Fosforilação Oxidativa

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Fosforilação Oxidativa
Prof Dra Naiara Stefanello
Onde Ocorre?
 MITOCÔNDRIAS: sítios da
fosforilação oxidativa em eucariontes.
MEMBRANA MITOCONDRIAL EXTERNA: permeável a pequenas moléculas e íons.
MEMBRANA MITOCONDRIAL INTERNA: impermeável à maioria das pequenas moléculas e
íons, incluindo H+ = transportadores específicos.
Mitocôndria
Elétrons são canalizados para aceptores universais
de elétrons
INÍCIO DA 
FOSFORILAÇÃO 
OXIDATIVA: ENTRADA 
DE ELÉTRONS NA 
CADEIA RESPIRATÓRIA. 
ACEPTORES 
UNIVERSAIS 
DE 
ELÉTRONS
( NADH e 
FADH2)
Lembrando
FADH2
Na FO os elétrons (ē) passam por uma série de 
carreadores ligados a membrana
UBIQUINONA: Coenzima Q: benzoquinona
lipossolúvel – se difunde dentro da 
camada bilipídica da membrana.
CITOCROMOS: o citocromo c das mitocôndrias, 
proteína solúvel que se associa com a superfície 
externa da membrana interna por meio de 
interações eletrostáticas. 
Quais?
Na FO os elétrons (ē) passam por uma série de 
carreadores ligados a membrana Quais?
Proteínas Ferro-enxofre
Os carregadores de elétrons atuam 
em complexos multienzimáticos
Os complexos I e II catalisam a transferência de 
elétrons para a ubiquinona a partir de dois 
doadores de elétrons diferentes: NADH 
(complexo I) e succinato desidrogenase
(complexo II). 
O complexo III carrega elétrons da ubiquinona
reduzida para o citocromo c, e o complexo IV 
completa a sequência, transferindo elétrons do 
citocromo c para o O2. 
R
es
u
m
in
d
o
...
Complexo I: NADH-desidrogenase ou NADH:ubiquinona-oxidoredutase
• O complexo I catalisa dois processos simultâneos e 
obrigatoriamente acoplados: 
• (1) a transferência exergônica para a ubiquinona de um 
íon hidreto do NADH e de um próton da matriz, expressa 
por
• (2) a transferência endergônica de quatro prótons da 
matriz para o espaço intermembrana. 
Complexo II: Succinato-desidrogenase
ē vão do succinato a Q
Essa enzima é a responsável pelo 
vazamento de elétrons e a produção de 
espécies reativas de oxigênio.
Complexo III: Complexo de citocromo BC1
Transfere os ē da Q para o citocromo c
• QH2 é oxidado a Q, duas moléculas de
citocromo c são reduzidas, e prótons são 
movidos do lado P para o lado N. 
• O citocromo c é uma proteína solúvel do espaço 
intermembrana. Depois que seu único heme 
aceita um elétron do complexo III, o citocromo c 
move-se para o complexo IV para doar o elétron 
para um centro de cobre binuclear. 
Complexo IV: Citocromo-oxidase
Do Cit c para o O2
• Para cada quatro elétrons que passam por 
complexo, a enzima consome quatro 
“substratos” H1 da matriz (lado N) na 
conversão de O2 a 2H2O.
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 da transferência 
de elétrons. A energia 
estocada nesse gradiente, 
chamada de força próton-
motriz
Síntese de ATP
Como ocorre a síntese de ATP através desse fluxo 
de ē?
A energia eletroquímica inerente à diferença de concentração de prótons e à separação de cargas 
através da membrana mitocondrial interna – a força próton-motriz – impulsiona a síntese de ATP, à 
medida que os prótons fluem passivamente de volta à matriz, por meio de um poro para prótons na 
ATP-sintase.
Experimentos para demonstrar o acoplamento da transferência de e- com a 
síntese de ATP nas mitocôndrias:
A adição de apenas ADP E Pi resulta num pequeno aumento da respiração ou da síntese de ATP.
 Quando succinato (substrato oxidável) é adicionado, a respiração inicia imediatamente e ATP é 
sintetizado.
 A adição de cianeto, bloqueia a transferência de elétrons entre a citocromo-oxidase (complexo IV) e o O2, 
inibindo tanto a respiração como a síntese de ATP.
