CTE e FO

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CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS 
E FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
Zilda Figueirêdo – 2012.2
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GLICÓLISE
CICLO DE KREBS
CTE - FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA
A degradação de nutrientes gera um número reduzido de moléculas de ATP diretamente pela fosforilação ao nível do substrato. No entanto, a reoxidação das coenzimas NADH e FADH2 através da cadeia transportadora de elétrons (CTE) e a Fosforilação oxidativa , geram uma maior quantidade de ATP.
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Visão geral da CTE
Os FADH2 e NADH produzidos são reoxidados na mitocôndria por um processo que compreende a remoção de seus prótons e elétrons. Os elétrons são conduzidos por uma série de transportadores até o O2. 
 Os transportadores são agrupados em 4 complexos, localizados na membrana mitocondrial interna. Estes complexos são conectados entre si através de 2 outros transportadores, a coenzima Q e o citocromo c.
Cada transportador é capaz de receber elétrons do transportador imediatamente anterior e transferi-lo ao seguinte, constituindo assim a CTE. O doador de elétrons é sempre uma coenzima reduzida e o aceptor final é o O2. 
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Com exceção da coenzima Q, todos os componentes da cadeia são proteínas.
A essas proteínas estão associados grupos prostéticos como FMN, FAD e centros de ferro-enxofre e grupos heme.
*FeS = grupo ferro enxofre, **FeSR = centro de Rieske
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Sintetiza ATP às custas da oxidação de coenzimas – FADH2 e NADH
Na síntese de ATP estão envolvidas: a CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS e a enzima ATP SINTASE (complexo V)
Ambos localizados na membrana interna da mitocôndria
Cadeia Transportadora de Elétrons (CTE)
Ciclo de Krebs
ATP
Sintase
CTE
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Complexo II
Complexo III
Complexo IV
Ubiquinona Q (UQ)
Citocromo C
Complexo I
Componentes da CTE
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COMPLEXO I – denominado NADH-coenzima Q-redutase ou NADH desidrogenase
 O NADH transfere os elétrons para a FMN, que reduz para FMNH2, esta transfere para os centros Fe-S e este para a Coenzima Q: Q  QH2 
A transferência de elétrons provoca a saída de prótons (4H+) da matriz para o espaço intermembranas.
Complexo I - catalisa a transferência de dois elétrons do NADH para a coenzima Q (ubiquinona). 
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COMPLEXO II – denominado Succinato-Coenzima Q-Redutase 
O complexo II também catalisa a redução da Q a QH2.
Segunda porta de entrada de elétrons na cadeia respiratória – via FADH2
O FADH2 passa elétrons as proteínas Fe-S e estes para a Q → QH2
O complexo II não bombeia prótons através da membrana mitocondrial, pois a variação de energia livre é insuficiente. Em conseqüência, forma-se menos ATP pela oxidação do FADH2 que pela do NADH.
Apesar dos nomes, os complexos I e II não operam em série, mas ambos atingem o mesmo resultado.
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Ubiquinona (UQ), Coenzima Q (CoQ) ou simplesmente Q
A ubiquinina ou Coenzima Q é uma benzoquinona lipossolúvel que se movimenta na membrana interna da mitocôndria transportando elétrons dos Complexos I e II para o complexo III. As características hidrofóbicas permitem a sua mobilidade na fase lipídica ao contrário de outros transportadores que têm posições relativamente fixas.
A ubiquinona pode aceitar um elétron, originando o radical semiquinona (QH), ou dois elétrons para formar ubiquinol (QH2).
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COMPLEXO III – denominado Coenzima Q-citocromo c-redutase ou citocromo bc1
O complexo III recebe elétrons do ubiquinol e transfere-os para o citocromo c. Esta transferência é particularmente complexa, uma vez que o ubiquinol transporta dois elétrons, mas o citocromo c só pode transportar um.
Na primeira etapa a QH2 transfere um dos elétrons para a proteína Fe-S liberando dois prótons no espaço intermembrana e produzindo a semiquinona (QH.). A proteína Fe-S reduz o citocromo c1 , enquanto a QH. transfere o elétron restante para o citocromo b, produzindo uma ubiquinona oxidada (Q). A Q oxidada recebe o elétron novamente do citocromo b, revertendo-se à forma QH.. 
Na segunda etapa, outra QH2, repete as etapas anteriores. Esse segundo elétron reduz a QH. produzida na primeira etapa, produzindo ubiquinol (QH2).
No ciclo Q, 2 moléculas de QH2 são oxidadas a Q e 4 prótons são bombeados para o espaço intermembranas, mas uma molécula de QH2 é regenerada
Q = ubiquinona 
QH = semiquinona 
QH2 = ubiquinol
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Os citocromos são proteínas transportadoras de elétrons que contém ferro (presente no grupo heme). Existem vários tipos de citocromo: a, b, c.
