Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa

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Cadeia Transportadora de Elétrons
e
Fosforilação Oxidativa
Alexandre Havt
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Objetivos
Demonstrar como o transporte de elétrons na membrana mitocondrial gera força próton-motriz para a síntese de ATP
Interrelacionar patologias associadas ao mecanismo de transporte de elétrons e síntese de ATP
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Obtenção de Energia
Quimiotróficos
Nutrientes oxidados
Perda de prótons (H+) e elétrons (e-)
Átomos de carbono convertidos em CO2
Coenzimas reduzidas
Redução de Oxigênio em H2O
Quimiolitotróficos (compostos inorgânicos)
Quimiorganotróficos (compostos orgânicos)
Obtenção de energia por oxidação de compostos do meio
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Obtenção de Energia
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Fontes de ATP
Metabolismo anaeróbio de nutrientes
Aláctico
Fosfocreatina quinase - ATP
Láctico
Glicose – Piruvato – Lactato
Metabolismo aeróbio de nutrientes
Ciclo do ácido cítrico
Cadeia transportadora de elétrons
Fosforilação oxidativa
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Metabolismo Aeróbio
Mitocôndria
Membrana dupla
Externa - superfície lisa
Espaço intermembranar
Interna – cristas
Enzimas de oxidação
Matriz
DNA mitocondrial
Ribossomos
Absorção de bactérias aeróbias
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Oxidação da Glicose
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Oxidação de Coenzimas
Energia conservada nas coenzimas reduzidas
Oxidação
Possam participar novamente das vias catabólicas
Energia conservada é usada para:
Síntese de ATP
Redução do O2 em H2O
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Oxidação de Coenzimas
Compare as variações de energia livre padrão:
Transferência de 2 elétrons de NADH para o O2
Go’ = - 220 kJ.mol-1 ([ ] dos produtos > [ ] dos reagentes)
Síntese de ATP
Go’ = + 31 kJ.mol-1 ([ ] dos produtos < [ ] dos reagentes)
“Se a transferência de elétrons das coenzimas reduzidas fosse feita diretamente para o O2 toda a energia seria liberada na forma de calor”
Estratégia celular para síntese de ATP
Energia da transferência de elétrons para gerar gradiente de prótons
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Cadeia Transportadora de Elétrons
Ocorre na membrana interna da mitocôndria
Quatro complexos enzimáticos
I – NADH-CoQ redutase (FMN / centros Fe-S)
II – Succinato-CoQ redutase (FAD / Centros Fe-S / Citocromo b)
III – CoQ-citocromo c redutase (Citocromos b e c1 / Centros Fe-S)
IV – Cicromo c oxidase (Citocromos a e a3 / Íons de cobre)
2 transportadores de elétrons
Coenzima Q (CoQ) – ubiquinona (não protéico)
Conecta complexos I e II ao III
Citocromo c
Conecta complexo III ao IV
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Cadeia Transportadora de Elétrons
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Complexo I (NADH-CoQ redutase)
Formado por ≥ 34 subunidades polipeptídicas
Grupos prostéticos
Flavina mononucleotídeo (FMN)
Capaz de receber 2 prótons e 2 elétrons
Reduzido a forma FMNH2 por NADH
6 ou 7 centros Ferro – Enxofre
Capazes de transportar elétrons
Fe+3 para Fe+2
matriz
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Complexo I (NADH-CoQ redutase)
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Complexo II (Succinato-CoQ redutase)
