Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa

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By: Giovanna Mantoani
O sistema transportador de elétrons é formado
por 4 complexos (I, II, III e IV).
- Estão inseridos na membrana interna da
mitocôndria.
O NAD e o FAD reduzidos se reoxidam na
cadeia transportadora de elétrons.
NADH + H (reduzido)
- O NAD reduzido perde elétrons para o
complexo I ➡ Quando o complexo ganha
o elétron ele se reduz e o NAD que
estava reduzido e perdeu o elétron
torna-se oxidado ➡ NAD+ (oxidado)
volta para o ciclo de Krebs para pegar
mais elétrons e se reduzir de novo.
- O elétron do NAD no complexo I dá
energia para que ele bombeie prótons
para a zona intermembrana ➡ O
complexo I é uma bomba de prótons
porque ele acaba tendo a sua
conformação alterada pela chegada do
elétron.
- A coenzima Q (ubiquinona) pega e leva o
elétron do complexo I para o complexo III
➡ Ao pegar o elétron ela se reduz a
ubiquinol (é a ubiquinona/coenzima Q
reduzida) ➡ Faz com que o complexo I,
que perdeu elétron, torne-se oxidado de
novo - a vantagem é de poder receber
novamente mais um NAD reduzido; é
importante ganhar e passar os elétrons.
- A ubiquinona leva o elétron para o
complexo III e lá ele dá energia ao
complexo para que ele bombeie mais
prótons ➡ Mais prótons são bombeados
da matriz mitocondrial para a zona
intermembrana ➡ Quando a ubiquinona
perde o elétron ela se oxida e o
complexo III se reduz.
- O citocromo C pega o elétron do
complexo III e se reduz e o complexo III é
oxidado ➡ Complexo III oxidado
consegue assim receber mais um elétron
de uma ubiquinona reduzida.
- O citocromo C leva o elétron para o
complexo IV, levando a uma oxidação do
citocromo C (perdeu elétron) e uma
redução do complexo IV ➡ Complexo IV
agora com elétrons tem energia para
bombear prótons.
↪ Os elétrons garantem o bombeamento de prótons
da matriz mitocondrial para a zona
intermembrana.
- O elétron do complexo IV é puxado pelo
O2, que é muito eletronegativo ➡ O2 se
reduz ➡ O2 é o aceptor final de
elétrons.
- O O2, agora negativo, se junta com o
H+, que é positivo, e é formada uma
molécula de H20.
↪ Um dos produtos da cadeia transportadora de
elétrons é uma molécula de H20.
FADH2 (reduzido)
- FAD reduzido dá os elétrons para o
complexo II e se torna FAD+ (oxidado).
- O complexo II não consegue bombear
prótons, ou seja, esse complexo não é
uma bomba de próton.
- O elétron do FAD que está no complexo
II vai para a ubiquinona ➡ Ela pega o
elétron e manda ele para o complexo III
➡ No complexo III, o elétron consegue
dar energia o suficiente para que o
complexo bombeie prótons para a zona
intermembrana.
- O elétron sai do complexo III para o
citocromo C ➡ Complexo III se oxida e o
citocromo C se reduz ➡ Elétron vai para
o complexo IV.
↪ Muita quantidade de elétrons no complexo IV faz
com que ele bombeie mais prótons para a zona
intermembrana.
Conclusão
- Elétrons do NAD garantem um
bombeamento de mais prótons do que os
elétrons do FAD.
- O NAD reduzido garante o bombeamento
de 4 prótons no complexo I, 4 prótons
no complexo III e 2 prótons no complexo
IV.
- O elétron do FAD no complexo III
garante o bombeamento de 4 prótons e
de 2 prótons no complexo IV; o complexo
II não é bomba de próton, por isso o
elétron sai e vai para o complexo III.
- A cada 2 elétrons do NAD, são
bombeados 10 prótons.
- A cada 2 elétrons do FAD, são
bombeados 6 prótons.
- O FAD reduzido que chega no complexo
II se oxida e depois volta para o ciclo de
Krebs, bem como o NAD reduzido que
chega no complexo I ➡ Reoxidar o NAD
e o FAD na cadeia respiratória garante a
continuação do ciclo de Krebs.
ATP sintase é a única porta de saída do H+ que
está em grande concentração
- A região que é um canal protônico é Fo.
- Quando o H+ sai do meio mais
concentrado para o menos concentrado,
a enzima gira.
