AULA Cadeia respiratoria

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Fosforilação Oxidativa 
e 
Cadeia Respiratória 
Fosforilação Oxidativa e Fotofosforilação 
 
Fosforilação oxidativa - Degradação de carbohidratos, gorduras e 
aminoácidos convergem para o estágio final da respiração celular, 
na qual a energia de oxidação dirige a síntese de ATP. 
Redução de O2 a H2O com os elétrons doados pelo NADH e FADH2, 
ocorre tanto no claro como no escuro. Em eucariotos na 
mitocôndria. 
 
Fotofosforilação – organismos fotossintetizantes capturam a energia 
solar e a utilizam para a síntese de ATP. Envolve oxidação de H2O a 
O2 com NADP+ como o último aceptor de elétrons, é absolutamente 
dependente da energia da luz. Ocorre nos cloroplastos. 
Fosforilação Oxidativa e Fotofosforilação 
 
Estes processos são, fundamentalmente, similares: 
 
1) Ambos – fluxo de elétrons através de uma cadeia de carreadores 
ligados à membrana; 
 
2) A energia livre liberada dos elétrons é acoplada ao transporte de H+ 
através da membrana, conservando a energia de oxidação como 
potencial eletroquímico transmembrana; 
 
3) O fluxo de prótons (favorável ao gradiente) através de um canal 
específico provê energia para a síntese de ATP. 
 ATP sintase, complexo na membrana – que acopla o fluxo de prótons 
com a fosforilação do ADP. 
Os três estágios do metabolismo 
Estágio 3 : Transporte 
de elétrons e 
fosforilação oxidativa 
Os elétrons são “canalizados” em aceptores universais de 
elétrons: Nucleotídeos de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou de 
flavinas (FMN ou FAD) 
Anatomia bioquímica da mitocôndria 
Permeável à pequenas moléculas e íons 
Impermeável à pequenas moléculas e 
íons, incluindo H+ 
Contêm os Complexos I-IV 
ADP-ATP-translocase 
ATP-sintase (F0F1) 
Ciclo do Ácido Cítrico 
β-oxidação dos Ácidos Graxos 
Enzimas de Oxidação de Aminoácidos 
Anatomia bioquímica da mitocôndria 
1948 – Eugene Kennedy e Albert 
Lehninger – mitocôndria como o sítio 
da Fosforilação oxidativa em 
eucariotos. 
Uma única mitocôndria pode conter até 
10 000 conjuntos de sistemas de 
transporte de elétrons (cadeias 
respiratórias) e ATP-sintases. 
 
Mitocôndrias do coração – maior área de 
cristas – até 3x + conjuntos de sistemas de 
transporte, p.ex. comparada à 
mitocôndrias do fígado. 
Fosforilação Oxidativa – Visão Geral 
Fosforilação Oxidativa – Visão Geral 
1961 – Peter Mitchell 
Teoria Quimiosmótica 
Diferenças transmembrana na 
concentração de prótons, servem de 
reservatório para a energia extraída 
das reações biológicas de oxidação. 
 
 
Força próton-motriz 
É a separação de cargas através da 
membrana mitocondrial interna. 
Força próton motriz – membrana mitocondrial interna separa dois componentes de 
diferentes [H+], resulta em diferenças na concentração química (∆pH) e distribuição de 
carga (∆Ψ) através da membrana. O efeito líquido é a força próton – motriz (∆G). 
A energia estocada no sistema, força próton motriz, possui dois componentes 
Fosforilação Oxidativa – Visão Geral 
Complexos I ao IV 
Aceptores universais de elétrons 
Os elétrons são canalizados para aceptores universais de elétrons 
 
 
1) Desidrogenases ligadas a nucleotídeos de nicotinamida 
 
2) Flavoproteínas 
 
 
3) Ubiquinona 
 
4) Dois tipos de proteína contendo Ferro: 
 
4.1 citocromos 
4.2 proteínas ferro-enxôfre 
1) Desidrogenases ligadas a nucleotídeos de nicotinamida - NAD(P)+ 
 
- localização: citosol, mitocôndria ou ambos. 
 
Substrato reduzido NAD+ ↔ substrato oxidado NADH+ + H+ 
Substrato reduzido NADP+ ↔ substrato oxidado NADPH+ + H+ 
 
NADH e NADPH são carreadores de elétrons, solúveis em H2O e 
associam-se reversivelmente com as desidrogenases. 
 
NADH – carrega eletróns de reações catabólicas para cadeia respiratória. 
 
NADPH – geralmente supre elétrons para reações anabólicas. 
 
