de e - : < Pot Redox > Pot Redox À medida que os elétrons fluem de um sistema e - e + perda de ε livre os elétrons tendem a se mover no sentido da < ε livre > potencial redox Seqüência de intermediários entre o S e o O 2 CR

24 Sentido das reações de óxido-redução Potenciais Redox Padrão (E 0) de alguns pares conjugados da CTE OXIDANTE REDUTOR E 0 (V) NAD + NADH + H + -0,32 FMN FMNH 2-0,30 FAD FADH 2-0,22 UQ UQH 2 + 0,04 Citocromo b (+3) Citocromo b (+2) + 0,07 Citocromo c 1 (+3) Citocromo c 1 (+2) + 0,23 Citocromo a (+3) Citocromo a (+2) + 0,29 Citocromo a 3 (+3) Citocromo a 3 (+2) + 0,55 ½O H + H 2 O + 0,82 Por convenção, o elemento com tendência mais forte em receber elétron possui valor de Eo positivo

25 Sentido das reações de óxido-redução os elétrons tendem a se mover no sentido da < ε livre > potencial redox Seqüência de intermediários entre o S e o O 2 CR

26 Cadeia Respiratória Cadeia Respiratória = Cadeia de Transporte de Elétrons via final comum através da qual todos os elétrons provenientes dos diferentes combustíveis celulares (S) fluem para o O 2 (oxidante e aceptor final de e - )

27 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

28 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

29 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

30 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

31 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

32 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

33 Cadeia Respiratória Localização sub-celular

34 Cadeia Respiratória Componentes (natureza) enzimas e um composto lipídico capacidade de aceitar e transferir elétrons organizadas na MMI na forma de complexos a) desidrogenases complexos enzimáticos NAD, FMN e FAD centros Fe S b) ubiquinona (CoQ) Quinona lipossolúvel longa cauda isoprenóide c) Citocromos proteínas transportadoras de elétrons HEME (coenzima) 3 classes (a, b e c) *diferença: cadeia polipeptídica espectro de absorção de luz

35 Cadeia Respiratória Organização seqüencial na MMI Fixos Móveis Espaço Intermembranas Complexo I - NADH Desidrogenase Complexo II - Succinato Desidrogenase Complexo III - Citocromo bc 1 Complexo IV - Citocromo a-a 3 (citocromo oxidase) Ubiquinona Citocromo c FMN, Fe-S FAD, Fe-S, Cit b Cit b e c, Fe-S 1 Cit a e a 3, Fe-S Componentes transportadores de e N aprox de cadeias polip. Membrana Mitocondrial Interna Succinato Fumarato Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons

36 Cadeia Respiratória Organização seqüencial na MMI NADH FMN:Fe-S CoQ COMPLEXOI Cit b C 1 e Fe-S COMPLEXOIII Cit c Cit a -a 3 COMPLEXOIV 1/2 O 2 H 2 O SUCCINATO FAD:Fe-S COMPLEXOII OS QUATROCOMPLEXOS DA CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

37 Cadeia Respiratória Componentes (natureza) enzimas e um composto lipídico capacidade de aceitar e transferir elétrons organizadas na MMI na forma de complexos a) desidrogenases complexos enzimáticos NAD, FMN e FAD centros Fe S b) ubiquinona (CoQ) Quinona lipossolúvel longa cauda isoprenóide c) Citocromos proteínas transportadoras de elétrons HEME (coenzima) 3 classes (a, b e c) *diferença: cadeia polipeptídica espectro de absorção de luz

38 Cadeia Respiratória Componentes (natureza) Centros Fe S

39 Cadeia Respiratória Componentes (natureza) Ubiquinona (CoQ) Ubiquinona (oxidada) (Q) Semiquinona (QH ) Ubiquinol (reduzida) (QH 2 )

40 Cadeia Respiratória Componentes (natureza) Ferro protoporfirina IX Cit b Heme C Cit c Heme Heme A Cit a

41 Cadeia Respiratória Substratos NAD e FAD dependentes Substratos NAD Dependentes α-cetoglutarato Piruvato Malato FAD Dependentes Succinato Acil-CoA Glicerol P Isocitrato Glutamato

