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Fosforilação oxidativa mitocondrial. Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo. Anabolismo. Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos. Moléculas precursoras Aminoácidos Açúcares Ácidos graxos Bases nitrogenadas. ADP + HPO 4 2- NAD + - PowerPoint PPT Presentation
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Fosforilação oxidativa mitocondrial
MacromoléculascelularesProteínas
PolissacarídeosLipídeos
Ácidos nucléicos
MoléculasprecursorasAminoácidos
AçúcaresÁcidos graxos
Bases nitrogenadas
Anabolismo
Nutrientes contendo energia
AçúcaresLipídeosProteínas
Produtosfinais pobresem energia
CO2 , H2O, NH3
Catabolismo
ADP + HPO42-
NAD+
NADP+
FAD
ATPNADH
NADPHFADH2
Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo
Energia livre associada à hidrólise do ATP
M10ATP][
]Pi][ADP[K' 5
ATP ADP + Pi
pH 7; [Mg2+]=10-2 e [Pi]= 10-2M
Variação da energia livre de Gibbs para a hidrólise do ATP
G’(kJ mol-1) [ATP/ADP]
0 10-7 (equilíbrio)
-11,4 10-5
-22,8 10-3
-28, 10-2
-34,2 10-1
-45,6 10 (citosol em condição celulares)
-57,0 103
Glicose 2lactato + H+ G’= -196 kJ mol-1 de glicose
Mecanismo
de fosforilação
do ADP na
fermentação láctica:
acoplamento
de reações
CO2+4H2CH4 +2H2O
H2S + luz + bacterioclorofila S + 2H++ 2 e-
2H2O + luz + clorofila O2 + 2H++ 2 e- + 4e-
EVOLUÇÃO DA VIDA NA TERRA
EXERCÍCIO
1
NÚMERO DE OXIDAÇÀO DO CARBONO EM VÁRIOSGRUPOS FUNCIONAIS
Substância Energia produzida
kJ mol-1 kJ g-1 kcal g-1 kcal g-1 peso fresco
Glicose 2.817 15,6 3,7 -
Lactato 1.364 14,2 3,6 -
Ácido palmítico
10.040 39,2 9,4 -
Glicina 979 13,1 3,1 -
Carboidratos - 16 3,8 1,5
Gorduras - 37 8,8 8,8
Proteínas - 17 4,1 1,5
Energia produzida a partir da oxidação completa de vários
compostos orgânicos a dióxidode carbono e água
Variação de entalpiamedida em um calorímetro
(calor liberado)
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
REAÇÕES BIOLÓGICAS DE ÓXIDO REDUÇÃO
Glicose + 6O2 6CO2 + 6 H2O G = -2840 kJ mol-1
Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+
1. Elétrons transferidos diretamente como
elétrons
AH2 + B A + BH2
2. Elétrons transferidos como átomos de
hidrogênio (H)ou hidreto (H-)
R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH
3. Elétrons transferidos através de combinação
direta com oxigênio molecular
Equivalentes de redução: elétron
independente da forma de transferência
Glicose 2lactato + H+
G’= -196 kJ mol-1 de glicose
noxredred
nox BABA
Dois pares redox
rednox AA
ne
nenoxred BB
2H2/1H e
O potencial redox padrão do par H+/1/2H2 em condições padrões é tomado como zero (V)
e simbolizado por E’
A tendência da direção da reação depende da afinidade relativa de cada par redox por elétrons
Esta afinidade pode ser medida experimentalmente em Voltstendo como referência a afinidade do par H+/1/2H2
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO É UMA MEDIDADA AFINIDADE POR ELÉTRONS
ox + ne- red ][
][log
3,20
red
ox
nF
RTEE
MEDIDA DO POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
Reação de óxido redução envolve 2 pares redox
noxredred
nox BABA )()( BhAhh EEE
hEnFG ''
O potencial de óxido redução padrão (E’) pode ser usado para calcular a variação de energia livre padrão da reação (G’)
Acetaldeído + NADH + H+ Etanol + NAD+
Acetaldeído + 2H+ + 2e- Etanol E’h’=-0,197V
NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E’h =-0,320 V
G’°=-2 x 96,9kJ/V mol x 0,123 V= -23,7 kJ mol-1
)()( BhAhh EEE
A variação de energia livre de uma reação de óxido-redução (G) depende da concentração
dos pares redox
V183,0)350,0(V167,0 E
][
][ln0
red
ox
nF
RTEE
V167,0]1,0[
]0,1[ln
2
V026,0197,0 acetE
V350,0]0,1[
]1,0[ln
2
V026,0V320,0 NADHE
EnFG kJ/mol3,35G
noxredred
nox BABA
Se acetaldeído e NADH estiverem presentes a uma Concentração de 1,0 M e etanol e NAD+ a 0,1 M
EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE G DE REAÇÕES DE
ÓXIDO REDUÇÃOConsiderando a seguintes reação:
Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+
E tendo os seguintes valores de E’ :
1. NAD+/NADH = -0,32 V2. Piruvato/lactato = -0,19 V
Responda:a) Qual par conjugado tem maior tendência em doar
elétrons?b) Qual é o agente oxidante mais forte?c) Quando todos os reagentes estiverem na
concentração de 1M a pH 7,0, em qual direção a reação deve ocorrer?
d) Qual é o G’° da reação para a conversão de piruvato a lactato?
e) A reação contrária poderá ocorrer na célula?
