A mitocôndria oxida combustíveis para gerar energia, em analogia ao processo pelo qual as usinas de força utilizam os combustíveis para gerar energia elétrica

Micrografia eletrônica de uma mitocôndria animal

0.5 x 1.0 μm (tamanho de uma bactéria)

Uma célula eucariótica tem em média 2 mil mitocôndrias que ocupam 1/5 do vol celular

A oxidação completa da glicose: C6H12O6 + 6 O2 6 CO2 + 6 H2O

O fluxo de elétrons pode fazer trabalho biológico

• Uma das contribuições mais familiares da eletroquímica para o nosso dia a dia é a bateria usada no toca-fitas portátil, no CD player, no laptop. Essa bateria é um exemplo de célula eletroquímica.

• Célula eletroquímica é um dispositivo no qual corrente, um fluxo de elétrons através de um circuito, é produzida por uma reação química espontânea

http://www.youtube.com/watch?v=6d-yN-PKCGI

CONSTRUÇÃO DAS PILHAS As pilhas comuns de uso doméstico são formadas por quatro componentes principais: 1. Anodo: Eletrodo negativo de "combustível"

que contém os eléctrons armazenados que alimentam seus dispositivos.

2. Cátodo: Eletrodo positivo que aceita os eléctrons do circuito externo, permitindo-os circular.

3. 3. Eletrólito: Um condutor que transfere a carga entre o anodo e o cátodo dentro de cada célula.

4. Separador: Um material que proporciona uma barreira entre o anodo e o catodo para evitar que ambos se toquem entre si, permitindo ao mesmo tempo a livre circulação da carga.

Reações de óxido-redução • Muitas das reações do organismo processam-se

com redução e oxidação dos compostos participantes

• Ared Aox + e-

• Box + e- Bred • --------------------------

Ared + Box Aox + Bred A tendência de um par redox (Aox / Ared)em

perder ou ganhar elétrons é expressa pelo seu potencial de óxido-redução , E

Fe2+ Fe3+ + e- Cu2+ + e- Cu+ ---------------------------------------------------------

Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

Nas reações de óxido-redução, a variação de energia livre padrão pode ser determinada através da variação do potencial de óxido-redução ΔGo’ = -n F Δ Eo’

O valor de Eo’ é uma medida da afinidade do par redox por elétrons. Quanto maior o

potencial maior a finidade

• NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+ Eo’ = -0,32 V

• Piruvato + 2e- + 2H+ Lactato Eo’ = -0,19 V • ------------------------------------------------------------- • Piruvato + NADH + 2H+ NAD+ + Lactato • Δ Eo’ = Eo’ do oxidante - Eo’ do redutor • Δ Eo’ = -0,19 – (-0,32) = + 0,13

Eo = potencial de óxido-redução padrão , para concentração 1M da forma oxidade e 1M

forma reduzida, em pH 7 = Eo’

Para concentrações diferentes de 1 M , o potencial de óxido-redução E, é função das

concentrações e do potencial padrão E’ = Eo’ + 2,3RT log [forma oxidada]

nF [forma reduzida] Equação de Nearst

Estados de oxidação do carbono: -Quando o C está ligado ao H (menos eletronegativo) os eletrons de ligação “pertencem” mais ao C -Quando C-C a divisão é igualitária -Quando C está ligado a um átomo mais eletronegativo O , os eletrons “pertencem mais ao oxigênio)

Os elétrons são coletados no metabolismo por aceptores universais

• NADH ou NADPH

• FAD ou FMN

Formas de transferência de elétrons 1- Como elétrons: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

2- Como átomos de hidrogênio (H+) + 1 e- AH2 A + 2e- + 2H+ 3- Como íon hidreto :H- (que tem 2 e-) NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+

4- Combinação direta com o oxigênio R-CH3 + ½ O2 → R-CH2-OH Hidrocarboneto é o doador e o oxigênio é o aceptor

Cadeia de Transporte de Elétrons

• Nos organismos aeróbicos, a oxidação das coenzimas é feita por transferência de seus elétrons para o oxigênio;

• O oxigênio, recebendo elétrons, liga-se a prótons do meio formando H2O

• Esse processo libera grande quantidade de energia

Por exemplo: NAD+ /NADH Eo’ = -0,32V O2 /H2O Eo’ = + 0,82 ΔGo’ = -n F Δ Eo’

ΔGo’ = -2 x 96500 x [ 0,82 –(-0,32)] = -220 kJ.mol-1

ΔGo’ para ATP = 31 kJ.mol-1

• A estratégia utilizada pela célula é transformar a energia contida nas coenzimas reduzidas em gradiente de prótons.

