Fosforilação oxidativa mitocondrial

MacromoléculascelularesProteínas

PolissacarídeosLipídeos

Ácidos nucléicos

MoléculasprecursorasAminoácidos

AçúcaresÁcidos graxos

Bases nitrogenadas

Anabolismo

Nutrientes contendo energia

AçúcaresLipídeosProteínas

Produtosfinais pobresem energia

CO2 , H2O, NH3

Catabolismo

ADP + HPO42-

NAD+

NADP+

FAD

ATPNADH

NADPHFADH2

Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo

Energia livre associada à hidrólise do ATP

M10ATP][

]Pi][ADP[K' 5

ATP ADP + Pi

pH 7; [Mg2+]=10-2 e [Pi]= 10-2M

Variação da energia livre de Gibbs para a hidrólise do ATP

G’(kJ mol-1) [ATP/ADP]

0 10-7 (equilíbrio)

-11,4 10-5

-22,8 10-3

-28, 10-2

-34,2 10-1

-45,6 10 (citosol em condição celulares)

-57,0 103

Glicose 2lactato + H+ G’= -196 kJ mol-1 de glicose

Mecanismo

de fosforilação

do ADP na

fermentação láctica:

acoplamento

de reações

CO2+4H2CH4 +2H2O

H2S + luz + bacterioclorofila S + 2H++ 2 e-

2H2O + luz + clorofila O2 + 2H++ 2 e- + 4e-

EVOLUÇÃO DA VIDA NA TERRA

EXERCÍCIO

1

NÚMERO DE OXIDAÇÀO DO CARBONO EM VÁRIOSGRUPOS FUNCIONAIS

Substância Energia produzida

kJ mol-1 kJ g-1 kcal g-1 kcal g-1 peso fresco

Glicose 2.817 15,6 3,7 -

Lactato 1.364 14,2 3,6 -

Ácido palmítico

10.040 39,2 9,4 -

Glicina 979 13,1 3,1 -

Carboidratos - 16 3,8 1,5

Gorduras - 37 8,8 8,8

Proteínas - 17 4,1 1,5

Energia produzida a partir da oxidação completa de vários

compostos orgânicos a dióxidode carbono e água

Variação de entalpiamedida em um calorímetro

(calor liberado)

Estágio 1

Produção de

Acetil-CoA

Estágio 2

Oxidação de

Acetil-CoA

Estágio 3

Transporte de elétrons efosforilação

oxidativa

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

REAÇÕES BIOLÓGICAS DE ÓXIDO REDUÇÃO

Glicose + 6O2 6CO2 + 6 H2O G = -2840 kJ mol-1

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

1. Elétrons transferidos diretamente como

elétrons

AH2 + B A + BH2

2. Elétrons transferidos como átomos de

hidrogênio (H)ou hidreto (H-)

R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH

3. Elétrons transferidos através de combinação

direta com oxigênio molecular

Equivalentes de redução: elétron

independente da forma de transferência

Glicose 2lactato + H+

G’= -196 kJ mol-1 de glicose

noxredred

nox BABA

Dois pares redox

rednox AA

ne

nenoxred BB

2H2/1H e

O potencial redox padrão do par H+/1/2H2 em condições padrões é tomado como zero (V)

e simbolizado por E’

A tendência da direção da reação depende da afinidade relativa de cada par redox por elétrons

Esta afinidade pode ser medida experimentalmente em Voltstendo como referência a afinidade do par H+/1/2H2

POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO É UMA MEDIDADA AFINIDADE POR ELÉTRONS

ox + ne- red ][

][log

3,20

red

ox

nF

RTEE

MEDIDA DO POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO

POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO

Reação de óxido redução envolve 2 pares redox

noxredred

nox BABA )()( BhAhh EEE

hEnFG ''

O potencial de óxido redução padrão (E’) pode ser usado para calcular a variação de energia livre padrão da reação (G’)

