1

CadeiaCadeia TransportadoraTransportadora de Elde Eléétronstronsee

FosforilaFosforilaçção Oxidativaão Oxidativa

Alexandre Alexandre HavtHavt

ObjetivosObjetivos

�� Demonstrar como o transporte de elDemonstrar como o transporte de eléétrons trons na membrana mitocondrial gera forna membrana mitocondrial gera forçça a prpróótonton--motriz para a smotriz para a sííntese de ATPntese de ATP

�� Importância da utilizaImportância da utilizaçção de ATP para as ão de ATP para as reareaçções biolões biolóógicasgicas

ObtenObtençção de Energiaão de Energia

�� QuimiotrQuimiotróóficosficos

�� Nutrientes oxidadosNutrientes oxidados�� Perda de prPerda de próótons (Htons (H++) e el) e eléétrons (etrons (e--))�� ÁÁtomos de carbono convertidos em COtomos de carbono convertidos em CO22

�� Coenzimas reduzidasCoenzimas reduzidas�� ReduReduçção de Oxigênio em Hão de Oxigênio em H22OO

QuimiolitotrQuimiolitotróóficosficos (compostos inorgânicos)(compostos inorgânicos)

QuimiorganotrQuimiorganotróóficosficos (compostos orgânicos)(compostos orgânicos)

Obtenção de energia por oxidação de compostos do meio

CarboidratosLipídeosProteínas

CO2 H+ + e-

Coenzimas(oxidadas)

CoenzimasH+ + e-

(reduzidas)

O2 + ADP + Pi

ATP + H2O

ObtenObtençção de Energiaão de Energia

FontesFontes de ATPde ATP

�� Metabolismo anaerMetabolismo anaeróóbio de nutrientesbio de nutrientes�� AlAláácticoctico

��Fosfocreatina Fosfocreatina quinasequinase -- ATPATP

�� LLáácticoctico��Glicose Glicose –– Piruvato Piruvato –– LactatoLactato

�� Metabolismo aerMetabolismo aeróóbio de nutrientesbio de nutrientes�� Ciclo do Ciclo do áácido ccido cíítricotrico�� Cadeia transportadora de elCadeia transportadora de eléétronstrons�� FosforilaFosforilaçção oxidativaão oxidativa

Potência aerPotência aeróóbia e anaerbia e anaeróóbiabia

InstantâneoInstantâneo9,09,0Catabolismo de Catabolismo de fosfocreatinafosfocreatina

5 5 –– 10 segundos10 segundos4,54,5GlicGlicóóliselise

Alguns minutosAlguns minutos2,82,8OxidaOxidaçção de glicogênioão de glicogênio

≅≅ 90 90 minutosminutos1,01,0OxidaOxidaçção da glicose ão da glicose sangusanguííneanea

>2h>2h1,01,0OxidaOxidaçção lipão lipíídicadica

Tempo de Tempo de retardoretardommolmmol ATPATP/Kg/s/Kg/sSubstratoSubstrato

2

ContribuiContribuiçção aerão aeróóbia e anaerbia e anaeróóbia na bia na produproduçção de energiaão de energia

7979212100--240240

7373272700--180180

6363373700--120120

5656444400--9090

5151494900--7575

4545555500--6060

3737636300--4545

2727737300--3030

1818828200--2020

1212888800--1515

0606949400--1010

% Aer% Aeróóbiobio% Anaer% AnaeróóbiobioDuraDuraçção do exercão do exercíício (s)cio (s)

