Exercícios Fosforilação oxidativa
Autor: Márcia Regina Barbosa da Silva. | Publicado: 2014-01-07T15:06:00-03:00


 
 
 






1.
Resuma a teoria quimiosmótica. Qual a importância?

R-
A
teoria sugere essencialmente que a maioria da síntese de ATP
na&nbsp;respiração
celular&nbsp;seja
proveniente do&nbsp;gradiente
electroquímico
formado
entre os dois lados da membrana interna mitocondrial
ao
utilizar a energia do&nbsp;NADH&nbsp;e&nbsp;FADH2,
formados no&nbsp;catabolismo&nbsp;de&nbsp;moléculas&nbsp;como
a&nbsp;glicose.


Explanação
do processo: Determinadas moléculas,
tais como a glicose, são metabolizadas





de
forma a produzir&nbsp;acetil-CoA,
um intermediário energeticamente rico. A&nbsp;oxidação&nbsp;do
acetil-









acoplada&nbsp;à&nbsp;redução&nbsp;de
moléculas transportadoras como o&nbsp;NAD&nbsp;e
o&nbsp;FAD.&nbsp;2



Estas
moléculas transportam elétrons para a&nbsp;cadeia
de transporte eletrónico&nbsp;na
membrana mitocondrial interna. A energia eletrônica é utilizada
para bombear protons da matriz através da membrana mitocondrial
interna, armazenando energia sob a forma de um gradiente
eletroquímico transmembranar. Os protões passam então novamente
para dentro da matriz através da ATP sintase. O fluxo de protões
através desta&nbsp;enzima&nbsp;fornece
a energia necessária para a&nbsp;fosforilação&nbsp;do&nbsp;ADP&nbsp;a&nbsp;ATP.
Os elétrons e prótons que passam através da última bomba
protônica da cadeia são adicionados ao&nbsp;oxigénio,
formando&nbsp;água&nbsp;(na&nbsp;respiração
aeróbia)
ou outra molécula aceitadora de elétrons.




2.
De que maneira os elétrons do NADH são transportados até a matriz 
mitocondrial?

R-
As
moléculas com alto potencial energético NADH e FADH2&nbsp;são
produzidas no&nbsp;ciclo
dos ácidos tricarboxílicos&nbsp;e
na&nbsp;glicólise.
Estas moléculas transferem electrões para uma cadeia de transporte
electrónico de forma a criar um gradiente de protões entre a
membrana mitocondrial interna e a matriz mitocondrial; a ATP sintase
usa então quimiosmose para sintetizar ATP. Este processo é
denominado&nbsp;fosforilação
oxidativa&nbsp;por
o oxigénio ser o aceitador final de electrões na cadeia de
transporte electrónico mitocondrial.




3.
Como funciona o translocador de ATP-ADP?


R- A
maior parte do ATP gerado na matriz mitocondrial por meio da
fosforilação oxidativa é utilizado no citosol. A membrana
mitocondrial interna contém um translocador de ADP-ATP (também
chamado adenina-nucleotídeo-translocase) que transporta o ATP para
fora da matriz em troca de ADP produzido no citosol pela hidrólise
do ATP.O translocador ADP-ATP, um dímero de subunidades
idênticas de 30KD, possui um sítio de ligação pelo o qual ADP e
ATP competem. Esse translocador possui duas conformações
principais: uma, com o sítio de ligação ao ATP-ADP para o lado de
dentro da mitocôndria, e o outro, com esse mesmo sítio, para o lado
externo. O translocador deve unir-se ao ligante para alterar de uma
conformação para outra, em uma taxa fisiologicamente razoável.

4.
Resuma as etapas da cadeia transportadora de elétrons do NADH ao
oxigênio.

R-
Na
reação completa catalisada pela cadeia respiratória mitocondrial,
os elétrons se movem do NADH, succinato ou algum outro doador
primário de elétrons através das flavoproteínas, ubiquinona,
proteínas ferro-enxofre, citocromo e finalmente para o O2.




5.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa são o mesmo
processo?  Explique.

R-
A
fosforilação oxidativa é o processo metabólico de síntese de ATP
a partir da energia liberada pelo transporte de elétrons na cadeia
respiratória. Todo o processo depende de dois fatores, a energia
livre obtida do transporte de elétrons e armazenada na forma de
gradiente de íons hidrogênio e uma enzima transportadora denominada
ATPsintase.


Também
denominada de cadeia transportadora de elétrons, realiza o
transporte de átomos de hidrogênio energizados, ou seja, elétrons,
a partir de substâncias aceptoras intermediárias (NAD e FAD)
provenientes da glicólise e do ciclo de Krebs.




6.
Indicar a localização celular da cadeia de transporte de elétrons.

R-
Cadeia
respiratória é a etapa da respiração celular que ocorre no
interior das mitocôndrias, precisamente em sua membrana interna
pregueada.

