TRANSPORTE DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA Professor: Leonardo Araujo de Abreu Professor: Leonardo Araujo de Abreu 14/12/2012 14/12/2012
TRANSPORTE DE ELÉTRONS E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Professor: Leonardo Araujo de AbreuProfessor: Leonardo Araujo de Abreu 14/12/201214/12/2012
1 - Oxi-reduções
Oxi-reduções• A transferência de elétrons tem papel fundamental no metabolismo.• O fluxo de elétrons nas reações de oxi-redução é responsável direta ouindiretamente por todo o trabalho realizado nos seres vivos.• Nos organismos não fotossintéticos a fonte de elétrons são compostos reduzidos(ou relativamente reduzidos), comida.•As oxidações biológicas com frequência envolvem desidrogenações!!!!!!
O fluxo de elétrons é capaz de realizar trabalho se houver um transdutor apropriado no sistema
Os elétrons se movem no circuitopor uma forçaproporcional àdiferença naafinidade porelétrons. Estaforça é a ForçaEletromotriz.
Os elétrons podem ser transferidos de uma molécula para a outra numa das seguintes formas:
1 - Diretamente como elétron
Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu1+
2 - Como átomos de hidrogênio (= 1 próton + 1e-)
AH2 + B A2- + BH2
3 - Como íon hidreto (:H- = 2e-) nas reações de desisrogenação em que NAD+
participa, por exemplo
4 - Por combinação direta do redutor orgânico com o oxigênio
R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH
1 elétron em qualquer uma destas formas corresponde a um EQUIVALENTE REDUTOR!
Os combustíveis biológicos geralmente sofremdesidrogenações/ oxidações catalisadas por enzimas,
perdendo 2 equivalentes redutores de uma vez.
As células têm enzimas para catalisar a oxidação de centenas de diferentes compostos. Passam elétrons de seus substratos para algum dos carreadores universais
de elétrons.
Os carreadores universais de elétrons1 – Nicotinamida (NAD+ ou NADP+)
Transferência de íons hidreto ( :H-)
AH2 + NAD+ A-2 + NADH + H+
NAD+ + 2é + 2 H+ NADH + H+
Obs: Para NADP+ é idem.
• Nicotinamida Adenina Dinucleotídeo (NAD+) e Nicotinamida AdeninaDinucleotídeo Fosfato (NADP+).• Solúveis em água.• Se associam reversivelmente a desidrogenases. •Assim, NADH carreiam os elétrons de suas reações catabólicas para seu pontode entrada na cadeia respiratória.• A maioria das desidrogenases no catabolismo são específicas para NAD+.• Já o NADPH geralmente supre elétrons para as reações anabólicas de síntese.• Nem NADH ou NADPH atravessam a membrana mitocondrial interna. Os elétrons por eles carregados são enviados através da membrana.
Os carreadores universais de elétrons1 – Nicotinamida (NAD+ ou NADP+)
Os carreadores universais de elétrons2 – Flavinas (nas flavoproteínas)
Os carreadores universais de elétrons2 – Flavinas (nas flavoproteínas)
• Flavina adenina dinucleotídeo (FAD) e Flavina Mononucleotídeo (FMN. • Não transferem elétrons difundindo de uma enzima para a outra como o NADH faz. Estão fortemente ligadas às enzimas, sendo portanto, grupamentosprostéticos. O que fazem é prover um meio no qual a flavoproteína é um carreadortransiente dos elétrons durante a catálise, daí a transferência do doador para o aceptor.• Podem aceitar 1 ou 2 elétrons por vez, na forma de hidrogênio. Exemplo, quandocompletamente reduzidos:
FAD + 2é + 2 H+ FADH2
FMN + 2é + 2 H+ FMNH2
• Outra importante característica é a variedade no potencial de redução padrão daflavina, que varia de acordo com a proteína que está associada.
2 – A Cadeia respiratória:2.1- Cadeia de transporte de elétrons
O transporte de elétrons e a fosforilação oxidativapromovem a re-oxidação de NADH e FADH2, e transferem a
energia liberada para a formação de ATP.
