Aula 11 Mitocondria Peroxissomo

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MITOCÔNDRIA 
MITOCÔNDRIA 
• Produção de energia a partir da luz e dos alimentos 
A mitocôndria e o cloroplasto como máquinas conversoras de energia elétrica. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
Mitocôndria 
Substratos: moléculas de gordura, 
carboidratos e O2 
Produtos: CO2 e H2O 
Cloroplasto 
Substratos: H2O e CO2 
Produtos: moléculas de 
carboidratos e O2 
• Cilíndros alongados com 0,5 a 1 mm em 
diâmetro; 
 
• As mitocôndrias possuem uma membrana 
externa e uma interna formando 2 
compartimentos: matriz e espaço 
intermembrânico; 
 
• Membrana interna possui ácido graxo 
cardiolipina e componentes da cadeia 
respiratória, forma as chamadas cristas 
mitocondriais; 
 
• Membrana externa (porinas); permeável a 
moléculas de até 5.000 daltons 
 
• Matriz possui centenas de enzimas, DNA, 
ribossomos, tRNAs 
 
• Espaço intermembrânico possui enzimas que 
usam o ATP para fosforilar outros 
nucleotídeos 
Organização geral da mitocôndria. 
Micrografia eletrônica. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth 
Edition. 
Comparação entre mitocôndrias e cloroplastos. Alberts et al., Molecular 
Biology of the Cell, Fourth Edition 
• Maioria dos elementos da 
cadeia respiratória estão na 
membrana interna das 
mitocôndrias; 
 
• Determinação da 
composição bioquímica de 
cada uma das membranas e 
separação dos 
componentes da cadeia 
respiratória; 
 
• Partículas submitocondriais 
podem ser isoladas de 
mitocôndrias. 
• As reações de oxidação na 
mitocôndria começam quando 
grande quantidade de Acetil CoA 
é produzida na matriz a partir de 
ácidos graxos e piruvato 
 
• O Ciclo do ácido cítrico ou de 
Krebs, oxida o grupo acetil da 
Acetil CoA gerando NADH e 
FADH2. 
 
• A oxidação de gordura libera + 
de 6X + energia do que a mesma 
massa de carboidratos. 
 
• O músculo cardíaco depende da 
quebra das gorduras como fonte 
de energia 
Ciclo de oxidação dos ácidos graxos 
Complexo piruvato desidrogenase 
Ciclo do Ácido cítrico. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
7 Reações sequenciais 
• Acetil CoA + 2H2O + 3 NAD+ + FAD-ligado à succinato desidrogenase >> 2 C02 
+ 3 H + + 3 NADH + FADH2-ligado à succinato desidrogenase + 1 GTP; 
 
• O ciclo de Krebs representa 2/3 da oxidação total dos compostos de carbono 
na maioria das células; 
 
• Uma das mais importantes contribuições são os elétrons de alta energia 
derivados da oxidação dos átomos de C do Acetil para o C02; 
 
• Um processo quimiosmótico converte a oxidação de energia em ATP na 
membrana interna da mitocôndria... 
Resumo do metabolismo energético mitocondrial. Alberts et al., Molecular Biology of 
the Cell, Fourth Edition. 
• Elétrons são transferidos do NADH ao oxigênio através de 3 grandes 
complexos enzimáticos 
 
• H2 + 1/2 O2 >> H2O; 
 
• O processo de transporte de elétrons começa quando o íon “H:-” é 
removido de NADH para regenerar NAD+ e é convertido em um próton e 
2 elétrons (H:- >> H+ + 2 e-); 
 
• A liberação de energia pela passagem dos elétrons ao longo da cadeia 
respiratória é estocada como um gradiente eletroquímico de prótons 
(gradiente de pH e de voltagem) através da membrana interna; 
 
• A energia estocada no gradiente (força movida a próton) é usada para 
produzir ATP e para transportar metabólitos e íons inorgânicos para 
dentro ou fora da matriz 
 