Succinato desidrogenase
Enzima da membrana interna mitocondrial
Ciclo do ácido cítrico
Succinato oxidado à Fumarato
Redução de FAD (grupo prostético) à FADH2
Transporte de 2 prótons e 2 elétrons 
Centros Fe-S e citocromo b560
Transporte de elétrons
Prótons não são bombeados para o citossol
Não há contribuição para a formação de gradiente de prótons
Eo’ e Go’ Succinato – CoQ seja pequeno
Complexo II não atinja parte externa da membrana interna
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Complexo II (Succinato-CoQ redutase)
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Coenzima Q ou ubiquinona
Quinona
Cadeia Lateral
Unidades isoprênicas
Molécula hidrofóbica
Mobilidade na membrana
2 Prótons e 2 elétrons
Forma reduzida 
Ubiquinol - QH2
Forma semireduzida 
 Semiquinona - QH+
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Fonte de Reduções da CoQ
Recebe elétrons
Complexo I e II
Glicerol 3-fosfato desidrogenase
Transporte de elétrons
Face externa da membrana interna
Grupos prostéticos
FAD
Centro Fe-S
Acil-CoA desidrogenase – metabolismo dos lipídeos
Transporte de elétrons
Matriz
Grupos prostéticos
FAD – 
ETF (Flavoproteína transferidora de elétrons)
ETF-ubiquinona óxido redutase
FAD
Centro Fe-S
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CoQ Como Ponto de Convergência dos Elétrons
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CoQ Como Ponto de Convergência dos Elétrons
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Citocromos
Transportadores de elétrons
Grupo heme (Ferro)
Fe+2 – Fe+3
Membrana interna mitocôndria
Membrana Retículo Endoplasmático
Classificação 
Espectro de absorção
a, b e c
b e c – “heme” igual ao da hemoglobina (grupos vinila e metila)
a – grupo isoprênico e formila
Forma de ligação do heme à proteína
a e b – ligação não covalente
c – covalente (cisteínas) 
Forma de ligação do Ferro à proteína
a e b – 2 resíduos de histidina
c – resíduos de histidina e cisteína 
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Complexo III – CoQ-citocromo c redutase
Componentes do Ciclo Q
Citocromo bL e bH
Centro Fe-S
Citocromo c1
CoQ 
Traz elétrons dos Complexos I e II ao III
Citocromo c
Proteína periférica que transporta elétrons do complexo III para o IV
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Ciclo Q
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Complexo IV – Citocromo c oxidase
Componentes
Citocromo c
3 íons cobre divididos em dois grupos
CuA/CuA
CuB
Forma oxidada – Cu+2 cúprica
Forma reduzida – Cu+ cuprosa
Heme a e a3
Sítio catalítico da enzima 
CuB e citocromo a3 (Fe+3 – Fe+2)
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Complexo IV – Citocromo c oxidase
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Formas Reativas de Oxigênio
Radicais livres
Íons de oxigênio não reduzidos completamente
Superóxido – O2-
Peróxido – O22-
Peróxido de hidrogênio – H2O2
Estratégias de defesa
Enzima Superóxido dismutase
2 O2- + 2 H+ O2 + H2O2
Enzima Catalase
 2 H2O2 O2 + 2 H2O
Mecanismo da Superóxido dismutase
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Doenças relacionadas às ROS
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Gradiente de Prótons
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Fosforilação Oxidativa
Fosforilação do ADP em ATP utilizando a energia liberada pelas reações de óxido-redução da cadeia transportadora de elétrons.
