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Cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa POLISSACARÍDIOS PROTEÍNAS LIPÍDIOS GLICOSE AMINOÁCIDOS ÁCIDOS GRAXOS Acetil-CoA (2) Oxaloacetato (4) Citrato (6) Isocitrato (6) Cetoglutarato (5) Succinato (4) Fumarato (4) Malato (4) Gly Ala Ser Cys Leu Ile Lys Phe GluAsp Piruvato (3) CO2 CO2 CO2 CO2 α MAPA II Fosfoenolpiruvato (3) CO2 Glicose + NAD + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + H + 2ATP + 2H2O Glicólise Piruvato + NAD+ + CoA Acetil-CoA + NADH + H+ + CO2 Descarboxilação oxidativa do piruvato (processo aeróbico) Ciclo de Krebs Acetyl-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + pi 3NADH + FADH2 + GTP+ COA +2 C02 Glicose + NAD + 2ADP + 2Pi → 2Piruvato + 2NADH + 2H + 2ATP + 2H2O Saldo : 2NADH +2ATP 2 Gliceraldeido 3-fosfato Glicólise 2 Piruvatos Saldo : 2NADH Formação de Acetil-CoA Ciclo de Krebs 6NADH 2FADH2 2 ATP 2Acetyl CoA Mols de NADH Mols de FADH2 2 Acetil CoA 2 6 2 10 2 ATP 2 2 Glicólise Piruvato Ciclo de Krebs 4 Rendimento da oxidação da glicose Rendimento da oxidação da glicose Etapas da oxidação da glicose I. Glicose a 2 piruvatos (glicólise) II. 2 piruvaos a 2 acetil-CoA (formação de acetil-CoA). III. 2 acetil-CoA entram no ciclo de Krebs IV. NADH e FADH2 passam pela cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa. Oxidação completa de 1 mol de glicose: I II III IV Mols de ATPformadosI+II+III coenzimas Fosforilação no nível do substrato Total 2NADH 2NADH 6NADH 2FADH2 10NADH 2FADH2 30ATP 4ATP 30ATP 4ATP 30 4 2ATP 2ATP 4ATP 4 38 β-oxidação Ciclo de Krebs ATP 9 Acetil-CoA 8 NADH 8 FADH2 27 NADH 9 GTP 9 FADH2 Soma 36 NADH 17 FADH2 9 GTP Cada NADH forma 3 ATP e cada FADH2 forma 2 ATP 108 ATP 34 ATP 9 ATP 151 ATP Ácido graxo de 18 carbonos 151-2=149 Energia armazenada nas coenzimas (NADH e FADH2 ) 1. Possibilita a re-utilização das coenzimas. 2. A re-oxidação possibilita que a energia mantida nas coenzimas possa ser utilizada para a síntese de ATP. Respiração Celular Processo em que as células aeróbicas produzem seu ATP pela oxidação das coenzimas pelo oxigênio. Processo efetuado pela cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória). Fosforilação oxidativa Síntese do ATP (ADP +Pi ATP) utilizando a energia da oxidação das coenzimas. Transferência da energia das coenzimas para a formação do ATP ATP é a única forma de energia utilizável pelas células Transformação da energia contida nas coenzimas reduzidas em um gradiente prótons utilizando este gradiente para a síntese de ATP Transferência de elétrons das coenzimas para o oxigênio via várias passagens intermediárias pela cadeia de transporte de elétrons. Elétrons partem da coenzima reduzida que tem um potencial de redução menor que os componentes da cadeia de transporte de elétrons percorrendo uma sequência de transportadores com potencial de redução crescente. Até atingirem o oxigênio com o maior potencial de redução. A transferência de elétrons é acompanhada por queda de energia livre. Ao mesmo tempo há a formação de um gradiente de prótons estabelecendo-se uma concentração diferente de prótons de cada lado da membrana onde ocorre o transporte de elétrons. O aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de prótons possibilita a síntese de ATP. Respiração celular e fosforilação oxidativa A oxidação das coenzimas reduzidas processa-se na membrana interna da mitocôndria aonde se localizam os componentes da cadeia de transporte de elétrons. Os componentes se agrupam em 4 complexos I, II, III e IV. Além disso dois componentes móveis fazem parte da cadeia de transporte de elétrons, coenzima Q (CoQ), conecta Complexo I ao II e ao III, e o citocromo c, que conecta o Complexo III ao IV. Respiração celular Maior potencial de redução Menor potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo I Complexo II Complexo III Complexo IV Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Flavina mononucleotídeo (FMN). Derivado da Riboflavina Complexo I Centros ferro-enxofre Transportadores de e- somente Valência Fe varia entre Fe3+ e Fe2+ Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. Complexos I, II e III proteínas ferro-enxofre Ubiquinona ou Coenzima Q Mobilidade facilitada devido a sua característica hidrofóbica Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. unidades