Apostila - Hipótese Qu\'imiosmótica de Mitchell

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Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell Peter Mitchell, em 1961, sugeriu que a energia do transporte de elétrons era utilizada para bombear prótons do espaço intermembrana da mitocôndria atravessando a membrana interna dessa organela. O transporte de prótons ocorre contra um gradiente, sendo um processo endergônico, ou seja, é um processo não espontâneo. Esse transporte de prótons é possível graças ao sistema transportador de elétrons que consegue bombear os prótons utilizando a energia obtida em reações de oxi-redução, processo esse denominado de exergônico. No espaço intermembrana o gradiente é formado e, então, uma concentração maior de prótons se encontra agora entre as duas membranas da mitocôndria. Com isso, o pH interno fica maior do que aquele observado entre as membranas, visto que lá a concetração de prótons H+ é maior. Ocorre a formação de cargas encontrada nos ambientes separados por essas membranas. A face interna da mitocôndria, voltada para a matriz, fica mais negativa do que a face voltada para o espaço intermembranas e essa diferença de carga elétrica gera um potencial de membrana. Então, a energia conservada no gradiente eletroquímico resultante, chamada de força próton-motriz, é constituída de dois componentes: O primeiro do gradiente de pH e o segundo do gradiente elétrico. O retorno dos prótons ao interior da mitocôndria acontece espontaneamente a favor de um gradiente eletroquímico e isso é o que vai liberar energia para a síntese de ATP. Como a membrana interna da mitocôndria é impermeável a prótons, eles só poderão passar através de sítios específicos, que representam o complexo enzimático que produz o ATP, a ATP sintase. Assim, a fosforilação oxidativa só ocorre em mitocôndrias intactas ou em vesículas fechadas, que podem ser compatíveis com a formação desse gradiente de prótons. É importante, também, saber que a diferença de energia livre que está associada à transferência de elétrons a partir de cada um dos complexos corresponde a uma força próton-motriz suficientemente para promover a síntese de ATP. Para cada NAD reduzido que se oxida, ocorre a síntese de 3 ATPs. Ou seja, para cada par de elétrons do NAD reduzido, transportado pelos complexos até o oxigênio, são sintetizados 3 ATPs.

ATP Sintase Essa enzima possui dois componentes principais, chamados de F1 e Fo. A F1 é chamada também de fator de acoplamento 1 e corresponde à parte periférica da ATP sintase. A parte inserida na membrana é a chamada de Fo. Esse nome vem da letra O, que corresponde a uma parte que se liga à molécula de oligomicina, um inibidor da ATP sintase. É importante saber que a F1 catalisa a síntese de ATP utilizando três sítios ativos, um em cada subunidade - chamadas de beta -, e faz isso junto com a interface alfa/beta. A Fo contém os canais de passagem de prótons.

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Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell

A F1Fo ATPase ou ATP sintase Existe um consenso de que a F1/Fo são mecanicamente acopladas por um rotor, cujo movimento determinaria a função a ser exercida por cada sítio dessa enzima. Assim, a ATP sintase converte energia eletroquímica, que estava antes armazenada no gradiente de prótons, em energia mecânica, que é utilizada para gerar energia química sob a forma de ATP.

Controle Respiratório O controle respiratório vai ocorrer em relação à quantidade que está sendo produzida de ATP em relação à redução das coenzimas NAD e FAD. A velocidade do transporte de elétrons e da síntese de ATP são reguladas pela concentração de ADP. Para promover o ajuste da produção de ATP ao seu gasto, o transporte de elétrons e a síntese de ATP são processos intimamente acoplados, isto é, só há oxidação de coenzimas se houver síntese de ATP, e vice-versa. • Substratos destes processos: coenzimas reduzidas, oxigênio, ADP + Pi. • ADP: é o único que atinge concentrações limitantes nas células, sendo, por isso, o regulador de ambos os processos. A regulação da velocidade de oxidação de coenzimas (equivalente à velocidade de consumo do oxigênio) é exercida pela concentração de ADP. Assim, quando a célula realiza processos que consomem energia, transformando ATP em ADP, há um estímulo da sintase de ATP e do transporte de elétrons, devido à maior disponibilidade de um dos substratos (ADP). O fluxo de prótons pela ATP sintase é acelerado, dissipando-se mais rapidamente o gradiente eletroquímico. Deste modo, a velocidade das vias que dependem da reciclagem de coenzimas oxidadas pela cadeia transportadora de eletróns também é regulada pela razão entre ATP e ADP. Além disso, o próprio ADP participa de regulações alostéricas dessas vias.