Mitocôndrias providas de succinato respiram e sintetizam ATP somente quando ADP e Pi são 
adicionados.
 A adição de venturicidina ou oligomicina (antibióticos tóxicos inibidores da ATP-sintase) bloqueia a 
síntese de ATP e a respiração.
 Dinitrofenol (DNP) é um desacoplador, permitindo que a respiração continue sem a síntese de ATP.
Desacopladores químicos 
da fosforilação oxidativa:
Ácidos fracos com propriedades hidrofóbicas 
que lhes permitem difundir prontamente 
através das membranas mitocondriais. 
Depois de entrarem na matriz na forma 
protonada, eles podem liberar um próton, 
assim dissipando o gradiente de prótons. 
In
ib
id
o
re
s
ATP-sintase
A ATP-sintase tem dois domínios funcionais: Fo 
e F1
F1: proteína periférica de
membrana.
Fo: (sensível a oligomicina)
proteína integral à membrana.
O gradiente de 
prótons impulsiona 
a liberação de ATP a 
partir da superfície 
da enzima!
Porção F1
O F 1 mitocondrial tem nove subunidades de 
cinco diferentes tipos, com a composição 
a3b3γδε. Cada uma das três subunidades b 
tem um sítio catalítico para a síntese de ATP. 
Conformações: 
β-vazia
β- ATP
β- ADP+Pi
A catálise rotacional é a chave para o 
mecanismo de alteração na ligação durante 
a síntese de ATP
O mecanismo da CATALISE ROTACIONAL propõe que os 3 
sítios da F1 giram catalisando a síntese de ATP.
Quando uma subunidade assume a conformação β vazia , sua 
vizinha assume a conformação β- ADP e a próxima β-ATP.
Uma rotação completa provoca uma mudança nas 3 
conformações β possíveis, 3 ATP são sintetizados. 
A subunidade muda para a conformação b-vazio, que tem 
baixa afinidade por ATP, e o ATP recém-sintetizado deixa a 
superfície da enzima.
As mudanças conformacionais importantes nesse 
mecanismo são desencadeadas pela passagem de 
prótons pela porção Fo da ATP-sintase.
Razão P/O
• O numero de prótons bombeados para fora 
por par de elétrons são: 
O numero mais aceito de prótons que 
requeridos para a síntese de ATP é 4.
Então:
NADH: 10/4 = 2,5 ATPs
FADH2: 6/4 = 1,5 ATPs
Outras funções da: A força próton-motriz 
energiza o transporte ativo
• A membrana mitocondrial interna geralmente é 
impermeável a espécies carregadas, mas dois 
sistemas específicos transportam ADP e Pi para 
dentro da matriz e ATP para o citosol.
• Adenina-nucleotídeo-translocase: Como esse 
antiportador move quatro cargas negativas para 
fora para cada três que são movidas para dentro, 
sua atividade é favorecida pelo gradiente 
eletroquímico transmembrana, que confere à 
matriz uma carga líquida negativa; a força próton-
motriz propicia a troca ATP-ADP. 
• Fosfato-translocase: que promove o transporte 
de um H2PO4
_ e um H+ para a matriz. Observe que 
o processo requer o movimento de um próton do 
lado P para o lado N da membrana interna, 
consumindo alguma energia da transferência de 
elétrons. 
SISTEMA LANÇADEIRAS FAZEM ESSE TRANSPORTE INDIRETO: SISTEMA 
LANCADEIRA MALATO-ASPARTATO.
A NADH-desidrogenase da membrana mitocondrial interna pode 
aceitar elétrons somente do NADH na matriz. Considerando que a 
membrana interna não é permeável a NADH, como o NADH gerado pela 
glicólise no citosol pode ser reoxidado a NAD+ pelo O2 ao longo da
cadeia respiratória?
O OAO precisa ser 
regenerado então 
através de reações de 
transaminação
atravessa a membrana 
por um transportador 
Lançadeira do Glicerol-3-fosfato
Cérebro e músculo esquelético
Os equivalentes redutores do NADH vão direto para a 
ubiquinona e, então, para o complexo III, não o complexo I, o 
que transfere somente 6H+ e não 10H+, proporcionando 
energia suficiente apenas para sintetizar 1,5 molécula de 
ATP por par de elétrons.
