oxidações biológicas e introdução ao metabolismoe7%f5es_ppt/08%20oxida%e7%f5es... ·...

Professora Ana Chaves

Universidade Federal de PelotasInstituto de Química e Geociências

Departamento de Bioquímica

Oxidações Biológicas e

Introdução ao Metabolismo

Transporte: ATP fosforila proteínas transportadoras

Trabalho mecânico: ATP fosforila proteínas motoras

Trabalho químico: o ATP fosforila reagentes-chave

Proteína de membrana

Soluto Soluto transportado

Proteína motora Proteína movida

Reagentes Produto

Introduçãonucleotídeos

forma de armazenamento de ε química nas

células dos organismos vivos

- Professora Ana Chaves

Introduçãooxidações biológicas

Células Fotoautotróficas

Células Heterotróficas

O fluxo de energia na biosfera é acoplado primariamente aos ciclos de carbono e do

oxigênio

H2O

C6H12O6

Metabolismo


Introduçãooxidações biológicas

ATP +

H2O

O2 +

ADP+Pi

(H+ + e-)CO2

Coenzimas(oxid)

CHLipProt

Coenzimas (H+ + e-)(red)

conjunto de reações bioquímicas, em nível celular, com o propósito de suprir as células com a ε necessária à

realização do trabalho celular

Oxidações biológicas


Metabolismo e Energia – conceitos básicos

oxidações biológicas

MetabolismoMetabolismo

• obtenção de substâncias complexas• a partir de sustâncias simples• com consumo de energia• reações de síntese

• obtenção de substâncias complexas• a partir de sustâncias simples• com consumo de energia• reações de síntese

fotossíntesesíntese de proteínas replicação de DNA

fotossíntesesíntese de proteínas replicação de DNA

AnabolismoAnabolismo CatabolismoCatabolismo

•moléculas complexas são degradadas• originando moléculas mais simples • processos degradativos• geradores de energia

•moléculas complexas são degradadas• originando moléculas mais simples • processos degradativos• geradores de energia

Glicólise

β-oxidação de AGs

Glicólise

β-oxidação de AGs

mudança

todas as mudanças químicas que convertem nutrientes em energia e nos compostos químicos complexos das células



Mapa das principais rotas metabólicas em uma célula típica

Metabolismo

centenas de reações enzimáticas

rotas metabólicas

seqüencial

Produtos

intermediários

Substratos

Metabolismo e Energia –conceitos básicos

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves


Por exemplo, a glicólise, é a vai metabólica através

daqual ocorre liberação de energia

Os organismos apresentamuma grande similaridadeentre suas principais vias

metabólicas



-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves



Síntese e degradação

de CH

Síntese e degradação

de AAs

Vitaminas, coenzimas e hormônios

Síntese e degradação de Nucleotídeos

Síntese e degradação de lipídeos

Ciclo de Krebs

Glicólise


-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves



Os três estágios do metabolismo

Acetil-CoA é completamente oxidado para formar CO2 e H2O. Energia é capturada quando a síntese de ATP é acoplada à Cadeia de Transporte de Elétrons.

As moléculas nutrientes são hidrolisadas até suas unidades constituintes

As unidades constituintes são convertidas em formas facilmente oxidáveis (principalmente Acetil-CoA).


Met

abol

ism

o

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves



energia livre energia livre

ε livre de Gibbs (G)ε livre de Gibbs (G)

Variação de ε livre (ΔG)Variação de ε livre (ΔG)

Reações Reações

Endoergônicas (ΔG>0)Endoergônicas (ΔG>0)

Exoergônicas (ΔG<0) Exoergônicas (ΔG<0)

Marcha da reação

Ener

gia

livre

, G

Reação Endoergônica

Reação Exoergônica

Quantidade energia liberada

Reagentes

Ener

gia

livre

, G

Marcha da reação

Produtos

Quantidade energia

requerida

Reagentes

Produtos




energia livre energia livre

ε livre de Gibbs (G)ε livre de Gibbs (G)

Variação de ε livre (ΔG)Variação de ε livre (ΔG)

Reações Reações

Endoergônicas (ΔG>0)Endoergônicas (ΔG>0)

Exoergônicas (ΔG<0) Exoergônicas (ΔG<0)