Metabolismo AerMetabolismo Aeróóbiobio

�� MitocôndriaMitocôndria�� Membrana duplaMembrana dupla

�� Externa Externa -- superfsuperfíície lisacie lisa

�� EspaEspaçço o intermembranarintermembranar

�� Interna Interna –– cristascristas�� Enzimas de oxidaEnzimas de oxidaççãoão

�� MatrizMatriz

�� DNA mitocondrialDNA mitocondrial

�� RibossomosRibossomos

�� AbsorAbsorçção de bactão de bactéérias rias aeraeróóbiasbias

OxidaOxidaçção da Glicoseão da Glicose

22101044TotalTotal

--

--

--

22

22

22

22

--

2 (GTP)2 (GTP)Ciclo do Ciclo do áácido ccido cíítricotrico

IsocitratoIsocitrato αα--cetoglutaratocetoglutarato

αα--cetoglutaratocetoglutarato SuccinilSuccinil--CoACoA

MalatoMalato OxaloacetatoOxaloacetato

SuccinatoSuccinato FumaratoFumarato

--22--Piruvato Piruvato AcetilAcetil--CoACoA

--2222GlicGlicóóliselise

GliceraldeidoGliceraldeido 33--fosfato 3fosfato 3--fosfogliceratofosfoglicerato

Moles de Moles de FADHFADH22

Moles de Moles de NADHNADH

Moles de Moles de ATPATP

ReaReaççãoão

OxidaOxidaçção de Coenzimasão de Coenzimas

�� Energia conservada nas coenzimas reduzidasEnergia conservada nas coenzimas reduzidas

�� OxidaOxidaççãoão

��Possam participar novamente das vias Possam participar novamente das vias catabcatabóólicaslicas

��Energia conservada Energia conservada éé usada parausada para::

�� SSííntese de ATPntese de ATP

�� ReduReduçção do Oão do O22 em Hem H22OO

OxidaOxidaçção de Coenzimasão de Coenzimas�� Compare as variaCompare as variaçções de energia livre padrãoões de energia livre padrão::

�� Transferência de 2 elTransferência de 2 eléétrons de NADH para o Otrons de NADH para o O22

��∆∆GGoo’’ = = -- 220 kJ.mol220 kJ.mol--1 1 ([ ] dos ([ ] dos produtos > [ ] dos reagentesprodutos > [ ] dos reagentes))

�� SSííntese de ATPntese de ATP��∆∆GGoo’’ = + 31 kJ.mol= + 31 kJ.mol--11 ([ ] dos ([ ] dos produtos < [ ] dos reagentesprodutos < [ ] dos reagentes))

�� ““Se a transferência de elSe a transferência de eléétrons das coenzimas reduzidas trons das coenzimas reduzidas fosse feita diretamente para o Ofosse feita diretamente para o O22 toda a energia seria liberada toda a energia seria liberada na forma de calorna forma de calor””

�� EstratEstratéégia celular para sgia celular para sííntese de ATPntese de ATP�� Energia da transferência de elEnergia da transferência de eléétrons para gerar gradiente de prtrons para gerar gradiente de próótonstons

Cadeia Transportadora de ElCadeia Transportadora de Eléétronstrons

�� Ocorre na membrana interna da mitocôndriaOcorre na membrana interna da mitocôndria

�� Quatro complexos enzimQuatro complexos enzimááticosticos

�� I I –– NADHNADH--CoQCoQ redutaseredutase (FMN / centros Fe(FMN / centros Fe--S)S)

�� II II –– SuccinatoSuccinato--CoQCoQ redutaseredutase (FAD / Centros Fe(FAD / Centros Fe--S / Citocromo b)S / Citocromo b)

�� III III –– CoQCoQ--citocromocitocromo c c redutaseredutase (Citocromos b e c(Citocromos b e c11 / Centros Fe/ Centros Fe--S)S)

�� IV IV –– CicromoCicromo c oxidase c oxidase (Citocromos a e a(Citocromos a e a33 / / ÍÍons de cobre)ons de cobre)

�� 2 transportadores de el2 transportadores de eléétronstrons

�� Coenzima Q (Coenzima Q (CoQCoQ) ) –– ubiquinonaubiquinona (não prot(não protééico)ico)

�� Conecta complexos I e II ao IIIConecta complexos I e II ao III

�� Citocromo cCitocromo c

�� Conecta complexo III ao IVConecta complexo III ao IV

3

Cadeia Transportadora de ElCadeia Transportadora de Eléétronstrons Complexo I (Complexo I (NADHNADH--CoQCoQ redutaseredutase))

