fosforilação oxidativa Prof Fabio

Prévia do material em texto

Ciclo do ácido cítrico e a 
fosforilação oxidativa 
Fabio Cordeiro 
Células e 
organismos 
necessitam realizar 
trabalho para: a 
manutenção da 
vida, crescimento e 
para sua 
reprodução 
Trabalho químico: síntese dos componente celulares 
Trabalho osmótico: acúmulo e retenção de sais e outros compostos 
contra gradiente de concentração 
Trabalho mecânico: contração muscular e movimentação de flagelos 
Ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa 
BIOENERGÉTICA 
Bioenergética descreve como os organismos vivos 
capturam, transformam e usam energia 
Todos os organismos 
vivos derivam sua 
energia direta ou 
indiretamente da 
energia radiante da 
luz solar 
Os organismos vivos 
são interdependentes, 
trocando energia e 
matéria através do 
meio ambiente 
Macromoléculas 
celulares 
Proteínas 
Polissacarídeos 
Lipídeos 
Ácidos nucléicos 
Moléculas 
precursoras 
Aminoácidos 
Açúcares 
Ácidos graxos 
Bases nitrogenadas 
Anabolismo 
 
ATP 
NADH 
NADPH 
FADH2 
 
Nutrientes 
contendo energia 
Açúcares 
Lipídeos 
Proteínas 
Produtos 
finais pobres 
em energia 
CO2 , H2O, NH3 
Catabolismo 
 
ADP + HPO4
2- 
NAD+ 
NADP+ 
FAD 
 
Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo 
Estágio 1 
 
Produção de 
 
Acetil-CoA 
 
Estágio 2 
 
Oxidação de 
 
Acetil-CoA 
 
Estágio 3 
 
Transporte 
de elétrons e 
fosforilação 
oxidativa 
 
Catabolismo 
 
de 
 
proteínas 
 
 
lipídeos 
 
e 
 
carboidratos 
Citosol 
Mitocôndria 
Membrana interna de uma 
única mitocôndria do fígado 
pode ter mais de 10.000 
cadeias respiratórias e ATP 
sintases 
FADH2
A glicólise libera apenas parte da 
energia da molécula de glucose 
Fosforilação Oxidativa 
Ocorre nas mitocôndrias 
Produção de coenzimas reduzidas NADH e 
FADH2 
O2 é o aceptor de elétrons (respiração celular) 
Geração de um gradiente de H+ / síntese de ATP 
 
Ciclo do ácido cítrico 
Disponibilidade de 
substrato, inibição por 
acúmulo de produtos e 
inibição alostérica das 
enzimas são fatores 
regulatórios do ciclo. 
Sinais da contração 
por Ca2+ estimula o 
metabolismo de 
produção de energia 
para substituir o ATP 
consumido pela 
contração muscular. 
 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
Última etapa de produção de energia nos organismos aeróbicos. 
 
 
 
Todos os passos enzimáticos na degradação oxidativa de carboidratos, 
ácidos graxos e aminoácidos em células aeróbicas convergem para este 
estágio final da respiração celular. 
 
 
 
A fosforilação oxidativa envolve a redução do oxigênio (O2) a água (H2O) 
através dos elétrons doados pelo NADH e pelo FADH2 
 
CARREADORES DE ELÉTRONS – NAD+ 
SOLÚVEL 
Vitamina B3 ou Niacina 
Precursor para síntese de NAD+ 
Sintetizada a partir do triptofano 
 
 
Pelagra = Dermatite, Demência e Diarréia. 
 
Muitos casos de pelagra nos EUA até 1915 pelo 
consumo de milho, pobre em triptofano. Ainda 
comum em alcoólatras, que utilizam os 
destilados como fonte de calorias e apresentam 
baixa absorção intestinal de niacina. 
Ligado a proteínas 
Flavoproteínas 
COENZIMA 
CARREADORES DE ELÉTRONS – FAD 
Vitamina B2 ou Riboflavina 
Precursor para síntese de FAD 
Visão geral da fosforilação oxidativa 
Estrutura das mitocôndrias 
Cadeia respiratória – membrana interna 
FADH2 
Gradiente de protóns 
ATP sintase 
Complexo Massa 
(kDa) 
Número de 
subunidades 
Grupos 
prostéticos 
I NADH desidrogenase 850 42 (14) FMN, Fe-S 
II Succinato 
desidrogenase 
140 5 FAD, Fe-S 
III Ubiquinona:citocromo 
c oxidoredutase 
250 11 Hemes, Fe-S 
Citocromo c 13 1 Heme 
IV Citocromo oxidase 160 13 (3-4) Hemes, CuA, CuB 
Complexos protéicos da 
cadeia de transporte de elétrons 
 Ared Aox + e- oxidação 
As formas oxidada e reduzida do composto (Ared / Aox ) constituem um sistema 
chamado par redox. 
Box + e- Bred redução 
 
