Bioenergética e Reacções RedoxMitocondriais

Cadeia Respiratória

Constituintes e caracterização da cadeia mitocondrial de transporte de electrões

Respiração Celular

Mecanismos de transporte de electrões na MitocôndriaFosforilação oxidativa

Oxi-reduções com e sem oxigénioFormas activas de oxigénio Sistema de protecção celular anti-oxidante

Realizado no âmbito da unidade curricular de Metabolismo e Endocrinologia do Curso de MEBM (2Ano)por: Grupo 2

André Zamith, nº58556Eduardo Bicacro, nº58615Pedro teixeira , nº58482

• As células do organismo humano necessitam de energia para realizar as funções que permitem a sustentabilidade da vida.

• A fosforilação oxidativa é o culminar de um processo de obtenção de energia realizado pelos organismos - a respiração celular aeróbia.

• A fosforilação oxidativa tem lugar na matriz mitocondrial.

Mitocôndria

É na matriz que ocorre o Ciclo de Krebs em eucariotas.

Membrana externa permeável à maioria das pequenas moléculas e iões.

Membrana interna pouco permeável (canais transportadores específicos).

Resumo dos eventos até à conclusão da fosforilação oxidativa

Moléculas altamente energéticas

(passíveis de serem oxidadas)

Fluxo de electrões na cadeia mitocondrial

(reacções redox)

ENERGIA

Liberta(r. exergónica)

É consumida(r. endergónica)

Movimento de protões através da membrana interna

mitocondrial

Energia armazenada sob a forma de potencial

electroquímico

Síntese ATP (Teoria quimiosmótica Peter Mitchell, 1961)

Constituintes da Cadeia Mitocondrial de transporte de

Electrões

Desidrogenase

• É uma Oxirredutase.

• Enzima que oxida um substrato, transferindo um ou mais protões e um par de electrões para um aceitador.

• Existem diferentes tipos de molécula aceitadora que intervêm neste tipo de reacção, que seguidamente se apresentam.

Desidrogenase

2e- + H+

NAD+ e NADP +

• NAD – Nicotinamida-adenina-dinucleótido (estrutra com 2 nucleótidos – nicotinamida e adenina).

• São coenzimas de desidrogenases.

(Grupo fosfato no caso de NADP+)

FMN e FAD• Dá-se o nome de Flavoproteínas às desidrogenases com

coenzima FAD ou FMN• FMN – flavina-mononucleótido• FAD – flavina-adenina-dinucleótido

FMN FADRibitol

Centro reactivo

• O potencial de redução padrão do nucleótido de flavina depende da proteína a que está associado. (interacções que este estabelece com ela)

FAD + 2H++ 2e-FADH2

Coenzima Q10

• É uma benzoquinona solúvel em lípidos (consegue movimentar-se no interior da bicamada fosfolipídica).

• Pode aceitar um electrão, tornando-se o radical semiquinona.

• Se aceitar outro, denomina-se ubiquinol.

• Consegue transportar protões e electrões.

Citocromo

• Proteína com um grupo prostéticoheme (com Fe).• Estado Oxidado – Fe3+ ; Estado Reduzido – Fe2+

• Mitocôndrias têm 3 tipos de citocromo: a, b e c.• Os diferentes tipos são distinguidos tendo em conta os

comprimentos de onda de máxima absorção de luz.

• Os grupos heme a e b estão fortemente ligados à parte proteica do citocromo.

• O heme c, está ligado covalentemente através de dois resíduos de Cisteína.

• 4 anéis azotados numa estrutura cíclica - porfirina

Proteínas Fe-S• O ferro surge associado a proteínas, mas não em grupos

heme. • A associação é feita através de átomos de enxofre

orgânicos, inorgânicos ou através de ambos os tipos.• Como os citocromos, participam em transferências de

apenas um electrão.

Complexosda Cadeia Mitocondrial de transporte de Electrões

(changepresenter)

Cadeiade transporte de electrões na Mitocôndria

Cadeia Respiratória:

FosforilaçãoOxidativa

Cadeia de transporte de electrões na Mitocôndria

• A transferência de electrões da molécula dadora (NADH) até à aceitadora (O2), é um processo globalmente exergónico que ocorre através de uma série de reacções redox intermédias. Este facto revela-se muito favorável do ponto de vista energético.

Potenciais de Redução Padrão dos Transportadores Electrónicos

(determinados experimentalmente)

Balanços Energéticos

NADHE’O=-0.320V

O2

E’O=0.8166V

Electrões no sentido de potenciais crescentes

ΔG’0 = -nFΔE’0

ΔE’0 =1.1366

Representação esquemática da cadeia de transporte electrónico

Setas pretas são as transferências de electrões

UQ – UbiquinonaCytc – Citocromo CIMM – Membrana Mitocondrial Interna

Elementos dadoresde electrões com alta energia

NADH Cadeia de transporte de electrões para o oxigénio

Relembrar Ciclo de Krebs...

