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81 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti Os cientistas Otto Heinrich Warburg e Peter Dennis Mitchell colaboraram para o entendimento da cadeia de transporte de elétrons. Otto Warburg recebeu o prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1931 devido as suas investigações sobre o citocromo na respiração celular. Peter Mitchell também recebeu o prêmio Nobel em química no ano de 1961 por sua contribuição para o entendimento da transferência de energia biológica através da formulação da teoria quimiosmótica (diferença de potencial elétrico e químico entre a matriz e o espaço intermembranar). A cadeia de transporte de elétrons, também chamada de cadeia respiratória, acontece na mitocôndria da célula. A mitocôndria é uma organela celular. Ela é formada, principalmente, por uma membrana externa, por uma membrana interna e pela matriz. Sendo que em cada um desses locais da mitocôndria são realizadas funções específicas. Membrana externa: é permeável a pequenas moléculas, que a passam para chegar no interior da mitocôndria. Membrana interna: é impermeável a maioria das moléculas, incluindo prótons. É nela que acontece a cadeia de transporte de elétrons. Além disso, é nela que está presente a ATP sintase, que funciona como um transportador de prótons, e, através disso, há a produção de moléculas de ATP. Nela, ainda, estão presentes outros tipos de transportadores de membrana. Matriz: contém o complexo enzimático piruvato desidrogenase, responsável por transformar o piruvato em Acetil-CoA. Além disso, é onde ocorre o ciclo de Krebs. Possui, ainda enzimas para a oxidação de ácidos graxos, DNA, ribossomos, enzimas de oxidação de aminoácidos, muitas outras enzimas, entre outros metabólicos intermediários. Alguns cientistas acreditam que a mitocôndria, antigamente, era uma bactéria que se incorporou as células dos organismos, uma vez que a mitocôndria realiza uma grande quantidade de funções importantes para o metabolismo dos organismos. Cadeia de Transporte de Elétrons 82 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti A cadeia de transporte de elétrons conta com a participação de algumas proteínas, chamadas de citocromos. Esses citocromos possuem grupamentos prostéticos parecidos ao grupamento heme. Existem: o citocromo A, o citocromo B e o citocromo C, cada um deles é formado por um grupo prostético porfirínico e por grupos laterais, que variam de acordo com o tipo do citocromo. A cadeia de transporte de elétrons acontece entre os complexos enzimáticos. Sendo assim, o potencial varia, e por isso, os elétrons saem de um potencial negativo e se direcionam para um potencial positivo. Dessa forma, pode-se dizer que, entre os motivos para a cadeia de transporte de elétrons acontecer, um deles é a diferença de potencial. Os complexos enzimáticos são os responsáveis por realizar algumas etapas da cadeia de transporte de elétrons. E eles ficam localizados na membrana interna da mitocôndria, variando de tamanho. Cada um deles é composto por várias proteínas, ou seja, eles possuem várias subunidades. Além disso, cada um deles possui grupamentos prostéticos diferentes. Tabela dos complexos enzimáticos. O complexo I é chamado de NADH+ desidrogenase. Ele é composto por cerca de 42 proteínas. E nele, moléculas de NADH+ são desidrogenadas, ou seja, elas perdem prótons e elétrons. O NADH+ está na matriz mitocondrial, ele é proveniente das reações do ciclo de Krebs. Quando ele chega ao complexo I ele passa por uma reoxidação, ou seja, ele perde dois elétrons e dois prótons. Os prótons e elétrons são passados para uma molécula de FMN (flavina mononucleotídea), a qual ao receber os prótons e os elétrons fica em sua forma reduzida de FMNH2. Depois, a FMNH2 passa os prótons e os elétrons para um dos grupamentos prostéticos, chamado de Centro Ferro-Enxofre (Fe- S). Porém, o Centro Fe-S não é capaz de segurar os prótons, apenas os elétrons. Por esse motivo, os prótons são jogados para o espaço intermembranar. Já no caso dos elétrons, ao se juntarem ao Centro Fe-S, eles oxidam o Fe+3 para Fe+2, e depois eles vão para a coenzima Q, também chamada de ubiquinona. 