CADEIA TRANSPORTADORA

DE ELÉTRONS E

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA

Profª: Stéphani Caroline Beneti

Bioquímica Geral

1

Oxidação de Coenzimas e Síntese de ATP

Os processos de oxidação da glicose, aminoácidos e ácidos

graxos levam a produção de acetil-CoA, que no ciclo de

Krebs, é totalmente oxidada a CO2

O CK constitui o estágio final e máximo de oxidação dos

átomos de carbono que compõe os carboidratos, proteínas

e lipídeos

A oxidação destes compostos é acompanhada da redução

de grande quantidade das coenzimas NAD+ e FAD

2

3

Etapa/Reação Mols de

NADH

Mols de

FADH2

Glicólise

Gliceraldeído 3-P 1,3-Bifosfoglicerato

2 -

Piruvato Acetil-CoA 2 -

Ciclo de Krebs

Isocitrato α-cetoglutarato

α-cetoglutarato Succinil-CoA

Succinato Fumarato

Malato Oxalacetato

2

2

-

2

-

-

2

-

Total 10 2

Produção de 4 mols de ATP: 2 mols de saldo da glicólise e 2 mols

produzidos como GTP no ciclo de Krebs (2 moléculas de piruvato)

Ao longo da degradação da glicose, a maior parte da energia

disponível é armazenada em coenzimas reduzidas

Estas coenzimas devem ser reoxidadas por duas vezes

◦ Voltando a forma oxidada, passam a participar outra vez das vias de

degradação dos nutrientes

◦ A partir da oxidação destas coenzimas que a energia nelas

conservadas pode ser empregada pelas células para sintetizar ATP

As células aeróbias produzem a maior parte do seu ATP por

oxidação das coenzimas pelo oxigênio (“respiração celular”)

4

A respiração celular é efetuada por uma cadeia de

transporte de elétrons (“cadeia respiratória”), à qual está

intimamente associada a síntese de ATP

Esta síntese consiste na fosforilação do ADP:

◦ ADP + Pi ATP

Por utilizar a energia derivada da oxidação das coenzimas, é

denominada fosforilação oxidativa

5

Nos organismos aeróbios, a oxidação das coenzimas é feita

por transferência de elétrons para o oxigênio

Recebendo elétrons o oxigênio liga-se a prótons formando

água

Este processo libera grande quantidade de energia

Do ponto de vista meramente quantitativo, a energia

liberada na oxidação de um mol de NADH permite a

síntese de alguns mols de ATP.

A questão fundamental é: como aproveitar esta energia?

6

Como a energia é aproveitada?

A estratégia adotada pelas células consiste em transformar a

energia contida nas coenzimas reduzidas em um gradiente de

prótons e utilizar este gradiente para promover a síntese de ATP.

A primeira parte deste processo, ou seja, a produção do

gradiente de prótons, é conseguida pela transferência dos

elétrons das coenzimas para o oxigênio, através de passagens

intermediárias por vários compostos, que constituem uma cadeia

de transporte de elétrons.

Para cumprir esta função, os compostos selecionados são

organizados de acordo com seus potenciais de óxido-redução.

7

Assim, os elétrons partem da coenzima reduzida, que tem potencial de

óxido-redução menor que os componentes da cadeia de transporte de

elétrons, e percorrem uma sequência de transportadores com

potenciais de óxido-redução crescentes, até atingirem o oxigênio, que

tem o maior potencial de óxido-redução.

Ao mesmo tempo que as passagens de elétrons se processam, forma-se

um gradiente de prótons, ou seja, estabelece-se uma concentração de

prótons diferente de cada lado da membrana onde ocorre o transporte

de elétrons.

A síntese de ATP é possível porque aproveita a energia potencial

contida no gradiente de prótons. Esta síntese consiste na fosforilação

do ADP (ADP + Pj ATP) e, por utilizar a energia derivada da

oxidação das coenzimas, é denominda à fosforilação oxidativa.

