004 fosf oxidativa 2011 2 002

(1)

Conhecendo um

pouco sobre a

mitocôndria

Membrana Externa

Totalmente permeável à pequenas moléculas e íons

Membrana Interna Matriz Contém: • Complexo piruvato desidrogenase • enzimas do ciclo do ácido cítrico Impermeável a pequenas moléculas e íons, incluindo H+

Contém:

•Enzimas da fosforilação oxidativa •Canais transportadores de moléculas Cristas Matriz Membrana mitocondrial interna Membrana mitocondrial externa Crista Estrutura geral da mitocôndria

(2)

Resumo da teoria quimiosmótica

Oxidação dos transportadores de elétrons é acoplada com o bombeamento de prótons (1) para fora da matriz mitocondrial gerando um gradiente eletroquímico (2).

Os prótons fluem de volta a matriz mitocondrial atravéx do complexo ATPsintase que fosforila o ADP utilizando um fosfato inorgânico (3)

Resumo da fosforilação oxidativa

(1)

(2)

(3)

Conceito importante:

A energia “redox” contida nos carreadores de elétrons reduzidos (NADH, FADH₂) pode ser convertida em gradiente eletroquímico

O gradiente eletroquímico pode ser convertido em energia química na forma de ATP

(3)

O modelo quimiosmótico

Matriz Espaço Intermembrana Citoplasma NADH + H+_NAD+ Succinato Fumarato _{½ O} 2 + 2H+ H₂O ADP + Pi

ATP

(4)

Conceito de gradiente eletroquímico

Potencial

Químico

ΔpΗ

(Dentro

alcalino)

Síntese de ATP

impulsionada pela

força proto-motriz

Potencial

Elétrico

Δ 

(Dentro

negativo)

Componente

elétrico

Componente

químico

(5)

Resumo do fluxo de elétrons e prótons

através dos quatro complexos da cadeia respiratória.

H

₂

O

½ O

₂

+ 2H

+

Succinato Fumarato

NADH + H

+

_NAD+

Espaço Intermembranar (lado P) Matrix (lado N) -0.320 E (V)

(6)

Ubiquinona (Q, ou coenzima Q).

Radical semiquinona (•QH) Ubiquinol (QH₂) (Totalmente reduzido) A redução completa

da ubiquinona requer dois elétrons e dois prótons Ubiquinona (Q)

(7)

Grupos prostéticos dos citocromos.

Heme A

(citocromos tipo A)

tem uma longa cauda isoprenóide ligada a um dos anéis.

porfirina

Heme C (citocromos tipo C)

ligado covalentemente ao citocromo C através de duas ligações thioeter a dois resíduos Cys.

Ferro protoporfirina IX (citocromos tipo B)

encontrados em citocromos tipo B, na hemoglobina e na mioglobina

(8)

Espectros de absorção do citocromo c

(cit c)

ab so rç ão d e lu z re la ti va ( % ) Comprimento de onda (nm)

(9)

Centros ferro-enxofre

Proteína

Um íon Fe cercado pelos átomos de S de quatro resíduos de Cys.

2Fe-2S contém enxofre inorgânico e Cys S, 4Fe-4S contém enxofre inorgânico e Cys S

(10)

Falvina mononucleotídeo FMN

(

riboflavina-5'-fosfato)

produzidos a partir de riboflavina (vitamina B2)

funciona como grupo prostético de várias oxidoreductases incluindo NADH desidrogenase FMNH• (semiquinone, parcialmente reduzido) FMNH₂ (totalmente reduzido) FMN flavina mononucleotídeo anel isoaloxazina

(11)

Potenciais de redução padrão dos carreadores

de elétrons da cadeia respiratória

(12)

Potenciais de redução dos transportadores de

elétrons ao longo da cadeia

Po te n ci al d e r e d u çã o ( m V )

Os elétrons passam dos carreadores com menor potencial de redução para aqueles com maior potencial (mais positivo).

(13)

demonstração experimental de que o transporte de

elétrons do NADH ou FADH

₂

para o O

₂

é acoplado ao

(14)

Inibidores da cadeia de transporte de

elétrons

rotenona

Antimicina A

(15)

Os carreadores de elétrons funcionam

em Complexos Multienzimáticos

Complexo enzimático / proteína Massa (kDa) Número de

subunidades * Grupo(s) prostético(s)

I - NADH desidrogenase 850 43 (14) FMN, Fe-S II - Succinato desidrogenase 140 4 FAD, Fe-S III - Ubiquinona-citocromo c

oxidorredutase 250 11 Hemes, Fe-S Citocromo c † 13 1 Heme

IV – citocromo oxidase 160 13 (3–4) Hemes; CuA, CuB

† citocromo C não faz parte de um complexo enzimático, se move entre os complexos III e IV como uma proteína solúvel

(16)

Complexo I

NADH:ubiquinona oxirredutase

Complexo I Espaço Intermembrana

(Lado P)

Matriz (Lado N)

1. Catalisa a transferência de um íon hidreto de NADH a FMN 2. Os dois elétrons passam por

uma série de centros Fe-S para a proteína N-2

3. A transferência de elétrons de N-2 para a ubiquinona (Q) forma ubiquinol (QH₂)

4. O ubiquinol se difunde no plano da membrana

5. Esta transferência de elétrons expulsa da matriz quatro

prótons por par de elétrons. N-2

Fluxo de prótons produz um potencial eletroquímico através da membrana mitocondrial interna (lado N negativo, o lado positivo P), que conserva parte da energia liberada pelas reações de transferência de elétrons.

