FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

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Aula de Bioquímica Avançada
Tema:
Fosforilação Oxidativa
Cadeia transportadora de elétrons
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br
Fosforilação oxidativa
 Representa o fim das rotas metabólicas de produção de 
energia em organismos aeróbicos
- Representa o estágio 3 do processo
 Acoplamento da oxidação de NADH e FADH2 e síntese de 
ATP
- É o principal sítio de produção de ATP em organismos 
aeróbicos não fotossintetizantes 
- Envolve o consumo de O2 e formação de H20
Envolve a teoria Quimiosmótica proposta por 
Peter Mitchel 1961
Amplamente amparada experimentalmente
Nobel Prize 
Winner, 1978, 
Chemistry
Teoria Quimiosmótica
- Fluxo de elétrons por carreadores criam um gradiente de concentração de prótons na 
membrana mitocondrial
- A quebra deste gradiente está acoplada com a síntese de ATP
Fosforilação oxidativa
 Matriz mitocondrial
- Local de oxidações
- Ciclo de Krebs
- β-oxidação de lipídeos
- Oxidação de Aminoácidos
LOCAL: MITOCÔNDRIA
- Organela de eucariotos
 Possui duas membranas
 Membrana Mitocondrial externa - MME
- Permeável a pequenas moléculas
 Membrana Mitocondrial interna - MMI
- Impermeável a maioria das moléculas
- Inclusive H+
- Necessidade de transportadores 
de membrana
 Espaço intermembranal
-Cristas membranais
Mitocôndria
Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e 
FADH2 até O2 estão na MMI
A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela CTE
Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas 
integrais de membrana
Fosforilação oxidativa
LOCAL: MITOCÔNDRIA
A MMI contém proteínas que acoplam processos:
Fluxo de elétrons (favorável) com o fluxo de prótons (desfavorável);
Fluxo de prótons (favorável) a fosforilação oxidativa (desfavorável);
Os elétrons passam por uma série de carreadores
MMI
-~ 75% de proteínas: mais 
rica em proteínas do que a 
MME
-É permeável a O2, CO2 e H2O 
- Contém proteínas de 
transporte que controlam a 
passagem de metabólitos, 
como ATP, ADP, o piruvato, o 
Ca2+ e o fosfato
A impermeabilidade da MMI para a maioria dos íons e 
metabólitos permite a formação de um gradiente de íons 
através dessa barreira
Resulta na compartimentalização das funções 
metabólicas entre o citosol e a mitocôndria
Fosforilação oxidativa
LOCAL: MITOCÔNDRIA
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
 Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2 até O2 estão na MMI
- A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela cadeia de transporte de elétrons
- Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas integrais de membrana
- Dependem dos grupos protéticos associados
 A sequência de carreadores de elétrons reflete seus potenciais de redução relativos
 O processo é exergônico
Transporte de e’
1) 1 e’  Fe3+ para Fe2+
2) 1 e’ + 1 H+
3) 2 e’ na forma de :H-
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
'
0E
Potencial de transferência de elétrons
= potencial de redução
= potencial redox
= potencial de oxidorredução
Forma oxidada (oxidante) →
Par redox
Forma reduzida (redutor) → 
X
−
X
H+ : H2
Potencial de redução = 0 V
Potencial de redução ˂ 0
A forma oxidada tem menor afinidade por elétrons que o H2
Potencial de redução ˃ 0
A forma oxidada tem maior afinidade por elétrons que o H2
Um agente redutor forte (como o NADH) tem a tendência de doar elétrons (E’0 < 0); 
um agente oxidante forte (como o O2) está pronto para aceitar elétrons (E’0 > 0)
A força impulsora da fosforilação oxidativa é o potencial de transferência 
de elétrons de NADH e FADH2 em relação ao do O2
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e’
 NAD(P)H
São carreadores de elétrons solúveis em água, que se associam reversivelmente a 
desidrogenases
Substrato reduzido + NAD(P)+ ↔ Substrato oxidado + NAD(P)H + H+
**Desidrogenases  remoção de 2 átomos de H do substrato
:H- → NAD+
H+ → Liberado do meio
NADH → carreador de elétrons das vias catabólicas até a porta de entrada na CTE
NADPH → geralmente supre elétrons para reações anabólicas
][
][
+NAD
NADH
][
][
+NADP
NADPH
NADPH
Razão alta Poder redutor a reações 
anabólicas
NADH
Razão baixa  carreador de e- no 
catabolismo
Nas células
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e´
Flavoproteínas
Contêm um nucleotídeo de flavina (FMN ou FAD) → parte do sítio ativo da 
flavoproteína
 Pode aceitar 1 elétron → semiquinona ou 2 elétrons → FADH2 FMNH2
A forma oxidada (FMN) reage com um próton e um elétron, convertendo-se na forma semiquinona 
(FMNH●); a incorporação de mais um próton e um elétron resulta na forma totalmente reduzida (FMNH2).
