Aula 12 Bioquímica Enfermagem UFAC Fosforilação Oxidativa

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ACRE
CENTRO DE CIÊNCIAS DA SAÚDE E DESPORTO
CURSO DE BACHARELADO EM ENFERMAGEM
DISCIPLINA DE BIOQUÍMICA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
PROF. DR. RICARDO DE ARAÚJO MARQUES
2017.1
ROTEIRO DA AULA
I. INTRODUÇÃO
II. REAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS EM MITOCÔNDRIAS
III. SÍNTESE DE ATP
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
I. INTRODUÇÃO VISÃO GERAL DO METABOLISMO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
• A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA É A CULMINAÇÃO DO 
METABOLISMO PRODUTOR DE ENERGIA EM 
ORGANISMOS AERÓBIOS 
• A SÍNTESE DE ATP EM MITOCÔNDRIAS TEM COMO 
BASE A HIPÓTESE INTRODUZIDA POR PETER MITCHEL 
EM 1961 – TEORIA QUIMIOSMÓTICA
• A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA APRESENTA 3 ETAPAS:
I – FLUXO DE ELÉTRONS POR MEIO DE UMA CADEIA DE 
TRANSPORTADORES DE MEMBRANA
II – A ENERGIA LIVRE DO FLUXO DE ELÉTRONS 
(EXERGÔNICO) É ACOPLADA AO TRANSPORTE 
(ENDERGÔNICO) DE PRÓTONS – POTENCIAL 
ELETROQUÍMICO
III – FLUXO DE RETORNO DOS PRÓTONS A FAVOR DO 
GRADIENTE PELA ATP SINTASE – SÍNTESE DE ATP
OXIDAÇÃO DE AMINOÁCIDOS E CICLO DA URÉIA
ANATOMIA BIOQUÍMICA 
DE UMA MITOCÔNDRIA 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
II. REAÇÕES DE TRANSFERÊNCIA 
DE ELÉTRONS EM MITOCÔNDRIAS 
ALBERT L. LEHNINGER
1917-1986 
 OS ELÉTRONS SÃO CANALIZADOS PARA ACEPTORES UNIVERSAIS DE ELÉTRONS 
• A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA COMEÇA COM A ENTRADA DE ELÉTRONS NA CADEIA DE CARREGADORES DE 
ELÉTRONS, CHAMADA CADEIA RESPIRATÓRIA
• A MAIORIA DOS ELÉTRONS SURGE DA AÇÃO DAS DESIDROGENASES LIGADAS A NUCLEOTÍDEOS DE 
NICOTINAMIDA (NAD+ OU NADP+) OU NUCLEOTÍDEOS DE FLAVINA (FMN OU FAD)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
• NADH E NADPH SÃO CARREGADORES DE ELÉTRONS SOLÚVEIS EM ÁGUA, QUE SE ASSOCIAM 
REVERSIVELMENTE AS DESIDROGENASES
• AS FLAVOPROTEÍNAS CONTÊM UM NUCLEOTÍDEO DE FLAVINA, FMN OU FAD, FORTEMENTE LIGADO, ÁS 
VEZES DE FORMA COVALENTE – PODEM RECEBER UM OU DOIS ELÉTRONS (FMNH2 OU FADH2)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 OS ELÉTRONS PASSAM POR UMA SÉRIE DE CARREGADORES LIGADOS À MEMBRANA
• A CADEIA RESPIRATÓRIA MITOCONDRIAL CONSISTE EM 
UMA SÉRIE DE CARREGADORES QUE AGEM 
SEQUENCIALMENTE
• ALÉM DO NAD E DAS FLAVOPROTEÍNAS, OUTROS TRÊS 
TIPOS DE MOLÉCULAS CARREGADORAS DE ELÉTRONS 
FUNCIONAM NA CADEIA RESPIRATÓRIA:
• I – UBIQUINONA (COENZIMA Q OU Q)
 É LIVREMENTE DIFUSÍVEL DENTRO DA BICAMADA 
LIPÍDICA DA MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA
 DESEMPENHA UM PAPEL CENTRAL EM ACOPLAR O 
FLUXO DE ELÉTRONS AO MOVIMENTO DE PRÓTONS
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 OS ELÉTRONS PASSAM POR UMA SÉRIE DE CARREGADORES LIGADOS À MEMBRANA
• II – CITOCROMOS
 SÃO PROTEÍNAS QUE POSSUEM GRUPOS PROSTÉTICOS HEME CONTENDO FERRO
 AS MITOCÔNDRIAS CONTÊM TRÊS CLASSES DE CITOCROMOS, DESIGNADOS a, b E c
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 OS ELÉTRONS PASSAM POR UMA SÉRIE DE CARREGADORES LIGADOS À MEMBRANA