42 Cadeia Respiratória Reações Matriz NADH DESIDROGENASE NADH+ H + NAD + ATP fumarato FADH 2 succinato Succinato desidrogenase FAD ATP ATP 2 H 2 O 4H + + O 2 Membrana interna FMN FMNH 2 Fe +3 - s UQH 2 Fe +3 Cit b Fe +2 Cit c 1 Fe +3 Cit c Fe +2 Cit a Fe +3 Cit a 3 Fe +2 - s UQ Fe +2 Fe +3 Fe +2 Fe +3 Fe +2 Espaço intermembrana 2 H + Amital Rotenona 2 H + Antimicina A 2 H + CADEIA RESPIRATÓRIA CN - CO H 2 S

43 Cadeia Respiratória Considerações sobre a CR energia é liberada aos poucos do contrário oxidação dos S liberaria energia térmica de forma não controlada H 2 1/2 O 2 Liberaçao não controlada de energia térmica 2 H 1/2 O 2 Dos nutrientes via NADH 2 H + 2e- CTE Liberação controlada de energia para síntese de ATP 2 e- 2 H + 1/2 O 2 H 2 O (a) Reação não controlada (b) Respiração celular H 2 O

44 Cadeia Respiratória Considerações sobre a CR Por se tratar de oxi-reduções elétrons fluem no sentido do > Potencial Redox Os elétrons que entram são ricos em energia à medida que vão sendo transferidos, perdem G (ε livre) parte dessa ε (G) utilizada para síntese de ATP perdida em forma de calor processo acoplado fosforilação oxidativa (MMI)

45 Cadeia Respiratória Considerações sobre a CR potencial redox (volts) Posições aproximadas dos componentes da CR na escala de potencial redox. A liberação de energia dirige a translocação de H + em tres sitios na CR (Complexos I, III e IV)

46 Cadeia Respiratória Considerações sobre a CR Substatos NAD dependentes Substratos FAD dependentes 3 locais 2 locais Espaço Intermembranas onde a ε liberada é suficiente para a produção de ATP Membrana Mitocondrial Interna Succinato Fumarato Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons

47 Fosforilação Oxidativa

48 Síntese de ATP Fosforilação Fotossintética síntese de ATP dirigida pela ε solar (cloroplasto)

49 Síntese de ATP Fosforilação em nível de Substrato síntese de ATP obtida diretamente em reações que utilizam como S compostos ricos em ε 1-3 bifosfoglicerato fosfoenolpiruvato Succinil- CoA Piruvato quinase Fosfoenolpiruvato ADP Piruvato ocorre fora da CR, independe de O 2 e produz pequena quantidade de ε ATP glicólise e CK

50 Síntese de ATP Fosforilação oxidativa síntese de ATP dirigida pela ε liberada pelo transporte de elétrons para o O 2 na CR Teoria Quimiosmótica (Mitchel, 1960) MMI complexo V (ATP sintase) 1) a transferência de elétrons ao longo da CR é acompanhada por um bombeamento de H + através da MMI em direção ao EI; 2) isto resulta numa diferença de [H + ], ou seja, gradiente de ph (químico) e de cargas (elétrico), uma vez que a matriz se torna alcalina e o EI, ácido; 3) a MMI é impermeável aos H +, que devem passar de volta para a matriz pela ATP sintase; 4) a ε eletroquímica resultante dessa diferença ph e de carga é a força próton-motora que dirige a síntese de ATP; 5) a FPM impulsiona os H+ de volta à matriz, a favor do gradiente, suprindo a ε necessária para a síntese de ATP a partir de ADP + Pi, catalisada pela ATP sintase.