Energia direcionada para criar um contragradiente de prótons
Excesso de H+ fora da matriz mitocondrial
Matriz com carga negativa
Porção intermembrana carga positiva
Membrana interna impermeável a H+
ATP sintase 
Força 
Próton-motriz
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ATP sintase
Componentes
Porção esférica – Fator de acoplamento 1 (F1)
Porção membranal – (Fo)
Síntese do ATP ocorre com o retorno dos prótons à matriz mitocondrial
A cada 3 prótons que retornam um ATP é formado
Mudança na conformação da enzima com a entrada dos prótons
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ATP sintase
Matrix
Intermembrana
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ATP sintase
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ATP sintase
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Controle Respiratório
A velocidade do transporte de elétrons e síntese de ATP são dependentes da [ ] de ADP
Transporte de elétrons está acoplado à síntese de ATP
ADP tem concentrações limitantes
Quanto mais ADP for formado maior a velocidade das reações de catálise e maior produção de ATP	
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Inibidores da CTE
Ausência de oxigênio
Síntese de ATP é interrompida e os elétrons são mantidos na cadeia
Cianeto
Ligação com Fe+3 do heme a3 citocromo c oxidase 
Impede transferência dos elétrons para O2
Fumaça dos incêndios
Alta [ ] – convulsão-coma-morte
Baixas [ ] – tontura-falta de ar-vertigem-perda dos sentidos-cefaléia
Nitroprussiato de sódio
Após Infusões prolongadas é convertido à cianeto
Conversão monitorada com a presença de tiocianato na urina 
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Inibidores da CTE
Cianeto no ar – cianeto de hidrogênio (HCN)
Espacapamento de automóveis / fumantes / pesticidas
Cianeto solo e água – sais de cianeto (NaCN)
Cianoglicosídeos – alimentos (amidalina)
Amêndoas / sementes de frutas (pêssego, ameixa), mandioca, soja, espinafre
Libera HCN dos alimentos por ação de -glicosidades das plantas e bactérias Intestinais
Rodanase do fígado converte à tiocianato
Fármaco Laetrile (amidalina) – antineoplásico banido
Sucos de frutas não descaroçadas – tóxico para bebês e crianças
Mandioca após processamento inadequado
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Desacopladores
Substâncias que impedem a síntese de ATP sem a interrupção da oxidação das coenzimas
Aumento do consumo de oxigênio
Energia das oxidações é dissipada como calor
Substâncias lipofílicas (ionóforos de prótons)
2,4 Dinitrofenol (DNP)
Ácido fraco
Associa-se a prótons e os carreia para a matriz
Bloqueia a formação do gradiente de prótons
Fármaco para perda de peso (morte após uso)
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Desacoplador Endógeno
Proteínas desacopladoras (UCP – uncoupling proteins)
UCP-1 (termogenina)
Função de produção de calor
Tecido adiposo marrom (excesso de mitocôndrias)
Certas regiões de recém-nascidos
Pescoço, mamas, zona escapular,
ao redor dos rins
Animais semi-hibernantes
UCP-2 – maioria das células
UCP-3 – músculo esquelético (obesidade)
UCP-4 e 5 - cérebro 
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Rendimento da Oxidação da Glicose
I) Glicose a 2 piruvatos
II) 2 piruvatos a 2 acetil CoA
III) 2 acetil CoA no ciclo do ácido cítrico
IV) NADH e FADH2 na CTE e FO
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Oxidação do NADH citossólico
Membrana interna mitocondrial impermeável a NAD+ e NADH
Oxidação indireta por lançadeiras
Malato – Aspartato
Especialmente nas células hepáticas, cardíacas e renais 
Permeases – proteínas de transporte da membrana
Glicerol fosfato
Músculo esquelético e cérebro dos mamíferos
Músculo de vôo de insetos
NADH – FADH2
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Lançadeira Malato-Aspartato
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Transaminação
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Lançadeira Glicerol Fosfato
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Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial
Membrana externa permeável
Membrana interna impermeável
Sistemas de transporte
Adenina nucleotídeo translocase (ATP/ADP translocase)
Transfere ATP da matriz por ADP do citossol
Quanto maior [ADP], maior a translocação
Inibidores da ATP/ADP translocase
Atractilosídeo – glicosídeo vegetal
Ácido bongcréquico – antibiótico fúngico que cresce em comida típica à base de coco (bongkrek em indonésio)
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ADP/ATP Translocase ou Adenina-dinucleotídeo translocase
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Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial
Sistemas de transporte
ATP/ADP translocase + Fosfato Translocase
Fosfato adentra a matriz por troca de OH-
Dicarboxilato translocase
Malato, Succinato e Fumarato por fosfato (Pi)
Troca de um dicarboxilato por outro
Tricarboxilato translocase
Troca de citrato ou isocitrato por malato
Piruvato translocase
Troca de piruvato por OH-
Glutamato translocase
Troca de glutamato por aspartato ou OH-
Transporte ativo de Ca+2 uniporte
Translocase Ca+2/ 2Na+
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Proteínas Transportadoras da Membrana Mitocondrial