Flavoproteínas
 podem participar da transferência de 1 ou 2 e- → intermediários entre reações onde 2e-
são doados (desidrogenações) e onde 1 e- é doado (redução de uma quinona a 
hidroquinona).
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e´
Ocorrem 3 tipos de transferência de elétrons na CTE
① Transferência direta como na redução de Fe3+ a Fe2+
② Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-)
③ Transferência como íon hidreto (:H+) que tem 2 elétrons
+ 3 tipos de moléculas carreadoras de elétrons atuam na CTE:
① Ubiquinona (quinona hidrofóbica)
② Citocromos
③ Proteínas ferro- enxofre
Proteínas (diferentes) que contêm ferro
Carreadores não podem atravessar a MMI, MAS os equivalentes redutores podem ser 
lançados através da membrana indiretamente
Equivalentes redutores  termo geral para um elétron ou equivalente de elétron na 
forma de um átomo de hidrogênio ou de um íon hidreto.
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 Os carreadores de elétrons na mitocôndria 
COENZIMA UBIQUINONA (Q)
- Pequena e Lipossolúvel
Quinona → composto benzênico 
com duas funções cetona
Constituída de unidades 
isoprenóides (cada uma com 5C)
A coenzima Q10 é a mais 
comum em mamíferos (10 
unidades de isopreno)
Fácil de desprotonar, 
formando um radical 
aniônico de semiquinona
Forma que fixa mais 
firmemente seus prótons
Aceita 1 elétron
Aceita 2 
elétrons
Lipossolúvel
→ se difunde livremente no espaço
intermembranas
→ Capaz de fazer a junção entre o doador
de 2e- e um aceptor de 1e- (como as
flavoproteínas)
→ Carrega tanto elétrons como prótons
** acopla fluxo de e- com o movimento de 
prótons
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 Os carreadores de elétrons na mitocôndria 
PROTEÍNAS COM CENTROS DE FERRO-ENXOFRE
- Estrutura variável simples a complexas
- O íon Fe sofre reações de óxido-redução
Os átomos de ferro estão ligados a átomos de 
enxofre inorgânico ou com átomos de enxofre 
em resíduos de cisteína ou com ambos
Podem ter de 1 a 4 átomos de ferro
*** Proteínas ferro-enxofre de Rieske
1 Fe está associado com dois resíduos de His ao 
invés de Cys
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 Os carreadores de elétrons na mitocôndria 
Citocromos a, b e c
Seus grupos prostéticos – grupos Heme
Citocromo c  solúvel no espaço intermembrana
Podem interagir com a MMI
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 O fluxo de elétrons pelos carreadores vai daquele com menor potencial para o maior 
potencial 
- Potencial Redox diferentes aos das moléculas livres devido a interação com proteínas
NADH  Q  Cit b  Cit c1  Cit c  Cit a  Cit a3  O2
Fosforilação oxidativa
CADEIATRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 Os carreadores de elétrons na MMI: 4 complexos
Complexo I  é do NADH para formar Ubiquinol
NADH:Ubiquinona-oxidoreductase ou NADH-desidrogenase
Complexo II  é do FADH2 para formar Ubiquinol
Succinato-desidrogenase
Complexo III  é do Ubiquinol para o Citocromo c
Ubiquinona:Citocromo c-oxidoreductase
Complexo IV  é do Citocromo c para o O2
Citocromo c-oxidase
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO I: NADH:UBIQUINONA-OXIDOREDUTASE OU NADH-DESIDOGENASE
Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos dentro da 
mitocôndria
-O Complexo catalisa 2 processos simultâneos e acoplados
1) NADH + H+ + Q  NAD+ + QH2
 Exergônico
2) Transferência de 4 H+ para o espaço intermembrana 
 Endergônica 
Grupos prostéticos: FMN e Fe-S
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO II: SUCCINATO-DESIDOGENASE
 Porta de entrada dos e’ do FADH2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
 Canaliza diretamente os e’ do succinato
para a cadeia transportadora de e’
 FADH2 + Q  FAD + QH2
 Exergônico
 Sem transferência de H+ para o espaço 
intermembrana
 QH2: Porta de entrada de parte dos e’ do 
NADH produzidos no citoplasma
 Porta de entrada de e’ de outras vias 