Complexo I - NADH: quinona-oxidorredutase(EC 1.6.5.3) ; 850kDa ; 43 subunidades proteicas

Complexo I

Componentes:• Flavoproteína-FMN.• Minimo 6 centros Fe-S

Catalisa a oxidação do NADH e a redução da coenzima Q a Ubquinol.

• Reacções Exergónicas:

• Reacção Endergónica:

• Reacção total do complexo I

NADH + CoQ + 5H+ in→ NAD+ + CoQH2 + 4H+

out

4H+ in→ 4H+

out

Vias de redução da Ubiquinona

Complexo II - succinatodesidrogenase(EC 1.3.5.1) ; 140 kDa ; 4 subunidades proteicas

Componentes:• Flavoproteina-FAD ;• Subunidades C e D são

proteínas integradas com grupos heme;

• Proteinas de Fe-S

Complexo IICatalisa a oxidação do Succinato e a redução da coenzima Q.

• Reacções Exergónicas:

• Reacção total do complexo IISuccinato + CoQ → Fumarato + CoQH2

Não ocorre bombeamento Protónico neste complexo

Complexo III – ubiquinona:citocromocoxirredutase(EC 1.10.2.2) ; 250 kDa ; 11 subunidades proteicas

Componentes:• Citocromob e c1

• Grupos heme• Proteínas Fe-S

QH2 + 2 cytochrome c1 (FeIII) + 2 H+in → Q + 2 cytochrome c1 (FeII) + 4 H+

out

• Reacções Exergónicas:

• Reacção Endergónica:

• Reacção total do complexo I

4H+ in→ 4H+

out

Catalisa a oxidação doUbiquinole a redução do Citocromoc.

Complexo III

Complexo IV - citocromocoxidase(EC 1.9.3.1) ; 160kDa ; 13 subunidades proteicas

Componentes:• CuA (centro binuclear de Cu)• Citocromo a• Centro binuclear Citocromo a3-CuB

Complexo IV

Catalisa a oxidação do citocromoc e a redução do Oxigénio a Água.

4 Cit-c (reduzido) + 8 H+in+ O2 → 4 Cit-c (oxidado) + 2 H2O + 4 H+

out

• Reacções Exergónicas:

• Reacção Endergónica:

• Reacção total do complexo I4H+

in→ 4 H+out

Quanta energia se conseguiu armazenar?

ΔG’0 = -nFΔE’0=-220kJ/mol (de NADH)

Força motriz protónica devido ao gradiente de concentração e potencial da membrana.

= 20kJ/mol (de H+)

200kJ/10mol (de H+)

Grande parte da energia foi armazenada. Permite a sintese de ATP

ATP SintaseATPases – enzimas que efectuam transporte activo (com gasto de ATP);

Quando funcionam de forma inversa são denominadas ATP sintases;

Domínios: F0 e F1

Porção integradaSubunidades:

a ; b ; c

Porção periféricaSubunidades:

α ; β ; γ ; δ

FosforilaçãoOxidativa

ATP SintaseComo é realizada a síntese?

Junto à superfície da porção F1

a reação ADP+P ocorre quase espontaneamente.

•O que requere energia é a quebra da ligação que se estabelece entre a enzima e a ATP formada.

•O mecanismo funciona por mudanças conformacionais das subunidades β.

FosforilaçãoOxidativa

(changepresenter)

Transporte de Electões (Grande Eficácia)

Contudo há uma percentagem que não se liga premanentemente ao Oxigénio

Resulta na formação de formas activas de oxigénio

Formas activas de oxigénio

Sistema de protecção celular anti-oxidante

Formas Activas de oxigénio

• Embora:Transferência de 4 electrões e 4 protões reduza o oxigénio em água (Inofensivo)• Durante esse processo ocorre:Transferência de 1 ou 2 electrões para produzir um superóxido e peróxido,

respectivamente (Potencialmente perigoso)

OxigénioMolecular (Grande Poder Oxidante)

Ideal Aceitador de Electrões para a Cadeia

Estas espécies reactivas de oxigénio e os seus produtos de reacção (Ex:radical Hidroxilo), são muito perigosas para as celulas.Estas lesões celulares podem contribuir para o desencadear de doenças.

(Reactive oxygenspecies – ROS)

Formas activas de oxigénio

ROS• iões de oxigénio• radicais livres • peróxidos

ROS

Geralmente pequenas moléculas altamente reactivas devido à presença de pares de electrões de valência desemparelhados.

Formação das ROS

• As formas activas de oxigénio são formadas por :

- interacção de radiação ionizada com moléculas- enzimas específicas para o efeito em células fagocíticas (por ex.: macrófagos)

- produto indesejado da respiração celular.

