fosforilação oxidativa

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Universidade Federal de Goiás
Instituto de Ciências Biológicas
Departamento de Bioquímica 
e Biologia Molecular
Fosforilação oxidativa
Nos organismos aeróbios, todos os passos oxidativos da degradação de carboidratos, lipídeos e aa  convergem para este passo final da respiração
A energia da oxidação propulsiona a síntese de ATP
Eucariotos  mitocôndria
Envolve a redução de O2  H2O
Elétrons doados NADH e FADH2
Fotofosforilação  Cloroplastos
Envolve a oxidação da H2O  O2
NADP+  aceptor final de elétrons
Apesar de diferentes, são mecanismos eficientes de conversão de energia metabólica. São mecanisticamente similares.
Introdução
É um processo de síntese de ATP
É um reservatório para energia extraída das reações biológicas de oxidação
1961  Peter Mitchel
A quimiosmose permite:
Fosforilação oxidativa
Fotofosforilação
Conversão de energia de transporte  movimento flagelar de bactérias
Fotofosforilação e fosforilação oxidativa
Envolvem fluxo de elétrons através de uma cadeia de carreadores membranares
Energia do fluxo de elétrons é acoplada ao transporte de prótons com a formação de um gradiente
O fluxo de prótons forma o gradiente gerando energia para síntese de ATP
Introdução
1948  Albert Lehninger e Eugene Kennedy
Oxidação fosforilativa  mitocôndria
Reações de transferência de elétrons na mitocôndria
Oxidação fosforilativa  inicia com a entrada de elétrons na cadeia respiratória
Quais são tais aceptores?
Elétrons são direcionados para aceptores universais
Flavoproteínas  FADH2 ou FMNH2
Elétrons são direcionados para aceptores universais
Cadeia respiratória consiste de uma série de carreadores de elétrons. São proteínas transmembranas capazes de receber e doar elétrons
Existem 3 tipos de transferências de elétrons
Transferência direta de e-  Fe3+  Fe2+
Transferência com H+
Transferência com íon :H-
Elétrons passam através de uma série de carreadores ligados à membrana
Moléculas carreadoras de elétrons
Ubiquinona - Q 
Elétrons passam através de uma série de carreadores ligados à membrana
Dois tipos de proteínas que contêm ferro
Citocromos  contêm heme como grupo prostético
Elétrons passam através de uma série de carreadores ligados à membrana
Dois tipos de proteínas que contêm ferro
Proteínas ferro-enxofre
Elétrons passam através de uma série de carreadores ligados a membrana
Carreadores são organizados em complexos supramoleculares embebidos na membrana
Podem ser fisicamente separados
Carreadores de elétrons funcionam em complexos multienzimáticos
Carreadores de elétrons funcionam em complexos multienzimáticos
Complexo 1: NADH para ubiquinona
NADH desidrogenase
42 cadeias polipeptídicas
Incluindo uma flavoproteína (FMN) e 6 centros Fe-S
Catalisa duas reações  redução da ubiquinona + bombeamento de prótons
Complexo 1  bomba de prótons movida pela energia da transferência de elétrons
Complexo 2: sucinato para ubiquinona
Succinato desidrogenase  FADH2
única enzima do TCA ligada à membrana
Complexo 2: sucinato para ubiquinona
Outros substratos para desidrogenases mitocondriais  transferem elétrons para Q sem passar pelo complexo 1
β oxidação  acil-CoA desidrogenase
Glicerol-3P  glicerol-3P desidrogenase
Complexo 3: ubiquinona para citocromo C
Transferências de elétrons QH2  Citocromo C
QH2  é oxidado a Q e duas moléculas de citocromo C são reduzidas
Complexo 3: ubiquinona para citocromo C
Reduz  2 citocromos
4 H+ são translocados para o espaço intermembrana
Complexo 4: citocromo C para O2
Citocromo oxidase
Transporta elétrons do citocromo c para o O2  reduzindo-o à H2O
Complexo 4: citocromo C para O2
Transloca 4 H+
2H+ para cada molécula de H2O
Cada par de elétrons transferidos para O2
4 H+ pelo complexo 1
4 H+ pelo complexo 3
2 H+ pelo complexo 4
Energia é gerada pela diferença na concentração de H+
Força próton-motriz  fonte de energia para síntese de ATP
Apresenta dois componentes  energia potencial química + energia do potencial elétrico 
A energia da transferência de elétros é eficientemente conservada em um gradiente de prótons
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Escuro ou pouca luz  mitocôndria fornece ATP para célula
Presença de luz  NADH produzido vai para a fotorespiração
Mitocôndrias de vegetais apresentam mecanismo alternativo para oxidar o NADH
Reoxidação do NADH
NADH  transfere os elétrons para Q  direto para O2 sem passar pelos complexos 3 e 4
Energia é dissipada em forma de calor
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Como o gradiente de prótons é convertido em ATP?
