Aula 04 Bioq II 2014-01 - Fosfor Oxidat

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UENF, CBB, LQFPP
Prof. Gustavo Rezende
Bioquímica II – Metabolismo
4ª aula: Fosforilação Oxidativa
Os destinos do piruvato
condições 
aeróbicas
2CO2
condições 
anaeróbicas
condições 
anaeróbicas
Fermentação até
lactato
Fermentação até etanol
O2
Animais, vegetais e muitas 
células microbianas sob 
condições aeróbicas
ciclo de 
Krebs e 
fosforilação 
oxidativa
O que vimos na última aula:
O que vimos na última aula:
acetil-CoA
oxaloacetato
citrato
8 etapas enzimáticas
piruvato
C3
complexo da piruvato
desidrogenase (E1, E2, E3)
CO2NADH
O que vimos na última aula:
acetil-CoA
oxaloacetato
citrato
8 etapas enzimáticas
piruvato
C3
complexo da piruvato
desidrogenase (E1, E2, E3)
CO2NADH
Succinato
desidrogenase!
Succinato desidrogenase:
6ª reação: succinato desidrogenase
succinato
desidrogenase
É a única enzima do ciclo de Krebs ligada à membrana. Em função disso, 
também participa da fosforilação oxidativa (Complexo II).
Por glicose (2 piruvato):
8 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP (ATP)
Saldo energético parcial (1 glicólise e 2 ciclos): 
10 NADH + 2 FADH2 + 4 ATP
Glicose 2 Piruvato 1 glicose: 2 NADH + 2 ATP
piruvato
C3
CO2NADH
O que vimos na última aula:
O ciclo do ácido cítrico é uma via anfibólica:
Catabólica porque converge as vias de degradação de açúcares, proteínas 
e lipídios em situações aeróbicas.
Anabólica porque fornece precursores para diversas vias biossintéticas
(aminoácidos, purinas, pirimidinas, ácidos graxos, heme, etc.)
O que vimos na última aula:
fluxo de 
elétrons
Fluxo de elétrons:
NADH da glicólise e Krebs, 
FADH2 do Krebs 
(succinato desidrogenase).
Um fluxo de elétrons é capaz de realizar trabalho se 
houver um transdutor apropriado no sistema 
Os elétrons se movem 
no circuito por uma 
força proporcional à
diferença na afinidade 
por elétrons. Esta 
força é a Força 
Eletromotriz (volts)...
Bateria (duas espécies 
químicas com 
diferentes potenciais 
redutores)
Motor (transdutor de 
energia)
Peso sendo levantado 
(trabalho mecânico)
Fios (cadeia de 
carreadores de elétrons)
engrenagens (dispositivo 
acoplador)
Um fluxo de elétrons é capaz de realizar trabalho se 
houver um transdutor apropriado no sistema 
Bateria (duas espécies 
químicas com 
diferentes potenciais 
redutores)
Motor (transdutor de 
energia)
Peso sendo levantado 
(trabalho mecânico)
Comida (compostos 
reduzidos)
O2 (alto 
potencial de 
redução)
Cadeia de carreadores
Fios (cadeia de 
carreadores de elétrons)
de elétrons 
na membrana
Mitocôndria
(transdutor 
eletroquímico)
Contração muscular
(trabalho mecânico)
engrenagens (dispositivo 
acoplador)
Os elétrons se movem 
no circuito por uma 
força proporcional à
diferença na afinidade 
por elétrons. Esta 
força é a Força 
Eletromotriz (volts)...
Sobre o fluxo de elétrons em sistemas vivos:
Os elétrons fluem sempre de uma molécula doadora para uma 
molécula receptora. 
A molécula receptora tem sempre mais afinidade por elétrons 
que a molécula doadora.
O potencial redutor (E) mede a afinidade de uma molécula 
para receber elétrons...
Os elétrons fluem sempre de uma molécula doadora para uma 
molécula receptora. 
A molécula receptora tem sempre mais afinidade por elétrons 
que a molécula doadora.
O potencial redutor (E) mede a afinidade de uma molécula 
para receber elétrons (ser reduzida).
Sobre o fluxo de elétrons em sistemas vivos:
Sobre o potencial redutor (E):
E tem sua medida em volts (V). 
V é a medida para força eletromotriz (voltagem), relacionada com o fluxo 
de elétrons em um circuito.
Definição de V no SI: a diferença de potencial que carrega um ampere de 
corrente contra um ohm de resistência.
Comparando com o fluxo da água: diferença de voltagem é como a diferença 
de pressão de água que existe entre o começo e o fim de um cano d’água.
