OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

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OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

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OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa. Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia - PowerPoint PPT Presentation

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OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS:

Cadeia respiratória e fosforilação

oxidativa

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Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa

1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-

6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema

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Metabolismo: integração entre catabolismo e anabolismo

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Estágio 1Produção deAcetil-CoA

Estágio 2Oxidação deAcetil-CoA

Estágio 3Transporte

de elétrons efosforilação

oxidativa

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

mitocôndrias

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Localização da glicólise e do ciclo de Krebs (tricarboxilicos ou dos ácidos cítricos) e do transporte de elétrons e fosforilação

Citoplasma Interior da mitocôndria

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Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa

1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-

6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema

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A variação de energia livre na hidrólise do ATP é grande e negativa

A hidrólise diminui a repulsão entre as cargas

Estabilização por ressonância

Ionização

Os produtos formados na hidrólise do ATP são mais estáveis porque fazem ressonância e apresentam menos repulsão eletrostática

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Existem duas formas de formação do ATP

1 – Fosforilação ao nível de Substrato

2 – Fosforilação através da cadeia transportadora de elétrons acoplada a fosforilação

(nos animais)

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Gliceraldeido 3-fosfato desidrogenase

•Enzima da via glicolítica•NADH produzido no citoplasma*•Destino do NADH em meio aeróbico e meio anaeróbico

Produto desta reação contémenergia para fosforilar ADP emATP

(1)

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Fosforização ao nível de substratoFosforização ao nível de substrato

Conversão do succinil-CoA em succinatoConversão do succinil-CoA em succinato Etapa de fosforilação da enzima Etapa de fosforilação da enzima GTP ou ATP (GTP ou ATP (ΔΔG’º = 0)G’º = 0)

(1)

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No passo 1, um grupo fosforil ocupa o lugar da CoA no succinil-CoA ligado a enzima, formando um composto acila-fosfato de alta energia. No passo 2, o succinil-fosfato cede seu grupo fosforil para um resíduo de histidina da cadeia polipeptídica da enzima, formando um derivado de alta energia. No passo 3, o grupo fosforil é transferido desse resíduo de His para o grupo fosfato terminal da molécula de GDP (ADP) formando GTP (ATP).

Mecanismo da reação

da succinil-CoA

sintetase

Inicialmente o succinil-CoA se liga à enzima succinil-CoA sintetase.

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Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa

1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-

5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema

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OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS:

Cadeia respiratória e fosforilação

oxidativa

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Estrutura da mitocondria

• Membrana externa

• Membrana interna

• Matriz mitocondrial

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Estudo dos componentesda membrana mitocondrial

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Complexos proteícos transportadores de elétrons

O que são grupos prostéticos?

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COMPONENTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA

COMPLEXO I: recebe elétrons do NADHCOMPLEXO II: recebe elétrons do FADH2

UBIQUINONA (Q)COMPLEXO IIICITOCROMO c e COMPLEXO IV

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NADH NAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

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Nucleotídeos: transporte energia

NADH + H+ NAD+

SuccinatoFumarato

Matriz

ADP + Pi

ATP

H2O1/2 O2 +

2H+

Cit cEspaço

intermembrana

F1

F0

H+

4H+ 2H+

4H+

P O

HHH H

O

N

N

NH2

N

N

HO

OH

CH2P OHO

O-

O

O-

O

ADP

HPO42-

+

P O

HHH H

O

N

N

NH2

N

N

HO

OH

CH2P OP OO-

O

O-

O

O-

O

-O

ATP+

H2O

Ligações fosfoanidrido

Ligações fosfoéster

O gradiente eletroquímico de prótons gerado durante o transporte de elétrons é usado para síntese de ATP através do complexo ATPsintase

Matriz

Espaço intermembrana

H+ H+H+

H+

H+

H+H+ H+

H+

Fo

F1

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Modelo mostrando a síntese de ATP

Proteínas transportadoras de eletrons

Proteínas integrais e periféricas

Extrusão de prótons

Complexo ATP sintase

Gradiente químico

Gradiente elétrico

Gradiente eletroquímico

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Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa

1 - Introdução2 - Formas de formação de ATP3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e-

5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema

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Potencias de óxido-redução

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Ared Aox + e- oxidaçãoAs formas oxidada e reduzida do composto (Ared / Aox ) constituem um sistema chamado par redox.

