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Fosforilação oxidativa mitocondrial. Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos Moléculas precursoras Aminoácidos Açúcares.

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1 Fosforilação oxidativa mitocondrial

2 Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos Moléculas precursoras Aminoácidos Açúcares Ácidos graxos Bases nitrogenadas Anabolismo Nutrientes contendo energia Açúcares Lipídeos Proteínas Produtos finais pobres em energia CO 2, H 2 O, NH 3 Catabolismo ADP + HPO 4 2- NAD + NADP + FAD ATP NADH NADPH FADH 2 Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo

3 Energia livre associada à hidrólise do ATP

4 ATP ADP + Pi pH 7; [Mg 2+ ]=10 -2 e [Pi]= 10 -2 M Variação da energia livre de Gibbs para a hidrólise do ATP G (kJ mol -1 ) [ATP/ADP] 010 -7 (equilíbrio) -11,410 -5 -22,810 -3 -28,10 -2 -34,210 -1 -45,610 (citosol em condição celulares) -57,010 3

5 Glicose 2lactato + H + G = -196 kJ mol -1 de glicose Mecanismo de fosforilação do ADP na fermentação láctica: acoplamento de reações

6 CO 2 +4H 2 CH 4 +2H 2 O H 2 S + luz + bacterioclorofila S + 2H + + 2 e - 2H 2 O + luz + clorofila O 2 + 2H + + 2 e - + 4e - EVOLUÇÃO DA VIDA NA TERRA

7 EXERCÍCIO1EXERCÍCIO1

8 NÚMERO DE OXIDAÇÀO DO CARBONO EM VÁRIOS GRUPOS FUNCIONAIS

9 SubstânciaEnergiaproduzida kJ mol -1 kJ g -1 kcal g -1 kcal g -1 peso fresco Glicose2.81715,63,7- Lactato1.36414,23,6- Ácido palmítico10.04039,29,4- Glicina97913,13,1- Carboidratos-163,81,5 Gorduras-378,8 Proteínas-174,11,5 Energia produzida a partir da oxidação completa de vários compostos orgânicos a dióxido de carbono e água Variação de entalpia medida em um calorímetro (calor liberado)

10 Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos

11 REAÇÕES BIOLÓGICAS DE ÓXIDO REDUÇÃO Glicose + 6O 2 6CO 2 + 6 H 2 O G = -2840 kJ mol -1 Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + 1.Elétrons transferidos diretamente como elétrons AH 2 + B A + BH 2 2. Elétrons transferidos como átomos de hidrogênio (H) ou hidreto (H-) R-CH 3 + ½ O2 R-CH 2 -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

12 Dois pares redox O potencial redox padrão do par H+/ 1/2 H 2 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 Volts tendo como referência a afinidade do par H + / 1/2 H 2 POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO É UMA MEDIDA DA AFINIDADE POR ELÉTRONS ox + ne - red

13 MEDIDA DO POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO

14 POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO Reação de óxido redução envolve 2 pares redox 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

15 A variação de energia livre de uma reação de óxido- redução ( G) depende da concentração dos pares redox Se acetaldeído e NADH estiverem presentes a uma Concentração de 1,0 M e etanol e NAD + a 0,1 M

16 EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE G DE REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO Considerando a seguintes reação: Piruvato + NADH + H + Lactato + NAD + E tendo os seguintes valores de E : 1. NAD + /NADH = -0,32 V 2. 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?

17 Citosol Mitocôndria

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19 Ciclo do Ácido cítrico Acetil-CoA CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

20 ESTRUTURA DA FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (FAD) FAD forma oxidadaFAD forma reduzida

21 ESTRUTURA DA NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (NAD + / NADH)

22 Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos

23 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

24 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ 3H + ADP + Pi ATP Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico ( negativo interior) FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

25 NADH QSuc QQ Cit cCit c O 2 ATP ADP+Pi IIIIIIIVV Separação dos complexos funcionais da cadeia respiratória Transpor- tadores de elétrons funcionam em complexos multi- enzimáticos

