Fosforilação oxidativa

Conhecendo um pouco sobre a mitocôndria Membrana Externa Totalmente permeável à pequenas moléculas e íons Cristas Membrana Interna Impermeável a pequenas moléculas e íons, incluindo H+ Contém: Enzimas da fosforilação oxidativa Canais transportadores de moléculas Matriz Membrana mitocondrial interna Membrana mitocondrial externa Crista Estrutura geral da mitocôndria Matriz Contém: • Complexo piruvato desidrogenase • enzimas do ciclo do ácido cítrico

Resumo da teoria quimiosmótica Oxidação dos transportadores de elétrons é acoplada com o bombeamento de prótons (1) para fora da matriz mitocondrial gerando um gradiente eletroquímico (2). Os prótons fluem de volta a matriz mitocondrial atravéx do complexo ATPsintase que fosforila o ADP utilizando um fosfato inorgânico (3) Resumo da fosforilação oxidativa (1) (2) (3) Conceito importante: A energia “redox” contida nos carreadores de elétrons reduzidos (NADH, FADH2) pode ser convertida em gradiente eletroquímico O gradiente eletroquímico pode ser convertido em energia química na forma de ATP

O modelo quimiosmótico Citoplasma Espaço Intermembrana H2O Succinato Fumarato ½ O2 + 2H+ ADP + Pi NADH + H+ NAD+ ATP Matriz

Conceito de gradiente eletroquímico Potencial Elétrico Δ y (Dentro negativo) Potencial Químico ΔpΗ (Dentro alcalino) Síntese de ATP impulsionada pela força proto-motriz Componente elétrico Componente químico

Resumo do fluxo de elétrons e prótons através dos quatro complexos da cadeia respiratória. Espaço Intermembranar (lado P) ½ O2 + 2H+ H2O NADH + H+ NAD+ Succinato Fumarato -0.320 E (V) Matrix (lado N)

Ubiquinona (Q, ou coenzima Q). Ubiquinona (Q) (Totalmente oxidada) A redução completa da ubiquinona requer dois elétrons e dois prótons Radical semiquinona (•QH) Ubiquinol (QH2) (Totalmente reduzido)

Grupos prostéticos dos citocromos. porfirina Ferro protoporfirina IX (citocromos tipo B) encontrados em citocromos tipo B, na hemoglobina e na mioglobina Heme A (citocromos tipo A) tem uma longa cauda isoprenóide ligada a um dos anéis. Heme C (citocromos tipo C) ligado covalentemente ao citocromo C através de duas ligações thioeter a dois resíduos Cys.

Espectros de absorção do citocromo c (cit c) absorção de luz relativa (%) Comprimento de onda (nm)

Centros ferro-enxofre Proteína Um íon Fe cercado pelos átomos de S de quatro resíduos de Cys. 2Fe-2S contém enxofre inorgânico e Cys S, 4Fe-4S contém enxofre inorgânico e Cys S

Falvina mononucleotídeo FMN (riboflavina-5'-fosfato) anel isoaloxazina FMNH• (semiquinone, parcialmente reduzido) FMNH2 (totalmente reduzido) produzidos a partir de riboflavina (vitamina B2) funciona como grupo prostético de várias oxidoreductases incluindo NADH desidrogenase FMN flavina mononucleotídeo

Potenciais de redução padrão dos carreadores de elétrons da cadeia respiratória Reação redox (meia reação) E’o (V)

Potenciais de redução dos transportadores de elétrons ao longo da cadeia Potencial de redução (mV) Os elétrons passam dos carreadores com menor potencial de redução para aqueles com maior potencial (mais positivo).

demonstração experimental de que o transporte de elétrons do NADH ou FADH2 para o O2 é acoplado ao transporte de prótons através da membrana

Inibidores da cadeia de transporte de elétrons rotenona Antimicina A CN- ou CO

Os carreadores de elétrons funcionam em Complexos Multienzimáticos Complexo enzimático / proteína Massa (kDa) Número de subunidades * Grupo(s) prostético(s) I - NADH desidrogenase 850 43 (14) FMN, Fe-S II - Succinato desidrogenase 140 4 FAD, Fe-S III - Ubiquinona-citocromo c oxidorredutase 250 11 Hemes, Fe-S Citocromo c † 13 1 Heme IV – citocromo oxidase 160 13 (3–4) Hemes; CuA, CuB † citocromo C não faz parte de um complexo enzimático, se move entre os complexos III e IV como uma proteína solúvel * Números de subunidades em bacteria é dado entre parênteses.

