FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA E CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS

� É o estágio final do metabolismo produtor de energia

em organismos aeróbicos.

Mecanismo que acopla a oxidação com a fosforilação: Oxidação – fluxo de elétrons (H) gerado pelo catabolismo

(carboidrato, gorduras e aminoácidos) Fosforilação – síntese de ATP, a partir de ADP e Pi

Então a síntese de ATP é direcionada pelo fluxo de

elétrons

� Envolve a redução do O2 a H2O com elétrons doados pelo NADH e FADH2

� Ocorre na mitocôndria

� O entendimento atual da síntese de ATP está baseado na hipótese, introduzida por Peter Mitchell (1961)

Teoria quimiosmótica: “as diferenças na concentração transmembrana de prótons são centrais para a produção de energia”

Anatomia bioquímica de uma mitocôndria

Os elétrons são canalizados para transportadores universais de elétrons

� Ação das desidrogenases – coletam elétrons das etapas oxidativas do catabolismo. Essas desidrogenases usam piridina nucleotídeos (NAD+ ou NADP+) ou flavina nucleotídeo (FAD+ ou FMN) como receptores

Substrato reduzido + NAD+ substrato oxidado + NADH + H+

Substrato reduzido + NADP+ substrato oxidado + NADPH + H+

Sistemas circulares são requeridos para transportar o

NADH citosólico para dentro da mitocôndria 1) Sistema de lançadeira malato aspartato

A lançadeira malato aspartato é usada nos RINS, FÍGADO E NO CORAÇÃO

2) Sistema de lançadeira glicerol-3-fosfato Usada no MÚSCULO ESQUELÉTICO E NO CÉREBRO . Não usa sistema de transporte através da membrana.

Enzima: glicerol 3-fosfato desidrogenase Ele difere do circuito malato-aspartato pelo fato de liberar os equivalentes redutores do FADH2 no complexo III

� A cadeia respiratória consiste de uma série de carreadores de elétrons que atuam em ordem crescente do potencial de redução, a maioria deles são proteínas integrais com grupos prostéticos que aceitam ou doam elétrons.

Além do NAD e das flavoproteínas (FAD), uma ubiquinona e dois tipos de proteínas que contém ferro (citocromo e proteína ferro enxofre) funcionam na cadeia respiratóri UBIQUINONA (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)

� É uma molécula pequena e hidrofóbica, sendo, portanto facilmente difusível dentro da bicamada lipídica.

CITOCROMOS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE Participam de transferência de um elétron em que cada átomo de ferro do arranjo ferro-enxofre está oxidado ou reduzido

Os transportadores de elétrons mitocondriais funcionam em complexos ordenados em série

- Proteínas que contém grupos prostéticos heme, que contém ferro - Há três classes de citocromos: A, b e c -Os quatro átomos de nitrogênio estão coordenados com um íon Fe central que pode estar na forma Fe+2 (reduzida) ou Fe+3 (oxidada)

Complexo I : NADH desidrogenase (NADH até ubiquinona).

- Também chamado de complexo da NADH desidrogenase

- Presente na membrana mitocondrial interna

- grande complexo de flavoproteínas

A rotenona (um produto vegetal usualmente utilizada como inseticida) inibe o fluxo de elétrons do centro Fe-S a UQ

NADH + H+ + UQ NAD+ + UQH2

Os elétrons tendem a fluir espontaneamente dos transportadores de Eo’ menor para transportadores de E maiores

O meu potencial é muito positivo

O meu potencial é muito negativo

Complexo II : Succinato desidrogenase (Succinato a ubiquinona)

- no ciclo do ácido cítrico tem nome de succinato desidrogenase, sendo a única enzima do ciclo ligada à membrana.

A transferência de um par de elétrons para a ubiquinona faz com que 4 prótons da matriz seja expulso da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana

- possui um FAD covalentemente ligado e um centro Fe-S

� Nenhum próton é bombeado neste processo

Via dos elétrons do NADH, succinato, acil-CoA e glicerol 3- fosfato até a ubiquinona

Complexo III : Complexo do citocromo bc1 (ubiquinona a

citocromo c)

- Transferência de 2e- da ubiquinona para o complexo III

- Ocorre a transferência de 4 H+ para fora da mitocôndria

O efeito global da transferência: QH2 é oxidado a Q e duas moléculas de citocromo c são reduzidas.