• Passagem por vários compostos- cadeia de trnasporte de elétrons.

• Os compostos são organizados na cadeia de acordo com o seu potencial de óxido-redução até atingir o O2 que tem o maior potencial de óxido-redução.

• O transporte de elétrons é facilitado pela organização de tais compostos na membrana.

• Esses componentes agrupam-se em quatro complexos.

• Sem fazer parte de complexos, aparecem ainda 2 componentes, a Coenzima Q e o citocromo c

O fluxo de elétrons pode realizar trabalho biológico • Em um circuito elétrico que impulsiona um motor, a fonte de elétrons pode

ser uma bateria contendo duas espécies químicas que diferem na afinidade por elétrons.

• Os fios elétricos fornecem um caminho para o fluxo de elétrons de uma espécie química em um polo da bateria, por meio do motor, para a espécie química no outro pólo da bateria.

• Pelo fato das 2 espécies químicas diferirem em suas afinidades por elétrons, esses fluem espontaneamente por meio do circuito, conduzidos por uma força proporcional a diferença na eletroafinidades, a força eletromotriz (fem). O motor pode estar acoplado a diversos dispositivos capazes de realizar trabalho.

Células Vivas

• Circuito biológico análogo.

• Composto relativamente reduzido: glicose (fonte de elétrons)

• Os elétrons fluem por carreadores para outra espécie química : oxigênio

• A fem fornece energia para transdutores biológicos (enzimas e outras proteínas para realizar trabalho.

Cadeia de Transporte de Elétrons • Nos organismos aeróbicos, a oxidação das

coenzimas é feita por transferência de seus elétrons para o oxigênio;

• O oxigênio, recebendo 4 elétrons, liga-se a prótons do meio formando H2O

• Esse processo libera grande quantidade de energia

Por exemplo: NAD+ /NADH Eo’ = -0,32V O2 /H2O Eo’ = + 0,82 ΔGo’ = -n F Δ Eo’

ΔGo’ = -2 x 96500 x [ 0,82 –(-0,32)] = -220 kJ.mol-1

ΔGo’ para ATP = 31 kJ.mol-1

F = carga elétrica de um mol de életrons (1 F = 96.500J.V-1.mol-1)

• O transporte de elétrons é facilitado pela organização de tais compostos na membrana.

• Esses componentes agrupam-se em quatro complexos.

• Sem fazer parte de complexos, aparecem ainda 2 componentes, a Coenzima Q e o citocromo c

• A estratégia utilizada pela célula é transformar a energia contida nas coenzimas reduzidas em gradiente de prótons.

• Passagem por vários compostos- cadeia de transporte de elétrons.

• Os compostos são organizados na cadeia de acordo com o seu potencial de óxido-redução até atingir o O2 que tem o maior potencial de óxido-redução.

∆ G0´ para a síntese de ATP = 30,5 KJ.mol-1

ACEPTORES E DOADORES ARTIFICIAIS Eo'

Piocianina red/ox -0,34

2,6-diclorofenolindofeno (DCPI) red/ox 0,20

Benzil Viológeno red/ox -0,36

Ferricianeto Fe(CN)64-/Fe (CN)63- 0,36

p fenilenodiamino (p-FDA) red/ox 0,27

O fluxo de elétrons pode realizar trabalho biológico • Em um circuito elétrico que impulsiona um motor, a fonte de elétrons pode

ser uma bateria contendo duas espécies químicas que diferem na afinidade por elétrons.

• Os fios elétricos fornecem um caminho para o fluxo de elétrons de uma espécie química em um polo da bateria, por meio do motor, para a espécie química no outro pólo da bateria.

• Pelo fato das 2 espécies químicas diferirem em suas afinidades por elétrons, esses fluem espontaneamente por meio do circuito, conduzidos por uma força proporcional a diferença na eletroafinidades, a força eletromotriz (fem). O motor pode estar acoplado a diversos dispositivos capazes de realizar trabalho.

Eletrodo onde ocorre A oxidação= ânodo (-)

Eletrodo onde ocorre a redução = cátodo (+)

ânodo Fonte de elétrons

Os elétrons viajam através do circuito externo e entram outra vez na Célula através do eletrodo (+) cátodo

O potencial de redução mede a afinidade por elétrons

• Quando 2 pares redox conjugados estão presentes conjuntamente em solução, pode ocorrer transferência espontânea de um par para outro.

• O potencial de redução padrão, Eo, uma medida em volts dessa afinidade , pode ser determinado.

