Cadeia de Transporte de eletrons e Fosforilação Oxidativa

Cadeia de Transporte de eletrons e Fosforilação Oxidativa

BC0411 - TransformaçõesBioquímicasCadeia de Transporte de elétronse Fosforilação OxidativaProfa Ana Paula de Mattos ArêasCentro de Ciências Naturais e Humanase-mail: ana.areas@ufabc.edu.br01/04/2008 BC0411 - TransformaçõesBioquímicasCadeia de Transporte de elétronse Fosforilação OxidativaProfa Ana Paula de Mattos ArêasCentro de Ciências Naturais e Humanase-mail: ana.areas@ufabc.edu.br01/04/2008

Energética corporal•O corpo humano em repousoconsome ~ 420 kJ / h, um poucomais do que uma lâmpadaincandescente de 100 W.•As necessidades energéticascorporais são atendidasprincipalmente por eventoseletroquímicos na mitocôndria.•Na mitocôndria é desenvolvido umpotencial modesto de 0,2 V, masuma corrente de ~ 500 A,representando um movimentotransmembrânico de ~ 3 x 1021prótons / s, que dirige a síntese deATP. Energética corporal•O corpo humano em repousoconsome ~ 420 kJ / h, um poucomais do que uma lâmpadaincandescente de 100 W.•As necessidades energéticascorporais são atendidasprincipalmente por eventoseletroquímicos na mitocôndria.•Na mitocôndria é desenvolvido umpotencial modesto de 0,2 V, masuma corrente de ~ 500 A,representando um movimentotransmembrânico de ~ 3 x 1021prótons / s, que dirige a síntese deATP.

Organismos aeróbicos consomem O2 e liberam CO2 no processode oxidação metabólica•A completa oxidação da Glicose se resume nesta equação:C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O•Numa primeira etapa, os átomos de C da Glicose são oxidados:C6H12O6 + 6 H2O 6 CO2 + 24 H+ + 24 e-•Na segunda, o oxigênio molecular é reduzido:6 O2 + 24 H+ + 24 e- 12 H2O•Os 12 pares de e- são transferidos para NAD+ e FAD, nas reações da Glicólisee do Ciclo do Ácido Cítrico, gerando NADH e FADH2. Os elétrons transferidosparticipam de uma seqüência de oxidação-redução em centros redox em 4complexos enzimáticos antes de reduzir O2 a H2O.•Durante o processo, H+ são “expelidos” da mitocôndria, produzindo umgradiente. !G produzido dirige a síntese de ATP num processo conhecido comoFosforilação Oxidativa. Organismos aeróbicos consomem O2 e liberam CO2 no processode oxidação metabólica•A completa oxidação da Glicose se resume nesta equação:C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O•Numa primeira etapa, os átomos de C da Glicose são oxidados:C6H12O6 + 6 H2O 6 CO2 + 24 H+ + 24 e-•Na segunda, o oxigênio molecular é reduzido:6 O2 + 24 H+ + 24 e- 12 H2O•Os 12 pares de e- são transferidos para NAD+ e FAD, nas reações da Glicólisee do Ciclo do Ácido Cítrico, gerando NADH e FADH2. Os elétrons transferidosparticipam de uma seqüência de oxidação-redução em centros redox em 4complexos enzimáticos antes de reduzir O2 a H2O.•Durante o processo, H+ são “expelidos” da mitocôndria, produzindo umgradiente. !G produzido dirige a síntese de ATP num processo conhecido comoFosforilação Oxidativa.

A mitocôndria•Na mitocôndria ocorre o metabolismo oxidativo eucariótico. Nela estão:•Piruvato desidrogenase, enzimas do Ciclo do Ácido Cítrico, enzimas que catalisam aoxidação de ácidos graxos e as proteína redox envolvidas no transporte de elétrons ena Fosforilação Oxidativa.•Por esta razão, a mitocôndria é freqüentemente chamada de “casa de força da célula”. A mitocôndria•Na mitocôndria ocorre o metabolismo oxidativo eucariótico. Nela estão:•Piruvato desidrogenase, enzimas do Ciclo do Ácido Cítrico, enzimas que catalisam aoxidação de ácidos graxos e as proteína redox envolvidas no transporte de elétrons ena Fosforilação Oxidativa.•Por esta razão, a mitocôndria é freqüentemente chamada de “casa de força da célula”.

