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Cadeia de Transporte de ElCadeia de Transporte de Eléétronstronse e

FosforilaFosforilaçção Oxidativaão Oxidativa

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Cadeia de Transporte de Elétrons ou Cadeia Respiratória

Os transportadores de elétrons sempre funcionam em uma seqüência determinada

� Os potenciais redox-padrão dos componentes da cadeia são sucessivamente mais positivos quando se encaminham em direção ao oxigênio.� Os elétrons tendem a fluir dos

sistemas eletronegativos para os eletropositivos, levando a uma diminuição da energia livre.

� O NADH pode transferir seus elétrons para a NADH redutase, mas não os transfere diretamente para a ubiquinona ou para o citocromo.

� Cada membro da cadeia é específico para um dado doador e para um dado receptor de elétrons.

� Complexos bem estruturados do sistema transportador de elétrons foram isolados da membrana mitocondrial interna.

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Complexo I = NADH-Ubiquinona Redutase; Complexo II = Succinato-Ubiquinona Redutase; Complexo III = Ubiquinol-Citocromo C Redutase; Complexo IV = Citocromo OxidaseComplexo I = NADHNADH--UbiquinonaUbiquinona RedutaseRedutase; Complexo II = SuccinatoSuccinato--UbiquinonaUbiquinona RedutaseRedutase; Complexo III = UbiquinolUbiquinol--CitocromoCitocromo C RedutaseC Redutase; Complexo IV = Citocromo OxidaseCitocromo Oxidase

Esquema dos complexos transportadores de elétrons da Cadeia Respiratória� A cadeia respiratória consiste de uma seqüência de reações redox pela qual os elétrons

são transferidos das coenzimas reduzidas (NADH ou FADH2) para o oxigênio.

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Fluxo de elétrons e prótons na cadeia respiratória

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Complexos transportadores de elétrons

� Isolados como conjuntos funcionais

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Succinato Fumarato

FAD FADH2

Complexo II

NADH FMN Fe-Sred CoQ Fe-Sred CiT. c1oxid CiT. cred CiT. aoxid Cu (I) CiT. a3oxid H2O

NAD+ FMNH2 Fe-Soxid CoQH2 Fe-Soxid CiT. c1red CiT. coxid CiT. ared Cu (II) CiT. a3red ½ O2

Ciclo Q

Cit. b Complexo I Complexo IV

Complexo III

Esquema do transporte de elétrons

Os co-fatores reduzidos (NADH e FADH2) podem transferir seus elétrons para substratos específicos da cadeia de transporte de elétrons, a seguir, os elétrons são transferidos sucessivamente para outro substrato.

Deste modo, parte da energia liberada na oxidação do primeiro substrato pode ser utilizada para impulsionar a redução de um segundo substrato.

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Fosforilação oxidativa� Os componentes da cadeia de transporte de elétrons estão organizados em ordem

crescente de potenciais de oxido-redução, desde as coenzimas reduzidas até o oxigênio.� As transferências de elétrons de um componente para o seguinte constituem reações

de óxido-redução que se processam sempre com liberação de energia, que é aproveitada para a síntese de ATP.

� O processo chamado fosforilação oxidativa se refere à fosforilação do ADP em ATPutilizando a energia liberada por essas reações de óxido-redução.

Teoria quimiosmótica(proposta por Mitchell)

� A energia livre do transporte de elétrons é conservada pelo bombeamento de H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana.

� Esta translocação de prótons cria um gradiente de concentração de H+ e de carga elétrica através da membrana mitocondrial interna.

� O potencial eletroquímico desse gradiente é aproveitado para a síntese de ATP.

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+ 0,812H2OO2

+ 0,281Citocromos a/a3 (+2)Citocromos a/a3 (+3)

+ 0,251Citocromo c (+2)Citocromo c (+3)

+ 0,221Citocromo c1 (+2)Citocromo c1 (+3)

+ 0,102Coenzima QH2Coenzima Q

+ 0,041Citocromo b (+2)Citocromo b (+3)

+ 0,03 2Ácido succínicoÁcido fumárico

- 0,122FMNH2FMN

- 0,172Ácido málicoÁcido oxaloacético

- 0,192Ácido lácticoÁcido pirúvico

- 0,202EtanolAcetaldeído

- 0,222FADH2FAD

- 0,292Ácido lipóico (reduzido)Ácido lipóico (oxidado)

- 0,322NADH+H+ (NADPH+H+)NAD+ (NADP+)

- 0,382Ácido isocítricoÁcido α-cetoglutárico

- 0,422H22 H+

- 0,431Ferredoxina (reduzida)Ferredoxina (oxidada)

- 0,672Ácido α-cetoglutáricoÁcido Succínico + CO2

E0’ (V)nRedutorOxidantePotencial redox de alguns sistemas biológicos

Observação: Em Bioquímica, as formas reduzidas (AH2) e oxidadas (A) do composto têm nomes diferentes. Por exemplo, a forma oxidada do ácido succínico (ou succinato) é o ácido fumárico (ou fumarato).