8

Cadeia Transportadora de Elétrons

Mitocondrial Estes componentes, agrupam-se em quatro complexos (I, II, III e IV)

Sem fazer parte de complexos, aparecem ainda dois componentes da cadeia

de transporte de elétrons: a coenzima Q (CoQ), que conecta os

Complexos I e II ao Complexo III, e o citocromo c, que conecta o

Complexo III ao Complexo IV. Dois elétrons presentes no NADH são

transferidos desta coenzima para o Complexo I, do Complexo I para a

coenzima Q, depois para o Complexo III, citocromo c, Complexo IV e

finalmente para o oxigênio.

Os elétrons presentes no succinato e em outros substratos têm uma

entrada especial na cadeia de transporte de elétrons: são transferidos ao

Complexo II e deste para a coenzima Q; deste ponto em diante, seguem o

caminho comum: Complexo III, citocromo c, Complexo IV e oxigênio

9

10

C: Citocromo c

Q: Coenzima Q

11

Composição dos complexos da cadeia transportadora de elétrons

Componentes

Transportadores de

elétrons

Número aproximados

de polipeptídeos

Complexo I

(NADH-CoQ redutase)

FMN

Centros Fe-S

26

Complexo II

(Succinato-CoQ redutase)

FAD

Centro Fe-S

Citocromo b

5

Complexo III

(CoQ-citocromo c

redutase)

Citocromo b e c1

Centro Fe-S

10

Complexo IV

(Citocromo c oxidase)

Citocromo a e a3

Íons de cobre

6 – 13

Os grupos prostéticos dos complexos atuam como centros

de óxido-redução

Com exceção da coenzima Q, todos os componentes da

cadeia de transporte de elétrons são proteínas. A estas

proteínas estão associados grupos prostéticos, como FAD,

FMN e centros ferro-enxofre (centros Fe-S).

12

O Complexo I oxida o NADH, transferindo

seus elétrons para a coenzima Q

Este complexo também é chamado NADH-ubiquinona

óxido-redutase

A flavina mononucleotídeo (FMN) é um derivado da

riboflavina capaz de receber 2 prótons e dois elétrons,

passando à forma reduzida FMNH2

Os elétrons do FMNH2 são transferidos para uma

sequência de centros Fe-S e entregues a coenzima Q,

deixando o complexo I 13

NADH + H + FNM NAD+ + FMNH2

(Complexo I) (Complexo I)

Complexo I

Complexo II

Denominado de succinato desidrogenase (mesmo do CK)

A enzima acopla a oxidação do succinato a fumarato na

matriz mitocondrial, com redução da coenzima Q na

membrana interna da mitocôndria

Segunda porta de entrada de elétrons na cadeia respiratória

A coenzima Q recebe os elétrons provenientes dos

complexos I e II

Outras vias de transferência de elétrons convergem para

CoQ, nestas vias o substrato é oxidado por uma

desidrogenase, com redução de FAD a FADH2 (ex. reação

de β-oxidação de ácidos graxos)

Os elétrons das diferentes procedências percorrem, a partir

da coenzima Q, um caminho comum até o oxigênio

16

Complexo II também

chamado de succinato

desidrogenase. A enzima

succinato desidrogenase faz

parte do complexo

Grupo prostéticos: FAD e

centros Fe-S

Elétrons são transferidos do

succinato ao FAD, aos centros

Fe-S e depois para a

ubiquinona (Q).

Outras desidrogenases: acil-CoA desidrogenase da β-oxidação transfere os elétrons

para a enzima transferidora de eletrons (ETF) que tem o FAD como grupo prostético

e depois para a ETF: ubiquinona oxidoredutase e finalmente para a ubiquinona.

Complexo III transfere elétrons da

Coenzima Q para o citocromo c Complexo III, ou citocromo bc1 ou ubiquinona-citocromo c

óxido redutase, catalisa a transferência de elétrons da

ubiquinona ao citocromo c, acompanhada de movimentação

de prótons

Conhecido também como citocromo bc1: possui dois

citocromos

Tipo b e um citocromo c1

Transfere elétrons da CoQ reduzida para o citocromo c1 a

partir de um centro [2Fe-2S], e para o citocromo b

18

Transp. de elétrons no complexo III: o ciclo Q

• A função é permitir que uma molécula de CoQH2 reduza duas moléculas de

citocromo, por meio de uma bifurcação do fluxo de elétrons da CoQH2 para os

citocromos c1 e b, permitindo o bombeamento de prótons da matriz para o espaço

intermembrana

• A CoQH2 transfere um dos elétrons para a proteína Fe-S liberando dois prótons no

espaço intermembrana e produzindo CoQ-

• A proteína Fe-S reduz o citocromo c1, enquanto a CoQ transfere os elétrons restantes

para o citocromo b, produzindo uma CoQ oxidada.