51 Fosforilação oxidativa acoplada à CTE exterior da mitocôndria Membrana Mitocondrial Externa Transporte de elétrons Síntese de ATP Espaço intermembrana ATP sintase [H + ] Membrana Mitocondrial Interna Matriz Mitocondrial [H + ] Os elétrons (carregados via NADH e FADH 2 ) oriundos de vias metabólicas (glicólise, CK, β-oxidação) alimentam os transportadores da MMI, os quais bombeiam prótons H + para o EI O bombeamento de H + causa uma ça de carga e de ph entre o EI e a MM. Este gradiente eletroquímico é a força próton-motriz para a síntese de ATP A força próton-motriz impulsiona os H+ de volta à MM, suprindo a E para a síntese de ATP, catalisada pelo complexo ATP sintase na MMI

52 ATP sintase ATP sintase é o nome genérico dado a proteínas que sintetizam ATP a partir de ADP e de fosfato inorgânico, utilizando para isso alguma forma de energia A seqüência da reação, coordenada pela presença do íon magnésio, é a seguinte: ADP + Pi ATP

53 ATP sintase Todas as enzimas são belas, mas a ATP sintase é uma das mais belas, assim como uma das mais incomuns e importantes Paul Boyer Esta frase de Boyer, a qual expressa sua admiração pela ATP sintase, se baseia nos fatos de que quase todas atividades celulares (como o metabolismo) que envolvem gasto de energia requerem ATP; a síntese de ATP é a reação química mais ocorrente no mundo biológico; ATP sintase é a mais abundante proteína na terra, tendo preservado mais de 60% de sua configuração da unidade ao longo da evolução. Fonte:

54 Inibidores e desacopladores da CR Inibidores atuam em locais específicos e impedem o fluxo de elétrons efeito não há síntese de ATP não há consumo de O 2 não há produção de H 2 O exemplos rotenona, cianeto, malonato, oligomicina, antimicina A Desacopladores efeitos substâncias lipofílicas, que atravessam a MMI carregando os H + para a MM, desfazendo o gradiente eletroquímico em sua presença, permanece o transporte de elétrons, mas não a fosforilação oxidativa não há síntese de ATP o consumo de O 2 ε livre é perdida em forma de calor exemplo dinitrofenol

55 Inibidores da CR rotenona antimicina A Cianeto ou CO

56 Ciclo de Krebs Ciclo do Ácido Cítrico

57 Ciclo de Krebs matriz mitocondrial é o centro do metabolismo energético na maioria das células aeróbicas série de reações enzimáticas Funções oxidação de acetil-coa com a liberação de CO 2 catabólica conservar ε na forma de coenzimas reduzidas (NADH E FADH 2 ), visando a produção de ε para a célula (principal) anabólica intermediários usados em reações de síntese Principais coenzimas envolvidas NAD, FAD, CoA

58 Ciclo de Krebs é o centro do metabolismo energético na maioria das células aeróbicas série de reações enzimáticas Funções oxidação de acetil- CoA com a liberação de CO 2 catabólica conservar ε na forma de coenzimas reduzidas (NADH E FADH 2 ), visando a produção de ε para a célula (principal) anabólica intermediários usados em reações de síntese Principais coenzimas envolvidas NAD, FAD, CoA

59 Ciclo de Krebs Células aeróbicas utilizam uma roda gigante metabólica: o Ciclo do Ácido Cítrico ou Ciclo de Krebs para gerar energia pela oxidação de acetil-coa Fonte: Ferns Whee, DelMar Fair Ó Corbis/Richard Cummins

60 Ciclo de Krebs - Localização sub-celular Matriz mitocondrial

61 Ciclo de Krebs - Reações

62 Ciclo de Krebs - Reações Oxidação E: Malato desidrogenase Hidratação E: fumarase Oxidação E: Succinato desidrogenase Malato Acetil-CoA Oxaloacetato Fumarato Succinato E: Succinil- CoA sintetase Ciclo de Krebs Condensação Citrato Succinil- CoA Isocitrato Síntese de IC E: aconitase α-cetoglutarato Descarboxilação oxidativa E: Complexo α-cetoglutarato desidrogenase Fosforilação em nível de substrato Descarboxilação oxidativa E: Isocitrato desidrogenase

63 Ciclo de Krebs - Conclusões produção de ATP Liberação de CO 2

64 Ciclo de Krebs - Animações Animação sobre Cadeia Respiratória e CK Animação sobre Cadeia Respiratória e CK

65 Ciclo de Krebs Função anabólica

66 Ciclo de Krebs Reações anapleróticas