 NADH ou NADPH – Não atravessam a membrana mitocondrial 
interna, mas seus elétrons podem ser “bombeados” indiretamente para a 
mitocôndria (Lançadeira Malato-Aspartato). 
Os elétrons são canalizados para aceptores universais de elétrons 
2) Flavoproteínas 
 
Contém um nucleotídeo de flavina (FMN ou FAD) fortemente (às vezes 
covalentemente) ligado. 
 
O potencial de redução padrão de um nucleotídeo flavina depende da 
proteína a qual ele esteja associado. 
Potencial de redução padrão é uma medida 
quantitativa da tendência relativa de uma 
espécie química de aceitar elétrons em uma 
reação de oxi-redução. 
2) Flavoproteínas 
 
O nucleotídeo de flavina oxidado pode aceitar: 
 
 
 
 
 
 
 
 
1 elétron Semi-quinona 
 
 
2 elétrons FADH2 ou FMNH2 
3) Ubiquinona 
 
- Quinona hidrofóbica (coenzima Q ou Q) – benzoquinona solúvel em 
lipídeos, com longa cadeia isoprenóide. (Plastoquinona em plantas e 
menaquinona em bactérias). 
 
 Ubiquinona pequena e hidrofóbica – difunde-se livremente na 
membrana mitocondrial interna – capaz de movimentar equivalentes 
redutores entre outros carreadores de elétrons menos móveis na 
membrana. 
 
 Por transportar elétrons e prótons, desempenha um papel central e 
acoplar o fluxo de elétrons ao movimento de prótons. 
 
 
Ubiquinona (Q ou Coenzima Q) 
A completa redução requer dois 
elétrons e dois prótons 
4) Dois tipos de proteína contendo Ferro 
 
4.1. Citocromos 
 
são proteínas que absorvem fortemente a luz visível, devido aos seu 
grupos prostéticos heme contendo ferro. 
 
 A mitocôndria contém 3 classes de citocromos (a, b e c) que 
distinguem-se pela diferença na absorção no espectro de luz. 
 
Em geral são proteínas integrais de membrana. Exceção Citocromo c 
da mitocôndria – proteína solúvel que se associa a superfície externa 
da membrana interna, por interações eletrostáticas. 
 
 
4.1. Citocromos Grupos prostéticos Heme dos citocromos 
Ligados não covalentemente 
Ligado Covalentemente 
Anéis contendo N em estrutura 
cíclica - chamada Porfirina. 
Longa cadeia isoprenóide 
Elétrons facilmente 
excitáveis – Forte 
adsorção da luz 
Cada citocromo em sua forma reduzida (Fe2+) possui 3 bandas e 
absorção no visível. 
Citocromo c na forma oxidada (vermelho) e reduzida (azul). 
4) Dois tipos de proteína contendo Ferro 
 
4.2 proteínas ferro-enxôfre 
 
o Ferro está presente em associação com átomos de S inorgânico ou 
com S de cisteínas da proteína ou ambos. 
 
Participam da transferência de um elétron, na qual o átomo de Fe do 
complexo Fe-S é oxidado ou reduzido. 
 
Pelo menos oito proteínas Fe-S participam da transferência 
mitocondrial de elétrons. 
 
Ferredoxina de 
cianobactéria Anabaena 
7120 (2Fe-2S) – S 
inorgânico em amarelo, S 
da Cys em laranja. 
Ferro em vermelho 
Potencial de redução 
destas 
proteínas varia de -0,65 a 
+ 0,45 
dependendo do 
microambiente do 
ferro dentro da proteína. 
4.2 proteínas ferro-enxôfre 
Sequência de movimento dos elétrons na cadeia respiratória 
NADH ou outro doador primário de elétrons 
 
Flavoproteínas 
 
Ubiquinona 
 
Proteínas Ferro-Enxofre 
 
Citocromos 
 
O2 
 
Elétrons tendem a fluir espontaneamente de carreadores de mais baixo 
potencial para carreadores de mais alto potencial (E´o): 
 NAD →Q →citocromo b →citocromo c1 →citocromo c →citocromo 
a →citocromo a3 →O2 
1º método – Medidas dos potencias de redução - determinadas 
experimentalmente 
Cinética de Oxidação 
Citoc b 
2º método – Redução da cadeia (provendofonte de elétrons, mas não o aceptor 
O2). Introduz-se O2 e verifica-se a oxidação dos componentes (medido por 
espectroscopia) 
NAD →Q →citocromo b →citocromo c1 →citocromo c →citocromo a 
→citocromo a3 →O2 
Citoc c1 
Citoc c 
Citoc a e a3 
A taxa com a qual cada 
carreador de elétrons se 
torna oxidado, revela a 
ordem em que os 
carreadores funcionam 
3º. Método - Inibidores da Cadeia respiratória 
Agentes que inibem o fluxo de elétrons e têm sido usados em combinação com 
medidas do grau de oxidação de cada componente. 
Na presença de O2 e um doador de elétrons 
Carregadores antes do bloqueio = reduzidos, após o bloqueio = oxidados 
Separação funcional dos 
complexos da cadeia respiratória 
1) Membrana mitocondrial externa – 
remoção por tratamento com detergente 
digitonina; 
 