 
Os dois componentes do gradiente eletroquímico de prótons. 
Mecanismo geral da fosforilação oxidativa. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
Gradiente eletroquímico de prótons: Síntese de ATPs e transporte ativo de 
proteínas, substratos, íons; 
Proteínas carreadoras de membrana: transporte ativo de moléculas (contra 
o gradiente) - co-transporte de outra molécula (a favor do gradiente). 
Processos de transporte ativo direcionados pelo gradiente eletroquímico de prótons. 
Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
H+ 
H+ 
H+ 
H+ 
• A cadeia respiratória e a ATP sintetase (membrana interna 
possui 70% proteína e 30% fosfolipídeo por peso); 
 
• A respiração celular é muito eficiente; 
 
• 1 par de elétrons doado pelo NADH produz +/- 2,5 ATPs e 1 
par de elétrons doado pelo FADH2 produz 1,5 ATP; 
 
• 1 acetil CoA produz 10 moléculas de ATP; 
• 1 Glicose produz 20 moléculas de ATP (30 no total); 
• 1 moléula de palmitato produz 84 ATPs (110 no total); 
NADH desidrogenase: possui 1 flavina 5 proteínas ferro-enxofre. 
Citocromo b-c1: que possui 3 hemes ligados a citocromos e 1 uma proteína 
ferro-enxofre. 
Citocromo oxidase: possui 2 hemes ligados a citocromos e 2 proteínas com 
átomos de cobre. 
Os potenciais redox aumentam a medida que os elétrons fluem pela 
cadeia respiratória até o oxigênio. Alberts et al., Molecular Biology of 
the Cell, Fourth Edition. 
D potencial Redox entre 
dois carreadores é 
proporcional à Energia livre 
liberada por uma 
transferência de elétrons 
entre eles. 
• A ATP sintetase 
 (F0F1 ATPase) pode ser ser 
purificada e adicionada à 
membranas artificiais (possui 
por volta de 9 polipeptídeos com 
+/-500.000 Daltons que 
correspondente a 15% da 
proteína total da membrana 
interna); 
 
• A porção transmembrana (F0) 
funciona como uma carreador de 
H+ e a voltada para a matriz 
(F1ATPase) normalmente 
sintetiza ATP quando íons H+ 
passam por ela a favor de seu 
gradiente. 
ATP sintetase. Alberts et al., Molecular Biology of the 
Cell, Fourth Edition. 
• Teoria endossimbiótica da origem das mitocôndrias 
- Bactérias púrpura 
•Presença de duas membranas 
 
• Divisão binária 
Comparação entre mitocôndrias e cloroplastos. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition 
•Próprio DNA, ribossomos, tRNAs e rRNAs 
 
• Organização genômica 
 
• Códons 
• Genomas de mitocôndrias 
Organização do genoma mitocondrial humano. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, 
Fourth Edition. 
Conduzem replicação, 
transcrição e síntese protéica 
• Expressão gênica e sensibilidade a antibióticos 
Ribossomos mitocondriais semelhantes estruturalmente aos ribossomos de 
bactéria; 
Sensibilidade a antibióticos bacterianos; 
Síntese protéica começa com o aminoácido N-formilmetionina 
a-amanitin 
acridines or 
ethidium 
cycloheximide 
Chloramphenicol 
Erytromcyn, 
or tetracycline 
Biossíntese de proteínas em 
mitocôndrias e cloroplastos 
Origem dos RNAs e proteínas mitocondriais. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
Importação de proteínas pela mitocôndria. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
Dirigida por um gradiente eletroquímico 
Requere gasto de ATP 
Algumas doenças mitocôndriais 
O efeito fenotípico de mutações mitocondriais reflete a extensão 
da dependência de um certo tecido à fosforilação oxidativa. 
O sistema nervoso central é o mais sensível, seguido do 
músculo esquelético, rim e fígado 
- Algumas doenças são: 
Leber’s hereditary optic neropathy (LHON) - Perda da visão e 
disritmia cardíaca. 
Myoclonic epilepsy and ragged red fiber disease (MERRF) - 
Anormalidades no sistema nervoso central e deficiências na 
função dos músculos esquelético e cardíaco. 
Kearns-Savre syndrome - Sintomas neuromusculares incluindo 
paralisia dos músculos do olho, demência e ataques. 
MET de células com miopatia mitocondrial. 
Peroxissomos são organelas envolvidas por uma 
membrana; 
Presentes em células eucarióticas; 
Proteínas importadasdo citosol; 
Contêm enzimas oxidativas como catalase e urato 
oxidase 
Sítio de utilização de oxigênio; 
O peroxissomo pode ser um vestígio de uma organela 
ancestral em que ocorria todo o metabolismo de 
oxigênio; 
Possuem enzimas que removem átomos de hidrogênio 
de substratos orgânicos em reações oxidativas 
produzindo peróxido de hidrogênio (H2O2) 
 