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Inibidores e Desacopladores de Cadeia As substâncias capazes de dissociar o transporte de elétrons da fosforilação oxidativa são denominadas desacopladores. O transporte de elétrons continua e a síntese de ATP é paralisada.

Moduladores do transporte de elétrons e da fosforilação oxidativa mitocondrial

Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell

ATP/ ADP>1 = DIMINUIÇÃO DA CADEIA NAD REDUZIDO/NAD OXIDADO >1 =ACELERAR A CADEIA

• Inibidores: Rotenona – pode inibir o complexo I.

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• Malonato: pode inibir o complexo II.

• Antimicina: pode inibir o complexo III.

• Cineto ou CO: pode inibir o complexo IV.

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Oxidação do NADH Citosólico A membrana interna da mitocôndria é impermeável a NAD+ e NADH e, assim, a oxidação do NADH citosólico não pode ser feita diretamente pela cadeia transportadora de eletróns. Porém, as coenzimas reduzidas no citossol podem ser indiretamente oxidadas pela cadeia transportadora de eletróns, graças a sistemas designados “Lançadeiras”. Os elétrons do NADH são transferidos para um composto citosólico que, reduzido, pode atravessar a membrana, ou os elétrons são transferidos para um composto que transfere os elétrons para um componente da membrana.

Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell

• Oligomicina: bloquea a ATP sintase. Liga-se ao componente Fo (canal de prótons) da ATP sintase, que se torna impermeável a prótons. Como os processos de síntese de ATP e da CTE são fortemente acoplados, a interrupção de um deles é de imediato refletida no outro. Ele interrompe a síntese de ATP e o consumo de oxigênio.

• Lançadeira do malato-aspartato: O oxalacetato é reduzido pelo NADH (formando NAD+) dando origem ao malato (que atravessa a membrana da mitocôndria), dentro da mitocôndria o malato é oxidado por um NAD+ (formando NADH, que será usado na cadeia transportadora de eletróns) formando novamente um oxalacetato que recebe um grupo amino e sai da mitocôndria como Aspartato.

Lançadeira do malato-aspartato Estude com a gente! www.biologiatotal.com.br

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Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell

• Lançadeira Glicerol-Fosfato: NADH citosólico reduz diidroxiacetona fosfato, formando glicerol3-fosfato, vai até membrana interna, que contem FAD, regenerando a diidroxiacetona-fosfato, formando FADH2. Este, através de um centro Fe-S, entrega seus elétrons a CoQ. Cada NADH oxidado origina 2 ATP, gerando um decréscimo na produção de ATP e garantindo a irreversibilidade do transporte.

Lançadeira Glicerol-Fosfato

Como o ATP vai para o citosol? Existem alguns sistemas que são responsáveis pelo transporte de metabólitos através da membrana interna da mitocôndria. Para transportar o ATP, nossa célula utiliza a adenina nucleotídeo translocase ou ATP/ ADP translocase. Essa proteína permite que o ATP que foi sintetizado saia para o citosol.

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Hipótese Quimiosmótica de Peter Mitchell EXERCÍCIOS. questão enade

e) da presença da membrana mitocondrial externa, pois sem ela não haveria a formação 1. (ENADE 2014) As mitocôndrias possuem dupla do gradiente deelétrons (íons H+) no espaço membrana (externa e interna) e um espaço intermembranar. intermembranar. A teoria quimiosmótica, introduzida por Peter Mitchell, em 1961, tem 2. Como a ATP sintase utiliza energia para produzir sido aceita como um dos grandes princípios o ATP? unificadores da biologia no século XX, por explicar os processos de respiração celular que resultam na síntese de ATP. MARGULIS, L. Origin of Eukaryotic Celis. Yale University Press, 1970.

3. Se o transporte de prótons ocorre contra um gradiente como isso é possível já que é um processo não espontâneo?

Nessa perspectiva e de acordo com a imagem apresentada, é correto afirmar que a síntese do ATP (adenosina trifosfato), a partir da associação do grupamento fosfato (Pi) ao ADP (adenosina difosfato), depende:

4. Explique por que ocorre a alteração de pH entre as duas membranas da mitocôndria durante o processo de ativação do sistema transportador de elétrons.

