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Fosforilação Oxidativa, bioquímica
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Aula de Bioquímica II – SQM04242015201Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares
Tema:
Fosforilação Oxidativa
Cadeia transportadora de elétrons
Prof. Dr. Júlio César BorgesDepto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: [email protected]
Fosforilação oxidativa
���� Fim das rotas metabólicas de produção de energia em organismos aeróbicos
- Representa o estágio 3 do processo
���� Acoplamento da oxidação de NADH e FADH2 e síntese de ATP
- É o principal sítio de produção de ATP
- Envolve o consumo de O2 e formação de H20
���� Teoria Quimiosmótica
- Fluxo de elétrons por carreadores criam um gradiente de concentração de prótons na membrana mitocondrial
- A quebra deste gradiente está acoplada com a síntese de ATP
Fosforilação oxidativa
LOCAL: MITOCÔNDRIA
- Organela de eucariotos
���� Possui duas membranas
���� Membrana Mitocondrial externa - MME
- Permeável a pequenas moléculas
���� Membrana Mitocondrial interna - MMI
- Impermeável a maioria das moléculas
- Inclusive H+
- Necessidade de transportadores
de membrana
���� Espaço intermembranal
-Cristas membranais
���� Matriz mitocondrial
- Local de oxidações
- Ciclo de Krebs
- β-oxidação de lipídeos
- Oxidação de Aminoácidos
MitocôndriaOs carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2
até O2 estão na MMI
A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela CTE
Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas integrais de membrana
Fosforilação oxidativa
LOCAL: MITOCÔNDRIA
A MMI contém proteínas que acoplam processos:
Fluxo de elétrons (favorável) com o fluxo de prótons (desfavorável);
Fluxo de prótons (favorável) a fosforilação oxidativa (desfavorável).
Os elétrons passam por uma série de carreadores
MMI
-~ 75% de proteínas: mais rica em proteínas do que a
MME
-É permeável a O2, CO2 e H2O
- Contém proteínas de transporte que controlam a passagem de metabólitos,
como ATP, ADP, o piruvato, o Ca2+ e o fosfato
�A impermeabilidade da MMI para a maioria dos íons e metabólitos permite a formação de um gradiente de íons
através dessa barreira
�Resulta na compartimentalização das funções metabólicas entre o citosol e a mitocôndria
Fosforilação oxidativa
LOCAL: MITOCÔNDRIA
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
� Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH2 até O2 estão na MMI
- A oxidação de NADH e FADH2 é promovida pela cadeia de transporte de elétrons
- Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas integrais de membrana
- Dependem dos grupos protéticos associados
� A sequência de carreadores de elétrons reflete seus potenciais de redução relativos
� O processo é exergônico
Transporte de e’1) 1 e’ ���� Fe3+ para Fe2+
2) 1 e’ + 1 H+
3) 2 e’ na forma de :H-
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Par redox
0E
Potencial de transferência de elétrons
= potencial de redução= potencial redox= potencial de oxidorredução
Forma oxidada (oxidante) →
Forma reduzida (redutor) → X
−
X
H+ : H2
Potencial de redução = E 0 = 0 VPotencial de redução = E’ 0 = -0,414 V
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Potencial de transferência de elétrons
Potencial de redução ˂ 0A forma oxidada tem menor afinidade por elétrons do que o H2
Potencial de redução ˃ 0A forma oxidada tem maior afinidade por elétrons do que o H2
Um agente redutor forte (como o NADH) tem a tendência de doar elétrons (E’0 < 0); um agente oxidante forte (como o O2) está pronto
para aceitar elétrons (E’0 > 0)
A força impulsora da fosforilação oxidativa é o potencial de transferência de elétrons de NADH e FADH2 em
relação ao do O2
- O ∆E0‘ representa o potencial de redução padrão nas condições padrões para bioquímica
- Um Valor positivo para o ∆E (potencial de redução ou força eletromotiva) sugere espontaneidade da reação
- um valor positivo para o ∆E representa um valor negativo para o ∆G