Temos três potenciais redutores:
E = Potencial redutor
E o = Potencial redutor padrão (medido em condições padrão: 
298 K, 1 atm, concentrações de solutos a 1 M)
E ’o = Potencial redutor padrão bioquímico (condições 
padrão e em pH 7,0).
Temos três potenciais redutores:
E = Potencial redutor
E o = Potencial redutor padrão (medido em condições padrão: 
298 K, 1 atm, concentrações de solutos a 1 M)
E ’o = Potencial redutor padrão bioquímico (condições 
padrão e em pH 7,0). É este que usaremos.
Quanto mais positivo for E ’o maior é a capacidade da 
molécula de receber elétrons (maior é a tendência 
dessa molécula em ser reduzida)...
Onde ocorre esse fluxo de 
elétrons?
Em eucariotos, ocorre na 
membrana interna das 
mitocôndrias.
fluxo de 
elétrons
Fluxo de elétrons ocorre na membrana interna da 
mitocôndria
Mitocôndria:
carreadores de elétrons
membrana externa matriz
ciclo de Krebs
membrana interna
Permeabilidade das membranas mitocondriais:
membrana externa membrana interna matriz
Membrana externa: permeável a moléculas pequenas (Mr < 5.000) e íons que se movem 
através de canais transmembrana, as porinas.
Membrana interna: impermeável a maioria das moléculas pequenas e íons, inclusive H+, 
com excessão de moléculas que possuem transportadores específicos.
carreadores de elétrons ciclo de Krebs
Mitocôndria:
O oxigênio é o receptor final dos elétrons.
Fluxo de elétrons ocorre na membrana interna da 
mitocôndria
carreadores de elétrons
membrana externa matriz
½O2 + 2H+ + 2 e- H2O
ciclo de Krebs
membrana interna
Qual é a razão desse fluxo de elétrons para o O2?
Esse fluxo de elétrons para o O2 está acoplado à geração de um 
gradiente de prótons no espaço intermembranar da mitocôndria.
Esse gradiente de prótons possibilita a síntese de ATP quando os 
prótons voltam para a matriz.
Qual é a razão desse fluxo de elétrons para o O2?
Esse fluxo de elétrons para o O2 está acoplado à geração de um 
gradiente de prótons no espaço intermembranar da mitocôndria.
Esse gradiente de prótons possibilita a síntese de ATP quando os 
prótons voltam para a matriz.
A fosforilação enzimática de ADP em ATP acoplada à transferência 
de elétrons para o oxigênio chama-se fosforilação oxidativa.
Ué, mas o oxigênio molecular não é reduzido ao final do processo?
Qual é a razão desse fluxo de elétrons para o O2?
Esse fluxo de elétrons para o O2 está acoplado à geração de um 
gradiente de prótons no espaço intermembranar da mitocôndria.
Esse gradiente de prótons possibilita a síntese de ATP quando os 
prótons voltam para a matriz.
A fosforilação enzimática de ADP em ATP acoplada à transferência 
de elétrons para o oxigênio chama-se fosforilação oxidativa.
Oxidativa porque os elétrons vieram da oxidação de açúcares, 
aminoácidos e lipídios.
membrana 
externa
membrana 
interna
Fosforilação oxidativa:
carregado 
negativamente
carregado 
positivamente
membrana 
externa
membrana 
interna
Fosforilação oxidativa:
Cadeia respiratória: 4 complexos multienzimáticos (I-IV) mais Q que 
participam do transporte de elétrons e do bombeamento de prótons.
membrana 
externa
membrana 
interna
Fosforilação oxidativa:
ATP sintase: a passagem de prótons pela ATP sintase fornece energia 
para a formação de ATP.
membrana 
externa
membrana 
interna
Fosforilação oxidativa:
A membrana interna é impermeável para a entrada de NADH citosólico. Como 
o NADH da glicólise é utilizado na fosforilação oxidativa?
NADH vindo do ciclo de Krebs
Músculo esquelético 
Cérebro
Lançadeira de glicerol-3-fosfato
glicerol-3 fosfato 
desidrogenase citosólica
glicerol-3 fosfato 
desidrogenase
mitocondrial
Músculo esqueléticoCérebro
Lançadeira de glicerol-3-fosfato
Não 
confundir!
glicerol-3 fosfato 
desidrogenase citosólica
glicerol-3 fosfato 
desidrogenase
mitocondrial
Lançadeira malato-aspartato
Fígado
Rim 
Coração
aspartato
aminotransferase
aspartato
aminotransferase
malato
desidrogenase
malato
desidrogenase
membrana 
externa
membrana 
interna
E como os elétrons vindos do NADH e FADH2 fluem pela cadeia respiratória?