• 1-4% do oxigénio que reage com a cadeia respiratória sofre uma redução incompleta, originando ROS;

• A mitocôndria é o principal produtor de ROS;

• O ião superóxido é frequentemente formado quando uma molécula de O2 é prematura e incompletamente reduzida .

As zonas mais vulneráveis são o complexo I e complexo IIITodo o Ciclo Q é também uma das principais fontes de ROS

Superóxido HO2 (forma especialmente reactiva)

(Complexo I)

Efeitos prejudiciais das ROS- Danos no DNA- Oxidações de ácidos gordos poli insaturados- Oxidações de aminoácidos em proteínas.- Oxidação de co-factores- Esta, além de produtora, é um alvo destes mesmo ROS’s que vão interferir no mDNA.

Sistemas de Protecção Celular

• As células apresentam uma variedade de defesas contra os efeitos nocivos das ROS.

Hidrófilo

Hidrofóbico

Enzimas :-Superóxidodismutase (SOD)-Catalase-Ascorbatoperoxidase

Antioxidantes :-Vitamina C-Ácido úrico-Glutatião-Vitamina E-Ubiquinol

Reagem com oxidantes no citoplasma e plasma sanguíneo

Protecção das membranas celulares da peroxidação lipídica

Acção Enzimática

M(n+1)+ − SOD + O2− → Mn+ − SOD + O2

SuperóxidoDismutase

Mn+ − SOD + O2− + 2H+ → M(n+1)+ − SOD + H2O2

M = Cu (n=1) ; Mn (n=2) ; Fe (n=2) ; Ni (n=2) – Consoante o tipo de Dismutase

Catalase

A característica importante a reter – elevada velocidade de conversão

2 H2O2 → 2 H2O + O2

Acção Antioxidante

• Capaz de atrasar ou prevenir a oxidação de outras moléculas• Remoção de radicais livres e inibição de oxidações oxidando-se a si próprio.

Vitamina C (ascorbato)

É a coenzima da ascorbatoperoxidase.

Ascorbate + Hydrogenperoxide → Dehydroascorbate + Water

C6H8O6 + H2O2 → C6H6O6 + 2 H2O

Ácido Úrico

Aproximadamente metade da capacidade antioxidante do plasma sanguíneo.Forte capacidade de doar electrões.

Glutatião

Tripéptido sintetizado no fígado.Presente na maioria das células (reservas próprias da mitocôndria e núcleo)2 estados oxidação – defesa antioxidante importante para os organitos.

Cadeia mitocondrial de transporte electrónico (mecanismos de defesa inerentes)

Voltar Slide Comlexo II

ROS: acção benéfica

ROS (pequenas quantidades)• Sinalização celular• Recrutamento de plaquetas – migração de

plaquetas para o local da ruptura (sinalização oxidativa)

• Sistema imunitário• Mobilização de sistemas de transporte iónico

Stress oxidativo

Sumário geral

Cadeia RespiratóriaConstituintes e caracterização da cadeia mitocondrial de transporte de electrões

Respiração Celular

Mecanismos de transporte de electrões na Mitocôndria

Fosforilação oxidativa

Oxi-reduções com e sem oxigénio

Formas activas de oxigénio

Sistema de protecção celular anti-oxidante

Bibliografia• Nelson DL; Cox MM (Apr 2005).

LehningerPrinciplesofBiochemistry, 4th ed, W. H. Freeman

• Harper'sIllustratedBiochemistry (Murray, Mcgraw-Hill Medic, 26th ed

• Luís S. Campos, Entender a Bioquimica

• Secção “MetabolicPathwaysofBiochemistry” da George Washington University

• Lodish - Molecular CellBiology 5th• Oxford

DictionaryofBiochemistryand Molecular Biology

• CellBiologyAnimations – fromtheinstitute John Kyrk

http://www.johnkyrk.com/mitochondrion.html

• InteractiveConceptsof Biochimestry – Willy internet website – InteractiveAnimationaboutOxidativePhosphorylation

http://www.wiley.com/legacy/college/boyer/0470003790/animations/electron_transport/electron_transport.htm

• Nicholls DG; Ferguson SJ (Jul 2002). Bioenergetics 3. AcademicPress.

• Matill HA (1947). Antioxidants. AnnuRevBiochem 16: 177–192

• Voet D; Voet JG (Mar 2004). Biochemistry, 3rd ed, Wiley

• Lectures Antony Crofts, 1996, UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign

• LecturesBioquimica e Biologia Molecular – Instituto Superior Técnico

(Bioenergética e reacções redoxmitocondriais)

Realizado no âmbito da unidade curricular de Metabolismo e Endocrinologia do Curso de MEBM (2Ano)por: Grupo 2

André Zamith, nº58556Eduardo Bicacro, nº58615Pedro teixeira , nº58482