Regulação da fosforilação 
oxidativa
Resultado para a oxidação de 1 molécula de Glicose
As vias oxidativas aeróbias que resultam na transferência de elétrons aoO2 acompanhada da 
fosforilação oxidativa são responsáveis pela grande maioria do ATP produzido no catabolismo, de 
forma que é absolutamente essencial a regulação da produção de ATP pela fosforilação oxidativa, 
para se ajustar às necessidades celulares flutuantes da demanda por ATP.
A fosforilação oxidativa é regulada pelas 
necessidades celulares de energia
• Limitada pela disponibilidade de ADP como substrato para a fosforilação. 
A concentração intracelular de ADP é uma 
medida do estado energético das células. 
• Outra medida relacionada é a razão massa-ação do sistema ATP-ADP, 
[ATP]/([ADP][Pi]). 
[ATP]
[ADP][Pi] 
Normalmente
Quando há 
necessidade da 
célula desse 
consumo de 
ATP essa razão 
baixa
[ATP]
[ADP][Pi] 
Leva a um 
aumento na 
atividade da 
ATP sintase e 
da cadeia 
transportadora 
de elétronsOBS: O ATP é formado na mesma medida que ele é consumido.
As concentrações relativas de ATP e ADP controlam não 
somente as taxas de transferência de elétrons e a 
fosforilação oxidativa, mas também as velocidades do ciclo 
do ácido cítrico, da oxidação do piruvato e da glicólise
O desacoplamento em mitocôndrias do tecido 
adiposo marrom produz calor
No tecido adiposo, as mitocôndrias geram calor para
proteger órgãos vitais da baixa temperatura do ambiente.
A maioria dos mamíferos recém-nascidos, incluindo
os humanos, tem um tipo de tecido adiposo chamado de 
tecido adiposo marrom, no qual a oxidação de 
combustível serve não para produzir ATP, mas para gerar
calor para manter o recém-nascido aquecido.
As mitocôndrias dos adipócitos marrons tem uma proteína 
singular na membrana interna. A termogenina, também 
chamada de proteína desacopladora 1, fornece uma via 
para os prótons retornarem à matriz sem passarem pelo 
complexo FoF1.
Calor
DÚVIDAS?
Questões
1) Quando o antibiótico valinomicina é adicionado a mitocôndrias que respiram ativamente, vários eventos 
acontecem: o rendimento de ATP diminui, a taxa de consumo de O2 aumenta, calor é liberado e o gradiente 
de pH através da membrana mitocondrial interna aumenta. A valinomicina age como um desacoplador ou 
como um inibidor da fosforilação oxidativa? 
2) Quando DCCD é adicionada à suspensão de mitocôndrias firmemente acopladas e respirando ativamente, a 
velocidade de transferência de elétrons (medida pelo consumo de O2) e de produção de ATP diminui 
drasticamente. Se uma solução de 2,4-dinitrofenol é agora adicionada ao preparado, o consumo de O2 
retorna ao normal, mas a produção de ATP permanece inibida. 
(a) Qual processo na transferência de elétrons ou na fosforilação oxidativa é afetado pela DCCD?
(b) Por que a DCCD afeta o consumo de O2 nas mitocôndrias? Explique o efeito do 2,4-dinitrofenol no 
preparado mitocondrial inibido.
(c) Qual dos seguintes inibidores mais se assemelha à DCCD em sua ação: antimicina A, rotenona ou 
oligomicina? 
3) A isocitrato-desidrogenase é encontrada apenas na mitocôndria, mas a malato-desidrogenase é encontrada
tanto no citosol quanto na mitocôndria. Qual o papel da malato-desidrogenase citosólica? 
4) Quando O2 é adicionado a uma suspensão anaeróbia de células 
consumindo glicose em alta velocidade, essa velocidade diminui 
marcantemente à medida que o O2 é consumido e o acúmulo de lactato 
cessa. Esse efeito, primeiramente observado por Louis Pasteur na década de 
1860, é característico da maioria das células capazes tanto de catabolismo 
aeróbio quanto anaeróbio da glicose.
(a) Por que o acúmulo de lactato cessa depois que o O2 é adicionado?
(b) Por que a presença de O2 diminui a taxa de consumo de glicose? 
5) Fale sobre a catalise rotacional
6) Qual a importância da cadeia transportadora de elétrons para a síntese 
de ATP?
7) Fale resumidamente da trajetória dos elétrons oriundos do NADH até 
alcançarem o O2?