Existem quatro tipos de moléculas que carregam elétrons na cadeia respiratória:
1) Flavoproteínas, 
2) Ubiquinona, 
3) Citocromos e 
4) Proteínas ferro-enxofre.
Moléculas transportadoras de elétrons da cadeia respiratória:
Flavoproteínas: apresentam um nucleotídeo flavina (FAD ou FMN) como grupo 
prostético ligado fortemente, as vezes de forma covalente.
FAD e FMN:
FAD e FMN:
FAD e FMN podem receber um 
ou dois elétrons.
1 elétron (e-) 2 e-
Ubiquinona (também chamada coenzima Q ou Q):
1,4-Benzoquinona
É uma benzoquinona com uma 
longa cadeia de isoprenóide.
Ubiquinona (também chamada coenzima Q ou Q):
1,4-Benzoquinona
Lipossolúvel e pequena. Difunde-se livremente 
na membrana
Aceita 1 ou 2 elétrons (como hidrogênio)
Muito importante no acoplamento do fluxo de 
elétrons com o movimento de prótons, já que 
carreia ambos (como hidrogênio)
É uma benzoquinona com uma 
longa cadeia de isoprenóide.
Citocromos:
Existem 3 tipos de citocromo: a, b, c. Vamos ver o citocromo c :
Citocromo c
Citocromos:
Existem 3 tipos de citocromo: a, b, c. Vamos ver o citocromo c :
Citocromo c
Existem subtipos de citocromo c, um é solúvel e 
fica no espaço intermembrana, todos os outros 
subtipos são partes integrais de proteínas de 
membrana.
Citocromos:
Citocromo c
Existem 3 tipos de citocromo: a, b, c. Vamos ver o citocromo c :
Cada citocromo possui um grupo prostético 
heme diferente.
Citocromos:
Cada citocromo, na sua forma reduzida, 
possui três picos de absorção de luz na 
faixa visível (α, β e γ). 
Existem 3 tipos de citocromo: a, b, c. Vamos ver o citocromo c :
Citocromos:
Cada citocromo, na sua forma reduzida, 
possui três picos de absorção de luz na 
faixa visível (α, β e γ). 
A banda de maior comprimento de onda 
difere nos três citocromos: 600 nm (a), 
560 nm (b) e 550 nm (c).
Existem 3 tipos de citocromo: a, b, c. Vamos ver o citocromo c :
Citocromos:
Os hemes de cada um dos citocromos:
O sistema de dupla 
ligação conjugada 
(vermelho) é que 
absorve a luz nesses 
hemes.
Citocromos:
Os hemes de cada um dos citocromos:
O sistema de dupla 
ligação conjugada 
(vermelho) é que 
absorve a luz nesses 
hemes.
Não confundir luz (fóton) com elétrons!
Proteínas ferro-enxofre:
Ferro associado com átomos de enxofre na forma inorgânica e/ou em resíduos de Cisteína.
Reações de transferência de 1 elétron, nas quais um dos átomos de ferro é oxidado ou 
reduzido.
O potencial de redução destas proteínas varia dependendo do microambiente na proteína.
Ferro pode estar ligado a resíduos de Histidina ao invés de Cisteína – proteínas ferro-
enxofre Rieske.
Então, na cadeia respiratória os elétrons se moverão do NADH e FADH2
através de diferentes flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre 
e citocromos até chegar no O2...
Mas... Como saber a ordem dos carreadores?
Medindo o potencial de redução!
Elétrons fluem sempre para a molécula com o maior potencial de redução.
Mas a medida do potencial de redução é em condições padrão. Como 
saber na prática a sequencia dos carreadores de elétrons?
Usando inibidores do fluxo de elétrons
Rotenona, antimicina A, cianeto e monóxido de carbono são exemplos de 
inibidores. O uso destes permitiu a dedução da sequencia completa.
Agentes que interferem com a fosforilação oxidativa:
Os carreadores de elétrons funcionam dentro de complexos 
multienzimáticos:
(detergente)
Esse complexos multienzimáticos podem ser isolados experimentalmente.
Complexos I a IV:
Complexos I a IV:
Íons cobre. Funcionam de forma semelhante à proteínas ferro-enxofre.