Anatomia mitocondrial•A mitocôndria é uma organela em forma de elipse, medindo de 0,5 a 1mm (o tamanho de uma bactéria).•Uma típica célula eucariótica contém ~ 2000 mitocôndrias, que ocupam~ 1/5 da célula.•A mitocôndria é formada pela membrana externa e contém umamembrana interna com invaginações (crista mitocondrial). O número deinvaginações reflete a atividade respiratória da célula.•As proteínas mediando a cadeia de transporte de elétrons e aFosforilação oxidativa estão na membrana interna da mitocôndria. Entãoa “taxa” de respiração varia com a área de superfície da membrana.•A membrana interna divide a mitocôndria em matriz e espaçointermembrânico. Anatomia mitocondrial•A mitocôndria é uma organela em forma de elipse, medindo de 0,5 a 1mm (o tamanho de uma bactéria).•Uma típica célula eucariótica contém ~ 2000 mitocôndrias, que ocupam~ 1/5 da célula.•A mitocôndria é formada pela membrana externa e contém umamembrana interna com invaginações (crista mitocondrial). O número deinvaginações reflete a atividade respiratória da célula.•As proteínas mediando a cadeia de transporte de elétrons e aFosforilação oxidativa estão na membrana interna da mitocôndria. Entãoa “taxa” de respiração varia com a área de superfície da membrana.•A membrana interna divide a mitocôndria em matriz e espaçointermembrânico.

Anatomia mitocondrial•A matriz mitocondrial é uma solução gelatinosa que contém enzimas solúveisdo metabolismo oxidativo, assim como substratos, cofatores nucleotídicos esais inorgânicos. A matriz também contém a maquinaria genética mitocondrial -DNA, RNA e ribossomos, que geram quase que a totalidade das proteínasdesta organela.•A crista mitocondrial forma microcompartimentos que restringem a difusão desubstratos e íons entre o espaço “intercristal” e intermembrânico. Isto resultanum maior gradiente de pH, que implica na maior eficiência de síntese de ATP. Anatomia mitocondrial•A matriz mitocondrial é uma solução gelatinosa que contém enzimas solúveisdo metabolismo oxidativo, assim como substratos, cofatores nucleotídicos esais inorgânicos. A matriz também contém a maquinaria genética mitocondrial -DNA, RNA e ribossomos, que geram quase que a totalidade das proteínasdesta organela.•A crista mitocondrial forma microcompartimentos que restringem a difusão desubstratos e íons entre o espaço “intercristal” e intermembrânico. Isto resultanum maior gradiente de pH, que implica na maior eficiência de síntese de ATP.

Sistemas de transporte mitocondriais•Como membranas bacterianas, a membrana mitocondrial externacontém proteínas que permitem a difusão de moléculas relativamentegrandes (~ 10 kDa).•O espaço intermembrânico corresponde ao citossol, em termos deconcentrações de metabólitos e íons.•A membrana interna (~ 75% de proteína em massa) é permeável a O2,CO2 e H2O. Possui, além das proteínas do transporte de elétrons,proteínas transportadoras de metabólitos, como ATP, ADP, piruvato,Ca2+ e fosfato.•A permeabilidade controlada da membrana interna permite a geraçãode gradientes de íons e na compartimentalização das funçõesmetabólicas do citossol e da mitocôndria. Sistemas de transporte mitocondriais•Como membranas bacterianas, a membrana mitocondrial externacontém proteínas que permitem a difusão de moléculas relativamentegrandes (~ 10 kDa).•O espaço intermembrânico corresponde ao citossol, em termos deconcentrações de metabólitos e íons.•A membrana interna (~ 75% de proteína em massa) é permeável a O2,CO2 e H2O. Possui, além das proteínas do transporte de elétrons,proteínas transportadoras de metabólitos, como ATP, ADP, piruvato,Ca2+ e fosfato.•A permeabilidade controlada da membrana interna permite a geraçãode gradientes de íons e na compartimentalização das funçõesmetabólicas do citossol e da mitocôndria.