A Cadeia Respiratória ocorre na membrana interna da mitocôndria
Carreadores de elétrons na cadeia respiratória, além de NAD+ e das flavoproteínas
1 - CitocromosTipos de heme presentes nos citocromos
• Proteínas com grupamentoprostético heme
• Na mitocôndria há três classes de citocromos: a ( 6oonm), b (~560 nm) e c (~550 nm). Distinção feita de acordocom o maior comprimento de onda em que ocorre o pico de absorção.
Carreadores de elétrons na cadeia respiratória, além de NAD+ e das flavoproteínas
2 – Ubiquinona, ou coenzima Q• Lipossolúvel (hidrofóbica)
•Aceita elétrons como Hidrogênio (1 próton + 1 elétron)
• Assim como as flavoproteinas, pode receberelétrons de dois doadores diferentes e passá-los para o um único aceptor de elétrons(integra)
• Por ser pequena e hidrofóbica difunde-se livremente na bicamada lipídica damembrana interna mitocondrial.
• Importantíssima no acoplamento do fluxode elétrons ao movimento de prótons, já queaceitando hidrogênio carreia tanto prótonsquanto elétrons)
Carreadores de elétrons na cadeia respiratória, além de NAD+ e das flavoproteínas
3 – Proteínas ferro-enxofre
• Ferro associado com átomos de enxofre na forma inorgânica e/ou de resíduos de Cys
• Reações de transferência de 1 elétron, nas quais um dos átomos de ferro é oxidado oureduzido (Fe+3 + e- → Fe+2)
• O potencial de redução destas proteínas varia dependendo do microambiente naproteína
• Há também uma variação em que os átomos de ferro estao ligados a resíduos de Histidina ao invés de Cisteína - “Rieske iron-sulfur protein”.
Como saber a ordem dos cerreadores????
Como saber a ordem dos carreadores?1 - Medindo potencial de redução
Os elétrons fluem do menor para o maior potencial de redução.
Como saber a ordem dos carreadores?2 – Efeito de inibidores específicos no estado de oxidação de cada carreador
Os carreadores de elétrons funcionam em complexos
multienzimáticos...Há fluxo de elétrons entre estes complexos e
bombeamento de prótons (para o espaço intermembranar)
Acoplado.
Carreadores funcionam em complexos Multi-enzimáticos
-Complexos supramoleculares inseridos na membrana
-Podem ser fisicamente separados
-Tratamento da membrana interna mitocondrial com detergentes:
resolução de 4 complexos carreadores.
Componentes proteicos da CTE
Os elétrons fluem do menor para o maior potencial de redução
Complexo I – NADH Desidrogenase ou NADH:ubiquinona oxirredutase
Complexo I – NADH Desidrogenase ou NADH:ubiquinona oxirredutase
Catalisa dois processos simultâneos e acoplados:1 – Transferência exergônica dos hidretosentregues pelos NADH para a ubiquinona(Coenzima Q).2 – Transferência endergônica de 4 prótonspara o espaço entre membranas damitocôndria.
Complexo I é uma bomba de prótons cujaenergia vem da transferência de elétrons. A reação catalisada é vetorial (move os H+ para umadireção específica)
Grupos redoxFMN/FMNH2Centros Fe-S
As reações de oxido-redução liberam energia necessária para o bombeamento de H+ da matriz
para o espaço intermembranar
1º ponto de entrada de e- na CTE
Fluxo de elétrons no complexo II
Complexo II - Succinato desidrogenase
Succinato desidrogenase é a única enzima do CK ligada à membranaOxida succinato a fumarato, e transfere os e- para (reduz) coenzima Q
Outras vias de transferência de elétrons convergem para a Coenzima Q
Metabolismo de triglicerídeos
(TAG)
Degradação de ácidos graxos
Grupos redoxFAD/FADH2
Centros Fe-S
2º ponto de entrada de e- na CTE
Complexo III - Complexo citocromo bc1: Transferência dos elétrons da ubiquinona para
Citocromo C
Grupos redoxCitocromo cCitocromo bCentros Fe-S
Consome 2 H+ da matriz, enquanto 4 H+ são bombeados para o espaço intermembranar
Complexo III - Complexo citocromo bc1O fluxo de elétrons no Complexo III – o Ciclo Q
Complexo IV - Citocromo C Oxidase
Complexo IV - Citocromo C Oxidase
• Passo final da cadeia respiratória. Carreiaelétrons do Citocromo C para o Oxigênio.
