aula de Cadeia de transporte eletrons.1

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Prof. Edivaldo Ximenes/Enzimologia - UnB
Transporte de Elétrons 
e 
Fosforilação Oxidativa
Bioquímica Fundamental
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Três possíveis destinos catabólicos do piruvato formado na glicólise. O piruvato também serve como precursor em muitas reações que não estão mostradas aqui.
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O catabolismo de proteínas, gorduras e carboidratos nos três estágios de respiração celular.
Estágio1: a oxidação dos ácidos graxos, glicose e alguns aminoácidos libera acetil-CoA.
Estágio 2: a oxidação dos grupos acetil por meio do ciclo do ácido cítrico inclui quatro passos, durante os quais ocorre a retirada dos elétrons.
Estágio 3: os elétrons transportados por NADH e FADH2 são introduzidos na cadeia de transportadores de elétrons no interior das mitocôndrias (bactérias os transportadores estão ligados à membrana plasmática), a cadeia respiratória, ao final da qual o O2 é reduzido a H2O.
Esse fluxo de elétrons fornece energia para síntese de ATP.
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A fosforilação oxidativa é a fase final do metabolismo produtor de energia nos organismos aeróbicos.
Todas as etapas enzimáticas da oxidação dos carboidratos, gorduras e aminoácidos nas células aeróbicas, convergem para esta etapa final da respiração celular, onde os elétrons fluem dos substratos intermediários até o O2 produzindo energia (ATP).
Nos eucariotos, a fosforilação ocorre nas mitocôndrias, e envolve a redução de O2 a H2O com elétrons doados pelo NADH + H+ e FADH2.
Introdução
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 Mitocôndrias são organelas que ocorrem em todas células animais e vegetais.
Assumem formas variadas.
Possuem duas membranas:
externa que é facilmente permeável a pequenas moléculas e íons.
interna é impermeável à maioria das pequenas moléculas e íons.
A membrana interna é constituída por uma bicamada lipídica rica em fosfatídeos e rica também em proteínas.
As moléculas que atravessam a membrana interna são aquelas transportadas por translocases.
Ela contém os componentes da cadeia respiratória e o complexo responsável pela síntese do ATP.
Reações de transferência de elétrons na Mitocôndria
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Os transportadores de elétrons da cadeia respiratória estão organizados em complexos supramoleculares embebidos na membrana que podem ser fisicamente separados.
O tratamento brando da membrana mitocondrial interna com detergentes permite a resolução de quatro únicos complexos transportadores de elétrons, cada um capaz de catalisar a transferência de elétrons através de uma parte da cadeia.
Os complexos I e II catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona a partir de dois doadores de elétrons diferentes: o NADH (complexo I) e o succinato (complexo II).
O complexo III transporta elétrons da ubiquinona até o citocromo c, e o complexo IV completa a seqüência transferindo elétrons do citocromo c para o O2.
Os transportadores de elétrons funcionam em complexos multienzimáticos
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Componentes protéicos da cadeia de transferência de elétrons da mitocôndria
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Complexo I: NADH até ubiquinona
Via dos elétrons do NADH, succinato, acil-CoA graxo e glicerol-3-fosfato até a ubiquinona.
Elétrons do NADH passam para uma flavoproteína e uma série de proteínas ferro-enxofre (no complexo I) e depois vão para Q
Os elétrons do succinato passam por uma flavoproteína e vários centros Fe-S (no complexo II) em seu caminho para Q.
O glicerol-3-fosfato doa elétrons para uma flavoproteína (glicerol-3-fosfato desidrogenase) na superfície externa da membrana mitocondrial interna, da qual eles passaram para Q.
A acil-CoA desidrogenase (a primeira enzima na -oxidação) transfere os elétrons para a flavoproteína transferidora de elétrons (FTE).
A partir daí, os elétrons passam para Q via FTE-ubiquinona oxidorredutase.
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NADH: Ubiquinona oxidorredutase (Complexo I)
O complexo I catalisa a transferência de um íon hidreto do NADH para o FMN, do qual dois elétrons passam através de uma série de centros Fe-S para a proteína ferro-enxofre N-2 no braço da matriz do complexo.
A transferência de elétrons da N-2 para a ubiquinona o braço da membrana forma QH2, que difunde para a bicamada lípidica. 
Ela também dirige a expulsão de quatro prótons por par de elétrons, da matriz.
O mecanismo detalhado que acopla a transferência de elétrons e prótons no complexo I ainda não é conhecido, mas, provavelmente, envolve um ciclo Q similar àquele no complexo III em que QH2 participa duas vezes por par de elétron.
Esse fluxo de prótons produz um potencial eletroquímico através da membrana mitocondrial interna (lado negativo N, lado P positivo), que conserva alguma energia liberada pelas reações de transferência de prótons.
Esse potencial eletroquímico dirige a síntese de ATP.
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Ubiquinona (Coenzima Q)
É uma benzoquinona lipossolúvel que apresenta uma longa cadeia lateral isoprenóide.
