CTE-e-fosforilação-oxidativa

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Instituto de Química de São Carlos – IQSC 
Universidade de São Paulo 
Cadeia de transporte de 
elétrons e fosforilação oxidativa 
Disciplina: Bioquímica II 
Turma: Bacharelado em Química 
Docente: Profa. Dra. Fernanda Canduri 
Conteúdo 
 A Mitocôndria 
 Sistema de transporte mitocondrial 
 
 Transporte de elétrons 
 A sequência do transporte de elétrons 
 Complexo I (NADH-Coenzima Q oxidorredutase) 
 Complexo II (Succinato-Coenzima Q oxidorredutase) 
 Complexo III (Coenzima Q-Citocromo C oxidorredutase) 
 Compelo IV (Citocromo C oxidase) 
 
 Fosforilação oxidativa 
 A teoria quimiosmótica 
 ATP sintase 
 Proporção P/O 
A mitocôndria 
 A mitocôndria é o sítio do metabolismo oxidativo de 
eucariotos 
 
 Contém: 
 a piruvato desidrogenase, 
 as enzimas do ciclo do ácido cítrico, 
 as enzimas que catalisam a oxidação dos ácidos graxos, 
 as enzimas e proteínas redox envolvidas no transporte 
de elétrons e na fosforilação oxidativa 
 
 Por isso a mitocôndria é considerada a “usina de força” da 
célula. 
Eletromicrografia de uma mitocrôndria animal 
 A membrana mitocondrial interna 
 A membrana interna é composta por cerca de 75% de proteínas 
 
 É livremente permeável a O2, CO2 e H2O e contém, além das 
proteínas da cadeia respiratória, várias proteínas de transporte 
que controlam a passagem de metabólitos, como ATP, ADP, o 
piruvato, o H+ e o fosfato 
 
 A impermeabilidade controlada da MMI para a maioria dos íons e 
dos metabólitos permite a formação de um gradiente de íons 
através dessa barreira e resulta na compartimentalização das 
funções metabólicas entre o citosol e a mitocôndria 
O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à 
cadeia transportadora de elétrons para a oxidação aeróbica 
Não há uma proteína transportadora de NADH na MMI 
Somente os elétrons do NADH citosólico são transportados para a 
mitocôndria por um dos vários sistemas de transporte 
Circuito do malato-aspartato 
Circuito do glicerol-fosfato 
Os equivalentes citosólicos reduzidos são transportados 
para dentro da mitocôndria 
Circuito do malato-aspartato 
Circuito do glicerol-fosfato 
A glicerol-3-fosfato 
desidrogenase catalisa 
a oxidação do NADH 
citosólico pela DHAP 
para produzir NAD+, o 
qual retorna à glicólise 
Os elétrons do glicerol-
3-fosfato são 
transferidos para a 
flavoproteína-
desidrogenase da MMI, 
formando FADH2, que 
fornece elétrons 
diretamente para CTE 
Transporte de elétrons 
 Os carreadores que transportam os elétrons a partir do NADH e 
FADH2 até O2 estão associados a membrana mitocondrial interna 
 
 Alguns desses centros redox são móveis e outros são proteínas 
integrais de membrana 
 
 A sequência de carreadores de elétrons reflete seus potenciais de 
redução relativos 
 
 O processo é exergônico 
 
 A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela cadeia de 
transporte de elétrons 
 
 Os elétrons são carreados do Complexo I e do complexo II para o III 
pela coenzima Q, e do complexo III para o IV pelo citocromo C 
Complexo I (NADH-Coenzima Q oxidorredutase) 
 O complexo I transfere elétrons a 
partir do NADH para a CoQ 
 É o maior complexo protéico na 
MMI 
 Ele contém uma molécula de 
flavina mononucleotídeo (FMN) e 
seis a sete grupos ferro-enxofre 
que participam no transporte de 
elétrons 
 Os grupos ferro-enxofre estão 
presentes como grupos 
prostéticos de proteínas ferro-
enxofre, e podem sofrer oxidação 
e redução de um elétron 
Transferência de elétrons no Complexo I 
 O processo envolve a 
redução temporária de cada 
grupo cuja passagem dos 
elétrons para o próximo grupo 
permite a reoxidação do 
grupo anterior 
 O NADH participa apenas em 
reações que envolvem a 
transferência de 2 elétrons 
 A FMN e a CoQ podem 
transferir um ou dois elétrons 
por vez, proporcionando a 
formação de um conduto de 
elétrons entre o doador de 
dois elétrons, o NADH e os 
aceptores de um elétron, os 
citocromos 
 
