“Queima” da glicose em um experimento

Energia liberada da glicose

(como calor e luz)

100%

Energia liberada da glicose

transformada em ATP

“Queimando” glicosena respiração celular

~40%

Energia da gasolina

convertida em movimento

Queima da gasolinaem um motor de carro

25%

Glicólise

Ciclo do Ácido Cítrico

Cadeia transportadora de

elétrons/fosforilação

oxidativa

Glicose Oxigênio Dioxido de Carbono

água Energia

Perda de átomos de hidrogênio

Glicose

Ganho de atomos de hidrogênio

Energia

Elétrons são transportados por coenzimas reduzidas

Elétrons são passados por uma cadeia de proteínas e

coenzimas, organizadas em sequência na membrana interna

mitocondrial (CTE).

A passagem dos elétrons pela CTE dirige a geração de um

gradiente de prótons através da membrana interna

mitocondrial

Fosforilação oxidativa é o processo de síntese de ATP

FO ocorre na membrana interna mitocondrial em

consequência do transporte de elétrons.

É o gradiente de prótons que dirige a síntese de ATP pela ATP

sintase

Isto tudo acontece na membrana interna mitocondrial

NADH.HNADH.H++

FADHFADH22

NADH.HNADH.H++

FADHFADH22

NADH reduzido

2 e-

2 H+

NAD+ oxidado

Adenina

2H+; 2e-

NADH.HNADH.H++

FADHFADH22

NADH.HNADH.H++

FADHFADH22

Quatro complexos proteicos na membrana interna

mitocondrial

Uma coenzima lipossolúvel (UQ, CoQ) e uma proteína

hidrossolúvel (citocromo c) são as pontes entre os complexos

proteicos (componentes móveis)

Complexo 1- NADH – Coenzima Q (CoQ) Redutase (oxiredutase)

Complexo 2- Succinate-CoQ Redutase

Complexo 3- CoQ-Citocromo c Redutase

Complexo 4- Citocromo c Oxidase

Coenzima Q – CoQ

-tb chamada de ubiquinona (UQ)

Citocromo c – cit.c

Elétrons geralmente perdem energia ao longo da cadeia

Isto é determinado pelo potencial de redução (ou potencial redutor)

destes componentes da CTE

Os componentes da CTE estão organizados do maior potencial de

redução para o menor potencial de redução

Alto Eo' indica uma forte tendência de ser reduzido ou ganhar elétrons

Equação crucial:∆Go' = -nF ∆ Eo'

∆Eo' = Eo'(aceptor) - Eo'(doador)

Elétrons são doados pela metade da reação com um potencial de

redução mais negativo e são aceitos pela reação com um potencial

de redução mais positivo: ∆ Eo’ positive, ∆ Go' negative

Q

Complexo I

Complexo III

Complexo IV

Complexo II

o Componente móvel da CTE

o Hemeproteína

Fe++

ou NADH-CoQ oxirredutase NADH-CoQ oxirredutase

Ou NADH desidrogenase

Transfere elétrons do NADH para a CoQ

Formado por mais de 30 subunidades proteicas – massa molecular de 850 kD

Caminho dos elétrons no complexo:

NADH FMN Fe-S UQ FeS UQ

Quatro H+ são bombeados por cada 2e- transportados

ou Succinato-CoQ RedutaseSuccinato-CoQ Redutase

succinato desidrogenase (do CAC!)

flavoproteina 2 (FP2) - FAD covalentemente ligado

Quatro subunidades, incluindo 2 proteínas Fe-S

Três tipos de agregados Fe-S:

