Cadeia Respiratória

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.


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)


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

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