Box + e- Bred redução

Ared + Box Aox + Bred reação de óxido-redução Nas reações de óxido redução biológicas, os elétrons transferidos são geralmente acompanhados de prótons ou seja há transferência de átomos de hidrogênio:

AH2 + B A + BH2

(red) (ox) (ox) ( red)

A tendência do par redox (Ared / Aox ) em perder ou ganhar elétrons é

expressa pelo seu potencial de óxido-redução, representado por E que depende das espécies envolvidas e das concentrações da forma oxidada e reduzidas das espécies.

Reações de óxido-redução

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Célula eletroquímica de

referência. H2 gasoso a pressão de 101 KPa e 1M

de H+

Célula teste contendo 1M das

espécies reduzida e

oxidada do par redox em exame

Fe+3 + Cu+ ↔ Fe+2 + Cu+2

Potenciais de Oxido-reduções

Fe+3 + e- ↔ Fe+2 (redução)Cu+ ↔ Cu+2 + e- (oxidação)

2 H+ + 2e- H2 (referência)NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste)

Potencial de redução padrão (E0)

Potencial de redução padrão bioquímico (E0’)

2 H+ + 2e- H2 (referência)E = 0 V

NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste)E0’ = - 0,320 V

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• Uma vez conectadas as meias células, os elétrons fluem de uma meia célula para outra

• Se a reação se proceder na seguinte direção: X- + H+ X + ½ H2

• Nas meias células as reações serão: X- X + e-

H+ + e- ½ H2 • Os eletrons fluem da meia célula onde está a substância

teste (X) para a meia célula de referência ( padrão)• Dessa forma , o eletrodo é negativo em relação ao eletrodo

padrão.• O potencial redox do par H+: H2 é definido como sendo 0 V

(volts)• Potencial negativo significa que um substrato tem menor

afinidade por elétrons do que H2

• Potencial positivo significa que um substrato tem maior afinidade por elétrons que H2

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OXIDAÇÃO DO NADH ATÉ OXIGÊNIO

NAD+ + H+ + 2e- NADH Eo' = - 0,32V

½O2 + H+ + 2e- H2O Eo' = + 0,82V

A reação acontecerá da seguinte forma:

½O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ Eo' = +1,14 V

Aplicando a equação:Go' = - nF.Eo'

= -2 x 96.500 x [0,82 - (- 0,32)] = - 220 kJ /mol

Potenciais de óxido-redução

ΔEo' = Eo' do oxidante - Eo' do redutor = 0,82 - ( - 0,32) = 1,14 V

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• Um forte agente redutor, como NADH e FADH2 tem potencial redox negativo

• Um forte agente oxidante, como O2 , tem potencial redox positivo

• A variação de energia livre de uma reação de oxido-redução pode ser facilmente calculada somente avaliando a diferença de potencial redox dos reagentes e produtos.

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Proteínas transportadoras de eletrons

Complexo I= NADH desidrogenaseComplexo II= succinato desidrogenaseComplexo III= ubiquinona: citocromo c oxidoredutaseCitocromo c Complexo IV= citocromo oxidase

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NADH: ubiquinona oxidoredutase

NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- NADH desidrogenase (FMNH2) flavina mononucleotídeo é derivado da riboflavina (vitamina B2)Os centros Fe-S não recebem protons , são transportadores de eletrons. Fe3+ para Fe2+. Os protons são transferidos para o espaço intermembrana. Primeira etapa na formação do gradiente de prótons.

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Complexo II também chamado de succinato desidrogenase. A enzima succinato desidrogenase faz parte do complexo

Grupo prostéticos: FAD e centros Fe-SEletrons são transferidos do succinato ao FAD, aos centros Fe-S e depois para a ubiquinona (Q).

Outras desidrogenases: acil-CoA desidrogenase da β-oxidação transfere os eletrons para a enzima transferidora de eletrons (ETF) que tem o FAD como grupo prostético e depois para a ETF: ubiquinona oxidoredutase e finalmente para a ubiquinona.

