Fosforilação Oxidativa - Parte 1

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DEFINA O TERMO FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA. ONDE OCORRE ESTE PROCESSO?
É a culminação do metabolismo produtor de energia em organismos aeróbios. Todos os passos oxidativos na degradação de carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para esse estágio final da respiração celular, onde a energia da oxidação governa a síntese de ATP
Em eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre nas matriz mitocondrial (membrana interna da mitocôndria)
A fosforilação oxidativa e a fotofosforilação têm mecanismos semelhantes em três aspectos:
(1) Os dois processos envolvem o fluxo de elétrons por meio de uma cadeia de transportadores da membrana
(2) a energia livre que se torna disponível por esse fluxo de elétrons “montanha abaixo” (exergônico) é acoplada ao transporte “montanha acima” de prótons através de uma membrana impermeável a prótons, conservando a energia livre da oxidação do combustível na forma de um potencial eletroquímico transmembrana 
(3) o fluxo transmembrana de retorno dos prótons a favor de seu gradiente de concentração por canais proteicos específicos fornece a energia livre para a síntese de ATP, catalisada por um complexo proteico presente na membrana (ATP-sintase), que acopla o fluxo de prótons à fosforilação do ADP.
Reações de transferência de elétrons em mitocôndrias
A membrana mitocondrial externa é prontamente permeável a moléculas pequenas e a íons, que se movem livremente por canais transmembrana, formados por uma família de proteínas integrais de membrana chamadas de porinas.
A membrana mitocondrial interna é impermeável à maioria das moléculas pequenas e dos íons, incluindo prótons (H+). Essa membrana também aloja os componentes da cadeia respiratória e a ATP-sintase.
A matriz mitocondrial contêm o complexo da piruvato-desidrogenase e todas as vias de oxidação de combustível, exceto a glicólise, que ocorre no citosol 
CITE OS COMPONENTES MITOCONDRIAIS DA CADEIA RESPIRATÓRIA E EXPLIQUE SUA FUNÇÃO NA TRANSFERÊNCIA DE ELÉTRONS. CITE OS CARREADORES DE ELÉTRONS QUE PARTICIPAM DO PROCESSO.
Elétrons são canalizados para aceptores universais de elétrons
A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória. A maioria desses elétrons surge da ação das desidrogenases, que coletam elétrons das vias catabólicas e os canalizam para aceptores universais de elétrons - NAD ou NADP (nicotinamida), FMN ou FAD (flavina)
Desidrogenases ligadas a nucleotídeos de nicotinamida catalisam reações reversíveis dos seguintes tipos gerais: 
Substrato reduzido + NAD ↔ substrato oxidado + NADH + H1
Substrato reduzido + NADP ↔ substrato oxidado + NADPH + H1
A maioria das desidrogenases que agem no catabolismo é específica para NAD+ como aceptor de elétrons
Desidrogenases ligadas ao NAD+ removem dois átomos de hidrogênio de seus substratos. Um deles é transferido como íon hidreto (:H-) ao NAD+; o outro é liberado como H+ no meio
NADH e NADPH são carregadores de elétrons solúveis em água, que se associam reversivelmente com desidrogenases.
NADH: carrega elétrons das reações catabólicas até seu ponto de entrada na cadeia respiratória
NADPH: geralmente supre elétrons para reações anabólicas
Nenhum desses nucleotídeos pode atravessar a membrana mitocondrial interna, mas os elétrons que eles carregam podem ser lançados através dela indiretamente
Flavoproteínas contêm um nucleotídeo de flavina, FMN ou FAD, muito fortemente ligado, às vezes de forma covalente. O nucleotídeo de flavina oxidado pode aceitar um elétron ou dois.
A transferência de elétrons ocorre porque a flavoproteína tem um potencial de redução maior do que o composto oxidado. O pot dela depende da proteína com a qual está associada. 
O potencial de redução padrão relevante é, portanto, aquele da flavoproteína em particular e não o do FAD ou FMN isolados. 
O nucleotídeo de flavina deve ser considerado parte do sítio ativo da flavoproteína, em vez de um reagente ou produto na reação de transferência de elétrons. Como as flavoproteínas participam de transferências de um ou dois elétrons, elas servem de intermediários entre reações nas quais dois elétrons são doados (como em desidrogenações) e aquelas nas quais um elétron é cedido
Os elétrons passam por uma série de carregadores ligados à membrana
Ocorrem três tipos de transferência de elétrons na fosforilação oxidativa:
Transferência direta de elétrons, como na redução de Fe3+ a Fe2+
Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-)
Transferência como um íon hidreto (:H-), que tem dois elétrons
Equivalente redutor: designa um único elétron equivalente transferido em uma reação de oxidação-redução
Ubiquinona: ou coenzima Q. Tipo de molécula carregadora de elétrons que funciona na cadeia respiratória. É solúvel. Pode atuar na junção entre um doador de dois elétrons e um aceptor de um elétron.
