capítulo 19

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Captulo 19 Fosforilao Oxidativa e Fotofosforilao A fosforilao oxidativa o estgio final do metabolismo produtor de energia nos organismos aerbicos. Todas as etapas oxidativas na degradao dos carboidratos, gorduras e aminocidos convergem para esse estgio final da respirao celular onde, a energia proveniente da oxidao responsvel pela sntese de ATP. A fotofosforilao o meio pelo qual os organismos fotossintticos capturam a energia da luz solar a fonte fundamental de energia na biosfera e a usam para produzir ATP. A fosforilao oxidativa e a fotofosforilao em conjunto, so responsveis pela maioria do ATP sintetizado por vrios organismos aerbicos na maior parte do tempo. Nos eucariotos, a fosforilao oxidativa ocorre nas mitocndrias e a fotofosforilao, nos cloroplastos. A fosforilao oxidativa envolve a reduo do O2 a H2O com eltrons doados pelo NADH e FADH2, e ocorre igualmente na presena de luz ou na escurido. A fotofosforilao envolve a oxidao da H2O a O2, onde o NADP+ o aceptor de eltrons e absolutamente dependente da energia luminosa. Apesar das diferenas, estes dois processos conversores de energia, altamente eficientes, apresentam mecanismos fundamentalmente semelhantes. Nosso entendimento atual da sntese do ATP na mitocndria e cloroplastos est baseado na hiptese, introduzida por Peter Mitchell em 1961, de que as diferenas na concentrao transmembrana de prtons so os reservatrios para a energia extrada das reaes de oxidao biolgicas. Esta teoria quimiosmtica tem sido aceita como um dos grandes princpios unificadores da biologia no sculo XX. Ela permite a compreenso dos processos de fosforilao oxidativa e fotofosforilao e para transdues de energia aparentemente distintas tais como o transporte ativo atravs de membranas e o movimento dos flagelos das bactrias. A fosforilao oxidativa e a fotofosforilao so mecanisticamente similares em trs aspectos: (1) Ambos os processos envolvem o fluxo de eltrons atravs de uma cadeia de transportadores ligados membrana. (2) A energia livre disponvel atravs deste fluxo de eltrons montanha abaixo (exergnico), est acoplada ao transporte de prtons montanha acima, atravs de uma membrana impermevel ao prton, conservando a energia livre da oxidao dos combustveis como um potencial eletroqumico transmembrana (pg. xxx). (3) O fluxo transmembrana de prtons no sentido do seu gradiente de concentrao atravs de canais proticos especficos, fornece a energia livre para a sntese do ATP, que catalisada por um complexo proteico ligado membrana (ATP sintase) e que acopla o fluxo de prtons fosforilao do ATP.

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Este captulo comea com a fosforilao oxidativa. Inicialmente sero descritos os componentes da cadeia de transporte de eltrons, a sua organizao em grandes complexos funcionais na membrana interna da mitocndria, a seqncia do fluxo de eltrons atravs deles e os movimentos de prtons que acompanham este fluxo. O prximo tpico o notvel complexo enzimtico que, atravs da catlise rotacional captura a energia do fluxo de prtons na forma de ATP. Ento, sero considerados os mecanismos regulatrios que coordenam a fosforilao oxidativa atravs das vrias vias catablicas que oxidam combustveis. Com este entendimento da fosforilao oxidativa mitocondrial, ser abordada ento a fotofosforilao, comeando com a absoro da luz por pigmentos fotossintticos, seguido pelo fluxo de eltrons, direcionado pela luz, da H2O para o NADP+ e a base molecular para o acoplamento do fluxo de eltrons e prtons. Finalmente, sero abordadas as similaridades de estrutura e mecanismo entre as ATP sintases dos cloroplastos e mitocndrias bem como as bases evolutivas para essa conservao do mecanismo.

Albert L. Lehninger 1917 1986

Fosforilao Oxidativa Reao de Transferncia de Eltrons na Mitocndria A descoberta em 1948, por Eugene Kennedy e Albert Lehninger, de que as mitocndrias so os stios da fosforilao oxidativa nos eucariotos, marcou o incio da fase moderna dos estudos das transdues de energia biolgica. As mitocndrias, tais como as bactrias gramnegativas, possuem duas membranas (Fig. 19-1). A membrana mitocondrial externa facilmente permevel a pequenas molculas (Mr , 5000) e ons que se movem livremente atravs de canais transmembrana formados por uma famlia de proteinas integrais de membrana chamadas porinas. A membrana interna impermevel maioria das molculas pequenas e ons, incluindo prtons (H+). As nicas espcies que atravessam a membrana interna so aquelas para as quais existem transportadores especficos. A membrana interna contm os componentes da cadeia respiratria e a ATP sintase. A matriz mitocondrial cercada pela membrana interna, contm o complexo da piruvato desidrogenase e as enzimas do ciclo do cido ctrico, a via da -oxidao dos cidos graxos e as vias de oxidao dos aminocidos. Em resumo, ela contm todas as vias da oxidao dos combustveis, exceto a gliclise que ocorre no citosol. A membrana interna, seletivamente permevel, segrega os intermedirios e as enzimas das vias metablicas

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citoslicas atravs de processos metablicos que ocorrem na matriz. Entretanto, transportadores especficos carregam piruvato, cidos graxos e aminocidos ou seus derivados -ceto para o interior da matriz garantindo o acesso maquinaria do ciclo do cido ctrico. Semelhantemente, o ADP e o Pi so transportados especificamente para o interior da matriz medida que o ATP recm-sintetizado transportado para fora.

