Fosforilação oxidativa mitocondrial. Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos...
Click here to load reader
Transcript of Fosforilação oxidativa mitocondrial. Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos...
Fosforilação oxidativa mitocondrial
MacromoléculascelularesProteínas
PolissacarídeosLipídeos
Ácidos nucléicos
MoléculasprecursorasAminoácidos
AçúcaresÁcidos graxos
Bases nitrogenadas
Anabolismo
Nutrientes contendo energia
AçúcaresLipídeosProteínas
Produtosfinais pobresem energia
CO2 , H2O, NH3
Catabolismo
ADP + HPO42-
NAD+
NADP+
FAD
ATPNADH
NADPHFADH2
Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo
Energia livre associada à hidrólise do ATP
M10ATP][
]Pi][ADP[K' 5
ATP ADP + Pi
pH 7; [Mg2+]=10-2 e [Pi]= 10-2M
Variação da energia livre de Gibbs para a hidrólise do ATP
G’(kJ mol-1) [ATP/ADP]
0 10-7 (equilíbrio)
-11,4 10-5
-22,8 10-3
-28, 10-2
-34,2 10-1
-45,6 10 (citosol em condição celulares)
-57,0 103
Glicose 2lactato + H+ G’= -196 kJ mol-1 de glicose
Mecanismo
de fosforilação
do ADP na
fermentação láctica:
acoplamento
de reações
CO2+4H2CH4 +2H2O
H2S + luz + bacterioclorofila S + 2H++ 2 e-
2H2O + luz + clorofila O2 + 2H++ 2 e- + 4e-
EVOLUÇÃO DA VIDA NA TERRA
EXERCÍCIO
1
NÚMERO DE OXIDAÇÀO DO CARBONO EM VÁRIOSGRUPOS FUNCIONAIS
Substância Energia produzida
kJ mol-1 kJ g-1 kcal g-1 kcal g-1 peso fresco
Glicose 2.817 15,6 3,7 -
Lactato 1.364 14,2 3,6 -
Ácido palmítico
10.040 39,2 9,4 -
Glicina 979 13,1 3,1 -
Carboidratos - 16 3,8 1,5
Gorduras - 37 8,8 8,8
Proteínas - 17 4,1 1,5
Energia produzida a partir da oxidação completa de vários
compostos orgânicos a dióxidode carbono e água
Variação de entalpiamedida em um calorímetro
(calor liberado)
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
REAÇÕES BIOLÓGICAS DE ÓXIDO REDUÇÃO
Glicose + 6O2 6CO2 + 6 H2O G = -2840 kJ mol-1
Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+
1. Elétrons transferidos diretamente como
elétrons
AH2 + B A + BH2
2. Elétrons transferidos como átomos de
hidrogênio (H)ou hidreto (H-)
R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH
3. Elétrons transferidos através de combinação
direta com oxigênio molecular
Equivalentes de redução: elétron
independente da forma de transferência
Glicose 2lactato + H+
G’= -196 kJ mol-1 de glicose
noxredred
nox BABA
Dois pares redox
rednox AA
ne
nenoxred BB
2H2/1H e
O potencial redox padrão do par H+/1/2H2 em condições padrões é tomado como zero (V)
e simbolizado por E’
A tendência da direção da reação depende da afinidade relativa de cada par redox por elétrons
Esta afinidade pode ser medida experimentalmente em Voltstendo como referência a afinidade do par H+/1/2H2
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO É UMA MEDIDADA AFINIDADE POR ELÉTRONS
ox + ne- red ][
][log
3,20
red
ox
nF
RTEE
MEDIDA DO POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
Reação de óxido redução envolve 2 pares redox
noxredred
nox BABA )()( BhAhh EEE
hEnFG ''
O potencial de óxido redução padrão (E’) pode ser usado para calcular a variação de energia livre padrão da reação (G’)
Acetaldeído + NADH + H+ Etanol + NAD+
Acetaldeído + 2H+ + 2e- Etanol E’h’=-0,197V
NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E’h =-0,320 V
G’°=-2 x 96,9kJ/V mol x 0,123 V= -23,7 kJ mol-1
)()( BhAhh EEE
A variação de energia livre de uma reação de óxido-redução (G) depende da concentração
dos pares redox
V183,0)350,0(V167,0 E
][
][ln0
red
ox
nF
RTEE
V167,0]1,0[
]0,1[ln
2
V026,0197,0 acetE
V350,0]0,1[
]1,0[ln
2
V026,0V320,0 NADHE
EnFG kJ/mol3,35G
noxredred
nox BABA
Se acetaldeído e NADH estiverem presentes a uma Concentração de 1,0 M e etanol e NAD+ a 0,1 M
EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE G DE REAÇÕES DE
ÓXIDO REDUÇÃOConsiderando a seguintes reação:
Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+
E tendo os seguintes valores de E’ :
1. NAD+/NADH = -0,32 V2. Piruvato/lactato = -0,19 V
Responda:a) Qual par conjugado tem maior tendência em doar
elétrons?b) Qual é o agente oxidante mais forte?c) Quando todos os reagentes estiverem na
concentração de 1M a pH 7,0, em qual direção a reação deve ocorrer?