�� Formado por 26 cadeias polipeptFormado por 26 cadeias polipeptíídicasdicas

�� Grupos prostGrupos prostééticosticos

�� FlavinaFlavina mononucleotmononucleotíídeodeo (FMN)(FMN)

��Capaz de receber 2 prCapaz de receber 2 próótons e 2 eltons e 2 eléétronstrons

��Reduzido a forma FMNHReduzido a forma FMNH2 2 por NADHpor NADH

�� 6 ou 7 centros Ferro 6 ou 7 centros Ferro –– EnxofreEnxofre

��Capazes de transportar elCapazes de transportar eléétronstrons

�� FeFe+3+3 para Fepara Fe+2+2

Complexo I (Complexo I (NADHNADH--CoQCoQ redutaseredutase))

2H+

Complexo II (Complexo II (SuccinatoSuccinato--CoQCoQ redutaseredutase))

�� SuccinatoSuccinato desidrogenasedesidrogenase

�� Enzima da membrana interna mitocondrialEnzima da membrana interna mitocondrial

�� Ciclo do Ciclo do áácido ccido cíítricotrico

�� SuccinatoSuccinato oxidado oxidado àà FumaratoFumarato

�� ReduReduçção de FAD (grupo prostão de FAD (grupo prostéético) tico) àà FADHFADH22

�� Transporte de 2 prTransporte de 2 próótons e 2 eltons e 2 eléétrons trons

�� Centros FeCentros Fe--S e S e citocromocitocromo bb560560

�� Transporte de elTransporte de eléétronstrons

�� PrPróótons voltam a matriztons voltam a matriz

�� Não hNão háá contribuicontribuiçção para a formaão para a formaçção de gradiente de prão de gradiente de próótonstons

�� ∆∆EEoo’’ e e ∆∆GGoo’’ SSuccinatouccinato –– CoQCoQ seja pequenoseja pequeno

�� Complexo II não atinja parte externa da membrana internaComplexo II não atinja parte externa da membrana interna

Complexo II (Complexo II (SuccinatoSuccinato--CoQCoQ redutaseredutase))

2H+

Coenzima Q ou Coenzima Q ou ubiquinonaubiquinona�� QuinonaQuinona

�� Cadeia LateralCadeia Lateral�� Unidades Unidades isoprênicasisoprênicas

�� MolMoléécula hidrofcula hidrofóóbicabica�� Mobilidade na membranaMobilidade na membrana

�� 2 Pr2 Próótons e 2 eltons e 2 eléétronstrons

�� Forma reduzida Forma reduzida �� UbiquinolUbiquinol -- QHQH22

�� Forma Forma semireduzidasemireduzida�� SemiquinonaSemiquinona -- QHQH++

4

Fonte de ReduFonte de Reduçções da ões da CoQCoQ�� Recebe elRecebe eléétronstrons

�� Complexo I e IIComplexo I e II

�� Glicerol 3Glicerol 3--fosfato desidrogenasefosfato desidrogenase

�� Transporte de elTransporte de eléétronstrons

�� Face externa da membrana internaFace externa da membrana interna

�� Grupos prostGrupos prostééticosticos�� FADFAD

�� Centro FeCentro Fe--SS

�� AcilAcil--CoACoA desidrogenase desidrogenase –– metabolismo dos lipmetabolismo dos lipíídeosdeos

�� Transporte de elTransporte de eléétronstrons

�� MatrizMatriz

�� Grupos prostGrupos prostééticosticos�� FAD FAD ––

�� ETF (ETF (FlavoproteFlavoproteíínana transferidora de eltransferidora de eléétrons)trons)

�� ETFETF--ubiquinonaubiquinona óóxido xido redutaseredutase�� FADFAD

�� Centro FeCentro Fe--SS

CoQCoQ Como Ponto de Convergência dos ElComo Ponto de Convergência dos Eléétronstrons

