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Fosforilação oxidativa mitocondrial

Fosforilação oxidativa mitocondrial. Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo. Anabolismo. Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos. Moléculas precursoras Aminoácidos Açúcares Ácidos graxos Bases nitrogenadas. ADP + HPO 4 2- NAD +

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Fosforilação oxidativa mitocondrial

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Presentation Transcript

  1. Fosforilação oxidativa mitocondrial

  2. Relações energéticas entre anabolismo e catabolismo Anabolismo Macromoléculas celulares Proteínas Polissacarídeos Lipídeos Ácidos nucléicos Moléculas precursoras Aminoácidos Açúcares Ácidos graxos Bases nitrogenadas ADP + HPO42- NAD+ NADP+ FAD ATP NADH NADPH FADH2 Catabolismo Nutrientes contendo energia Açúcares Lipídeos Proteínas Produtos finais pobres em energia CO2 ,H2O, NH3

  3. Energia livre associada à hidrólise do ATP

  4. Variação da energia livre de Gibbs para a hidrólise do ATP ATP  ADP + Pi pH 7; [Mg2+]=10-2 e [Pi]= 10-2M

  5. Mecanismo de fosforilação do ADP na fermentação láctica: acoplamento de reações Glicose  2lactato + H+ G’= -196 kJ mol-1 de glicose

  6. EVOLUÇÃO DA VIDA NA TERRA 2H2O + luz + clorofila O2 + 2H++ 2e- + 4e- H2S + luz + bacterioclorofila S + 2H++ 2e- CO2+4H2CH4 +2H2O

  7. E X E R C Í C I O 1

  8. NÚMERO DE OXIDAÇÀO DO CARBONO EM VÁRIOS GRUPOS FUNCIONAIS

  9. Energia produzida a partir da oxidação completa de vários compostos orgânicos a dióxido de carbono e água Variação de entalpia medida em um calorímetro (calor liberado)

  10. Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

  11. REAÇÕES BIOLÓGICAS DE ÓXIDO REDUÇÃO • Elétrons transferidos • diretamente como elétrons Fe2+ + Cu2+Fe3+ + Cu+ 2. Elétrons transferidos como átomos de hidrogênio (H) ou hidreto (H-) AH2 + B A + BH2 3. Elétrons transferidos através de combinação direta com oxigênio molecular R-CH3 + ½ O2 R-CH2-OH Glicose  2lactato + H+ G’= -196 kJ mol-1 de glicose Glicose + 6O26CO2 + 6 H2O G = -2840 kJ mol-1 Equivalentes de redução: elétron independente da forma de transferência

  12. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO É UMA MEDIDA DA AFINIDADE POR ELÉTRONS Dois pares redox A tendência da direção da reação depende da afinidade relativa de cada par redox por elétrons Esta afinidade pode ser medida experimentalmente em Volts tendo como referência a afinidade do par H+/1/2H2 O potencial redox padrão do par H+/1/2H2em condições padrõesé tomado como zero (V) e simbolizado por E’ ox + ne- red

  13. MEDIDA DO POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO

  14. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO Reação de óxido redução envolve 2 pares redox O potencial de óxido redução padrão (E’) pode ser usado para calcular a variação de energia livre padrão da reação (G’) Acetaldeído + NADH + H+ Etanol + NAD+ Acetaldeído + 2H+ + 2e- EtanolE’h’=-0,197V NAD+ + 2H+ + 2e-  NADH + H+E’h =-0,320 V G’°=-2 x 96,9kJ/V mol x 0,123 V= -23,7 kJ mol-1

  15. A variação de energia livre de uma reação de óxido-redução (G) depende da concentração dos pares redox Se acetaldeído e NADH estiverem presentes a uma Concentração de 1,0 M e etanol e NAD+ a 0,1 M

  16. EXERCÍCIOS: CÁLCULO DE G DE REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO Considerando a seguintes reação: Piruvato + NADH + H+Lactato + NAD+ E tendo os seguintes valores de E’ : 1. NAD+/NADH = -0,32 V 2. Piruvato/lactato = -0,19 V Responda: a) Qual par conjugado tem maior tendência em doar elétrons? b) Qual é o agente oxidante mais forte? c) Quando todos os reagentes estiverem na concentração de 1M a pH 7,0, em qual direção a reação deve ocorrer? d) Qual é o G’° da reação para a conversão de piruvato a lactato? e) A reação contrária poderá ocorrer na célula?

  17. Citosol Mitocôndria

  18. CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Acetil-CoA Ciclo do Ácido cítrico

  19. ESTRUTURA DA FLAVINA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (FAD) FAD forma oxidada FAD forma reduzida

  20. ESTRUTURA DA NICOTINAMIDA ADENINA DINUCLEOTÍDEO (NAD+ / NADH)

  21. Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

  22. ½ O2 H2O Fumarato Succinato NADH NAD+ FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 2H+ 4H+ 4H+

  23. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 2H+ 2H+ 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + H+ H+ H+ _ _ _ _ + + _ _ _ _ _ _ _ H+ ½ O2 ½ O2 H2O H2O Fumarato Fumarato Succinato Succinato ADP + Pi NADH NADH H+ NAD+ NAD+ 3H+ ATP _ _ Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico  ( negativo interior) _ _

  24. I II III IV V NADH Q Suc Q Q Citc Cit c O2 ATP ADP+Pi Separação dos complexos funcionais da cadeia respiratória Transpor- tadores de elétrons funcionam em complexos multi- enzimáticos