26 Complexo IV Citocromo aa 3 2 cit-a Ions Cu Complexo IV Citocromo aa 3 2 cit-a Ions Cu UQ/UQH 2 Complexo I NADH desidrogenase FMN Fe-S Complexo I NADH desidrogenase FMN Fe-S Complexo II Succinato desidrogenase FAD Fe-S Cit-b Complexo II Succinato desidrogenase FAD Fe-S Cit-b Sn- glicerofosfato desidrogenase FAD, Fe-S Sn- glicerofosfato desidrogenase FAD, Fe-S Acil-CoA desidrogenase Flavoproteína FAD, Fe-S Acil-CoA desidrogenase Flavoproteína FAD, Fe-S Cit c Complexo III Complexo bc 1 2 cit-b Fe-S Rieske Cit-c (c 1 ) Complexo III Complexo bc 1 2 cit-b Fe-S Rieske Cit-c (c 1 ) ½ O2½ O2 H2OH2O CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

27 ComplexoMassa (kDa) Número de subunidades Grupos prostéticos I NADH desidrogenase 85042 (14)FMN, Fe-S II Succinato desidrogenase 1405FAD, Fe-S III Ubiquinona:citocromo c oxidoredutase 25011Hemes, Fe-S Citocromo c131Heme IV Citocromo oxidase16013 (3-4)Hemes, Cu A, Cu B Complexos protéicos da cadeia de transporte de elétrons

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30 A + 2e - + 2H + AH 2 Estados de oxidação da FMN e da CoQ

31 ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE Fe +3 + 1e - Fe 2+

32 Citocromo c Matriz mitocondrial bHbH bLbL Estrutura secundária do citocromo b CITOCROMOS Fe +3 + 1e - Fe 2+

33 REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO: POTENCIAL REDOX

34 NAD + + 1H + + 2e - NADH-0,36 NADH desidrogenase (FMN) + 2H + + 2e - FMNH 2 -0,30 Fe/S-N 2 (Fe +3 ) + e - Fe/S-N 2 (Fe +2 )-0,02 [FAD] + 2H + + 2e - [FADH 2 ] ligado na enzima0,048 Ubiquinona (UQ) + 2H + + 2e - Ubiquinol(UQH 2 ) Ubiquinona (UQ) + H + + e - Semiquinol(UQH) 0,045 0,03 Citocromo b (Fe 3+ ) + e - Citocromo b (Fe 2+ ) 0,077 Fe/S-Rieske (Fe +3 ) + e - Fe/S-Rieske (Fe +2 )0,28 Citocromo c 1 (Fe 3+ ) + e - Citocromo c 1 (Fe 2+ ) 0,22 Citocromo c (Fe 3+ ) + e - Citocromo c (Fe 2+ ) 0,254 Citocromo a (Fe 3+ ) + e - Citocromo a (Fe 2+ ) 0,29 Citocromo a 3 (Fe 3+ ) + e - Citocromo a 3 (Fe 2+ ) 0,55 ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O 0,816 Potencial redox padrão de transportadores de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial Reação redox (semi-reação)E (V) COMPLEXOICOMPLEXOI C O M P L E X O III C O M P L E X O IV

35 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ 3H + ADP + Pi ATP Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico ( negativo interior) FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

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37 POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO ox + ne - redox + ne - + mH + red Reação de óxido redução envolve 2 pares redox Relação entre G e E Para a reação: NADH + H + +1/2 O 2 H 2 O + NAD + NADH + 2e - NAD + E h =-0,315V ½ O 2 + 2H + + 2e- H 2 O E h =+0,815V G°=-2 x 96,9 x 1,13 = -218 kJ mol-1

38 ComplexoI E º = 0,360V G º = -69,5 kJ mol -1 ComplexoI E º = 0,360V G º = -69,5 kJ mol -1 ComplexoIII E º = 0,190V G º = -36,7 kJ mol -1 ComplexoIII E º = 0,190V G º = -36,7 kJ mol -1 ComplexoIV E º = 0,580V G º = -112 kJ mol -1 ComplexoIV E º = 0,580V G º = -112 kJ mol -1 NADH NAD + (-0,315V) 2H + + ½ O 2 H 2 O (+0,815V) CoQ (+0,045V) Citocromo c (+0,235V) ComplexoII Succinato FADH 2 Fumarato (+0,030V) -0,4 -0,2 0 0,2 0,4 0,8 0,6 E (V)

39 EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA Meio sem aeração contendo mitocôndrias + ADP + Pi e succinato sem O 2 O 2 é injetado a 1 min