83 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti Complexo I. O centro Ferro-Enxofre são proteínas que possuem grupos prostéticos e estão presentes em alguns complexos enzimáticos da cadeia de transporte de elétrons. Eles podem se apresentar de várias formas, porém, em todos eles, o ferro sempre está ligado aos enxofres das cisteínas que formam a proteína. O complexo II, também chamado de Succinato desidrogenase, possui a enzima succinato desidrogenase, que também participa do ciclo de Krebs na matriz mitocondrial. No complexo II, a enzima succinato desidrogenase vai catalisar uma reação na qual um succinato vai ser reduzido à fumarato. Sendo assim, os prótons e os elétrons do succinato são passados para uma molécula de FAD+, que ao ser reduzida, fica na forma de FADH2. Depois disso, os prótons e os elétrons são repassados para um centro de Fe-S. Como ele não consegue segurar os prótons, esses são devolvidos a matriz mitocondrial, uma vez que o complexo II não tem contato com o espaço intermembranar e os prótons são impermeáveis a membrana interna. Sendo assim, eles não conseguem ultrapassá-la e ir para o espaço intermembranar, por esse motivo eles voltam para a matriz. No caso dos elétrons, eles são repassados para o citocromo b, que, por fim, leva esses elétrons para a coezima Q (ubiquinona). A ubiquinona (CoQ) é uma enzima totalmente oxidada, uma vez que ela possui duas ligações com oxigênios. Além disso ela é formada por uma cadeia longa de carbonos, o que a torna hidrofóbica. É por esse motivo, que ela consegue ficar no meio no espaço intermembranar da membrana interna, uma vez que as caudas dos fosfolipídios ficam voltadas para o interior e elas também são hidrofóbicas. Sendo assim, a CoQ recebe elétrons de vários locais: Do complexo I. Do complexo II. Da redução dos ácidos graxos pela enzima Acil-CoA desidrogenase. 84 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti Complexo II Da redução do glicerol 3 fosfato pela enzima glicerol 3 fosfato desidrogenase. Dessa forma, ao receber elétrons e prótons, a ubiquinona vai mudando de conformação. Sendo assim, ela começa na sua forma totalmente oxidada, com as duas ligações com oxigênio, nessa forma ela é chamada de ubiquinona (Q). Ao receber prótons e elétrons ela passa por modificações na sua estrutura e passa a se chamar semiquinona . E quando, a semiquinona recebe mais prótons e elétrons, ela passa a se chamar ubiquinol (QH2), estando na sua forma reduzida. Depois disso, ela libera os prótons e os elétrons e volta a sua forma oxidada de CoQ, para reiniciar o processo. O complexo III, também chamado de citocromo C oxidorredutase, recebe os elétrons da CoQ. O ubiquinol é formado perto da matriz mitocondrial, ou seja, na parte mais interna da membrana interna da mitocôndria. Como ele é uma molécula altamente hidrofóbica, ele consegue caminhar pela membrana e se direcionar para a parte mais externa da membrana interna, ou seja, para o local mais próximo do espaço intermembranar. Ao chegar lá, 85 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti ele perde um próton para o espaço intermembranar, e um elétron, e por esse motivo, ele se transforma no semiquinona. O elétron entra num centro Fe-S do complexo III e é transportado para o citocromo C, presente no espaço intermembranar. A semiquinona, então, perde mais um próton para o espaço intermembranar. E como ela não pode ficar com apenas um elétronna membrana hidrofóbica, ela o recicla. Sendo assim, a semiquinona joga o elétron para o citocromo C, presente no complexo III. Ao perder o elétron, a semiquinona passa a ser uma ubiquinona (CoQ). Dessa maneira, a ubiquinona consegue se aproximar, novamente, da parte mais interna da membrana interna da mitocôndria. Quando ela chega perto desse local ela recebe o elétron reciclado, ao receber esse elétron ela pode retirar um próton da matriz. Sendo assim, receberá mais elétrons e prótons até chegar, novamente, na forma de ubiquinol. O objetivo