Ela é pequena e hidrofóbica, podem ser livremente difundida dentro da bicamada lipídica da membrana mitocondrial interna e movimentar equivalentes redutores entre outros carregadores de e- menos móveis da membrana. Pode aceitar: 
Um elétron se torna o radical semiquinona (QH)
Dois elétrons se torna ubiquinol (QH2)
Citocromo: proteínas com absorção caracteristicamente forte de luz visível, devido aos seus grupos prostéticos heme contendo ferro. 
As mitocôndrias têm três classes de citocromos, designados a, b e c, distinguidos por diferenças em seus espectros de absorção de luz
Cada tipo de citocromo em seu estado reduzido (Fe2+) tem três bandas de absorção na faixa visível
Cofatores Heme dos tipos a e b: forte, mas não covalentemente ligados ás suas proteínas associadas
Cofatores Heme do tipo c: covalentemente ligados por meio de resíduos de aminoácido (Cys)
Proteínas ferro-enxofre: ferro é ausente do heme, mas está associado com:
átomos de enxofre inorgânico ou
com átomos de enxofre dos resíduos de aminoácido (Cys) na proteína ou
com ambos
Proteínas ferro-enxofre de Rieske tem um átomo de ferro combinado com dois resíduos do aminoácido His, ao invés de resíduos de Cys
Todas as proteínas ferro-enxofre participam de transferências de um elétron, nas quais um átomo de ferro do aglomerado ferro-enxofre é oxidado ou reduzido.
Na reação global catalisada pela cadeia respiratória, os elétrons se movem:
Doador 1º de e- carregadores de e- O2
Os elétrons tendem a fluir espontaneamente de carregadores de E’° menores para carregadores de E’° maiores. A ordem dos carregadores deduzida por este método é: 
NADHQcitocromo bcitocromo c1citocromo ccitocromo acitocromo a3O2
Quando o O2 é repentinamente introduzido no sistema, a taxa com a qual cada carregador de elétrons se torna oxidado revela a ordem em que os carregadores funcionam.
Os carregadores de elétrons atuam em
complexos multienzimáticos
Na membrana mitocondrial interna, há quatro complexos carregadores, cada um catalisando a transferência de elétrons por uma parte da cadeia
Complexo I: NADH à ubiquinona (NADH-desidrogenase)
É um bombeador de prótons que utiliza a energia da transferência de elétrons e catalisa uma reação vetorial: move prótons em uma direção especifica de um local até o outro.
Catalisa a transferência exergônica para a ubiquinona de um ion hidreto do NADH e de um protón da matriz
Catalisa a transferência endergônica de quatro prótons da matriz para o espaço intermembrana
Complexo II: succinato à ubiquinona (succinato-desidrogenase)
É a única enzima do ciclo do ácido cítrico ligada à membrana
Menor e mais simples que o complexo I
Tem subunidades C e D, que são proteínas integrais da membrana. Elas contêm um grupo heme, heme b e sítio de ligação para a ubiquinona
Tem subunidades A e B, que se estendem para a matriz. Elas contêm um sitio de ligação para o succinato, que é o substrato. 
Complexo III: ubiquinona à citocromo c (ubiquinona: citocromo c-oxidorredutase)
Acopla a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte vetorial de prótons da matriz para o espaço intermembranaCiclo Q: acomoda a troca entre o carregador de dois elétrons ubiquinol (a forma reduzida da ubiquinona) e os carregadores de um elétron – hemes bL e bH do citocromo b e citocromos c1 e c – e resulta na absorção de dois prótons na matriz e a liberação de quatro prótons no espaço intermembrana por par de elétrons que passa para o citocromo c pelo complexo III.
Dois prótons liberados no espaço intermembrana são eletrogênicos e os outros dois são eletroneutros, balanceados pelos dois elétrons passados ao citocromo c.
Resultado do Ciclo Q: QH2 é oxidado a Q, duas moléculas de citocromo c são reduzidas, e prótons são movidos do espaço intermembrana para a matriz
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 c à O2 (citocromo-oxidase)
O complexo carrega elétrons do citocromo para o oxigênio molecular, reduzindo ele a H2O.