oxidativas
- β-oxidação de ácidos graxos 
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO I E COMPLEXO II
 Vias de entrada de e’ para a 
ubiquinona: 
1) NADH mitocondrial, 
2) Succinato do ciclo do ácido 
cítrico, 
3) e’ da β-oxidação de ácidos 
graxos via Acil-CoA-desidrogenase
e do glicerol dos triacilglicerois
4) NADH citosólico via glicerol 3-
fosfato
1) 
2) 
3) 
4) 
A ubiquinona é o ponto de convergência dos e- (Fontes 1 a 4) 
O ubiquinol de todas essas reações (pool de QH2) é oxidado no Complexo III
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
 Canaliza os 2 e’ do Ubiquinol (QH2) para o Citocromo C com a transferência de H+ da 
matriz mitocondrial para o espaço intermembrana
- possui duas unidades de Citocromo b enterrados em 1 fenda na membrana
QH2 + 2 Citc1 (Oxi) + 2 H+N  Q + 2 Citc1 (Red) + 4 H+P
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
2 e’ do Ubiquinol são afunilados no Citc  carreador de 1 e’ 
 2 ciclos de redução do Citc com a formação da Semiquinona (.Q-)
 1º Ciclo 
-1 e’ do QH2 é passado para o 
Citc no primeiro ciclo e o 
outro e’ (via citocromo b) para 
a Q formando Semiquinona
- 2 H+ transportados para o 
espaço intermembrana
 2º Ciclo
-1 e’ do QH2 é passado para o 
Citc e o outro e’ (via citocromo
b) para a Semiquinona
formando outra QH2
- 2 H+ transportados para o 
espaço intermembrana
- 2 outros H+ são retirados da 
matriz
 1º Ciclo  2º Ciclo
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
 Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N + O2  4 Citc (Oxi) + 4 H+P + 2 H2O
Os e- do citocromo c são entregues ao O2 
(reduzindo-o a H2O)
Composto por 13 subunidades 
aparentemente 3 são essenciais
Sub. II: 2 Cu ligados a resíduos de Cys 
(centro binuclear CuA)
Sub. I: 2 grupos heme (a e a3) e outro íon 
Cu (CuB)
Heme a3 e CuB forma outro centro 
binuclear
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
 Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N + O2  4 Citc (Oxi) + 4 H+P + 2 H2O
Envolve a participação de:
Ion CuA
Citocromo a
Citocromo a3-CuB (Centro Fe-Cu)
O2
 4 ciclos são necessários para reduzir 
1 O2 a 2 H2O
 4 H+ transportados para o Espaço 
intermembranas
 4 outros H+ são retirados da matriz 
para formar as 2 H2O
 2 H+ por par de e-
Fosforilação oxidativa
O RESPIROSSOMO
 Canalização de substratos na membrana mitocondrial interna
- Dados cinéticos e estruturais indicam a associam dos complexos da CTE na MMI
- Complexo III pode ser extraído juntamente com o Complexo I ou complexo IV
Complexo III  Vermelho
Complexo IV  Verde
Imagens de micrografia eletrônica
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
Resumo do processo
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N + ½ O2  NAD+ + 10 H+P + 1 H2O
FADH2 + 6 H+N + ½ O2  FAD + 6 H+P + 1 H2O
- O ∆E0‘ representa o potencial de redução padrão nas condições padrões para 
bioquímica
- Um Valor positivo para o ∆E (potencial de redução ou força eletromotiva) sugere 
espontaneidade da reação
- um valor positivo para o ∆E representa um valor negativo para o ∆G
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
NADH + H+ + ½ O2  NAD+ + 1 H2O
A ΔG da reação pode ser medida a partir da diferença de voltagem entre meias células
- Se referente ao trabalho elétrico realizado a pressão e volume constante
-Se o onde f é a constante de Faraday (96.485 Cmol-1) e
- n é o número de e’/mol portanto:
+←+ + →+ noxredred
n
ox BABA 





+∆=∆ +
+
n
red
n
ox
n
oxred
BA
BARTGG
]][[
]][[ln'0
elwwG −=−=∆ '
Enfwel ∆=
EnfG ∆−=∆ 





−∆=∆ +
+
n
red
n
ox
n
oxred
BA
BA
nf
RTEE
]][[
]][[ln'0 Equação 
de Nernst
 Reorganizando 
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS  TEÓRICO
NADH + H+ + ½ O2  NAD+ + 1 H2O
NADH/NAD+  E0’ = + 0,320 V 
O2/H2O  E0’ = +0,816 V 
Succinato + ½ O2  Fumarato + 1 H2O
 A razão da [NADH]/[NAD+] >1 o que sugere que a ΔG é mais negativa do que -220 kJ/mol!