Grupo Heme
Citocromo c
Citocromo c
Citocromo c –movimenta-se na superfície externa da membrana, levando assim os elétrons recebidos do complexo III ao IV. 
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Complexo IV – Citocromo c oxidase
O complexo IV é o responsável pela doação 4 elétrons para a molécula de O2.
Neste complexo, os elétrons após passarem pelos cit a e a3, serão doados a 4H+ e 1O2 da matriz, sintetizando assim duas moléculas de água. A água formada pelo transporte de elétrons do Complexo IV para o O2 é chamada de água metabólica
No Complexo IV também ocorre o bombeamento de prótons da matriz para o espaço intermembranas
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Resumindo
O Complexo I transfere dois elétrons do NADH para a Q enquanto transfere quatro prótons para o espaço intermembrana. O Complexo II transfere elétrons do succinato através do FAD para a Q. Independe do complexo I. O Complexo III transfere dois elétrons da QH2 para duas moléculas de citocromo c. A operação do ciclo Q transfere quatro prótons para o espaço intermembrana. O Complexo IV reduz o O2 a 2 H2O usando quatro elétrons doados por quatro citocromos c e quatro prótons da matriz. Dois prótons são transferidos para o espaço intermembrana para cada dois elétrons que reduzem o oxigênio.
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Fosforilação oxidativa
O fluxo de elétrons do NADH ou FADH2 para o O2 através de complexos proteicos localizados na matriz mitocondrial interna leva ao bombeando de prótons para fora da matriz mitocondrial. 
A distribuição desigual de prótons resultante gera um gradiente de pH e um potencial elétrico transmembrana que cria uma força de próton-motriz. ATP é sintetizado quando os prótons fluem de volta para a matriz mitochondrial através de um complexo enzimático.
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Fosforilação oxidativa (FO)
 A fosforilação oxidativa é o processo pelo qual o ATP é formado como resultado da transferência de elétrons do NADH ou FADH2 para o O2 por uma série de transportadores de elétrons. Este processo que ocorre na mitocôndria é a principal fonte de ATP em organismos aeróbicos. 
 Durante o fluxo de elétrons há liberação de energia livre suficiente para a síntese de ATP em 3 locais da cadeia respiratória: Complexos I, III e IV. 
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Síntese de ATP
Como a membrana interna é impermeável a prótons, estes só podem voltar à matriz através de sítios específicos da membrana interna, constituídos pelo complexo sintetizador de ATP  a ATP SINTASE
 Ao voltar para a matriz mitocondrial, ocorre liberação de energia que é utilizada para a síntese de ATP numa reação catalisada pela ATP sintase
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Estrutura da ATP sintase ou F1FoATPase
Composta de duas unidades funcionais F0 e F1 
 F0 é um canal de prótons transmembrana 
 F1 é composta por várias subunidades () e dentre elas, a subunidade  catalisa a reação de síntese de ATP 
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Componentes da F0F1ATPase
A energia liberada pelo movimento de prótons contra o gradiente de concentração promove a rotação da subunidade γ . Isto modifica a conformação da subunidade β e sintetisa ATP. Requerimento do influxo de três prótons para gerar um ATP .
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Ocorre na mitocôndria
Ocorre apenas em condições aeróbicas (O2 aceptor de elétrons)
O processo é responsável pela maioria do ATP sintetizado em organismos aeróbicos. 
Fosforilação oxidativa - visão geral
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Rendimento Energético
Para cada NADH oxidado, a variação de energia livre permite sintetizar 3 moles de ATP
Para cada FADH2 oxidado, a variação de energia livre permite sintetizar
2 moles de ATP
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 Cada NADH que se oxida fornece energia para síntese de 3 ATP
 Cada FADH2 que se oxida fornece energia para síntese de 2 ATP.
RENDIMENTO ENERGÉTICO
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CONTROLE RESPIRATÓRIO
O transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente acoplados
Só há oxidação das coenzimas se houver síntese de ATP
ADP atinge concentrações limitantes na célula. É o regulador dos dois processos
Quando ATP é consumido, ADP aumenta e há um estímulo dos dois processos.
Quando há muito ATP, há pouco ADP e os dois processos são mais lentos.
Regulação da fosforilação oxidativa 
Quando a fosforilação oxidativa é mínima, no estado de repouso, o gradiente eletroquímico na matriz mitocondrial interna acumula-se e impede a continuação do bombeamento de prótons, inibindo o transporte de elétrons, fazendo com que o pH no espaço intermembrana diminua 
Quando a síntese do ATP aumenta, o gradiente eletroquímico é dissipado, permitindo o reinício do transporte de elétrons 
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 O limitante destes processos é a concentração de ADP. Daí é o regulador mais importante.
Níveis de ADP refletem a taxa de consumo de ATP e o estado de energia da célula. 