Esta redução do O2 por quatro elétrons envolve centros redox que carregam apenas um elétron por vez, e ela deve ocorrer sem a liberação de intermediários que não são completamente reduzidos
Os intermediários permanecem fortemente ligados ao complexo, até serem completamente convertidos em água
É uma enzima grande, da membrana mitocondrial interna.
Tem três subunidades essenciais para o seu funcionamento: 
Subunidade II mitocondrial tem dois íons cobre, complexados com os grupos -SH de dois resíduos de Cys em um centro binuclear que lembra os centros das proteínas ferro-enxofre
Subunidade I: contém dois grupos heme, designados a e a3, e um outro íon cobre (CuB).
Heme a3 e CuB formam um segundo centro binuclear que aceita elétrons de heme a e os transfere ao O2 ligado ao heme a3
Caminho da transferência de elétrons: 
Citocromo c centro de CuA heme a centro de heme a3-CuB heme a3
Para cada quatro elétrons que passam por complexo, a enzima consome quatro “substratos” H+ da matriz na conversão de O2 a 2H2O.
Também usa a energia dessa reação redox pra bombear um próton pra fora, em direção ao espaço intermembrana, para cada elétron que passa, contribuindo para o potencial eletroquímico produzido pelo transporte de prótons possibilitado pela energia dessas reações redox pelos complexos I e III
Os complexos mitocondriais podem se associar
em respirassomos
Respirassomos: combinações funcionais de dois ou mais complexos de transferência de elétrons diferentes.
A cinética do fluxo de elétrons pela série de complexos respiratórios seria muito diferente nos dois casos extremos de firme associação versus não associação:
Se os complexos fossem firmemente associados, as transferências de elétrons ocorreriam essencialmente através de um estado sólido
Se os complexos funcionassem separadamente, os elétrons seriam carregados entre eles pela ubiquinona e o citocromo c.
Cardiolipina: lipídio especialmente abundante na membrana mitocondrial interna, pode ser essencial para a integridade dos respirassomos
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
A maior parte dessa energia é usada para bombear prótons para fora da matriz. Para cada par de elétrons transferido para o O2, quatro prótons são bombeados para fora pelo complexo I, quatro pelo complexo III e dois pelo complexo IV
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
Força próton-motriz: é a energia estocada. Tem dois componentes:
Energia Potencial Química: devido à diferença de concentração de uma espécie química (H1) nas duas regiões separadas pela membrana;
Energia Potencial Elétrica: resultante da separação de cargas quando um próton se move através da membrana sem um contra-íon
Quando os prótons fluem espontaneamente a favor de seu gradiente eletroquímico, energia se faz disponível para realizar trabalho.
Em mitocôndrias, cloroplastos e bactérias aeróbias, a energia eletroquímica do gradiente de prótons impulsiona a síntese de ATP a partir de ADP e P1.
Espécies reativas de oxigênio são geradas durante
a fosforilação oxidativa
A passagem de elétrons de QH2 ao complexo III e a passagem de elétrons dos complexos I e II ao QH2 envolvem o radical •Q como intermediário. O •Q- pode, com baixa probabilidade, passar um elétron ao O2, gerando um radical livre superóxido, que é altamente reativo.
A formação desse radical também leva à produção do radical livre hidroxila, •OH, ainda mais reativo
A formação de ERO (espécies reativas de Oxigênio) é favorecida quando duas condições são satisfeitas:
As mitocôndrias não estão produzindo ATP (por falta de ADP ou de O2) e, portanto, têm grande força próton-motriz e elevada razão QH2/Q
Há uma alta razão NADH/NAD+ na matriz.
Nessas situações, a mitocôndria está sob estresse oxidativo – tem mais elétrons disponíveis para entrar na cadeia respiratória do que aquele número que pode imediatamente atravessar até o oxigênio
Quando o suprimento de doadores de elétrons (NADH) é equiparado àquele de aceptores de elétrons, existe menos estresse oxidativo e a produção de ERRO é muito reduzida.
Para impedir o dano oxidativo induzido pelo ERRO, as células tem formas diversas da enzima superóxido-dismutase, que gera peróxido de hidrogênio, posteriormente degradado pela glutationa-peroxidase. 
Podem ser gerados por:
Transporte de elétrons
Reações enzimáticas celulares
Reação de O2 com íons metálicos
Tem relação com infarto do miocárdio.