 Ared + Box Aox + Bred reação de óxido-redução 
 Nas reações de óxido redução biológicas, os eletrons transferidos são geralmente 
acompanhados de prótons ou seja há transferência de átomos de hidrogênio: 
 
AH2 + B A + BH2 
(red) (ox) (ox) ( red) 
 
A tendência do par redox (Ared / Aox ) em perder ou ganhar eletrons é expressa 
pelo seu potencial de óxido-redução, representado por E que depende das espécies 
envolvidas e das concentrações da forma oxidada e reduzidas das espécies. 
 
Reações de óxido-redução 
ComplexoI 
Eº’ = 0,360V 
Gº’ = -69,5 kJ mol-1 
ComplexoIII 
Eº’ = 0,190V 
Gº’ = -36,7 kJ mol-1 
ComplexoIV 
Eº’ = 0,580V 
Gº’ = -112 kJ mol-1 
NADH  NAD+ (-0,315V) 
2H++ ½ O2  H2O (+0,815V) 
CoQ (+0,045V) 
Citocromo c (+0,235V) 
 
 
 
 
 
ComplexoII 
 
 Succinato  FADH2 
 
Fumarato 
(+0, 030V) 
-0,4 
-0,2 
0 
0,2 
0,4 
0,8 
0,6 
E’ 
(V) 
FADH2 
FADH2 
Acoplamento energético em um processo químico 
Se o produto tem menor G do que o reagente: a reação libera 
energia, disponível para realizar trabalho: G = (-) Reação 
exergônica ao contrário: G = (+) Reação endergônica 
Cada composto tem um certo potencial energético (G: energia livre) 
que depende do tipo e do número de ligações em sua molécula 
FADH2 
Para cada NADH oxidado – 10 H+ são 
transportados 
Para cada FADH2 oxidado – 6 H
+ são 
transportados 
Complexo I – NADH para ubiquinona: NADH desidrogenase. 
 
Dois elétrons passam do NADH até UQ (ubiquinona) gerando UQH2 
 
UQH2 difunde na membrana do complexo I ao complexo III, onde ele é oxidado a UQ. 
 
O fluxo de elétrons: complexo I  UQ é acompanhado pelo movimento de H+ 
COMPLEXOS ENZIMÁTICOS 
Complexo II – succinato para ubiquinona: 
 
Succinato desidrogenase, única enzima do ciclo do ácido cítrico ancorada a 
membrana mitocondrial interna 
 
Catalisa a conversão do succinato a fumarato, produzindo um FADH2. 
 
Elétrons do FADH2 são transferidos para UQ gerando UQH2 
 
FADH2 
Não há transporte de H+ 
Complexo III – ubiquinona para o citocromo c 
 
 Ubiquinona-Citocromo c oxidoredutase. 
Acopla a transferência de elétrons da UQH2 para Citocromo C com transporte de H
+ 
Citocromo c é uma proteína solúvel do espaço intermembranoso que transfere 
elétrons ao complexo IV. 
FADH2 
Complexo IV – do citocromo c para o O2 
Citocromo oxidase – última etapa da cadeia respiratória 
 
• A transferência de elétrons por meio do complexo IV ocorre do citrocromo c para o 
centros de cobre do complexo e finalmente para o O2 
FADH2 
A energia da transferência de elétrons é conservada no 
gradiente de H+ através da membrana mitocondrial interna 
Para cada NADH oxidado 10 H+ transportados 
FADH2 
Para cada FADH2 oxidado 6 H
+ transportados 
1961 
Prêmio Nobel química - 1978 
Força próton motiva 
Visão geral da fosforilação oxidativa 
Estrutura das mitocôndrias 
Cadeia respiratória – membrana interna 
FADH2 
Gradiente de protóns 
ATP sintase 
NADH 
NAD+ 
4H+ 
Succinato Fumarato 
4H+ 
½ O2 H2O 
2H+ 
NADH 
NAD+ 
4H+ 
Succinato Fumarato 
4H+ 
½ O2 H2O 
2H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
3H+ 
ADP + Pi 
ATP 
Potencial 
químico 
pH 
( alcalinointerior) 
Síntese de ATP 
dirigida pela 
força próton- 
motriz 
Potencial 
elétrico 
 