Complexo I NADH:ubiquinona oxirredutase Espaço Intermembrana (Lado P) Matriz (Lado N) Catalisa a transferência de um íon hidreto de NADH a FMN Os dois elétrons passam por uma série de centros Fe-S para a proteína N-2 A transferência de elétrons de N-2 para a ubiquinona (Q) forma ubiquinol (QH2) O ubiquinol se difunde no plano da membrana Esta transferência de elétrons expulsa da matriz quatro prótons por par de elétrons. N-2 Fluxo de prótons produz um potencial eletroquímico através da membrana mitocondrial interna (lado N negativo, o lado positivo P), que conserva parte da energia liberada pelas reações de transferência de elétrons. NADH + Q + 5H+N  NAD+ QH2 + 4H+P

Complexo II (succinato desidrogenase) de E. coli Cardiolipina Citoplasma (Lado P) Sítio de ligação ao substrato FAD Centros Fe-S Ubiquinona Heme b QH2 Periplasma Succinato  Ubiquinona A única enzima ligada à membrana do ciclo do ácido cítrico Contém cinco grupos prostéticos FAD Centros Fe—S Heme (heme b) sítio de ligação para a ubiquinona, (o aceptor final de elétrons na reação catalisada pela Complexo II) Os elétrons se movem (setas azuis) do succinato para o FAD, em seguida, através dos três centros Fe-S para ubiquinona. O heme b não está no caminho principal de transferência de elétrons mas protege contra a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS) por elétrons que se extraviaram. NÂO BOMBEIA PRÓTONS

Complexo III Ubiquinona  citocromo c também chamado de: complexo citocromo bc1 ubiquinona: citocromo c oxidorredutase Acopla a transferência de elétrons do QH2 (ubiquinol) para o citocromo c com o transporte de prótons da matriz para o espaço intermembranar O complexo tem 11 subunidades diferentes. dois tipos distintos de sítios de ligação para a ubiquinona, QN e QP, Antimicina A, que bloqueia o fluxo de elétrons de BH heme a Q, se liga em QN, Myxothiazol, o que impede o fluxo de elétrons de QH2 à proteína ferro-enxofre Rieske, liga-se a QP Citocromo c Espaço Intermembrana (Lado P) Citocromo c1 Centro 2Fe-2S Heme Citocromo b Matriz (Lado N) QH2 + 2 cyt c1(oxidado) + 4H+N   Q 2 cyt c1(reduzido) + 4H+P

Citocromo C Citocromo C é uma proteína solúvel de do espaço intermembranar. Após se reduzir com apenas um elétron do Complexo III, move-se para o Complexo IV Citocromo C

Complexo IV Citocromo c  O2 Sinônimo: Citocromo oxidase etapa final da cadeia respiratória As três proteínas críticas para o fluxo de elétrons são subunidades I, II e III A estrutura verde grande compreende outras dez proteínas no complexo Citocromos c doam eletrons para o centro CuA Que passam através de um heme para o centro Fe-Cu (Citocromo a3 e CuB) Oxigênio se liga ao heme a3 e é reduzido a um peróxidos (O22-) por dois elétrons do centro Fe-Cu O22- consome dois H+ quando se transforma em água mais quatro prótons são bombeados da matriz por um mecanismo ainda desconhecido Matriz (Lado N) Espaço Intermembrana (Lado P) 4H+ (bombeado) (substrato) 2H2O O2

Complexo FoF1 Espaço Intermembrana (Lado P) Matriz (Lado N) F1 Fo Prótons fluem através da membrana do lado P para o lado N através da Fo O fluxo de prótons é acoplado com a síntese de ATP à partir de ADP e Pi na subunidade F1

Translocases de fosfato e de nucleotídeos de adenina A translocase nucleotídeos de adenina é uma antiporter, move o ADP para a matriz e o ATP para fora O efeito da substituição ATP4- com ADP3- é o efluxo líquido de uma carga negativa, que é favorecido pela diferença de cargas através da membrana interna (fora positiva). Não há fluxo líquido de carga durante simporte de H2PO4-  e H+ A concentração de prótons relativamente baixa na matriz favorece a entrada de H+. A força proto-motriz é responsável tanto pelo fornecimento de energia para Síntese de ATP e para transportar substratos (ADP e Pi) e no produto (ATP) para fora da matriz mitocondrial.

Como o NADH “entra” na mitocôndria Trocador malato/ a-cetoglutarato malato malato H+ + NADH H+ + NADH malato desidrogenase malato desidrogenase oxaloacetato oxaloacetato oxaloacetato glutamato glutamato aspartato aminotransferase aspartato aminotransferase a-cetoglutarato a-cetoglutarato aspartato aspartato Trocador glutamato/ aspartato

Acoplamento de transferência de elétrons com a síntese de ATP em mitocôndrias O2 consumido ATP sintetizado ADP + Pi succinato CN- venturicidina ou oligomicina DNP desacoplado 2,4-dinitrofenol (DNP) DNP Desacoplador químico da fosforilação oxidativa. Carrega prótons através da membrana mitocondrial interna, dissipando o gradiente de prótons. Forma protonada carga neutra atravessa membrana

Acoplamento de transferência de elétrons com a síntese de ATP em mitocôndrias