OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

Metabolismo: integração entre catabolismo e anabolismo

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

Interior da mitocôndria Localização da glicólise e do ciclo de Krebs (tricarboxilicos ou dos ácidos cítricos) e do transporte de elétrons e fosforilação Citoplasma Interior da mitocôndria

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

A variação de energia livre na hidrólise do ATP é grande e negativa A hidrólise diminui a repulsão entre as cargas Estabilização por ressonância Ionização Os produtos formados na hidrólise do ATP são mais estáveis porque fazem ressonância e apresentam menos repulsão eletrostática

Existem duas formas de formação do ATP (nos animais) 1 – Fosforilação ao nível de Substrato 2 – Fosforilação através da cadeia transportadora de elétrons acoplada a fosforilação

Gliceraldeido 3-fosfato desidrogenase (1) Produto desta reação contém energia para fosforilar ADP em ATP Enzima da via glicolítica NADH produzido no citoplasma* Destino do NADH em meio aeróbico e meio anaeróbico

Fosforização ao nível de substrato (1) Conversão do succinil-CoA em succinato Etapa de fosforilação da enzima GTP ou ATP (ΔG’º = 0)

Mecanismo da reação da succinil-CoA sintetase Inicialmente o succinil-CoA se liga à enzima succinil-CoA sintetase. No passo 1, um grupo fosforil ocupa o lugar da CoA no succinil-CoA ligado a enzima, formando um composto acila-fosfato de alta energia. No passo 2, o succinil-fosfato cede seu grupo fosforil para um resíduo de histidina da cadeia polipeptídica da enzima, formando um derivado de alta energia. No passo 3, o grupo fosforil é transferido desse resíduo de His para o grupo fosfato terminal da molécula de GDP (ADP) formando GTP (ATP).

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

Estrutura da mitocondria Membrana externa Membrana interna Matriz mitocondrial

Estudo dos componentes da membrana mitocondrial

Complexos proteícos transportadores de elétrons O que são grupos prostéticos?

COMPONENTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA COMPLEXO I: recebe elétrons do NADH COMPLEXO II: recebe elétrons do FADH2 UBIQUINONA (Q) COMPLEXO III CITOCROMO c e COMPLEXO IV

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 2H+ 4H+ 4H+ ½ O2 H2O Succinato Fumarato NADH NAD+

Ligações fosfoanidrido Nucleotídeos: transporte energia NADH + H+ NAD+ Succinato Fumarato Matriz ADP + Pi ATP H2O 1/2 O2 + 2H+ Cit c Espaço intermembrana F1 F0 H+ 4H+ 2H+ Matriz Espaço intermembrana H+ Fo F1 O gradiente eletroquímico de prótons gerado durante o transporte de elétrons é usado para síntese de ATP através do complexo ATPsintase Ligações fosfoanidrido Ligações fosfoéster P O H N NH2 HO OH CH2 O- ADP P O H N NH2 HO OH CH2 O- -O ATP + H2O HPO4 2- +

Modelo mostrando a síntese de ATP Proteínas transportadoras de eletrons Proteínas integrais e periféricas Extrusão de prótons Complexo ATP sintase Gradiente químico Gradiente elétrico Gradiente eletroquímico

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 5 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

Potencias de óxido-redução

Reações de óxido-redução Ared Aox + e- oxidação As formas oxidada e reduzida do composto (Ared / Aox ) constituem um sistema chamado par redox. Box + e- Bred redução Ared + Box Aox + Bred reação de óxido-redução Nas reações de óxido redução biológicas, os elétrons transferidos são geralmente acompanhados de prótons ou seja há transferência de átomos de hidrogênio: AH2 + B A + BH2 (red) (ox) (ox) ( red) A tendência do par redox (Ared / Aox ) em perder ou ganhar elétrons é expressa pelo seu potencial de óxido-redução, representado por E que depende das espécies envolvidas e das concentrações da forma oxidada e reduzidas das espécies.