 
RH2 + O2 R + H2O2 
As catalases utilizam o H2O2 para oxidar outros 
substratos como: fenóis, ácido fórmico, formaldeído e 
álcool: 
 
H2O2 + R´H2 R`+ 2H2O 
 
A catalase ainda converte o excesso de H2O2 em H2O: 
 
2H2O2 2H2O + O2 
Uma das funções dos peroxissomos é a β-oxidação e a 
exportação de acetil CoA para o citosol; 
Os peroxissomos podem diferir em células de um 
mesmo organismo e ainda possuem alto grau de 
adaptabilidade: 
 leveduras açúcar metanol 
 leveduras ácidos graxos = acetil CoA 
 
Em plantas, os peroxissomos também desempenham 
funções importantes: 
 processo de fotorespiração; 
 processo de conversão de ácidos graxos em 
 açúcares - gliossomos 
A importação de 
proteínas para o 
peroxissomo depende de 
um sinal de importação 
Ser-Lys-Leu na porção 
carboxi-terminal da 
proteína; 
Existe uma proteína na 
membrana do peroxissomo 
que reconhece o sinal de 
importação; 
Síndrome de Zellweger. 
Endosimbiose Extrema 
• Bomba de H+ de Bacteriorodopsina + 
ATP sintetase + membrana artificial 
demonstraram que a formação do 
gradiente de H+ e a síntese de ATP na 
mitocôndria são eventos separados; 
 
• A ATP sintetase pode funcionar na 
direção contrária e consumir ATP e 
bombear H+; 
 
• Regulada pelo gradiente eletroquímico 
de prótons 
 
• Balanço exato da D da energia livre 
para a translocação de H+ através da 
membrana e para síntese de ATP 
 
• Aproximadamente 1 ATP é formado 
para cada 3 H+ que passam pela ATP 
sintetase. 
 
A ATP sintetase é uma máquina acopladora reversível. 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition. 
• A cadeia respiratória transporta H+ através da membrana interna da 
mitocôndria e possui 3 grandes complexos enzimáticos inseridos na 
membrana: 
 
• NADH desidrogenase (22 polipeptídeos com mais de 800.000 Daltons); 
 
• Complexo citocromo b-c1 (pelo menos 8 polipetídeos e provavelmente 
funciona como um dímero de 500.000 daltons); 
 
• Complexo citocromo oxidase (é isolado como um dímero de 300.000 
Daltons, com cada monômero contendo 9 polipeptídeos diferentes). 
 
• Os carreadores de elétrons presentes nos 3 complexos enzimáticos foram 
identificados através de métodos espectroscópicos. Esses carreadores são 
normalmente proteínas com um átomo metálico responsável pela ligação ao 
elétrons. 
 
• Citocromos a, b e c: Os citocromos 
constituem uma família de proteínas 
“coloridas” que são relacionadas com a 
presença de um grupo HEME em que um 
átomo de ferro ligado a 4 átomos de 
nitrogênio. 
 
