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Fosforilação Oxidativa

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Metabolismo e Endocrinologia 2.º Ano LEBM, Maio de 2006

Grupo 8: Lígia Figueiredo, Liliana Valente, Teresa Cardoso; 6.º Trabalho; Tema: Inibidores e desacopladores de transporte de

electrões e fosforilação oxidativa

Inibidores e desacopladores de transporte de

electrões e fosforilação oxidativa

- A fosforilação oxidativa é um passo importante no metabolismo nos organismos aeróbios; - Todas as etapas oxidativas na degradação de hidratos de carbono, gorduras e aminoácidos convergem nesta etapa final da respiração celular, na qual a energia conduz à síntese de ATP; - Ocorre na mitocôndria;. - A fosforilação oxidativa envolve a redução de O 2 a H 2 O, sendo os electrões

doados pelo NADH e FADH 2 , podendo ocorrer na presença ou ausência de luz.

- (1) Processo envolve fluxo de electrões (2) o fluxo de electrões é acompanhado pela movimentação de protões, conservando a energia livre (3) O movimento de protões transmembranares desce o seu gradiente de concentração através dos canais específicos das proteínas, que assegura a energia livre pela síntese de ATP, catalisada pela ATP sintase, que associa o movimento de electrões à fosforilação do ADP.

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- A matriz mitocondrial contém o complexo piruvato desidrogenase e as enzimas do ciclo do ácido cítrico e os ciclos da oxidação aminoácida. O interior selectivo da membrana segrega os intermediários e enzimas de alguns ciclos metabólicos.

- A fosforilação oxidativa começa quando se dá a entrada de electrões na cadeia respiratória. Maior parte desses electrões surge da acção da desidrogenase que dirige todos os electrões provenientes do catabolismo e dirige-os para os receptores de electrões (NAD + ou NADP + e FMN ou FAD) - As ligações NAD – desidrogenase removem 2 átomos de hidrogénio aos substractos. Uma destas é a transferência como ião hidreto para o NAD +

- O NADH e o NADPH são transportadores de electrões hidrossolúveis que se associam reversivelmente com as desidrogenases. O NADH age como um transportador difusível carregando os electrões derivados das reações catabólicas ao seu ponto de entrada na cadeia respiratória . O NADPH é um transportador difusível que supre de electrões as reações anabólicas.

- As flavoproteínas (que contém FMN ou FAD) podem participar na transferência de um ou dois electrões (levando neste ultimo caso a FADH 2 e FMNH 2 ). As

transferências de electrões ocorrem porque as flavoproteinas têm um elevado potencial de redução (depende da proteína que está associada). - A cadeia respiratória consiste numa série de transportadores de electrões, sendo a maior parte deles proteínas integrais com grupos prostéticos capazes de aceitar e doar um ou dois electrões. Ocorrem três tipos de transferências de electrões :

� Transferência directa de Fe +3 para Fe +2 � Transferência de um átomo de hidrogénio (H + + e _ ) � Transferência de um hidreto (H _ ).

- Podemos encontrar outros três tipos de transportadores de electrões na cadeia respiratória:

- A ubiquinona ( Coenzima Q ou UQ ) que é uma benzoquinona lipossolúvel com uma cadeia lateral isoprenóide muito longa. É capaz de actuar na junção entre um doador de dois electrões e um receptor de um electrão. Ela é facilmente difusível dentro da bicamada lipídica da membrana mitocondrial interna.

- Os citocromos são proteínas transportadoras de electrões que contém ferro (presente no grupo heme). Podem ser do tipo a, b e c, diferindo na absorção de luz visível – perto dos 600 nm tipo a, 560 nm tipo b e perto dos 550 nm tipo c). Os citocromos do tipo a e b e alguns do tipo c são proteínas integrais da membrana.

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- As proteínas Fe-S (ferro - enxofre) são transferidas de electrões que contém Fe em associação com os átomos de S inorgânicos e/ou átomos de S de resíduos de Cys na proteína. Estas proteínas participam na transferência de um electrão onde, um dos átomos do Fe está oxidado ou reduzido.

Focando, agora, os complexos da cadeia respiratória na mitocôndria, temos:

• COMPLEXO I : complexo de NADH desidrogenase . Transfere electrões do NADH até a ubiquinona . Grupos prostéticos : FMN e Fe-S . Localizado na membrana mitocondrial interna

• COMPLEXO II : complexo succinato desidrogenase . Transfere electrões do succinato até a ubiquinona . Grupos prostéticos : FAD e Fe-S .

• COMPLEXO III : complexo dos citocromos bc1 ou ubiquinona-citocromo c oxidoredutase . Transfere electrões da ubiquinona até o citocromo c . Grupos prostéticos : Hemes e Fe-S .

• COMPLEXO IV : complexo citocromo oxidase . Acontece aqui a redução do oxigénio. Transfere electrões do citocromo c até o oxigênio . Grupos prostéticos : Hemes , Cua e Cub .

- No final da reacção da cadeia respiratória mitocondrial, os electrões movem-se do NADH, ou outro dador primário, através de flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro enxofre, citocromos e por ultimo, chega-se ao O 2

- Um método para determinar a sequência dos transportadores de electrões envolve a redução da entrada na cadeia de transportadores fornecendo uma fonte de electrões, mas nenhum aceitador de electrões (não há O 2 no fim da cadeia).