Citosol
Mitocôndria
Ciclo doÁcidocítrico
Acetil-CoA
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
ESTRUTURA DA FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (FAD)
FAD forma oxidada FAD forma reduzida
ESTRUTURA DA NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (NAD+ / NADH)
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
NADH QSuc Q Q Cit cCit c O2ATP ADP+Pi
I II III IV V
Separação
dos
complexos
funcionais
da cadeia
respiratória
Transpor-
tadores de
elétrons
funcionam
em complexos
multi-
enzimáticos
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
UQ/UQH2
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Cit c
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
½ O2 H2O
CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
Complexo Massa (kDa)
Número de
subunidades
Grupos prostético
s
I NADH desidrogenase
850 42 (14) FMN, Fe-S
II Succinato desidrogenase
140 5 FAD, Fe-S
III Ubiquinona:citocromo c oxidoredutase
250 11 Hemes, Fe-S
Citocromo c 13 1 Heme
IV Citocromo oxidase
160 13 (3-4) Hemes, CuA, CuB
Complexos protéicos da cadeia de transporte de elétrons
A + 2e- + 2H+ <-> AH2
Estados de oxidação da FMNe da CoQ
ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE
Fe+3 + 1e- <-> Fe2+
Citocromo c
Matriz mitocondrialbH
bL
Estrutura secundária do citocromo bCITOCROMOS
Fe+3 + 1e- <-> Fe2+
REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO: POTENCIAL REDOX
NAD+ + 1H+ + 2e- NADH -0,36
NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- FMNH2
-0,30
Fe/S-N2(Fe+3) + e- Fe/S-N2(Fe+2) -0,02
[FAD] + 2H+ + 2e- [FADH2] ligado na enzima
0,048
Ubiquinona (UQ) + 2H+ + 2e- Ubiquinol(UQH2)
Ubiquinona (UQ) + H+ + e- Semiquinol(UQH)
0,0450,03
Citocromo b (Fe3+) + e- Citocromo b (Fe2+)
0,077
Fe/S-Rieske (Fe+3) + e- Fe/S-Rieske (Fe+2) 0,28
Citocromo c1 (Fe3+) + e- Citocromo c1 (Fe2+)
0,22
Citocromo c (Fe3+) + e- Citocromo c (Fe2+) 0,254
Citocromo a (Fe3+) + e- Citocromo a (Fe2+) 0,29
Citocromo a3 (Fe3+) + e- Citocromo a3 (Fe2+)
0,55
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,816
Potencial redox padrão de transportadores de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial
Reação redox (semi-reação) E’(V)COMPLEXO
I
COMPLEXO
III
COMPLEXO
IV
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
hEnFG
][
][log
F
2,3RT ,, red
oxRTxEE pHmpHh
][
][log
3,20
red
ox
nF
RTEE
POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO
ox + ne- red ox + ne- + mH+ red
Reação de óxido redução envolve 2 pares redox
noxredred
nox BABA )()( BhAhh EEE
Relação entre G e E
Para a reação: NADH + H+ +1/2 O2 H2O + NAD+
NADH + 2e- NAD+ Eh =-0,315V
½ O2 + 2H+ + 2e- H2O Eh =+0,815V
G°=-2 x 96,9 x 1,13 = -218 kJ mol-1
ComplexoIEº’ = 0,360V
Gº’ = -69,5 kJ mol-1
ComplexoIEº’ = 0,360V
Gº’ = -69,5 kJ mol-1
ComplexoIIIEº’ = 0,190V
Gº’ = -36,7 kJ mol-1
ComplexoIIIEº’ = 0,190V
Gº’ = -36,7 kJ mol-1
ComplexoIVEº’ = 0,580V
Gº’ = -112 kJ mol-1
ComplexoIVEº’ = 0,580V
Gº’ = -112 kJ mol-1
NADH NAD+ (-0,315V)
2H++ ½ O2 H2O (+0,815V)
CoQ (+0,045V)
Citocromo c (+0,235V)
ComplexoII
ComplexoII
Succinato FADH2
Fumarato
(+0,030V)
-0,4
-0,2
0
0,2
0,4
0,8
0,6
E’ (V)
EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA
Meio sem aeração
contendo mitocôndrias +
ADP + Pi e succinato
sem O2
O2 éinjeta
doa 1 min
Meio sem aeração
contendo mitocôndrias +
ADP + Pi e succinato
sem O2
O2 éinjeta
doa 1 min
EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP
Geração do gradiente de prótons (Teoria quimiosmótica,
proposto por Peter Mitchell, Nobel de 1978)
Modelo de loop redox
Estequiometria de cargas e prótons na cadeia respiratória modelo loop redox X proton pump
2H
2H
2H
2e-
2e-
2e-
NADH
2H+
2H+
2H+
III + UQ
½O2+2H+
H2O
Loop redox
c
