Aula 5 - CTE e Fosforilação Oxidativa

Cadeia transportadora de Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativaelétrons e fosforilação oxidativa

Universidade Federal de São João del-ReiEngenharia de BioprocessosBioquímica do Metabolismo

Juliano Lemos BicasJuliano Lemos Bicas

SumSumááriorio

• Introdução

• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira

• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)

• Fosforilação oxidativa

• Controle da produção de ATP

• CTE em bactérias

• Conclusão

• Exercícios

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

IntroduçãoIntrodução

Catabolismo de carboidratosCatabolismo de carboidratosFormação de ATP e cofatores reduzidos (NADH, FADH2)

Glicose 2Piruvato 6 NADH

2 FADH2

2 GTP

2Acetil-CoA

ATP ATP

2 NADH ATP ATP

ATPATP

2 NADH

ATP

ATP

Saldo (por glicose):- 4 ATP

- 2 FADH2

- 10 NADH

Ciclo de Krebs

4 CO22 CO2

Maior parte da energia = coenzimas reduzidas


Fosforilação oxidativa:Fosforilação oxidativa:• Estágio final da respiração celular (organismos aeróbicos);• Etapas oxidativas da degradação CH, aa e AG convergem para ela;• Utilização da energia de oxidação para síntese de ATP;

Cadeia transportadora de elétrons (CTE):Cadeia transportadora de elétrons (CTE):• Reoxidação dos cofatores reduzidos (NADH e FADH2);• Elétrons transportados até O2 (aceptor final), que é reduzido a H2O;• Gradiente de H+ impulsiona síntese de ATP (fosforilação oxidativa).

Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)


Mitocôndria:Mitocôndria:• Sítio do metabolismo oxidativo em eucariotos:

- Compl. pir. desidr.- CK- β-oxidação- CTE/FO


Mitocôndria:Mitocôndria:• Membrana externa:

- Livremente permeável apenas a O2, CO2 e H2O

- Proteínas de transporte controlam passagem de ATP, piruvato, Ca2+, Pi etc.

- Porinas: difusão livre de moléculas de até ~10kDa (não específico)

• Membrana interna:

- Permite gradientes iônicos e compartimentalização (citossol x mitocôndria)

- Impermeável à maioria das substâncias hidrofílicas

CITOSSOL

MATRIZ

ATP

ADP Pi

Pi ou Dicarboxilatos

OH–

Dicarbo-xilatos

Tricarbo-xilatos

Malato OH–

Piruvato

OH– ou Aspartato

Ca2+

Ca2+

2Na+Glutamato

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria

Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira malato-aspartato

CITOSSOL

MATRIZ

Aspartato

Aspartato

Glutamato

Glutamato

Malato

Malato

α-Cetoglutarato

α-Cetoglutarato

Oxalacetato

Oxalacetato

Aspartato aminotransferase

Aspartato aminotransferase

Malato desidrogenase

Malato desidrogenase

H+ + NADH

H+ + NADH

NAD+

NAD+

Via glicolítica

Carregador malato-α-

cetoglutarato

Carregador glutamato-aspartato

Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria

Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira glicerol-fosfato (1,5 ATP/NADH)

CITOSSOL

MATRIZ

H+ + NADH Via glicolítica

FAD FADH2

Diidroxicetona-fosfatoGlicerol-3-fosfato

Fe2+-S Fe3+-S

NAD+

Glicerol-3-fosfato desidrogenase

Flavoproteína desidrogenase

CoQ CoQH2

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

CTE e fosforilação oxidativaCTE e fosforilação oxidativa

Visão geralVisão geral

e–

e–

½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+

FADH2

+ + + + + + + + +

– – – – – – – – – –

H+

H+

ADP + Pi ATP

4H+

2H+ 2H+ 2H+

4H+ 2H+

Matriz mitocondrial

Espaço intermembrana

Membrana interna

I

II III IVCoQ

c

2H+

Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons

Componetes da CTE e respectivos grupos prostéticosComponetes da CTE e respectivos grupos prostéticos• Complexo I (NADH-CoQ redutase)

• Complexo II (Succinato-CoQ redutase)

- FMN- 6 ou 7 centros FeS

- FAD- 3 centros FeS- Citocromo b560

• Complexo III (CoQ-citocromo c redutase)- Citocromos b (bH e bL) e c1

- Centro Fe-S (centro de Rieske)