- Ao girar, a porção F1 da enzima pega o
ADP + Pi e forma o ATP.
- Para a ATP sintase produzir de fato o
ATP, o próton precisa sair por ela ➡
para ele sair foi preciso formar um
gradiente protônico ➡ que só foi
formado devido ao transporte de elétron
➡ que por sua vez foram carreados pelo
NAD e FAD reduzidos ➡ que são
formados com eficiência pelo ciclo de
Krebs ➡ para o ciclo de Krebs
acontecer, ele depende de acetil-CoA,
que só existe por conta do piruvato ➡
piruvato existe devido a quebra da
glicose ➡ que só é quebrada porque ela
existe
↪ Por isso a glicose é a fonte principal de energia.
Na cadeia respiratória é onde se tem a máxima
de produção de ATP:
- 38 ATPs ao todo na respiração celular a
partir de uma glicose.
- 4 ATPs são advindos da glicólise + ciclo
de Krebs.
- 34 ATPs são produzidos na cadeia
respiratória.
Cadeia respiratória + fosforilação oxidativa
- O sistema transportador de elétrons está
acoplado ao processo de fosforilação
oxidativa.
- Fosforilação oxidativa
⬩ É uma fosforilação pois o ADP é
fosforilado e é formado o ATP.
⬩ Oxidativa ➡ Depende de oxigênio.
Também pode ser chamado de cadeia
respiratória ou cadeia transportadora de
elétrons.
É formado por enzimas que são fixas na
membrana da mitocôndria e outras que são
móveis.
Complexo I - NADH: Q Oxirredutiase ou
NADH-desidrogenase
- Formado por 42 proteínas, entre elas
uma flavoproteína ➡ Proteína que
apresenta como coenzima a flavina
mononucleotídeo (FMN).
- Apresenta 6 centros de ferro-enxofre ➡
Fundamentais para que se tenha o
transporte de elétrons.
- NADH+H (reduzido) perde seus dois
elétrons para a coenzima FMN, virando
NAD+ (oxidado).
- FMN transfere os elétrons para os
centros de ferro-enxofre (Fe-S), que por
sua vez transfere os elétrons para a
ubiquinona (Q).
- A ubiquinona, quando ganha os elétrons,
vira o ubiquinol (QH2), que é a
ubiquinona reduzida.
- Quando tudo isso ocorre, há o
bombeamento de prótons para a zona
intermembrana.
Ubiquinona (coenzima Q)
- Molécula lipossolúvel ➡ ela leva os
elétrons do complexo I ou do II para o
complexo III, então é interessante que
ela se desloque pela bicamada de
fosfolipídios.
- Pode receber até 2 elétrons, tornando-se
ubiquinol, que é a ubiquinona reduzida.
Complexo II: Succinato-Desidrogenase
- A mesma enzima do complexo II é
também no ciclo de Krebs ➡ A mesma
enzima que reduz o FAD oxida ele
também; no ciclo de Krebs o FAD
oxidado vira FAD reduzido e na cadeia
respiratória o FAD reduzido está se
reoxidando.
- Não é uma bomba de próton.
- Possui vários centros de Fe-S.
- O FAD reduzido entra ➡ Sai o FAD
oxidado ➡ Elétrons são transferidos
pelos centros de Fe-S ➡ Passam os
elétrons para a ubiquinona oxidada, que
vai se tornar ubiquinona reduzida.
Complexo III: Citocromo C-oxidorredutase
- Recebe dois elétrons do ubiquinol
(ubiquinona reduzida) ➡ Manda os
elétrons para os centros de ferro ➡
Transfere os elétrons para o citocromo C
➡ Bombeamento de mais prótons para a
zona intermembrana.
Citocromo C
- É uma proteína solúvel.
- Não está no meio da membrana interna,
está na camada mais periférica do
espaço intermembrana. Por isso ele
consegue se deslocar do complexo III
para o IV de maneira mais superficial.
- Recebe apenas 1 elétrons de cada vez;
diferente da ubiquinona que pega 2
elétrons e já leva direto.
- É o doador de elétrons para o complexo
IV.
- Possui o grupo heme, que é uma
ferroprotoporfirina ➡ molécula onde o
átomo central é o ferro ➡ Fundamental
para o transporte de elétrons.
Complexo IV - Citocromo C oxidase
- Possui 2 grupos heme.
- Transfere elétrons para o O2.
- Não possui centros de Fe-S.