Exem

plo

mec

ânic

o Ex

empl

o qu

ímic

o

Marcha da reação

Ener

gia

livre

, G

Endoergônica Exoergônica

ω realizado para elevar o objeto

Perda de energia

potencial




Substâncias ricas em ε


ΔG d

e h

idró

lise(

KJ.

mol

-1)

Fosfoenolpiruvato

Fosfocreatina

Creatina

Adenina

1,3-Bisfosfoglicerato

Compostos de alta energia

Compostos de baixa energia

Glicerol-Glicose 6 -




7,3

Kcal.mol-1



-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

CA

TAB

OLI

SMO

AN

AB

OLISM

O

CH, Lipídeos, Proteínas

CO2, H2O, NH3

Polissacarídeos, Lipídeos, Proteínas,

Ácidos Nucléicos

Oses, AAs, AGs, BN

O ATP é o elo químico entre o catabolismo e o anabolismo



Acoplamento metabólico e energéticoAcoplamento metabólico e energético

oxidativoexoergônico

redutivoendoergônico

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

VIAS CATABÓLICAS

VIAS ANABÓLICAS

formas úteis de energia


diversas moléculas “simples”para biossínteses

Moléculas complexas(por exemplo dos alimentos)

Macromoléculas celulares


-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Reações de óxido-redução

agente oxidante

agente redutor


Sofre oxidação Ganha O2

Perde e-

Perde H+

Sofre redução Perde O2

Ganha e-

Ganha H+

Oxidação e redução são reações concomitantes

Elemento doador

Elemento aceptor

Par redox

(átomos envolvidos na óxi-redução)



• concomitantes

• agente oxidante

• agente redutor

CH4

Reagentes Produtos

Energia2O2 CO2 2H2O

Oxigênio Água Dióxido de Carbono

Metano

Oxidação

Redução

Se oxida Se reduz

Ganha O2 Perde O2

Perde e- Ganha e-

Perde H Ganha H




• concomitantes

• agente oxidante

• agente redutor

Se oxida Se reduz

Ganha O2 Perde O2

Perde e- Ganha e-

Perde H Ganha H

forma oxidada da nicotinamida

forma reduzida da nicotinamida

Desidrogenase

Redução

Oxidação




• concomitantes

• agente oxidante

• agente redutor

Se oxida Se reduz

Ganha O2 Perde O2

Perde e- Ganha e-

Perde H Ganha H

Fermentação lática

2 Lactato

Glicose

2 Piruvato

Lactato desidrogenase

Glicólise


Fe2+

(ferroso)

reduzido

Fe3+

(férrico)

oxidado

Glicose + O2Ác. Glicônico (ox)

Glicose + H2Sorbitol (red)


Sentido das reações de óxido-reduçãooxidações biológicas

ATP +

H2O

O2 +

ADP+Pi

(H+ + e-)CO2

Coenzimas(oxid)

CHLipProt

Coenzimas (H+ + e-)(red)

Substratos orgânicos → oxidados em várias etapas

óxido-reduções celulares

por compostos que se reduzem ao receberem elétrons do composto oxidado


Sent

ido

das

reaç

ões

de ó

xido

-red

ução

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

e- → CR

O2

ordem dos aceptores

não é aleatória

definida pelo potencial

redox

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves


Força eletromotriz que expressa a afinidade de um par redox por e-

Potencial redox

Fluxo de e- : < Pot Redox → > Pot Redox

À medida que os elétrons fluem de um sistema e- → e+

Seqüência de intermediários entre o S e o O2 → CR

Varia entre os compostosPode ser determinada

perda de ε livre

os elétrons tendem a se mover no sentido da < ε livre

> potencial redox

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves


OXIDANTE REDUTOR E´0 (V) NAD+ NADH + H+ - 0,32

FMN FMNH2 - 0,30

FAD FADH2 - 0,22

UQ UQH2 + 0,04

Citocromo b (+3) Citocromo b (+2) + 0,07

Citocromo c1 (+3) Citocromo c1 (+2) + 0,23

Citocromo a (+3) Citocromo a (+2) + 0,29

Citocromo a3 (+3) Citocromo a3 (+2) + 0,55

½ O2 + 2 H+ H2O + 0,82

Potenciais Redox Padrão (E´0) de alguns pares conjugados da CTE

Por convenção, o elemento com tendência mais forte em receber elétron possui valor de Eo’ positivo