A energia da transferência de elétrons fornece energia suficiente para a síntese de ATP
Mas qual o mecanismo que acopla o fluxo de prótons com a fosforilação?
Modelo quimiosmótico
Síntese de ATP
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A síntese de ATP e a transferência de elétrons são processos acoplados.
Porque? 
Síntese de ATP
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Um gradiente eletroquímico artificial pode induzir a síntese de ATP na ausência de um substrato oxidável como doador de elétron.
A) Condição onde a matriz está em equilíbrio com o meio
B) Valinomicina induz a saída de K+ criando uma carga negativa na matriz da membrana. A soma do potencial químico fornecido pela diferença de pH e o potencial eletroquímico fornecido pela separação das cargas é uma grande força próton motora suficiente para suportar a síntese de ATP na ausência de um substrato oxidativo. 
Síntese de ATP
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Domínios F0 e F1
Realiza a síntese de ATP acompanhada por um fluxo de prótons
F0  domínio transmembrana responsável pelo transporte de prótons
F1  domínio periférico de membrana responsável pela síntese de ATP
Experimentos com vesículas formadas por membranas internas de mitocôndria
ATP sintase apresenta dois domínios funcionais
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ATP sintase equilibra ADP + P  ATP + H2O
O gradiente de prótons libera ATP da superfície da enzima
Na síntese continuada de ATP  a enzima deve ciclar entre a forma que liga-se fortemente ao ATP e a forma que libera ATP
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F1  formado por 9 subunidade  α3β3γδε
Cada subunidade β apresenta um sítio catalítico para síntese de ATP
Estudos cristalográficos
Cada subunidade β pode assumir três conformações diferentes
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As diferenças conformacionais estão relacionadas com a diferença em sítios de ligação ao ATP/ADP
Cada subunidade β pode assumir três conformações diferentes
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Baseado na estrutura e na cinética da reação, Paulo Boyer propôs o modelo da catálise rotacional, onde os 3 sítios ativos mudam de conformação catalisando a síntese de ATP
A mudança conformacional depende da passagem de prótons
A passagem induz a rotação da subunindade γ
A Catálise rotacional é a chave para a mudança de ligação na síntese de ATP
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A catálise rotacional é a chave para a mudança de ligação na síntese de ATP
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A força próton-motriz energiza o transporte ativo
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Sistema de lançadeiras indiretamente oxida o NADH citosólico
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Sistema de lançadeiras indiretamente oxida o NADH citosólico
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Regulação da oxidação fosforilativa
Regulada pela taxa ATP/ADP
A taxa de oxidação dos combustíveis celulares é regulada com tanta sensibilidade e precisão, que a taxa ATP/ADP varia muito pouco na maioria dos tecidos mesmo durante variações extremas de demanda energética.
As principais vias catabólicas (glicólise, TCA, oxidação de aas e AG, e fosf. oxid.) são mecanismos regulatórios interligados e combinados que permitem o funcionamento em conjunto de maneira econômica para produzir ATP e precursores biosintéticos.
Quando ocorre aumento no consumo de ATP, a taxa de transferência de elétrons e fosf. oxid. aumenta. Simultaneamente, a taxa de oxidação do piruvato via TCA aumenta, aumentando assim, o fluxo de elétrons para dentro da CR. Quando a conversão de ADP em ATP reduz a concentração de ADP, o aceptor diminui a transferência de elétrons e assim, a fosf. oxid.. Glicólise e TCA também diminuirão, pois o ATP é inibidor alostérico da PFQ1 e PDH. PFQ1 também é inibida por citrato (TCA). 
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Emmuitos tipos de tumores esse controle coordenado é defeituoso. A glicólise ocorre em uma taxa maior que a requerida pelo TCA. Como resultado, as células cancerígenas usam mais glicose do sangue que as normais, mas não podem oxidar o excesso de piruvato formado pela rápida glicólise, mesmo na presença de oxigênio. Para reoxidar o NADH citoplasmático, a maioria do piruvato é reduzido a lactato, o qual passa da célula para o sangue.
A alta taxa de glicólise resulta, em parte, do pequeno número de mitocôndrias em células o tumor. Em adição, algumas células tumorais produzem grande quantidade de hexoquinase, a qual associa-se com a face citosólica da membrana mitocondrial interna e é insensível à inibição por glicose 6-fosfato. Essa enzima monopoliza o ATP produzido na mitrocôndria, usando-o para produzir glicose 6-fosfato e assim, a célula continua fazendo glicólise.
Mitocôndria com transporte desacoplado gera calor na gordura marrom
Gordura marrom  encontrada em recém nascidos de mamíferos
Animais que hibernam
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