Fosforilação Oxidativa - USP

Aula de Bioquímica II – SQM0424
Bacharelado em Ciências Físicas e Biomoleculares
Tema:
Fosforilação Oxidativa
Cadeia transportadora de elétrons
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: mail: borgesjc@iqsc.usp.br

Fosforilação oxidativa
Fim das rotas metabólicas de produção de energia em
organismos aeróbicos
- Representa o estágio 3 do processo
Acoplamento da oxidação de NADH e FADH FADH2 e síntese de ATP
- É o principal sítio de produção de ATP
- Envolve o consumo de O 2 e formação de H H20 Teoria Quimiosmótica
- Fluxo de elétrons por carreadores criam um gradiente de
concentração de prótons na membrana mitocondrial
- A quebra deste gradiente está acoplada com a síntese de ATP

Fosforilação oxidativa
LOCAL OCAL: : MMITOCÔNDRIA
ITOCÔNDRIA
- Organela de eucariotos
Possui duas membranas
Membrana Mitocondrial externa - MME
- Permeável a pequenas moléculas
Membrana Mitocondrial interna - MMI
- Impermeável a maioria das moléculas
Matriz mitocondrial
- Local de oxidações
- Ciclo de Krebs
- β-oxidação oxidação de lipídeos
- Inclusive H +
- Necessidade de transportadores
- Oxidação de Aminoácidos
de membrana
Espaço intermembranal
- Cristas membranais

Fosforilação oxidativa
LOCAL OCAL: : MMITOCÔNDRIA
ITOCÔNDRIA

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS OU CADEIA ADEIA RESPIRATÓRIA
ESPIRATÓRIA
Os carreadores que transportam os elétrons do NADH e FADH FADH2 até O O2 estão na MMI
- A oxidação de NADH e FADH 2 é promovida pela cadeia de transporte de elétrons
- Alguns desses centros redox são móveis ou proteínas integrais de membrana
- Dependem dos grupos protéticos associados
A sequência de carreadores de elétrons reflete seus potenciais de redução relativos
O processo é exergônico
Transporte de e’
1) 1 e’ Fe 3+ para Fe 2+
2) 1 e’ + 1 H +
3) 2 e’ na forma de :H :H-

COENZIMA OENZIMA UBIQUINONA
BIQUINONA (Q)
- Pequena e Lipossolúvel
Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
Os carreadores de elétrons na mitocôndria
PROTEÍNAS
ROTEÍNAS COM CENTROS ENTROS DE FERRO ERRO-ENXOFRE NXOFRE
- Estrutura variável simples a complexas
- O íon Fe sofre reações de óxido-redução
óxido redução

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
Os carreadores de elétrons na mitocôndria
Citocromos a, , b e c
Seus grupos prostéticos – grupos Heme
Citocromo c solúvel no espaço intermembrana
Podem interagir com a MMI

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
O fluxo de elétrons elétrons pelos pelos carreadores vai daquele com menor potencial para o maior
potencial

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
Os carreadores de elétrons na MMI: 4 complexos
Complexo I é do NADH para formar Ubiquinol
NADH: NADH:Ubiquinona
Ubiquinona-oxidoreductase
oxidoreductase ou NADH NADH-desidrogenase
desidrogenase
Complexo II é do FADH FADH2 para formar Ubiquinol
Succinato
Succinato-desidrogenase
desidrogenase
Complexo III é do Ubiquinol para o Citocromo c
Ubiquinona
Ubiquinona:Citocromo
Citocromo c-oxidoreductase
oxidoreductase
Complexo IV é do Citocromo c para o O O2 Citocromo c-oxidase oxidase

COMPLEXO
OMPLEXO I: NADH:
Fosforilação oxidativa
I: NADH:UBIQUINONA
UBIQUINONA-OXIDOREDUTASE
OXIDOREDUTASE OU NADH NADH-DESIDOGENASE
ESIDOGENASE
Porta Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos dentro da mitocôndria
- O Complexo catalisa 2 processos simultâneos e acoplados
1) NADH + H + + Q NAD + + QH QH2 Exergônico
2) Transferência de 4 H + para o espaço intermembrana Endergônica

Fosforilação oxidativa
COMPLEXO
OMPLEXO II: SUCCINATO
UCCINATO-DESIDOGENASE
ESIDOGENASE
Porta de entrada dos e’ do FADH FADH2 produzidos no ciclo do ácido cítrico
Porta Porta de entrada dos e’ do NADH produzidos no
citoplasma
- Canaliza diretamente os e’ do succinato para a cadeia
transportadora de e’
FADH FADH2 + Q FAD + QH QH2 Exergônico
Sem transferência de H + para o espaço intermembrana
Porta de entrada de e’ de outras vias oxidativas
- β-oxidação oxidação de ácidos graxos