Translocação de prótons 
 A medida que os elétrons são transferidos entre os centros redox 
do Complexo I, quatro prótons são translocados da matriz para o 
espaço intermembrana – Bomba de Prótons 
 O mecanismo de bombeamento de prótons deve ser conduzido 
pelas alterações conformacionais induzidas pelas alterações no 
estado redox da proteína 
 Contém a enzima do ciclo do ácido cítrico, a succinato-
desidrogenase e três outras pequenas subunidades hidrofóbicas 
que transferem elétrons do succinato à CoQ 
 Seus grupos redox incluem o FAD ligado covalentemente à 
succinato-desidrogenase para o qual os elétrons são inicialmente 
transferidos, um grupo [4Fe-4S], dois grupos [2Fe-2S], e um 
citocromo b560 
 O Complexo II permite que elétrons de potencial relativamente 
alto entrem na cadeia transportadora por uma via independente 
do Complexo I 
 Os Complexos I e II não operam em série, mas ambos resultam 
na transferência de elétrons para a CoQ a partir de substratos 
reduzidos – NADH e succinato 
 A CoQ serve como um ponto de captação de elétrons 
Complexo II (Succinato-Coenzima Q oxidorredutase) 
Complexo II (Succinato-Coenzima Q oxidorredutase) 
succinato-
desidrogenase 
Três 
subunidades 
hidrofóbicas 
 Conhecido também como citocromo bc1: possui dois citocromos 
tipo b e um citocromo c1 
 
 Transfere elétrons da CoQ reduzida para o citocromo c1 a partir 
de um centro [2Fe-2S], e para o citocromo b 
 
Complexo III (Coenzima Q-Citocromo c oxidorredutase) 
Transporte de elétrons no complexo III: o ciclo Q 
A proteína Fe-S reduz o citocromo c1, enquanto a CoQ
- transfere os elétrons 
restantes para o citocromo b, produzindo uma CoQ oxidada. 
A CoQ oxidada recebe o elétron novamente do citocromo b, revertendo-se à 
forma CoQ- 
A função é permitir que uma molécula de CoQH2 reduza duas moléculas de 
citocromo, por meio de uma bifurcação do fluxo de elétrons da CoQH2 para os 
citocromos c1 e b, permitindo o bombeamento de prótons da matriz para o 
espaço intermembrana 
 
A CoQH2 transfere um dos elétrons para a proteína Fe-S liberando dois 
prótons no espaço intermembrana e produzindo CoQ-. 
No ciclo 2, outra CoQH2 reduzida, provinda do complexo I repete as etapas 
anteriores 
Esse segundo elétron reduz a CoQ- produzido no primeiro ciclo, produzindo 
CoQH2 
Para cada 2 CoQH2 que entram no ciclo Q, uma CoQH2 é regenerada 
O complexo III 
Citocromo c 
 Único transportador de elétrons no qual o 
ferro heme possui um ligante livre que 
pode reagir com O2. A citocromo c 
oxidase catalisa oxidações de quatro 
moléculas de citocromo c (Cyt c) 
reduzidas consecutivamente e a 
concomitante redução tetraeletrônica de 
uma molécula de O2 
 4 cit c(Fe2+) + 4H+ + O2  4 cit c(Fe
3+) + 
2 H2O 
 
 O complexo IV possui 4 centros redox: 
citocromo a, citocromo a3, um átomo de 
cobre conhecido como CuB e um par de 
átomos de cobre conhecido como centro 
CuA, além de um Mg
2+ e um Zn2+ 
Complexo IV (Citocromo c oxidase) 
• A redução do O2 a 2 H2O ocorre 
no complexo binuclear citocromo 
a3-CuB e envolve 4 transferências 
de e- consecutivas dos sítios do 
CuA e cit a 
 
• 2 prótons são translocados 
O complexo IV 
Fosforilação oxidativa 
 A síntese endergônica do ATP a partir de ADP e Pi na mitocôndria é 
catalisada por uma ATP-sintase (ou complexo V), dirigida pelo 
processo de transporte de elétrons 
 
 A energia livre liberada pelo transporte de elétrons através dos 
Complexos I – IV deve ser conservadaem uma forma que a ATP 
sintase possa utilizá-la – é a energia de acoplamento 
 
 A teoria quimiosmótica: 
 A energia livre do transporte de elétrons é conservada pelo 
bombeamento de H+ da matriz mitocondrial para o espaço 
intermembrana, criando um gradiente eletroquímico de H+ através da 
MMI. O potencial eletroquímico desse gradiente é aproveitado para a 
síntese de ATP 
 Processo análogo ocorre em bactérias, cuja maquinaria 
transportadora de elétrons está localizada na membrana plasmática 
O transporte de elétrons gera um gradiente de 
prótons 
 O transporte de elétrons provoca o transporte de prótons pelos Complexos 
I, III, e IV através da MMI a partir da matriz, uma região de baixa [H+] para o 
espaço intermembrana, uma região de alta [H+] 
 