Complexo I – NADH Desidrogenase ou 
NADH:ubiquinona oxirredutase
Catalisa dois processos 
simultâneos e acoplados:
1 – Transferência exergônica de 
um hidreto do NADH e um H+ da 
matriz para a ubiquinona.
2 – Transferência endergônica de 
4 H+ para o espaço entre 
membranas da mitocôndria.
Complexo I é uma bomba de prótons cuja energia vem da transferência de 
elétrons. A reação catalisada é vetorial (move os H+ para uma direção específica)
NADH + 5HN+ + Q NAD+ + QH2 + 4HP+
Complexo I – NADH Desidrogenase ou 
NADH:ubiquinona oxirredutase
Catalisa dois processos 
simultâneos e acoplados:
1 – Transferência exergônica de 
um hidreto do NADH e um H+ da 
matriz para a ubiquinona.
2 – Transferência endergônica de 
4 H+ para o espaço entre 
membranas da mitocôndria.
Complexo I é uma bomba de prótons cuja energia vem da transferência de 
elétrons. A reação catalisada é vetorial (move os H+ para uma direção específica)
NADH + 5HN+ + Q NAD+ + QH2 + 4HP+
Complexo II - Succinato desidrogenase
succinato
desidrogenase
Complexo II - Succinato desidrogenase
Os elétrons passam do succinato para o FAD, daí para uma proteína ferro-
enxofre e então para a ubiquinona (Q).
succinato
desidrogenase
Ubiquinona recebe elétrons de vários lugares.
2) ciclo do 
ácido cítrico
1) NADH na 
matriz
3) degradação de 
ácidos graxos
4) Glicólise (lançadeira)
Complexo III - Complexo citocromo bc1
É um 
homodímero
(solúvel)
Transfere elétrons de Q para citocromo c... 
Complexo III - Complexo citocromo bc1
É um 
homodímero
(solúvel)
Transfere elétrons de Q para citocromo c e transporta H+ vetorialmente.
H+
Complexo III - Complexo citocromo bc1
É um 
homodímero
(solúvel)
Dois sítios 
para ligação 
de Q
Transfere elétrons de Q para citocromo c e transporta H+ vetorialmente.
Complexo III - Complexo citocromo bc1
É um 
homodímero
(solúvel)
Dois sítios 
para ligação 
de Q
QH2 + 2 Cit c (oxidado) + 2HN+ Q + 2 Cit c (reduzido) + 4HP+
Complexo IV - Citocromo oxidase
• Passo final da cadeia respiratória. 
Carreia elétrons do Citocromo C para 
o Oxigênio.
• Para cada 4 elétrons passando pelo 
complexo, a enzima consome 4 H+
como “substrato” para converter 
oxigênio à água,.
• Também usa energia da reação 
redox para bombear um próton para 
fora por elétron passado.
4 Cit c (reduzido) + 8HN+ + O2 4 Cit c (oxidado) + 4HP+ + 2H2O
++
Resumo (complexos I-IV, Q, Cit C):
Resumo (complexos I-IV, Q, Cit C):
A estequeometria dessa 
reação é a metade da 
mostrada no slide anterior!
Resumo (complexos I-IV, Q, Cit C):
A transferência dos dois elétrons do NADH através de toda a cadeia 
respiratória até o oxigênio molecular (O2) pode ser escrita como:
Resumo (complexos I-IV, Q, Cit C):
Muito da energia liberada nesse processo serve para bombear prótons para fora 
da matriz. Para cada par de elétrons, 4 prótons são bombeados pelo Complexo I, 
4 pelo complexo III e 2 pelo complexo IV. O resultado vetorial é:
Resumo (complexos I-IV, Q, Cit C):
Aqui termina a jornada dos elétrons transportados pela cadeia respiratória. 
Mas, e os H+ acumulados no espaço intermembrana?
Síntese de ATP:
Os H+ acumulados no espaço intermembrana formam um gradiente que possui 
muita energia potencial. Essa energia será empregada na síntese de ATP 
durante o retorno dos prótons de volta para a matriz mitocondrial...
Síntese de ATP:
Os H+ acumulados no espaço intermembrana formam um gradiente que possui 
muita energiapotencial. Essa energia será empregada na síntese de ATP 
durante o retorno dos prótons de volta para a matriz mitocondrial...
Assim, a energia responsável pela síntese de ATP vem da força próton-
motriz.
Motriz: que produz movimento. 
Logo, o movimento dos prótons para dentro de membrana gera uma força que é
utilizada para sintetizar ATP...
A força próton-motriz possui dois componentes: 
1) Energia química potencial, devido à diferença na concentração química dos 
prótons (H+) entre os dois lados da membrana.