d) Qual é o G’° da reação para a conversão de piruvato a lactato?
e) A reação contrária poderá ocorrer na célula?
Citosol
Mitocôndria
Ciclo doÁcidocítrico
Acetil-CoA
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
ESTRUTURA DA FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (FAD)
FAD forma oxidada FAD forma reduzida
ESTRUTURA DA NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (NAD+ / NADH)
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
NADH QSuc Q Q Cit cCit c O2ATP ADP+Pi
I II III IV V
Separação
dos
complexos
funcionais
da cadeia
respiratória
Transpor-
tadores de
elétrons
funcionam
em complexos
multi-
enzimáticos
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
UQ/UQH2
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Cit c
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
½ O2 H2O
CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
Complexo Massa (kDa)
Número de
subunidades
Grupos prostético
s
I NADH desidrogenase
850 42 (14) FMN, Fe-S
II Succinato desidrogenase
140 5 FAD, Fe-S
III Ubiquinona:citocromo c oxidoredutase
250 11 Hemes, Fe-S
Citocromo c 13 1 Heme
IV Citocromo oxidase
160 13 (3-4) Hemes, CuA, CuB
Complexos protéicos da cadeia de transporte de elétrons
A + 2e- + 2H+ <-> AH2
Estados de oxidação da FMNe da CoQ
ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE
Fe+3 + 1e- <-> Fe2+
Citocromo c
Matriz mitocondrialbH
bL
Estrutura secundária do citocromo bCITOCROMOS
Fe+3 + 1e- <-> Fe2+
REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO: POTENCIAL REDOX
NAD+ + 1H+ + 2e- NADH -0,36
NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- FMNH2
-0,30
Fe/S-N2(Fe+3) + e- Fe/S-N2(Fe+2) -0,02
[FAD] + 2H+ + 2e- [FADH2] ligado na enzima
0,048
Ubiquinona (UQ) + 2H+ + 2e- Ubiquinol(UQH2)
Ubiquinona (UQ) + H+ + e- Semiquinol(UQH)
0,0450,03
Citocromo b (Fe3+) + e- Citocromo b (Fe2+)
0,077
Fe/S-Rieske (Fe+3) + e- Fe/S-Rieske (Fe+2) 0,28
Citocromo c1 (Fe3+) + e- Citocromo c1 (Fe2+)
0,22
Citocromo c (Fe3+) + e- Citocromo c (Fe2+) 0,254
Citocromo a (Fe3+) + e- Citocromo a (Fe2+) 0,29
Citocromo a3 (Fe3+) + e- Citocromo a3 (Fe2+)
0,55
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,816
Potencial redox padrão de transportadores de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial
Reação redox (semi-reação) E’(V)COMPLEXO
I
COMPLEXO
III
COMPLEXO
IV
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
hEnFG
][
][log
F
2,3RT ,, red
oxRTxEE pHmpHh
][
][log
3,20
red
ox
nF
RTEE
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
ox + ne- red ox + ne- + mH+ red
Reação de óxido redução envolve 2 pares redox
noxredred
nox BABA )()( BhAhh EEE
Relação entre G e E
Para a reação: NADH + H+ +1/2 O2 H2O + NAD+
NADH + 2e- NAD+ Eh =-0,315V
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O Eh =+0,815V
G°=-2 x 96,9 x 1,13 = -218 kJ mol-1
ComplexoIEº’ = 0,360V
Gº’ = -69,5 kJ mol-1
ComplexoIEº’ = 0,360V
Gº’ = -69,5 kJ mol-1
ComplexoIIIEº’ = 0,190V
Gº’ = -36,7 kJ mol-1
ComplexoIIIEº’ = 0,190V
Gº’ = -36,7 kJ mol-1
ComplexoIVEº’ = 0,580V
Gº’ = -112 kJ mol-1
ComplexoIVEº’ = 0,580V
Gº’ = -112 kJ mol-1
NADH NAD+ (-0,315V)
2H++ ½ O2 H2O (+0,815V)
CoQ (+0,045V)
Citocromo c (+0,235V)
ComplexoII
ComplexoII
Succinato FADH2
Fumarato
(+0,030V)
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,8