2) Fragmentos da membrana interna obtidos 
por ruptura osmótica da mitocôndria; 
 
3) Os fragmentos são tratados com novo 
detergente suave; 
 
4) Mistura das proteínas da membrana 
interna é submetida à cromatografia de troca 
iônica. 
Complexos da cadeia respiratória 
NAD desidrogenase 
Complexo 1 
Succinato desidrogenase 
Complexo II 
Ubiquinona, citoc.c 
Oxiredutase 
Citocromo c – 
Complexo III 
Citocromo oxidase 
Complexo IV 
Ubiquinona 
Complexo I é uma bomba de prótons que usa a energia do transporte 
de elétrons. 
 
A reação é vetorial, isto é, move prótons em direção específica (da 
matriz que torna-se mais negativa - N) para o espaço intermembrana 
(que torna-se mais positivo - P) . 
 
Complexo I = NADH à ubiquinona 
NADH-desidrogenase 
Flavoproteína 
Complexo I = NADH à ubiquinona 
Ubiquinona oxidorredutase 
+ 
Transferência de 4 prótons da matriz 
para o espaço intermembrana 
Bloqueando o processo global da 
 fosforilação oxidativa 
Complexo II = succinato à ubiquinona 
Succinato-desidrogenase 
• Succinato desidrogenase - a única enzima ligada à membrana no ciclo de 
Krebs ou ciclo do ácido cítrico. 
• Menor e mais simples que complexo I, contem dois tipos de grupos 
prostéticos e pelo menos 4 diferentes proteínas. Contem FAD e centros 
• Fe-S 
Elétrons passam do FAD para centro 
Fe-S e então para ubiquinona 
Complexo II = succinato à ubiquinona 
Succinato-desidrogenase 
Sítio de ligação para 
 a Ubiquinona 
Elétrons passam do FAD para 
centro Fe-S e então para 
ubiquinona 
 
Distâncias individuais de 
transferência dos elétrons de 
11A 
Move os elétrons que “vazam” ao O2 
Reduz as ERO 
Complexo III –acopla a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) 
para citocromo c com transporte vetorial de prótons da matriz para o 
espaço transmembrana 
 
Ciclo Q – Absorção de dois prótons da matriz e liberação de quatro 
prótons no espaço intermembranas 
Complexo III – Ubiquinona para citocromo c 
Ubiquinona-citocromo c oxidorredutase 
Complexo III 
Dímero 
 
Citocromo C 
Proteína solúvel 
Recebe o elétron do 
CIII e move-se para o 
CIV 
Complexo III – Ubiquinona para citocromo c 
Ubiquinona-citocromo c oxidorredutase 
Complexo IV – também chamado citocromo oxidase. No final da cadeia 
respiratória citocromo c passa os elétrons ao O2, reduzindo-o para H2O. 
 
Transferência de elétrons e bomba de prótons. Contem íons cobre e grupos 
heme. 
 
A última reação deve ocorrer sem a liberação de intermediários que não são 
completamente reduzidos, como peróxido de hidrogênio ou radicais livres 
hidroxila, espécies muito reativas que danificariam os componentes 
celulares. Os intermediários permanecem fortemente ligados ao complexo, 
até serem convertidos em água. 
Complexo IV – Citocromo c para o O2 
Citocromo Oxidase 
Complexo IV é uma enzima 
grande, 
13 subunidades (Mr = 204.000) 
Complexo IV – Citocromo c para o O2 
Citocromo Oxidase 
Centro binuclear do Cu. Seis 
resíduos de aminoácidos são 
ligantes ao redor dos íons Cu 
A transferência de elétrons dá-
se do citocromo c para o centro 
CuA, para o heme a, para o 
centro de heme a-CuB e 
finalmente, para o O2 
Complexo IV – Citocromo c para o O2 
Citocromo Oxidase 
Sumário do fluxo de elétrons e de prótons através dos 4 
complexos da cadeia respiratória. 
A transferência de 2 elétrons do NADH para o oxigênio através da cadeia respiratória: 
 
NADH + H+ + ½ O2 →NAD+ + H2O (reação altamente exergônica) 
∆G´o = - 220 kJ/mol (de NADH). 
A maior parte dessa energia é usada para bombear prótons para fora da matriz 
Vídeo!!! 
Espécies reativas de oxigênio são geradas durante a fosforilação 
Oxidativa. 
O2 + e- 
 . O2- 
 
- Radical superóxido altamente reativo, sua formação também leva à 
produção do radical livre hidroxila, . OH, ainda mais reativo. 
 