- Possui 2 íons de Cobre, formando
complexos Fe-Cu ➡ A ideia é a mesma:
transferência de elétrons.
- O citocromo C chega com o elétron e
doa ele para o Cu na subunidade II ➡
Vários centros de Fe-Cu participam da
transferência de elétrons passando pela
molécula de heme ➡ Os elétrons vão ser
doados pelo complexo I para o O2 ➡ O
O2 passa e recebe os elétrons do
complexo I ➡ recebe os H+ (prótons) e é
reduzido ➡ Forma a molécula de H20 ➡
Quando isso ocorre há mais
bombeamento de próton para a zona
intermembrana.- Nesse complexo é formada a água de
maneira direta, mas nos outros pode
levar a formação de espécies reativas de
oxigênio (ROS) ➡ Moléculas que podem
ser benéficas ou maléficas.
↪ ROS são formadas quando o O2 não recebe os
elétrons e não é reduzido a água de forma direta.
↪ O problema se dá quando o O2 recebe os elétrons
de forma errônea e se torna uma molécula
altamente reativa, instável, que é o radical livre.
O gradiente de concentração de prótons é
gerado por conta do bombeamento de prótons
que o transporte de elétrons garante:
- Muito H+ sendo bombeado para a zona
intermembrana gera um potencial
químico ➡ A zona intermembrana fica
ácida por conta do H+ ➡ Matriz
mitocondrial fica menos ácida ou
levemente alcalina ➡ Cria-se um
potencial químico a partir da diferença
de pH.
- A segunda consequência do gradiente de
próton formado é a geração de um
potencial elétrico ➡ A zona
intermembrana fica muito positiva por
conta do H+ ➡ Matriz mitocondrial
menos positiva ou até mesmo negativa.
O potencial químico + elétrico resulta na força
próton-motriz ➡ Responsável pela formação do
ATP quando o H+ voltar para a matriz pela ATP
sintase.
O potencial químico gerado pela diferença de
pH + potencial elétrico gerado pela positividade
da zona intermembrana e a negatividade da
matriz levam a síntese de ATP através da força
próton motriz ➡ A força próton motriz que é
garantida pela formação do gradiente de próton
é fundamental para que a enzima ATP sintase
consiga rodas e formar a molécula de ATP.
- O H+ sai da zona intermembrana de
maneira favorável.
- A diferença de potencial elétrico + de
potencial químico garantem uma
passagem favorável do H+ pela ATP
sintase para que o H+ retorne para a
matriz mitocondrial.
ATP sintase
- Fo é o canal protônico e está inserido na
membrana interna da mitocôndria.
- F1 é a parte da enzima que forma o ATP.
- O H+ passa pela porção Fo ➡ a porção
gira ➡ H+ sai .
- Ao girar, a porção F1 junta o ADP + Pi e
forma o ATP
Saldo energético
- 1 molécula de NADH resulta em 2,5 ou 3
ATPs na fosforilação oxidativa e que 1
FADH2 resulta em 1,5 ou 2 ATPs -
depende da bibliografia.
- O NADH é mais energético que o FADH2
➡ Como o elétron do NADH passa por
uma bomba protônica a mais, ele
garante o bombeamento de mais prótons
para a zona intermembrana.
- Glicólise + ciclo de Krebs
⬩ 4 ATPs + 10 NADH + 2 FADH2
↪ Obs: 8 NADH contando com a conversão do
piruvato em acetil-CoA (oxidação do piruvato)
↪ 10 NADH resultam em 25-30 ATPs, a depender da
bibliografia.
↪ 2 FADH2 resultam em 3-4 ATPs, a depender da
bibliografia.
- Conclusão: Toda a respiração está
ocorrendo para que sejam formadas
moléculas reduzidas, que são
carreadoras de elétrons, para garantir
uma eficácia no sistema transportador
de elétrons e fosforilação oxidativa para
que se tenha uma elevada produção de
ATP.
Como o ATP produzido na mitocôndria sai da
mitocôndria?
- O transportador adenina nucleotídeo
translocase pega o ATP formado e
joga-o para fora, mas ao fazer isso ela
coloca para dentro 1 ADP ➡ Esse ADP
será usado para formar outra molécula
de ATP.
⬩ Como se está transportando 2
moléculas diferentes em sentidos
opostos, isso é um cotransporte
antiporte.
