Metabolismo de carboidratos

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Sandy Vanessa Medicina o8 – UFPE CAA 
 
 
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• Carboidratos são moléculas de carbono ricas em OH e 
um aldeido ou cetona, podendo apresentar diversas 
funções: 
✓ Estrutural 
✓ Energética 
✓ Anticoagulante 
✓ Lubrificante 
✓ Cicatrizante 
✓ Antigênica 
 
• Monossacarídeos: 
✓ Açúcares mais simples, tais como aldeídos e 
cetonas. 
✓ Solúveis em água e insolúveis em solventes 
apolares. 
✓ Glicose, frutose e galactose são os representantes 
mais famosos desse grupo. 
✓ O monossacarídeo é uma aldose quando o grupo 
carbonila está na extremidade da cadeia, o 
monossacarídeo é uma cetose quando o grupo 
carbonila está em qualquer outra posição que não 
seja a extremidade. 
✓ Ciclizam na água, apresentando OH livre no 
carbono redutor. 
✓ Não sofrem hidrólise 
 
• Oligossacarídeos: 
✓ União de monossacarídeos através de ligações 
glicosídicas. 
✓ Os mais abundantes são os dissacarídeos que 
possuem duas unidades de monossacarídeos, 
como a sacarose, maltose e lactose. 
✓ Os oligossacarídeos com 3 ou mais unidades 
geralmente, não são moléculas livres nas células e 
formam glicoconjugados com outras moléculas 
(lipídeos e proteínas). 
 
• Polissacarídeos: 
✓ Polímeros de açúcar com mais de 20 unidades de 
monossacarídeos, tais como amido e 
glicogênio que são formas de armazenamento 
energético na célula, e; celulose e quitina que 
possuem funções estruturais. 
 
• A glicose é um monossacarídeo de suma importância 
pois é essencial para o processo de respiração celular, 
ou seja, é imprescindível para a liberação de energia 
que permite a realização das reações químicas, e 
garantir, assim, o funcionamento adequado do 
metabolismo. Quando há falhas no processo de 
obtenção da glicose tanto pelo excesso quanto pela 
falta dessa molécula, o organismo não funciona 
corretamente, como acontece na diabetes e traz 
diversas consequências para o organismo, por exemplo 
cegueira, amputação de membros inferiores, doenças 
cardíacas e renais. 
(glicolise) 
• Uma molécula de glicose é degradada em uma série 
de reações catalisadas por enzimas, tendo o piruvato 
como produto final. Assim, parte da energia é 
conservada na forma de ATP e NADH. 
 
• Via central quase universal do catabolismo da glicose. 
 
• Ocorre em 10 etapas, sendo as 5 primeiras partes da 
fase preparatória/investimento, e as 5 últimas 
correspondentes à fase de pagamento. 
 
• 3 tipos de transformações químicas podem ser 
observadas: 
✓ Degradação do esqueleto de carbono da glicose 
para produzir piruvato. 
✓ Fosforilação de ADP a ATP pelos compostos com 
alto potencial de transferência de grupos 
fosforila. 
✓ Transferência de um íon hidreto para o NAD+, 
formando NADH. 
 
• O piruvato formado pode entrar no ciclo do ácido 
cítrico, ser reduzido a lactato ou produzir etanol. Ele 
também pode ter destinos anabólicos, como na síntese 
de alanina ou de ácidos graxos. 
 
• Equação geral: 
Glicose + 2NAD+ + 2ADP + 2Pi → 2 piruvato + 2NADH + 2H+ + 2ATP + 2H2O 
• Processo essencialmente irreversível. 
• Libera apenas uma pequena fração da energia total 
disponível na glicose. 
 
• Cada um dos nove intermediários apresenta fosfato 
ligado. Esse grupo tem 3 funções: 
✓ Impedir a saída da glicose da célula, já que a 
membrana celular não possui transportadores 
para açúcares fosforilados. 
✓ Conservação enzimática da energia metabólica. 
✓ A energia de ligação resultante do acoplamento 
de grupos fosfato ao sítio ativo de enzimas reduz 
a energia de ativação e aumenta a especificidade 
das reações enzimáticas. 
 
• A cadeia da hexose é clivada em duas trioses-fosfato. 
 
