10 Transporte de Eletrons e Sintese de ATP

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CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS, localizada na membrana interna da Mitocôndria
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A CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS E A ENZIMA ATP SINTASE ESTAO LOCALIZADAS NA MEMBRANA INTERNA DA MITOCÔNDRIA
2 um de comprimento e 5 um de diametro.
Eugene Kennedy and Albert Lehninger: complexos respiratórios e enzimas do Ciclo de Krebs e Oxidação dos ácidos graxos.
Membrana externa contém porina e membrana interna e altamente impermeável.
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Cadeia de Transporte de elétrons
Durante as reações de oxidação de ácidos graxos e do ciclo de Krebs, equivalentes da redução derivados da oxidação de substratos são transferidos para NAD+ e FAD (formando NADH e FADH2) que são, então, oxidado na cadeia de transporte de elétrons, na membrana interna das mitocôndrias
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O Ciclo de Krebs e a oxidacao de acidos graxos só funciona em AEROBIOSE
Isto porque o Oxigênio é necessário para oxidar as Coenzimas NADH e FADH2
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Beta-oxidação de ácidos graxos
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Na cadeia respiratoria, os eletrons fluem dos componentes com potencial de oxido-reducao mais negativo para aqueles mais postivos. 
Um agente redutor forte (como o NADH) tem a tendencia de doar eletrons e tem um potencial de reducao negativo, enquanto um agente oxidante forte (como o O2) esta pronto para aceitar eletrons e tem um potencial de reducao positivo.
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CADEIA RESPIRATORIA: 3 bombas de protons
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COMPONENTES DA CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
COMPLEXO I, NADH-ubiquinona óxido-redutase
COMPLEXO II, Succinato-ubiquinona oxido-redutase ou succinato desidrogenase
COMPLEXO III ou complexo bc1, ubiquinol-citocromo c redutase
 COMPLEXO IV, Citocromo c oxidase
 ATP-sintase ou complexo V
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COMPONENTES DA CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
Complexo I: Catalisa a transferência de elétrons do NADH para ubiquinona (UQ) ou Coenzima Q (CoQ);
Complexo II: Transfere elétrons do succinato para coenzima Q;
Complexo III: Transfere elétrons do ubiquinol (forma reduzida, CoQH2 ou UQH2) para o citocromo c;
Complexo IV: Transfere elétrons do citocromo c para o oxigênio ( O2);
Complexo V: Usa a energia do gradiente eletroquímico para síntese de ATP
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COMPLEXO I: NADH-coenzima Q redutase
Contém cerca de 34 subunidades e massa de 880 kd
 
 
Primeira porta de entrada de elétrons na cadeia - NADH
O complexo I contém uma molécula de FMN que aceita dois átomos de hidrogênio. Contém também os centros ferro-enxofre, necessários para a tranferência de hidrogênios para a ubiquinona.
O fluxo de dois elétrons pelo complexo I leva ao bombeamento de 4 H+ para for a da mitocôndria.
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Complexo I: NADH-Ubiquinona óxido redutase
O complexo I transfere elétrons do NADH para ubiquinona (coenzima Q), acoplado ao transporte de 4 prótons através da membrana, contribuindo assim para a força próton-motiva necessária para a síntese de ATP.
Elétrons são transferidos do NADH para FMN, flavina mononucleotídeo, que está fortemente ligada a uma subunidade no braço hidrofílico do complexo I
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Ubiquinona ou Coenzima Q
Isoprenóide não polar que se movimenta na membrana da mitocôndria transportando elétrons
A coenzima Q e ubiqua nos sistemas biologicos.
Ela pode aceitar hidrogenios tanto do FADH2 como da NADH-desidrogenase (complexo I)
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Estruturas dos centros ferro-enxofre. Bem claras, enxofre inorgânico; cinza, enxofre em cisteína; e escuras, ferro.
Os elétrons são transferidos, um de cada vez, via uma série de centros FeS, de ambos os tipos 2Fe2S e 4Fe4S
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COMPLEXO II – denominado Succinato Coenzima Q oxidorredutase Contém 4 subunidades e massa de 140 kd
Segunda porta de entrada de elétrons na cadeia – FADH2
O complexo II e o elo fisico entre o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória.
O complexo II nao bombea protons para o espaço entre membranas.
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Complexo II: Succinato desidrogenase
É constituído por uma subunidade de 70 kDa que contém FAD covalentemente ligado a um resíduo de histidina, uma subunidade de 30 kDa que contém 3 centros ferro-enxofre, e 2 pequenas proteínas hidrofóbicas
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Complexo II: Succinato desidrogenase
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Na oxidação de succinato a fumarato, 2 elétrons e 2 prótons são transferidos para o FAD. 