4Fe-4S, 3Fe-4S, 2Fe-2S

Caminho dos elétrons: succinato FADH2 2Fe2+ UQH2

Reação líquida:

succinato + UQ fumarato + UQH2

ouou CoQ-Citocromo c Redutase CoQ-Citocromo c Redutase CoQ passa elétrons para o cit. c (e bombeia H+) em um ciclo redox único

conhecido como Ciclo Q

A principal proteína trans-membrana no complexo III é o citocromo b - com

hemes bL e bH

Citocromos, como o Fe nos agregados Fe-S, são agentes de transferência

de um elétron

UQH2 é um carreador de elétron lipossolúvel

Cit. c é um carreador de elétron hidrossolúvel

ouou Citocromo c Oxidase Citocromo c Oxidase Elétrons do cit.c são usados em uma redução de 4 elétrons que produz 2H2O a

partir de 1 O2 :

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O

Oxigênio é, portanto, o aceptor final de elétrons da CTE

Citocromo c oxidase utiliza 2 hemes (a e a3) e 2 sítios de cobre

Complexo IV também bombeia prótons (H+)

UQH2 + 2H+dentro + 2 cit. c ox. 4 H+

fora + 2 cit. c red. + UQ

Complexo III

citocromo bc1

Ubiquinona ou coenzima Q3

Complexo II

succinato desidrogenase

Ubiquinona ou coenzima Q

FADH2

2

Succinato FADH2 2Fe2+ UQH2

Complexo IV

citocromo a.a3

ou citocromo oxidaseCitocromo c

O2

4

4 citocromo c (red.) + 4H+ + O2 4 citocromo c (ox.) + 2 H2O

Complexo I

NADH desidrogenase

Ubiquinona ou coenzima Q

NADH.H+

1

NADH FMN Fe-S UQ Fe-S UQ

Acoplamento foi um mistério por muitos anos Muitos bioquímicos desperdiçaram suas carreiras procurando por um

“intermediário de alta energia"

Peter Mitchell propôs uma nova idéia:

Um gradiente de prótons através da membrana interna mitocondrial

pode ser usado para dirigir a sintese de ATP

Mitchell foi ridicularizado, mas a hipótese quimiosmótica ganhou o prêmio Nobel

O fluxo de elétrons do NADH.H+ até o O2 é um processo exergônico:

NADH + O2 + H+ H2O + NAD+ ∆G0 = -52,6kcal/mol

Essa energia livre de oxidação é usada para a síntese de ATP:

ADP + Pi + H+ ATP + H2O ∆G0 = +7,3 kcal/mol

Pergunta: Quantos ATPs é possível sintetizar com a energia liberada durante o fluxo de elétrons?

O gradiente de pH e o potencial de membrana constituem uma força

próton-motriz que é usada para impulsionar a síntese de ATP

Quem usa essa força próton-motriz é a ATP sintase

Teoria Quimiosmótica (1961) Peter Mitchell –

Prêmio Nobel de Química em 1978

Difusão de prótons através da proteína dirige a síntese de ATP!!!!

Dois domínios: F1 e F0 (originalmente “F-o” por sua inibição pela

oligomicina)

Racker & Stoeckenius confirmaram a hipótese de Mitchell

usando vesículas contendo ATP sintase e bacteriorhodopsin

Paul Boyer’s binding change mechanism compartilhou o prêmio

Nobel de Quimica de 1997

Neste experimento Walther Stoeckenius e Efraim

Racker, usaram bacteriorodopsina, uma bomba de

prótons dependente de luz, inserida em uma vesícula

contendo ATPase purificada de mitocôndrias de

coração bovino. Quando iluminado, este sistema

sintetiza ATP !!!! Explique.

Na presença do gradiente de prótons:

Na ausência do gradiente de prótons:

é liberado

Ligado à enzima

Ligado à enzima

Rotenona inibe o Complexo I – e ajuda índios da

Amazônia a caçar peixes!