1. Fosforilação da glicose 
✓ Formação da glicose-6-fosfato, a partir da ação da 
hexocinase. 
✓ Reação irreversível. 
✓ Desfosforilação do ATP com d-glicose como 
aceptor. 
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✓ A hexoquinase requer Mg²+ para ter atividade, já 
que o seu já que o verdadeiro substrato da enzima 
não é ATP4- , mas sim o complexo MgATP2-. O 
Mg2+ protege as cargas negativas dos grupos 
fosforila do ATP, tornando o átomo de fósforo 
terminal um alvo mais fácil para o ataque 
nucleofílico por um grupo - OH da glicose. 
 
2. Conversão de glicose-6-fosfato em frutose-6-fosfato 
✓ Ação da enzima fosfo-hexose-isomerase 
(fosfoglicose-isomerase). 
✓ Isomerização reversível da glicose-6-fosfato a 
frutose-6-fosfato. → Aldose em cetose. 
✓ Envolve intermediário enediol. 
 
 
 
3. Fosforilação da frutose-6-fosfato a frutose-1,6-
bifosfato 
✓ Enzima fosfofutocinase 1 (PFK-1). 
✓ Transferência de um grupo fosforila de um ATP 
para a frutose-6-fosfato. 
✓ Reação irreversível em condições celulares, 
sendo a primeira etapa comprometida da via 
glicolítica. 
✓ A enzima está sujeita a reação alostérica, com 
aumento na atividade quando houver pouco ATP 
na célula ou houver muito AMP (ADP se converte 
em AMP + ATP). Ela é inibida quando a célula tem 
muito ATP e estiver suprida por outro 
combustível, como ácidos graxos. 
✓ A frutose-2,6-bifosfato é também um potente 
ativador alostérico. 
 
4. Clivagem da frutose-1,6-bifosfato 
✓ Enzima aldolase (frutose-1,6-bifosfato-aldolase). 
✓ Reação reversível. 
✓ Forma 2 triose-fosfato diferentes: aldose 
gliceraldeído-3-fosfato e a cetose di-
hidroxiacetona-fosfato. 
 
5. Interconversão das triose-fosfato 
✓ Apenas o gliceraldeído-3-fosfato pode ser 
degradado nas etapas subsequentes, assim, o di-
hidroxiacetona-fosfato é convertida nele. 
✓ Enzima triose-fosfato-isomerase. 
 
 
• Produz ATP e NADH 
 
6. Oxidação do gliceraldeído-3-fosfato a 1,3-
bifosfoglicerato 
✓ Enzima gliceraldeído-3-fosfato-desidrogenase. 
✓ Grupo aldeído é oxidado em um anidrido de ácido 
carboxílico com ácido fosfórico, o acil-fosfato. 
✓ A maior parte da energia livre de oxidação do 
grupo aldeído do gliceraldeído-3-fosfato é 
conservada pela formação do acil-fosfato no C1 
do 1,3-bifosfoglicerato. 
✓ O gliceraldeído-3-fosfato é covalentemente ligado 
à desidrogenase durante a reação. 
 
 
7. Transferência de uma fosforila do 1,3-bifosfoglicerato 
para o ADP 
✓ Enzima fosfoglicerato-cinase 
✓ Formação de ATP. 
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✓ Obs: como uma glicose gera 2 piruvatos, o saldo 
energético é em dobro! 
 
Obs: As fases 6 e 7 constituem um processo de acoplamento 
de energia, em que 1,3-bifosfoglicerato é o intermediário 
comum, formado na primeira reação. Assim, seu grupo acil-
fosfato é transferido para o ADP na segunda reação, de certo 
que um fosfato inorgânico não reagiria com o ADP e por isso 
há a necessidade de sua saída de uma molécula orgânica. 
 
8. Conversão do 3-fosfoglicerato em 2-fosfoglicerato 
✓ Enzima fosfoglicerato-mutase. 
✓ Deslocamento reversível do grupo fosforila entre 
C2 e C3 do glicerato, com participação de Mg2+. 
✓ Ocorre em 2 etapas 
 
9. Desidratação do 2-fosfoglicerato produzindo 
fosfoenolpiruvato 
✓ Enzima enolase 
✓ Reação reversível 
✓ Envolve intermediário enólico estabilizado por 
Mg2+. 
 