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Sent

ido

das

reaç

ões

de ó

xido

-red

ução

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

os elétrons tendem a se mover no sentido da

< ε livre > potencial redox

Seqüência de intermediários entre o S e o O2 → CR

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Cadeia Respiratória

via final comum

através da qual todos os elétrons

provenientes dos diferentescombustíveis celulares (S)

fluem para o O2 (oxidante e aceptor final de e-)

Cadeia Respiratória =

Cadeia de Transporte de Elétrons


Cadeia Respiratória – Localização sub-celularoxidações biológicas


Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)

enzimas e um composto lipídicocapacidade de aceitar e transferir elétrons

organizadas na MMI na forma de complexos

a) desidrogenases

b) ubiquinona (CoQ)

complexos enzimáticosNAD, FMN e FAD centros Fe – S

Quinona lipossolúvel

longa cauda isoprenóide

3 classes (a, b e c) *diferença: cadeia polipeptídica

espectro de absorção de luz

c) Citocromos proteínas transportadoras de elétrons

HEME (coenzima)



Cadeia Respiratória – Organização seqüencial na MMI

EspaçoIntermembranas

Membrana

Mitocondrial Interna

Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons

SuccinatoFumarato


Complexo I - NADH Desidrogenase FMN, Fe-SComplexo II - Succinato Desidrogenase FAD, Fe-S, Cit b

Cit b e c1 , Fe-S

Cit a e a3 , Fe-SComponentes

transportadores de e-

Complexo III - Citocromo bc1

Complexo IV - Citocromo a-a3 (citocromo oxidase)

Ubiquinona

Citocromo c

26

5

10

6-13N° aprox de cadeias polip.Móveis

Fixos

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Cadeia Respiratória – Organização seqüencial na MMI


NADH FMN:Fe-S CoQCit bC1 e Fe-S

Cit cCit a -a3

SUCCINATO FAD:Fe-S

COMPLEXO I

COMPLEXO II

COMPLEXO III COMPLEXO IV

1/2 O2

H2O

OS QUATRO COMPLEXOS DA CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS


Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)

enzimas e um composto lipídicocapacidade de aceitar e transferir elétrons

organizadas na MMI na forma de complexos

a) desidrogenases

b) ubiquinona (CoQ)

complexos enzimáticosNAD, FMN e FAD centros Fe – S

Quinona lipossolúvel

longa cauda isoprenóide

3 classes (a, b e c) *diferença: cadeia polipeptídica

espectro de absorção de luz

c) Citocromos proteínas transportadoras de elétrons

HEME (coenzima)



Cadeia Respiratória – Componentes (natureza)oxidações biológicas

Centros Fe – S



Ubiquinona (CoQ) Ubiquinona (oxidada) (Q)

Semiquinona (QH•)

Ubiquinol (reduzida) (QH2)



Heme

Ferro protoporfirina IXCit b

Heme CCit c

Heme ACit a- Professora Ana Chaves

Cadeia Respiratória – Substratos NAD e FAD dependentes


Substratos

NAD Dependentes FAD Dependentes

α-cetoglutarato Succinato

Piruvato Acil-CoA

Malato Glicerol – P

Isocitrato

Glutamato


Cadeia Respiratória – Reaçõesoxidações biológicas

CNCO

Fe+3 - s

Fe+2 - s

UQH2

UQ

Fe+3

Fe+2

Fe+2

Fe+3

Fe+3

Fe+2

Fe+2

Fe+3

Fe+3

Fe+2

FMN FMNH2

Espaçointermembrana

Membranainterna

NADHDESIDROGENASE

Matriz

NADH+ H+ NAD+ATP

2 H+ AmitalRotenona 2 H+

FADH2FAD

Succinato desidrogenase

succinatofumarato

ATP

Antimicina A

ATP

2 H+

2 H2O 4H+ + O2

Cit a3Cit aCit cCit c1Cit b

CADEIA RESPIRATÓRIA

-

H2S



energia é liberada aos poucos

do contrário

oxidação dos S

liberaria energia térmica de forma não controlada

H2 1/2 O2

Liberaçao nãocontrolada de

energiatérmica

(a) Reação não controlada

2 H 1/2 O2

Liberaçãocontrolada de energia para

síntese de

ATP

H2O(b) Respiração celular

Dos nutrientesvia NADH

2 H+ 2e-

2 e-

2 H+

CTE

H2O

1/2 O2

Cadeia Respiratória – Considerações sobre a CR

Cadeia Respiratória – Considerações sobre a CRoxidações biológicas

Os elétrons que entram são ricos em energia

Por se tratar de oxi-reduções

à medida que vão sendo transferidos, perdem G (ε livre)