O FADH2 transfere elétrons para ubiquinona via centro FeS do complexo II nas reações.
 Succinato -> fumarato + 2 H+ + 2e-
 UQ + 2 H + + 2e- -> UQH2
 ΔEo = 0,029 V ΔGo = -5,6 kJ.mol-1
Complexo II: Succinato desidrogenase
Geral: Succinato + UQ -> fumarato + UQH2
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Redução da ubiquinona (UQ) na membrana mitocondrial interna pelas flavoproteínas NADH, succinato, glicerol 3-fosfato e acil graxo-CoA desidrogenases.
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COMPLEXO III –Coenzima Q- citocromo c oxidorredutase
E um dimero e cada monomero contem 11 subunidades e massa de 250 kd
O fluxo de dois eletrons pelo complexo III leva ao bombeamento de 4 H+ para fora da mitocondria.
O complexo III contem os citocromos b, c1 e c. 
Cada citocromo contem um grupo heme.
O complexo III contem tambem centros ferro-enxofre.
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Complexo III: 
Ubiquinol-citocromo c óxido-redutase
Catalisa a transferência de 2 elétrons do ubiquinol para o citocromo c, com o deslocamento de 4 prótons através da membrana;
O complexo enzimático é composto por 11 subunidades, das quais 3 tem grupo prostéticos que funcionam como centro redox. Estes são:
citocromo b, que contém 2 heme, b562 e b566 
Citocromo c1, que tem um grupo heme;
Proteína ferro-enxofre Riesk, que contém um grupo 2Fe2S.
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Modelo da estrutura cristalina do complexo dimérico citocromo bc1 ( Complexo III )
As α-hélices do citocromo b (cinza-claro) formam o domínio transmembrânico do complexo. 
O complexo se projeta 75 Å para a matriz e 38 Å para o espaço intermembranas. 
As cores que identificam as subunidades são mostradas à esquerda. ISP é proteína ferro-enxofre.
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Complexo IV – Citocromo c oxidase, 
Contém cerca de 13 subunidades e massa de 160 kd
O complexo IV contém os citocromos a e a3 e contém tambem três íons cobre
O fluxo de dois elétrons pelo complexo IV leva ao bombeamento de 4 H+ para fora da mitocôndria.
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Complexo IV: Citocromo c oxidase
O complexo IV transfere elétrons do citocromo c para O2, o aceptor final de elétrons, para formar água, acoplado ao deslocamento de prótons através da membrana.
O complexo é composto por 13 subunidades, com massa total de 200 kDa, e contém 2 citocromos, a e a3, e 2 centros de cobre ( CuA e CuB).
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Subunidade I (12 hélices transmembrânicas) é cinza bem claro, subunidade II é (duas hélices transmembrânicas) é cinza e subunidade III (sete hélices transmembrânicas) é cinza mais escuro, com um fosfolipídeo mergulhado em cinza-médio. O fragmento de anticorpo usado para direcionar cristalização é cinza-claro.
Modelo da estrutura cristalina da citocromo c oxidase da bactéria Paracoccus denitrificans.
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Elétrons são transferidos do citocromo c reduzido primeiro para CuA, depois para heme α e, finalmente, para o centro binuclear contendo CuB e heme a3, onde ocorre a transferência de 4 elétrons para O2;
A transferência de 4 elétrons para formar água resulta da captação de 4 prótons da matriz para reduzir O2 e no movimento de 4 prótons através da membrana mitocondrial, contribuindo com o gradiente eletroquímico.
Complexo IV: Citocromo c oxidase
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Citocromo c liga-se à superfície da subunidade II e transfere elétrons para CuA. Elétrons são transferidos de CuA para heme a e, depois, para o centro binuclear (heme a3 e CuB), onde oxigênio é reduzido à água. Quatro prótons são transferidos para o centro binuclear para redução de oxigênio, e quatro prótons são bombeados através da membrana por um canal diferente.
Vias de transferência de elétrons pela citocromo c oxidase.
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Visão geral da cadeia mitocondrial de transporte de elétrons indicando vias de transferência de elétrons e sítios de ligação de inibidores específicos, rotenona,amital, antimicina A, monóxido de carbono, azida sódica e cianeto de potássio. Ascorbato pode ser usado para reduzir citocromo c em presença de tetrametileno fenileno diamina.