7.
Esquematizar
a sequência dos compostos da cadeia transportadora de elétrons,
indicando os transportadores sobre de elétrons e os transportadores
de elétrons e prótons.

R-O
processo de transferência de elétrons que conecta essas reações
parciais, ocorre através de um caminho complexo que culmina com a
liberação de energia livre na forma de ATP (Adenosina Trifosfato).
Os
12 pares de elétrons envolvidos na oxidação da glicose não são
transferidos diretamente ao O2.
Antes, eles são transferidos para as coenzimas NAD+&nbsp;(Nicotinamida
Adenina Dinucleotídeo) e FAD (Flavina adenina Dinucleotídeo) para
formar 10 NADH + 2 FADH2&nbsp;nas
reações catalisadas pelas enzimas glicolíticas e enzimas do ciclo
do ácido cítrico. Os elétrons passam, então, para uma cadeia
transportadora de elétrons onde, através da reoxidação do NADH e
FADH2,
participam de redução-oxidação de cerca de 10 centros redox até
reduzir O2&nbsp;
em H2O.
Nesse processo, prótons são liberados da mitocôndria. A energia
livre estocada no gradiente de pH resultante leva à síntese de ATP
a partir de ADP e Pi&nbsp;através
da Fosforilação Oxidativa. A reoxidação de cada NADH resulta na
síntese de 3 ATPs, e a reoxidação de FADH2produz
2ATPs, resultando em um total de 38 ATPs para cada glicose
completamente oxidada a CO2&nbsp;e
H2O
(incluindo ATPs produzidos na glicólise e 2 ATPs produzidos no ciclo
do ácido cítrico).

Os NADH
e FADH2&nbsp;produzidos
na oxidação da glicose e de outros substratos são&nbsp;



reoxidados na
mitocôndria por um processo que compreende a remoção de seus
prótons e



&nbsp;elétrons: os prótons são liberados no meio e os
elétrons são conduzidos por uma série de&nbsp;



transportadores de
elétrons até o oxigênio. Recebendo elétrons, o oxigênio liga-se
a prótons



&nbsp;do meio formando água.&nbsp;Cada um dos transportadores é
capaz de receber elétrons do



&nbsp;transportador imediatamente anterior e
transferi-los ao seguinte, constituindo assim uma



cadeia chamada
cadeia transportadora de elétrons.

O
doador de elétrons é, invariavelmente, uma coenzima reduzida, e o
aceptor final de elétrons, o oxigênio. A maioria dos
transportadores de elétrons tem natureza protéica, contendo grupos
prostéticos associados à cadeia polipeptídica; a óxido-redução
do composto se processa no grupo prostético.

8.
Citar três inibidores da cadeia de transporte de elétrons,
indicando os transportadores sobre os quais atuam.

R-
A
transferência pode se dar de três formas: Direta, como átomo de
hidrogênio (H+&nbsp;+
1elétron), ou como íon hidreto - H-&nbsp;(H+&nbsp;+
2 elétrons).

O NADH+
e o FADH2&nbsp;transportam
os elétrons de diferentes vias até a CTE, onde os doam



&nbsp;Dentro da
cadeia, o fluxo se estabelece entre uma série de transportadores que
incluem





: carreadores de membrana (como as quinonas), citocromos e
proteínas ferro-sulfonadas.





-Ubiquinona-
singularmente, sua redução pode se dar em duas etapas diferentes:


 Recebe
 o 1º elétron, sendo reduzida a radical semiquinona - UQH


 2º
 elétron - Ubiquinol - UQH2



Desta
forma, a ubiquinona pode fazer a interação entre doadores de 2
elétrons e receptores



&nbsp;de um único.





Citocromos
- são proteínas contendo ferro, portanto um grupo heme, responsável
pelas



&nbsp;diferentes variações: citocromos a, b e c. Enquanto a e b são
proteínas de membrana, o&nbsp;



c está "preso" à superfície
externa da membrana interna por interações eletrostáticas.





Proteína
Fe-S - são boas doadoras de elétrons, e transferem apenas um.





Complexo
I: NADH à Ubiquinona





Equação
geral:&nbsp; NADH + H+&nbsp;+
UQ&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; NAD+&nbsp;+
UQH2





 A
entrega não é direta, passando por FMN (Flavina MonoNucleotídeo),
que entrega os



&nbsp;elétrons à Fe-S ao qual está associada, e só então
estes são entregues à UQ.