Ciclo Q

Complexo IV: citocromo oxidase

2 H+ são bombeados para o espaço intermembrana

Equação para formação de uma molécula de água:

½ O2 + 2H+ + 2e- (2 Citocromos) → H2O

Equação para formação de duas moléculas de água: O2 + 4H+ + 4e- (4 Citocromos) → 2H2O

½ O2

Resumo do fluxo de elétrons e prótons através dos quatros complexos

� A transferência dos elétrons para o O2 é

altamente exergônica

O modelo quimiosmótico: um gradiente de prótons acopla o fluxo de elétrons e a fosforilação oxidativa.

ATPsintase

• A ATP sintase é um complexo protéico que sintetiza o ATP na

membrana mitocondrial interna.

• Acopla o fluxo de prótons a síntese de ATP

É um complexo protéico que fornece um poro transmembrana (a proteína integral Fo) para a passagem de prótons do espaço intermembrana para matriz mitocondrial e uma máquina molecular (a proteína periférica F1) que usa a energia liberada pelo fluxo de prótons por meio de Fo para sintetizar ATP.

� A letra O subscrita em Fo significa sensível a oligomicina (A oligomicina liga-se à subunidade Fo da síntase do ATP bloqueando a transferência de prótons)

� O número 1 subscrito na porção F1 significa que foi o primeiro

fator identificado como essencial para a síntese de ATP (fosforilação oxidativa)

Complexo F 1

Apresenta 9 subunidades de cinco tipos diferentes, com a composição αααα3ββββ3γγγγδδδδεεεε.

• Embora a seqüência de aminoácidos das três subunidades β sejam idênticas, as suas conformações são diferentes, devido a associação da subunidade γ com apenas uma das três.

• As diferenças conformacionais se ampliam para diferença nos sítios de ligação do ATP/ADP.

• As diferentes conformações são:β-ATP, β-ADP e β-vazia.

• São importantes para a síntese de ATP

F1

Fo

Complexo F o

• Constitui o poro de prótons (H+)

• É composto de 3 subunidades a, b e c em uma proporção ab2c10-12

� A enzima possui 3 sítios de ligação, um para cada par de subunidades α e β:

1 – sítio de ligação para ATP (T) 2 - sítio de ligação para ADP e Pi (L) 3 – sítio vazio Em qualquer momento um dos três sítios está na conformação: • T (de ligação forte, do inglês “tight”) - está ocupado pelo ATP • o segundo está na conformação L (de ligação fraca, do inglês “loose”) – o ADP e Pi se ligam fracamente • um terceiro está na conformação O (aberto, do inglês “open”) - vazio

A força próton-motora provoca, pelo fluxo de prótons através do canal Fo, uma mudança conformacional cooperativa onde o sítio T é convertido em sítio O, e o ATP se dissocia dele, o sítio L é convertido em T

T

T

T

L

L

L

O

O O

� O fluxo de elétrons na mitocôndria também serve para direcionar vários processos de transporte essenciais

Adenina nucleotídeo translocase (antiporte)

Fosfato translocase (sinporte)

ATPsintase

Proporção P/O

� Relaciona a quantidade de ATP sintetizado à

quantidade de O2 reduzido.

� Na mitocôndria respirando, essa proporção não é um número inteiro

� O valor experimental mais aceito para o número de prótons que proporciona a síntese de um ATP é 4, dos quais 1 é para transportar Pi, ATP e ADP.

O fluxo de dois elétrons (NADH) pelos complexos I, III e IV resulta na translocação de 10 H+ para o espaço intermembrana.

� O retorno desses 10 H+ leva a síntese de 2,5 ATPs

� O retorno de 6 H+ leva a síntese de 1,5 ATPs

5,14

6 =

5,24

10 = ATPs por NADH

ATPs por FADH2