Vias de entrada de e’ para a
ubiquinona
ubiquinona: :
1) NADH mitocondrial,
2) Succinato do ciclo do ácido cítrico,
3) e’ da β-oxidação oxidação de ácidos graxos via
Acil Acil-CoA CoA-desidrogenase
desidrogenase e do glicerol
dos triacilglicerois
4) NADH citosólico via glicerol 3-
fosfato
Fosforilação oxidativa
COMPLEXO
OMPLEXO I E COMPLEXO II
1) 2)
3)
4)

Fosforilação oxidativa
COMPLEXO
OMPLEXO III: UBIQUINONA
BIQUINONA:CITOCROMO
ITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
XIDOREDUTASE
Canaliza os 2 e’ do Ubiquinol (QH 2) ) para o Citocromo c com a transferência de H+ da
matriz mitocondrial para o espaço intermembrana
- possui duas unidades de Citocromo b enterrados em 1 fenda na membrana
QH QH2 + 2 Citc Citc1 (Oxi Oxi) ) + 2 H + N Q + 2 Citc Citc1 (Red Red) ) + 4 H + P

COMPLEXO
OMPLEXO III: U
Fosforilação oxidativa
III: UBIQUINONA
BIQUINONA:C :CITOCROMO
ITOCROMO C-OXIDOREDUTASE
XIDOREDUTASE
2 e’ do Ubiquinol são afunilados no Citc carreador de 1 e’
2 ciclos de redução do do Citc com a formação da Semiquinona ( . Q- )
1º Ciclo
-1 1 e’ do QH 2 é passado para o
Citc no primeiro ciclo e o
outro e’ (via citocromo b)
para a Q formando
Semiquinona
- 2 H + transportados para o
espaço intermembrana
2º Ciclo
-1 1 e’ do QH 2 é passado para o
Citc e o outro e’ (via
citocromo b) para a
Semiquinona formando outra
QH QH2 - 2 H + transportados para o
espaço intermembrana
- 2 outros H + são retirados da
matriz
1º Ciclo 2º Ciclo

Fosforilação oxidativa
COMPLEXO
OMPLEXO IV: C
IV: CITOCROMO
ITOCROMO OXIDASE XIDASE
Os e’ do Citocromo c são entregues ao O O2 4 Citc (Red) + 8 H + N + O O2 4 Citc (Oxi) + 4 H + P
Envolve a participação de:
- Ion Cu A
- Citocromo a
- Citocromo a 3-Cu CuB B (Centro Fe Fe-Cu) Cu)
- O2 4 ciclos são necessários para reduzir 1 O O2 a 2 H H2O - 4 H + transportados para o espaço
intermembrana
- 4 outros H + são retirados da matriz matriz para
formar as 2 H H2O 2 H + por por par par de e’
+ 2 H H2O

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
Resumo Resumo do processo
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H + N + ½ O O2 NAD + + 10 H +
P
FADH FADH2 + 6 H + N + ½ O O2 FAD + + 6 H +
P
+ 1 H H2O + 1 H H2O

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
NADH + H + + ½ OO2
NAD + + 1 HH2O
A ∆G G dda
a reação pode ser medida a partir da diferença de voltagem entre meias células
A
n+
ox
+
B
red
←⎯⎯
⎯⎯
⎯ → A
red
+
B
n+
ox
0'
⎛ [ Ared
][ B
Δ G = ΔG
+ RT ln
⎜ n+
⎝ ⎝[
Aox
][ B
]
n+
ox
n
red ]
- Se ΔG = −w'
= −w
referente ao trabalho elétrico realizado a pressão e volume constante
w el
el
= nfΔE
-Se Se o onde f é a constante de Faraday (96.485 Cmol Cmol-1) 1) e n é o
número de e’/mol portanto:
⎛ [ A
⎜ n
⎝[
A
ΔG = −nfΔE
⎟ 0'
red ox
E = ΔE
− ln⎜
Δ +
nf ox
Reorganizando Equação de Nernst
- O ∆E 0‘ representa o potencial de redução padrão nas condições padrões para bioquímica
][ B
][ B
- Um Valor positivo para o ∆E (potencial de redução ou força eletromotiva) sugere
espontaneidade da reação
RT
- um valor positivo para o ∆E representa um valor negativo para o ∆G
n+
red
]
n
]
⎞
⎠
⎞
⎟
⎠

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
NADH + H + + ½ OO2
NAD + + 1 HH2O
NADH/NAD + E 0’ = + 0,320 V
O2/H /H2O O E 0’ = +0,816 V
∆E 0’
0’ = E 0’ Red + E 0’ oxi = + 1,14 V
0'
0'
Δ G = − nf Δ E = − 2 ( 96 , 5 kJ / V . mol ) 1 , 14 V = − 220 kJ / mol ( deNADH )
Succinato + ½ O 2 Fumarato + 1 H H2O 0'
0'
ΔG
= −nfΔE
= −2(
96,
5kJ
/ V.
mol).
0,
785V
= −150kJ
/ mol(
deNADH)
A razão da [NADH]/[NAD + ] >1 o que sugere que a ∆G G é mais negativa do que -220 220 kJ/mol!

