Aula06_BioqII-CFBio_FosforilaçãoOxidativa_CTE-1

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Aula de Bioquímica II – SQM04242015201
Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares
Tema:
Fosforilação Oxidativa
Cadeia transportadora de elétrons
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: [email protected]
Fosforilação oxidativa
Fim das rotas metabólicas de produção de energia em
organismos aeróbicos
- Representa o estágio 3 do processo
Acoplamento da oxidação de NADH e FADH2 e síntese de ATP
- É o principal sítio de produção de ATP
- Envolve o consumo de O2 e formação de H20
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
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
Matriz mitocondrial
- Local de oxidações
- Ciclo de Krebs
- β-oxidação de lipídeos
- Oxidação de Aminoácidos
Mitocôndria
Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2
até O2 estão na MMI
A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela CTE
Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas
integrais de membrana
LOCAL: MITOCÔNDRIA
MMI
-~ 75% de proteínas: mais
rica em proteínas do que a
MME
LOCAL: MITOCÔNDRIA
A impermeabilidade da MMI para a maioria dos íons e
metabólitos permite a formação de um gradiente de íons
através dessa barreira
Resulta na compartimentalização das funções
metabólicas entre o citosol e a mitocôndria
-É permeável a O2, CO2 e
H2O
- Contém proteínas de
transporte que controlam a
passagem de metabólitos,
como ATP, ADP, o piruvato,
o Ca2+ e o fosfato
A MMI contém proteínas que acoplam processos:
Fluxo de elétrons (favorável) com o fluxo de prótons (desfavorável);
Fluxo de prótons (favorável) a fosforilação oxidativa (desfavorável).
Os elétrons passam por uma série de carreadores
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2 até O2 estão na MMI
- A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela cadeia de transporte de elétrons
- Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas integrais de membrana
- Dependem dos grupos protéticos associados
A sequência de carreadores de elétrons reflete seus potenciais de redução relativos
O processo é exergônico
Transporte de e’
1) 1 e’
Fe3+ para Fe2+
2) 1 e’ + 1 H+
3) 2 e’ na forma de :H-
Potencial de transferência de elétrons
E0
= potencial de redução
= potencial redox
= potencial de oxidorredução
Par redox
Forma oxidada (oxidante) → X
Forma reduzida (redutor) → −
X
H+ : H2
Potencial de redução = E0 = 0 V
Potencial de redução = E’0 = -0,414 V
Potencial de transferência de elétrons
Potencial de redução ˂ 0
A forma oxidada tem menor afinidade por elétrons do que o H2
Potencial de redução ˃ 0
A forma oxidada tem maior afinidade por elétrons do que o H2
Um agente redutor forte (como o NADH) tem a tendência de doar
elétrons (E’0 < 0); um agente oxidante forte (como o O2) está pronto
para aceitar elétrons (E’0 > 0)
A força impulsora da fosforilação oxidativa é o potencial
de transferência de elétrons de NADH e FADH2 em
relação ao do O2
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
NADH
+
H+ +
½ O2
NAD+
+
1 H2O
A ∆G da reação pode ser medida a partir da diferença de voltagem entre meias células
+
⇋
+
 [ Ared ][ Boxn+ ] 

∆G = ∆G + RT ln n+
n 
 [ Aox ][ Bred ] 
0'
- Se ∆G = − w' = − wel referente ao trabalho elétrico realizado a pressão e volume constante
-Se o
wel = nf∆E
onde f é a constante de Faraday (96.485 Cmol-1) e
- n é o número de e’/mol, portanto:
∆G = − nf∆E
Reorganizando
n+


[
A
][
B
RT
0'
red
ox ]

∆E = ∆E −
ln n+
n 
nf  [ Aox ][ Bred ] 
Equação
de Nernst
- O ∆E0‘ representa o potencial de redução padrão nas condições padrões para
