Bioquímica - Cadeia Transportadora e Fosforilação Oxidativa

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Cadeia Transportadora e Fosforilação Oxidativa
Definição 
· A fosforilação oxidativa faz parte do metabolismo gerador de energia em organismos aeróbicos.
· Todos passos oxidativos na degradação de carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para esse estágio final da respiração celular, onde a energia da oxidação governa a síntese de ATP.
· Responsável por maior porte do saldo de ATP.
· Ocorre na mitocôndria, nos eucariotos.
Teoria Quimiosmótica: 
· Produção de energia química pela diferença na transmembrana da concentração de prótons.
Mitocôndria:
· A membrana mitocondrial externa é permeável a moléculas pequenas e a íons, que se movem livremente por canais transmembrana, formados por uma família de proteínas integrais de membrana (porinas).
· A membrana interna é impermeável à maioria das moléculas pequenas e dos íons, incluindo prótons (H+); as únicas espécies que cruzam a membrana o fazem por meio de transportadores específicos.
· A membrana interna aloja os componentes da cadeia respiratória e a ATP-sintase.
· A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia de carregadores de elétrons, chamada de cadeia respiratória.
· A maioria desses elétrons surge da ação das desidrogenases, que coletam elétrons das vias catabólicas e os canalizam para aceptores universais de elétrons (NAD+ FAD+).
· O NAD+ vai ser reduzido à NADH e o FAD+ reduzido à FADH2.
1 NADH = 2,5 ATPS = 10H+
1 FADH2 = 1,5 ATPS = 6H+
· A cadeia respiratória mitocondrial consiste em uma série de carregadores que agem sequencialmente, sendo a maioria deles proteínas integrais com grupos prostéticos capazes de aceitar e doar um ou dois elétrons.
Ocorrem três tipos de transferência de elétrons na fosforilação oxidativa:
· Transferência direta de elétrons, como na redução de Fe3+ a Fe2+.
· Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-).
· Transferência como um íon hidreto (:H-), que tem dois elétrons.
Proteínas carreadoras de elétrons presentes na cadeia respiratória:
· Uma quinona hidrofóbica (ubiquinona) e dois tipos diferentes de proteínas que contêm ferro (citocromos e proteínas ferro-enxofre).
· Também chamada de coenzima Q.
· A ubiquinona pode aceitar um elétron para se tornar o radical semiquinona (•QH) ou dois elétrons para formar ubiquinol (QH2).
· Por carregar elétrons e prótons, ela desempenha um papel central em acoplar o fluxo de elétrons ao movimento de prótons.
· Os citocromos são proteínas com absorção caracteristicamente forte de luz visível, devido aos seus grupos prostéticos heme contendo ferro.
· As mitocôndrias têm três classes de citocromos.
· Na reação global catalisada pela cadeia respiratória mitocondrial, os elétrons se movem do NADH, succinato ou outro doador primário de elétrons, por flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre e citocromos e, finalmente, ao O2.
Como ocorre a transferencia de eletrons:
· Os complexos 1 e 2 catalizam a transferência para a ubiquinona a partir de dois doadores de elétrons diferentes:
· NADH complexo 1.
· Succinato complexo 2.
· O complexo 3 carrega elétrons da ubiquinona reduzida para o citocromo c.
· O complexo 4 completa a sequência, transferindo eletros do citocromo c para o O2.
Complexo 1
· Também chamado de NADH: ubiquinona-oxidorredutase.
· Ou NADH-desidrogenase, é uma enzima grande, com pelo menos 6 centros ferro-enxofre.
· O complexo I catalisa dois processos simultâneos e obrigatoriamente acoplados:
 A transferência exergônica para a ubiquinona de um íon hidreto do NADH e de um próton da matriz.
 A transferência endergônica de quatro prótons da matriz para o espaço intermembrana.
· O complexo I é, portanto, um bombeador de prótons que utiliza a energia da transferência de elétrons.
· A reação que ele catalisa é vetorial: ela move prótons em uma direção específica de um local (a matriz, que se torna negativamente carregada com a saída dos prótons) a outro (o espaço intermembrana, que se torna positivamente carregado).
Drogas inibidoras do complexo I:
· Amital (barbitúrico).
· Rotenona (Inseticida).
· Piericidina A (Antibiótico)
Vão inibir o fluxo de elétrons para Coenzima Q.
· DCMU (Compete com a Qb pelo sítio de ligação PSII.
Complexo 2
· Succinato-desidrogenase, a única enzima do ciclo do ácido cítrico ligada à membrana.
· Contém cinco grupos prostéticos de dois tipos e quatro subunidades proteicas diferentes.
· As subunidades A e B se estendem para a matriz, elas contêm três centros 2Fe-2S, FAD ligado e um sítio de ligação para o substrato, o succinato.
· Via de transferência de elétrons do sítio de ligação do succinato a FAD.
· O efeito de cada uma das enzimas do complexo 3 transferidoras de elétrons é contribuir para o conjunto (pool) de ubiquinona reduzida.
· O QH2 de todas essas reações é reoxidado pelo complexo III
Complexo 3
· Citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c.
· Acopla a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte vetorial de prótons da matriz para o espaço intermembrana.
· O citocromo c é uma proteína solúvel do espaço intermembrana.