• Complexo IV (Citocromo c oxidase)- Citocromos a e a3

- Íons cobre

• Coenzima Q (CoQ) ou ubiquinona componente não protéico

• Citocromo c

O2

ee––

ee––


Centros Ferro-EnxofreCentros Ferro-Enxofre

• Grupo prostético de proteínas ferro-enxofre

Centros de Rieske = 2 His (> pot. redução)


Complexo I (NADH desidrogenase)Complexo I (NADH desidrogenase)

NADHH NAD+

HH++

CoQ (ox)

FMNH2

FMN

FeS (red)

FeS (ox)

2H2H++

CoQH2 (red)

2H2H++

2e2e––Matriz mitocondrial


Membrana interna

2H2H++

2H2H++

NADH + Q + 5H+matriz

NAD+ + QH2 + 4H+citoplasma


Complexo IIComplexo II

Succinato Fumarato2H2H++

CoQ (ox)

FADH2

FAD

FeS (red)FeS (ox)

CoQH2 (red)

2H2H++Matriz

mitocondrial


cit b560

2e2e––


Coenzima QCoenzima Q

H+ + e– H+ + e–


CitocromosCitocromosProteínas com atividade redoxNão ocorre em alguns anaeróbicos obrigatóriosGrupos heme


Complexo IIIComplexo III

QH2

Matriz mitocondrial


Citocromo c (red)

FeS (ox)

Citocromo c (ox)

FeS (red)

cit c1 (ox)cit c1 (red)

cit bL (ox)

cit bL (red)

cit bH (ox)

cit bH (red)

e–

2 e–

HH++

HH++

Centro de Rieske [2Fe-2S]

Ciclo QCiclo Q

Ciclo QCiclo Q

Citocromo cQH2

H+

cit b

e– e–

H+

Fe-S cit c1

QH●

Q

QH●

H+

e–

Citocromo cQH2

H+

cit b

e– e–Fe-S cit c1

QH●

Q

QH●

H+

e–

H+

e–

e–

e–

e–


matriz

Espaço intermembranas

Espaço intermembranas

matriz

III

III

1

2


Complexo IIIComplexo III

Qpool

Matriz mitocondrial


2 Citocromo

c (red)

FeS (ox)

2 Citocromo

c (ox)

FeS (red)

cit c1 (ox)cit c1 (red)

cit bL (ox)

cit bL (red)

cit bH (ox)

cit bH (red)

e–

2 e–

2H2H++

4H4H++

QH2 + 2 cit c (ox) + 2H+matriz Q + 2 cit c (red) + 4H+

citoplasma

2e2e––


Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)

Matriz mitocondrial


2 Citocromo

c (red)

2 Citocromo

c (ox)

centro CuA

heme a

2 cit c (red) + 4H+matriz + ½O2 2 cit c (ox) + H2O + 2H+

citoplasma

2H2H++

2H2H++

½O2 H2O

heme a3 - CuB

2H2H++

2e–

2e–

2e–


Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)

heme a3 CuB

Tyr


ResumoResumo

e–

e–

½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+

FADH2

+ + + + + + +

– – – – – – – –

4H+

2H+ 2H+ 2H+

4H+ 2H+

I

II III IVCoQ

c

2H+

Gradiente eletroquímico = força próton-motriz

Matriz mitocondrial


Δψ ~ 0,1-0,2V

ΔpH ~ 0,75

síntese de ATP

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa

Retorno dos HRetorno dos H++ p/ matriz = p/ matriz = ATP sintaseATP sintase

H+

H+

H+

H+H+

H+

H+

H+

H+

H+H+ H+ H+H+H+

H+H+

+ + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++

– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –ATP sintase

ADP + Pi ATP

H+


A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)

citoplasma

matriz

Fo

F1


A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)Mecanismo de síntese de ATP

1 volta Fo = 3 ATP

β

ββ

3H+citoplasma Fo (giro) 3H+

matriz


Rendimento da oxidação da glicoseRendimento da oxidação da glicose

3 H+ 1 ATP (ATP sintase)1 H+ transporte de Pi, ADP e ATP pela membrana mitocondiral

4 H+ = síntese 1 ATP

NADHmitocondrial 10 H+ 1 NADH = 10/4 ATP = 2,5 ATP (ou 3?)

FADH2 6 H+ 1 NADH FADH2 = 6/4 ATP = 1,5 ATP (ou 2?)

