Estudo Dirigido 3 - Bioenergética e CTE - Com RESPOSTAS

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UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ
FACULDADE DE MEDICINA
CURSO DE FISIOTERAPIA
MÓDULO: LÓGICA MOLECULAR DOS SERES VIVOS II
DISCIPLINA DE BIOQUÍMICA 
ESTUDO DIRIGIDO 3 – Bioenergética e Cadeia Transportadora de Elétrons
Bioenergética: 
Explique e justifique a falta de equilíbrio nas reações metabólicas.
O fato de que de maneira geral, as reações químicas do metabolismo se mantém afastadas do equilíbrio químico tem sua raiz no fato de que sistemas vivos necessitam de processos que lhes forneçam a energia necessária para a manutenção de sua estrutura complexa em um estado funcionante. Desse modo, as reações metabólicas não podem alcançar um estado de equilíbrio, pois quando isso acontece torna-se impossível a realização de trabalho ou geração de energia utilizável pelas mesmas, condição que não é compatível com o estado dinâmico característico dos seres vivos. 
Descreva o termo: “fosforilação no nível do substrato”
A fosforilação no nível do substrato é um processo que resulta na formação de espécies como ATP ou GTP na qual o fosfato adicionado advém de um intermediário reativo fosforilado. Esse processo difere da fosforilação oxidativa, na qual a energia deriva do gradiente eletroquímico através da membrana interna mitocondrial e o fosfato adicionado era inicialmente um fosfato inorgânico. 
Explique a razão pela qual a produção biológica de energia se faz por etapas
A metabolização de fontes de energia como a glicose resultando em formação de água e dióxido de carbono é um processo espontâneo que possui um ΔG extremamente negativo. O problema com reações desse tipo é que quando elas ocorrem em uma única etapa, como uma combustão convencional, promovem grande liberação de energia na forma de calor.
Para sistemas vivos que visam utilizar a energia química dos alimentos da forma mais eficiente possível, tal mecanismo torna-se inviável pois resulta em grande desperdício de energia. Desse modo, a maneira que os sistemas vivos usam para aumentar a eficiência da degradação de ‘combustíveis’ como a glicose é a realização desse processo em várias etapas controladas, o que permite uma perda significativamente menor de energia como calor e a conservação da energia útil por meio de moléculas ditas de ‘troca energética’ como o ATP, possibilitando um maior aproveitamento da energia armazenada no alimento e uma maior flexibilidade no uso dela.
Fosforilação oxidativa
No que se resume a fosforilação oxidativa, qual a importância e onde ocorre este processo?
A fosforilação oxidativa é um processo no qual ocorre a síntese de ATP, fenômeno que pode ser interpretado como a fosforilação de uma molécula de ADP, que ocorre na mitocôndria ou mais especificamente na ATPsintase, enzima que existe na membrana mitocondrial interna e que se utiliza do gradiente eletroquímico de H+ existente nessa membrana para obter a energia necessária à síntese do ATP. No que diz respeito a sua importância, devemos lembrar que é o principal processo de obtenção de energia na maioria das células humanas e tem um papel regulador em relação a cadeia transportadora de elétrons e consequentemente sobre o ciclo de Krebs, sendo portanto um grande regulador do metabolismo celular.
Que características da membrana mitocondrial interna possibilita o processo citado acima?
A membrana mitocondrial interna é tem grande componente protéico em sua constituição e limita os tipos de substratos, intermediários e nucleotídeos que podem se difundir através da membrana, tornando-se então um importante componente regulador da composição do ambiente da matriz mitocondrial. Graças aos transportadores existentes na membrana interna é possível o aporte contínuo de ADP e fosfato inorgânico o que permite a manutenção da síntese de ATP assim como é possível a manutenção do gradiente eletroquímico de H+, que é utilizado para conservar a energia advinda da oxidação das espécies NADH e FADH2 e então promover por meio do fluxo de H+ através da ATPsintase, a síntese do mesmo.
Identifique e caracterize a ação dos complexos I, II, III e IV participantes deste processo.
O complexo 1, chamado de NADH- ubiquinona oxidorredutase ou de NADH desidrogenase realiza a transferência de elétrons do NADH para a ubiquinona, a qual também é conhecida como coenzima Q (CoQ)
O complexo 2, chamado de Succinato – ubiquinona oxidorredutase ou succinato desidrogenase transfere elétrons do succinato para a coenzima Q.
O complexo 3 ou complexo citocromo bc1 ou ubiquinol – citocromo c redutase transfere elétrons do ubiquinol(CoQH2), forma reduzida da ubiquinona, para o citocromo c.
O complexo 4 ou citocromo c oxidase realiza a oxidação do citocromo c e redução do aceptor final de elétrons da cadeia, o O2
Diferencie os caminhos seguidos pelos elétrons provenientes do NAD e do FAD. 