Complexo
II: Succinato à Ubiquinona





A enzima
responsável pela oxidação do succinato (a succianato
desidrogenase), é a única do



&nbsp;Ciclo do Ácido Cítrico ligada à
membrana interna da mitocôndria e é através dela que&nbsp;





os elétrons
são doados ao FAD, para daí serem entregues à UQ via Fe-S. Este
complexo não&nbsp;





é responsável pelo bombeamento de nenhum próton para
o espaço intermembrana. Assim





, os elétrons que chegam à CTE via
FADH2&nbsp;só
serão responsáveis pelo bombeamento de



&nbsp;prótons a partir do
complexo III, daí a síntese de 1ATP a menos pelo FADH2&nbsp;em
comparação



&nbsp;ao NADH+



.

Complexo
III: Ubiquinona ao Citocromo c&nbsp;A
Ubiquinona pode movimentar-se ao longo da



&nbsp;bicamada lipídica. Assim,
após receber elétrons a partir de qualquer um dos complexos



&nbsp;anteriores, caminha até o complexo III, responsável por recebê-los
e repassá-los ao



&nbsp;citocromo c. A UQH2,
entretanto, só doará um elétron por vez ao cit c, o outro será
doado a

&nbsp;um cit b no complexo, que o devolverá à UQ, estabelecendo
um ciclo em que se repetem





&nbsp;estas etapas: UQH recebe um elétron do
complexo I ou II mais 1H+ da matriz. A UQH2&nbsp;assim

&nbsp;formada libera 1H+ para o espaço intermembrana e um elétron para o
cit b. A UQH resultante





&nbsp;libera outro H+ e doa um elétron ao cit c. A
UQ recebe de volta um elétron do cit b e 1H+ da



&nbsp;matriz

.

Complexo
IV - redução do O2



O
citocromo c é livre para movimentar-se na superfície externa da
membrana, levando assim



&nbsp;os elétrons recebidos do complexo III ao IV.
Só o fará, entretanto, quando houver acumulado 4







&nbsp;elétrons. Neste
complexo, os elétrons após passarem pelos cit a e a3, serão doados
a 4H+ e





&nbsp;1O2&nbsp;da
matriz, sintetizando assim duas moléculas de água.



9.
Qual seria o estado de oxidação (oxidado/reduzido) dos componentes
da cadeia de transporte de elétrons em presença de malato e de
antimicina A?

R-O
malato, ao entrar na mitocôndria, traz consigo uma molécula de
glutamato. O glutamato e o malato são transformados por uma
amino-transferase, gerando α-ceto-glutarato e aspartato. Outra
amino-transferase transformará o α-ceto-glutarato e o aspartato em
malato e glutamato de novo, reiniciando o ciclo da lançadeira
malato-aspartato.
Na presença de antimicina temos a inibição da cadeia respiratória
(transporte de elétrons). Por consequência as vias de metabolismo
que dependem do oxigênio estão desativadas: ciclo de Krebs e
beta-oxidação ( não há reoxidação das coenzimas reduzidas),
funciona apenas a glicólise anaeróbica ( glicose lactato),
produzindo 2 moléculas de ATP por molécula de glicose). 


10.
Definir fosforilação oxidativa.


R- A
fosforilação oxidativa é o processo no qual só elétrons
liberados durante a oxidação de substratos são transferidos para a
cadeia mitocondrial transportadora de elétrons através de coenzimas
reduzidas (NADH e FADH²) para o oxigenio molecular. A energia livre
promove a sintese de ATP a partir de ADP.

11.
Descrever a hipótese do acoplamento quimiosmótico para a
fosforilação oxidativa.

R-
A
hipótese amplamente aceita hoje foi descrita por Peter Mitchell, em
1961, e é chamada "Hipótese Quimiosmótica de Mitchel",
segundo a qual as condições para que ocorra a fosforilação
oxidativa são: um bombeamento de prótons pela cadeia respiratória,
criando um fluxo da matriz para o citosol e uma membrana mitocondrial
interna (MMI) impermeável a prótons e íntegra.A partir desta
situação, são previstos os seguintes eventos na MMI:- a cadeia
respiratória, ao transportar os elétrons, bombeia prótons da
matriz para o citosol;- a MMI, por ser impermeável a prótons,
impede o retorno destes à matriz;- cria-se um gradiente duplo
(de pH e eletrostático) através da MMI, que gera uma situação de
alta instabilidade e, por conseqüência, uma força que atrai os
prótons de volta;- essa força, chamada força próton-matriz,
dirige o refluxo de prótons à matriz mitocondrial através dos
canais de prótons da enzima ATPase;- a passagem dos prótons
pela ATPase determina a síntese do ATP.Como elementos que
são suporte experimento à teoria de Mitchell, temos:- não
existe nenhum intermediário rico em energia na Cadeia Respiratória-
a fosforilação oxidativa requer uma MMI intacta- a MMI é
impermeável a prótons e outros íons como Cl- OH- e K+.- a
fosforilação oxidativa pode ser inibida por agentes ionóforos
(transportadores de íons) e desacopladores (transportadores de H+
através da MMI)- o fluxo de elétrons na cadeia respiratória
ejeta prótons da matriz mitocondrial para o citosol da célula.