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Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

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Coenzima Q ou ubiquinona

Cadeia lateral composta de unidades isoprênicas. Não é uma proteína.Naureza hidrofóbica = mobilidade na fase lipídica da membrana.Recebe 2 protons e dois eletrons e se torna reduzida (ubiquinol).

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O ion Ferro presente no grupo heme é o responsável pela capacidade de transferência de eletrons destas proteínas, alternado seu estado de oxidação de Fe+2 e Fe+3. O grupo heme varia de citocromo para citocromo conforme seus grupos substituintes.Também diferem quanto aos ligantes axiais do ion ferro.

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Complexo citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c oxido redutase

(complexo III)Constituído de dois citocromos b (b562 e b566), por um centro Fe-S

e pelo citocromo C1.Os eletrons da coenzima Q são transferidos para o complexo III e os prótons são transferidos para para o espaço intermembrana.

Sítios de ação de drogas que inibem a fosforilação oxidativa: antimicina e mixotiazol.

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Complexo IV: transfere eletrons para o oxigênio. Também é chamado de citocromo c oxidase. Apresenta dois citocromos do tipo a (a e a3) e dois íons cobre, cada qual associado a um dos dois citocromos. Estados de oxidação do cobre: Cu+2 e Cu+1. O complexo IV é responsável pela doação de quatro eletrons para a molécula de oxigênio, que ligando-se aos prótons do meio converte-se em H2O. 95% de todo oxigênio consumido é utilizado nesta operação e são produzidos cerca de 300 ml de água, chamada de água metabólica (humanos). Animais que hibernam e animais que passam longos períodos sem ingerir água (camelos) utilizam a água metabólica.

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O ΔG (força próton-motora) resultante do gradiente químico e do gradiente elétrico, é capaz de realizar a síntese de ATP.

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A PRODUÇÃO DE ATP É ENZIMÁTICA

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Complexo ATP sintase compreende dois componentes: cada componente é constituído de várias cadeias polipeptídicas. Uma porção, esférica, chamada de fator de acoplamento 1 (F1) que contém os sítios de síntese de ATP. A segunda porção fica embebida na membrana interna mitocondrial interna, constituindo um canal para a entrada de prótons (Fo ) assim chamado porque contém um sítio de ligação para a oligomicina, um inibidor da ATP sintase.

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COMPONENTES DA FoF1ATPase

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Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa

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6 - Inibidores e desacopladores do Sistema7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras8 - Produção de calor9 - Regulação do Sistema

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ADP e Pi são substratos para a ATP sintase.

Succinato é o substrato da Succinato Desidrogenase

Cianeto é uma droga que inibe a

citocromo c oxidase (inibe o transporte de elétrons)

Venturicidina e oligomicina inibem o complexo Fo (inibem a ATP sintase).

DNP é um carreador de prótonshidrofóbicos (desacoplam a Fosforilação do transporte de elétrons).

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Desacopladores: são compostos que dissociam o transporte de elétrons da síntese de ATP.

Exemplo: DNP e FCCP dissipam o gradiente de prótons.

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Adenina nucleotídeo translocase e fosfato translocase

ATP/ADP = ATP/ADP =

A produção de ATP acontece interligada a processos de transporte

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NADH = 2,5 ATPFADH2 = 1,5 ATP

NADH via lançadeira glicerol fosfato = 1,5 ATPNADH via lançadeira malato-aspartato = 2,5 ATP

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Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

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Lançadeira malato-aspartato

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FORMAÇÃO DE CALOR (tecido adiposo marron)

• Esta proteína que tem a sigla em inglês de UCP, é a principal produtora de calor em mamíferos.

• Ocorre principalmente em animais que hibernam.

• Também tem relação com diferenças no metabolismo entre as diferentes pessoas.

• A energia derivada do transporte de elétrons é liberada como calor. UCP

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• Transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente relacionados.

• Os substratos deste processo são: coenzimas reduzidas, oxigênio, ADP e Pi.

• O limitante destes processos é a concentração de ADP. Daí é o regulador mais importante. A regulação da velocidade de oxidação das coenzimas exercida pela concentração de ADP chama-se controle respiratório.

• As vias que dependem da reciclagem das coenzimas oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons (por exemplo, o ciclo de Krebs) dependem da razão ATP/ADP. O próprio ADP participa das regulações das enzimas alostéricas.

Regulação do Sistema