parte dessa ε (G)

perdida em forma de calor

elétrons fluem no sentido do > Potencial Redox

utilizada para síntese de ATP

processo acoplado

fosforilação oxidativa (MMI)



Posições aproximadas dos componentes da CR na escala de potencial redox.

A liberação de energia dirige a translocação de H+ em tres sitios na CR(Complexos I, III e IV)

pote

nci

al r

edox

(vo

lts)

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves


Substatos NAD dependentes

3 locais 2 locais

Substratos FAD dependentes

EspaçoIntermembranas

Membrana

Mitocondrial Interna

Matriz Mitocondrial Cadeia de Transporte de Elétrons

SuccinatoFumarato

onde a ε liberada é suficiente para a produção de ATP

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Fosf

orila

ção

Oxi

dativ

a

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Síntese de ATPoxidações biológicas

síntese de ATP dirigida pela ε solar (cloroplasto)

Fosforilação Fotossintética



síntese de ATP obtida diretamente em reações que utilizam como S

compostos ricos em εFosforilação em nível de Substrato

1-3 bifosfogliceratofosfoenolpiruvato

Succinil- CoA

Fosfoenolpiruvato Piruvato

Piruvato quinase

ADP

ATP

glicólise e CK

ocorre fora da CR, independe de O2 e produz pequena quantidade de ε



síntese de ATP dirigida pela εliberada pelo transporte de elétrons

para o O2 na CRFosforilação

oxidativa

MMIcomplexo V

(ATP sintase)

1) a transferência de elétrons ao longo da CR é acompanhada por um bombeamento de H+ através da MMI em direção ao EI;

2) isto resulta numa diferença de [H+], ou seja, gradiente de pH (químico) e de cargas (elétrico), uma vez que a matriz se torna alcalina e o EI, ácido;

3) a MMI é impermeável aos H+, que devem passar de volta para a matriz pela ATP sintase;

4) a ε eletroquímica resultante dessa diferença pH e de carga é a força próton-motoraque dirige a síntese de ATP;

5) a FPM impulsiona os H+ de volta à matriz, a favor do gradiente, suprindo a εnecessária para a síntese de ATP a partir de ADP + Pi, catalisada pela ATP sintase.

Teoria Quimiosmótica (Mitchel, 1960)

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

exterior da mitocôndria

Fosforilação oxidativa acoplada à CTE oxidações biológicas

Membrana MitocondrialExterna

Espaço intermembrana

ATP ↑[H+]

↓ [H+]

Matriz Mitocondrial

Membrana MitocondrialInterna

Transporte de elétrons Síntese de ATP

Os elétrons (carregados via NADH e FADH2) oriundos de vias metabólicas

(glicólise, CK, β-oxidação) “alimentam” os transportadores da MMI, os quais bombeiam prótons H+ para o EI

O bombeamento de H+ causa uma ≠çade carga e de pH entre o EI e a MM.

Este gradiente eletroquímico é a força próton-motriz para a síntese de ATP

A força próton-motriz impulsiona os H+ de volta à MM, suprindo a E para a síntese de ATP,

catalisada pelo complexo ATP sintase na MMI

sintase


ATP sintaseoxidações biológicas

A seqüência da reação, coordenada pela presença do íon magnésio, é a

seguinte:

ADP + Pi → ATP

ATP sintase é o nome

genérico dado a proteínas

que sintetizam ATP a partir

de ADP e de fosfato

inorgânico, utilizando para

isso alguma forma de

energia


ATP sintaseoxidações biológicas

“Todas as enzimas são belas, mas a ATP sintase é

uma das mais belas, assim como uma das mais

incomuns e importantes”

– Paul Boyer

Esta frase de Boyer, a qual expressa sua

admiração pela ATP sintase, se baseia nos fatos de

que quase todas atividades celulares (como o

metabolismo) que envolvem gasto de energia

requerem ATP; a síntese de ATP é a reação química

mais ocorrente no mundo biológico; ATP sintase é a

mais abundante proteína na terra, tendo preservado

mais de 60% de sua configuração da unidade ao

longo da evolução.