- 1 fosfato entra por um cotrasporte
simporte juntamente com um próton pela
enzima fosfato translocase.
⬩ H2PO4 e H+ são colocados para
dentro.
- O ATP é formado a partir de H2PO4 +
ADP pela ATP sintase ➡ ATP sai da
mitocôndria e ADP entra.
Inibição
- Balanço energético positivo: relação
ATP/ADP maior que 1.
- Ter mais ATP significa que já há energia
o suficiente, então não é necessário
continuar a cadeia respiratória e
fosforilação oxidativa.
Ativação
- Balanço de NADH/NAD+ maior que 1.
- Se há muito NADH, há a necessidade de
reoxidar eles e quem reoxida é o sistema
transportador de elétrons ➡ Ativação do
sistema transportador.
- Muita quantidade de ADP é necessário
ativar a fosforilação oxidativa, já que
indica ter pouco ATP.
Conclusão
- ADP e NADH modulam positivamente a
cadeia respiratória e fosforilação
oxidativa.
- ATP inibe a cadeia respiratória.
Duas consequências imediatas de um inibidor:
1. Diminuição da produção de ATP.
⬩ O inibidor inibe a cadeia respiratória e
não se consegue mais transferir os
elétrons pela cadeia.
⬩ Como os elétrons não são transferidos,
não há o bombeamento de próton ➡
não gera a força próton-motriz ➡
diminui a produção de ATP.
2. Diminuição do consumo de oxigênio.
⬩ Diminui-se a chegada dos elétrons e se
eles estão saltando menos, eles saem
menos do complexo IV
⬩ Como o elétron sai menos do complexo
IV, não há necessidade de ter muito O2
para receber os elétrons.
Rotenona
- Inibe o complexo I da cadeia
respiratória.
- Não leva a morte e a cadeia respiratória
continua.
Malonato
- Inibe o complexo II.
- Não leva a morte e a cadeia respiratória
continua.
Antimicina A
- Bloqueia o complexo III.
- Acaba com todo o sistema transportador
de elétrons.
⬩ Se o complexo III está inibido ele não
consegue mandar elétron para o
citocromo C e permanece reduzido.
⬩ Estando reduzido não consegue
receber outros elétrons e começa a
travar todo o processo para trás ➡
acúmulo de NAD e FAD reduzidos
bloqueiam o ciclo de Krebs ➡ aumenta
acetil-CoA ➡ inibe piruvato
desidrogenase ➡ aumenta o piruvato
➡ freia a via glicolítica ➡ a produção
de ATP é reduzida ➡ pessoa acaba
chegando a óbito.
Cianeto e monóxido de carbono
- São inibidores do complexo IV da cadeia
respiratória, que é o citocromo C
oxidase.
- Como está inibido o complexo IV não
consegue se reoxidar, ele fica apenas na
forma reduzida.
⬩ Não consegue receber mais elétrons e
a cadeia respiratória para.
- Boate Kiss: muito cianeto e monóxido de
carbono ➡ inibiu o sistema
transportador de elétron ➡ produção de
energia foi levada a praticamente 0.
- Quando o monóxido de carbono se liga à
hemoglobina, ele aumenta a afinidade do
O2 com a hemoglobina ➡ impede a
dissociação do O2 dessa molécula.
➡ Os maiores problemas de inibidores são no
complexo III e IV.
Desacoplador
- Pode ser natural ou artificial.
- Desacopladores naturais:
⬩ UCPs (proteínas desacopladoras).
⬩ Um dessas UCPs é a UCP 1, que tem o
nome de termogenina.
- Qualquer desacoplador desfaz o
gradiente de próton
⬩ O desacoplador é uma portinha a mais
de saída de H+.
⬩ O H+ que estava na zona
intermembrana deveria sair apenas
pela ATP sintase, Mas a proteína
desacopladora faz com que o H+ saia
por essa proteína.
⬩ Quando o H+ passa pelo desacoplador
o ATP não é formado ➡ a energia é
liberada na forma de calor.
⬩ Desacopla-se o sistema transportador
da fosforilação oxidativa ➡ há o
transporte de elétron e bombeamento
de próton ➡ quando o próton volta
para a matriz mitocondrial não está
mais formando ATP.
- O H+ sai pela ATP sintase e pela UCP ➡
produz de ATP é reduzida.
⬩ Como a produção de ATP é reduzida, o
corpo entende que se precisa de mais
energia ➡ via glicolítica, ciclo de Krebs
e cadeia respiratórias são acelerados.