Sistemas de transporte mitocondriais•NADH pode ser transportado para a mitocôndria pelo sistema malato-aspartato, com oxaloacetato como intermediário.•NADH também pode ser transportado pelo sistema glicerofosfato.•ATP e ADP possuem sistema de transporte com controleconformacional. Sistemas de transporte mitocondriais•NADH pode ser transportado para a mitocôndria pelo sistema malato-aspartato, com oxaloacetato como intermediário.•NADH também pode ser transportado pelo sistema glicerofosfato.•ATP e ADP possuem sistema de transporte com controleconformacional.

Transporte de elétrons•A transferência de e- até O2 passa por centros redox móveis e outroscomplexos protéicos integrais de membrana. A seqüência doscarreadores reflete os potenciais de redução relativos. O processo totaldo transporte de e- é exergônico.•A afinidade de um substrato oxidado por e- aumenta com o seu potencialpadrão de redução. A oxidação de NADH é altamente exergônica:NAD+ + H+ + 2 e- NADH E’ = -0,315 V1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E’ = 0,815 VComo a semi-reação de O2 possui potencial padrão de redução maior(maior afinidade por e-). A equação geral é:1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ Transporte de elétrons•A transferência de e- até O2 passa por centros redox móveis e outroscomplexos protéicos integrais de membrana. A seqüência doscarreadores reflete os potenciais de redução relativos. O processo totaldo transporte de e- é exergônico.•A afinidade de um substrato oxidado por e- aumenta com o seu potencialpadrão de redução. A oxidação de NADH é altamente exergônica:NAD+ + H+ + 2 e- NADH E’ = -0,315 V1/2 O2 + 2 H+ + 2 e- H2O E’ = 0,815 VComo a semi-reação de O2 possui potencial padrão de redução maior(maior afinidade por e-). A equação geral é:1/2 O2 + NADH + H+ H2O + NAD+

Esquema da cadeia de transporte de elétrons•Os e- sãotransportados dasespécies com menorpotencial de reduçãopara as de maiorpotencial.•A seqüência deeventos da cadeiafoi elucidada atravésdo uso de inibidores(em vermelho) e damedida dospotenciais redox. Esquema da cadeia de transporte de elétrons•Os e- sãotransportados dasespécies com menorpotencial de reduçãopara as de maiorpotencial.•A seqüência deeventos da cadeiafoi elucidada atravésdo uso de inibidores(em vermelho) e damedida dospotenciais redox.

Inibidores da Cadeia de Transporte de elétronsToxina de plantaUsado como inseticidaBarbitúricoUsado como sedativoAntibiótico Inibidores da Cadeia de Transporte de elétronsToxina de plantaUsado como inseticidaBarbitúricoUsado como sedativoAntibiótico

Transporte de elétrons mitocondrial Elétrons são transferidos entre Complexos I e I pela coenzimaQ e entre Complexos I e IV pela proteína de membranaCitocromo C.

Complexo I: NADH-Coenzima Q oxidorredutase•O complexo protéico I possui vários cofatores quefuncionam como conversores, uma vez que NADH só podedoar 1 par de e-, enquanto os Citocromos só podem aceitarum e- por vez. Complexo I: NADH-Coenzima Q oxidorredutase•O complexo protéico I possui vários cofatores quefuncionam como conversores, uma vez que NADH só podedoar 1 par de e-, enquanto os Citocromos só podem aceitarum e- por vez.

Cofatores doComplexo I:FMN,Coenzima Q(CoQ) ecluster 4Fe-4SEnquanto oselétrons sãotransferidos entre oscentros redox doComplexo I, osprótons sãotranslocados damatriz mitocondrialpara o espaçointermembrânico. Cofatores doComplexo I:FMN,Coenzima Q(CoQ) ecluster 4Fe-4SEnquanto oselétrons sãotransferidos entre oscentros redox doComplexo I, osprótons sãotranslocados damatriz mitocondrialpara o espaçointermembrânico.