� A partir destes valores é possível calcular, não só a variação de potencialde uma reação de oxidação-redução, como a variação de energia livre que acompanha essa transformação.

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Etapas da Cadeia Respiratória que Permitem a Fosforilação do ADP em ATP� A designação fosforilação oxidativa resulta da possibilidade de conjugação entre oxirredução e

fosforilação de ADP a ATP.

� Como a formação de ATP a partir de ADP + Pi necessita de cerca de 7,5 kcal, poder-se-ia concluir que cada etapa da cadeia respiratória na qual a energia liberada fosse superior a 7,5 kcal permitiria a síntese de 1 ATP. De fato, não é essa, exatamente, a estequiometria do processo. Mas são, sem dúvida, essas etapas que geram energia para a síntese do ATP.

(1) Obtêm-se fazendo E0’ (FMN/FMNH2) – E0’ (NAD+/NADH) = - 0,12 – (- 0,32) V(2) Coenzima Q (Q) é móvel. Do NADH à Q pode-se contar como uma única etapa.

No caso do aceptor ser o FAD esta primeira etapa é “saltada”.(*) Etapas capazes de gerar ATP(**) Variação de energia livre: ∆G0’ = - nF ∆E0’ � Onde: n = 2; F = equivalente energético do Faraday

(23,06 kcal.volt-1. mol-1); ∆E0’ = diferença entre o potencial de oxirredução de dois sistemas

- 52,2+ 1,13

- 24,5 (*)+ 0,53cit a/a3 (+2) + 1/2 O2 + 2 H → cit a/a3 (+3) + H2O

- 1,4+ 0,03cit c (+2) + cit a/a3 (+3) → cit c (+3) + cit a/a3 (+2)

- 1,4+ 0,03cit c1 (+2) + cit c (+3) → cit c1 (+3) + cit c (+2)

- 8,3 (*)+ 0,18cit b (+2) + cit c1 (+3) → cit b (+3) + cit c1 (+2)

+ 2,8- 0,06QH2 + cit b (+3) → Q + cit b (+2)

- 10,2 (*)+ 0,22FMNH2 + Q → FMN + QH2

- 9,2 (2)0,20 (1)NADH + H+ + FMN → NAD+ + FMNH2

∆G0’ (**)

(kcal/mol NADH)∆E0’(volt)

Reações

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Modelo Quimiosmótico para Mitocôndria

� A teoria quimiosmótica, para explicar o mecanismo de fosforilação oxidativa e o seu impacto no campo de bioenergética, rendeu a Peter Mitchell o prêmio Nobel em 1978.

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Transporte de elétrons acoplado a fosforilação oxidativa

Estrutura da ATP sintase

Quando o co-fator (NADH ou FADH2) é oxidado por transferir seus elétrons ao O2, a energia livre érecuperada e utilizada para impulsionar a formação de ATP.

� O ATP formado é exportado da mitocôndria e fornece a energia necessária para o metabolismo celular

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Inibidores da Cadeia Respiratória

� Rotenona: Extremamente tóxico. Extraído de plantas e usado como veneno, pelos índios na Amazônia.� Bloqueia o transporte de elétrons entre NADH e Ubiquinona

� Antimicina A: Antibiótico tóxico. � Bloqueia o transporte de elétrons entre Ubiquinona e Citocromo C

� Cianeto� Bloqueia a redução do O2 pelo Citocromo aa3

½O2NADH → [FMN-FeS] → Q → [b FeS C1] → C → aa3

� � � H2ORotenona Antimicina A Cianeto

Monóxido de carbonoÁcido sulfúrico

½O2NADH → [FMN-FeS] → Q → [b FeS C1] → C → aa3

� � � H2ORotenona Antimicina A Cianeto

Monóxido de carbonoÁcido sulfúrico

Esquema da cadeia respiratória e os pontos de bloqueio no transporte de elétrons

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Agentes Desacopladores

� Permitem que o transporte de elétrons ocorra na mitocôndria

� Impedem a fosforilação oxidativa do ADP em ATP

� Desacoplam a ligação essencial entre o transporte de elétrons e a síntese do ATP

Exemplo: 2,4-Dinitrofenol