Acetaldeído + NADH + H+ Etanol + NAD+

Acetaldeído + 2H+ + 2e- Etanol E’h’=-0,197V

NAD+ + 2H+ + 2e- NADH + H+ E’h =-0,320 V

G’°=-2 x 96,9kJ/V mol x 0,123 V= -23,7 kJ mol-1

)()( BhAhh EEE

A variação de energia livre de uma reação de óxido-redução (G) depende da concentração

dos pares redox

V183,0)350,0(V167,0 E

][

][ln0

red

ox

nF

RTEE

V167,0]1,0[

]0,1[ln

2

V026,0197,0 acetE

V350,0]0,1[

]1,0[ln

2

V026,0V320,0 NADHE

EnFG kJ/mol3,35G

noxredred

nox BABA

Se acetaldeído e NADH estiverem presentes a uma Concentração de 1,0 M e etanol e NAD+ a 0,1 M

EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE G DE REAÇÕES DE

ÓXIDO REDUÇÃOConsiderando a seguintes reação:

Piruvato + NADH + H+ Lactato + NAD+

E tendo os seguintes valores de E’ :

1. NAD+/NADH = -0,32 V2. Piruvato/lactato = -0,19 V

Responda:a) Qual par conjugado tem maior tendência em doar

elétrons?b) Qual é o agente oxidante mais forte?c) Quando todos os reagentes estiverem na

concentração de 1M a pH 7,0, em qual direção a reação deve ocorrer?

d) Qual é o G’° da reação para a conversão de piruvato a lactato?

e) A reação contrária poderá ocorrer na célula?

Citosol

Mitocôndria

Ciclo doÁcidocítrico

Acetil-CoA

CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

ESTRUTURA DA FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (FAD)

FAD forma oxidada FAD forma reduzida

ESTRUTURA DA NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (NAD+ / NADH)

Estágio 1

Produção de

Acetil-CoA

Estágio 2

Oxidação de

Acetil-CoA

Estágio 3

Transporte de elétrons efosforilação

oxidativa

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

+ + + + + + +

+

+ + + ++ +

+ +

_ _ _ _

_

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencialquímico

pH( alcalino interior)

Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-

motriz

Potencialelétrico

( negativo interior)

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

NADH QSuc Q Q Cit cCit c O2ATP ADP+Pi

I II III IV V

Separação

dos

complexos

funcionais

da cadeia

respiratória

Transpor-

tadores de

elétrons

funcionam

em complexos

multi-

enzimáticos

Complexo IV

Citocromo aa3

2 cit-aIons Cu

Complexo IV

Citocromo aa3

2 cit-aIons Cu

UQ/UQH2

Complexo INADH

desidrogenase

FMNFe-S

Complexo INADH

desidrogenase

FMNFe-S

Complexo II

Succinato desidrogen

aseFADFe-SCit-b

Complexo II

Succinato desidrogen

aseFADFe-SCit-b

Sn-glicerofosfato desidrogenas

eFAD, Fe-S

Sn-glicerofosfato desidrogenas

eFAD, Fe-S

Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína

FAD, Fe-S

Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína

FAD, Fe-S

Cit c

Complexo IIIComplexo bc1

2 cit-bFe-S Rieske

Cit-c (c1)

Complexo IIIComplexo bc1

2 cit-bFe-S Rieske

Cit-c (c1)

½ O2 H2O

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

Complexo Massa (kDa)

Número de

subunidades

Grupos prostético

s

I NADH desidrogenase

850 42 (14) FMN, Fe-S

II Succinato desidrogenase

140 5 FAD, Fe-S

III Ubiquinona:citocromo c oxidoredutase

250 11 Hemes, Fe-S

Citocromo c 13 1 Heme

IV Citocromo oxidase

160 13 (3-4) Hemes, CuA, CuB

Complexos protéicos da cadeia de transporte de elétrons

A + 2e- + 2H+ <-> AH2

Estados de oxidação da FMNe da CoQ

ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE

Fe+3 + 1e- <-> Fe2+

Citocromo c

Matriz mitocondrialbH

bL

Estrutura secundária do citocromo bCITOCROMOS

Fe+3 + 1e- <-> Fe2+

REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO: POTENCIAL REDOX

NAD+ + 1H+ + 2e- NADH -0,36

NADH desidrogenase (FMN) + 2H+ + 2e- FMNH2

-0,30

Fe/S-N2(Fe+3) + e- Fe/S-N2(Fe+2) -0,02

[FAD] + 2H+ + 2e- [FADH2] ligado na enzima

0,048

Ubiquinona (UQ) + 2H+ + 2e- Ubiquinol(UQH2)