• Para cada 4 elétrons passando pelocomplexo, a enzima consome 4 H+ como“substrato” para converter oxigênio à água,.
• Também usa energia da reação redox parabombear um próton para fora por elétronpassado.
Grupos redoxCitocromo a
Cu2+/Cu+
•Transfere os elétrons da CTE para o Oxigênio, formando H2O (consumindo H+ da matriz)•Energia para bombear H+ para o espaço intermembranar
O transporte de elétrons está associado àtransferência de prótons para o espaço
inter-membranas
Gradiente de potencial eletroquímico
•O complexo II daCTE não contribui para a formação do gradiente de H+
Força proton motriz e energia livre
2 – A Cadeia respiratória:2.2- Acoplando o transporte de elétrons
(consumo de oxigênio) e bombeamento de prótons à produção de ATP
Loomis & Lipmann
DNP (dinitrofenol) – é um desacoplador. DNP e FCCP desacopladores - São ácidos fracos com propriedadeshidrofóbicas. Após entrar na matriz mitocondrial na forma protonada, podem liberar prótons e assim dissipar o gradiente.
Acoplamento - transporte de elétrons, bombeamento de prótons, consumo de oxigênio e síntese de ATP
Qual é o mecanismo químico que acopla o fluxo de prótons à produção de ATP?Peter Mitchell: modelo quimiosmótico
Qual é o mecanismo químico que acopla o fluxo de prótons à produção de ATP?Peter Mitchell: modelo quimiosmótico
Energia eletroquímica inerente à diferença na concentração de H+ e separação de cargas através da membrana interna – força proton motriz – provém energia para a síntese de ATP quando os prótons fluem livremente de volta à matriz, desfazendo o gradiente pelo poro associado à ATP sintase.
Usou a palavra quimiosmótico para descrever reações enzimáticas que envolvemsimultaneamente uma reação química e transporte.
Demonstração experimental do acoplamento do fluxo de prótons à produção de ATP na mitocôndria
Cianeto (CN) bloqueia passagem de elétrons da citocromo oxidase para o oxigênio.
Parou consumo de oxigênio e produção de ATP
Demonstração experimental do acoplamento do fluxo de prótons à produção de ATP na mitocôndria
OBS: Ionóforos também agem como desacopladores permitindoa passagem de ions inorgânicos dissipando o componenteelétrico.do gradiente eltroquímico.
Desacopladores (DNP e FCCP)São ácidos fracos com propriedades hidrofóbicas. Após entrar na matrizmitocondrial na forma protonada, podem liberarprótons e assim dissipar o gradiente.
A inibição da passagem de elétrons na cadeiarespiratória (e consumo de oxigênio) bloqueia a síntese
de ATP.
Bloquear a síntese de ATP bloqueia a passagem de elétrons e consumo de oxigênio.
A síntese de ATP
Complexo ATP sintase
Cada subunidade da F1 da ATP sintase pode assumir 3 diferentes conformações
Catálise rotacional é a chave para a alteração na conformação e mecanismo de catálise da ATP sintase
A força proton motriz fornece energia para a síntese de ATP!
A força próton-motriz também fornece energia para o transporte de várias substâncias importantes para a
fosforilação oxidativa
Lançadeiras para enviar equivalentes redutores do NADH citosólico para a matriz mitocondrial
NADH desidrogenase da membrana interna da mitocôndriasó aceita NADH da matriz.Membrana interna é impermeável ao NADH…Como o NADH citosólico gerado na glicólise pode ser re-oxidado e entregar seus elétrons para a cadeiarespiratória?
Lançadeiras para enviar equivalentes redutores do NADH citosólico para a matriz mitocondrial.
1 – Lançadeira Malato-aspartatoFígadoRinsCoração
Lançadeiras para enviar equivalentes redutores do NADH citosólico para a matriz mitocondrial.
2 – Lançadeira de glicerol-3-fosfato
Controle
•Redução parcial do O2 pode gerar radicais livres (espécies reativas de oxigênio)
Saldo de ATP após a oxidação completa da glicose
Desacoplamento e calor