aula 5 - cte e fosforilação oxidativa
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Aula de Bioquímica Metabólica do curso de Engenharia de Bioprocessos UFSJ.TRANSCRIPT
Cadeia transportadora de Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativaelétrons e fosforilação oxidativa
Universidade Federal de São João del-ReiEngenharia de BioprocessosBioquímica do Metabolismo
Juliano Lemos BicasJuliano Lemos Bicas
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
IntroduçãoIntrodução
Catabolismo de carboidratosCatabolismo de carboidratosFormação de ATP e cofatores reduzidos (NADH, FADH2)
Glicose 2Piruvato 6 NADH
2 FADH2
2 GTP
2Acetil-CoA
ATP ATP
2 NADH ATP ATP
ATPATP
2 NADH
ATP
ATP
Saldo (por glicose):- 4 ATP
- 2 FADH2
- 10 NADH
Ciclo de Krebs
4 CO22 CO2
Maior parte da energia = coenzimas reduzidas
IntroduçãoIntrodução
Fosforilação oxidativa:Fosforilação oxidativa:• Estágio final da respiração celular (organismos aeróbicos);• Etapas oxidativas da degradação CH, aa e AG convergem para ela;• Utilização da energia de oxidação para síntese de ATP;
Cadeia transportadora de elétrons (CTE):Cadeia transportadora de elétrons (CTE):• Reoxidação dos cofatores reduzidos (NADH e FADH2);• Elétrons transportados até O2 (aceptor final), que é reduzido a H2O;• Gradiente de H+ impulsiona síntese de ATP (fosforilação oxidativa).
Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana mitocondrial interna (eucariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)Membrana citoplasmática interna (procariotos)
IntroduçãoIntrodução
Mitocôndria:Mitocôndria:• Sítio do metabolismo oxidativo em eucariotos:
- Compl. pir. desidr.- CK- β-oxidação- CTE/FO
IntroduçãoIntrodução
Mitocôndria:Mitocôndria:• Membrana externa:
- Livremente permeável apenas a O2, CO2 e H2O
- Proteínas de transporte controlam passagem de ATP, piruvato, Ca2+, Pi etc.
- Porinas: difusão livre de moléculas de até ~10kDa (não específico)
• Membrana interna:
- Permite gradientes iônicos e compartimentalização (citossol x mitocôndria)
- Impermeável à maioria das substâncias hidrofílicas
CITOSSOL
MATRIZ
ATP
ADP Pi
Pi ou Dicarboxilatos
OH–
Dicarbo-xilatos
Tricarbo-xilatos
Malato OH–
Piruvato
OH– ou Aspartato
Ca2+
Ca2+
2Na+Glutamato
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria
Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira malato-aspartato
CITOSSOL
MATRIZ
Aspartato
Aspartato
Glutamato
Glutamato
Malato
Malato
α-Cetoglutarato
α-Cetoglutarato
Oxalacetato
Oxalacetato
Aspartato aminotransferase
Aspartato aminotransferase
Malato desidrogenase
Malato desidrogenase
H+ + NADH
H+ + NADH
NAD+
NAD+
Via glicolítica
Carregador malato-α-
cetoglutarato
Carregador glutamato-aspartato
Entrada do NADH na mitocôndriaEntrada do NADH na mitocôndria
Membrana mitocondrial interna = impermeável ao NADHMembrana mitocondrial interna = impermeável ao NADH• Lançadeira glicerol-fosfato (1,5 ATP/NADH)
CITOSSOL
MATRIZ
H+ + NADH Via glicolítica
FAD FADH2
Diidroxicetona-fosfatoGlicerol-3-fosfato
Fe2+-S Fe3+-S
NAD+
Glicerol-3-fosfato desidrogenase
Flavoproteína desidrogenase
CoQ CoQH2
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
CTE e fosforilação oxidativaCTE e fosforilação oxidativa
Visão geralVisão geral
e–
e–
½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+
FADH2
+ + + + + + + + +
– – – – – – – – – –
H+
H+
ADP + Pi ATP
4H+
2H+ 2H+ 2H+
4H+ 2H+
Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
Membrana interna
I
II III IVCoQ
c
2H+
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Componetes da CTE e respectivos grupos prostéticosComponetes da CTE e respectivos grupos prostéticos• Complexo I (NADH-CoQ redutase)
• Complexo II (Succinato-CoQ redutase)
- FMN- 6 ou 7 centros FeS
- FAD- 3 centros FeS- Citocromo b560
• Complexo III (CoQ-citocromo c redutase)- Citocromos b (bH e bL) e c1