Quando o O 2 é de repente introduzido no sistema, a média com que cada

transportador electrões começa a ser oxidado, revela a ordem com que cada transportador funciona. O transportador mais perto do O 2 é o que liberta primeiro,

o 2º transportador, a partir do fim, é oxidado a seguir, e daí por adiante. - Agentes que inibem a movimentação de electrões têm sido usados em combinação nas medidas do grau de oxidação de cada transportador. Na presença de O 2 e de um dador de electrões, os transportadores que funcionam antes da

inibição tornam-se completamente reduzidos e aqueles que funcionam depois da inibição ficam completamente oxidados. Por usar muitos inibidores, que bloqueiam diferentes passos da cadeia, os investigadores determinaram toda a sequência.

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Os inibidores respiratórios Quando utilizados para determinar a ordem da cadeia de transporte de electrões:

- isolam a mitocôndria intacta da célula; - disponibilizam um substracto oxidável de modo a que o transporte de electrões possa ocorrer; - medem as quantidades relativas das formas oxidadas e reduzidas de vários transportadores de electrões. Existem 3 sitios na cadeia de transporte de electrões que os inibidores podem afectar:

A cooperação da ATP sintetase com a oxidação dos substractos para realizar a fosforilação do ADP em ATP pode ser explicada através da teoria quimiosmótica aplicada à mitocôndria, os electrões do NADH e outros substratos oxidativos passam através uma cadeia de transportadores, os complexos I, II, III e IV ligados à membrana interna da mitocôndria, arranjados assimetricamente nesta. A transferência de electrões ao longo da cadeia respiratória é acompanhada pelo bombeamento de protões para fora da membrana mitocondrial interna, realizada apenas pelos complexos I,III e IV , o que leva a uma diferença na concentração de protões transmembranares, um gradiente tanto químico quanto eléctrico. A energia electroquímica é inerte nesta diferença de concentração de protões e separação de cargas, a força proto- motora representa uma conservação de parte da energia da oxidação. A membrana mitocondrial interna é impermeável aos protões, a força proto- motora é subsequentemente usada para impulsionar a síntese do ATP. Catalisada pelo complexo F1 associado com F0 (partes constituinte da ATP sintetase que liga a matriz ao meio externo ), os protões fluem passivamente de volta para a matriz, através dos poros formados pelo F0.

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A síntese de ATP, através da fosforilação do ADP é acoplada à transferência de electrões ao O2. Este acoplamento obrigatório pode ser demonstrado na mitocôndria através de desacopladores químicos que incluem o 2,4 dinitrofenol (DNP) e um grupo de compostos relacionados ao carbonilcianeto fenilidrazona, a inibidores como, barbituratos, malanatos, antimicina, cianeto e outros e a ruptura mecânica da membrana mitocondrial. Os desacopladores são ácidos hidrofóbicos fracos. A sua hidrofobicidade permite-lhes difundir facilmente através das membranas mitocondriais de forma protonada. Eles podem libertar um protão, dissociar-se, dissipando a transferência de electrões da fosforilação oxidativa, criando um curto-circuito eléctrico através da membrana mitocondrial, permitindo que a respiração continue sem a síntese de ATP.

As substâncias inbidoras, como o cianeto, que bloqueia a transferência de electrões entre acitocromo oxidase e o O2, inibe tanto a respiração quanto a síntese de ATP. Estes inbidores actuam na cadeia de transporte de electrões, nos complexos ligados a membrana interna das mitocôndrias.

As mitocôndrias desacopladas no tecido adiposo castanho produzem calor. Na maioria dos mamíferos, incluindo o homem, os recém-nascidos possuem um tipo de tecido chamado de tecido adiposo castanho, no qual a oxidação dos combustíveis não funciona para produzir ATP, mas sim gerar calor para manter o recém-nascido aquecido.

As mitocôndrias do tecido adiposo castanho oxidam combustíveis (particularmente ácidos carboxílicos) normalmente, passando os electrões através da cadeia respiratória até o O2. Esta transferência de electrões é acompanhada pelo bombeamento de protões para fora da matriz, da mesma forma que noutra mitocôndria. Entretanto, a mitocôndria do tecido adiposo castanho, possui apenas uma proteína na sua membrana interna: a termogenina, também chamada de proteína desacopladora (UCP). Esta proteína, uma proteína integral da membrana, fornece uma via para os protões retornarem à matriz sem passarem através do complexo F0F1. Em consequência deste curto-circuito dos protões, a energia da oxidação não é conservada pela formação do ATP, mas é dissipada como calor, o que contribui para manter a temperatura corporal. Para os recém-nascidos sem cabelos, a manutenção do calor corporal é um importante uso da energia metabólica. Os animais que hibernam dependem das mitocôndrias desacopladas do tecido adiposo castanho para gerar o calor durante um longo período.

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AGENTES QUE INTERFEREM COM A FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA.

- Tipos de interferência: Inibição da transferência de electrões:

*Amital (droga barbitúrica), Rotenona (insecticida) e antibiótico Piericidina A inibem o fluxo dos electrões dos centros Fe-S do complexo I até a UQ.

*Antimicina A age no complexo III bloqueando a transferência de electrões do citocromo b ao citocromo c1.

*Cianeto e CO inibem a citocromo-oxidase (complexo IV)

-Desacoplamento da fosforilação da transferência de electrões:

*Carbonilcianeto fenilidrazona e 2,4-dinitrofenol (DNP) são ácidos fracos com propriedades hidrofóbicas; induzem o desacoplamento sem romper a estrutura mitocondrial.

*Valinomicina também desacopla a fosforilação oxidativa.

*Proteína desacopladora (termogenina) forma poros que conduzem protões na membrana interna da mitocôndria da gordura castanha.

Grupo 8

Liliana Valente

Lígia Figueiredo

Teresa Cardoso