Fonte: www.wikipedia.org- Professora Ana Chaves

Inibidores e desacopladores da CR

atuam em locais específicos e impedem o fluxo de elétrons

efeitos


substâncias lipofílicas, que atravessam a MMI carregando os H+ para a MM, desfazendo o gradiente eletroquímicoem sua presença, permanece o transporte de elétrons, mas não a fosforilação oxidativa

Inibidores

Desacopladores

• não há síntese de ATP• não há consumo de O2• não há produção de H2O

• não há síntese de ATP• ↑ o consumo de O2• ε livre é perdida em forma de calor

dinitrofenol

efeito

rotenona, cianeto, malonato, oligomicina, antimicina Aexemplos

exemplo

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Inibidores da CRoxidações biológicas

rotenona

Cianeto ou CO

antimicina A


Cicl

o de

Kre

bs–

Cicl

o do

Áci

do C

ítric

o

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Ciclo de Krebs


é o centro do metabolismo energético na maioria das

células aeróbicas

série de reações enzimáticas

oxidação de acetil-CoAcom a liberação de CO2

Funções

conservar ε na forma de coenzimas reduzidas (NADH E FADH2), visando a produção de ε para a célula (principal)

matriz mitocondrial

catabólica

anabólicaintermediários usados em reações de síntese

NAD, FAD, CoAPrincipais coenzimas envolvidas

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Ciclo de Krebs


é o centro do metabolismo energético na maioria das

células aeróbicas

série de reações enzimáticas

oxidação de acetil- CoAcom a liberação de CO2

Funções

conservar ε na forma de coenzimas reduzidas (NADH E FADH2), visando a produção de ε para a célula (principal)

catabólica

anabólicaintermediários usados em reações de síntese

NAD, FAD, CoAPrincipais coenzimas envolvidas

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Ciclo de Krebs


Células aeróbicas utilizam

uma roda gigante

metabólica:

o Ciclo do Ácido Cítrico ou

Ciclo de Krebs

para gerar energia

pela oxidação de acetil-CoA

Fonte: Ferns Whee, DelMar Fair Ó Corbis/Richard Cummins

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Ciclo de Krebs - Localização sub-celular


Matriz mitocondrial


Cicl

o de

Kre

bs-

Rea

ções ox

idaç

ões

biol

ógic

as-

Prof

esso

ra A

na C

have

s

Cicl

o de

Kre

bs-

Rea

ções ox

idaç

ões

biol

ógic

as

Acetil-CoA

CitratoIsocitrato

Condensação

Oxaloacetato

Descarboxilaçãooxidativa

Descarboxilaçãooxidativa

α-Cetoglutarato

Succinil-CoA

Fosforilação em nível de substrato

SuccinatoOxidação

Fumarato

Oxidação

Malato

E: Succinatodesidrogenase

E: Malatodesidrogenase

E: Succinil-CoA sintetase

E: Complexo

α-cetoglutaratodesidrogenase

E: Isocitratodesidrogenase

Ciclo de Krebs

Síntese de IC

E: fumarase

Hidratação

E: aconitase

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Cicl

o de

Kre

bs-

Conc

lusõ

es

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

produção de ATP

Liberação de CO2


Cicl

o de

Kre

bs-

Anim

açõe

s

oxid

açõe

s bi

ológ

icas

Animação sobre Cadeia Respiratória e CKAnimação sobre Cadeia Respiratória e CK

-Pr

ofes

sora

Ana

Cha

ves

Cicl

o de

Kre

bs–

Funç

ão a

nabó

lica

oxid

açõe

s bi

ológ

icas


Ciclo de Krebs – Reações anapleróticas



oxidações biológicas e introdução ao metabolismoe7%f5es_ppt/08%20oxida%e7%f5es... ·...

Documents