• A CoQ oxidada recebe o elétron novamente do citocromo b, revertendo-se à forma

CoQ-

• No ciclo 2, outra CoQH2 reduzida, provinda do complexo I repete as etapas anteriores

• Esse segundo elétron reduz a CoQ- produzido no primeiro ciclo, produzindo CoQH2

• Para cada 2 CoQH2 que entram no ciclo Q, uma CoQH2 é regenerada 20

O Ciclo Q pode ser resumido:

21

Complexo IV (Citocromo c oxidase)

Único transportador de elétrons no qual o ferro heme possui

um ligante livre que pode reagir com O2. A citocromo c oxidase

catalisa oxidações de quatro moléculas de citocromo c (Cyt c)

reduzidas consecutivamente e a concomitante redução

tetraeletrônica de uma molécula de O2

4 cit c(Fe2+) + 4H+ + O2 4 cit c(Fe3+) + 2 H2O

O complexo IV possui 4 centros redox: citocromo a, citocromo

a3, um átomo de cobre conhecido como CuB e um par de

átomos de cobre conhecido como centro CuA, além de um

Mg2+ e um Zn2+

22

A redução do O2 a 2 H2O ocorre no complexo binuclear

citocromo a3-CuB e envolve 4 transferências de e-

consecutivas dos sítios do CuA e cit a

2 prótons são translocados

A utilização de oxigênio pelo complexo IV responde por

cerca de 95% de todo o oxigênio consumido pelo

organismo humano, a produção de H2O neste processo

chega a 300mL diário, referido como água metabólica

23

Complexo IV: transfere eletrons para

o oxigênio. Também é chamado de

citocromo c oxidase. Apresenta dois

citocromos do tipo a (a e a3) e dois

íons cobre, cada qual associado a um

dos dois citocromos. Estados de

oxidação do cobre: Cu+2 e Cu+1. O

complexo IV é responsável pela

doação de quatro eletrons para a

molécula de oxigênio, que ligando-se

aos prótons do meio converte-se em

H2O.

Animais que hibernam e animais que

passam longos períodos sem ingerir

água (camelos) utilizam a água

metabólica.

Cadeia transportadora de elétrons

A retirada de prótons da matriz mitocondrial contribui

para o estabelecimento do gradiente de prótons.

GRADIENTE DE PRÓTONS força próton motriz.

Fosforilção oxidativa

A síntese endergônica do ATP a partir de ADP e Pi na mitocôndria é

catalisada por uma ATP-sintase (ou complexo V), dirigida pelo processo de

transporte de elétrons

A energia livre liberada pelo transporte de elétrons através dos Complexos

I – IV deve ser conservada em uma forma que a ATP-sintase possa utilizá-la

– é a energia de acoplamento

A teoria quimiosmótica:

◦ A energia livre do transporte de elétrons é conservada pelo bombeamento de

H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembrana, criando um gradiente

eletroquímico de H+ através da MMI. O potencial eletroquímico desse gradiente

é aproveitado para a síntese de ATP

Processo análogo ocorre em bactérias, cuja maquinaria transportadora de

elétrons está localizada na membrana plasmática

O transporte de elétrons gera

gradiente de prótons

O gradiente eletroquímico formado é chamado de força

próton-motriz.