Cianeto, azida e CO inibem o Complexo IV, ligando

fortemente a forma férrica (Fe3+) de a3

Oligomicina e DCCD são inibidores da ATP sintase

Desacoplando o transporte de e- e a fosforilação oxidativa

Desacopladores rompem o acoplamento entre CTE e FO, dissipando

o gradiente de prótons

Desacopladores são moléculas hidrofóbicas com um próton

dissociável

Eles atravessam a membrana levando protons de volta, para dissipar

o gradiente

ATP deve ser transportado para for a da mitocondria

ATP fora, ADP dentro - "translocase"

Movimento do ATP para fora é favorecido, porque o citoplasma é "+" em relação a

"-" matriz

Mas um ATP fora e um ADP dentro isignifica o movimento de uma carga negativa

para fora - o equivalente a um H+ entrando

Assim cada ATP transportado para for a custa um H+

A sintese de um ATP custa 3 H+

Assim, para fazer e exportar: 1 ATP = 4H+

i.e., Quantos ATPs são produzidos por par de elétrons na CTE?

CTE forma 10 H+ bombeados por par de elétrons do NADH até o oxigênio

4 H+ fluem de volta para a matriz por ATP transportado para o citoplasma

10/4 = 2,5 para elétrons entrando como NADH

Para eletrons entrando como succinato (FADH2), por volta de 6 H+ são

bombeados por par de eletrons até oxoigênio

6/4 = 1,5 para os eletrons entrando como sucinato (FADH2)

“Sistemas de lançadeiras" efetuam o movimento de elétrons sem

realmente carregar NADH.H+ :

1. Lançadeira do Glicerofosfato 1. Lançadeira do Glicerofosfato estoca elétrons no glicerol-

3P, que transfere elétrons para o FAD

2. Lançadeira Malato-aspartato2. Lançadeira Malato-aspartato usa malato para

transportar elétrons através da membrana

1.Lançadeira do Glicerofosfato 1.Lançadeira do Glicerofosfato

2. Lançadeira Malato-aspartato2. Lançadeira Malato-aspartato

citoplasma

Matriz mitocond

rial

Depende de que lançadeira é usada!

30 ATP por molécula de glicose se a lançadeira glicerol-3-P é usada32 ATP por molécula de glicose se a lançadeira malato-asp é usada

Em bactéria - sem mitocôndria – nenhum H+ extra é usado para exportar ATP para o citoplasma, assim:

10/3 = ~3ATP/NADH

6/3 = ~ 2ATP/FADH2

Electron Transport System (Electron Transport System.EXE)

http://youtu.be/QeHCAFKaWM8

A velocidade da fosforilação oxidativa é determinada pela

necessidade de ATP (nível de ADP) e pela disponibilidade

de NADH.

A regulação da velocidade da Fox pelo nível de ADP é

chamada de controle respiratório

Disponibilidade de O2

Pode-se fazer um curto circuito do gradiente de prótons para gerar calor - DNP.

Termogenina, também chamada de proteína desacopladora em tecido adiposo marrom (mamíferos

em hibernação e alguns animais recém-nascidos.

Dimero de subunidades de 33 kDa que se assemelha a translocase ADP-ATP

Esta proteína forma uma via de fluxo de protons do citoplasma para a matriz mitocondrial

Um tipo de repolho usa um mecanismo semellhante para aquecer suas espigas florais, aumentando

a evaporação de moléculas odoríferas que atraem insetos para fertilizar suas flores.

A redução do oxigênio por um elétron produz um O2-

Isso acontece fisiologicamente durante a CTE

Radicais de oxigênio podem ser gerados e causar um desequilíbrio

chamado estresse oxidativo

ROS Anti-ox

Hypoclorous acid

Cl-

Fe+2

SOD

Polyunsaturated fatty acids Lipid Hydroperoxides

catalase

H2O+ 1/2 O2

β-caroteno radical

GSH GSSHSe-Glutathione Peroxidase

H2O

NADPHNADP Glutathionereductase

β-caroteno

α-tocoferol

OH

α-tocoferol O.

O. I. Arouma (1994) J. Nutr. Biochem.5:370

http://www.youtube.com/watch?v=3y1dO4nNaKY

http://www.youtube.com/watch?v=-Gb2EzF_XqA

https://www.youtube.com/watch?v=rGaP9nE8d9k