a) da geração do gradiente de prótons (íons H+) pela cadeia transportadora de elétrons, que ativa a ATPsoma. b) da ativação da ATPsoma, independentemente do gradiente gerado na cadeia transportadora de elétrons. c) da geração de pelo menos 10 íons H+ na cadeia transportadora de elétrons, que dá início à 5. Cite os dois componentes principais resultantes conversão do NADH2 em NAD+. do que chamamos de força próton-motriz. d) de reações químicas por trocas de prótons e elétrons, que ocorrem de forma quase localizada entremolécula do NADH2 e o ADP + Pi. Estude com a gente! www.biologiatotal.com.br

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questão resolvida na aula 10. Uma proteína capaz de desacoplar o sistema transportador de elétrons irá: a) Diminuir a síntese de ATP e diminuir a velocidade do sistema. b) Aumentar a síntese de ATP e diminuir a velocidade do sistema. c) Diminuir a síntese de ATP e aumentar a velocidade do sistema. d) Diminuir apenas a síntese de ATP. e) Não irá influenciar na resposta do sistema transportador de elétrons.

EXERCÍCIOS

6. Explique o que é F1 e Fo.

11. Quem foi Peter Mitchell? 7. Como NAD reduzido, produzido na via glicolítica, entra na mitocôndria?

8. Como o ATP produzido na mitocôndria sai dessa organela?

9. Cite e explique inibidores e desacopladores da cadeia respiratória.

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gabarito. é conhecida também como fator de acoplamento 1 e corresponde a parte periférica da enzima. A Resposta da Questão 2: porção que está inserida na membrana e chamada de Fo (letra O e não o número zero). Esse nome Essa enzima utiliza a energia transformada e é originado da oligomicina, um inibidor da ATP transferida, presente nas ligações químicas dos sintase, que se liga nessa região da proteína. nutrientes, e as reações de oxi-redução impostas aos mesmos. Dessa maneira, reações acopladas Resposta da Questão 7: (espontâneas e não espontâneas) culminam na formação de um gradiente de próton no espaço Nossas células apresentam um sistema conhecido intermembrana da mitocôndria (força próton- como lançadeira. Existem duas principais: motriz). Ao retornarem para a matriz, os prótons malato-aspartato e a lançadeira do gliceroltransferem essa energia para a ATP sintase, fosfato. No primeiro caso, por exemplo, durante ativando-a. a conversão do oxalacetato para o malato no espaço intermembrana o NAD é oxidado e Resposta da Questão 3: pode ser reutilizado na via glicolítica. O malato produzido consegue atravessar a membrana Esse transporte ocorre através das reações de oxi- interna da mitocôndria e na matriz pode retornar redução localizadas nos complexos enzimáticos a oxalacetato, nesse caso, durante essa reação presentes na cadeia transportadora de elétrons uma molécula de NAD é reduzida. O NAD reduzido (complexo I, III e IV). Essas complexos são reduzidos então pode ser utilizado na cadeia transportadora e após transferirem seus elétrons na sequencia, de elétrons. utilizam essa energia para bombear prótons para o espaço entre as membras mitocondriais. Dessa Resposta da Questão 8: forma o gradiente é formado e assim, a energia presente, conhecida como força próton-motriz Para transportar o ATP, nossa célula utiliza a poderá ser utilizada pela ATP sintase para produzir adenina nucleotídeo trasnlocase ou ATP/ADP o ATP. translocase. Essa proteína permite que o ATP que foi sintetizado saia para o citosol. Esse transporte Resposta da Questão 4: está acoplado `a passagem de próton pela proteína ATP sintase e a translocase de fosfato (simporte de O transporte de prótons contra o gradiente é H3PO4- e próton). possível graças ao sistema transportador de elétrons que consegue bombear os prótons Resposta da Questão 9: utilizando a energia obtida em reações de oxiredução. Ao final do processo, no espaço entre Rotenona- Inibidor do complexo I as membranas da mitocôndria, apresenta uma Malonato- Inibidor do complexo II concentração maior de prótons que nesse Antimicina A- Inibidor do compelo III momento se localizam nesse espaço. Com isso, o Cianeto ou CO- Complexo IV pH na matriz fica maior do que aquele observado entras as membranas. Resposta da Questão 10: [C] Resposta da Questão 5:

EXERCÍCIOS

Resposta da Questão 1: [A]

Resposta da Questão 11:

O primeiro é o gradiente de pH e o segundo é o Peter Mitchell sugeriu em 1961 que a energia gradiente elétrico. proveniente do transporte de elétrons era utilizada para bombear prótons para o espaço Resposta da Questão 6: intermembrana através da membrana interna da mitocôndria. São os componentes principais da ATP sintase. A F1 Estude com a gente! www.biologiatotal.com.br

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