Ubiquinona (UQ) + H+ + e- Semiquinol(UQH)

0,0450,03

Citocromo b (Fe3+) + e- Citocromo b (Fe2+)

0,077

Fe/S-Rieske (Fe+3) + e- Fe/S-Rieske (Fe+2) 0,28

Citocromo c1 (Fe3+) + e- Citocromo c1 (Fe2+)

0,22

Citocromo c (Fe3+) + e- Citocromo c (Fe2+) 0,254

Citocromo a (Fe3+) + e- Citocromo a (Fe2+) 0,29

Citocromo a3 (Fe3+) + e- Citocromo a3 (Fe2+)

0,55

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O 0,816

Potencial redox padrão de transportadores de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial

Reação redox (semi-reação) E’(V)COMPLEXO

I

COMPLEXO

III

COMPLEXO

IV

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

+ + + + + + +

+

+ + + ++ +

+ +

_ _ _ _

_

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencialquímico

pH( alcalino interior)

Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-

motriz

Potencialelétrico

( negativo interior)

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

hEnFG

][

][log

F

2,3RT ,, red

oxRTxEE pHmpHh

][

][log

3,20

red

ox

nF

RTEE

POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO

ox + ne- red ox + ne- + mH+ red

Reação de óxido redução envolve 2 pares redox

noxredred

nox BABA )()( BhAhh EEE

Relação entre G e E

Para a reação: NADH + H+ +1/2 O2 H2O + NAD+

NADH + 2e- NAD+ Eh =-0,315V

½ O2 + 2H+ + 2e- H2O Eh =+0,815V

G°=-2 x 96,9 x 1,13 = -218 kJ mol-1

ComplexoIEº’ = 0,360V

Gº’ = -69,5 kJ mol-1

ComplexoIEº’ = 0,360V

Gº’ = -69,5 kJ mol-1

ComplexoIIIEº’ = 0,190V

Gº’ = -36,7 kJ mol-1

ComplexoIIIEº’ = 0,190V

Gº’ = -36,7 kJ mol-1

ComplexoIVEº’ = 0,580V

Gº’ = -112 kJ mol-1

ComplexoIVEº’ = 0,580V

Gº’ = -112 kJ mol-1

NADH NAD+ (-0,315V)

2H++ ½ O2 H2O (+0,815V)

CoQ (+0,045V)

Citocromo c (+0,235V)

ComplexoII

ComplexoII

Succinato FADH2

Fumarato

(+0,030V)

-0,4

-0,2

0

0,2

0,4

0,8

0,6

E’ (V)

EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA

Meio sem aeração

contendo mitocôndrias +

ADP + Pi e succinato

sem O2

O2 éinjeta

doa 1 min

Meio sem aeração

contendo mitocôndrias +

ADP + Pi e succinato

sem O2

O2 éinjeta

doa 1 min

EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

+ + + + + + +

+

+ + + ++ +

+ +

_ _ _ _

_

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencialquímico

pH( alcalino interior)

Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-

motriz

Potencialelétrico

( negativo interior)

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

Geração do gradiente de prótons (Teoria quimiosmótica,

proposto por Peter Mitchell, Nobel de 1978)

Modelo de loop redox

Estequiometria de cargas e prótons na cadeia respiratória modelo loop redox X proton pump

2H

2H

2H

2e-

2e-

2e-

NADH

2H+

2H+

2H+

III + UQ

½O2+2H+

H2O

Loop redox

c

NADHO2 : 6H+

I

III

IV

½O2+2H+

NADH

H2O

UQ

4H+

4H+

2H+

2e-

2e-

2e-

Proton pump

c

NADHO2 : 8 a 10H+

I

III

IV

Mecanismo de translocação de prótons noComplexo III: Ciclo Q

Ciclo Q

XX

X

Gradientede concentração

]'[

]"[log3,2

X

XRTG

X X

X+

-------

+++++++

mFG

Gradienteelétrico transmembrana

X X

X+

-------

+++++++

'

"

log3,2

X

XRTmFG

Gradientede concentração e gradiente

elétrico transmembrana

G = gradiente eletroquímico iônico =

x+

pHRTFµH 3,2

No caso da mitocôndria: X+=H+ e –log[H+] = pH, então

Mitchell definiu o termo força próton-motriz (p)

FµmVp H /)()( pHmVp 59)(Um gradiente eletroquímico de H+ de 1 kJ mol-1, corresponde a

uma força próton-motriz de 10,4 mV.

