Intoxicação alcoólica e hipoglicemia:
O álcool etílico, principal componente das bebidas alcoólicas, é metabolizado no fígado por
duas reações de oxidação. Em cada reação, elétrons são transferidos ao NAD
+, resultando e
um aumento maciço na concentração de NADH citosólico. A abundância de NADH favorece a
redução de piruvato em lactato e oxalacetato em malato, ambos são intermediários na síntese
de glicose pela gliconeogênese. Assim,
o aumento no NADH mediado pelo etanol faz com que
os intermediários da gliconeogênese sejam desviados para rotas alternativas de reação,
resultando em síntese diminuída de glicose
. Isto pode acarretar hipoglicemia , particularmente
em indivíduos com depósitos exauridos de glicogênio hepático. A mobilização de glicogênio
hepático é a primeira defesa do corpo contra a hipoglicemia, assim, os indivíduos em jejum ou
desnutridas apresentam depósitos de glicogênio exauridos, e devem basear-se na
gliconeogênese para manter sua glicemia.
A Respiração celular
aeróbica tem
como objetivo principal produzir
energia
a partir do catabolismo de
ENERGIA NAS REAÇÕES BIOQUÍMICAS
produto energia substratos tE
N
E
R
G
IA
ENDOTÉRMICAFotossíntese
6CO
2+ 12H
2O +
LUZ
C
6H
12O
6+6O
2+ H
2O
produtos energia substrato
E
N
E
R
G
IA
EXOTÉRMICA tRespiração celular
C
6H
12O
6+ O
2 +6CO
2+ 6H
2O +
Energia
ETAPAS
GLICÓLISE
(CITOSOL)
CICLO DE KREBS
(MATRIZ MITOCONDRIAL)
CADEIA RESPIRATÓRIA
(CRISTAS MITOCONDRIAIS)
A Fase Anaeróbia - Glicólise
É a primeira fase do processo de respiração celular. A glicólise é um processo que ocorre tanto na respiração quanto nos processo de fermentação.
Na glicólise, a glicose é convertida a piruvato, com liberação de hidrogênio e energia.
A molécula de glicose possui 686 mil calorias aprisionadas nas ligações químicas entre os átomos de carbono, hidrogênio e oxigênio. Toda essa energia é liberada gradualmente durante a quebra da glicose.
O piruvato é então convertido a acetil-Co A, pela ação do complexo piruvato desidrogenase
A Fase Aeróbia – Ciclo de Krebs
Ao penetrar na matriz mitocondrial, o piruvato (3C) e trans-formado em Acetil (2C), com liberação de CO2. O Acetil com-bina-se com a Coenzima A, formando enfim o Acetil CoACada molécula de Glicose dá 2 voltas pelo ciclo de krebs. Com a produção de 2 moléculas de ATP.
Nessa etapa os aceptores de H são o FAD (Flavina Adenina dinucleotídeo) e o NAD
O CO2 liberado da respiração provém então da formação do acetil e do ciclo de krebs.
São produzidas inúmeras moléculas intermediárias durante o ciclo de krebs
Moléculas ricas em energia como a Glicose, são metabolizadas por uma série de reações de oxidação,levando por fim à produção de CO2 e H2O.
Os intermediários metabólicos destas reações doam elétrons a coenzimas específicas – NAD e FAD – formando as coenzimas reduzidas ricas em energia. NADH e FADH2.
Estas coenzimas reduzidas, por sua vez, podem doar, cada uma, um par de elétrons a um grupo especializado de carreadores de elétrons, coletivamente denominados cadeia transportadora de elétrons.
À medida que os elétrons fluem através da cadeia transportadora de elétrons, eles perdem muito de sua energia livre. Parte desta energia pode ser captada e armazenada para a produção de ATP a partir de ADP e Pi, num processo denominado fosforilação oxidativa.
O restante da energia livre, que não é captada para a síntese de ATP, é liberado na forma de calor.
Mitocôndria:
- Produção de Energia- as substancias nutritivas penetram nas
mitocôndrias, onde reagem com o oxigênio, em um processo comparável
à queima de um combustível. Essa reação recebe o nome de
respiração celular. A partir daí é produzido energia em forma de ATP
(adenosina trifosfato).
- Respiração Celular através do Ciclo de Krebs e da Cadeia Respiratória.
• A mitocôndria realiza a maior parte das oxidações celulares e produz a
massa de ATP ( energia celular) das células animais.
• Na mitocôndria o piruvato e os ácidos graxos são convertidos em
acetil-CoA que são oxidados em CO
2, através do ciclo de Krebs (ciclo
do ácido cítrico).