· Depois que seu único heme aceita um elétron do complexo III, o citocromo c move-se para o complexo IV para doar o elétron para um centro de cobre binuclear.
· Para o citocromo funcionar precisa do Fe.
· Uma baixa de Fe no sangue, a pessoa terá como sintomas de baixa energética, porque o Fe é importante pra levar o O2 para hemoglobina e aqui nos componentes da CTE.
 
Inibidores: 
· Antimicina A (inibe transferência de e- do citocromo b para citocromo c).
Complexo 4
· Chamado também de citocromo-oxidase, é uma enzima grande.
· Carrega elétrons do citocromo c para o oxigênio molecular, reduzindo-o a H2O.
· Esta redução do O2 por quatro elétrons envolve centros redox que carregam apenas um elétron por vez, e ela deve ocorrer sem a liberação de intermediários que não são completamente reduzidos, como peróxido de hidrogênio ou radicais livres hidroxila espécies muito reativas que danificam os componentes celulares.
· Os intermediários permanecem fortemente ligados ao complexo, até serem completamente convertidos em água.
Inibidores desse complexo:
· Cianeto.
· Monóxido de carbono.
Os desacopladores
· Separam a CTE da fosforilação oxidativa, eles vão parar de acontecer juntos. 
· Ele faz um caminho alternativo para o H+ sem ser pela ATPsintase, não tendo síntese de ATP.
· ADP fica alto, ciclo de krebs rápido e a CTE vão acontecer muito rápidos, mas sem produção de ATP, a energia vai ser liberada em forma de calor.
Fluxo pelos complexos da cadeia respiratoria
· Os elétrons chegam à Q por meio dos complexos I e II. 
· A Q reduzida (QH2) serve como carregador móvel de elétrons e prótons. 
· Ela passa elétrons ao complexo III, que os passa a outro elemento móvel de ligação, o citocromo c. 
· O complexo IV então transfere elétrons do citocromo c reduzido ao O2. 
· O fluxo de elétrons pelos complexos I, III e IV é acompanhado pelo fluxo de prótons da matriz ao espaço intermembrana. 
*Lembre-se de que os elétrons da b-oxidação de ácidos graxos também podem entrar na cadeia respiratória por meio de Q.
Energia direcionada para criar um contragradiente de protons
· Excesso de H+ fora da matriz mitocondrial;
· Matriz com carga negativa;
· Porção intermembrana carga positiva;
· Membrana interna impermeável a H+;
· ATP sintase.
Acoplamento quimiosmotico e controle respiratorio
· Os desacopladores separam a CTE da fosforilação oxidativa, eles vão parar de acontecer juntos. 
· Ele faz um caminho alternativo para o H+ sem ser pela ATPsintase, não tendo síntese de ATP.
· ADP fica alto, ciclo de krebs rápido e a CTE vão acontecer muito rápidos, mas sem produção de ATP, a energia vai ser liberada em forma de calor
*Quanto maior quantidade de ADP, mais será induzido a formação de ATP, porém como o desacoplador não permite formação de ATP as atividades vão continuar em vão, aumenta consumo de 02, de H2O e aumento do catabolismo - energia liberada em forma de calor.
Sintomas de uma pessoa que ingeriu desacoplador:· Febre (pela liberação da energia em forma de calor).
· Fraqueza (não há produção de ATP).
· Respiração irregular (aumento do consumo de O2, o ADP vai estar alto, vai incentivar a cadeia respiratória, consumindo O2, fazendo a respiração ser mais dificultada).
· Pode levar a óbito, pois a pessoa vai oxidar suas reservas energéticas, não produz energia, e O2 em excesso tem radicais livres e começa a reagir com muitas substâncias indevidamente.
A velocidade do transporte de elétrons e síntese de ATP são dependentes da [ ] de ADP.
· Transporte de elétrons está acoplado à síntese de ATP;
· ADP tem concentrações limitantes;
· Quanto mais ADP for formado maior a velocidade das reações de catálise e maior produção de ATP.
*A concentração de ADP aumentada - comando para aumentar a frequência respiratória, precisa aumentar o consumo de 02 para realizar a cadeia respiratória
Cadeia respiratória aumentada - Ciclo de Krebs aumentado (excesso de CO2)
CO2 ácido - acidose metabólica como consequência.
Condiçoes limitadoras da velocidade da reação
· Disponibilidade de ADP e substrato.
· Disponibilidade apenas de substrato.
· A capacidade da própria cadeia respiratória, quando todos os substratos e componentes estão presentes em quantidades saturantes.
· Disponibilidade apenas de ADP.
· Disponibilidade apenas de oxigênio.
Controle respiratorio
Sem O2:
· Ausência de aceptor final de elétrons;
· Acúmulo de NADH.
· NADH inibe as enzimas do Ciclo de Krebs.
· Célula então sem O2 para de produzir ATP morte celular.
Proteinas desacopladoras
· Encontradas na membrana mitocondrial interna de mamíferos, incluindo humanos.
· Criam um “vazamento de prótons” → permitem que os prótons retornem à matriz mitocondrial sem que a energia seja capturada como ATP;
· A energia é liberada na forma de calor, e o processo é denominado “termogênese sem tremor”
Cianeto bloqueia CTE, mas o O2 consumido permanece igual e a quantidade de ATP. Já no desacoplador, o consumo de 02 aumenta, pois é regulado pelo ADP.