12.
Indicar o número de ATP sintetizados para cada NADH e FADH2
oxidados.

R-
Rendimento
energético: Para cada molécula de NADH oxidados, a quantidade de H+
ejetados permite sintetizar 03 moles de ATP. Já para cada mol de
FADH2 oxidado, a quantidade de H+ ejetados permite sintetizar 02
moles de ATP.

13.
Comente sobre as mitocôndrias desacopladoras do tecido marrom.

R-
A
maioria do mamíferos (incluindo homens e recém-nascidos) possuem o
tecido adiposo marrom no qual a oxidação dos combustíveis não
funciona para a produção de ATP, mas sim de para produzir calor
(manter RN’s e mamíferos hibernantes aquecidos). Este tecido é
marrom porque possui uma grande quantidade de mitocôndrias e, por
tanto, grande quantidade de citocromos cujos grupos hemes são fortes
absorventes da luz visível. As mitocôndrias do tecido adiposo
marrom oxidam combustíveis (ácidos graxos), passando os elétrons
através da cadeia respiratória até o O2. Esta transferência de
elétrons é acompanhada pelo bombeamento de prótons para fora da
matriz. Entretanto, a mitocôndria do tecido adiposo marrom possui
apenas a termogenina (também chamada de proteína desacopladora) em
sua membrana interna. Esta proteína desacopladora fornece uma rota
alternativa para os prótons reentrarem na matriz mitocondrial,
fazendo com que a energia conservada pelo bombeamento dos prótons
seja dissipada como calor

14.A
membrana interna da mitocôndria é impermeável à ATP e NADH.
Mostrar como:

a)
o NADH produzido na via glicolítica pode ser oxidado na cadeia
respiratória (lançadeiras malato e do glicerol-fosfato);

R-
O NADH produzido na via glicolítica pode ser oxidado na cadeia
respiratória (lançadeira malato e do glicerol-fosfato);

Sistemas
circulares especiais transportam os equivalentes redutores do NAD
citosólico para dentro da mitocôndria por uma rota indireta. O
circuito NADH mais ativo, que funciona nas mitocôndrias do fígado,
rim e coração, é o circuito malato aspartato. Os equivalentes
redutores do NADH citosólico são primeiro transferidos ao
oxaloacetato citosólico produzindo malato, pela ação malato
desidrogenase citosólica. O malato, formado desta forma, passa
através da membrana interna para a matriz utilizando o sistema de
transporte malato-α-cetoglutarato. Dentro da matriz, os equivalentes
redutores são passados pela ação da malato desidrogenase matricial
ao NAD+ da matriz, formando NADH; este NADH pode então transferir
seus elétrons diretamente à cadeia respiratória na membrana
interna. Três moléculas de ATP são geradas à medida que esse par
de elétrons passa ao O2. O Oxalatocetato citosólico deve ser
regenerado através da reação de trasaminação e a atividade dos
transportadores de membrana começa um outro circuito. No músculo
esquelético e no cérebro ocorre o circuito do glicerol-3-fosfato
que, diferentemente do circuito malato-aspartato, libera os
equivalentes redutores do NADH no Complexo III, e não no Complexo I,
o que fornece energia apenas para a síntese de duas moléculas de
ATP por par de elétrons.

b)o
ATP produzido na mitocôndria pode ser utilizado no citosol.

R-
O
gradiente eletroquímico além de favorecer a síntese de ATP, ele
também auxilia no transporte de moléculas para o interior da matriz
mitocondial. A molécula de ATP que é produzida dentro da matriz
mitocondrial tem que ser exportada para o citosol, como as moléculas
de ADP e PI devem ser importadas para o interior da matriz
mitocondrial para que a síntese de ATP possa continuar. O mecanismo
de transporte de ATP para fora da célula e ADP e Pi para dentro é
medido por uma proteína integral chamada de “translocador de
nucleotídeo de adenina”. Como o ATP possui mais carga negativa do
que o ADP, a troca é impulsionada pelo gradiente eletroquímico. É
necessário além de ADP para a formação de ATP a presença de Pi,
o mesmo é transportado para dentro da matriz mitocondrial. Essa
troca é realizada via proteínas de transporte que transportam os
radicais fosfato (H2PO-4) para dentro e OH- para fora da matriz
mitocondrial, tal troca é eletricamente nula já que tanto o radical
fosfato e a hidroxila possuem cargas -1.

Outro
exemplo desse processo é o transporte de piruvato do citosol – que
é produzido na glicólise – que é mediado por um transportador
que troca o piruvato por hidroxila