CTE e Fosforilação Oxidativa

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA E BIOLOGIA MOLECULAR
PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM BIOQUÍMICA
BIOQUÍMICA GERAL
Cadeia Transportadora de Elétrons (CTE) e Fosforilação Oxidativa 
Profa. Daniele de Oliveira B. Sousa
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Mitocôndria – algumas considerações
Membrana externa
Membrana interna
Espaço intermembrana
Crista
Matriz
Permeável a íons e moléculas pequenas – porinas (canais transmembranas)
Impermeável a moléculas pequenas e íons como o H+. 
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Mitocôndria
Membrana externa
Membrana interna
Espaço intermembrana
Crista
Matriz
Contém o complexo da piruvato desidrogenase, as enzimas do ciclo de Krebs, via da -oxidação dos ácidos graxos e as vias de oxidação dos aminoácidos
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Mitocôndria
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Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa
NAD+ e FAD+ - produção de NADH e FADH, respectivamente.
Ação de desidrogenases
Desidrogenases ligadas ao NAD+ - Remoção de dois hidrogênios de seus substratos (:H- + H+)
NAD+ + :H- + H+ NADH + H+
Desdrogenases ligadas ao FAD- Remoção de um ou dois elétrons na forma de um ou dois átomos de H (cada H representa um próton e um elétron).
FAD + 2H+ FADH2 
FAD + H+ FADH (semiquinona)
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Cadeia Transportadora de Elétrons
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Cadeia Transportadora de Elétrons 
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Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa
Como os elétrons são transferidos?
1 – Diretamente
	Ex: Redução de F3+ a Fe2+
2 – Na forma de átomo de H (H+ + 1e-)
3 – Na forma de íon hidreto (:H-) que tem 2e-
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Complexos Respiratórios
Complexo I – NADH-CoQ oxidorredutase
Complexo II – Succinato-CoQ oxidorredutase
Complexo III – CoQH2-citocromo c oxidorredutase
Complexo IV – Citocromo c oxidase
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Outras moléculas envolvidas
Ubiquinona (Coenzima Q ou Q) – Quinona hidrofóbica
Proteínas que contêm ferro
Proteínas Fe-S
Citocromos - Proteínas que absorvem bem na luz visível devido a presença de ferro em sua estrutura.
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Ubiquinona
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Citocromos
Tipos:
Citocromo a
Citocromo b
Citocromo c
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Centros Fe-S
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Complexos Respiratórios
Catalisam a transferência de elétrons para a ubiquinona (coenzima Q)
Transporta elétrons da ubiquinona até o citocromo c
Transporta elétrons da do citoc. c ao O2
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Respirossomos
Associação dos complexos respiratórios na membrana mitocondrial interna
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Formas de entrada dos elétrons na CTE
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Complexo I - NADH-CoQ oxidorredutase ou NADH desidrogenase
Catalisa a transferência exergônica de elétrons do NADH p/ a coenzima Q (CoQ) – Ubiquinona
Formado por 42 cadeias polipeptídicas diferentes
Contém várias proteínas que possuem um centro ferro-enxofre (Fe-S) e a flavoproteína (FMN) que oxida o NADH.
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Complexo I - NADH-CoQ oxidorredutase
Catalisa obrigatoriamente 2 processos: 
1 – Transferência exergônica para a ubiquinona de um íon hidreto do NADH e um próton da matriz (NADH + H+)
2 – Transferência endergônica de 4 prótons (4H+) da matriz para o espaço intermembranas.
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A reação ocorre em várias etapas
NADH + H+ + E-FMN NAD+ + E-FMNH2
OBS – E-FMN indica que a flavina (flavina mononucleotídeo) está ligada covalentemente à enzima.
1ª Etapa – Transferência de e- do NADH para a flavina da flavoproteína
Complexo I - NADH-CoQ oxidorredutase
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2ª Etapa – Oxidação da flavoproteína (E-FMNH2) e redução da proteína Fe-S
E-FMNH2 + 2Fe-Soxidado E-FMN + 2Fe-Sreduzido + 2H+
3ª Etapa – Transferência de elétrons da proteína ferro-enxofre para a coenzima Q (CoQ) ou ubiquinona. 
2Fe-Sreduzido + Co-Q + 2H+ 2Fe-Soxidado + CoQH2
Equação Geral
NADH + 5HN+ + CoQ NAD+ + CoQH2 + 4HP+
Complexo I - NADH-CoQ oxidorredutase
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NADH + H+ + CoQ NAD+ + CoQH2
Considerações importantes...
Processo exergônico
O processo só ocorre numa única direção.
A coenzima Q é o receptor de elétrons final do complexo I.
A coenzima Q é móvel e pode deslocar-se na membrana de modo a transferir os elétrons que recebeu para o complexo III.