• Grandes quantidades de NADH e FADH2 são produzidas por essas
reações de oxidação. A energia disponível, pela combinação do oxigênio
com os elétrons reativos levados pelo NADH e pelo FADH2, transita por
uma cadeia transportadora de elétrons na membrana mitocondrial interna.
Nicotinamida dinucleotídeo- NAD
Molécula doadora de energia
1. ENZIMAS POSSUEM SÍTIOS ATIVOS PARA
MOLÉCULAS ALTAMENTE ENERGÉTICAS E PARA O NAD
2. EM UMA REAÇÃO DE OXI-REDUÇÃO O HIDROGÊNIO É TRANSFERIDO PARA O NAD
3. O NADH PODE ENTÃO
TRANSFERIR ESTE HIDROGÊNIO PARA OUTRAS MOLÉCULAS
O NAD
+
é reduzido a NADH por desidrogenases que removem átomos de hidrogênio /elétrons de seus substratos.Ambos os elétrons, mas apenas um próton (ou seja, um íon hidreto,: H-), são transferidos ao NAD
+
formando NADH mais um próton livre, H+.
Cadeia Transportadora de Elétrons
• ocorre nas cristas mitocondriais.
• Também chamado de Fosforilação Oxidativa.
• É um sistema de transferência de elétrons
provenientes do NADH e FADH2 até a
molécula de oxigênio.
A transferência de elétrons ao longo da cadeia
de transporte de elétrons é energeticamente
favorecida, pois o NADH é um forte doador de
elétrons, e o oxigênio molecular é um ávido
aceptor de elétrons.
O fluxo de elétrons do
NADH para o oxigênio, porém, não resulta
• Cadeia Respiratória (transporte de elétrons)
– Ocorre nas cristas mitocondriais do interior das mitocôndrias.
– As moléculas de hidrogênio e os elétrons energético retirados da
glicose pelas desidrogenases e transferidos para moléculas de
NAD e FAD, produzindo NADH e FADH
, durante a glicólise e o
ciclo de Krebs, serão transportadas até o oxigênio, formando
moléculas de água, liberando energia para a produção de ATP.
– Existem então, proteínas intermediárias denominadas citocromos,
que permitem a liberação gradativa de energia. As proteínas
citocromos têm o papel de transportar os elétrons dos hidrogênios
gradativamente.
– O gradiente eletroquímico de prótons (H
+) que se estabelece entre
a matriz mitocondrial e o espaço intermembrana da mitocondria
impulsiona a passagem dos prótons pela ATP sintase ancorada
nas cristas, onde a fosforilação do ADP a ATP ocorre.
Cadeia Transportadora de Elétrons
Os componentes da cadeia transportadora de elétrons são organizados em ordem
crescente de potenciais de redução, desde as coenzimas reduzidas até o oxigênio.
desta forma, as transferências de elétrons de um componente para o seguinte
constituem reações de óxido-redução termodinamicamente favoráveis.
-0,32
+0,82
EoVolts (potencial de redução) F L U X Ode
Elétrons
NADH
NAD
Complexo Enzimático I Q Cit c Complexo Enzimático II Complexo Enzimático IIIH+
½ O
2H
2O
H+
Cadeia Respiratória
Elétrons altamente
energéticos
Cadeia
transportadora
De elétrons
O
2+ 4H
++ 4e
- 2H
2O
Com exceção da coenzima Q (molécula química com cauda hidrofóbica que a torna solúvel na camada lipídica da membrana mitocondrial interna), todos os membros desta cadeia são proteínas, podendo funcionar como enzimas contendo ferro como parte de um centro redox ferro-enxofre (desidrogenases), coordenadas com um anel porfirina/heme (citocromos) ou conter cobre como no complexo citocromo a + a3.
Os íons hidreto (H:-, um próton com dois elétrons ) carregados pelos NADHs são transferidos para a
NADH-desidrogenase (complexo enzimático I). Este complexo tem uma molécula de FMN (coenzima flavina-mononucleotídeo) fortemente ligada e aceita os dois átomos de hidrogênio (2e- + 2H
+
) tornando-se FMNH2. A NADH-desidrogenase também contém diversos átomos de ferro pareados com átomos de enxofre (centros ferro-enxofre), que viabilizam a transferência dos átomos de hidrogênio para o próximo membro da cadeia, a ubiquinona (conhecida como coenzima Q).A coenzima Q é um derivado da quinona, com uma longa cauda isoprenóide. É também denominada ubiquinona, por sua ubiquidade nos sistemas biológicos. A coenzima Q pode aceitar átomos de
hidrogênio tanto do FMNH2, produzido pela NADH-desidrogenase, enquanto do FADH2 (Complexo II), produzido pela succinato desidrogenase e pela acil-CoA-desidrogenase.