• Os eletroquímicos escolheram como referência a meia reação:

• H+ + e- → ½ H2

• Ao eletrodo em que essa meia reação ocorrer é atribuído arbitrariamente, um potencial padrão de 0,00V

Concentação padrão= 1M

Os elétrons fluem da meia-célula com menor potencial para a de maior

Eo = potencial de óxido-redução padrão , para concentração 1M da forma oxidada e 1M

forma reduzida, em pH 7 = Eo’

Para concentrações diferentes de 1 M , o potencial de óxido-redução E, é função das

concentrações e do potencial padrão E’ = Eo’ + 2,3RT log [forma oxidada]

nF [forma reduzida] Equação de Nearst.

O valor de Eo’ é uma medida da afinidade do par redox por elétrons. Quanto maior o

potencial maior a finidade

• NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+ Eo’ = -0,32 V

• Piruvato + 2e- + 2H+ Lactato Eo’ = -0,19 V • ------------------------------------------------------------- • Piruvato + NADH + 2H+ NAD+ + Lactato • Δ Eo’ = Eo’ do oxidante - Eo’ do redutor • Δ Eo’ = -0,19 – (-0,32) = + 0,13

Nas reações de óxido-redução, a variação de energia livre padrão pode ser determinada através da variação do potencial de óxido-redução ΔGo’ = -n F Δ Eo’

Estados de oxidação do carbono: -Quando o C está ligado ao H (menos eletronegativo) os eletrons de ligação “pertencem” mais ao C -Quando C-C a divisão é igualitária -Quando C está ligado a um átomo mais eletronegativo O , os eletrons “pertencem mais ao oxigênio)

Formas de transferência de elétrons 1- Como elétrons: Fe2+ + Cu2+ Fe3+ + Cu+

2- Como átomos de hidrogênio (H+) + 1 e- AH2 A + 2e- + 2H+ 3- Como íon hidreto :H- (que tem 2 e-) NAD+ + 2e- + 2H+ NADH + H+

4- Combinação direta com o oxigênio R-CH3 + ½ O2 → R-CH2-OH Hidrocarboneto é o doador e o oxigênio é o aceptor

Os elétrons são coletados no metabolismo por aceptores universais

• NADH ou NADPH

• FAD ou FMN

• 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.

A ubiquinina ou Coenzima Q é uma benzoquinona lipossolúvel

Os citocromos: são hemeproteínas de transporte de elétrons

Proteínas ferro-enxofre

Complexo I - NADH : ubiquinona oxirredutase • É uma enzima grande formada por cerca de

42 cadeias polipeptídicas. • A essas cadeias estão associados: 1 FMN e 6

ou 7 centros de ferro-enxofre.

NADH + H+ + FMN (complexo I) → NAD+ + FMNH2 (complexo I)

→ Centros Fe-S no complexo ---

Exclusão de Prótons

• Centros Fe-S no complexo não recebem prótons.

• No processo de transferência de elétrons do FMNH2 para esses centros os prótons são excluídos, sendo transferidos da membrana mitocondrial interna para o espaço intermembranas.

Complexo 2- Succinato-coenzima Q redutase • Segunda porta de entrada de elétrons na cadeia. • Faz parte desse complexo a enzima succinato desidrogenase, a

única do ciclo de Krebs presente na membrana mitocondrial • Essa enzima tem FAD como grupo prostético • Por esses componentes passam os elétrons derivados do FADH2. • Os prótons presentes no FADH2 são devolvidos para a matriz, não

contribui para o gradiente de prótons

A Coenzima Q

• É uma quinona com uma longa cadeia lateral isoprênicas.

• As características hidrofóbicas permitem a sua mobilidade na fase lipídica ao contrário de outros transportadores que têm posições relativamente fixas.

• A CoQ recebe 2 prótons e 2 elétrons passando a QH2.

A CoQ recebe elétrons do Complexo1, complexo2, do glicerol 3-fosfato e acil-CoA

Complexo III- coenzima Q citocromo c redutase

• Os citocromos são proteínas transportadoras de elétrons que contêm o grupo heme

• (Fe2+→ Fe3+)

• Citocromo b → Fe-S →citocromo c1

• Citocromo c1 → citocromo c

Primeira etapa Segunda etapa QH2 QH. QH2 Q QH . QH2 Cit c (Fe3+) Cit c (Fe2) Cit c (Fe3+) Cit c (Fe2+) 1H+ da matriz 2 H+ exterior 1H+ da matriz 2H+ exterior

O citocromo c

• É uma proteína pequena situada na face externa da membrana mitocondrial interna.