CoQCoQ Como Ponto de Convergência dos ElComo Ponto de Convergência dos Eléétronstrons CitocromosCitocromos�� Transportadores de elTransportadores de eléétronstrons

�� Grupo heme (Ferro)Grupo heme (Ferro)

�� FeFe+2+2 –– FeFe+3+3

�� Membrana interna mitocôndriaMembrana interna mitocôndria

�� Membrana RetMembrana Retíículo Endoplasmculo Endoplasmááticotico

�� ClassificaClassificaçção ão

�� Espectro de absorEspectro de absorççãoão

�� a, b e ca, b e c

�� b e c b e c –– ““hemeheme”” igual ao da hemoglobina igual ao da hemoglobina

(grupos (grupos vinilavinila e metila)e metila)

�� a a –– grupo grupo isoprênicoisoprênico e e formilaformila

�� Forma de ligaForma de ligaçção do heme ão do heme àà proteproteíínana

�� a e b a e b –– ligaligaçção não covalenteão não covalente

�� c c –– covalente (covalente (cistecisteíínasnas) )

�� Forma de ligaForma de ligaçção do Ferro ão do Ferro àà proteproteíínana

�� a e b a e b –– 2 res2 resííduos de histidinaduos de histidina

�� c c –– resresííduos de histidina e duos de histidina e cistecisteíínana

Complexo III Complexo III –– CoQCoQ--citocromocitocromo c c redutaseredutase

�� Componentes do Ciclo QComponentes do Ciclo Q

�� Citocromo bCitocromo b562562 e be b566566

�� Centro FeCentro Fe--SS

�� Citocromo cCitocromo c11

�� CoQCoQ

�� Traz elTraz eléétrons dos Complexos I e II ao IIItrons dos Complexos I e II ao III

�� Citocromo cCitocromo c

�� ProteProteíína perifna periféérica que transporta elrica que transporta eléétrons do trons do

complexo III para o IVcomplexo III para o IV

Ciclo QCiclo Q

5

Ciclo QCiclo Q Complexo IV Complexo IV –– Citocromo c oxidaseCitocromo c oxidase

�� ComponentesComponentes

�� Citocromo cCitocromo c

�� 3 3 ííons cobre divididos em dois gruposons cobre divididos em dois grupos

�� CuCuAA//CuCuAA

�� CuCuBB

�� Forma oxidada Forma oxidada –– CuCu+2+2 ccúúpricaprica

�� Forma reduzida Forma reduzida –– CuCu++ cuprosacuprosa

�� Heme a e aHeme a e a33

�� SSíítio cataltio catalíítico da enzima tico da enzima

�� CuCuBB e e citocromocitocromo aa33 (Fe(Fe+3+3 –– FeFe+2+2))

Complexo IV Complexo IV –– Citocromo c oxidaseCitocromo c oxidase Formas Reativas de OxigênioFormas Reativas de Oxigênio�� Radicais livresRadicais livres

�� ÍÍons de oxigênio não reduzidos completamenteons de oxigênio não reduzidos completamente

�� SuperSuperóóxido xido –– OO22--

�� PerPeróóxido xido –– OO2222--

�� PerPeróóxido de hidrogênio xido de hidrogênio –– HH22OO22

�� EstratEstratéégias de defesagias de defesa

�� Enzima SuperEnzima Superóóxido dismutasexido dismutase

2 O2 O22-- + 2 H+ 2 H++ OO22 + H+ H22OO22

�� Enzima CatalaseEnzima Catalase

2 H2 H22OO2 2 OO22 + 2 H+ 2 H22OO

Gradiente de PrGradiente de Próótonstons

4H4H++4H4H++2H2H++

Complexo IVComplexo IVComplexo IIIComplexo IIIComplexo IComplexo I

FosforilaFosforilaçção Oxidativaão Oxidativa

�� FosforilaFosforilaçção do ADP em ATP utilizando a energia ão do ADP em ATP utilizando a energia liberada pelas realiberada pelas reaçções de ões de óóxidoxido--redureduçção da cadeia ão da cadeia transportadora de eltransportadora de eléétrons.trons.