bioquímica
- Um Valor positivo para o ∆E (potencial de redução ou força eletromotiva) sugere
espontaneidade da reação
- um valor positivo para o ∆E representa um valor negativo para o ∆G
Acetaldeído + NADH + H+
Acetaldeído + 2H+ + 2e’
Fluxo de e’
NAD+ + 2H+ + 2e’
NAD+ + 1 Etanol
1 Etanol
NADH + H+
E’0 = -0,197 V
E’0 = -0,320 V
∆E 0' = E 0' aceptor − E 0' doador
∆E 0' = −0,197 − ( −0,320) = 0,123 V
∆G = − nf∆E
'0
'0
∆G '0 = −2(96,5kJ / V .mol )(0,123V )
∆G '0 = −23,7 kJ / mol
Os carreadores de e´
NAD(P)H
São carreadores de elétrons solúveis em água, que se associam reversivelmente
a desidrogenases
Substrato reduzido + NAD(P)+ ↔
**Desidrogenases
Substrato oxidado + NAD(P)H + H+
remoção de 2 átomos de H do substrato
:H- → NAD+
H+ → Liberado do meio
NADH → carreador de elétrons das vias catabólicas até a entrada na CTE
NADPH → geralmente supre elétrons para reações anabólicas
[NADH]
[NAD+ ]
Nas células
NADH
Razão baixa
carreador de e- no
catabolismo
[NADPH]
[NADP+ ]
Razão
alta
NADPH
Poder redutor a reações
anabólicas
Flavoproteínas
Contêm um nucleotídeo de flavina (FMN ou FAD) → parte do sítio ativo da
flavoproteína
Pode aceitar 1 elétron → semiquinona ou 2 elétrons → FADH2 FMNH2
A forma oxidada (FMN) reage com um próton e um elétron, convertendo-se na forma semiquinona
(FMNH●); a incorporação de mais um próton e um elétron resulta na forma totalmente reduzida (FMNH2).
Flavoproteínas
podem participar da transferência de 1 ou 2 e- → intermediários entre reações
onde 2e- são doados (desidrogenações) e onde 1 e- é doado (redução de uma quinona
a hidroquinona).
Carreadores não podem atravessar a MMI, MAS os equivalentes redutores
podem ser lançados através da membrana indiretamente
Equivalentes redutores
termo geral para um elétron ou equivalente de elétron na
forma de um átomo de hidrogênio ou de um íon hidreto.
Ocorrem 3 tipos de transferência de elétrons na CTE
① Transferência direta como na redução de Fe3+ a Fe2+
② Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-)
③ Transferência como íon hidreto (:H+) que tem 2 elétrons
+ 3 tipos de moléculas carreadoras de elétrons atuam na CTE:
① Ubiquinona (quinona hidrofóbica)
② Citocromos
③ Proteínas ferro- enxofre
Proteínas (diferentes) que contêm ferro
Os carreadores de elétrons na mitocôndria
COENZIMA UBIQUINONA (Q)
- Pequena e Lipossolúvel
Quinona → composto benzênico
com duas funções cetona
Aceita 1 elétron
Constituída de unidades
isoprenóides (cada uma com 5C)
A coenzima Q10 é a mais
comum em mamíferos (10
unidades de isopreno)
Fácil de desprotonar,
formando um radical
aniônico de semiquinona
Aceita 2
elétrons
Forma que fixa mais
firmemente seus prótons
Lipossolúvel
→ se difunde livremente no espaço
intermembranas
→ Capaz de fazer a junção entre o doador
de 2e- e um aceptor de 1e- (como as
flavoproteínas)
→ Carrega tanto elétrons como prótons
** acopla fluxo de e- com o movimento de
prótons
PROTEÍNAS COM CENTROS DE FERRO-ENXOFRE
- Estrutura variável simples a complexas
- O íon Fe sofre reações de óxido-redução
Os átomos de ferro estão ligados a átomos de
enxofre inorgânico ou com átomos de enxofre
em resíduos de cisteína ou com ambos
Podem ter de 1 a 4 átomos de ferro
*** Proteínas ferro-enxofre de Rieske
1 Fe está associado com dois resíduos de His ao
invés de Cys
Citocromos a, b e c
Seus grupos prostéticos – grupos Heme
Citocromo c
solúvel no espaço intermembrana
Podem interagir com a MMI
O fluxo de elétrons pelos carreadores vai daquele com menor potencial para o maior
potencial
NADH
Q
Cit b
Cit c1
Cit c
Cit a
Cit a3
O2