Os demais membros da cadeia de transporte de elétrons são Citocromos (pigmento respiratório,
relacionados quimicamente à hemoglobina por serem complexos de proteína, ferro e porfirina). O átomo de ferro dos citocromos é convertido reversivelmente de sua forma de íon férrico (Fe3+) para íon ferroso (Fe2+) , como parte normal de sua função de carreador reversível de elétrons. Os elétrons fluem ao
O complexo de citocromo a+a3( Complexo IV, também chamado citocromo-oxidase) é o único carreador
de elétrons em que o ferro do heme possui um ligante livre, que pode reagir diretamente com o oxigênio molecular. Neste sítio, os elétrons transportados, o oxigênio molecular (O2) e os prótons livres (H+) são
Cadeia de Transporte de Elétrons
Complexos multienzimáticos: contêm carreadores.
Fluxo de elétrons através da cadeia e o movimento de prótons: e
-participam da oxidação de + de 10 centros redox.
FAD
FADH2
26
Componentes: complexos carreadores de e
-NADH:ubiquinona
oxidoredutase
Succinato
desidrogenase
Ubiquinona:citocromo c
oxidoredutase
Citocromo
oxidase
lado positivo
lado negativo
(NADH desidrogenase)
27
Succinato desidrogenase
Succinato Fumarato
e
-do succinato
FAD
centros Fe-S
Q
Succinato desidrogenase:
única enzima do CKrebs ligada à membrana
A cadeia transportadora de elétrons é constituída por 5 complexos enzimáticos (I a V), sendo que o complexo V catalisa a síntese de ATP.
Cada carreador, na cadeia transportadora de elétrons, pode receber elétrons de um doador e pode, subsequentemente, doá-los para o próximo carreador na cadeia.
Os elétrons combinam-se, no final com o oxigênio e com prótons, formando água.
Esta necessidade de oxigênio dá, ao processo de transporte de elétrons, a denominação de cadeia respiratória, a qual é responsável pela maior parte da utilização de oxigênio no organismos.
A cadeia transportadora de elétrons localiza-se na membrana mitocondrial interna e é a via final comum pela qual os elétrons oriundos de diferentes combustíveis do organismo fluem para o oxigênio. O transporte de elétrons e a síntese de ATP pela fosforilação oxidativa ocorrem continuamente em todos os tecidos que contém mitocôndrias.
30
ATP Sintase
F
1
F
o
• A ATP sintase
• Regulada pelo gradiente eletroquímico de prótons
• Aproximadamente 1 ATP é formado para cada 3 H
+que passam pela
ATP sintetase
• A cadeia respiratória bombeia prótons (H
+) para fora da matriz para criar
um gradiente eletroquímico de hidrogênio transmembrana. O gradiente
transmembrana, por sua vez, é utilizada para sintetizar ATP e para dirigir o
transporte ativo de metabólitos específicos através da membrana
mitocondrial interna. A combinação dessas reações é responsável por uma
eficiente troca ATP-ADP entre a mitocôndria e o citosol de tal forma que o
ATP pode ser usado para prover muitas das reações celulares
dependentes de energia.
Fosforilação Oxidativa-Hipótese Quimiosmótica (Hip. De Mitchell)
A Bomba de Prótons: O transporte de elétrons está acoplado à fosforilação do ADP pelo transporte de prótons (H+)
através da membrana mitocondrial interna, prótons estes que são bombeados da matriz para o espaço intermembranas (cada molécula de H2O formada resulta no bombeamento de 10 H+).
Este processo gera, através da membrana mitocondrial interna, um Gradiente Elétrico (com cargas mais positivas no lado externo da membrana do que no lado interno) e, por consequencia, um Gradiente de pH (Químico). A energia gerada por este gradiente de prótons é suficiente para impulsionar a síntese de ATP.
Deste modo, o gradiente de prótons funciona como o intermediário comum que ACOPLA a oxidação à fosforilação.
CADEIA RESPIRATÓRIA
Transporte de elétrons/Fosforilação oxidativa
2 H+ + ½ O
2 H2O
Estima-se que cada molécula de ATP é sintetizada e desfosforilada mais de
3.000 vezes( dependendo do indivíduo) a cada 24 horas para suprir as
Mecanismo geral da fosforilação oxidativa. Alberts et al., Molecular
Biology of the Cell, Fourth Edition.
acoplamento
Fosforilação Oxidativa
Cadeia Transportadora de Elétrons
Uma reação exergonica é uma reação quimica na qual a mudança da energia
livre de Gibbs tem valor negativo, indicando espontaneidade dessas reaçoes.
•
ATP sintase
•
(F0F1 ATPase) pode ser
ser purificada e adicionada à
membranas artificiais (possui
por volta de 9 polipeptídeos
com +/-500.000 Daltons que
correspondente a 15% da
proteína total da membrana
interna);
•
A porção transmembrana (F0)
funciona como uma carreador
de H
+cuja volta para a matriz
(F1ATPase)
normalmente
sintetiza ATP quando íons H
+passam por ela a favor de
seu gradiente.