- Centro Fe-S (centro de Rieske)
• Complexo IV (Citocromo c oxidase)- Citocromos a e a3
- Íons cobre
• Coenzima Q (CoQ) ou ubiquinona componente não protéico
• Citocromo c
O2
ee––
ee––
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Centros Ferro-EnxofreCentros Ferro-Enxofre
• Grupo prostético de proteínas ferro-enxofre
Centros de Rieske = 2 His (> pot. redução)
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo I (NADH desidrogenase)Complexo I (NADH desidrogenase)
NADHH NAD+
HH++
CoQ (ox)
FMNH2
FMN
FeS (red)
FeS (ox)
2H2H++
CoQH2 (red)
2H2H++
2e2e––Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
Membrana interna
2H2H++
2H2H++
NADH + Q + 5H+matriz
NAD+ + QH2 + 4H+citoplasma
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo IIComplexo II
Succinato Fumarato2H2H++
CoQ (ox)
FADH2
FAD
FeS (red)FeS (ox)
CoQH2 (red)
2H2H++Matriz
mitocondrial
Espaço intermembrana
cit b560
2e2e––
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Coenzima QCoenzima Q
H+ + e– H+ + e–
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
CitocromosCitocromosProteínas com atividade redoxNão ocorre em alguns anaeróbicos obrigatóriosGrupos heme
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo IIIComplexo III
QH2
Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
Citocromo c (red)
FeS (ox)
Citocromo c (ox)
FeS (red)
cit c1 (ox)cit c1 (red)
cit bL (ox)
cit bL (red)
cit bH (ox)
cit bH (red)
e–
2 e–
HH++
HH++
Centro de Rieske [2Fe-2S]
Ciclo QCiclo Q
Ciclo QCiclo Q
Citocromo cQH2
H+
cit b
e– e–
H+
Fe-S cit c1
QH●
Q
QH●
H+
e–
Citocromo cQH2
H+
cit b
e– e–Fe-S cit c1
QH●
Q
QH●
H+
e–
H+
e–
e–
e–
e–
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
matriz
Espaço intermembranas
Espaço intermembranas
matriz
III
III
1
2
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo IIIComplexo III
Qpool
Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
2 Citocromo
c (red)
FeS (ox)
2 Citocromo
c (ox)
FeS (red)
cit c1 (ox)cit c1 (red)
cit bL (ox)
cit bL (red)
cit bH (ox)
cit bH (red)
e–
2 e–
2H2H++
4H4H++
QH2 + 2 cit c (ox) + 2H+matriz Q + 2 cit c (red) + 4H+
citoplasma
2e2e––
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)
Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
2 Citocromo
c (red)
2 Citocromo
c (ox)
centro CuA
heme a
2 cit c (red) + 4H+matriz + ½O2 2 cit c (ox) + H2O + 2H+
citoplasma
2H2H++
2H2H++
½O2 H2O
heme a3 - CuB
2H2H++
2e–
2e–
2e–
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
Complexo IV (citrocromo Complexo IV (citrocromo cc oxidase) oxidase)
heme a3 CuB
Tyr
Cadeia transportadora de elétronsCadeia transportadora de elétrons
ResumoResumo
e–
e–
½OO22 + 2H+ H2ONADH + H+
FADH2
+ + + + + + +
– – – – – – – –
4H+
2H+ 2H+ 2H+
4H+ 2H+
I
II III IVCoQ
c
2H+
Gradiente eletroquímico = força próton-motriz
Matriz mitocondrial
Espaço intermembrana
Δψ ~ 0,1-0,2V
ΔpH ~ 0,75
síntese de ATP
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
Retorno dos HRetorno dos H++ p/ matriz = p/ matriz = ATP sintaseATP sintase
H+
H+
H+
H+H+
H+
H+
H+
H+
H+H+ H+ H+H+H+
H+H+
+ + + ++ + + + ++ + + + ++ + + + ++
– – – – – – – – – – – – – – – – – – – – – –ATP sintase
ADP + Pi ATP
H+
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)
citoplasma
matriz
Fo
F1
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
A A ATP sintase ATP sintase (Complexo V)(Complexo V)Mecanismo de síntese de ATP
1 volta Fo = 3 ATP
β
ββ
3H+citoplasma Fo (giro) 3H+
matriz
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
Rendimento da oxidação da glicoseRendimento da oxidação da glicose
3 H+ 1 ATP (ATP sintase)1 H+ transporte de Pi, ADP e ATP pela membrana mitocondiral
4 H+ = síntese 1 ATP
NADHmitocondrial 10 H+ 1 NADH = 10/4 ATP = 2,5 ATP (ou 3?)
FADH2 6 H+ 1 NADH FADH2 = 6/4 ATP = 1,5 ATP (ou 2?)