 
10. Transferência do grupo fosforila do fosfoenilpiruvato 
para o ADP 
✓ Enzima piruvato-cinase 
✓ Exige K+ e Mg2+ ou Mn2+. 
✓ Piruvato aparece em sua fotma enólica e depois 
tautomeriza a sua forma cetônica, que predomina 
em pH 7. 
 
• O fluxo de glicose na via glicolítica é regulado para 
manter os níveis de ATP constante. O ajuste necessário 
na velocidade da glicólise é alcançado pela interação 
complexa entre o consumo de ATP, a regeneração de 
NADH e a regulação alostérica de algumas enzimas – 
exocinase, PFK-1 e piruvato-cinase. Também é regulada 
pela ação do glucagon, adrenalina e insulina, além de 
expressão de genes. 
 
• A captação da glicose do sangue é mediada pela família 
GLUT de transportadores de glicose. Os 
transportadores nos hepatócitos (GLUTl, GLUT2) e nos 
neurônios encefálicos(GLUT3) estão sempre presentes 
nas membranas plasmáticas. Por outro lado, o principal 
transportador de glicose nas células do músculo 
esquelético, do músculo cardíaco e do tecido adiposo 
(GLUT4) está armazenado em pequenas vesículas 
intracelulares e se desloca para a membrana 
plasmática apenas em resposta a um sinal de insulina. 
 
• Os indivíduos com diabetes melito tipo 1 (dependente 
de insulina) têm poucas células β e são incapazes de 
liberar insulina suficiente para desencadear a captação 
de glicose pelas células do músculo esquelético, do 
coração ou do tecido adiposo. Assim, após uma 
refeição contendo carboidratos, a glicose acumula-se a 
níveis anormalmente altos no sangue, condição 
conhecida como hiperglicemia. Incapazes de captar 
glicose, o músculo e o tecido adiposo utilizam os ácidos 
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graxos armazenados nos triacilgliceróis como seu 
principal combustível. No fígado, a acetil-CoA derivada 
da degradação desses ácidos graxos é convertida nos 
"corpos cetônicos" - acetoacetato e /β-hidroxibutirato 
-, que são exportados e levados a outros tecidos para 
serem utilizados como combustível. Esses compostos 
são especialmente cruciais para o encéfalo, que utiliza 
os corpos cetônicos como combustível alternativo 
quando a glicose não estiver disponível. (Os ácidos 
graxos não conseguem atravessar a barreira 
hematencefálica). Em pacientes com diabetes melito 
tipo 1 não tratado, a superprodução de acetoacetato e 
/β-hidroxibutirato leva a seu acúmulo no sangue, e a 
consequente redução do pH sanguíneo leva à 
cetoacidose, uma condição potencialmente letal. A 
administração de insulina reverte esta sequência de 
eventos: o GLUT4 desloca-se para a membrana 
plasmática dos adipócitos e das células musculares, a 
glicose é captada e fosforilada por essas células, e o 
nível de glicose no sangue. 
 
• O glicogênio e o amido endógenos, as formas de 
armazenamento da glicose, entram na glicólise em um 
processo de duas etapas. A clivagem por fosforólise de 
um resíduo de glicose de uma extremidade do 
polímero, formando glicose-1-fosfato, é catalisada pela 
glicogênio-fosforilase ou pela amido-fosforilase. A 
fosfoglicomutase, então, converte a glicose-1-fosfato 
em glicose-6-fosfato, que pode entrar na glicólise. 
• Os polissacarídeos e os dissacarídeos ingeridos são 
convertidos em monossacarídeos por enzimas 
hidrolíticas intestinais, e os monossacarídeos, então, 
entram nas células intestinais e são transportados para 
o fígado ou para outros tecidos. Várias D-hexases, 
incluindo a frutose, a galactose e a manose, podem 
entrar na glicólise. Cada uma delas é fosforilada e 
convertida em glicose-6-fosfato, frutose-6--fosfato ou 
frutose-1-fosfato. 
(ciclo de krebs) 
• Antes de entrarem no ciclo do ácido cítrico, o piruvato 
precisa ser transformado em acetil-coA. Essa reação 
ocorre no interior da mitocôndria, após a entrada da 
molécula. 
✓ Carreador mitocondrial de piruvato (MPC). 
 