A diferença central do caminho seguido pelos elétrons do NADH e do FADH2 é que o NADH será utilizado para reduzir a ubiquinona por meio do Complexo 1 da cadeia transportadora, a NADH – Ubiquinona Oxidorredutase. Já a o FADH2 será utilizado para reduzir a ubiquinona por meio do Complexo 2 da cadeia transportadora, a Succinato – Ubiquinona Oxidorredutase.
Sabendo que a membrana mitocondrial externa(interna?) é impermeável ao NADH, como os elétrons do NADH citosólico são aproveitados pela fosforilação oxidativa, uma vez que este processo ocorre na membrana mitocondrial interna? Explique o processo.
Como a membrana mitocondrial interna não é permeável aos nucleotídeos envolvidos nas reações de oxido-redução, faz-se necessária a presença de espécies intermediárias que possam transportar os elétrons através da membrana interna para a matriz mitocondrial. Esse transporte se dá através da lançadeira de glicerol-fosfato e da lançadeira do malato-aspartato. Na lançadeira do glicerol-fosfato, o NADH citoplasmático é usado para reduzir a dihidroxiacetona fosfato para glicerol 3-fosfato, o qual é transportado através da membrana interna e será oxidado na matriz mitocondrial para reduzir o FAD a FADH2, o qual será utilizado na fosforilação oxidativa. 
Na lançadeira do malato-aspartato, o NADH no citoplasma reduz o oxaloacetato a malato, o qual é transportado através da membrana mitocondrial interna e será oxidado de volta a oxaloacetato e reduzirá o NAD+ citoplasmático a NADH, o qual também será usado na fosforilação oxidativa.
Como é o mecanismo de produção de energia pelo ATP sintase? Como o ATP formado é transportado para fora da mitocondria?
A ATP sintase é uma enzima que utiliza o gradiente eletroquímico de H+ existente na membrana mitocondrial interna para obter a energia necessária à síntese de ATP. O fluxo contínuo de H+ pela ATP sintase leva a alterações conformacionais cíclicas em subunidades da enzima de modo que essas subunidades se alternam entre 3 estados: um que leva a ligação de ADP + Pi, síntese de ATP e liberação do ATP pela ATP sintase.
A contínua síntese de ATP requer que ADP citosólico seja transportado através da membrana interna para a matriz mitocondrial para manutenção do processo, assim como deve haver um mecanismo de transporte do ATP sintetizado para o citoplasma onde será utilizado para atender as demandas energéticas da célula. Essas necessidades são atendidas pela adenina nucleotídeo translocase, uma enzima presente em grande quantidade na membrana interna que se liga ao ATP na matriz e sofre uma mudança conformacional que a leva a expor seu único sítio de ligação de nucleotídeo na face citoplasmática da membrana interna, onde o ATP será liberado e o sítio se ligará a um ADP provocando nova mudança conformacional que leva a liberação do ADP na matriz mitocondrial.
De que modo o ciclo de krebs e a cadeia respiratória se inter-relacionam para a produção de energia para a célula?
O ciclo de Krebs é um conjunto de reações que ao promoverem a oxidação de seus substratos intermediários requer alguma espécie que possa atuar como aceptor de elétrons. Isso geralmente se dá com a redução do NAD+ à NADH e do FAD à FADH2. No entanto, como a quantidadede NAD+ e FAD presentes livres na mitocôndria é pequena, o ciclo de Krebs necessita de um aporte continuo de ambos NAD+ e FAD. Tal aporte contínuo é fornecido pela cadeia respiratória, pois essa, ao realiza o transporte de elétrons do NADH e do FADH2, promovendo a regeneração das espécies oxidadas NAD+ e FAD, permitindo a manutenção do ciclo de Krebs.
O estresse oxidativo é mediado por espécies reativas de oxigênio (EROs) e de nitrogênio, produzidos durante a respiração celular. Como se formam esses radicais no processo de fosforilação oxidativa?
Na cadeia transportadora de elétrons, a etapa final consiste na oxidação catalizada do citocromo c para redução do O2 à H2O. No entando, devido a estrutura eletrônica do oxigênio, ele tende a ser reduzido pela adição de um elétron por vez, levando a formação de radicais de oxigênio que podem causar dano celular. Esses radicais normalmente são mantidos ligados à citocromo c oxidase, o complexo IV da cadeia transportadora, o que evita a liberação dessas espécies antes do oxigênio ser completamente reduzido à água. No entanto, a contenção dessas espécies pelo complexo IV não é 100% eficaz, e eventualmente espécies reativas como H2O2, radical OH e radical superóxido são liberados. O efeito dessa liberação de espécies reativas de oxigênio normalmente só é perceptível com o envelhecimento.