ΔE0’= E0’Red + E0’oxi = + 1,14 V 
)(/22014,1)./5,96(2'0'0 deNADHmolkJVmolVkJEnfG −=−=∆−=∆
)(/150785,0)../5,96(2'0'0 odeSuccinatmolkJVmolVkJEnfG −=−=∆−=∆
E energia liberada é usada para gerar um gradiente de prótons que é então 
utilizado para a síntese de ATP e para o transporte de metabólitos pela 
membrana mitocondrial
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS  EFETIVO
 A energia da transferência de e’ é eficientemente conservada em um gradiente 
- Gradiente de prótons - Gradiente eletroquímico
FORÇA PROTON-MOTRIZ  ENERGIA ELETROQÍMICA
A ΔG associada ao processo de criação 
dos 2 gradientes é:
C2 = H+pLado positivo da MMI  Espaço intermembrana
C1 = H+nLado negativo da MMI  Matriz mitocondrial
Z = valor absoluta da carga elétrica  1 para 1 H+
ΔΨ = Diferença do potencial transmembrana
ψzf
C
CRTG ∆+=∆ )
1
2ln(
]log[ +−= HpHpHpHpHHH
C
C
pnnp ∆=−=−=
++ 3,2)(3,2)]log[](log[3,2
1
2ln
ψmolkJpHmolkJψzfpHRTG ∆+∆=∆+∆=∆ )./6,95()./7,5(3,2
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
 A ΔpH da MMI é de 0,75 unidades de pH  A ΔΨ da MMI é de 0,15-0,20 V
A ΔG associada à oxidação de 1 mol de NADH é:
molkJmolkJmolkJG /1915,0)./6,95(75,0)./7,5( =+=∆
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N + ½ O2  NAD+ + 10 H+P + 1 H2O
Logo  ΔG = 19 kJ/mol*10 = ~190 kJ/mol
ΔG0’ = 220 kJ/mol
Fosforilação oxidativa
“VAZAMENTO DE E’ DA CTE)
 A formação de EROs: Espécies Reativas de Oxigênio: Radicais Livres
Íon superóxido O2-  0,1-4% 
 Superóxido dismutase
 Glutationa-peroxidase
- Ação dependente de:
Glutationa
NADPH
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
Espaço intermembrana: entre a MME e MMI
- equivalente ao citosol no que se refere às concentrações em metabólitos e íons
 A MMI é composta por cerca de 75% de 
proteínas mais rica em proteínas MME
- A MMI é permeável a O2, CO2 e H2O 
- Contém proteínas de transporte que 
controlam a passagem de metabólitos, 
como ATP, ADP, o piruvato, o Ca2+ e o 
fosfato
 A impermeabilidade da MMI para a 
maioria dos íons e metabólitos permite 
a formação de um gradiente de íons 
através dessa barreira
 Resulta na compartimentalização das 
funções metabólicas entre o citosol e a 
mitocôndriaFosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
 Transporte seletivo de elétrons produzidos no citoplasma para a mitocôndria
- O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à cadeia transportadora de 
elétrons para a oxidação aeróbica  Fígado, rim e coração
- 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
LANÇADEIRA DE MALATO-
ASPARTATO
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
LANÇADEIRA DE GLICEROL-3-P
 Músculo esquelético e encéfalo 
 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
 O FADH2 fornece elétrons 
diretamente para Cadeia 
Transportadora de Elétrons 
QH2
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
A MMI contém um translocador de ADP-ATP 
(ou adenina-nucleotídeo translocase) 
- Transporta o ATP para fora da matriz 
mitocondrial acoplado à importação de ADP e Pi
produzidos no citoplasma a partir de ATP
- Sistema antiporte
- Mantém balanço eletrolítico pelo gasto de 
energia quimiosmótica
TRANSLOCADOR DE ATP/ADP-PI
 A maior parte do ATP gerado na 
matriz mitocondrial pela 
fosforilação oxidativa é 
utilizado no citosol
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