Complexo I: Succinato Coenzima Qoxidorredutase•Este complexo contém a enzima, do Ciclo do Ácido Cítrico,Succinato Desidrogenase, que transfere elétrons doSuccinato para a Coenzima Q.•Coenzima Q funciona como “coletora de elétrons”recebendo e- dos complexos I e I. Além disso, podereceber e- do FADH2 produzido pelo sistema glicerofosfato.•Complexo I possui como cofatores FAD, clusters Fe-S e ocitocromo b560. Complexo I: Succinato Coenzima Qoxidorredutase•Este complexo contém a enzima, do Ciclo do Ácido Cítrico,Succinato Desidrogenase, que transfere elétrons doSuccinato para a Coenzima Q.•Coenzima Q funciona como “coletora de elétrons”recebendo e- dos complexos I e I. Além disso, podereceber e- do FADH2 produzido pelo sistema glicerofosfato.•Complexo I possui como cofatores FAD, clusters Fe-S e ocitocromo b560.

Complexo I: Coenzima Q-citocromo C oxidorredutase•Complexo I transfere e-da CoQ reduzida para oCitocromo C Complexo I: Coenzima Q-citocromo C oxidorredutase•Complexo I transfere e-da CoQ reduzida para oCitocromo C

Ciclo Q•CoQH2 sofre reoxidação emduas etapas, passando porum intermediário estávelsemiquinona, CoQ-. Esteselétrons são utilizados parareduzir duas moléculas decitocromo.•O anti-fúngico Stigmatelin éum inibidor do Ciclo Q. Ciclo Q•CoQH2 sofre reoxidação emduas etapas, passando porum intermediário estávelsemiquinona, CoQ-. Esteselétrons são utilizados parareduzir duas moléculas decitocromo.•O anti-fúngico Stigmatelin éum inibidor do Ciclo Q.

Complexo IV:Citocromo cOxidase•No complexo IVocorre a redução deO2:4 Citocromo C (Fe2+) +4 H+ + O24 citocromo C (Fe3+) +2 H2O•O Complexo IVpossui citocromos eátomos de Cu comocofatores. Complexo IV:Citocromo cOxidase•No complexo IVocorre a redução deO2:4 Citocromo C (Fe2+) +4 H+ + O24 citocromo C (Fe3+) +2 H2O•O Complexo IVpossui citocromos eátomos de Cu comocofatores.

Fosforilação oxidativa•A Síntese de ATP a partir de ADP + Pi (reação endergônica) é acoplada aoprocesso de transporte de elétrons.•Teoria quimiosmótica, proposta por Peter Mitchell em 1961. Acreditava-se,anteriormente, que a hidrólise de um composto de alta energia, comoFosfoenolpiruvato, dirigia a síntese de ATP.•A teoria de Mitchell foi confirmada por algumas observações:•Fosforilação oxidativa requer membrana interna intacta.•A membrana interna é impermeável a íons, como H+, OH-, K+ e Cl- cuja difusãopoderia desfazer gradientes.•Transporte de elétrons resulta em translocação de prótons em mitocôndriasintactas.•Compostos que aumentam a permeabilidade da membrana interna a H+, permitemo transporte de e-, mas inibem a síntese de ATP, desacoplando os dois processos. Fosforilação oxidativa•A Síntese de ATP a partir de ADP + Pi (reação endergônica) é acoplada aoprocesso de transporte de elétrons.•Teoria quimiosmótica, proposta por Peter Mitchell em 1961. Acreditava-se,anteriormente, que a hidrólise de um composto de alta energia, comoFosfoenolpiruvato, dirigia a síntese de ATP.•A teoria de Mitchell foi confirmada por algumas observações:•Fosforilação oxidativa requer membrana interna intacta.•A membrana interna é impermeável a íons, como H+, OH-, K+ e Cl- cuja difusãopoderia desfazer gradientes.•Transporte de elétrons resulta em translocação de prótons em mitocôndriasintactas.•Compostos que aumentam a permeabilidade da membrana interna a H+, permitemo transporte de e-, mas inibem a síntese de ATP, desacoplando os dois processos.