• O piruvato é oxidado na matriz mitocondrial a acetil-
coA e CO2 
✓ Ação do complexo piruvato-desidrogenase 
(PDH). 
 Piruvato-desidrogenase – ligada a TPP. 
 Di-hidrolipoil-transacetilase 
 Di-hidrolipoil-desidrogenase – ligada ao FAD. 
 2 proteínas reguladores também fazem parte: 
uma cinase e uma fosfoproteína-fosfatase. 
✓ 5 cofatores, sendo 4 derivados de vitaminas, 
participam do mecanismo da reação. 
 Pirofosfato de tiamina – TPP ➔ B1 
 Dinucleotídeo de flavina-adenina – FAD ➔ 
Riboflavina (B2) 
 Coenzima A ➔ Panteonato (B5) 
 Dinucleotídeo de nicotinamida-adenina – NAD+ 
➔ Niacina (B3) 
 Lipoato - transportador de elétrons e acilas. 
✓ Descarboxilação oxidativa → processo 
irreversível que remove a carboxila na forma de 
CO2 e converte a estrutura restante em acetil-
CoA. 
✓ Processo de acoplamento. → A saída do CO2 
fornece a energia necessária para a entrada da 
coA. → Forma de conservação de energia. 
✓ Desidrogenação → Formação de NADH. 
✓ São 5 reações, sendo a primeira responsável pela 
limitação da velocidade global 
 
 
O beribéri, resultante da deficiência de tiamina, caracteriza-
se pela perda da função neural em decorrência da oxidação 
reduzida do piruvato. 
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• Nesse ciclo, o oxaloacetato é reciclado, podendo 
participar infinitas vezes. 
 
• Metade das etapas são oxidações, resultando na 
conservação de energia sob a forma de NADH e FADH2. 
 
1. Acetil-coA doa seu grupo acetila ao oxaloacetato, 
formando citrato. 
✓ Enzima citrato-sintase 
✓ Intermediário – citroil-coA. 
 
2. Formação do isocitrato via aconitato 
✓ Enzima aconitase (aconitase-hidratase). 
 Contém um centro ferro-enxofre, que atua tanto 
na ligação do substrato ativo quanto na adição ou 
remoção da molécula de água. 
✓ Reação reversível 
✓ Citrato desidrata formando aconitato. Esse 
aconitato é hidratado e forma o isocitrato. 
 
3. Oxidação do citrato a α-cetoglutarato e CO2 
✓ Enzima isocitrato-desidrogenase 
 2 tipos – um que requer NAD+ e outra que requer 
NADP+. 
✓ Descarboxilação oxidativa do citrato 
✓ Participação de Mn2+ 
4. Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-coA e CO2 
✓ Complexo α-cetoglutarato-desidrogenase 
 Incorpora enzimas homólogas às do complexo 
PDH, contendo TPP, lipoato, FAD, NAD+ e coA. 
✓ Outra descarboxilação oxidativa 
✓ O NAD+ é o aceptor de elétrons. 
✓ A coA atua como transportadora do grupo 
succinila. 
✓ A energis oxidativa é conservada pela formação 
de uma ligação tio éster. 
 
5. Conversão do succinil-coA em succinato 
✓ Enzima succinil-coA-sintetase ou succinato-
tiocinase 
✓ A energia liberada com a quebra da ligação leva à 
formação direta de ATP, ou formação de GTP com 
posterior transformação de ADP em ATP. 
 
6. Oxidação do succinato a fumarato 
✓ Enzima succinato-desidrogenase → 
Flavoproteína ligada à membrana mitocondrial 
interna. 
 Contém 3 grupos ferro-enxofre e uma molécula 
de FAD. 
✓ Os elétrons do succinato passam pelo FAD e pelos 
centros ferro-enxofre anteriormente à sua 
entrada na cadeia transportadora. 
 
7. Hidratação do fumarato a malato 
✓ Enzima fumarase 
✓ Processo reversível 
✓ Possui um carbânion como estado de transição. 
 
8. Oxidação do malato a oxaloacetato 
✓ Enzima L-malato desidrogenasa 
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✓ Essa oxidação é acoplada à redução de NAD+ a 
NADH. 
 
• Produtos de uma rodada do ciclo → Lembrando que 
para cada molécula de glicose ocorrem 2 ciclos. 
 
 
• Intermediários do ciclo são desviados como 
precursores de muitas vias biossintéticas. 
 