disso é pegar elétrons e passá-los pelos complexos, a fim de jogar prótons para o espaço intermembranar. Sendo assim, os prótons vão para o espaço intermembranar, o que provoca um acúmulo de prótons nesse local, e os elétrons vão para o citocromo C. Complexo III. O complexo IV, também chamado de citocromo oxidase, é quem recebe os elétrons acumulados no citocromo C. Sendo assim, esses elétrons vão passar por dois citocromos: o citocromo A e o citocromo A3 do complexo IV. Eles fazem isso porque como a membrana é impermeável a elétrons, eles precisam ultrapassá-la de alguma forma, e por isso, eles utilizam o complexo IV. Depois de passarem pelo complexo IV, os elétrons chegam até o íon de oxigênio (O2). O O2 ao receber os elétrons capta prótons da matriz mitocondrial, e transforma-se em H2O (água metabólica). Sendo assim, através dos metabolismos do organismo foram produzidos substratos para o Ciclo de Krebs. Nesse ciclo, então, foram produzidas enzimas reduzidas (NADH+ e FADH2). Essas enzimas, através da passagem de seus elétrons pela cadeia respiratória, foram oxidadas. E, por fim, esses elétrons chegam ao O2 (oriundo da respiração), que é o aceptor final de elétrons. E dessa forma, o O2 é transformado em H2O metabólica. Além disso, os prótons das enzimas são levados para o espaço intermembranar da mitocôndria. Durante o transporte de elétrons, os prótons vão saindo e se acumulando no espaço intermembranar. Sendo assim, há muito mais prótons no espaço intermembranar do que na matriz. Dessa maneira, a teoria quimiosmótica diz que esse acúmulo de prótons no espaço intermembranar vai gerar uma diferença de potencial elétrico e química. Essa diferença é a força motriz para a produção de ATP pela ATP sintase. Devido a tendência de equilibro entre os meios, os prótons vão querer retornar para a matriz, porém a membrana interna é impermeável a prótons. Sendo assim, eles retornam para a matriz utilizando a ATP sintase, que serve como porta de entrada para a matriz dos prótons vindos do espaço intermembranar. E quando eles retornam para a matriz, passando pela ATP sintase, eles promovem a síntese de molécula de ATP através de ADP+Pi. 86 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti Complexo IV. Teoria Quimiosmótica. 87 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti Tanto inibidores como desacopladores são substâncias que atrapalham o andamento da cadeia de transporte de elétrons. Eles não são produzidos pelos organismos, porém eles podem entrar no corpo através de contaminações. Inibidores são substâncias que inibem a passagem de elétrons. Dessa forma, eles impedem que a cadeia de transporte de elétrons aconteça, e isso, afeta alguns outros metabolismos como o ciclo de Krebs, podendo levar a morte do organismo. Alguns dos inibidores são: Rotenona: inibidor do complexo I, sendo assim os elétrons não conseguem chegar a CoQ. Antimicina A: inibidor do complexo III. Cianeto e Monóxido de Carbono: inibe o complexo IV, ou seja, os elétrons não chegam ao O2 e não há a produção de H20. Desacopladores são substâncias que podem captar prótons, causando o desacoplamento da cadeia de transporte de elétrons. Eles são substâncias orgânicas e hidrofóbicas e por isso, conseguem passar pela membrana interna da mitocôndria. Sendo assim, os desacopladores captam os prótons, e os levam para a matriz sem que seja necessário a passagem deles pela ATP sintase. Dessa forma, ocorre um desacoplamento químico, no qual não ocorre a fosforilação oxidativa e, consequentemente, não ocorre a síntese de ATP. Alguns desacopladores são: 2,4 dinitrofenol (2,4 DNP): em sua estrutura possui um O livre capaz de captar prótons. FCCP: possui em sua estrutura um N livre capaz de captar prótons. A fosforilação oxidativa é uma continuação à cadeia de transporte de elétrons. John Ernest Walker e Paul Delos Boyer receberam o prêmio Nobel de química no ano de 1997. Eles foram os responsáveis por estudar a elucidação do mecanismo enzimático subjacente à síntese de ATP, ou seja, eles estudaram e descobriram como a célula consegue produzir ATP através da ATP sintase. A ATP sintase encontra-se na membrana interna da mitocôndria. Ela possui contato tanto com a matriz mitocondrial quanto com o espaço intermembranar. Ela é responsável por transportar prótons do espaço intermembranar para a matriz mitocondrial, a fim de estabelecer um equilíbrio entre os dois meios. 