Bioenergética e Oxidações Biológicas

Células e organismos necessitam realizar trabalho para: a manutenção da vida,

crescimento e para sua reprodução.

Trabalho químico:síntese dos componente celulares

Trabalho osmótico: acúmulo e retenção de sais e outros compostos contra gradiente de concentração

Trabalho mecânico:contração muscular e movimentação de flagelos

Bioenergética descreve como osorganismos vivos capturam,

transformam e usam energia.

ATP

FAD

CatabolismosProdução de energia

CarboidratosLipídeoProteína

AnabolismosSíntese de Macromoléculas

Contração muscularTransporte ativo de íons

Termogênese

ATPNADHNADPH

ADP + PiNAD+

NADP+

Metabólicos complexos

Produtos simples

NAD

Estratégias Tróficas

Esferas representam localização da porção F1 da ATP sintase na membrana mitocondrial interna.

Diagrama dos várioscompartimentossubmitocondriais.

DEFINIÇÃO DE ΔG (Energia livre de Gibbs)

Leis da Termodinâmicas

1º Lei da conservação de energia: a energia não pode ser criada nem destruída, embora a energia pode ser convertida de uma forma para outra, a energia total de um sistema deve-se manter constante.

2º Lei da conservação de energia: Em todos os processos naturais a entropia do universo aumenta.

ΔG = ΔH - TΔS

S = Entropia:expressão

quantitativa para desordem

e caos: Se os produtos

são menos complexos e mais desordenados:

ganho de entropia∆∆∆∆S = (+)

G = Energia livre: Energia capaz de realizar trabalho

durante uma reação a T e P

constante:Se a reação libera

energia livre ∆∆∆∆G = (-)

exergônicoSe ganha energia

livre∆∆∆∆G = (+)

endergônico

H = Entalpia:conteúdo de calor de um sistema de reação; reflete o número e o tipo de

ligações nos reagentes e produtos

H reg > H prod:∆∆∆∆H = (-) exotémico

H reg <<<<H prod:∆∆∆∆H = (+)

endotérmico

Respiração AeróbiaEtapas

� Glicólise� Ciclo de Krebs� Cadeia Respiratória

Glicose (6 C)

Piruvato (3 C)

ADP + Pi

ATP

NAD+

NADH

As reações não estão expressadas

estequiométricamente

Glicólise Anaeróbica

Oxidação Aeróbica

Lactato ou CO2 + Etanol

NADH

NAD+

Ciclo de Krebs

Fosforilação Oxidativa

NADH ou FADH2

NAD+ ou FAD+

O2

CO2 + H2O

GDP + Pi

GTP

Glicólise

� Ocorre no citoplasma e consiste na quebra parcial da molécula de glicose, carregando energeticamente duas moléculas de ATP, liberando duas moléculas de ácido pirúvico que serãoutilizadas na próxima etapa.

� A glicólise da respiração é idênticaà da fermentação.

Piruvato

Reação preparatória do Ciclo de Krebs: formação de Acetil-CoA

Piruvato desidrogenase

(PDH)(um complexo

multienzimático de

Coenzima A (CoA-SH)

Acetil-CoA

multienzimático de três enzimas)

+ CO2

NAD+

NADH

Reação de descarboxilação

oxidativa

Cofatores: - TPP (tiamina

pirofosfato, derivado da vit. B1)-FAD

- Lipoato

Ciclo de Krebs

Complexo piruvato-desidrogenase:

Piruvato + CoA-SH + NAD+ Acetil-CoA + NADH + CO2

Ciclo do ácido cítrico:

Acetil-CoA+3 NAD++FAD+GDP+Pi+2 H2O 2CO2 + CoA-SH+3 NADH+FADH2

Eventual produção de ATP a partir de piruvato(via fosforilação oxidativa):

4 NADH = 10 ATP (2,5 ATP por cada NADH)

Balanço do Ciclo de Krebs

4 NADH = 10 ATP (2,5 ATP por cada NADH)

1 FADH2 = 1,5 ATP (1,5 ATP por FADH2)

1 GTP = 1 ATP

TOTAL: 12,5 ATPs por piruvato ou 25 ATPs pormolécula de glicose

E tem mais!!!:- 2 ATP produzidos na glicólise- 2 NADH produzidos na glicólise (= 5 ATPs)

Somando a glicólise: 32 ATPs por molécula deglicose oxidada!!!

RESUMO: Estágios do Ciclo de Krebs

Tipo de reação Enzima

Estágio I

1. Condensação: 2C + 4C = 6C citrato sintase

Estágio II

2. Isomerização aconitase

3. Descarb. Oxidativa: 6C�5C isocitrato descarboxilase

4. Descarb. Oxidativa: 5C�4C α-cetoglutaratodesidrogenase

5. Fosforilação a nível de substrato succinil CoAsintetase

Estágio IIIEstágio III

6. Oxidação succinato desidrogenase

7. Hidratação fumarase

8. Oxidação malato desidrogenase

Produção (por molécula de piruvato descarboxilada

3 NADH 1 FADH2

1 GTP

Oxalo-acetato Citrato

Malato Isocitrato

(-) ATP(-) NADH(-) Succinil CoA

Importante:Um alto valor da relação [ATP]/[ADP] ou da relação[NADH]/ [NAD+] INIBE o ciclode Krebs