( negativo interior) 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 
A enzima ATP sintase produz ATP utilizando o 
gradiente de prótons 
H+ 
ATP sintase - A porção Fo é um canal 
para H+ e a porção F1 sintetiza o ATP 
Cada 4H+ transportados 1 ATP sintetizado 
Cada NADH – NAD+ 
Transporte de 10H+, ou seja, 2,5 ATP 
Cada FADH2 – FAD 
Transporte de 6H+, ou seja, 1,5 ATP 
A fosforilação oxidativa depende de O2 
FADH2
Em condições anaeróbicas degradação de glucose termina em lactato = 2 ATP 
Contração muscular vigorosa 
Músculo 
funciona 
em hipóxia 
NADH não pode ser 
reoxidado a NAD+ que 
é requerido como 
aceptor de elétrons para 
a oxidação do piruvato 
a acetil-CoA 
Oxigênio não pode 
ser carregado ao 
músculo rápido o 
bastante para oxidar 
piruvato 
Respiração 
intensa, 
recuperação 
do O2 
VO2 máx: máximo consumo de O2 , máx captação de O2, pico da captação 
de O2 , capacidade aeróbica 
Músculo em 
contração 
Demanda por 
ATP 
Consumo de O2 
Bilhões de células de todo o corpo consumindo oxigênio e gerando CO2 pode ser medida 
pela respiração, usando equipamentos que medem o volume e a presença de oxigênio 
 
Absoluto= (l/min). Relativo= (ml/kg/min) 
Moléculas desacopladoras 
H+ 
Permitem a transferência de elétrons através da cadeia respiratória sem 
síntese de ATP. 
Podem carregar H+ através da membrana, dissipando o gradiente de H+. 
Desacopladores: ácido – base hidrofóbicos 
Desacopladores não bloqueiam a passagem do próton (cadeia de transporte de 
elétron não é alterada), apenas a síntese de ATP 
Ex) DNP 
Dinitrofenol 
Inibidores da Cadeia de transporte de elétrons 
Complexo I – Rotenona (inseticida), Barbitúricos 
 (hipnóticos, Amital) 
Complexo II - Malonato 
Complexo III – Antimicina A 
Complexo IV – Cianeto, Monóxido de Carbono e Azida 
 sódica 
Estes compostos param o funcionamento da cadeia, não há síntese de 
ATP e são potencialmente letais 
Compostos Uso Efeito na fosforilação oxidativa 
Cianeto 
Monóxido de carbono 
Venenos 
Inibe a cadeia de transporte 
electrónico ao ligar o oxigénio com 
maior afinidade que o centro Fe–
Cu do citocromo c oxidase, 
evitando a redução do 
dioxigénio.[91] 
Oligomicina Antibiótico 
Inibe a ATP sintase ao bloquear o 
fluxo de protões através da 
subunidade FO.
[90] 
CCCP 
2,4-Dinitrofenol 
Venenos 
Ionóforos que perturbam o 
gradiente de protões ao transportar 
protons através da membrana 
mitocondrial interna, desacoplando 
então o bombeamento de protões 
da síntese de ATP.[92] 
Rotenona Pesticida 
Evita a transferência de electrons 
do complexo I para a ubiquinona 
ao bloquear o local de ligação da 
ubiquinona.[93] 
Inibidores da Cadeia de transporte de elétrons 
Mas a toxicidade do cianeto é maioritariamente devida à ligação reversível ao ferro no 
estado férrico (Fe3+) do citocromo oxidase mitocondrial (citocromo a-a3) da cadeia 
transportadora de electrons. O citocromo a-a3 medeia a transferência de electrons para 
o oxigénio molecular, o último passo da fosforilação oxidativa. Ao bloquear esta 
enzima, a célula é incapaz de utilizar o oxigênio, e usa um metabolismo anaeróbio 
reduzindo o piruvato a ácido láctico, o que resulta em anóxia tecidular e no rápido 
desenvolvimento de acidose láctica 
Jim Jones: quando estava para ser preso decidiu se matar 
 e convenceu os seguidores a fazer o mesmo, bebendo cianureto. 
Resultado: 914 cadáveres 
Espécies reativas de oxigênio e cadeia respiratória 
A transferência de 4H+ e 4é para O2 produz H2O 
O2 O2
- H2O2 H2O + OH● H2O 
1e- 1e- +2H+ 1e- + 1H+ 
1e- + 1H+ 
A redução parcial do O2 gera espécies reativas 
de oxigênio ROS 
Superóxido Peróxido de H Radical hidroxila 
A formação destas espécies ocorre principalmente nos complexos I e III 
Danos a várias biomoléculas, efeito acumulativo – envelhecimento, câncer 
Existem várias linhas de defesa naturais: enzimas, vitaminas e carotenóides