2) Energia elétrica potencial, devido à diferença de cargas elétricas, por 
conta do acúmulo de H+ no espaço intermembrana...
Força próton-motriz
Força próton-motriz
(Intermembrana) (Matriz)
∆Ψ: Diferença 
de potencial 
elétrico.
(Intermembrana) (Matriz)
Força próton-motriz
O que nos leva ao modelo quimiosmótico...
Força próton-motriz
Modelo quimiosmótico
A energia eletroquímica inerente à diferença na concentração de H+ 
(ΔpH) e separação de cargas através da membrana interna (ΔΨ)
(força próton-motriz) provém energia para a síntese de ATP quando 
os prótons fluem livremente de volta à matriz, desfazendo o 
gradiente pelo poro associado à ATP sintase.
Modelo quimiosmótico
A energia eletroquímica inerente à diferença na concentração de H+ 
(ΔpH) e separação de cargas através da membrana interna (ΔΨ)
(força próton-motriz) provém energia para a síntese de ATP quando 
os prótons fluem livremente de volta à matriz, desfazendo o 
gradiente pelo poro associado à ATP sintase.
Peter Mitchell em 1961 cunhou a palavra quimiosmótico para 
descrever a reação enzimática de síntese de ATP relacionada com o 
gradiente eletroquímico de H+.
O termo “quimiosmótico” descreve a idéia de reações enzimáticas 
que envolvem, simultaneamente, uma reação química e um processo de 
transporte.
Modelo quimiosmótico
ATP sintase:
F1
A F1 possui 3 subunidades α, 3 subunidade β
uma unidade central γ e ainda uma 
subunidade δ e outra ε (próximo slide).
É quem sintetiza o ATP. Possui dois domínios funcionais: F0 e F1.
Cada uma das três subunidades β possui um 
sítio catalítico para a síntese de ATP.
ATP sintase:
É quem sintetiza o ATP. Possui dois domínios funcionais: F0 e F1.
A F0 possui 3 subunidades: a, b, c.
São 1 proteína de a, 2 proteínas de 
b e de 10 a 12 proteínas de c.
Matriz!!
Espaço intermembrana!!
ATP sintase:
É quem sintetiza o ATP. Possui dois domínios funcionais: F0 e F1.
1) b fixam α e β em relação à membrana.
2) O cilindro de subunidades c liga-se à
haste feita de γ e ε.
3) Prótons fluem, cilindro e haste rodam 
e as subunidades β mudam de 
conformação à medida que γ se associa a 
cada uma delas...
Matriz!!
Espaço intermembrana!!
Funciona como em uma hidroelétrica, que utiliza rotores para gerar energia:
No próximo slide, veremos as subundiades α e β em um corte 
transversal:
Matriz!!
Espaço intermembrana!!
corte transversal
ATP sintase:
Catálise rotacional é a chave para a 
alteração na conformação e a síntese de 
ATP!
ATP sintase:
Catálise rotacional é a chave para a 
alteração na conformação e a síntese de 
ATP!
O Complexo pode possuir 3 
conformações com afinidades distintas:
1) β-ADP (se liga à ADP e Pi)
2) β-ATP (une os dois e se liga à ATP)
3) β-vazia (libera ATP)
1
2
3
Subunidade γ indicada como seta verde.
ATP sintase:
ATP é mostrado em laranja, ADP e Pi
em rosa e a subunidade γ em preto.
ATP sintase de eucariotos e bactérias:
Mitocôndrias desacopladas:
Mitocôndrias desacopladas estão presentes 
no tecido adiposo marrom na maioria dos 
mamíferos recém-nascidos ou que hibernam.
Tecido adiposo marrom, rico em 
mitocôndrias (daí a cor, em função dos 
citocromos), onde estas contém a proteína 
termogenina, ou proteína desacopladora.
Mitocôndrias desacopladas tem a função 
de...
Mitocôndrias desacopladas:
Mitocôndrias desacopladas estão presentes 
no tecido adiposo marrom na maioria dos 
mamíferos recém-nascidos ou que hibernam.
Tecido adiposo marrom, rico em 
mitocôndrias (daí a cor, em função dos 
citocromos), onde estas contém a proteína 
termogenina, ou proteína desacopladora.
Mitocôndrias desacopladas tem a função de 
produzir calor.
A fosforilação oxidativa é regulada pela necessidade 
energética da células:
Saldo energético da glicólise à fosforilação oxidativa:
Semana que vem:
P1, com matéria das 4 aulas dadas até aqui.