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
A energia da transferência de e’ é eficientemente conservada em um gradiente
- Gradiente de prótons
- Gradiente eletroquímico

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
A ∆G G associada ao processo de criação criação dos 2 gradientes é:
C2
ln
C1
C2
Δ G = RT ln( ) + zfΔψ
C1
C2 = H + p Lado Lado positivo da MMI Espaço intermembrana
C1 = H + n Lado Lado negativo da MMI Matriz mitocondrial
Z = valor absoluta da carga elétrica 1 para 1 H +
∆Ψ = Diferença do potencial transmembrana
= 2,
3(log[
H
+
]
p
−log[
H
+
]
n
)
Logo:
=
2,
3(
pH
n
−
pH
p
pH
) = 2,
3ΔpH
Δ G = 2,
3RTΔpH
+ zfΔψ
= ( 5,
7kJ
/ mol).
ΔpH
+ ( 95,
6kJ
/ mol).
Δψ
= −log[
H
+
]

Fosforilação oxidativa
CADEIA ADEIA TRANSPORTADORA
RANSPORTADORA DE ELÉTRONS
LÉTRONS
A ∆pH da MMI é de 0,75 unidades de pH
A ∆Ψ da MMI é de 0,15 0,15-0,20 0,20 V
ΔG
= ( 5,
7kJ
/ mol).
0,
75 + ( 95,
6kJ
/ mol).
0,
15 = 19kJ
/
A ∆G associada à oxidação de 1 mol de NADH é:
Equação Vetorial do transporte de Prótons pela cadeia
NADH + 11 H + N + ½ O O2 NAD + + 10 H +
P
Logo:
∆G = 19 kJ/mol*10 = ~190 kJ/mol
∆G 0’ = 220 kJ/mol
+ 1 H H2O mol

Fosforilação oxidativa
SISTEMAS ISTEMAS DE TRANSPORTE
RANSPORTE MITOCONDRIAL
ITOCONDRIAL
Espaço Espaço intermembrana
intermembrana: : entre a MME e MMI
- equivalente ao citosol no que se refere às concentrações em metabólitos e íons
A MMI é composta por cerca de 75% de
proteínas mais rica em proteínas MME
- A MMI é permeável a O 2, , CO CO2 e H H2O O
- Contém proteínas de transporte que
controlam a passagem de metabólitos, como
ATP, ADP, o piruvato piruvato, , o Ca 2+ e o fosfato
A impermeabilidade da MMI para a
maioria dos íons e metabólitos permite a
formação de um gradiente de íons através
dessa barreira
Resulta na compartimentalização das
funções metabólicas entre o citosol e a
mitocôndria

Fosforilação oxidativa
SISTEMAS ISTEMAS DE TRANSPORTE
RANSPORTE MITOCONDRIAL
ITOCONDRIAL
Transporte seletivo de életrons produzidos no citoplasma para a mitocôndria
- O NADH produzido no citosol pela glicólise deve ter acesso à cadeia transportadora de
elétrons para a oxidação aeróbica
- Não há uma proteína
transportadora de NADH na MMI
- Somente os elétrons do NADH
citosólico são transportados para
a mitocôndria por um dos vários
sistemas de transporte
LANÇADEIRA
ANÇADEIRA DE MALATO ALATO-ASPARTATO
SPARTATO

LANÇADEIRA
ANÇADEIRA DE GLICEROL LICEROL-3-P
A glicerol glicerol-3-fosfato fosfato desidrogenase
catalisa a oxidação do NADH
citosólico pela DHAP para produzir
NAD+, o qual retorna à glicólise
Os elétrons do glicerol glicerol-3-fosfato fosfato
são transferidos para a Flavoproteína-
desidrogenase da MMI, formando
FADH FADH2, ,
O FADH FADH2 fornece elétrons
diretamente para Cadeia
Transportadora de Elétrons
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS ISTEMAS DE TRANSPORTE
RANSPORTE MITOCONDRIAL
ITOCONDRIAL

TRANSLOCADOR
RANSLOCADOR DE ATP/ADP ATP/ADP-PI
A maior parte do ATP gerado na matriz
mitocondrial pela fosforilação oxidativa é
utilizado no citosol
A A MMI contém um translocador de ADP ADP-
ATP (ou adenina adenina-nucleotídeo
nucleotídeo translocase
translocase) )
- Transporta o ATP para fora da matriz
mitocondrial acoplado à importação de ADP e
Pi produzidos no citoplasma a partir de ATP
- Sistema antiporte
- Mantém balanço eletrolítico pelo gasto de
energia quimiosmótica
Fosforilação oxidativa
SISTEMAS ISTEMAS DE TRANSPORTE
RANSPORTE MITOCONDRIAL
ITOCONDRIAL