Potenciais de Oxido-reduções Célula eletroquímica de referência. H2 gasoso a pressão de 101 KPa e 1M de H+ Célula teste contendo 1M das espécies reduzida e oxidada do par redox em exame Fe+3 + Cu+ ↔ Fe+2 + Cu+2 Potenciais de Oxido-reduções Fe+3 + e- ↔ Fe+2 (redução) Cu+ ↔ Cu+2 + e- (oxidação) 2 H+ + 2e- H2 (referência) NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste) Potencial de redução padrão (E0) Potencial de redução padrão bioquímico (E0’) 2 H+ + 2e- H2 (referência) E = 0 V NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste) E0’ = - 0,320 V

Uma vez conectadas as meias células, os elétrons fluem de uma meia célula para outra Se a reação se proceder na seguinte direção: X- + H+ X + ½ H2 Nas meias células as reações serão: X- X + e- H+ + e- ½ H2 Os eletrons fluem da meia célula onde está a substância teste (X) para a meia célula de referência ( padrão) Dessa forma , o eletrodo é negativo em relação ao eletrodo padrão. O potencial redox do par H+: H2 é definido como sendo 0 V (volts) Potencial negativo significa que um substrato tem menor afinidade por elétrons do que H2 Potencial positivo significa que um substrato tem maior afinidade por elétrons que H2

OXIDAÇÃO DO NADH ATÉ OXIGÊNIO Potenciais de óxido-redução NAD+ + H+ + 2e- NADH Eo' = - 0,32V ½O2 + H+ + 2e- H2O Eo' = + 0,82V A reação acontecerá da seguinte forma: ½O2 + NADH + H+ H2O + NAD+ Eo' = +1,14 V ΔEo' = Eo' do oxidante - Eo' do redutor = 0,82 - ( - 0,32) = 1,14 V Go' = - nF.Eo' = -2 x 96.500 x [0,82 - (- 0,32)] = - 220 kJ /mol Aplicando a equação:

Um forte agente redutor, como NADH e FADH2 tem potencial redox negativo Um forte agente oxidante, como O2 , tem potencial redox positivo A variação de energia livre de uma reação de oxido-redução pode ser facilmente calculada somente avaliando a diferença de potencial redox dos reagentes e produtos.

Proteínas transportadoras de eletrons Complexo I= NADH desidrogenase Complexo II= succinato desidrogenase Complexo III= ubiquinona: citocromo c oxidoredutase Citocromo c Complexo IV= citocromo oxidase

NADH: ubiquinona oxidoredutase NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- NADH desidrogenase (FMNH2) flavina mononucleotídeo é derivado da riboflavina (vitamina B2) Os centros Fe-S não recebem protons , são transportadores de eletrons. Fe3+ para Fe2+. Os protons são transferidos para o espaço intermembrana. Primeira etapa na formação do gradiente de prótons.

Complexo II também chamado de succinato desidrogenase Complexo II também chamado de succinato desidrogenase. A enzima succinato desidrogenase faz parte do complexo Grupo prostéticos: FAD e centros Fe-S Eletrons são transferidos do succinato ao FAD, aos centros Fe-S e depois para a ubiquinona (Q). Outras desidrogenases: acil-CoA desidrogenase da β-oxidação transfere os eletrons para a enzima transferidora de eletrons (ETF) que tem o FAD como grupo prostético e depois para a ETF: ubiquinona oxidoredutase e finalmente para a ubiquinona.

Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

Coenzima Q ou ubiquinona Cadeia lateral composta de unidades isoprênicas. Não é uma proteína. Naureza hidrofóbica = mobilidade na fase lipídica da membrana. Recebe 2 protons e dois eletrons e se torna reduzida (ubiquinol).

O ion Ferro presente no grupo heme é o responsável pela capacidade de transferência de eletrons destas proteínas, alternado seu estado de oxidação de Fe+2 e Fe+3. O grupo heme varia de citocromo para citocromo conforme seus grupos substituintes. Também diferem quanto aos ligantes axiais do ion ferro.

Complexo citocromo bc1 ou ubiquinona: citocromo c oxido redutase (complexo III) Constituído de dois citocromos b (b562 e b566), por um centro Fe-S e pelo citocromo C1. Os eletrons da coenzima Q são transferidos para o complexo III e os prótons são transferidos para para o espaço intermembrana. Sítios de ação de drogas que inibem a fosforilação oxidativa: antimicina e mixotiazol.