NADHcitossol (Lançadeira mal.-asp.) 9 H+ 1 NADH = 9/4 ATP ~ 2,3 ATP
NADHcitossol (Lançadeira glic.-fosf.) 6 H+ 1 NADH = 6/4 ATP = 1,5 ATP
Razão P/O:Razão P/O:
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)Rendimento da oxidação da glicose (estimativa tradicional)
Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 6 ou 4 ATP
Piruvato acetil-CoA 2NADH 6 ATP
Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 6 ATP
α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 6 ATP
Succinato fumarato 2FADH2 4 ATP
Malato oxalacetato 2NADH 6 ATP
Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 36 ou 38 ATP
1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP
Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP
Fosforilação oxidativaFosforilação oxidativa
Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)Rendimento da oxidação da glicose (atualmente)
Gliceraldeído-3-P 1,3-bifosfoglicerato 2NADH 4,6 ou 3 ATP
Piruvato acetil-CoA 2NADH 5 ATP
Isocitrato α-cetoglutarato 2NADH 5 ATP
α-Cetoglutarato succinil-CoA 2NADH 5 ATP
Succinato fumarato 2FADH2 3 ATP
Malato oxalacetato 2NADH 5 ATP
Glicose + 6O2 6CO2 + 6H2O 31,6 ou 30 ATP
1,3-Bifosfoglicerato 3-fosfoglicerato 2ATP 2 ATP
Succinil-CoA succinato 2GTP 2 ATP
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
Controle da produção de ATPControle da produção de ATP
• CTE esta acoplada à fosforilação oxidativa
- e– não fluem pela CTE sem concomitante ação ATP-sintase
• Reação da citocromo c oxidase (COX) é irreversível
- Ponto de controle da fosforilação oxidativa
- ↑[NADH]/[NAD+] ou ↓[ATP]/[ADP][Pi] = ↑COX
Mantida elevada pela combinação da glicólise e ciclo de Krebs
Inibidores (interferência sobre fluxo Inibidores (interferência sobre fluxo ee––))
Controle da produção de ATPControle da produção de ATP
Desacopladores (interferência sobre fluxo HDesacopladores (interferência sobre fluxo H++))
• Algumas drogas (inibidores dos complexos) podem bloquear a transferência e–
• Inibição síntese ATP potencialmente letais- Rotenona (inseticida) complexo I- CN–, CO, H2S, azida (Na) complexo IV
• Dissociam (desacoplam) transporte de e– da fosforilação oxidativa
• Transporte de e– sem síntese de ATP• Impede gradiente H+ energia dissipada na forma de calor
- 2,4-dinitrofenol (DNF) e carbonilcianeto-p-trifluorometoxifenil-hidrazona (FCCP)
- Proteina desacopladora ou termogenina (UCP) no tecido adiposo marrom
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
CTE em bactériasCTE em bactérias
• Princípios gerais equivalentes aos apresentados
• Fornecedores de elétrons (além das coenzimas reduzidas):
• Aceptor final de elétrons (respiração anaeróbica):
- NH4+
- NO2–
- H2S- H2
- S- Fe
- NO2–
- NO3–
- SO42–
- CO32–
- Fumarato e outras moléculas orgânicas
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
ConclusãoConclusão
Cadeia transportadora de elétrons• Regenera cofatores oxidados (NAD+ ou FAD) e os elétrons resultantes são transferidos a H2O via 3 ou 4 complexos;
• Concomitante formação de força próton-motriz (Δψ e ΔpH);• NADH = 10H+ e FADH2 = 6H+.
Fosforilação oxidativa• Força próton-motriz é utilizada para síntese de ATP;• 1NADH = 2,5ATP; 1FADH2 = 1,5ATP;
• velocidade é influenciada pela necessidade de ATP.
PRÓXIMA AULA:PRÓXIMA AULA: Glicogênese e glicogenólise
SumSumááriorio
• Introdução
• Entrada do NADH citossólico na mitocôndira
• Cadeia transportadora de elétrons (CTE)
• Fosforilação oxidativa
• Controle da produção de ATP
• CTE em bactérias
• Conclusão
• Exercícios
Exercícios Exercícios
1. Estudar membranas biológicas e transporte2. Espécies reativas de oxigênio (ROS)
a) Explicar como espécies reativas de oxigênio (ROS) podem ser formadas na CTE?
b) Qual a implicação dos ROS para a saúde humana?c) Quais são as estratégias celulares contra o dano
oxidativo causado por ROS?
3. Como os seguintes compostos interferem na CTE e fosforilação oxidativa?a) Cianetob) Monóxido de carbonoc) Proteína desacopladora (UCP) na gordura marrom
BibliografiaBibliografia
1. Berg, J.M.; Tymoczko, J.L.; Stryer, L. Bioquímica. 6a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2008.
2. Nelson, DL; Cox, MM. Lehninger - Princípios de bioquímica. Traduzido por Simões, A. A.; Lodi, W. R. N. 3ª ed. São Paulo: Sarvier, 2002.
3. Marzzoco, A; Torres, BB. Bioquímica básica. 2a. Ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 1999.
4. Salway, J.G. Metabolismo passo a passo. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2009.
5. Voet, D; Voet, JG. Bioquímica. 3a. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.