�� Energia direcionada para criar um Energia direcionada para criar um contragradientecontragradientede prde próótonstons�� Excesso de HExcesso de H++ fora da matriz mitocondrialfora da matriz mitocondrial

�� Matriz com carga negativaMatriz com carga negativa�� PorPorçção ão intermembranaintermembrana carga positivacarga positiva

�� Membrana interna impermeMembrana interna impermeáável a Hvel a H++

�� ATP sintase ATP sintase

Força Próton-motriz

6

ATP sintaseATP sintase

�� ComponentesComponentes

�� PorPorçção esfão esféérica rica –– Fator de acoplamento 1 (FFator de acoplamento 1 (F11))

�� PorPorçção ão membranalmembranal –– (F(Foo))

�� SSííntese do ATP ocorre com o retorno dos prntese do ATP ocorre com o retorno dos próótons tons

àà matriz mitocondrialmatriz mitocondrial

�� A cada 3 prA cada 3 próótons que retornam um ATP tons que retornam um ATP éé formadoformado

�� MudanMudançça na conformaa na conformaçção da enzima com a ão da enzima com a

entrada dos prentrada dos próótonstons

ATP sintaseATP sintase

ATP sintaseATP sintase Controle RespiratControle Respiratóóriorio

�� A velocidade do transporte de elA velocidade do transporte de eléétrons e trons e ssííntese de ATP são dependentes da ntese de ATP são dependentes da [ ] de [ ] de ADPADP�� Transporte de elTransporte de eléétrons esttrons estáá acoplado acoplado àà

ssííntese de ATPntese de ATP

�� ADP tem concentraADP tem concentraçções limitantesões limitantes

�� Quanto mais ADP for formado maior a Quanto mais ADP for formado maior a velocidade das reavelocidade das reaçções de catões de catáálise e maior lise e maior produproduçção de ATPão de ATP

DesacopladoresDesacopladores

�� Substâncias que impedem a sSubstâncias que impedem a sííntese de ntese de ATP sem a interrupATP sem a interrupçção da oxidaão da oxidaçção das ão das coenzimascoenzimas

�� Energia das oxidaEnergia das oxidaçções ões éé dissipada como dissipada como calorcalor

�� Substâncias lipofSubstâncias lipofíílicas licas �� 2,4 2,4 DinitrofenolDinitrofenol (DNP)(DNP)

��ÁÁcido fracocido fraco��AssociaAssocia--se a prse a próótons e os carreia para a matriztons e os carreia para a matriz��Bloqueia a formaBloqueia a formaçção do gradiente de prão do gradiente de próótonstons

Desacoplador EndDesacoplador Endóógenogeno

�� FunFunçção de produão de produçção de calorão de calor

�� Tecido adiposo marromTecido adiposo marrom�� Certas regiões de recCertas regiões de recéémm--nascidosnascidos

�� Animais Animais semisemi--hibernanteshibernantes

�� TermogeninaTermogenina�� ProteProteíína que transporta Hna que transporta H++ para a matrizpara a matriz

�� Parte da energia dissipada como calorParte da energia dissipada como calor

7

Rendimento da OxidaRendimento da Oxidaçção da Glicoseão da Glicose�� I) Glicose a 2 I) Glicose a 2 piruvatospiruvatos

�� II) 2 II) 2 piruvatospiruvatos a 2 a 2 acetilacetil CoACoA�� III) 2 III) 2 acetilacetil CoACoA no ciclo do no ciclo do áácido ccido cíítricotrico