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
NADH + H+ + ½ O2 ���� NAD+ + 1 H2O
A ∆G da reação pode ser medida a partir da diferença de voltagem entre meias células
- Se referente ao trabalho elétrico realizado a pressão e volume constante
-Se o onde f é a constante de Faraday (96.485 Cmol-1) e
- n é o número de e’/mol, portanto:
+∆=∆ +
+
nred
nox
noxred
BA
BARTGG
]][[
]][[ln'0
elwwG −=−=∆ '
Enfwel ∆=
EnfG ∆−=∆
−∆=∆ +
+
nred
nox
noxred
BA
BA
nf
RTEE
]][[
]][[ln'0 Equação
de Nernst���� Reorganizando
�����+�� ⇋ �� + ���
��
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
Flu
xo d
e e
’
Acetaldeído + NADH + H+ ���� NAD+ + 1 Etanol
NAD+ + 2H+ + 2e’���� NADH + H+ E’0 = -0,320 V
Acetaldeído + 2H+ + 2e’���� 1 Etanol E’0 = -0,197 V
doadoraceptor EEE '0'0'0 −=∆
V 0,123)320,0(197,0'0 =−−−=∆E
0'0' EnfG ∆−=∆
molkJG
VmolVkJG
/7,23
)123,0)(./5,96(20'
0'
−=∆
−=∆
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e´
NAD(P)H
São carreadores de elétrons solúveis em água, que se associam reversivelmente
a desidrogenases
Substrato reduzido + NAD(P)+ ↔ Substrato oxidado + NAD(P)H + H+
**Desidrogenases ���� remoção de 2 átomos de H do substrato
:H- → NAD+
H+ → Liberado do meio
NADH → carreador de elétrons das vias catabólicas até a entrada na CTE
NADPH → geralmente supre elétrons para reações anabólicas
][][
+NADNADH
][][
+NADPNADPH
NADPHRazão alta���� Poder redutor a reações
anabólicas
NADHRazão baixa ���� carreador de e- no
catabolismo
Nas células
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e´
FlavoproteínasContêm um nucleotídeo de flavina (FMN ou FAD) → parte do sítio ativo da
flavoproteína
� Pode aceitar 1 elétron → semiquinona ou 2 elétrons → FADH2 FMNH2
A forma oxidada (FMN) reage com um próton e um elétron, convertendo-se na forma semiquinona (FMNH●); a incorporação de mais um próton e um elétron resulta na forma totalmente reduzida (FMNH2).
Flavoproteínas� podem participar da transferência de 1 ou 2 e- → intermediários entre reações
onde 2e- são doados (desidrogenações) e onde 1 e- é doado (redução de uma quinona a hidroquinona).
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS OU CADEIA RESPIRATÓRIA
Os carreadores de e´
Ocorrem 3 tipos de transferência de elétrons na CTE
①①①① Transferência direta como na redução de Fe3+ a Fe2+
②②②② Transferência na forma de um átomo de hidrogênio (H+ + e-)
③③③③ Transferência como íon hidreto (:H+) que tem 2 elétrons
+ 3 tipos de moléculas carreadoras de elétrons atuam na CTE:
①①①① Ubiquinona (quinona hidrofóbica)
②②②② Citocromos
③③③③ Proteínas ferro- enxofreProteínas (diferentes) que contêm ferro
Carreadores não podem atravessar a MMI, MAS os equivalentes redutores podem ser lançados através da membrana indiretamente
Equivalentes redutores ���� termo geral para um elétron ou equivalente de elétron na forma de um átomo de hidrogênio ou de um íon hidreto.
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
� Os carreadores de elétrons na mitocôndria COENZIMA UBIQUINONA (Q)- Pequena e Lipossolúvel
Quinona → composto benzênico com duas funções cetona
Constituída de unidades isoprenóides (cada uma com 5C)
A coenzima Q10 é a mais comum em mamíferos (10
unidades de isopreno)
Fácil de desprotonar, formando um radical
aniônico de semiquinona
Forma que fixa mais firmemente seus prótons
Aceita 1 elétron
Aceita 2 elétrons
Lipossolúvel→ se difunde livremente no espaçointermembranas→ Capaz de fazer a junção entre o doadorde 2e- e um aceptor de 1e- (como asflavoproteínas)→ Carrega tanto elétrons como prótons** acopla fluxo de e- com o movimento de
prótons
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
� Os carreadores de elétrons na mitocôndria
PROTEÍNAS COM CENTROS DE FERRO-ENXOFRE
- Estrutura variável simples a complexas- O íon Fe sofre reações de óxido-redução
Os átomos de ferro estão ligados a átomos de enxofre inorgânico ou com átomos de enxofre
em resíduos de cisteína ou com ambos
Podem ter de 1 a 4 átomos de ferro
*** Proteínas ferro-enxofre de Rieske1 Fe está associado com dois resíduos de His ao
invés de Cys