⬩ Por isso, aumenta-se o transporte de
elétrons ➡ mais elétrons entram e
saem.
⬩ Por consequência, precisa-se de mais
O2 quando se tem um desacoplador e
de mais água.
- O desacoplador diminui a produção de
ATP, só que diferente do inibidor, ele
aumenta o consumo de O2.
- O desacoplador não inibe a respiração
celular, cadeia respiratória, ciclo de
Krebs ou glicólise.
- Exemplo - termogênicos
⬩ Atuam de maneira de desacoplamento.
⬩ Acelera-se o metabolismo desacoplando
a cadeia respiratória da fosforilação
oxidativa.
⬩ Com isso começa-se a queimar gordura
(devido o metabolismo acelerado) ➡
gera emagrecimento.
- O NADH formado não atravessa a
mitocôndria.
- Existem 2 tipos de lançadeira:
glicerol-fosfato e malato-aspartato.
⬩ Jogam os elétrons do NADH para
dentro da mitocôndria.
Lançadeira malato-aspartato
- A enzima malato desidrogenase pega o
elétron do NADH+H e joga no
oxaloacetato ➡ oxaloacetatoacaba
sendo reduzido (já que ganhou elétron) a
malato.
- O que era NADH reduzido virou NAD+
(oxidado).
- O NAD+ vai para a glicólise para se
reduzir de novo.
- O malato entra na mitocôndria por um
transportador co-transporte antiporte ➡
joga o malato para dentro e o
α-cetoglutarato para fora.
- Na mitocôndria, o malato sofre ação da
enzima malato desidrogenase e é
oxidado a oxaloacetato.
⬩ O malato perde elétrons e vira
oxaloacetato.
⬩ Quem ganha esse elétron é o NAD+,
que vira NADH+H (reduzido).
⬩ O NAD reduzido vai então para a
cadeia transportadora de elétrons.
- O oxaloacetato sofre ação da enzima
aspartato aminotransferase (TGO)
⬩ O glutamato reage com oxaloacetato e
tem-se a formação de aspartato e
α-cetoglutarato.
⬩ Conclusão: Ocorre uma transaminação
(transferência do grupamento amino) e
a formação do aspartato; para formar
o aspartato também se formou o
α-cetoglutarato.
⬩ O α-cetoglutarato que é trocado com o
malato através do transportador.
- O aspartato sai da mitocôndria por um
co-transporte antiporte
⬩ O glutamato entra enquanto o
aspartato sai.
⬩ O aspartato sofre ação da TGO, ou
seja, mais uma transaminação e então
é formado o oxaloacetato.
⬩ Mas para formar o oxaloacetato
precisou-se também do α-cetoglutarato
que saiu e quando ele reage com o o
TGO, tem-se a formação do glutamato
e do oxaloacetato.
⬩ O glutamato vai ser trocado com
aspartato.
- Termo lançadeira malato, que está
entrando, aspartato, que está saindo.
⬩ Esse sistema é todo
equilibrado/auto-sustentável ➡ reações
que geram produtos ao mesmo tempo
em que os produtos são substratos de
outros e os próprios produtos
conseguem atravessar a membrana.
Lançadeira glicerol-fosfato
- O NAD reduzido da glicólise doa seus
elétrons para a diidroxiacetona fosfato.
- Quando a diidroxiacetona fosfato ganha
os elétrons do NAD reduzido, ela é
reduzida a glicerol-3-fosfato.
⬩ O NADH que estava reduzido vira NAD
oxidado ➡ vai ser reduzido de novo na
via glicolítica.
⬩ A enzima que cataliza a reação é a
glicerol-3-fosfato
desidrogenase-citosólica.
- Na membrana interna da mitocôndria
tem-se a enzima glicerol-3-fosfato
desidrogenase-mitocondrial ➡ ela
arranca os elétrons da glicerol-3-fosfato
➡ a diidroxiacetona fosfato é formada
novamente.
⬩ Os elétrons e prótons são enviados
para o FAD oxidado ➡ vira FAD
reduzido.
- O FAD reduzido doa seus elétrons para a
ubiquinona ➡ ao ganhar elétrons, a
ubiquinona vira o ubiquinol (ubiquinona
reduzida) ➡ FAD reduzido vira FAD
oxidado ➡ ubiquinol leva os elétrons
para o complexo III da cadeia
respiratória.