Regulação do Ciclo de Krebs

Fumarato

Malato Isocitrato

α-ceto-glutaratoSuccinato

Succinil-CoA

(-) ATP(-) NADH(+) ADP(+) Ca2+

(-) ATP(-) NADH (-) Succinil CoA(+) Ca2+

Oxalo-acetato Citrato

PIRUVATO

Acetil CoA

PDHAminoácidos

Ciclo de Krebs como via anfibólica

α-ceto-glutarato

Succinil-CoA

AminoácidosPorfirinas

Cadeia transportadora de elétrons

Succinato desidrogenase

Complexo I NADH:Ubiquinona oxido-redutase

Complexo II Succinato desidrogenase

Complexo III Ubiquinona:Citocromo c oxido-redutase

Complexo IV Citocromo oxidase

NADH-Q óxido redutase

Ubiquinona Citocromo c-óxido redutase

Citocromo oxidase

Transporte de elétrons

Elétrons são transferidos de NADH para ubiquinona (UQ) na membrana,do complexo I via FMN e vários centros FeS para N2. Transferência deelétrons de N2 para UQ no domínio da membrana forma UQH2, que difundepara a bicamada.

Complexo I - NADH:Ubiquinona oxido-redutase

Complexo II - Succinato desidrogenase

42 subunidades

Redução da ubiquinona (UQ) namembrana mitocondrial interna pelasflavoproteínas NADH, succinato,glicerol 3-fosfato e acil graxo-CoAdesidrogenases.

Complexo II - Succinato desidrogenase

Complexo III - Ubiquinona: citocromo c oxidoredutase

Dímero de monômeros iguais. Cada monômero tem 11 subunidades

(somente monômero mostrado)

Movimento proposto da proteína ferro-enxofre durante o transportede elétrons pelo complexo citocromo bc1. Na posição “b”, o grupoferro-enxofre (2Fe2S) do grupo de cabeça da proteína ferro-enxofre(ISP) fica ancorado sobre o citocromo b, próximo ao sítio QO. Naposição “c1”, o grupo de cabeça da ISP fica ancorado próximo ao hemedo citocromo c1

Esquema geral de “fosforilação oxidativa”(Fosforilação de ADP, oxidação de NADH e FADH2 )

Complexo IV – Citocromo c oxidase

Citocromo c liga-se à superfície dasubunidade II e transfereelétrons para CuA. Elétrons sãotransferidos de CuA para heme ae, depois, para o centro binuclear(heme a3 e CuB), onde oxigênio éreduzido à água. Quatro prótonssão transferidos para o centrobinuclear para redução deoxigênio, e quatro prótons sãobombeados através da membranapor um canal diferente.

Heme a3

Heme a

(Fosforilação de ADP, oxidação de NADH e FADH2 )

EspaçoIntermembranar

PotencialquímicoΔpH

(internamentealcalino)

ATPsintetaseé dirigidapela força

protonmotora

Potencialelétrico

ΔΨ(interno

Negativo)

Matriz

Visão geral da cadeia mitocondrial de transporte de elétronsindicando vias de transferência de elétrons e sítios de ligação deinibidores específicos. Ascorbato pode ser usado para reduzircitocromo c em presença de tetrametileno fenileno diamina.

Cadeia Transportadora de Elétrons incluindo Inibidores

O gradiente eletroquímico consiste de um gradiente de cargas (Δψ) e de concentração de prótons (ΔpH) através da membrana mitocondrial interna.

Força Protonmotiva e Quimiosmose

F F -ATP Sintase Mitocondrial ou Complexo V

Durante a transferência de 2 elétrons do NADH

para O2, aproximadamente10 prótons são bombeados.

Síntese de ATP ocorrenas subunidades β de F1,enquanto F0 contém um canalde prótons. Prótons fluempelas subunidades a e c deF0, fazendo o rotor girar;isso resulta em mudançasconformacionais dassubunidades β, onde ATP ésintetizado.

F1F0-ATP Sintase Mitocondrial ou Complexo V

O modelo de mudança de ligação para síntese deATP pela ATP sintase.

Cada subunidade β de F1 tem um sítio de ligação não-idêntico para ligaçãode nucleotídeo de adenina. A qualquer tempo, uma destas subunidades βestá na conformação T (tight), que liga ATP fortemente, uma segunda estána conformação L (loose), que liga ADP e Pi fracamente, e uma terceiraestá na conformação O (open), que não liga nucleotídeos. O gradiente deprótons causa rotação da subunidade, produzindo uma mudança deconformação cooperativa, convertendo o sítio T em sítio O e liberandoATP, o sítio L em sítio T promovendo síntese de ATP, e o sítio O em sítioL, ligando ADP e Pi.

Na sintase, cada 3 H+ produz 1 ATP Mas precisa 1 H+ para transportar Pi , Logo , 4 H+/ATP

Então: NADH desloca 10 H+ e produz 2,5 ATP

FADH2 desloca 6 H+ e produz 1,5 ATP

Lançadeira Malato-aspartato e Glicerol-fosfato

R

E

G

U

L

A

Glicólise

Ç

Ã

OCiclo de

Krebs

Fosforilação oxidativa