88 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti A ATP sintase é formado por duas partes. A primeira parte é formada por subunidades. As subunidades α e β ficam ligadas a subunidade γ. Sendo assim, existem três subunidades α e três subunidades β que ficam voltadas para a matriz mitocondrial. Essas subunidades podem se apresentar de três formas: ligadas a um ATP, ligadas a um ADP+Pi ou, ainda, vazias. A subunidade γ é a responsável por ligar essas seis subunidades α e β. A segunda parte da ATP sintase é a responsável por capturar os prótons do espaço intermembranar e levá-los para a matriz mitocondrial. O mecanismo da síntese de ATP funciona através de seis sítios catalíticos, que são as subunidades α e β. Como citado anteriormente, essas subunidades podem estar em três formas: Na forma O, open, ou seja, aberta. Nesse caso, a subunidade se encontra vazia. Na forma L, loose, frouxo. Na qual a subunidade se encontra ligada a uma molécula de ADP+Pi. Na forma T, tight, apertado. Nesse caso, a subunidade se encontra ligada a uma molécula de ATP. Sendo assim, quando ocorre a entrada do ADP+Pi na ATP sintase ele se liga espontaneamente a subunidade que está na forma L. Essa ligação ocorre espontaneamente devido a conformação da subunidade, que no caso é L. Nessa conformação L, essa subunidade tem mais afinidade com o ADP+Pi. Além disso, na subunidade com a forma T já está ligada uma molécula de ATP que foi sintetizada através da junção de um ADP+Pi, anteriormente. Então, quando ocorre a passagem de um próton pela ATP sintase, ele modifica a conformação do sistema, uma vez que ele serve como energia para o funcionamento da ATP sintase. Dessa forma, ocorre uma mudança na conformação das subunidades: o sítio aberto passa a ser frouxo, o sítio apertado passa a ser aberto, e o sítio frouxo passa a ser apertado. Dessa maneira, quando o sítio apertado muda de conformação e se torna frouxo, ele libera o ATP que havia sido produzido. E no sítio que antes era frouxo, e se tornou apertado, passa a ter energia suficiente para juntar o ADP+Pi e sintetizar uma nova molécula de ATP. E assim, através da passagem dos prótons e das mudanças de conformações dos sítios, ocorre a síntese de moléculas de ATP através da ATP sintase. Sendo assim, para sintetizar uma nova molécula de ATP é necessário que haja ADP+Pi. Porém, eles não 89 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti se encontram na matriz da mitocôndria, disponíveis para a ATP sintase, eles entram na matriz mitocondrial através de transportadores. Além disso, o ATP não pode ficar dentro da matriz,uma vez que ele é utilizado em outras vias metabólicas no citosol da célula. Dessa maneira, ele também utiliza um transportador para sair da mitocôndria. Existem dois transportadores entre as membranas das mitocôndrias: Adenina Nucleotídeo Translocase: é um transportador de membrana do tipo antiporter, ou seja, ocorre a entrada de uma molécula e a saída de outra. Sendo assim, através desse transportador há a saída das moléculas de ATP e a entrada das moléculas de ADP. Fosfato Translocase: é um transportador de membrana do tipo simporter, ou seja, ocorre a entrada de duas moléculas ao mesmo na mitocôndria. Dessa forma, há a entrada de prótons e de grupamentos fosfato na mitocôndria. Esses prótons que entram através da fosfato translocase são jogados, novamente, para o exterior da membrana através da cadeia de transporte de elétrons. + Os NADH+ produzidos pelo ciclo de Krebs na mitocôndria são usados na cadeia de transporte de elétrons, para doar prótons e elétrons no complexo I. Porém, no citosol da célula também são produzidos NADH+ através de outras vias metabólicas, como por exemplo, na glicólise. Sendo assim, a célula precisa utilizar essas