isoprênicas Citocromos são proteínas transportadores de e- que contém grupo heme como grupo prostético Fe2+ e Fe3+ Classificados de acordo com o seu espectro de absorção Citocromo C localizado na face externa da memb mitocondrial interna, Proteína pequena, móvel, conectam o complexo III ao IV. Grupos prostéticos dos complexos atuam como centros de óxido-redução. ligação tioéter Citocromos são proteínas transportadores de e- que contém grupo heme como grupo prostético Maior potencial de redução Menor potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo I Complexo II Complexo III Complexo IV Complexo I / NADH-ubiquinona óxido-redutase Um dos maiores complexos conhecidos. Consiste de 46 cadeias polipeptídicas. Estrutura desconhecida. Catalisa a transferência de e- do NADH à ubiquinona com a translocação concomitante de H+ através da membrana. Reações de óxido-redução e “bomba” de prótons. NADH + H+ + FMN Complexo I NAD+ + FMNH2 Complexo I Glicólise Piruvato para Acetyl- CoA Ciclo de Krebs Prótons da matriz são consumidos Succinato desidrogenase Complexo II Succinato-ubiquinona óxido-redutase Complexo II Acopla a oxidação do fumarato à redução da Coenzima Q É o segundo ponto de entrada de e- na cadeia respiratória. Maior potencial de redução Menor potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo I Complexo II Complexo III Complexo IV A coenzima Q é o ponto de convergência de e- provenientes de NADH (complexo I), succinato (complexo II), glicerol 3-fosfato e acil-CoA Maior potencial de redução Menor potencial de redução Sucessivas reduções e oxidações coenzima Q (ubiquinona) citocromo C Complexo I Complexo II Complexo III Complexo IV Fosforilação oxidativa Fosforilação do ADP para a formação do ATP às custas da oxidação de coenzimas. A energia derivada do transporte de e- é convertida em uma força próton-motriz Hipótese quimiosmótica: “ A energia de transporte de e- é utilizada para bombear prótons através da membrana interna para o exterior da mitocôndria”. Consequência do bombeamento de prótons é a formação de um gradiente de prótons. A ATP sintase catalisa a formação de ATP quando os prótons atravessam a enzima quatro prótons são necessários para cada ATP sintetizado. Para cada 4 prótons que entram 1 ATP é sintetizado. Os prótons entram por sítios específicos da ATP sintase. Hipótese quimiosmótica: “ A energia de transporte de e- é utilizada para bombear prótons através da membrana interna para o exterior da mitocôndria”. A fosforilação oxidativa só se processa em mitocôndrias intactas ou em vesículas fechadas compatíveis com a formação de um gradiente de prótons. A síntese de ATP pode ser obtida na ausência de transporte de elétrons desde que haja a um gradiente de prótons. Modelo de acoplamento direto e de acoplamento indireto para o transporte de elétrons e translocação de prótons. Variação de energia livre associada ao transporte de e- NADH + H+ + ½ O2 + 3ADP +3Pi +3H+ NAD++ 3ATP +4H2O FADH2 + ½ O2 + 2ADP +2Pi +2H+ FAD+ + 2ATP +3H2O ATP produzida pela fosforilação ao nível do substrato é independente da cadéia de transporte de elétrons. Rendimento da oxidação da glicose Etapas da oxidação da glicose I. Glicose a 2 piruvatos (glicólise) II. 2 piruvaos a 2 acetil-CoA (formação de acetil-CoA). III. 2 acetil-CoA entram no ciclo de Krebs IV. NADH e FADH2 passam pela cadeia de transporte de elétrons e fosforilação oxidativa. Oxidação completa de 1 mol de glicose: I II III IV Mols de ATPformadosI+II+III coenzimas Fosforilação no nível do substrato Total 2NADH 2NADH 6NADH 2FADH2 10NADH 2FADH2 30ATP 4ATP 30ATP 4ATP 30 4 2ATP 2ATP 4ATP 4 38 C6H12O6 +6O2 + 38ADP + 38Pi 6CO2 + 6H2O + 38 ATP Reação de oxidação da glicose A ATP sintase é formada por duas subunidades F1 e F0 Converte energia química em motora atuando como um”nano motor” rotatório F1 = a2, b3,g,d, e F0= a,b2,c10 Fator de acoplamento 1 (F1) Fo (se liga à oligomicina inibido da ATP sintase) F1 Fo Fo canais de passagem de prótons F1 catalisa a síntese de ATP Matriz mitocondrial F1 = α2, β3,γ,δ, e F0= a,b2,c10 F1 Fo F1 Fo F1 Fo F1 Fo F1 Fo http://www.youtube.com/watch?v=uOoHKCMAUMc F1 = α2, β3,γ,δ, ε F0= a,b2,c10 F1 Fo A ATP sintase Movimento da ATP sintase A ATP sintase Controle respiratório Transporte de e- e síntese de ATP são