- Espécies reativas de oxigênio podem provocar danos: reage com enzimas, 
lipídeos de membranas e ácidos nucleicos os danificando. 
- Em mitocôndrias (1 a 4 % do O2 usado na respiração) formam 
. O2- 
gerando efeitos letais, a menos que seja rapidamente descartado. 
 
Formação de ERO (espécies reativas de O2) é favorecida quando: 
 a) mitocôndrias não estão produzindo ATP (por falta de ADP ou de O2) – 
alta força próton motriz (elevada QH2/Q), 
b) alta razão NADH/NAD+ na matriz – estresse oxidativo (mais elétrons 
disponíveis para a cadeia respiratória que a capacidade da cadeia respiratória 
de levá-los até O2). 
A superprodução de ERO é prejudicial, mas baixos níveis de ERO são úteis à 
celula, como sinalizadores. 
Para impedir o dano oxidativo… as células possuem alguns mecanismos: 
 
 A enzima superóxido dismutase: 
 
 2 . O2- + 2 H+  H2O2 +O2 
 
 O Peróxido de hidrogênio gerado (H2O2) torna-se inofensivo pela ação da enzima 
 
 Glutationa-peroxidase: 
 H2O2  H2O 
 
 A glutationa redutase 
recicla a glutationa oxidada 
 
GSSG  2GSH 
usando elétrons do NADPHNADP 
 
 
ATP-sintase 
ATP-sintase tem dois 
domínios funcionais, 
Fo (laranja) e F1 
Sítio Catalítico 
 Eixo Centra 
ATP-sintase 
O ATP é estabilizado em relação ao ADP na 
superfície de F1 
ATP-sintase 
H+ 
Espaço intermembrana (Lado P) 
Matriz (Lado N) 
Catálise rotacional 
ATP-sintase 
H+ 
Espaço intermembrana (Lado P) 
Matriz (Lado N) 
Mudança de 
conformação 
Catálise rotacional 
ATP-sintase 
H+ 
Espaço intermembrana (Lado P) 
Matriz (Lado N) 
Liberação do ATP 
Aproximação de ADT + Pi 
Catálise rotacional 
Desacopladores da fosforilação oxidativa. 
Desacopladores químicos incluem 
DNP, FCCP e 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 
A força próton-motriz energiza o transporte ativo. 
A força próton-motriz governa vários processos de transporte essenciais à 
fosforilação oxidativa. 
 
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. 
A força próton-motriz energiza o transporte ativo. 
A adenina-nucleotideo-
translocase, liga ADP3- no 
espaço intermembrana e o 
transporta para a matriz, em 
troca de uma molécula de 
ATP4- 
 
sua atividade é favorecida 
pelo gradiente eletroquímico 
transmembrana 
A forçapróton-motriz energiza o transporte ativo. 
Fosfato-translocase, que 
promove o simporte de um 
H2PO4- e um H+ para a 
matriz 
 
Esse processo de transporte 
também é favorecido pelo 
gradiente de prótons 
transmembrana 
Sistemas de lançadeiras 
 
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? 
 
Sistemas especiais de lançadeiras carregam equivalentes redutores do 
NADH citosólico para as mitocôndrias por uma via indireta. 
 
 
Lancadeira do malato-aspartato: mitocôndrias de fígado, rim e coração 
 
Lancadeira do glicerol-3-fosfato: músculo esquelético e o encéfalo 
Lançadeira Malato-Aspartato – transporta equivalentes redutores do NADH 
citosólico para a matriz mitocondrial. Presente no fígado, rim e coração. 
Lançadeira glicerol fosfato – entregar os equivalentes redutores do NADH para a 
ubiquinona e, então, para o complexo III, não o complexo I 
Regulação das vias 
de produção de ATP 
Sempre que o consumo de ATP 
aumenta, as velocidades da cadeia 
transportadora de elétrons e da 
fosforilação oxidativa aumentam. 
 
Simultaneamente, a velocidade de 
oxidação do piruvato pelo ciclo do 
ácido cítrico aumenta, elevando o 
fluxo de elétrons na cadeia 
respiratória. 
 
Quando a conversão de ADP em 
ATP reduz a concentração de ADP, o 
controle pelo aceptor diminui a 
transferência de elétrons e, assim, a 
fosforilação oxidativa.