A plastoquinona (encontrada nos cloroplastos das plantas) e a menaquinona (encontrada nas bactérias) são compostos muito parecidos e desempenham papéis análogos ao da ubiquinona, transportando elétrons por cadeias de transferência de elétrons associadas à membrana.
A redução completa da ubiquinona requer dois elétrons e dois prótons e ocorre em das etapas por meio de um intermediário radical semiquinona.
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Alguns agentes que interferem com a fosforilação oxidativa e a fotofosforilação
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 O complexo II chamada de succinato desidrogenase, encontrada no ciclo de Krebs, é a única enzima ligada à membrana.
 Embora menor e mais simples que o complexo I ele contém dois tipos de grupos prostéticos e, pelo menos, 4 proteínas diferentes.
Uma proteína possui um FAD ligado covalentemente e um centro Fe-S com quatro átomos de Fe; uma segunda proteína ferro-enxofre também está presente.
 Os elétrons passam do succinato para o FAD e então, através dos centros Fe-S, para a ubiquinona.
Outros substratos para as desidrogenases mitocondriais também passam elétrons para a cadeia respiratória no nível da ubiquinona, mas não por meio do complexo II.
Complexo II: succinato até ubiquinona
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6) Oxidação do succinato a fumarato
A enzima catalisa a remoção de 2 átomos de H do ácido succínico formando o ácido fumárico.
O FAD é o grupo prostético da enzima e apresenta também Fe2+ como ativador metálico.
A enzima é inibida competitivamente pelo malonato, que possui estrutura semelhante ao succinato.
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 Conhecido como complexo dos citocromos bc1 ou ubiquinona-citocromo c oxidorredutase, que acopla a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte de prótons da matriz para o espaço intermembranoso.
 O citocromo c é uma proteína solúvel do espaço intermembranoso. Após o seu único heme aceitar um elétron do complexo III, o citocromo c se move em direção ao complexo IV para doar o elétron para um centro de cobre binuclear nessa enzima
Complexo III: ubiquinona até citocromo c
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Citocromos:
São proteínas conjugadas transportadoras de elétrons que apresentam uma porfirina ligada ao átomo de ferro como grupo prostético.
Os citocromos atuam seqüencialmente, transferindo elétrons da CoQH2 para o oxigênio molecular. 
Já foram identificados 5 tipos de citocromos que foram denominados como: b, c1, c, a, a3
São capazes de oxidarem-se e reduzirem-se alternadamente.
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 Passo final da cadeia respiratória (citocromo oxidase), transporta dois elétrons do citocromo c para o oxigênio molecular, reduzindo-o a H2O.
 O complexo IV é uma proteína grande (13 subunidades) da membrana mitocondrial interna.
As bactérias apresentam uma forma mais simples, com somente 3 ou 4 subunidades, mas ainda capaz de catalisar tanto a transferência de elétrons como o bombeamento de protóns.
A transferência de elétrons por meio do complexo IV ocorre do citocromo c para o centro CuA, do heme a para o heme a3-centro CuB e finalmente, para o O2.
 Para cada 4 elétrons que passam através desse complexo, a enzima consome 4 “substratos” H+ da matriz (lado N) convertendo o O2 em H2O.
Complexo IV: citocromo c até O2
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 A enzima
também usa a energia dessa reação redox para bombear um próton para o espaço intermebranoso (lado P) para cada elétron transportado, aumentando o potencial eletroquímico produzido pelo transporte de prótons, induzido pelas reações redox, através dos complexos I e III.
A reação global catalisada pelo complexo IV é:
4 cit c (reduzido) + 8H+N + O2  4 cit c(oxidado) + 4 H+P + 2H2O 
Esta redução de 4 elétrons do O2 envolve centros redox que transportam apenas um elétron de cada vez e ela deve ocorrer sem gerar intermediários incompletamente reduzidos, tais como o peróxido de hidrogênio ou os radicais hidroxila livres, que são espécies muito reativas que podem danificar os componentes celulares.
Os intermediários permanecem firmemente ligados ao complexo até serem completamente convertidos em água.
Complexo IV: citocromo c até O2
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Resumo do fluxo de elétrons e prótons por meio dos 4 complexos da cadeia respiratória.
Os elétrons alcançam Q por meio dos complexos I e II. QH2 funciona como um transportador móvel de elétrons e prótons.
QH2 transfere elétrons para o complexo III, que os transfere para uma outra conexão móvel, o citocromo c. 
O complexo IV transfere então os elétrons do citocromo c reduzido para o O2.
O fluxo de elétrons por meio dos complexos I, III e IV é acompanhado por um fluxo de prótons da matriz para o espaço intermembranoso.
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Potencial de redução padrão
Espera-se que os carregadores funcionem em ordem crescente do potencial de redução, uma vez que os elétrons fluem espontaneamente dos carregadores de menor E’º para carregadores com E’º maiores.