Complexo IV: transfere eletrons para o oxigênio Complexo IV: transfere eletrons para o oxigênio. Também é chamado de citocromo c oxidase. Apresenta dois citocromos do tipo a (a e a3) e dois íons cobre, cada qual associado a um dos dois citocromos. Estados de oxidação do cobre: Cu+2 e Cu+1. O complexo IV é responsável pela doação de quatro eletrons para a molécula de oxigênio, que ligando-se aos prótons do meio converte-se em H2O. 95% de todo oxigênio consumido é utilizado nesta operação e são produzidos cerca de 300 ml de água, chamada de água metabólica (humanos). Animais que hibernam e animais que passam longos períodos sem ingerir água (camelos) utilizam a água metabólica.

O ΔG (força próton-motora) resultante do gradiente químico e do gradiente elétrico, é capaz de realizar a síntese de ATP.

A PRODUÇÃO DE ATP É ENZIMÁTICA

Complexo ATP sintase compreende dois componentes: cada componente é constituído de várias cadeias polipeptídicas. Uma porção, esférica, chamada de fator de acoplamento 1 (F1) que contém os sítios de síntese de ATP. A segunda porção fica embebida na membrana interna mitocondrial interna, constituindo um canal para a entrada de prótons (Fo ) assim chamado porque contém um sítio de ligação para a oligomicina, um inibidor da ATP sintase.

COMPONENTES DA FoF1ATPase

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

ADP e Pi são substratos para a ATP sintase. Succinato é o substrato da Succinato Desidrogenase Cianeto é uma droga que inibe a citocromo c oxidase (inibe o transporte de elétrons) Venturicidina e oligomicina inibem o complexo Fo (inibem a ATP sintase). DNP é um carreador de prótons hidrofóbicos (desacoplam a Fosforilação do transporte de elétrons).

Desacopladores: são compostos que dissociam o transporte de elétrons da síntese de ATP. Exemplo: DNP e FCCP dissipam o gradiente de prótons.

Adenina nucleotídeo translocase e fosfato translocase A produção de ATP acontece interligada a processos de transporte ATP/ADP = ATP/ADP =

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

NADH via lançadeira glicerol fosfato = 1,5 ATP NADH via lançadeira malato-aspartato = 2,5 ATP NADH = 2,5 ATP FADH2 = 1,5 ATP

Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

Lançadeira malato-aspartato

Transporte de élétrons e fosforilação oxidativa 1 - Introdução 2 - Formas de formação de ATP 3 - Mitocondria – características gerais – componentes da cadeia 4 - Óxido redução: conceitos, organização dos componentes da cadeia de acordo com seus potenciais de óxido redução 5 - Esquema geral de funcionamento da cadeia de transporte de e- 6 - Inibidores e desacopladores do Sistema 7 - Produção de ATP por molécula de glicose Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras 8 - Produção de calor 9 - Regulação do Sistema

(tecido adiposo marron) Esta proteína que tem a sigla FORMAÇÃO DE CALOR (tecido adiposo marron) Esta proteína que tem a sigla em inglês de UCP, é a principal produtora de calor em mamíferos. Ocorre principalmente em animais que hibernam. Também tem relação com diferenças no metabolismo entre as diferentes pessoas. A energia derivada do transporte de elétrons é liberada como calor. UCP

O limitante destes processos é a concentração Regulação do Sistema Transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente relacionados. Os substratos deste processo são: coenzimas reduzidas, oxigênio, ADP e Pi. O limitante destes processos é a concentração de ADP. Daí é o regulador mais importante. A regulação da velocidade de oxidação das coenzimas exercida pela concentração de ADP chama-se controle respiratório. As vias que dependem da reciclagem das coenzimas oxidadas pela cadeia de transporte de elétrons (por exemplo, o ciclo de Krebs) dependem da razão ATP/ADP. O próprio ADP participa das regulações das enzimas alostéricas.