Os carreadores de elétrons na MMI: 4 complexos
Complexo I
é do NADH para formar Ubiquinol
NADH:Ubiquinona-oxidoreductase ou NADH-desidrogenase
Complexo II
é do FADH2 para formar Ubiquinol
Succinato-desidrogenase
Complexo III
é do Ubiquinol para o Citocromo c
Ubiquinona:Citocromo c-oxidoreductase
Complexo IV
é do Citocromo c para o O2
Citocromo c-oxidase
COMPLEXO I: NADH:UBIQUINONA-OXIDOREDUTASE OU NADH-DESIDOGENASE
Grupos prostéticos: FMN e Fe-S
Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos
dentro da mitocôndria
-O Complexo catalisa 2 processos simultâneos e
acoplados
1) NADH + H+ + Q
NAD+ + QH2
Exergônico
2) Transferência de 4 H+ para o espaço
intermembrana
Endergônica
COMPLEXO II: SUCCINATO-DESIDOGENASE
Porta de entrada dos e’ do FADH2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
Porta de entrada dos e’ do NADH
produzidos no citoplasma
- Canaliza diretamente os e’ do succinato
para a cadeia transportadora de e’
FADH2 + Q
FAD + QH2
Exergônico
Sem transferência de H+ para o
espaço intermembrana
Porta de entrada de e’ de outras vias
oxidativas
- β-oxidação de ácidos graxos
COMPLEXO I E COMPLEXO II
4)
Vias de entrada de e’ para a
ubiquinona:
1) NADH mitocondrial,
2) Succinato do ciclo do ácido
cítrico,
2)
3) e’ da β-oxidação de ácidos
graxos via Acil-CoA-
3)
1)
desidrogenase e do glicerol dos
triacilglicerois
4) NADH citosólico via glicerol
3-fosfato
A ubiquinona é o ponto de convergência dos e- (Fontes 1 a 4)
O ubiquinol de todas essas reações (pool de QH2) é oxidado no Complexo III
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
Canaliza os 2 e’ do Ubiquinol (QH2) para o Citocromo C com a transferência de H+ da
matriz mitocondrial para o espaço intermembrana
- possui duas unidades de Citocromo b enterrados em 1 fenda na membrana
QH2 + 2 Citc1 (Oxi) + 2 H+N
Q + 2 Citc1 (Red) +
4 H+P
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
2 e’ do Ubiquinol são afunilados no Citc
carreador de 1 e’
2 ciclos de redução do Citc com a formação da Semiquinona (.Q-)
1º Ciclo
-1 e’ do QH2 é passado para o
Citc no primeiro ciclo e o
outro e’ (via citocromo b)
para a Q formando
Semiquinona
- 2 H+ transportados para o
2º Ciclo
-1 e’ do QH2 é passado para o
Citc e o outro e’ (via
citocromo b) para a
Semiquinona formando outra
QH2
+
- 2 H transportados para o
- 2 outros H+ são retirados da
matriz
1º Ciclo
2º Ciclo
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N +
O2
4 Citc (Oxi) +
4 H+P
+
2 H2O
Os e- do citocromo c são entregues ao O2 (reduzindo-o a H2O)
Composto por 13 subunidades
aparentemente 3 são essenciais
Sub. II: 2 Cu ligados a resíduos de Cys (centro binuclear CuA)
Sub. I: 2 grupos heme (a e a3) e outro íon Cu (CuB)
Heme a3 e CuB forma outro centro binuclear
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N +
O2
Envolve a participação de:
Ion CuA
Citocromo a
Citocromo a3-CuB (Centro Fe-Cu)
O2
4 ciclos são necessários para
reduzir 1 O2 a 2 H2O
4 H+ transportados para o E.I.
4 outros H+ são retirados da
matriz para formar as 2 H2O
2 H+ por par de e-
4 Citc (Oxi) +
4 H+P
+
2 H2O
Resumo do processo
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N +
½ O2
NAD+ +
10 H+P
FADH2 + 6 H+N +
½ O2
FAD+ +
6 H+P
+
+
1 H2O
1 H2O
NADH
+
NADH/NAD+
O2/H2O
H+ +
NAD+
½ O2
E0’ = + 0,320 V
E0’ = +0,816 V
TEÓRICO
+
1 H2O
∆E0’= E0’Red + E0’oxi = + 1,14 V
∆G0' = −nf∆E 0' = −2(96,5kJ / V .mol )1,14V = −220kJ / mol(deNADH)
Succinato
+
½ O2
Fumarato
+
1 H2O
∆G 0' = −nf∆E 0' = −2(96,5kJ / V .mol).0,785V = −150kJ / mol(deSuccinato)
A razão da [NADH]/[NAD+] >1 o que sugere que a ∆G é mais negativa do que -220 kJ/mol!
