OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

1. OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

2. 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

3. Metabolismo: integração entre catabolismo e anabolismo

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

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

6. 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

7. 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

8. 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

9. 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

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

11. 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).

12. 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

13. OXIDAÇÕES BIOLÓGICAS: Cadeia respiratória e fosforilação oxidativa

14. Estrutura da mitocondria • Membrana externa • Membrana interna • Matriz mitocondrial

15. Estudo dos componentes da membrana mitocondrial

16. Complexos proteícos transportadores de elétrons O que são grupos prostéticos?

17. 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

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

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

20. 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

21. 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

22. Potencias de óxido-redução

23. 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 Eque depende das espécies envolvidas e das concentrações da forma oxidada e reduzidas das espécies.

24. Potenciais de Oxido-reduções Fe+3 + Cu+↔ Fe+2 + Cu+2 Fe+3 + e-↔ Fe+2 (redução) Cu+ ↔ Cu+2 + e- (oxidação) Potencial de redução padrão (E0) 2 H+ + 2e- H2 (referência) 2 H+ + 2e- H2 (referência) NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste) NAD+ + H+ + 2e- NADH (teste) Potencial de redução padrão bioquímico (E0’) 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 E = 0 V E0’ = - 0,320 V

25. 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

26. 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:

27. 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.

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

30. 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.

31. 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.

32. Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

33. 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).

34. 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.

35. 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.

36. 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.

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

39. A PRODUÇÃO DE ATP É ENZIMÁTICA

40. 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.

41. COMPONENTES DA FoF1ATPase

42. 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

44. 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).

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

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

47. 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

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

49. Aproveitamento do NADH do citosol gerado na glicólise

50. Lançadeira malato-aspartato