No complexo I ocorre bombeamento de prótons que gera o gradiente de pH. 
As proteínas Fe-S só transportam elétrons. Essa é a base do bombeamento de prótons.
Complexo I - NADH-CoQ oxidorredutase
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Complexo II – Succinato-CoQ oxidorredutase
Catalisa a transferência de elétrons para a coenzima Q.
Bem mais simples que o complexo I
Ao invés do NADH a fonte de elétrons é o succinato.
Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2
OBS – E-FAD indica que a flavina (flavina dinucleotídeo) está ligada covalentemente à enzima.
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Complexo II – Succinato-CoQ oxidorredutase
Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2
1ª Etapa 
2ª Etapa – O grupo flavina é reoxidado enquanto outra proteína Fe-S é reduzida.
E-FADH2 + Fe-Soxidado E-FAD + Fe-Sreduzido
3ª Etapa – Fe-Sreduzido doa seus elétrons para a Coenzima-Q oxidada
Fe-Sreduzido + CoQ + 2H+ Fe-Soxidado + CoQH2
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Complexo II – Succinato-CoQ oxidorredutase
Succinato + E-FAD Fumarato + E-FADH2
1ª Etapa 
2ª Etapa – O grupo flavina é reoxidado enquanto outra proteína ferro-enxofre é reduzida.
E-FADH2 + Fe-Soxidado E-FAD + Fe-Sreduzido
3ª Etapa – Fe-Sreduzido doa seus elétrons para a Coenzima-Q oxidada
Fe-Sreduzido + CoQ Fe-Soxidado + CoQH2
Equação Geral
Succinato + CoQ Fumarato + CoQH2
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Complexo II – Succinato-CoQ oxidorredutase
Succinato + CoQ Fumarato + CoQH2
Considerações importantes...
A enzima succinato desidrogenase faz parte do complexo enzimático Succinato-CoQ oxidorredutase (membrana interna da mitocôndria).
O processo é exergônico.
Nesse complexo não há bombeamento de prótons para o espaço intermembranas.
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Complexo III –CoQH2-citocromo c oxidorredutase (citocromo redutase)
Catalisa a transferência de elétrons da coenzima Q reduzida (CoQH2) para o citocromo c.
Formado por:
CoQH2 + 2 Cyt c[Fe(III)] CoQ + 2 Cyt c[Fe(II)] + 2H+
2 Citocromo b (bH e bL)
1 Citocromo c1
Proteínas ferro-enxofre
OBS – Os citocromos não carregam hidrogênios e sim elétrons
Equação Geral
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CoQH2 Fe-S Cyt c1
Complexo III –CoQH2-citocromo c oxidorredutase (citocromo redutase)
CoQH2 + 2 Cyt c[Fe(III)] CoQ + 2 Cyt c[Fe(II)] + 2H+
Considerações importantes...
A CoQH2 possui 2e- enquanto que os citocromos c só carregam 1e-.
 Fluxo de elétrons da coenzima Q é cíclico e envolve duas moléculas de CoQH2 (ciclo Q); 
 Cada CoQH2 é responsável pelo bombeamento de 2H +
 Cada CoQH2 doa 1 elétron para os centros Fe-S e ao citocromo c1 e, 1 elétron para a CoQ que é reduzida a CoQH2 num processo de 2 passos.
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Complexo III –CoQH2-citocromo c oxidorredutase (citocromo redutase)
UQ = CoQ
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Complexo IV – Citocromo c oxidase
2 Cyt c[Fe(II)] + 2H+ + 1/2 O2 2Cyt c[Fe(III)] + H2O
Equação Geral
Catalisa a transferência de elétrons do citocromo c para o oxigênio.
Esse complexo contém :
Citocromos a e a3
Íons Cu2+ (aceptores de elétrons intermediários entre os cit a e cit a3).
Cyt c Cyt a Cu2+ Cyt a3 O2
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Cada NADH 10H+ 
(bombeados para o espaço intermembrana)
Cada FADH2 6H+ 
(bombeados para o espaço intermembrana)
Quantidade de protons bombeada pela entrega de elétrons via NADH e FADH2
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 - 0,15 a 0,20 V
pH da matriz é 0,75 unidade mais alcalino do que o do espaço intermembranas
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Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa
A membrana mitocondrial interna é impermeável ao NADH. Como então ele consegue “chegar” na cadeia respiratória?
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Lançadeira malato-aspartato
Fígado
Rim
Coração
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Lançadeira do glicerol 3-fosfato
Cérebro
Músculo esquelético
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Produção de espécies reativas de oxigênio (ROS) pela CTE
O transporte de elétrons na CTE pode gerar espécies reativas de oxigênio.