NADHO2 : 6H+
I
III
IV
½O2+2H+
NADH
H2O
UQ
4H+
4H+
2H+
2e-
2e-
2e-
Proton pump
c
NADHO2 : 8 a 10H+
I
III
IV
Mecanismo de translocação de prótons noComplexo III: Ciclo Q
Ciclo Q
XX
X
Gradientede concentração
]'[
]"[log3,2
X
XRTG
X X
X+
-------
+++++++
mFG
Gradienteelétrico transmembrana
X X
X+
-------
+++++++
'
"
log3,2
X
XRTmFG
Gradientede concentração e gradiente
elétrico transmembrana
G = gradiente eletroquímico iônico =
x+
pHRTFµH 3,2
No caso da mitocôndria: X+=H+ e –log[H+] = pH, então
Mitchell definiu o termo força próton-motriz (p)
FµmVp H /)()( pHmVp 59)(Um gradiente eletroquímico de H+ de 1 kJ mol-1, corresponde a
uma força próton-motriz de 10,4 mV.
Energética da transferência de prótons através da membrana: definição da força próton-motriz
Estágio 1
Produção de
Acetil-CoA
Estágio 2
Oxidação de
Acetil-CoA
Estágio 3
Transporte de elétrons efosforilação
oxidativa
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
Catabolismo
de
proteínas
lipídeos
e
carboidratos
BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP
Ciclo doÁcidocítrico
Acetil-CoA
CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
Complexo IV
Citocromo aa3
2 cit-aIons Cu
UQ/UQH2
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo INADH
desidrogenase
FMNFe-S
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Complexo II
Succinato desidrogen
aseFADFe-SCit-b
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Sn-glicerofosfato desidrogenas
eFAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína
FAD, Fe-S
Cit c
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
Complexo IIIComplexo bc1
2 cit-bFe-S Rieske
Cit-c (c1)
½ O2 H2O
CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS
Componentes do complexo F1Fo-ATP sintase
As três subunidades da ATPsintase podem assumir três diferentes conformações
Estrutura do complexo F1 deduzida porcristalografia e estudos bioquímicos
O movimento de prótons pela membrana impulsiona a rotação do anel
O canal é fromado por 10 subunidades c360 = uma rotação completa
3H+ leva a rotação de 120 em levando a liberação de um ATP do complexo, ou seja:
3H+ devem retornar para a matriz para cada ATP formado
Semi-canal de H+ (cit)
Semi-canal de H+ (mit)
Transferência de ATP, ADP e fosfato entre
a mitocôndria e o citosol
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
NADHNAD+
4H+
SuccinatoFumarato
4H+
½ O2 H2
O
2H+
+ + + + + + +
+
+ + + ++ +
+ +
_ _ _ _
_
_ _ _ _
_ _ _ _
_ _
H+
H+
H+
H+
H+
H+
H+
3H+
ADP + Pi
ATP
Potencialquímico
pH( alcalino interior)
Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-
motriz
Potencialelétrico
( negativo interior)
MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP
Adenina nucleotídeo translocasee fosfato translocase
ATP/ADP = ATP/ADP =
Regulação
integrada
da
produção
de
ATP
Transferência de equivalentes redutores do citosol
para a matriz mitocondrial: lançadeiras
Lançadeira malato-aspartato
Fígado, rim e coração
Lançadeira glicerol 3-fosfato
Músculo esquelético e cérebro
NADHcitosólico
Acetil-CoA
Matriz mitocondrial
BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS
Regulação
integrada
da
produção
de
ATP
Estequiometria da síntese de ATP
NADH O2 = 10H+/2e- 10H+/4H+ = 2,5 ATP
Succinato (FADH2) O2 = 6H+/2e- 6H+/4H+ = 1,5 ATP
ADP + Pi + 3H+p
ATP + H2O + 3H+nAdenina nucleotídeo e Pi translocase: 1H+
Produção de ATP na oxidação completa de glicose
Processo Produto ATP final
Glicólise 2 NADH (citosólico) 3 ou 5
2 ATP 2
Oxidação do piruvato (2 por glicose)
2 NADH (mitocondrial) 5
Oxidação de acetil-CoA no ciclo de Krebs
6 NADH (mitocondrial) 15
(2 por glicose) 2 FADH2 3
2 ATP ou GTP 2
Produção total por glicose
30 ou 32
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