• III – PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE
 SÃO PROTEÍNAS O FERRO ENCONTRA-SE EM ASSOCIAÇÃO COM ÁTOMOS DE ENXOFRE 
INORGÂNICO, OU COM ÁTOMOS DE ENXOFRE DOS RESÍDUOS DE CISTEÍNA NA 
PROTEÍNA, OU COM AMBOS
 PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE DE RIESKE – ÁTOMO DE FERRO ESTÁ COMBINADO COM 
DOIS RESÍDUOS DE HISTIDINA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 OS CORREGADORES DE ELÉTRONS ATUAM EM 
COMPLEXOS MULTIENZIMÁTICOS
• OS CARREGADORES DE ELÉTRONS DA CADEIA 
RESPIRATÓRIA SÃO ORGANIZADOS EM COMPLEXOS 
SUPRAMOLECULARES INSERIDOS DENTRO DA MEMBRANA 
MITOCONDRIAL INTERNA
• OS COMPLEXOS FUNCIONAIS DA CADEIA RESPIRATÓRIA 
PODEM SER SEPARADOS
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
VIA DOS ELÉTRONS DE NADH, 
SUCCINATO, ACIL-CoA DE ÁCIDOS 
GRAXOS E GLICEROL-3-FOSFATO 
PARA A UBIQUINNA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 COMPLEXO I (NADH-DESIDROGENASE): NADH À UBIQUINONA
• O COMPLEXO I CATALISA DOIS PROCESSOS 
SIMULTÂNEOS E OBRIGATORIAMENTE ACOPLADOS:
(1) A TRANSFERÊNCIA EXERGÔNICA PARA 
UBIQUINONA DE UM ÍON HIDRETO DO NADH E 
DE UM PRÓTON DA MATRIZ, EXPRESSA POR: 
(2) A TRANSFERÊNCIA ENDERGÔNICA QUE QUATRO 
PRÓTONS DA MATRIZ PARA O ESPAÇO 
INTERMEMBRANA
• O COMPLEXO I É UM BOMBEADOR DE PRÓTONS 
QUE UTILIZA A ENERGIA DA TRANSFERÊNCIA DE 
ELÉTRONS – MATRIZ SE TORNA NEGATIVA E ESPAÇO 
INTERMEMBRANA POSITIVO (LADO N E P)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 COMPLEXO II (SUCCINATO-DESIDROGENASE): 
SUCCINATO À UBIQUINONA
• ÚNICA ENZIMA DO CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO 
LIGADA À MEMBRANA
• POSSUI QUATRO SUBUNIDADES (A, D, C E D) 
• GRUPO HEME B ESTÁ ENVOLVIDO NA 
PREVENÇÃO DA FORMAÇÃO DE ESPÉCIES 
REATIVAS DE OXIGÊNIO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 COMPLEXO III (UBIQUINONA: CITOCROMO 
C-OXIDORREDUTASE): UBIQUINONA PARA 
CITOCROMO C
• ACOPLA A TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS DO 
UBIQUINOL (QH2) PARA O CITOCROMO C COM 
O TRANSPORTE DE PRÓTONS DA MATRIZ PARA 
O ESPAÇO INTERMEMBRANA
• A UNIDADE FUNCIONAL DO COMPLEXO III É 
UM DÍMERO, COM DUAS UNIDADES DE 
CITOCROMO B CIRCUNDANDO UMA 
“CAVERNA” NO MEIO DA MEMBRANA
• UM MODELO RAZOÁVEL, CICLO Q, FOI 
PROPOSTO PARA A PASSAGEM DE ELÉTRONS E 
PRÓTONS PELO COMPLEXO
CICLO Q
2 ESTÁGIOS
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 COMPLEXO IV (CITOCROMO-OXIDASE): 
CITOCROMO C PARA O2
• O COMPLEXO IV CARREGA ELÉTRONS DO 
CITOCROMO C PARA O OXIGÊNIO MOLECULAR, 
REDUZINDO-O A H2O AO MESMO TEMPO QUE 
REALIZA O BOMBEAMENTO DE PRÓTONS
• É UMA ENZIMA GRANDE (13 SUBUNIDADES) 
LOCALIZADA NA MEMBRANA MITOCONDRIAL 
INTERNA
• TRÊS SUBUNIDADES SÃO ESSENCIAIS PARA A 
FUNÇÃO DO COMPLEXO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 COMPLEXO IV (CITOCROMO-OXIDASE): 
CITOCROMO C PARA O2
FLUXO DE ELÉTRONS 
PELO COMPLEXO IV
• SUBUNIDADE II: CENTRO DE COBRE BINUCLEAR-CuA
• SUBUNIDADE I : DOIS GRUPOS HEME – a E a3 E UM 
ÍON COBRE-CuB
• HEME a3 E CuB FORMAM UM SEGUNDO CENTRO 
BINUCLEAR QUE ACEITA ELÉTRONS E TRANSFERE AO O2
• A ENERGIA DESSA REAÇÃO REDOX É USADA PARA 
BOMBEAR UM PRÓTON PARA O LADO P PARA CADA 
ELÉTRON QUE PASSA.