ATP sintetase. Alberts et al., Molecular Biology of the Cell,Fourth Edition.A
Hipótese Quimiosmótica
propõe que, após os prótons serem transferidos para o lado citosólico da membrana mitocondrial interna, eles retornam à matriz mitocondrial passando através de umcanal no complexo ATP-sintase, resultando então na síntese de ATP a partir de ADP + Pi e, ao mesmo tempo, dissipando os gradientes elétrico e de pH.
Estes inibidores previnem/impedem a passagem de elétrons, ligando-se a algum componente da cadeia, bloqueando a reação de oxido-redução. Deste modo, todos os carreadores de elétrons antes do bloqueio tornam-se completamente reduzidos (com elétron), enquanto aqueles localizados após o bloqueio estão oxidados (sem elétron).
Uma vez que o transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa estão fortemente ACOPLADOS, a inibição de sítios específicos da cadeia transportadora de elétrons também inibe a síntese de ATP, comprometendo a viabilidade celular (intoxicação).
39
Sítio de Ação de Inibidores/Desacopladores
DCCD Oligomicina Cianeto Azida CO Rotenona Hg2+ Gradiente de prótons Complexo I Complexo III Complexo II Succinato ½O2 + 2H+ UQ UQ Citc H2O Antimicina 2,4-DNP FCCP Complexo IV
UCP s (uncoupling proteins): Proteínas Desacopladoras São proteínas encontradas na membrana mitocondrial interna de mamíferos, incluindo humanos. Estas proteínas causam um “vazamento” de prótons, ou seja, permitem aos prótons retornarem à matriz mitocondrial sem que a energia seja capturada na forma de ATP, e a energia é liberada na forma de calor. A termogenina é responsável pela ativação da oxidação de ácidos graxos e produção de calor nos adipócitos marrons dos mamíferos.
Desacopladores sintéticos: O transporte de elétrons e a fosforilação oxidativa podem ser desacoplados por meio de compostos que aumentala permeabilidade da membrana mitocondrial interna a prótons.
Ex: 2,4 dinitrofenol (2,4-DNP)
41
Proteína
desacopladora
(UCP)
Rota alternativa para a entrada de prótons
na matriz
calor
• Recém-nascido
• Animais que hibernam
• Amadurecimento do fruto
42
Desacopladores
Ácidos fracos hidrofóbicos
Alto pH interno causadissociação do DNP
Baixo pH externo causa ligação de H+ ao DNP
Liberam H
+na matriz
NAD+/FAD
46 Cytosol Mitochondrion Glycolysis Glucose 2 Pyruvic acid 2 Acetyl- CoA Krebs Cycle Electron Transport by direct synthesis by direct synthesis by ATP synthase Maximum per glucose:
SALDO ENERGÉTICO
Etapa
Hidrogênio
ATP
Glicólise
2 NADH
4 ATP
Ciclo de Krebs (2
moléculas de ácido
pirúvico, portanto 2
voltas)
8 NADH
2 FADH
2 ATP
Cadeia respiratória
10 NADH
30 ATP
2 FADH
4 ATP
Total Geral
40 ATP
Gasto 2 ATP na glicólise
-2 ATP
Saldo líquido
38 ATP
Resumo do metabolismo energético mitocondrial. Alberts et al., Molecular Biology of the
Cell, Fourth Edition.
Força
Motriz
GLICÓLISE
Ác. pirúvico
Acetil-CoA
CADEIA RESPIRATÓRIA
2 ATP 6 ATP 6 ATP 18 ATP 4 ATP 2 ATP 2 ATP 2 ATP 2 NADH 2 NADH 6 NADH 2 FADH
CICLO DE
KREBS
MITOCÔNDRIA CITOPLASMA1) Indicar a localização celular da cadeia de transporte de elétrons.
2) Citar 3 inibidores da cadeia de transporte de elétrons, indicando os transportadores sobre os quais atuam. 3) Definir fosforilação oxidativa.
4) Descrever a hipótese de acoplamento quimiosmótico para a fosforilação oxidativa. 5) Indicar o número de ATP sintetizado para cada NADH e FADH2 oxidados .
6) Denifir desacoplador e citar um exemplo.
7) Definir inibidor da fosforilação oxidativa e citar um exemplo.
8) Definir fosforilação no nível de substrato e citar as reações onde ocorre.
9) Dinitrofenol aumenta o consumo de oxigênio pela cadeia de transporte de elétrons. Justificar. 10) Descrever as funções das proteínas desacopladoras nos mamíferos.