Acoplamento do transporte de elétrons eda síntese de ATP Acoplamento do transporte de elétrons eda síntese de ATP

ATP sintase•ATP sintase podesintetizar ehidrolisar ATP. Aenzima possui 2subunidades:•F0: porçãotransmembrânicada proteína.•F1: porção solúvelda proteína,localizada de formaperiférica namembrana

F1 sofre modificações conformacionaisna síntese de ATP O: open conformation, muito baixa afinidade pelos ligantes eé cataliticamente inativa.L: loose conformation, liga fracamente aos ligantes.T: tight conformation, liga fortemente aos ligantes e écataliticamente ativa.

Desacoplamento da fosforilação oxidativa e dacadeia de transporte de elétrons•O transporte de e- e a síntese de ATP são totalmente acoplados.•Compostos como 2,4-dinitrofenol (DNP) desacoplam os doisprocessos.•DNP é um ácido fraco lipofílico, que atravessa membranas naforma neutra (protonada) e transporta íons para o outro lado damembrana, desfazendo o gradiente. DNP age como umionóforo transportadorde prótons.

Ação do 2,4-dinitrofenol (DNP) Nos anos 20, DNP era utilizado para emagrecer, mas geravaefeitos colaterais graves, muitas vezes, fatais.Em condições fisiológicas, o desacoplamento do transporte de e- eda Fosforilação oxidativa produz calor.

Controle do Metabolismo Oxidativo•Uma mulher adulta requer entre 1500 e 1800 caloriasdiárias, que corresponde ao !G de hidrólise de 200 molsde ATP.•A quantidade total de ATP presente no corpo se mantémem níveis baixos (< 0,1 mol).•Isto prevê que ATP deve ser continuamente reciclado peloorganismo.•Sono vs atividade física vigorosa: requerimento por ATPpode variar em até 100x. Por isso, existe regulação daFosforilação Oxidativa. Controle do Metabolismo Oxidativo•Uma mulher adulta requer entre 1500 e 1800 caloriasdiárias, que corresponde ao !G de hidrólise de 200 molsde ATP.•A quantidade total de ATP presente no corpo se mantémem níveis baixos (< 0,1 mol).•Isto prevê que ATP deve ser continuamente reciclado peloorganismo.•Sono vs atividade física vigorosa: requerimento por ATPpode variar em até 100x. Por isso, existe regulação daFosforilação Oxidativa.

Controle da Fosforilação Oxidativa•A reação da citocromo C oxidase é irreversível, sendo oponto de controle da via.•A enzima é regulada pela disponibilidade de citocromo creduzido (com Fe2+), cuja concentração depende de NADHe ATP.•Quanto maior a razão [NADH] / [NAD+] e menor a razão[ATP] / [ADP][Pi], maior [citocromo c reduzido] e maior aatividade da citocromo c oxidase, favorecendo afosforilação oxidativa.•Ex: Indivíduo em repouso - a taxa de hidrólise de ATP,formando ADP + Pi é mínima, e a razão [ATP] / [ADP][Pi] éalta, desta forma, a [citocromo C] reduzido é pequena e ataxa da Fosforilação Oxidativa é mínima. Controle da Fosforilação Oxidativa•A reação da citocromo C oxidase é irreversível, sendo oponto de controle da via.•A enzima é regulada pela disponibilidade de citocromo creduzido (com Fe2+), cuja concentração depende de NADHe ATP.•Quanto maior a razão [NADH] / [NAD+] e menor a razão[ATP] / [ADP][Pi], maior [citocromo c reduzido] e maior aatividade da citocromo c oxidase, favorecendo afosforilação oxidativa.•Ex: Indivíduo em repouso - a taxa de hidrólise de ATP,formando ADP + Pi é mínima, e a razão [ATP] / [ADP][Pi] éalta, desta forma, a [citocromo C] reduzido é pequena e ataxa da Fosforilação Oxidativa é mínima.