moléculas de NADH+ para alguma coisa. E é por esse motivo, que o NADH+ citossólico é levado para a matriz mitocondrial, onde ele poderá ser utilizado. Contudo, a molécula de NADH+ não entra na mitocôndria, o que é levado para a matriz é apenas o seu poder redutor, ou seja, os prótons. Entretanto, esses prótons são impermeáveis a membrana interna da mitocôndria. Sendo assim, eles são transportados juntamente a outras moléculas. Então, o NADH+ citossólico entra em uma reação catalisada pela enzima malato desidrogenase. Essa enzima transforma uma molécula de oxaloacetato em malato. Além disso, na reação os prótons do NADH+ são passados para a molécula de malato, e, por isso, o NAD+ é liberado no citosol de novo. O malato, entra na matriz mitocondrial através de um transportador. Na matriz mitocondrial, o malato é transformado novamente em oxaloacetato pela enzima malato desidrogenase. E nessa reação, há a participação de NAD+ oriundo da matriz, ele pega os prótons e é liberado para ser usado pela mitocôndria na forma de NADH+. Esse NAD+ pode ser proveniente da cadeia de transporte de elétrons, vindo do complexo I depois de ter perdido seus prótons. Depois disso, o oxaloacetato é uma das moléculas usadas no ciclo de Krebs, e por esse motivo, a 90 Bioquímica Metabólica | Bárbara C. Rovaris | Prof. Liz Claudio Miletti mitocôndria não pode perder muita quantidade de oxaloacetato para o citosol. Sendo assim, o oxaloacetato é transformado em aspartato pela enzima aspartato aminotransferase. Nessa reação, há a entrada de uma molécula de glutamato que doa seu grupamento amino, e sai na forma de α-Ceto glutarato. O aspartato, então, sai da mitocôndria através de outro transportador. No citosol da célula, ele é novamente transformado em oxaloacetato, pela enzima aspartato aminotransferase. O oxaloacetato então recomeça o ciclo para transportar mais prótons para o interior da mitocôndria. As lançadeiras são mecanismos celulares pelos quais o poder redutor (prótons) do NADH+ citossólico consegue adentrar a mitocôndria. Sendo assim, existem várias lançadeiras: Malato aspartato: permite a entrada do malato carregado com um próton no interior da mitocôndria. Dessa forma, ocorre a produção do NADH+ mitocondrial que é utilizado pelo complexo I na cadeia de transporte de elétrons. Glicerol fosfato: permite a entrada de prótons na mitocôndria através do complexo II da cadeia de transporte de elétrons. Ela funciona da seguinte maneira: o NADH+ produzido na glicólise participa de uma reação, catalisada pela enzima citosol glicerol 3 fosfato desidrogenase, na qual uma molécula de Diidroxicetona fosfato é transformada em Glicerol 3 fosfato. O glicerol 3 fosfato pega os prótons do NADH+, que por sua vez sai na forma de NAD+. Então o glicerol 3 fosfato passa os prótons para o FAD+, presente no complexo II da cadeia de transporte de elétrons, que fica em sua forma reduzida de FADH2. O FADH2, por sua vez, passa os elétrons para a coenzima Q e passa os prótons novamente para uma molécula de diidroxicetona fosfato. 91 Bioquímica Metabólica | 2020.1 São substâncias que inibem o acontecimento da fosforilação oxidativa. Atractilosídeo: inibe a Adenina Nucleotídeo Translocase. Ao fazer isso, ocorre um acúmulo de ATP na matriz mitocondrial o que pode causar vários problemas metabólicos, uma vez que o ATP não sai da mitocôndria para ser utilizado em outros metabolismos. Essas substâncias bloqueiam a ATP sintase, são na maioria das vezes antibióticos e antifúngicos. Oligomicina: inibe a passagem dos prótons pela ATP sintase. Dessa forma, ela não tem energia para produzir ATP. São reações nas quais ocorre a produção do ATP. Porém, essa síntese de ATP não é feita pela ATP sintase. Essas reações acontecem em outros locais. Contudo, esses ATP’s produzidos por outros meios não são suficientes para manter o organismo, por esse motivo, ocorre a fosforilação oxidativa pela ATP sintase. A fosforilação ao nível do substrato ocorre em reações da glicólise, por exemplo. 92 Bioquímica Metabólica | 2020.1 a
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