• A regulação ocorre em 3 níveis: 
✓ Transportador mitocondrial do piruvato (MPC) 
✓ Conversão do piruvato em acetil-coA 
✓ Entrada de acetil-coA no ciclo 
 
• Também ocorre pelas reações dacitrato sintase, 
isocitrato-desidrogenase e da α-cetoglutatato-
desidrogenase. 
✓ Fluxos determinados pelas concentrações dos 
substratos (estimuladores) e dos produtos ATP e 
NADH como inibidores. 
 
(fosforilacao oxidativa) 
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• Ápice do catabolismo em organismos aeróbicos 
 
• Todos os passos oxidativos na degradação de 
carboidratos, gorduras e aminoácidos convergem para 
esse estágio final da respiração celular, no qual a 
energia oxidativa gera a síntese de ATP. 
 
• Ocorre na mitocôndria e envolve complexos proteicos 
encontrados em sua membrana. 
 
• Teoria quimiossintética 
✓ Fornece visão dos processos de fosforilação 
oxidativa e de fotofosforilação. 
✓ A fosforilação oxidativa apresenta 3 
componentes: 
 Fluxo de elétrons a partir de doadores 
oxidáveis através de uma cadeia de 
carreadores ligados à membrana até um 
aceptor final de elétrons com um grande 
potencial redutor– O2. 
 A energia livre se torna disponível pelo fluxo 
de elétricos exergônico ser acoplado ao 
transporte de prótons por uma membrana 
impermeável a eles, conservando a energia 
livre da oxidação do combustível na forma 
de um potencial eletroquímico. 
 O fluxo transmembrana de retorno dos 
prótons a favor do seu gradiente de 
concentração por canais proteicos 
específicos fornece a energia para a síntese 
de ATP, catalisada por um complexo 
proteico presente na membrana, a ATP-
sintase, que acopla o fluo de prótons à 
fosforilação do ADP. 
 
• As mitocôndrias têm duas membranas. A externa é 
prontamente permeável a moléculas pequenas e a 
íons, que se movem livremente por canais 
transmembrana formados por uma família de 
proteínas integrais de membrana, chamadas de 
porinas. A interna é impermeável à maioria das 
moléculas pequenas e dos íons, incluindo prótons (H+); 
as únicas espécies que cruzam essa membrana o fazem 
por meio de transportadores específicos. A membrana 
interna aloja os componentes da cadeia respiratória e 
a ATP-sintase. 
 
• A matriz mitocondrial, delimitada pela membrana 
interna, contém o complexo da piruvato-
desidrogenase e as enzimas do ciclo do ácido cítrico, a 
via de β-oxidação de ácidos graxos e as vias de oxidação 
de aminoácidos - todas as vias de oxidação de 
combustível, exceto a glicólise, que ocorre no citosol. 
 
• Transportadores específicos carregam piruvato, ácidos 
graxos e aminoácidos ou seus derivados para dentro da 
matriz, para acesso à maquinaria do ciclo de Krebs. ADP 
e Pi são transportados para a matriz quando ATP 
recém-sintetizado é transportado para fora. 
 
• Esse processo tem inicio com a entrada de elétrons em 
uma série de transportadores. A maioria deles surge da 
ação de desidrogenases, que os coletam das vias 
catabólicas e os canalizam para receptores, como o 
NAD. 
 
• A maioria das desidrogenases é específica para NAD+. 
Elas removem dois átomos de hidrogênio do substrato 
e um é transferido como hidreto para o NAD+, 
enquanto o outro é liberado no meio. Devido ao seu 
caráter polar, esse transportador se associa 
reversivelmente com as desidrogenases. O NADH 
carrega elétrons das reações catabólicas até seu ponto 
de entrada na cadeia respiratória. Ele não pode entrar 
na membrana interna, mas seus elétrons são lançados 
através dela indiretamente. 
 
• A cadeia respiratória mitocondrial consiste em uma 
série de carreadores que agem sequencialmente, 
sendo a maioria deles proteínas integrais com grupos 
prostéticos capazes de aceitar e doar um ou dois 
elétrons. 
 
• Ocorrem três tipos de transferência de elétrons na 
fosforilação oxidativa: 
✓ Transferência direta de elétrons, como na redução 
de Fe3+a Fe2+ 
✓ Transferência na forma de um átomo de H+ e e-. 
✓ Transferência como um íon hidreto, que tem dois 
elétrons. 
• Além do NAD e das flavoproteínas, outros três tipos de 
moléculas carreadoras de elétrons funcionam na 
cadeia respiratória: uma quinona hidrofóbica 
(ubiquinona) e dois tipos diferentes de proteínas que 
contêm ferro (citocromos e proteínas ferro-enxofre). 
 