Energética da transferência de prótons através da membrana: definição da força próton-motriz

Estágio 1

Produção de

Acetil-CoA

Estágio 2

Oxidação de

Acetil-CoA

Estágio 3

Transporte de elétrons efosforilação

oxidativa

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

Catabolismo

de

proteínas

lipídeos

e

carboidratos

BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

+ + + + + + +

+

+ + + ++ +

+ +

_ _ _ _

_

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencialquímico

pH( alcalino interior)

Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-

motriz

Potencialelétrico

( negativo interior)

MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP

Ciclo doÁcidocítrico

Acetil-CoA

CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO

Complexo IV

Citocromo aa3

2 cit-aIons Cu

Complexo IV

Citocromo aa3

2 cit-aIons Cu

UQ/UQH2

Complexo INADH

desidrogenase

FMNFe-S

Complexo INADH

desidrogenase

FMNFe-S

Complexo II

Succinato desidrogen

aseFADFe-SCit-b

Complexo II

Succinato desidrogen

aseFADFe-SCit-b

Sn-glicerofosfato desidrogenas

eFAD, Fe-S

Sn-glicerofosfato desidrogenas

eFAD, Fe-S

Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína

FAD, Fe-S

Acil-CoA desidrogenaseFlavoproteína

FAD, Fe-S

Cit c

Complexo IIIComplexo bc1

2 cit-bFe-S Rieske

Cit-c (c1)

Complexo IIIComplexo bc1

2 cit-bFe-S Rieske

Cit-c (c1)

½ O2 H2O

CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS

Componentes do complexo F1Fo-ATP sintase

As três subunidades da ATPsintase podem assumir três diferentes conformações

Estrutura do complexo F1 deduzida porcristalografia e estudos bioquímicos

O movimento de prótons pela membrana impulsiona a rotação do anel

O canal é fromado por 10 subunidades c360 = uma rotação completa

3H+ leva a rotação de 120 em levando a liberação de um ATP do complexo, ou seja:

3H+ devem retornar para a matriz para cada ATP formado

Semi-canal de H+ (cit)

Semi-canal de H+ (mit)

Transferência de ATP, ADP e fosfato entre

a mitocôndria e o citosol

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADHNAD+

4H+

SuccinatoFumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

+ + + + + + +

+

+ + + ++ +

+ +

_ _ _ _

_

_ _ _ _

_ _ _ _

_ _

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencialquímico

pH( alcalino interior)

Síntese de ATPdirigida pelaforça próton-

motriz

Potencialelétrico

( negativo interior)

MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP

Adenina nucleotídeo translocasee fosfato translocase

ATP/ADP = ATP/ADP =

Regulação

integrada

da

produção

de

ATP

Transferência de equivalentes redutores do citosol

para a matriz mitocondrial: lançadeiras

Lançadeira malato-aspartato

Fígado, rim e coração

Lançadeira glicerol 3-fosfato

Músculo esquelético e cérebro

NADHcitosólico

Acetil-CoA

Matriz mitocondrial

BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

Regulação

integrada

da

produção

de

ATP

Estequiometria da síntese de ATP

NADH O2 = 10H+/2e- 10H+/4H+ = 2,5 ATP

Succinato (FADH2) O2 = 6H+/2e- 6H+/4H+ = 1,5 ATP

ADP + Pi + 3H+p

ATP + H2O + 3H+nAdenina nucleotídeo e Pi translocase: 1H+

Produção de ATP na oxidação completa de glicose

Processo Produto ATP final

Glicólise 2 NADH (citosólico) 3 ou 5

2 ATP 2

Oxidação do piruvato (2 por glicose)

2 NADH (mitocondrial) 5

Oxidação de acetil-CoA no ciclo de Krebs

6 NADH (mitocondrial) 15

(2 por glicose) 2 FADH2 3

2 ATP ou GTP 2

Produção total por glicose

30 ou 32