�� IV) NADH e FADHIV) NADH e FADH22 na CTE e FOna CTE e FO

38*38*TotalTotal

444 ATP4 ATP2 GTP2 GTP2 ATP2 ATPFosforilaFosforilaçção ão no substratono substrato

3030

4430 ATP30 ATP

4 ATP4 ATP10 NADH10 NADH

2 FADH2 FADH22

6 NADH6 NADH

2 FADH2 FADH22

2 NADH2 NADH2 NADH2 NADHCoenzimas Coenzimas produzidasproduzidas

Moles de Moles de ATP ATP

formadosformados

IVIVI + II + IIII + II + IIIIIIIIIIIIIIIEtapasEtapas

OxidaOxidaçção do NADH ão do NADH citosscitossóólicolico

�� Membrana interna mitocondrial impermeMembrana interna mitocondrial impermeáável a vel a

NADNAD++ e NADHe NADH

�� OxidaOxidaçção indireta por lanão indireta por lanççadeirasadeiras

�� MalatoMalato –– AspartatoAspartato

�� CCéélulas heplulas hepááticas, cardticas, cardííacas e renais acas e renais

�� Permeases Permeases –– proteproteíínas de transporte da membrananas de transporte da membrana

�� Glicerol fosfatoGlicerol fosfato

�� MMúúsculo esquelsculo esqueléético e ctico e céérebro mamrebro mamííferosferos

�� MMúúsculo de vôo de insetossculo de vôo de insetos

�� NADH NADH –– FADHFADH22

LanLanççadeira adeira MalatoMalato--AspartatoAspartato TransaminaTransaminaççãoão

LanLanççadeira Glicerol Fosfatoadeira Glicerol Fosfato ProteProteíínas Transportadoras da Membrana nas Transportadoras da Membrana MitocondrialMitocondrial

�� Membrana externa permeMembrana externa permeáávelvel

�� Membrana interna impermeMembrana interna impermeáávelvel

�� Sistemas de transporteSistemas de transporte

�� Adenina nucleotAdenina nucleotíídeo translocase (ATPdeo translocase (ATP/ADP /ADP

translocase)translocase)

�� Transfere ATP da matriz por ADP do citossolTransfere ATP da matriz por ADP do citossol

�� Quanto maior Quanto maior [ADP[ADP], maior a transloca], maior a translocaççãoão

�� Inibidores da ATPInibidores da ATP/ADP /ADP translocasetranslocase

�� AtractilosAtractilosíídeodeo –– glicosglicosíídeo vegetaldeo vegetal

�� ÁÁcido cido bongcrbongcrééquicoquico –– antibiantibióótico tico ffúúngicongico que cresce em que cresce em

comida tcomida tíípica pica àà base de coco (base de coco (bongkrekbongkrek em indonem indonéésio)sio)

8

ADPADP//ATP TranslocaseATP TranslocaseProteProteíínas Transportadoras da Membrana nas Transportadoras da Membrana

MitocondrialMitocondrial

�� Sistemas de transporteSistemas de transporte

�� ATPATP/ADP /ADP translocase + translocase + Fosfato TranslocaseFosfato Translocase

�� Fosfato adentra a matriz por troca de Fosfato adentra a matriz por troca de OHOH--

�� DicarboxilatoDicarboxilato translocasetranslocase

�� MalatoMalato, , SuccinatoSuccinato e e FumaratoFumarato por fosfato (por fosfato (PPii))

�� Troca de um Troca de um dicarboxilatodicarboxilato por outropor outro

�� TricarboxilatoTricarboxilato translocasetranslocase

�� Troca de Troca de citratocitrato ou ou isocitratoisocitrato por por malatomalato

�� Piruvato translocasePiruvato translocase

�� Troca de Troca de piruvatopiruvato por por OHOH--

�� GlutamatoGlutamato translocasetranslocase

�� Troca de Troca de glutamatoglutamato por por aspartatoaspartato ou ou OHOH--

�� Transporte ativo de CaTransporte ativo de Ca+2+2 uniporteuniporte

�� Translocase CaTranslocase Ca+2+2/ 2Na/ 2Na++

Gasto Energético

de ATP

Dissipação dos prótons para a matriz

ProteProteíínas nas Transportadoras Transportadoras

da Membrana da Membrana MitocondrialMitocondrial