A ordem dos carregadores deduzida experimentalmente:
NADH  Q  citocromo b  citocromo c1  citocromo c  citocromo a  citocromo a3  O2.
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 Considerando o mecanismo químico que acopla o fluxo de elétrons com a fosforilação.
 O modelo quimiosmótico proposto por Peter Mitchell é o paradigma para esse mecanismo.
 De acordo com o modelo a energia eletroquimica inerente da diferença na concentração de prótons e da separação da cargas através da membrana mitocondrial interna, a força próton motriz, dirige a síntese de ATP à medida que os prótons fluem passivamente de volta para a matriz através do poro de prótons associado à ATP sintase.
Para enfatizar esse papel crucial da força próton motriz, a equação da síntese do ATP é dada por:
ADP + Pi + nH+p  ATP + H2O + nH+N
A síntese de ATP
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Modelo quimiosmótico
Os elétrons do NADH e outros substratos oxidáveis passam através de carregadores arranjados simetricamente na membrana interna.
O fluxo de elétrons é acompanhado por uma transferência de prótons através da membrana produzindo um gradiente químico (pH) e um gradiente elétrico ( )
A membrana interna da mitocôndria é impermeável aos prótons e eles podem voltar a matriz somente através de canais específicos para prótons (F0).
A força próton motriz que direciona os prótons de volta para a matriz propícia a energia para a síntese de ATP que é catalisada pelo complexo F1 associado F0.
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 A NADH desidrogenase da membrana mitocondrial interna das células animais pode aceitar elétrons apenas do NADH na matriz.
Sabendo que a membrana interna não é permeável ao NADH , como o NADH gerado na glicólise, no citoplasma, pode ser reoxidado a NAD+ pelo O2 via cadeia respiratória?
 Sistemas especiais de lançadeiras transportam os equivalentes redutores do NADH citosólico para dentro da mitocôndria por uma via indireta.
A lançadeira de NADH mais ativa, que funciona nas mitocôndrias do fígado, do rim e do coração é a lançadeira malato-aspartato.
Com esta lançadeira são produzidos 2,5 ATP mitocondriais para cada NADH citossólico.
Sistemas de lançadeiras são requeridos para a oxidação mitocondrial do NADH citosólico
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A lançadeira malato-aspartato
Essa lançadeira para transportar equivalentes redutores do NADH citossólico para a matriz mitocondrial é usada no fígado, rins e no coração.
 (1) O NADH citossólico (espaço intermembranoso) cede dois equivalentes redutores para o oxaloacetato, produzindo malato.
 (2) O malato é transportado através da membrana interna pelo transportador malato--cetoglutarato.
 (3) Na matriz, o malato cede dois equivalentes redutores ao NAD+ e o NADH resultante é oxidado pela cadeia respiratória.
O oxaloacetato formado a partir do malato não pode passar diretamente para o citosol.
Ele primeiramente é tansaminado a aspartato (4), que passa para o citosol por meio do transportador glutamato-aspartato (5).
O oxaloacetato é regenerado no citosol (6), completando o ciclo. 
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 O músculo esquelético e o cérebro utilizam uma lançadeira de NADH diferente, lançadeira do glicerol-3-fosfato.
 Ela difere da lançadeira malato-aspartato pelo fato de cede os equivalentes redutores do NADH (via ubiquinona) para o complexo III e não o I, fornecendo, assim, energia suficiente para sintetizar apenas 1,5 molécula de ATP para cada par de elétrons.
Sistemas de lançadeiras são requeridos para a oxidação mitocondrial do NADH citosólico
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A lançadeira glicerol-3-fosfato
Esse meio alternativo de deslocar equivalentes redutores do citosol para a matriz mitocondrial opera no músculo esquelético e no cérebro.
No citosol, a diidroxiacetona fosfato aceita dois equivalentes redutores do NADH em uma reação catalisada pela glicerol-3-fosfato desidrogenase citosólica.
Uma isoenzima da glicerol-3-fosfato desidrogenase, ligada à superfície externa da membrana interna, transfere dois equivalentes redutores do glicerol-3-fosfato localizado no espaço intermembranoso até ubiquinona.
Observe que esta lançadeira não envolve sistema de transporte através da membrana.
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Produção de ATP a partir da oxidação completa da Glicose
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Summary of ATP Production
Figure 24.11
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ATP é sintetizado a partir de ADP + Pi e energia.
O ATP sintetizado na mitocôndria é disponível para toda a célula.
O ATP sintetizado em 3 locais na cadeia respiratória.
 2,5 moles de ATP podem ser produzidos pela passagem de elétrons do NADH + H+ até o oxigênio mas apenas 1,5 moles podem ser produzidos pela passagem de elétrons do FADH2 até o oxigênio.
A cadeia respiratória pode ser inibida.
Produção total de ATP por glicose 30 ou 32 – dependendo do sistema de lançadeira (fígado ou cérebro, por exemplo) 
Conclusões sobre a cadeia respiratória
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