A baixos níveis de ADP a fosforilação oxidativa é baixa. O ATP age como um inibidor alostérico p/ ComplexoIV (citocromo oxidase)
Regulação do Sistema
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Inibidores da Cadeia transportadora de elétrons e FO
Estes compostos param o funcionamento da cadeia, não há síntese de ATP e são potencialmente letais
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Complexo I – Rotenona (inseticida), Barbitúricos (hipnóticos, Amital)
Complexo II - Malonato
Ubiquinona (Coenzima Q) – não conhecido
Complexo III – Antimicina A
Citocromo c – não conhecido
Complexo IV – Cianeto, Monóxido de Carbono, Azida sódica, Ácido sulfídrico
Inibidores da Cadeia transportadora de elétrons
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Estrutura dos Inibidores da CTE
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Desacopladores dissociam o transporte de elétrons do processo de síntese de ATP. 
Moléculas que carregam prótons para 
dentro da mitocôndria. A cadeia respiratória 
funciona, mas a energia é perdida como calor
Proteínas
– Tecido adiposo marrom
– Plantas
Moléculas pequenas
– Dinitrofenol (DNP), dicumarol
– fluorocarbonil-cianeto fenilhidrazona (FCCP)
Desacopladores
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Desacopladores - 2,4 - dinitrofenol
DNP (2,4 dinitrofenol) composto hidrofóbico que atravessa a membrana interna da mitocôndria e transporta prótons.
Os prótons deixam de passar pela ATP sintase e para a síntese de ATP.
No passado, DNP usado como agente emagrecedor
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Desacopladores Fisológicos
•Desacopladores da CTE FO ocorrem em animais como um meio de produzir calor.
•Importante na hibernação de mamíferos, animais recém nascidos e mamíferos adaptados ao frio.
•Ocorrem nos tecidos adiposos marrons (ricos na mitocôndria)
•Proteína Desacopladora (UCP) = canal p/ influxo de próton, dissipa o gradiente de prótons.
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Na maioria dos mamíferos, incluindo o homem, os recém-nascidos possuem um tipo de tecido chamado de tecido adiposo marrom, no qual a oxidação dos combustíveis não funciona para produzir ATP, mas sim gerar calor para manter o recém-nascido aquecido.
A termogenina, também chamada de proteína desacopladora (UCP) fornece uma via para os prótons retornarem à matriz sem passarem através do complexo F0F1. A energia derivada do transporte de elétrons é liberada como calor.
 Ocorre principalmente em animais que hibernam. 
 Também tem relação com diferenças no metabolismo entre as diferentes pessoas.
Desacoplamento da fosforilação oxidativa – tecido adiposo marrom
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Aproveitamento de NADH citoplasmático através de lançadeiras
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Oxidação do NADH citosólico Lançadeiras malato-aspartato
No citosol o OAA e reduzido a malato, regenerando o NAD+. O malato é transportado para a matriz mitocondrial e oxidado de volta a OAA, produzindo NADH mitocondrial. O OAA é então transaminado em Asp, que é transportado para o citoplasma em troca do Glu. O ciclo é completado pela transaminação de Asp de volta a OAA.
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Oxidação do NADH citosólico Lançadeira glicerol-fosfato
A lançadeira glicerol-fosfato produz FADH2 na membrana mitocondrial interna de forma que entre na CTE no complexo II, reduzindo a coenzima Q.
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Estresse oxidativo
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Derivados tóxicos do oxigênio molecular podem ser formados na ultima etapa da Cadeia Respiratória.
Formas reativas do oxigênio (ROS, reactive oxygen species), como o anion superóxido e o peróxido de hidrogênio são formadas em quantidades pequenas.
ROS podem desencadear cascatas de oxidação nas células, resultando em mutações e no aparecimento de doenças.
Os ROS são destruídos pela superóxido dismutase e pelas catalases.
Anti-oxidantes naturais incluem ainda as vitaminas A, E e C.
Estresse oxidativo
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As principais fontes de NADH incluem reações do ciclo do ácido cítrico e da oxidação dos ácidos graxos.
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benzoquinona) é um dos dois isômeros de posição da ciclohexanodiona
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A Ubiquinona pode movimentar-se ao longo da bicamada lipídica. Assim, após receber elétrons a partir de qualquer um dos complexos anteriores, caminha até o complexo III, responsável por recebê-los e repassá-los ao citocromo c. A UQH2, entretanto, só doará um elétron por vez ao cit c, o outro será doado a um cit b no complexo, que o devolverá à UQ, estabelecendo um ciclo em que se repetem estas etapas: UQH recebe um elétron do complexo I ou II mais 1H+ da matriz. A UQH2 assim formada libera 1H+ para o espaço intermembrana e um elétron para o cit b. A UQH resultante libera outro H+ e doa um elétron ao cit c. A UQ recebe de volta um elétron do cit b e 1H+ da matriz. 
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Inibidores usados para estabelecer a sequência dos complexos.
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Barbitúrico= calmante, sedativo
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Nos anos 20, DNP era utilizado para emagrecer, mas gerava efeitos colaterais graves, muitas vezes, fatais.
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