E energia liberada é usada para gerar um gradiente de prótons que é então
utilizado para a síntese de ATP e para o transporte de metabólitos pela
membrana mitocondrial
EFETIVO
A energia da transferência de e’ é eficientemente conservada em um gradiente
- Gradiente de prótons
- Gradiente eletroquímico
FORÇA PROTON-MOTRIZ
ENERGIA ELETROQUÍMICA
A ∆G associada ao processo de criação dos 2 gradientes é:
C2
∆G = RT ln( ) + zf∆ψ
C1
C2 = H+p
C1 = H+n
Lado positivo da MMI
Lado negativo da MMI
Espaço intermembrana
Matriz mitocondrial
Z = valor absoluta da carga elétrica
1 para 1 H+
∆Ψ = Diferença do potencial transmembrana
pH = − log[H + ]
C2
ln
= 2,3(log[H + ]p − log[H + ]n ) = 2,3( pHn − pHp ) = 2,3∆pH
C1
Logo:
∆G = 2,3RT∆pH + zf∆ψ = (5,7kJ / mol ).∆pH + (95,6kJ / mol ).∆ψ
A ∆pH da MMI é de 0,75 unidades de pH
A ∆Ψ da MMI é de 0,15-0,20 V
∆G = (5,7kJ / mol ).0,75 + (95,6kJ / mol ).0,15 = 19kJ / mol
A ∆G associada à oxidação de 1 mol de NADH é:
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N +
½ O2
NAD+ +
10 H+P
Logo:
∆G = 19 kJ/mol*10 = ~190 kJ/mol
∆G0’ = 220 kJ/mol
+
1 H2O
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
Espaço intermembrana: entre a MME e MMI
- equivalente ao citosol no que se refere às concentrações em metabólitos e íons
A MMI é composta por cerca de 75%
de proteínas mais rica em proteínas
MME
- A MMI é permeável a O2, CO2 e H2O
- Contém proteínas de transporte que
controlam a passagem de metabólitos,
como ATP, ADP, o piruvato, o Ca2+ e o
fosfato
A impermeabilidade da MMI para a
maioria dos íons e metabólitos permite
a formação de um gradiente de íons
através dessa barreira
Resulta na compartimentalização
das funções metabólicas entre o citosol
e a mitocôndria
Transporte seletivo de elétrons produzidos no citoplasma para a mitocôndria
- O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à cadeia transportadora de
elétrons para a oxidação aeróbica
- Não há uma proteína
transportadora de NADH
na MMI
- Somente os elétrons do
NADH citosólico são
transportados para a
mitocôndria por um dos
vários sistemas de
transporte
LANÇADEIRA DE MALATOASPARTATO
LANÇADEIRA DE GLICEROL-3-P
A glicerol-3-fosfato desidrogenase
catalisa a oxidação do NADH
citosólico pela DHAP para produzir
NAD+, o qual retorna à glicólise
Os elétrons do glicerol-3-fosfato
são transferidos para a
Flavoproteína-desidrogenase da
MMI, formando FADH2,
O FADH2 fornece elétrons
diretamente para Cadeia
Transportadora de Elétrons
TRANSLOCADOR DE ATP/ADP-PI
A maior parte do ATP gerado na matriz
mitocondrial pela fosforilação oxidativa é
utilizado no citosol
A MMI contém um translocador de ADPATP (ou adenina-nucleotídeo translocase)
- Transporta o ATP para fora da matriz
mitocondrial acoplado à importação de
ADP e Pi produzidos no citoplasma a
partir de ATP
- Sistema antiporte
- Mantém balanço eletrolítico pelo gasto
de energia quimiosmótica

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