FIGURA 14.44Visão geral da cadeia mitocondrial de transporte de elétrons indicando vias de transferência de elétrons e sítios de ligação de inibidores específicos, rotenona, amital, antimicina A, monóxido de carbono, azida sódica e cianeto de potássio. Ascorbato pode ser usado para reduzir citocromo c em presença de tetrametileno fenileno diamina.
FIGURA 14.44Visão geral da cadeia mitocondrial de transporte de elétrons indicando vias de transferência de elétrons e sítios de ligação de inibidores específicos, rotenona, amital, antimicina A, monóxido de carbono, azida sódica e cianeto de potássio. Ascorbato pode ser usado para reduzir citocromo c em presença de tetrametileno fenileno diamina.
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Inibidores da Cadeia de transporte de elétrons
Complexo I – Rotenona (inseticida), Barbitúricos 			(hipnóticos, Amital)
Complexo II - Malonato
Ubiquinona (Coenzima Q) – não conhecido
Complexo III – Antimicina A
Citocromo c – não conhecido
Complexo IV – Cianeto, Monóxido de Carbono, Azida 			sódica, Ácido sulfídrico
Estes compostos param o funcionamento da cadeia, não há síntese de ATP e são potencialmente letais
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Inibidores da cadeia de transporte de elétrons
O bloqueio da Cadeia termina bloqueando a síntese de ATP
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Oligomicina – Liga-se a Fo e inibe a síntese de ATP
Oligomicina
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Desacopladores
Dissocia o transporte de elétrons do processo de síntese de ATP
DNP composto hidrofóbico que atravessa a membrana interna da mitocôndria e transporta prótons
Os prótons deixam de passar pela ATP sintase e pára a síntese de ATP
No passado, DNP usado como agente emagrecedor
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ATP-sintase
Localiza-se na membrana mitocondrial interna, catalisa a sintese de ATP usando a energia do gradiente de prótons, à medida que prótons fluem pela ATP sintase.
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ATP SINTASE
Formada por dois componentes: Fo – Canal por onde passam os prótons e F1 – Porção onde ocorre a catálise 
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ATP SINTASE
ATP sintase consiste de 2 domínios, F1, um complexo periférico, e F0, um complexo protéico de membrana. O domínio F1 contém os sítios de ligação de ATP e ADP e catalisa a síntese de ATP. O domínio F0 forma um canal para o deslocamento de prótons através da membrana.
Micrografia eletrônica de F1 mitocondrial.
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ATP SINTASE
Peter Mitchel, 1961 –formulou a hipotese quimiosmotica, na qual a oxidacao e fosforilacao estao acopladas por um gradiente de protons.
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Síntese de ATP
Os prótons bombeados para fora da membrana interna da mitocôndria, VOLTAM para dentro da mitocôndria através de um canal representado pela ATP sintase
Ao voltar para dentro, ocorre liberação de energia que é utilizada pela ATP sintase para a síntese de ATP
Fosforilação oxidativa
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ATP sai da mitocôndria para o citoplasma através de um transportador 
Transportador de ATP
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Na passagem dos elétrons pelos transportadores da cadeia, prótons são bombeados para fora da membrana interna da mitocôndria
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CONTROLE RESPIRATÓRIO
O transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente acoplados
Só há oxidação das coenzimas se houver síntese de ATP
ADP atinge concentrações limitantes na célula.
É o regulador dos dois processos
Quando ATP é consumido, ADP aumenta e há um estímulo dos dois processos.
Quando há muito ATP, há pouco ADP e os dois processos são mais lentos.
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Derivados toxicos do oxigenio molecular podem ser formados na ultima etapa da Cadeia Respiratoria.
Formas reativas do oxigenio (ROS, reactive oxygen species), como o anionte superoxido e o peroxido de hidrogenio sao formadas em quantidades pequenas.
ROS podem desencadear cascatas de oxidacao nas celulas, resultando em mutacoes e no aparecimento de doencas.
Os ROS sao destruidos pela superoxido dismutase e pelas catalases.
Anti-oxidantes naturais incluem ainda as vitaminas E e C.
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Rendimento Energético
Para 1 mol de NADH oxidado, a variação de energia livre permite sintetizar 3 moles de ATP
Para 1 mol de FADH2 oxidado, a variação de energia livre permite sintetizar 2 moles de ATP
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A Oxidação completa de 1 mol de GLICOSE a CO2 e H2O produz 38 moles de ATPs
IV- 10NADH e 2FADH2 pela cadeia e PO – 34 ATP