0,6
E’ (V)
EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA
Meio sem aeração
contendo mitocôndrias +
ADP + Pi e succinato
sem O2
O2 éinjeta
doa 1 min
Meio sem aeração
contendo mitocôndrias +
ADP + Pi e succinato
sem O2
O2 éinjeta
doa 1 min
EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
Geração do gradiente de prótons (Teoria quimiosmótica,
proposto por Peter Mitchell, Nobel de 1978)
Modelo de loop redox
Estequiometria de cargas e prótons na cadeia respiratória modelo loop redox X proton pump
2H
2H
2H
2e-
2e-
2e-
NADH
2H+
2H+
2H+
III + UQ
½O2+2H+
H2O
Loop redox
c
NADHO2 : 6H+
I
III
IV
½O2+2H+
NADH
H2O
UQ
4H+
4H+
2H+
2e-
2e-
2e-
Proton pump
c
NADHO2 : 8 a 10H+
I
III
IV
Mecanismo de translocação de prótons noComplexo III: Ciclo Q
Ciclo Q
XX
X
Gradientede concentração
]'[
]"[log3,2
X
XRTG
X X
X+
-------
+++++++
mFG
Gradienteelétrico transmembrana
X X
X+
-------
+++++++
'
"
log3,2
X
XRTmFG
Gradientede concentração e gradiente
elétrico transmembrana
G = gradiente eletroquímico iônico =
x+
pHRTFµH 3,2
No caso da mitocôndria: X+=H+ e –log[H+] = pH, então
Mitchell definiu o termo força próton-motriz (p)
FµmVp H /)()( pHmVp 59)(Um gradiente eletroquímico de H+ de 1 kJ mol-1, corresponde a
uma força próton-motriz de 10,4 mV.
Energética da transferência de prótons através da membrana: definição da força próton-motriz
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP
Ciclo doÁcidocítrico
Acetil-CoA
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
UQ/UQH2
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Cit c
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
½ O2 H2O
CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
Componentes do complexo F1Fo-ATP sintase
As três subunidades da ATPsintase podem assumir três diferentes conformações
Estrutura do complexo F1 deduzida porcristalografia e estudos bioquímicos
O movimento de prótons pela membrana impulsiona a rotação do anel
O canal é fromado por 10 subunidades c360 = uma rotação completa
3H+ leva a rotação de 120 em levando a liberação de um ATP do complexo, ou seja:
3H+ devem retornar para a matriz para cada ATP formado
Semi-canal de H+ (cit)
Semi-canal de H+ (mit)
Transferência de ATP, ADP e fosfato entre
a mitocôndria e o citosol
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP
Adenina nucleotídeo translocasee fosfato translocase
ATP/ADP = ATP/ADP =
Regulação
integrada
da
produção
de
ATP
Transferência de equivalentes redutores do citosol
para a matriz mitocondrial: lançadeiras
Lançadeira malato-aspartato
Fígado, rim e coração
Lançadeira glicerol 3-fosfato
Músculo esquelético e cérebro
NADHcitosólico
Acetil-CoA
Matriz mitocondrial
BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS
Regulação
integrada
da
produção
de
ATP
Estequiometria da síntese de ATP
NADH O2 = 10H+/2e- 10H+/4H+ = 2,5 ATP
Succinato (FADH2) O2 = 6H+/2e- 6H+/4H+ = 1,5 ATP
ADP + Pi + 3H+p
ATP + H2O + 3H+nAdenina nucleotídeo e Pi translocase: 1H+
Produção de ATP na oxidação completa de glicose
Processo Produto ATP final
Glicólise 2 NADH (citosólico) 3 ou 5
2 ATP 2
Oxidação do piruvato (2 por glicose)
2 NADH (mitocondrial) 5
Oxidação de acetil-CoA no ciclo de Krebs
6 NADH (mitocondrial) 15
(2 por glicose) 2 FADH2 3
2 ATP ou GTP 2
Produção total por glicose
30 ou 32