O radical Q- pode passar elétrons diretamente ao O2 gerando O2- (superóxido) e este pode ainda formar OH 
Sistema de defesa: Produção de enzimas como SOD, CAT, POX, GPX, GR etc
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CTE e Fosforilação oxidativa
A energia liberada pelas reações de oxidação na CTE é usada na fosforilação do ADP (isso não ocorre de modo direto).
Como isso ocorre?
As reações de oxidação originam um gradiente de pH devido às diferenças de concentração de íons nos lados interno e externo da membrana interna mitocondrial. A energia do potencial eletroquímico pela membrana é convertida em energia química armazenada pelo ATP.
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CTE e Fosforilação oxidativa
A energia eletroquímica gerada pela diferença de prótons e separação de cargas favorece a síntese de ATP à medida que prótons fluem passivamente de volta à matriz através da ATP-sintase.
Modelo Quimiosmótico
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Gradiente eletroquímico
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ATP-sintase
Porção F1
	Projeta-se para a matriz.
	Onde de fato ocorre a síntese de ATP
Estática
Porção F0 – Estende-se na membrana.
Dinâmica
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ATP-sintase
3 subunidades 
3 subunidades :
	 -ADP
	 -ATP
	 -vazio
1 subunidade 
1 subunidade 
Porção F0 – Estende-se na membrana.
1 subunidade a
2 subunidades b
10 a 12 subunidades c
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ATP-sintase
Três subunidades 
Três subunidades :
	 -ADP
	 -ATP
	 -vazio
Uma subunidade 
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ATP-sintase
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Catálise rotacional
1 - Conformação -ADP – Ligação ao ADP + Pi
2 – Mudança para a conformação -ATP – Condensação do ADP ao Pi
3 – Mudança para a conformação -vazio – Liberação de ATP
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ATP-sintassomo
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Acoplamento Quimiosmótico
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Acoplamento Quimiosmótico
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Acoplamento Quimiosmótico
Sem substrato oxidável (sem CTE) não há síntese de ATP (fosforilação oxidativa) nem consumo de O2
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Acoplamento Quimiosmótico
Sem ADP não há síntese de ATP (fosforilação oxidativa). A CTE não ocorrerá e não haverá consumo de O2
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Acoplamento Quimiosmótico
“A transferência de elétrons e a síntese de ATP são obrigatoriamente acopladas: nenhuma reação ocorre sem a outra.” (Nelson; Cox, 2011) 
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Oligomicina e venturicidina – inibem a ATP sintase (fosforilação oxidativa)
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Inibidores (bloqueadores)
São agentes que BLOQUEIAM o fluxo de elétrons gerando acúmulo dos complexos reduzidos antes do ponto de bloqueio e presença de complexos oxidados após o ponto de bloqueio.
Exemplos
Barbitúricos (hipnótico) – Complexo I
Rotenona (inseticida) – Complexo I
Malonato – Complexo II
Antimicina A (antibiótico) – Complexo III
Cianeto (CN-), CO – Complexo IV
Sem CTE não há gradiente de prótons e conseqüentemente não há síntese de ATP
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Desacopladores
São agentes que INIBEM a produção de ATP (fosfoforilação oxidativa) sem contudo afetar o a cadeia transportadora de elétrons, ou seja, os processos ficam desacolpados
Exemplos
2,4 -Dinitrofenol (dinitrofenolato) – Ânion que reage com os prótons no espaço intermembranas e os libera na matriz, reduzindo a diferença de concentração de prótons entre os dois lados da membrana mitocondrial interna.
Gramicidina A e Valinomicina – São ionóforos que formam canais de Na+, H+ e K+. O gradiente de prótons é anulado.
Há transporte de elétrons mas não há síntese de ATP
Normalmente são ácidos fracos ou ionóforos
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Desacopladores
2,4-Dinitrofenol
FCCP
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Efeitos comumente observados:
Aumento na oxidação das coenzimas
Aumento no fluxo de elétrons
Aumento no consumo de nutrientes (falta de ATP)
Aumento no consumo de oxigênio
Hipertermia
Desacopladores
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CTE em plantas
Apresentam os mesmos complexos existentes nos demais organismos.
ADICIONALMENTE, possuem outros componentes que não são encontrados em mitocôndrias de mamíferos.
Esses componentes adicionais NÃO bombeiam protons.
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CTE em plantas
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CTE em plantas
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CTE em plantas
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CTE em plantas
Quais seriam as vantagens da existência da oxidase alternativa em plantas?
Produção de calor importante na polinização
Eventos relacionados a estresses abióticos – Esses estresses podem diminuir a respiração mitocondrial o que leva a produção de ROS. A drenagem de elétrons pela rota alternativa impede o acúmulo de ROS.
Regulação dos níveis de ATP
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