figura 19-1 Anatomia bioqumica de uma mitocndria. As circunvolues (cristas) da membrana interna proporcionam uma superfcie muito grande. A membrana interna de uma nica mitocndria do fgado pode ter mais de 10.000 conjuntos de sistemas de transferncia de eltrons (cadeias respiratrias) e molculas de ATP sintase, distribudas sobre toda a superfcie da membrana. Mitocndrias do corao, que apresentam cristas muito abundantes e portanto uma rea de membrana interna muito maior, contm cerca de trs vezes mais conjuntos de sistemas de transferncia de eltrons que as mitocndrias do fgado. O reservatrio mitocondrial das coenzimas e intermedirios est funcionalmente separado do reservatrio citoplasmtico. As mitocndrias dos invertebrados, plantas e microrganismos eucariotos so semelhantes s mostradas aqui, embora haja muita variao no tamanho, na forma e no grau de enrolamento da membrana interna. Veja o Captulo 2 para outros detalhes da estrutura mitocondrial.

Os eltrons so canalizados para transportadores universais de eltrons A fosforilao oxidativa comea com a entrada de eltrons na cadeia respiratria. Muitos desses eltrons so provenientes da ao de desidrogenases que coletam eltrons das vias catablicas e os canalizam para aceptores universais de eltrons nucleotdeos de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou nucleotdeos de flavina ((FMN ou FAD). Desidrogenases associadas a nucleotdeo de nicotinamida catalisam reaes reversveis dos seguintes tipos gerais: Substrato reduzido + NAD+ substrato oxidado + NADH + H+ Substrato reduzido + NADP+ substrato oxidado + NADPH + H+ A maioria das desidrogenases que atuam no catabolismo so especficas para o NAD+ como receptor de eltrons (Tabela 19-1). Algumas esto no citosol, outras nas mitocndrias e outras ainda apresentam isoenzimas citoslica e mitocondrial.

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As desidrogenases ligadas ao NAD removem dois tomos de hidrognio dos seus substratos. Um deles transferido como um on hidreto (:H-) ao NAD+ e o outro liberado como H+ no meio (veja Fig. 14-15). O NAD+ tambm pode coletar equivalentes redutores de substratos trabalhados pelas desidrogenases ligadas ao NADP. Isto possvel devido piridina nucleotdeo transidrogenase, que catalisa a reao: NADPH + NAD+ NADP+ + NADH O NADH e o NADPH so transportadores de eltrons hidrossolveis que se associam reversivelmente com as desidrogenases. O NADH carrega os eltrons derivados das reaes catablicas at o seu ponto de entrada na cadeia respiratria, o complexo da NADH desidrogenase, descrito a seguir. O NADPH geralmente fornece eltrons para as reaes anablicas. Nem o NADH nem o NADPH podem atravessar a membrana interna da mitocndria, mas os eltrons que elas carregam podem ser lanados atravs dela, como ser visto adiante.

tabela 19-1 Algumas reaes importantes catalisadas por desidrogenases ligadas ao NAD(P)H Reao* Ligadas ao NAD -Cetoglutarato + CoA + NAD+ succinil-CoA + CO2 + NADH + H+ L-Malato + NAD+ oxaloacetato + NADH + H+ Piruvato + CoA + NAD+ acetil-CoA + CO2 + NADH + H+ Gliceraldeido-3-fosfato + Pi + NAD+ 1,3-difosfoglicerato + NADH + H+ Lactato + NAD+ piruvato + NADH + H+ -hydroxiacil-CoA + NAD+ -cetoacil-CoA + CO2 + NADH + H+ Ligadas ao NADP Glicose-6-fosfato + NADP+ 6-fosfogluconato + NADPH + H+ Ligadas ao NAD ou NADP L-glutamato + H2O + NAD(P)+ -cetoglutarato + NH4+ + NAD(P)H Isocitrato + NAD(P)+ -cetoglutarato + CO2 + NAD(P)H + H+ * Estas reaes e suas enzimas foram discutidas nos Captulos 15 a 18. mitocndria; C, citosol. M MeC M designa C M MeC M C C M Localizao

As flavoprotenas apresentam um nucleotdeo flavina, o FMN ou o FAD, fortemente ligado, s vezes at covalentemente (veja Fig. 14-16). O nucleotdeo de flavina oxidado pode

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aceitar um eltron (dando origem a uma forma semiquinona) ou dois (originando FADH2 ou FMNH2). A transferncia de eltrons ocorre porque a flavoprotena tem um potencial de reduo maior que o do composto oxidado. O potencial de reduo padro de um nucleotdeo de flavina, diferente daquele do NAD ou NADP, depende da protena qual ele est associado. Interaes locais com grupos funcionais na protena distorcem os orbitais dos eltrons no anel da flavina, alterando as estabilidades relativas das formas oxidadas e reduzidas. Assim, o potencial de reduo padro relevante o da flavoprotena especfica e no o do FAD ou FMN isolado. O nucleotdeo de flavina deveria ser considerado parte do stio ativo das flavoprotenas e no um reagente ou produto na reao de transferncia de eltrons. Como as flavoprotenas podem participar tanto na transferncia de um como de dois eltrons, elas