  25. Complexo I NADH desidrogenase FMN Fe-S Acil-CoA desidrogenase Flavoproteína FAD, Fe-S ½O2 H2O Complexo III Complexo bc1 2 cit-b Fe-S Rieske Cit-c (c1) Cit c Complexo II Succinato desidrogenase FAD Fe-S Cit-b Sn-glicerofosfato desidrogenase FAD, Fe-S CADEIA DE TRANSPORTE DE ELÉTRONS Complexo IV Citocromo aa3 2 cit-a Ions Cu UQ/UQH2

  26. Complexos protéicos da cadeia de transporte de elétrons

  27. Estados de oxidação da FMN e da CoQ A + 2e- + 2H+ <-> AH2

  28. ESTRUTURA DAS PROTEÍNAS FERRO-ENXOFRE Fe+3 + 1e- <-> Fe2+

  29. CITOCROMOS bH bL Citocromo c Estrutura secundária do citocromo b Matriz mitocondrial Fe+3 + 1e- <-> Fe2+

  30. REAÇÕES DE ÓXIDO REDUÇÃO: POTENCIAL REDOX

  31. Potencial redox padrão de transportadores de elétrons da cadeia respiratória mitocondrial C O M P L E X O I C O M P L E X O III C O M P L E X O IV

  32. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 2H+ 2H+ 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + H+ H+ H+ _ _ _ _ + + _ _ _ _ _ _ _ H+ ½ O2 ½ O2 H2O H2O Fumarato Fumarato Succinato Succinato ADP + Pi NADH NADH H+ NAD+ NAD+ 3H+ ATP _ _ Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico  ( negativo interior) _ _

  33. POTENCIAL DE ÓXIDO-REDUÇÃO ox + ne- red ox + ne- + mH+ red Reação de óxido redução envolve 2 pares redox Relação entre G e E Para a reação:NADH + H+ +1/2 O2 H2O + NAD+ NADH + 2e- NAD+Eh =-0,315V ½ O2 + 2H+ + 2e-  H2O Eh =+0,815V G°=-2 x 96,9 x 1,13 = -218 kJ mol-1

  34. -0,4 NADH  NAD+ (-0,315V)  ComplexoI Eº’ = 0,360V Gº’ = -69,5 kJ mol-1 -0,2  (+0,030V) E’ (V) 0 Succinato FADH2 CoQ (+0,045V) ComplexoII    Fumarato ComplexoIII Eº’ = 0,190V Gº’ = -36,7 kJ mol-1 0,2  0,4 Citocromo c (+0,235V)  ComplexoIV Eº’ = 0,580V Gº’ = -112 kJ mol-1 0,6  2H++ ½ O2 H2O(+0,815V) 0,8

  35. EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA O2 é injetado a 1 min Meio sem aeração contendo mitocôndrias + ADP + Pi e succinato sem O2

  36. EVIDÊNCIAS EXPERIMENTAIS DA TEORIA QUIMIOSMÓTICA O2 é injetado a 1 min Meio sem aeração contendo mitocôndrias + ADP + Pi e succinato sem O2

  37. FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA DO ADP 2H+ 2H+ 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + H+ H+ H+ _ _ _ _ + + _ _ _ _ _ _ _ H+ ½ O2 ½ O2 H2O H2O Fumarato Fumarato Succinato Succinato ADP + Pi NADH NADH H+ NAD+ NAD+ 3H+ ATP _ _ Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico  ( negativo interior) _ _

  38. Geração do gradiente de prótons (Teoria quimiosmótica, proposto por Peter Mitchell, Nobel de 1978) Modelo de loop redox

  39. NADH NADH 2H 4H+ 2e- 2e- I 2H+ UQ I 2H III + UQ 2e- 2e- 4H+ 2H+ 2H 2H+ III III c c ½O2+2H+ ½O2+2H+ 2e- 2e- 2H+ H2O H2O IV IV Loop redox Proton pump NADHO2 : 8 a 10H+ NADHO2 : 6H+ Estequiometria de cargas e prótons na cadeia respiratória modelo loop redox X proton pump

  40. Mecanismo de translocação de prótons no Complexo III: Ciclo Q

  41. Ciclo Q

  42. - - - - - - - + + + + + + + X X - - - - - - - + + + + + + + X X X X X X+ X+ Gradiente de concentração Gradiente elétrico transmembrana Gradiente de concentração e gradiente elétrico transmembrana Energética da transferência de prótons através da membrana: definição da força próton-motriz G = gradiente eletroquímico iônico = x+ No caso da mitocôndria: X+=H+ e –log[H+] = pH, então Mitchell definiu o termo força próton-motriz (p) Um gradiente eletroquímico de H+ de 1 kJ mol-1, corresponde a uma força próton-motriz de 10,4 mV.

  43. Estágio 1 Produção de Acetil-CoA Catabolismo de proteínas lipídeos e carboidratos Estágio 2 Oxidação de Acetil-CoA Estágio 3 Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa

  44. BETA-OXIDAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS

  45. MODELO QUIMIOSMÓTICO PARA SÍNTESE DE ATP 2H+ 2H+ 4H+ 4H+ 4H+ 4H+ H+ H+ + + + + + + + + + + + + + + H+ H+ H+ _ _ _ _ + + _ _ _ _ _ _ _ H+ ½ O2 ½ O2 H2O H2O Fumarato Fumarato Succinato Succinato ADP + Pi NADH NADH H+ NAD+ NAD+ 3H+ ATP _ _ Potencial químico pH ( alcalino interior) Síntese de ATP dirigida pela força próton- motriz Potencial elétrico  ( negativo interior) _ _

  46. CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Acetil-CoA Ciclo do Ácido cítrico

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