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
� Os carreadores de elétrons na mitocôndria
Citocromos a, b e cSeus grupos prostéticos – grupos Heme
Citocromo c ���� solúvel no espaço intermembranaPodem interagir com a MMI
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
� O fluxo de elétrons pelos carreadores vai daquele com menor potencial para o maior potencial
NADH ���� Q ���� Cit b ���� Cit c1 ���� Cit c ���� Cit a ���� Cit a3 ���� O2
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
� Os carreadores de elétrons na MMI: 4 complexos
Complexo I ���� é do NADH para formar UbiquinolNADH:Ubiquinona-oxidoreductase ou NADH-desidrogenase
Complexo II ���� é do FADH2 para formar UbiquinolSuccinato-desidrogenase
Complexo III ���� é do Ubiquinol para o Citocromo cUbiquinona:Citocromo c-oxidoreductase
Complexo IV ���� é do Citocromo c para o O2
Citocromo c-oxidase
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO I: NADH:UBIQUINONA-OXIDOREDUTASE OU NADH-DESIDOGENASE
Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos dentro da mitocôndria
-O Complexo catalisa 2 processos simultâneos e acoplados
1) NADH + H+ + Q ���� NAD+ + QH2
���� Exergônico
2) Transferência de 4 H+ para o espaço intermembrana
���� Endergônica
Grupos prostéticos: FMN e Fe-S
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO II: SUCCINATO-DESIDOGENASE
� Porta de entrada dos e’ do FADH2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
�Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos no citoplasma
- Canaliza diretamente os e’ do succinatopara a cadeia transportadora de e’
� FADH2 + Q ���� FAD + QH2
���� Exergônico
� Sem transferência de H+ para o espaço intermembrana
� Porta de entrada de e’ de outras vias oxidativas
- β-oxidação de ácidos graxos
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO I E COMPLEXO II
� Vias de entrada de e’ para a
ubiquinona:
1) NADH mitocondrial,
2) Succinato do ciclo do ácido
cítrico,
3) e’ da β-oxidação de ácidos
graxos via Acil-CoA-
desidrogenase e do glicerol dos
triacilglicerois
4) NADH citosólico via glicerol
3-fosfato
1)
2) 3)
4)
A ubiquinona é o ponto de convergência dos e- (Fontes 1 a 4)
O ubiquinol de todas essas reações (pool de QH2) é oxidado no Complexo III
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
� Canaliza os 2 e’ do Ubiquinol (QH2) para o Citocromo C com a transferência de H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana
- possui duas unidades de Citocromo b enterrados em 1 fenda na membrana
QH2 + 2 Citc1 (Oxi) + 2 H+N ���� Q + 2 Citc1 (Red) + 4 H+
P
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO III: UBIQUINONA:CITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
2 e’ do Ubiquinol são afunilados no Citc ���� carreador de 1 e’
���� 2 ciclos de redução do Citc com a formação da Semiquinona (.Q-)
� 1º Ciclo-1 e’ do QH2 é passado para o
Citc no primeiro ciclo e o outro e’ (via citocromo b)
para a Q formandoSemiquinona
- 2 H+ transportados para o espaço intermembrana
� 2º Ciclo-1 e’ do QH2 é passado para o
Citc e o outro e’ (via citocromo b) para a
Semiquinona formando outraQH2
- 2 H+ transportados para o espaço intermembrana
- 2 outros H+ são retirados damatriz
� 1º Ciclo � 2º Ciclo
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
� Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N + O2 ���� 4 Citc (Oxi) + 4 H+
P + 2 H2O
Os e- do citocromo c são entregues ao O2 (reduzindo-o a H2O)
Composto por 13 subunidades ���� aparentemente 3 são essenciais
Sub. II: 2 Cu ligados a resíduos de Cys (centro binuclear CuA)
Sub. I: 2 grupos heme (a e a3) e outro íon Cu (CuB)
Heme a3 e CuB forma outro centro binuclear
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO IV: CITOCROMO OXIDASE
� Os e’ do Citocromo c são entregues ao O2
4 Citc (Red) + 8 H+N + O2 ���� 4 Citc (Oxi) + 4 H+
P + 2 H2O
Envolve a participação de:Ion CuA
Citocromo aCitocromo a3-CuB (Centro Fe-Cu)
O2
���� 4 ciclos são necessários para reduzir 1 O2 a 2 H2O
���� 4 H+ transportados para o E.I.