 
• O átomo de ferro muda do estado férrico 
(FeIII) para o ferroso (FeII) toda vez que 
aceita um elétron. Um anel de porfirina 
similar ao citocromo está relacionado com 
a cor vermelha (ligada ao átomo de ferro) 
do sangue e a à cor verde (ligado a um 
átomo de magnésio) das plantas. 
 
Estrutura do grupamento heme ligado ao citocromo c 
Estrutura tridimensional do citocromo c 
• Proteínas ferro-enxofre são um 
segundo grupo de proteínas 
carreadoras de elétrons presentes 
nos 3 complexos enzimáticos. 
Essas proteínas possuem 
possuem ou 2 ou 4 átomos de 
ferro ligados a um número igual 
de átomos de enxofres e a 
cadeias laterais de cisteínas; 
 
• O carreador de elétrons mais 
simples é a ubiquinona ou 
coenzima Q. Uma quinona pode 
se ligar ou doar a 1 ou 2 elétrons. 
Quinonas 
Estrutura de dois tipos de centros de ferro-enxofre 
• Além de 6 hemes diferentes ligados a citocromos, mais de 6 
proteínas contendo ferro-enxofre, uma ubiquinona, existem também 
2 átomos de cobre e uma flavina servindo como carreadores de 
elétrons ligados a proteínas da cadeia respiratória no caminho dos 
elétrons do NADH até o O2. 
 Esse caminho envolve mais de 40 proteínas diferentes. A ordem de 
cada carreador de elétrons foi determinada por métodos 
espectroscópicos. 
Métodos gerais usados para determinar a rota dos elétrons da cadeia transportadora de elétrons 
• Os citocromos, proteínas de ferro-enxofre e átomos de cobre, podem 
carregar apenas 1 elétron de cada vez. Cada NADH doa 2 elétrons e 
cada O2 deve receber 4 elétrons para produzir H2O. Por isso, existem 
vários pontos dispersores e coletores de elétrons ao longo da cadeia 
transportadora de elétrons; 
 
• Uma proteína contendo ferro-cobre no complexo citocromo oxidase 
catalisa a redução de O2. Estima-se que essa reação seja responsável 
por consumir 90% do O2 da célula. Cianeto e azida sódica são tóxicos 
para as células, pois se ligam fortemente a este complexo, bloqueando 
o transporte de elétrons; 
 
• Potencial de redução (Redox) traduz a afinidade de uma molécula 
para elétrons; 
• As mudanças de potencial de redução de um carreador para o 
próximo são explorados para bombear prótons para fora da matriz 
mitocondrial; 
 
• Uma grande queda no potencial de redução através de cada um 
dos três complexos enzimáticos fornece energia para o 
bombeamento de H+; 
 
• Para os pares de compostos que possuem redox mais negativo 
ocorre a tendência de doar elétrons, pois eles possuem carreadores 
com baixa afinidade para elétrons. 
• O mecanismo de bombeamento de H+ é mais entendido na 
bacteriorodopsina; funciona por mudanças alostéricas nas 
conformações das proteínas; 
 
• Ionoporos de H+ (agentes desacopladores) dissipam o gradiente 
de H+ e desta forma, separam o transporte elétrons da síntese de 
ATP; 
 
• Ionoporos naturais convertem as mitocôndrias da gordura marrom 
em máquinas geradoras de calor (Brown fat presentes em animais 
que hibernam e recém-nascidos); 
 
 
• Todas as bactérias utilizam mecanismos 
quimiosmóticos para produzir energia 
tendo como último aceptor de elétrons 
várias substâncias: O2, nitrato ou nitrito, 
sulfato ou sulfito, fumarato ou carbonato 
Transporte dirigido por H+ em bactérias. Alberts et al., 
Molecular Biology of the Cell, Fourth Edition.