Constituída por dois componentes:

◦ Gradiente de pH

◦ Gradiente elétrico

O retorno dos prótons para o interior da mitocôndria é

um processo espontâneo, a favor do gradiente

eletroquímico, que libera energia capaz de sintetizar ATP

Nucleotídeos: transporte energia

NADH + H+

NAD+

Succinato Fumarato

Matriz

ADP + Pi

ATP

H2O

1/2 O2 +

2H+

Cit c Espaço

intermembran

a

F1

F0

H+

4H+ 2H+

4H+

P O

H H H H

O

N

N

NH2

N

N

H

O

O

H

CH2 P O H

O

O-

O

O-

O

ADP

HPO4 2-

+

P O

H H H H

O

N

N

NH2

N

N

H

O

O

H

CH2 P O P O

O-

O

O-

O

O-

O

-O

ATP +

H2O

Ligações

fosfoanidrido

Ligações

fosfoéster

O gradiente

eletroquímico de

prótons gerado

durante o transporte

de elétrons é usado

para síntese de ATP

através do complexo

ATPsintase

Matriz

Espaço

intermembrana

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+ H+

H+

Fo

F1

A síntese de ATP

Como a membrana interna é impermeável a prótons, estes

só podem voltar à matriz e desfazer o gradiente através de

sítios específicos na membrana interna, constituídos pelo

complexo sintetizados de ATP: a ATP sintase.

A maior parte das determinações experimentais indica que

cerca de 3 prótons são necessários por ATP sintetizado.

A ATP sintase

Compreende dois

componentes:

F1: contém os

sítios de síntese

de ATP

Fo: contém o

canal através do

qual os prótons

retornam à

matriz.

Matriz

Espaço

intermembranas

O ATP é

sintetizado

quando os

prótons

retornam à

matriz

mitocondrial.

NADH NAD+

4H+

Succinato Fumarato

4H+

½ O2 H2

O

2H+

NADH NAD+

4H+

Succinato Fumarato

4H+

½ O2 H2O

2H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

H+

3H+

ADP + Pi

ATP

Potencial

químico

pH

( alcalino interior)

Síntese de ATP

dirigida pela

força próton-

motriz

Potencial

elétrico

( negativo interior)

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP

Adenina nucleotídeo translocase e fosfato translocase

A produção de ATP acontece interligada a processos de transporte

A maior parte do ATP

gerado na matriz

mitocondrial pela

fosforilação oxidativa é

utilizado no citosol

A MMI contém um

translocador de ADP-ATP

(ou adeninanucleotídeo

translocase) que

transporta o ATP para fora

da matriz em troca do

ADP produzido no citosol

– sistema antiporte

Acoplamento do transporte de

elétrons a síntese de ATP

O ajuste da produção de ATP ao seu gasto é possível

porque o transporte de elétrons e a síntese de ATP são

processos intimamente acoplados

◦ Só há oxidação de coenzimas (NADH e FADH2) se houver

síntese de ATP

O mecanismo de coordenação das velocidades do

transporte de elétrons e da síntese de ATP chama-se

controle respiratório

34

O controle respiratório foi originalmente definido como a

estimulação do consumo de oxigênio (respiração) por

mitocôndrias isoladas, exercida por adição de ADP, seguida

de seu decréscimo, à medida que a ADP era convertida em

ATP

Este fenômeno pode ser explicado pela teoria

quimiosmótica:

◦ A maior disponibilidade de ADP estimula a ATP sintase,

resultando em diminuição do gradiente eletroquímico graças à

passagem de H+ através da enzima

35

Teoria Quimiosmótica

A maior disponibilidade de ADP estimula a ATP sintase,

resultando em diminuição do gradiente eletroquímico graças à

passagem de H+ através da enzima

A diminuição do gradiente estimula as bombas de prótons da

cadeia de transporte de elétrons (Complexo I, III e IV), que é

acelerada

Quando a célula realiza processos que consomem energia,

transformando ATP em ADP, aumenta a síntese de ATP e

oxidação de coenzimas

Quando o consumo de ATP é reduzido o transporte de prótons

pela ATP sintase diminui

36

Rendimento Energético

O cômputo da quantidade de total de ATP resultante da

oxidação da glicose é facilitado pela análise das etapas que o

processo se divide:

◦ I) Glicose a piruvato

◦ II) 2 piruvato a 2 acetil-CoA

◦ III) 2 acetil-CoA pelo CK

◦ IV) NADH e FADH2 pela cadeia de transp. de elétrons e fosforilação

oxidativa

1 mol de NADH oxidado, permite sintetizar 3 moles de ATP

1 mol de NADH oxidado, permite sintetizar 3 moles de ATP

Fosforilação no

nível do substrato

A Oxidação completa de 1 mol de GLICOSE a CO2

e H2O produz 38 moles de ATPs

IV- 10NADH e 2FADH2 pela cadeia e PO – 34 ATP

I – Glicose a 2 piruvatos – 2NADH, 2ATP

II- 2 piruvato a 2 Acetil-CoA – 2NADH

III- 2 Acetil-CoA pelo ciclo de Krebs – 6NADH,

2FADH2, 2GTP

Total: 10NADH, 2FADH2 ,2ATP, 2GTP

Glicose + 6O2 + 38 ADP + 38Pi 6CO2 + 6H2O + 38 ATP

Estequiometria da síntese de ATP

Produção de ATP na oxidação completa de glicose

Processo Produto ATP final

Glicólise 2 NADH (citosólico) 6

2 ATP 2

Oxidação do piruvato (2 por glicose)

2 NADH (mitocondrial) 6

Oxidação de acetil-CoA no ciclo de Krebs

6 NADH (mitocondrial) 18

(2 por glicose) 2 FADH2 4

2 ATP ou GTP 2

Produção total por glicose

38

METABOLISMO DOS LIPÍDEOS

40

-oxidação dos Ácidos Graxos

É a maneira pela qual os ácidos graxos são aproveitados

como fonte de energia para o corpo

A finalidade primordial é produzir acetil-CoA para o ciclo

de Krebs e equivalentes para serem reduzidos na cadeia de

transporte de elétrons

41

Via catabólica de degradação de ácidos graxos para

produção de energia:

Ocorre na matriz mitocondrial, após a ativação e a entrada

dos ácidos graxos na mitocôndria

Pode ser dividida em 3 fases:

◦ A ativação do ácido graxo

◦ A BETA - oxidação propriamente dita

◦ A respiração celular

42

Ativação Dos Ácidos Graxos

A ativação dos ácidos graxos consiste na entrada destes na mitocôndria, na

forma de ACIL-CoA.

O processo depende:

◦ Da ligação do ácido graxo com a Coenzima A, formando o Acil-CoA no citosol.

A reação é catalizada pela enzima Acil-CoA Sintetase, localizada na membrana

mitocondrial externa

◦ Do transporte do radical acila através da MMI, do citosol para a matriz, mediado

pelo carreador específico carnitina. A transferência do radical acila da CoA para

a carnitina é catalizada pela enzima carnitina-Acil-Transferase I

◦ Do lado da matriz mitocondrial, a carnitina doa novamente o radical acila para a

CoA, regenerando o Acil-CoA no interior da mitocôndria. A reação é catalisada

pela arnitina-Acil-Transferase II, localizada na face interna da MMI, e é exatamente

o inverso da descrita acima.

43

-Oxidação do Ácido Graxo:

Consiste na quebra por oxidação do ácido graxo sempre

em seu carbono b , convertendo-o na nova carbonila de um

ácido graxo agora 2 carbonos mais curto.

O processo é repetitivo, e libera à cada quebra:

◦ 1 NADH + H+

◦ 1 FADH2

◦ 1 Acetil CoA

São 4 as enzimas envolvidas em cada etapa de oxidação da

via.

44

45

Respiração Celular

A síntese de ATP acoplada à -oxidação vem:

◦ Do transporte de elétrons do NADH e do FADH2 formados no

processo pela cadeia respiratória;

◦ Da oxidação dos radicais acetil dos Acetil-CoA no ciclo de Krebs.

Exemplo: A oxidação do acido palmitico com 16 carbonos rende para a

célula, em ATPs:

◦ 8 Acetil-CoA = 96 ATPs (12 : 1)

◦ 7 NADH + H+ = 21 ATPs (3 : 1)

◦ 7 FADH2 = 14 ATPs (2 : 1)

◦ Total = 131 ATPs

Subtraindo-se 1 ATP gasto na ativação, tem-se 130 ATPs/mol de ácido

graxo

46

Lipogênese

Processo de biossíntese dos ácidos graxos

Também podemos chamar de “fabricação” de triglicerídeos

a partir dos ácidos graxos prontos

A biossíntese dos ácidos graxos só ocorre nos tecidos

hepáticos e adiposo

47

48

Gli

TG

Diidroxiacetona

Fosfato