processos acoplados. A oxidação de NADH e FADH2 só ocorre se houver síntese de ATP e vice-versa. ADP regula a entrada de prótons pela ATP sintase Quando não há um gasto grande de ATP há menos ADP diminuindo a entrada de protons (H+ ) pela ATP sintase. A entrada de H+ requer o ADP. A magnitude do gradiente de prótons aumenta e impede a ação da bomba de prótons até que a energia necessária para bombear protons para fora da mitocôndria, contragradiente, se iguala à energia liberada pelo transporte de elétrons que para. Inibidores Inibidores da cadéia de transporte de e- inibem a formação do gradiente de H+ e consequentemente a síntese de ATP. Drogas potencialmente letais Barbituratos (hipnóticos) Complexo I Rotenona (inseticida) Complexo I Malonato (inibidor da succinato desidrogenase) Complexo II Antimicina A (antibiótico) Complexo III Cianeto (CN-), monóxido de carbono (CO), azida (N3-) b Complexo IV Rotenona (inseticida) Complexo I Antimicina A (antibiótico) Complexo III Cianeto (CN-), monóxido de carbono (CO), azida (N3-) b Complexo IV Desacopladores Substâncias lipofílicas como o DNP (2,4-dinitrofenol) são capazes de dissociar o transporte de e- da fosforilação oxidativa. A ´síntese de ATP para o transporte de e- prossegue. Transporte de e- sem o transporte de prótons contragradiente torna-se energeticamente mais favorável, e a sua velocidade aumenta. Consumo de oxigênio é maior Desacopladores fisiológicos (tecido adiposo marrom) UCP1 (uncoupling protein 1) O gradiente de prótons não se estabelece e a energia do transporte de elétrons é dissipada como calor o DNP impede a formação de um gradiente de H+ Inibidores A oligomicina é um antibiótico que inibe a síntese de ATP se ligando à subunidade Fo que se torna impermeável a prótons. Mantendo o gadiente de prótons e impedindo o transporte de elétrons, parando a síntese de ATP e o consumo de oxigênio. Perante a adição de desacopladores podemos verificar se a inibição está sendo feita na cadeia de transporte de elétrons ou na ATP sintase. Sob a ATP sintase o consumo de oxigênio é restaurado. F1 Fo F1 Fo F1 Fo A mitocôndria Membrana interna da mitocôndria A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NAD+ e NADH. Coenzimas reduzidas no citosol podem ser oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons graças ao sistema de lançadeiras. Lançadeira malato-aspartato Lançadeira malato-aspartato malato desidrogenase citossólica dicarboxilato translocase malato desidrogenase mitocondrial aspartato amino transferase mitocondrial Aspartato-gluatmato translocase aspartato amino transferase citossólica fígado, rim e coração Lançadeira do glicero fosfato Glicerol 3-fosfato desidrogenase Apenas 2ATPs resultarão músculo esquelético e cérebro Membrana mitocondrial interna é impermeável a diversos compostos. O transporte de diversos compostos é feito por translocases. As translocases controlam a permeabilidade da membrana interna da mitocôndria. Adenina nucleotídeo translocase (ATP/ADP) translocase (permite a saída do ATP produzido e entrada do ADP) Fosfato translocase Dicarboxilato translocase (malato, succinato, fumarato, e α-cetoglutarato). Lançadeira do malato aspartato Tricarboxilato translocase (citrato e isocitrato). Piruvato translocase (monocarboxilato translocase). Aspartato-Glutamato translocase. Lançadeira do malato aspartato Sistemas transportadores de Ca2+ (uniportador e antiportador). Energia eletroquímica obtida pelo bombeamento de prótons acoplado à cadeia de transporte de elétrons. Reduzem o rendimento de ATP. Slide Number 1 Slide Number 2 Slide Number 3 Slide Number 4 Slide Number 5 Slide Number 6 Slide Number 7 Slide Number 8 Slide Number 9 Slide Number 10 Slide Number 11 Slide Number 12 Slide Number 13 Slide Number 14 Slide Number 15 Slide Number 16 Slide Number 17 Slide Number 18 Slide Number 19 Slide Number 20 Slide Number 21 Slide Number 22 Slide Number 23 Slide Number 24 Slide Number 25 Slide Number 26 Slide Number 27 Slide Number 28 Slide Number 29 Slide Number 30 Slide Number 31 Slide Number 32 Slide Number 33 Slide Number 34 Slide Number 35 Slide Number 36 Slide Number 37 Slide Number 38 Slide Number 39 Slide Number 40 Slide Number 41 Slide Number 42 Slide Number 43 Slide Number 44 Slide Number 45 Slide Number 46 Slide Number 47 Slide Number 48