• É uma proteína periférica . • Conecta o complexo III com o IV

Complexo IV-citocromo oxidase • É uma enzima grande. • Contém 2 citocromos do tipo a e dois íons

cobre. • É responsável pela doação de 4 elétrons para o

oxigênio. • Para cada 4 elétrons passando por esse

complexo, a enzima consome 4 H+ • 4 cit c red + 8 H+ + O2 → 4 cit c ox + 4H+ +

2H20

Citocromo oxidase

P/O 2.5 NADH P/O 1.5 FADH2

Inibidores

• Drogas capazes de inibir o transporte de elétrons.

• O resultado desta ação é a paralisação do transporte de elétrons e das vias metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação das coenzimas.

inseticida

antibiótico

barbitúrico

Inseticida

antibiótico

Voet Biochemistry 3e © 2004 John Wiley & Sons, Inc.

Figure 22-11 Effect of inhibitors on electron transport.

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805

A energia liberada do transporte de elétrons é convertida em uma força próton-motriz- Teoria Quimiosmótica ( Mitchell)

0,1-0,2 V

NADH

CoQ

III

I

C

IV

Go’ KJ

NADH +H+ +1/2O2+ 3ADP + 3Pi + 3H+→NAD+ + 3ATP + 4H2O FADH2 + 1/2O2 +2ADP +2Pi+ 2H+ →FAD +2ATP + 3H2O

P/O = 3 ou P/O =2

A ATP sintase; dois componentes com várias cadeias polipeptídicas

F1

haste

Fo

A oligomicina, um antibiótico se liga a subunidade Fo e inibe o transporte de prótons

Matriz

Micrografia eletrônica de uma crista de mitocôndria apresentando os pirulitos F1 projetados na matriz

Face interna da mitocôndria Recoberta por microesferas

Interpretive drawings of the mitochondrial membrane at various stages of dissection.

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827

O ATP é sintetizado quando os prótons voltam à matriz mitocondrial

A ATP sintase tem 3 sítios catalíticos cada um em 3 conformações segundo a intensidade de ligação com o ATP. O = open (aberta) L = loose (frouxa) T= tight (apertada)

http://www.youtube.com/watch?v=FUcTSyEX1QU&feature=related

http://www.youtube.com/watch?v=JdjCzhAS2N8&feature=related

Adenina nucleotídeo e fosfato-translocases

Acoplamento do Transporte de életrons à síntese de ATP: controle respiratório

• As necessidades de ATP variam dependendo do estado fisiológico

• O transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos acoplados.

• Os substratos desse processo são: Coenzimas reduzidas Oxigênio ADP e Fosfato O ADP é o único que atinge concentrações limitantes na

células- é o regulador de ambos os processos

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766

SALDO ENERGÉTICO Etapa Hidrogênio ATP

Glicólise 2 NADH2 4 ATP

2Piruvato para acetil-CoA Ciclo de Krebs (2 moléculas de ácido pirúvico, portanto 2 voltas)

2 NADH2 6 NADH2 2 FADH2

6 ATP 2 ATP

Cadeia respiratória 8 NADH2 24 ATP

2 FADH2 4 ATP

Total Geral 40 ATP

Gasto 2 ATP na glicólise -2 ATP

Saldo líquido 38 ATP

1 NADH = 3 ATP e um FADH2 = 2 ATP

NADH= 2,5 ATPs FADH2= 1,5 ATPS

SALDO ENERGÉTICO

RESPIRAÇÃO AERÓBIA

C6 H12 O6 6CO2 + 6H2O+ 38ATP

Inibidores

• Drogas capazes de inibir o transporte de elétrons.

• O resultado desta ação é a paralisação do transporte de elétrons e das vias metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação das coenzimas.

Inseticida

antibiótico

Inibidor da PO

• Oligomicina- inibe a síntese de ATP liga-se a Fo, torna-a impermeável a prótons.

Desacopladores

• DNP- 2,4-dinitrofenol –caráter hidrfóbico, • Pode atravessar membranas. • Associa-se a prótons no exterior e libera no

interior.

Carbonilcianeto-p-trifluormetoxifenilhidrazina

DNP- 2,4-dinitrofenol –caráter hidrofóbico, Pode atravessar membranas. Associa-se a prótons no exterior e libera no interior.

Desacopladores

Oxidação do NADH citossólico. Lançadeiras

• Os elétrons do NADH são transferidos para um composto citossólico, que reduzido pode atravessar a membrana

• 2 tipos conhecidos de lançadeira: -Malato-aspartato -Glicerol-3-fosfato

Fígado, rim e coração

Lançadeira malato-aspartato

Músculo esquelético e cérebro

Geração de calor por mitocôndrias desacopladas