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 A ENERGIA DA TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS É EFICAZMENTE CONSERVADA EM UM 
GRADIENTE DE PRÓTONS
• A TRANSFERÊNCIA DE DOIS ELÉTRONS DO NADH, POR MEIO DA CADEIA RESPIRATÓRIA, 
PARA O OXIGÊNIO MOLECULAR PODE SER ESCRITA COMO
• ESTA REAÇÃO É ALTAMENTE EXERGÔNICA E MAIOR PARTE DESSA ENERGIA É UTILIZADA 
PARA BOMBEAR PRÓTONS PARA FORA DA MATRIZ
• PARA CADA PAR DE ELÉTRONS TRANSPORTADOS PARA O O2
- QUATRO PRÓTONS SÃO BOMBEADOS PELO COMPLEXO I
- QUATRO PELO COMPLEXO III
- DOIS PELO COMPLEXO IV
RESUMO DO FLUXO DE ELÉTRONS E PRÓTONS PELOS 
QUATRO COMPLEXOS DA CADEIA RESPIRATÓRIA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 A ENERGIA DA TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS É EFICAZMENTE CONSERVADA EM UM 
GRADIENTE DE PRÓTONS
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 A ENERGIA DA TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS É EFICAZMENTE CONSERVADA EM UM 
GRADIENTE DE PRÓTONS
• A ENERGIA ELETROQUÍMICA INERENTE A 
ESSA DIFERENÇA NA CONCENTRAÇÃO DE 
PRÓTONS E SEPARAÇÃO DE CARGAS 
REPRESENTA UMA CONSERVAÇÃO 
TEMPORÁRIA DE GRANDE PARTE DA 
ENERGIA DE TRANSFERÊNCIA DOS 
ELÉTRONS
• A ENERGIA ESTOCADA NESSE GRADIENTE É 
CHAMADA DE FORÇA PRÓTON-MOTRIZ E 
TEM DOIS COMPONENTES:
(1) A ENERGIA POTENCIAL QUÍMICA
(2) A ENERGIA POTENCIAL ELÉTRICA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
III. SÍNTESE DE ATP  MODELO QUIMIOSMÓTICO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 CADA SUBUNIDADE β DA ATP-SINTASE PODE ASSUMIR TRÊS CONFORMAÇÕES DIFERENTES
F1 - α3β3γδε FO – ab2cn
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 A CATÁLISE ROTACIONAL É A CHAVE PARA O MECANISMO DE ALTERAÇÃO NA LIGAÇÃO 
DURANTE A SÍNTESE DE ATP
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 DE QUE FORMA O FLUXO DE PRÓTONS PELO 
COMPLEXO FO PRODUZ MOVIMENTO 
ROTACIONAL?
• A TAXA DE ROTAÇÃO EM MITOCÔNDRIAS 
INTACTAS FOI ESTIMADA EM CERCA DE 
6.000RPM – 100 ROTAÇÕES POR SEGUNDO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
 SISTEMAS DE LANÇADEIRAS CONDUZEM INDIRETAMENTE NADH CITOSÓLICO PARAS AS 
MITOCÔNDRIAS PARA OXIDAÇÃO
LANÇADEIRA DO 
MALATO-ASPARTATO
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
LANÇADEIRA DO 
GLICEROL-3-FOSFATO SISTEMAS DE LANÇADEIRAS CONDUZEM 
INDIRETAMENTE NADH CITOSÓLICO PARAS 
AS MITOCÔNDRIAS PARA OXIDAÇÃO
CONCEITOS IMPORTANTES
1 – A TEORIA QUIMIOSMÓTICA FORNECE O ARCABOUÇO INTELECTUAL PARA O ENTENDIMENTO DE 
TRANSDUÇÕES BIOLÓGICAS DE ENERGIA COMO A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA.
2 – A ENERGIA DO FLUXO DE ELÉTRONS É CONSERVADA PELO BOMBEAMENTO CONCOMITANTE DE 
PRÓTONS ATRAVÉS DA MEMBRANA, PRODUZINDO UM GRADIENTE ELETROQUÍMICO, A FORÇA-
PRÓTON-MOTRIZ.
3 – ESSE GRADIENTE DE PRÓTONS FORNECE A ENERGIA PARA A SÍNTESE DE ATP A PARTIR DE ADP E Pi PELA 
ATP-SINTASE
4 – A ATP-SINTASE REALIZA A “CATÁLISE ROTACIONAL”.
5 – A FORMAÇÃO DE ATP NA ENZIMA REQUER POUCA ENERGIA; O PAPEL DA FORÇA PRÓTON-MOTRIZ É 
DESLOCAR O ATP DO SEU SÍTIO DE LIGAÇÃO NA SINTASE.
6 – SISTEMAS LANÇADEIRAS CONDUZEM INDIRETAMENTE NADH CITOSÓLICO PARA AS MITOCÔNDRIAS.
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA