Bioquímica_ Cadeia Transportadora de Elétrons - Parte 1

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Cadeia Transportadora e Fosforilação Oxidativa
- O ciclo de Krebs constitui o estágio final e máximo da oxidação dos átomos
de carbono que constituem carboidratos, lipídios e proteínas
- Para isso, uma grande quantidade de coenzimas são reduzidas -
armazenamento da energia contida
- As coenzimas precisam ser reoxidadas por que:
1) Precisam estar oxidadas para participarem outra vez das vias de
degradação dos nutrientes
2) A oxidação das coenzimas faz com que a energia nelas conservada
possa ser empregada na síntese de ATP
- As coenzimas são reoxidadas pelo oxigênio (respiração celular),
efetuada por uma cadeia de transporte de elétrons (cadeia respiratória)
- A cadeia respiratória está intimamente associada a síntese de ATP, que
consiste na fosforilação do ADP, chamada fosforilação oxidativa pois utiliza a
energia derivada da oxidação das coenzimas.
- A oxidação de coenzimas libera grande quantidade de energia - o oxigênio
recebe elétrons e se liga a prótons do meio, formando água. Esse processo
libera grande quantidade de energia devido a difrença entre os
potenciais de redução da coenzima reduzida e do oxigênio (Delta G
muito negativo!!!).
- Se a transferência de elétrons fosse feita diretamente para o oxigênio, toda
energia seria liberada na forma de calor. Assim, a célula adota duas
estratégias:
1) transfere os elétrons para o oxigênio de forma indireta, utilizando
para isso complexos proteicos com crescente valor de potencial de
redução
2) transforma a energia contida nas coenzimas em um gradiente de
prótons, que é utilizado para sintetizar ATP
- A formação do gradiente de prótons é acopladas às passagens
intermediárias dos elétrons por vários compostos que constituem a
cadeia transportadora de elétrons. Os compostos são organizados na
membrana de acordo com seus potenciais de redução, indo do menor para o
maior potencial de redução
- Ao mesmo tempo em que as passagens de elétrons se processam,
forma-se um gradiente de prótons, visto que os componentes da cadeia de
transporte de elétrons atuam como bombas de prótons
- É o aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de
prótons que torna possível a síntese de ATP
Cadeia de transporte de elétrons mitocondrial
- Complexos: I,II,III e IV
- Componentes móveis: coenzima Q (conecta os complexos I e II ao complexo
III; citocromo c (conecta o complexo III ao complexo IV)
- Dois elétrons do NADH são transferidos para o Complexo I, do Complexo
I para a CoQ, depois para o complexo III, citocromo c, Complexo IV e
oxigênio.
- Elétrons presentes no succinato e em outros substratos entram na
cadeia pelo Complexo II e são transferidos para a CoQ, depois vão para o
Complexo III, citocromo c, Complexo IV e oxigênio
- Todos os compostos da cadeia estão originalmente oxidados, e podem
alternar entre esse estado e o estado reduzido.
- As reações de oxidação-redução são feitas pelos grupos prostéticos
dos complexos enzimáticos e pelos componentes móveis da cadeia
- FMN ( flavina mononucleotídeo) - derivado da riboflavina -
Complexo I - recebe prótons e elétrons
- Centros Fe-S - íons de ferro e enxofre - Complexos I, II e III - recebe
apenas elétrons -
- Ubiquinona (Coenzima Q) - mobilidade na fase lipídica - recebe
dois prótons e dois elétrons
- Citocromos (contém heme como grupo prostético) - Complexo III -
citocromo c: proteína periférica e móvel
- Íons de Cu2+ - Complexo IV
Complexo I - NADH-ubiquinona oxirredutase
- Primeira enzima da cadeia de transporte de elétrons
- Catalisa a transferência de dois elétrons do NADH à ubiquinona,
acoplada a translocação de quatro prótons através da membrana interna
da mitocôndria
- O NADH é oxidado e os elétrons entram na membrana interna da mitocôndria
- a redução de FMN implica a retirada de um prótons da matriz
- Os elétrons do FMNH2 são transferidos para os centros Fe-S e depois para a
coenzima Q, sendo utilizados prótons da matriz para converter CoQ em
CoQH2
- O complexo I atua como bomba de prótons, transferindo 4 prótons para o
espaço intermembranas, movida pelas reações redox que ocorrem nos
seus centros de oxidação- redução
Complexo II - Succinato desidrogenase
- Participa do ciclo de Krebs e faz parte da cadeia respiratória
- Catalisa a oxidação de succinato a fumarato, com redução de FAD a
FADH
- A oxidação do FADH2 ocorre acoplada à redução da coenzima Q -
succinato-ubiquinona oxirredutase
- Não contribui para formar o gradiente de prótons
Coenzima Q
- Recebe os elétrons provenientes dos complexos I e II e entrega no complexo
III
Complexo III - ubiquinona citocromo c oxirredutase
- Transfere os elétrons da ubiquinona ao citocromo c e bombeia prótons
Complexo IV
- Catalisa a passagem de elétrons do citocromo c para o oxigênio,
combinada a extrusão de prótons
- Há formação de água
- Os elétrons são transferidos um por vez
Radicais Livres
- A medida que os elétrons percorrem a cadeia respiratória, pode haver
vazamento de elétrons que promovem a redução monoeletrônica do O2
dissolvido na matriz mitocondrial
- Radical livre - espécie química capaz de existência independente e que
contém um ou mais elétrons não pareados no orbital externo - são
instáveis e altamente reativas - ao reagirem com uma molécula, geram outro
radical livre, iniciando uma reação em cadeia. - ÂNION RADICAL
SUPERÓXIDO E RADICAL HIDROXILA
- Peróxido de hidrogênio não é um radical livre.
- O ânion radical superóxido, o peróxido de hidrogênio e o radical
hidroxila são chamados de espécies reativas de oxigênio
- A redução de oxigênio a água, catalisada pela citocromo c oxidase,
apesar de envolver transferências de um elétrons, ocorre sem que haja
liberação de formas parcialmente reduzidas de oxigênio pois os
intermediários da reação permanecem firmemente ligados ao centro
ativo da enzima até que a água seja produzida
- Há produção de radical superóxido nos Complexos I e III. Esse processo é
intensificado quando o gradiente eletroquímico é muito elevado, pois a
inibição resultante da cadeia de transporte de elétrons acarreta um aumento
da meia-vida de intermediários com elétrons não pareados
- Superóxido dismutase: catalisa a dismutação (decomposição) de radicais
superíóxidos em oxigênio e água
- A catalase decompõe peróxido de hidrogênio em oxigênio e água;
glutationa também faz isso
Fosforilação oxidativa
- Fosforilação de ADP à custa da oxidação de coenzimas
- Hipótese quimiosmótica: a energia derivada do transporte de elétrons é
convertida em uma força próton-motriz - a energia do transporte de elétrons é
utilizada para bombear prótons do interior da mitocôndria através da
membrana interna, que é virtualmente impermeável a prótons, para o espaço
intermembranas.
- A consequência do bombeamento é a produção de um gradiente de
prótons (uma concentração de prótons maior no espaço intermembranas do
que na matriz mitocondrial)
- A membrana interna da mitocôndria é impermeável a prótons em toda a sua
extensão, exceto em sítios específicos - ATP sintase
- A síntese de ATP pode ser obtida mesma na ausência de transporte de
elétrons, desde que exista o gradiente de prótons.
Bombas de prótons
- Modelo do acoplamento direto - os centros de oxidação - redução dos
complexos mitocondriais são diretamente envolvidos na translocação de
prótons
- Modelo do acoplamento indireto -centro redox e módulo que bombeia
prótons são distintos e distantes um do outro - a transdução de energia
ocorre via mudanças conformacionais, pois os complexos assumiram
conformações diferentes nos estados oxidado e reduzido
Razão P/O
- Fosfato incorporado em ATP e oxigênio utilizado
- NAD+- razão P/O = 3
- FAD - razão P/O = 2 (COMPLEXO I É “SALTADO”)
ATP sintase
- Fator de acoplamento 1 (F1)- microesferas e suas hastes
- Fo - embebida na membrana - onde se liga a oligomicina
- Os três sítios catalíticos de F1 podem apresentar-se em três
conformações - cada etapa é cumprida por uma conformação específica
- A ATP sintase converte a energia eletroquímica armazenada no gradiente de
prótons em energia mecânica, queé utilizada para gerar energia química sob
a forma de ATP
Controle respiratório
- Só há oxidação de coenzimas se houver síntese de ATP
- A maior disponibilidade de ADP ativa a ATP sintase, resultando em
diminuição do potencial eletroquímico graças a passagem de H+ através
da enzima, de volta a matriz mitocondrial. Com um potencial de membrana
menor, a energia livre liberada pelo transporte de elétrons é bastante para
que mais prótons sejam bombeados para fora da mitocôndria.
- Quando há pouco ADP, a magnitude do gradiente de H+ aumenta e a energia
livre da oxidação de substratos na cadeia não é suficiente para bombear mais
prótons contra gradiente.
Inibidores e desacopladores
- Há drogas capazes de atuar especificamente sobre cada um dos complexos
da cadeia respiratória mitocondrial, impedindo o prosseguimento da
transferência de elétrons - paralisação do transporte de elétrons e das via
metabólicas que dependem da cadeia para a reoxidação de coenzimas
- Sem o transporte de elétrons não se forma o gradiente de prótons e não
há sintese de ATP
- Desacopladores: substâncias capazes de atuar sobre o acoplamento da
síntese de ATP ao transporte de elétrons - 2,4-dinitrofenol (DNP) - dissocia o
transporte de elétrons da fosforilação oxidativa
- Para a produção de ATP mas o transporte de elétrons continua
- DNP associa a prótons no espaço intermembranas e libera-os na matriz -
impede a formação do gradiente de prótons e a energia que seria usada na
síntese de ATP é dissipada como calor
- Aumento do fluxo de elétrons - maior consumo de oxigênio
- Proteínas desacopladoras - o retorno de prótons para a matriz mitocondrial
através desta proteína e não pela ATP sintase diminui a força próton-motriz e
a eficiência da fosforilação oxidativa - energia dissipada na forma de calor
- Oligomicina - inibe a ATP sintase por torna-la impermeável a prótons - a
manutenção do gradiente de prótons impede o prosseguimento do transporte
de elétrons.
Oxidação do NADH citosólico
- Lançadeira - os elétrons do NADH são transferidos para um composto
citosólico capaz de atravessar a membrana interna da mitocôndria.
Alternativamente, os elétrons são passados para um composto que pode
reduzir um componente da membrana interna.
- Lançadeira do malato-aspartato - O NADH citosólico reduz oxaloacetato em
uma reação catalisada pela malato desidrogenase citosólica - Omalato
formado entra na mitocôndria onde é oxidado pela malato desidrogenase
mitocondrial, produzindo NADH mitocrondrial.
Regulação
- A transferência de elétrons só ocorre se houver síntese de ATP
- ADP = fator limitante - maior produção de ATP diminui a quantidade de ADP
- Por falta de ADP, a fosforilação oxidativa torna-se inoperante e a cadeia de
transporte de elétrons também. Há também o acréscimo de coenzimas
reduzidas, já que não podem ser reoxidadas na cadeia de transporte de
elétrons
- ATP inibe alostericamente o Complexo IV - isso é dependente do estímulo
hormonal - ex: os hormônios tireoidianos abolem a inibição e a fosforilação da
PKA aciona-a
- A cadeia de transporte de elétrons só funciona corretamente em aixos
valores se força próton-motriz