 Como o pH externo é menor que o pH interno, a saída de prótons da 
matriz, contra o gradiente de prótons, é um processo endergônico 
 
 a energia livre seqüestrada pelo gradiente eletroquímico resultante conduz 
a síntese de ATP 
 
 A energia livre estimada para a síntese de uma molécula de ATP é cerca 
de +30 a +50 kJ/mol, muito grande para ser conduzida pela passagem de 
um único próton de volta à matriz 
 
 A maior parte das determinações experimentais indica que cerca de 3 
prótons são necessários por ATP sintetizado. 
A ATP sintase 
 Também conhecida como ATP sintase 
bombeadora de prótons ou F1F0-
ATPase 
 
 Proteína transmembrana de 
multissubunidades com massa 
molecular de 450kDa 
 
 Composta de duas unidades funcionais 
F0 e F1 
 
 F0 é um canal de prótons 
transmembrana 
 
 F1 é composta por várias subunidades 
(abgde) e dentre elas, a subunidade b 
catalisa a reação de síntese de ATP 
A proporção P/O 
 Relaciona a quantidade de ATP sintetizada à quantidade de 
oxigênio reduzido 
 O fluxo de 2 elétrons pelos complexos I, III e IV resulta na 
translocação de 10 prótons para o espaço intermembrana 
* O fluxo de retorno desses 10 prótons por meio da F1-F0 ATPase é suficiente 
para conduzir a síntese de ~3 ATPs 
* O NADH do complexo I e o FADH2 no complexo II permitem um movimento 
transmembrana de oito prótons, suficiente para sintetizar ~2 ATPs 
* O trânsito de 2 elétrons através do Complexo IV contribui com 2 prótons, o 
suficiente para formar ~1 ATP 
* Na mitocôndria respirando ativamente, a proporção P/O não corresponde a 
um número inteiro 
* Sendo assim, o número de ATPs sintetizados (examinado por Peter Hinkle) 
por molécula de glicose oxidada será 2,5 ATP/NADH x 10 NADH/glicose + 
1,5 ATP/FADH2 x 2 FADH2/glicose + 2 ATP/glicose a partir do ciclo do ácido 
cítrico + 2 ATP/glicose a partir da glicólise = 32 ATP/glicose, e não 38 
ATP/glicose, utilizando a proporção P/O de 3, 2 e 1. 
A proporção P/O 
A cadeia transportadora de elétrons e a 
fosforilação oxidativa 
A ATP sintase e os translocadores 
 A maior parte do ATP 
gerado na matriz 
mitocondrial pela 
fosforilação oxidativa é 
utilizado no citosol 
 
 A MMI contém um 
translocador de ADP-
ATP (ou adenina-
nucleotídeo translocase) 
que transporta o ATP 
para fora da matriz em 
troca do ADP produzido 
no citosol – sistema 
antiporte 
A regulação da fosforilação oxidativa 
 Quando a fosforilação oxidativa é mínima, no estado de repouso, 
o gradiente eletroquímico na MMI acumula-se e impede a 
continuação do bombeamento de prótons, inibindo o transporte 
de elétrons, fazendo com que o pH no espaço intermembrana 
diminua 
 
 Quando a síntese do ATP aumenta, o gradiente eletroquímico é 
dissipado, permitindo o reinício do transporte de elétrons 
Lista de exercícios 
1. Fale sobre a importância para o metabolismo energético, das moléculas 
que são passíveis de oxidar ou reduzir. Dê exemplos de reações de óxido-
redução envolvendo tais moléculas. 
2. Resuma a teoria quimiosmótica. Qual a importância? 
3. De que maneira os elétrons do NADH são transportados até a matriz 
mitocondrial? 
4. Como funciona o translocador de ATP-ADP? 
5. Resuma as etapas da cadeia transportadora de elétrons do NADH ao 
oxigênio. 
6. Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa são o mesmo processo? 
Explique. 
7. Como a estrutura mitocondrial contribui para o metabolismo aeróbico, 
particularmente para a integração do ciclo de Krebs e do transporte de 
elétrons? 
8. Qual é a vantagem da existência de transportadores de elétrons móveis, 
além dos grandes complexos transportadores ligados à membrana? 
9. A ATP sintase mitocondrial é uma proteína integral de membrana? Porque 
ela pode ser considerada uma proteína motora? 
10. Por que é difícil determinar um número exato para razões P/O?