NADHcitossol (Lançadeira mal.-asp.) 9 H+ 1 NADH = 9/4 ATP ~ 2,3 ATP

NADHcitossol (Lançadeira glic.-fosf.) 6 H+ 1 NADH = 6/4 ATP = 1,5 ATP

Razão P/O:Razão P/O:


Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)

Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 6 ou 4 ATP

Piruvato acetil-CoA 2NADH 6 ATP

Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 6 ATP

α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 6 ATP

Succinato fumarato 2FADH2 4 ATP

Malato oxalacetato 2NADH 6 ATP

Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 36 ou 38 ATP

1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP

Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP


Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)

Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 4,6 ou 3 ATP

Piruvato acetil-CoA 2NADH 5 ATP

Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 5 ATP

α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 5 ATP

Succinato fumarato 2FADH2 3 ATP

Malato oxalacetato 2NADH 5 ATP

Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 31,6 ou 30 ATP

1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP

Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

Controle da produção de ATPControle da produção de ATP

• CTE esta acoplada à fosforilação oxidativa

- e– não fluem pela CTE sem concomitante ação ATP-sintase

• Reação da citocromo c oxidase (COX) é irreversível

- Ponto de controle da fosforilação oxidativa

- ↑[NADH]/[NAD+] ou ↓[ATP]/[ADP][Pi] = ↑COX

Mantida elevada pela combinação da glicólise e ciclo de Krebs

Inibidores (interferência sobre fluxo Inibidores (interferência sobre fluxo ee––))

Controle da produção de ATPControle da produção de ATP

Desacopladores (interferência sobre fluxo HDesacopladores (interferência sobre fluxo H++))

• Algumas drogas (inibidores dos complexos) podem bloquear a transferência e–

• Inibição síntese ATP potencialmente letais- Rotenona (inseticida) complexo I- CN–, CO, H2S, azida (Na) complexo IV

• Dissociam (desacoplam) transporte de e– da fosforilação oxidativa

• Transporte de e– sem síntese de ATP• Impede gradiente H+ energia dissipada na forma de calor

- 2,4-dinitrofenol (DNF) e carbonilcianeto-p-trifluorometoxifenil-hidrazona (FCCP)

- Proteina desacopladora ou termogenina (UCP) no tecido adiposo marrom

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

CTE em bactériasCTE em bactérias

• Princípios gerais equivalentes aos apresentados

• Fornecedores de elétrons (além das coenzimas reduzidas):

• Aceptor final de elétrons (respiração anaeróbica):

- NH4+

- NO2–

- H2S- H2

- S- Fe

- NO2–

- NO3–

- SO42–

- CO32–

- Fumarato e outras moléculas orgânicas

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

ConclusãoConclusão

Cadeia transportadora de elétrons• Regenera cofatores oxidados (NAD+ ou FAD) e os elétrons resultantes são transferidos a H2O via 3 ou 4 complexos;

• Concomitante formação de força próton-motriz (Δψ e ΔpH);• NADH = 10H+ e FADH2 = 6H+.

Fosforilação oxidativa• Força próton-motriz é utilizada para síntese de ATP;• 1NADH = 2,5ATP; 1FADH2 = 1,5ATP;

• velocidade é influenciada pela necessidade de ATP.

PRÓXIMA AULA:PRÓXIMA AULA: Glicogênese e glicogenólise

SumSumááriorio

• Introdução






• Conclusão

• Exercícios

Exercícios Exercícios

1. Estudar membranas biológicas e transporte2. Espécies reativas de oxigênio (ROS)

a) Explicar como espécies reativas de oxigênio (ROS) podem ser formadas na CTE?

b) Qual a implicação dos ROS para a saúde humana?c) Quais são as estratégias celulares contra o dano

oxidativo causado por ROS?

3. Como os seguintes compostos interferem na CTE e fosforilação oxidativa?a) Cianetob) Monóxido de carbonoc) Proteína desacopladora (UCP) na gordura marrom

BibliografiaBibliografia

1. Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L. Bioquímica. 6a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.

2. Nelson, DL; Cox, MM. Lehninger - Princípios de bioquímica. Traduzido por Simões, A. A.; Lodi, W. R. N. 3ª ed. São Paulo: Sarvier, 2002.

3. Marzzoco, A; Torres, BB. Bioquímica básica. 2a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999.

4. Salway, J.G. Metabolismo passo a passo. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2009.

5. Voet, D; Voet, JG. Bioquímica. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.

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