40 Meio sem aeração contendo mitocôndrias + ADP + Pi e succinato sem O 2 O 2 é injetado a 1 min EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA

41 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ 3H + ADP + Pi ATP Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico ( negativo interior) FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

42 Geração do gradiente de prótons (Teoria quimiosmótica, proposto por Peter Mitchell, Nobel de 1978) Modelo de loop redox

43 Estequiometria de cargas e prótons na cadeia respiratória modelo loop redox X proton pump 2H 2e - NADH 2H + III + UQ ½O 2 +2H + H2OH2O Loop redox c NADH O 2 : 6H + I III IV ½O 2 +2H + NADH H2OH2O UQ 4H + 2H + 2e - Proton pump c NADH O 2 : 8 a 10H + I III IV

44 Mecanismo de translocação de prótons no Complexo III: Ciclo Q

45 Ciclo Q

46 X X X Gradiente de concentração X X X+X+ -------------- ++++++++++++++ Gradiente elétrico transmembrana X X X+X+ -------------- ++++++++++++++ Gradiente de concentração e gradiente elétrico transmembrana G = gradiente eletroquímico iônico = x+ No caso da mitocôndria: X + =H + e –log[H + ] = pH, então Mitchell definiu o termo força próton-motriz ( p) 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

47 Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos

48 BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

49 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ 3H + ADP + Pi ATP Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico ( negativo interior) MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP

50 Ciclo do Ácido cítrico Acetil-CoA CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

51 Complexo IV Citocromo aa 3 2 cit-a Ions Cu Complexo IV Citocromo aa 3 2 cit-a Ions Cu UQ/UQH 2 Complexo I NADH desidrogenase FMN Fe-S Complexo I NADH desidrogenase FMN Fe-S Complexo II Succinato desidrogenase FAD Fe-S Cit-b Complexo II Succinato desidrogenase FAD Fe-S Cit-b Sn- glicerofosfato desidrogenase FAD, Fe-S Sn- glicerofosfato desidrogenase FAD, Fe-S Acil-CoA desidrogenase Flavoproteína FAD, Fe-S Acil-CoA desidrogenase Flavoproteína FAD, Fe-S Cit c Complexo III Complexo bc 1 2 cit-b Fe-S Rieske Cit-c (c 1 ) Complexo III Complexo bc 1 2 cit-b Fe-S Rieske Cit-c (c 1 ) ½ O2½ O2 H2OH2O CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

52 Componentes do complexo F1Fo-ATP sintase

53 As três subunidades da ATPsintase podem assumir três diferentes conformações Estrutura do complexo F1 deduzida por cristalografia e estudos bioquímicos

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56 O movimento de prótons pela membrana impulsiona a rotação do anel O canal é fromado por 10 subunidades c 360 = 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)

57 Transferência de ATP, ADP e fosfato entre a mitocôndria e o citosol

58 NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + NADH NAD + 4H + Succinato Fumarato 4H + ½ O 2 H2OH2O 2H + + + + + + + + _ _ _ _ _ _ _ _ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ H+H+ 3H + ADP + Pi ATP Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico ( negativo interior) MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP

59 Adenina nucleotídeo translocase e fosfato translocase ATP/ADP =

60 Regulação integrada da produção de ATP

61 Transferência de equivalentes redutores do citosol para a matriz mitocondrial: lançadeiras

62 Lançadeira malato-aspartato Fígado, rim e coração

63 Lançadeira glicerol 3-fosfato Músculo esquelético e cérebro

64 NADH citosólico

65 Acetil-CoA Matriz mitocondrial

66 BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

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68 Regulação integrada da produção de ATP

69 Estequiometria da síntese de ATP NADH O 2 = 10H + /2e - 10H + /4H + = 2,5 ATP Succinato (FADH 2 ) O 2 = 6H + /2e - 6H + /4H + = 1,5 ATP ADP + Pi + 3H + p ATP + H 2 O + 3H + n Adenina nucleotídeo e Pi translocase: 1H + Produção de ATP na oxidação completa de glicose ProcessoProdutoATP final Glicólise2 NADH (citosólico)3 ou 5 2 ATP2 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 FADH 2 3 2 ATP ou GTP2 Produção total por glicose 30 ou 32


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