���� 4 outros H+ são retirados da matriz para formar as 2 H2O
���� 2 H+ por par de e-
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
�Resumo do processo
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N + ½ O2 ���� NAD+ + 10 H+
P + 1 H2O
FADH2 + 6 H+N + ½ O2 ���� FAD+ + 6 H+
P + 1 H2O
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS ���� TEÓRICO
NADH + H+ + ½ O2 ���� NAD+ + 1 H2O
NADH/NAD+ ���� E0’ = + 0,320 V
O2/H2O ���� E0’ = +0,816 V
Succinato + ½ O2 ���� Fumarato + 1 H2O
���� A razão da [NADH]/[NAD+] >1 o que sugere que a ∆G é mais negativa do que -220 kJ/mol!
∆E0’= E0’Red + E0’
oxi = + 1,14 V
)(/22014,1)./5,96(2'0'0 deNADHmolkJVmolVkJEnfG −=−=∆−=∆
)(/150785,0)../5,96(2'0'0 odeSuccinatmolkJVmolVkJEnfG −=−=∆−=∆
E energia liberada é usada para gerar um gradiente de prótons que é então utilizado para a síntese de ATP e para o transporte de metabólitos pela
membrana mitocondrial
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS ���� EFETIVO
� A energia da transferência de e’ é eficientemente conservada em um gradiente
- Gradiente de prótons - Gradiente eletroquímico
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
FORÇA PROTON-MOTRIZ ���� ENERGIA ELETROQUÍMICA
A ∆G associada ao processo de criação dos 2 gradientes é:
C2 = H+p ����Lado positivo da MMI ���� Espaço intermembrana
C1 = H+n ����Lado negativo da MMI ���� Matriz mitocondrial
Z = valor absoluta da carga elétrica ���� 1 para 1 H+
∆Ψ = Diferença do potencial transmembrana
Logo:
ψzfCC
RTG ∆+=∆ )12
ln(
pHpHpHHHCC
pnnp ∆=−=−= ++ 3,2)(3,2)]log[](log[3,212
ln
]log[ +−= HpH
ψmolkJpHmolkJψzfpHRTG ∆+∆=∆+∆=∆ )./6,95()./7,5(3,2
Fosforilação oxidativa
CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS
���� A ∆pH da MMI é de 0,75 unidades de pH
���� A ∆Ψ da MMI é de 0,15-0,20 V
A ∆G associada à oxidação de 1 mol de NADH é:
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H+N + ½ O2 ���� NAD+ + 10 H+
P + 1 H2O
Logo:
∆G = 19 kJ/mol*10 = ~190 kJ/mol
∆G0’ = 220 kJ/mol
molkJmolkJmolkJG /1915,0)./6,95(75,0)./7,5( =+=∆
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
�Espaço intermembrana: entre a MME e MMI
- equivalente ao citosol no que se refere às concentrações em metabólitos e íons
���� A MMI é composta por cerca de 75% de proteínas mais rica em proteínas
MME
- A MMI é permeável a O2, CO2 e H2O
- Contém proteínas de transporte que controlam a passagem de metabólitos, como ATP, ADP, o piruvato, o Ca2+ e o
fosfato
���� A impermeabilidade da MMI para a maioria dos íons e metabólitos permite
a formação de um gradiente de íons através dessa barreira
���� Resulta na compartimentalizaçãodas funções metabólicas entre o citosol
e a mitocôndria
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
� Transporte seletivo de elétrons produzidos no citoplasma para a mitocôndria
- O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à cadeia transportadora de elétrons para a oxidação aeróbica
- Não há uma proteína transportadora de NADH
na MMI
- Somente os elétrons do NADH citosólico são transportados para a
mitocôndria por um dos vários sistemas de
transporte
LANÇADEIRA DE MALATO-ASPARTATO
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
LANÇADEIRA DE GLICEROL-3-P
���� A glicerol-3-fosfato desidrogenase
catalisa a oxidação do NADH
citosólico pela DHAP para produzir
NAD+, o qual retorna à glicólise
���� Os elétrons do glicerol-3-fosfato
são transferidos para a
Flavoproteína-desidrogenase da
MMI, formando FADH2,
���� O FADH2 fornece elétrons
diretamente para Cadeia
Transportadora de Elétrons
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS DE TRANSPORTE MITOCONDRIAL
TRANSLOCADOR DE ATP/ADP-PI
���� A maior parte do ATP gerado na matriz
mitocondrial pela fosforilação oxidativa é
utilizado no citosol
�A MMI contém um translocador de ADP-
ATP (ou adenina-nucleotídeo translocase)
- Transporta o ATP para fora da matriz
mitocondrial acoplado à importação de
ADP e Pi produzidos no citoplasma a
partir de ATP
- Sistema antiporte
- Mantém balanço eletrolítico pelo gasto
de energia quimiosmótica