Controleintegrado daGlicólise e doCiclo do ÁcidoCítrico Ver adendo daaula

Metabolismo aeróbico produz espécies ativas de oxigênio•A redução de O2 pode acontecer de forma parcial, gerando o radicalsuperóxido, que pode ser protonado, gerando HO2- .O2 + e- O2- .•O radical Hidroxila é o mais potente em sistemas biológicos, que éformado a partir do Peróxido de Hidrogênio: H2O2 + Fe2+ . OH + OH- + Fe3+•O radical Hidroxila também pode ser formado pela reação desuperóxido e peróxido de Hidrogênio:O2- . + H2O2 O2 + H2O + . OH•Apesar do tempo curto de meia vida destes radicais, estas espécies sãoextremamente reativas e podem remover elétrons de outras moléculas,iniciando uma reação em cadeia. Metabolismo aeróbico produz espécies ativas de oxigênio•A redução de O2 pode acontecer de forma parcial, gerando o radicalsuperóxido, que pode ser protonado, gerando HO2- .O2 + e- O2- .•O radical Hidroxila é o mais potente em sistemas biológicos, que éformado a partir do Peróxido de Hidrogênio: H2O2 + Fe2+ . OH + OH- + Fe3+•O radical Hidroxila também pode ser formado pela reação desuperóxido e peróxido de Hidrogênio:O2- . + H2O2 O2 + H2O + . OH•Apesar do tempo curto de meia vida destes radicais, estas espécies sãoextremamente reativas e podem remover elétrons de outras moléculas,iniciando uma reação em cadeia.

Algumas doenças degenerativas são associadasao dano oxidativo na mitocôndria•Alguns exemplos destas doenças são Mal de Alzheimer e deParkinson.•O aumento das reações envolvendo radicais livres durante ocurso do metabolismo oxidativo normal é, em parte,responsável pelo processo de envelhecimento.•Indivíduos com defeitos congênitos no DNA mitocondrialsofrem de sintomas típicos da velhice, como dificuldadesneuromotoras, surdez e demência.•Estes defeitos podem fazer com que as mitocôndrias destesindivíduos sejam mais susceptíveis a espécies reativas deoxigênio, geradas pela maquinaria de transporte de elétrons. Algumas doenças degenerativas são associadasao dano oxidativo na mitocôndria•Alguns exemplos destas doenças são Mal de Alzheimer e deParkinson.•O aumento das reações envolvendo radicais livres durante ocurso do metabolismo oxidativo normal é, em parte,responsável pelo processo de envelhecimento.•Indivíduos com defeitos congênitos no DNA mitocondrialsofrem de sintomas típicos da velhice, como dificuldadesneuromotoras, surdez e demência.•Estes defeitos podem fazer com que as mitocôndrias destesindivíduos sejam mais susceptíveis a espécies reativas deoxigênio, geradas pela maquinaria de transporte de elétrons.

Mecanismos antioxidantes•Antioxidantes destroem radicais livres oxidativos.•Em 1969, Irwin Fridovich descobriu que a Superóxidodismutase (SOD) catalisa a conversão do radicalsuperóxido a H2O2.•SOD é considerada a primeira linha de defesa contraespécies reativas de oxigênio.•H2O2 produzido na reação é degradado a água e oxigêniopela enzima catalase e pela Glutationa peroxidase, queusa Glutationa como agente redutor. Mecanismos antioxidantes•Antioxidantes destroem radicais livres oxidativos.•Em 1969, Irwin Fridovich descobriu que a Superóxidodismutase (SOD) catalisa a conversão do radicalsuperóxido a H2O2.•SOD é considerada a primeira linha de defesa contraespécies reativas de oxigênio.•H2O2 produzido na reação é degradado a água e oxigêniopela enzima catalase e pela Glutationa peroxidase, queusa Glutationa como agente redutor.

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