NADH + Q + 5H

+

(17)

Cardiolipina Citoplasma (Lado P) Sítio de ligação ao substrato FAD Centros Fe-S Ubiquinona Heme b QH₂ Periplasma (Lado P)

Complexo II (succinato desidrogenase)

de E. coli

Succinato  Ubiquinona

A única enzima ligada à membrana do ciclo do ácido cítrico

Contém cinco grupos prostéticos •FAD

•Centros Fe—S •Heme (heme b)

•sítio de ligação para a ubiquinona, (o aceptor final de elétrons na reação catalisada pela Complexo II)

Os elétrons se movem (setas azuis) do succinato para o FAD, em seguida, através dos três centros Fe-S para ubiquinona.

O heme b não está no caminho principal de transferência de elétrons mas protege contra a formação de espécies reativas de oxigênio (ROS) por elétrons que se

extraviaram.

(18)

Complexo III

Ubiquinona  citocromo c Espaço Intermembrana (Lado P) Matriz (Lado N) Citocromo b Centro 2Fe-2S Citocromo c Citocromo c₁ Heme

também chamado de:

•complexo citocromo bc1 •ubiquinona: citocromo c oxidorredutase

Acopla a transferência de elétrons do QH₂ (ubiquinol) para o citocromo c com o transporte de prótons da matriz para o espaço

intermembranar

O complexo tem 11 subunidades diferentes.

dois tipos distintos de sítios de ligação para a ubiquinona, QN e QP, Antimicina A, que bloqueia o fluxo de elétrons de BH heme a Q, se liga em QN,

Myxothiazol, o que impede o fluxo de elétrons de QH2 à proteína ferro-enxofre Rieske, liga-se a QP

QH

₂

+ 2 cyt c1(oxidado) + 4H

+

N



 Q 2 cyt c1(reduzido) + 4H

+

(19)

Citocromo C

Citocromo C é uma proteína solúvel de do espaço intermembranar. Após se reduzir com apenas um elétron do

Complexo III, move-se para o Complexo IV

(20)

Complexo IV

Citocromo c  O

₂ Matriz (Lado N) Espaço Intermembrana (Lado P) 4H+ (bombeado) 4H+ (substrato) 4H+ 2H₂O O₂ Sinônimo: •Citocromo oxidase

etapa final da cadeia respiratória As três proteínas críticas para o fluxo de elétrons são subunidades I, II e III A estrutura verde grande compreende outras dez proteínas no complexo

Citocromos c doam eletrons para o centro Cu_A

Que passam através de um heme para o centro Fe-Cu (Citocromo

a3 e Cu_B)

Oxigênio se liga ao heme a3 e é

reduzido a um peróxidos (O₂2-_{) por dois}

elétrons do centro Fe-Cu

O₂2-_{consome dois H+ quando se}

transforma em água

mais quatro prótons são bombeados da matriz por um mecanismo ainda desconhecido

(21)

Complexo FoF1

Prótons fluem através da

membrana do lado P para o lado N através da Fo

O fluxo de prótons é acoplado com a síntese de ATP à partir de ADP e Pi na subunidade F1 Espaço Intermembrana (Lado P) Matriz (Lado N)

F1

Fo

(22)

Translocases de fosfato e de

nucleotídeos de adenina

A translocase nucleotídeos de adenina é uma antiporter, move o ADP para a matriz e o ATP para fora

O efeito da substituição ATP4- _{com ADP}3-_{é o}

efluxo líquido de uma carga negativa, que é favorecido pela diferença de cargas através da membrana interna (fora positiva).

Não há fluxo líquido de carga durante simporte de H₂PO4-_{e H}+

A concentração de prótons relativamente baixa na matriz favorece a entrada de H+_.

A força proto-motriz é responsável tanto pelo fornecimento de energia para Síntese de ATP e para transportar substratos (ADP e Pi) e no produto (ATP) para fora da matriz mitocondrial.

(23)

malato

Como o NADH “entra” na mitocôndria

H

+

_{+ NADH}

H

+

NADH

Trocador glutamato/ aspartato -cetoglutarato oxaloacetato malato oxaloacetato oxaloacetato Trocador malato/ -cetoglutarato malato desidrogenase -cetoglutarato glutamato glutamato aspartato aspartato malato desidrogenase aspartato aminotransferase aspartato aminotransferase

(24)

Acoplamento de transferência de elétrons com

a síntese de ATP em mitocôndrias

O 2 c o n su m id o O 2 c o n su m id o A TP s in te ti za d o A TP s in te ti za d o ADP + Pi su cc in at o CN- venturicidina ou oligomicina su cc in at o ADP + Pi DNP desacoplado 2,4-dinitrofenol (DNP) DNP

Desacoplador químico da fosforilação oxidativa.

Carrega prótons através da membrana mitocondrial interna, dissipando o

gradiente de prótons. Forma protonada

 carga neutra  atravessa membrana