• A ubiquinona (coenzima Q) pode aceitar um elétron 
para se tornar o radical semiquinona (•QH) ou dois 
elétrons para formar ubiquinol (QH2), sendo capaz de 
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atuar na junção entre um doador de dois elétrons e um 
aceptor de um elétron. Como ela é pequena e 
hidrofóbica, acaba sendo livremente difusível dentro 
da membrana mitocondrial interna e capaz de 
movimentar equivalentes redutores entre outros 
carreadores de elétrons menos móveis na membrana. 
 
• Os citocromos são proteínas com absorção 
caracteristicamente forte de luz visível, devida aos seus 
grupos prostéticos heme contendo ferro. As 
mitocôndrias têm três classes de citocromos, 
designadas a, b e c, distinguidas por diferenças em seus 
espectros de absorção de luz. 
 
• Nas proteínas ferro-enxofre, o ferro está presente, não 
o grupo heme, mas em associação com enxofre 
inorgânico ou com enxofre do resíduo de cisteina na 
proteína. 
 
• Na reação global catalisada pela cadeia respiratória 
mitocondrial, os elétrons movem-se do NADH, do 
succinato ou de outro doador primário de elétrons, por 
flavoproteínas, ubiquinona, proteínas ferro-enxofre e 
citocromos e, finalmente, chegam ao O2. 
 
• Complexo I: NADH e Ubiquina 
✓ Ubiquinona-oxirredutase ou NADH-desidrogenase. 
✓ Catalisa dois processos simultâneos e acoplados: 
 Transferência exergônica de um íon hidreto do 
NADH e de um próton da matriz para a 
ubiquina . 
 Transferência endergônica de 4 protons da 
matriz para o espaço intermembrana. 
 Os prótons são movidos contra um gradiente 
de concentração. 
✓ Bomba de prótons que utiliza a energia da 
transferência de elétrons. 
 
✓ Esse complexo catalisa a transferência de um ion 
hidreto do NADH ao FMN, de onde dois eletros 
passam de uma serie de centros de Fe-S para o 
centro Fe-S N-2. A transferência de elétrons de N-2 
para a ubiquinona forma QH2, que se difunde na 
bicamada lipídica. Essa transferência expulsa 
quatro prótons para cada par de elétrons, gerando 
um potencial eletroquímico através da membrana 
mitocondrial interna. 
✓ Amital, rotenona e piericidina A inibem o fluxo de 
elétrons dos centros de ferro-enxofre do complexo 
I para a ubiquinona e, portanto, bloqueiam o 
processo global da fosforilação oxidativa. 
 
• Complexo II: succinato e Ubiquinona 
✓ Enzima succinato-desidrogenase. 
✓ Acopla a oxidação do succinato em um sítio com a 
redução da ubiquinona em outro. 
✓ Embora menor e mais simples do que o complexo I, 
ele contém cinco grupos prostéticos de dois tipos e 
quatro subunidades proteicas diferentes. 
 
Os elétrons movem-se do succinato ao FAD (setas azuis) e 
posteriormente através de centros de Fe-S para a ubiquinona. 
O heme B protege contra a formação de EROS. 
✓ As subunidades C e D são proteínas integrais de 
membrana, cada uma com três hélices 
transmembrana. Elas contêm um grupo heme, 
heme b, e um sítio de ligação para a ubiquinona, o 
aceptor final de elétrons na reação catalisada pelo 
complexo II. As subunidades A e B estendem-se 
para a matriz; elas contêm três centros 2Fe-2S, FAD 
ligado e um sítio de ligação para o substrato, o 
succinato. 
✓ A transferência de elétrons no complexo II não é 
acompanhada por bombeamento de prótons 
através da membrana interna, embora a QH2 
produzida pela oxidação do succinato seja usada 
pelo complexo III para impulsionar a transferência 
de prótons. 
✓ O heme b do complexo II pode servir para reduzir a 
frequência com que elétrons “vazam” para fora do 
sistema, movendo-se do succinato ao oxigênio 
molecular para produzir as espécies reativas de 
oxigênio (ERO) peróxido de hidrogênio (H2O2 ) e o 
radical superóxido (•O2-). Alguns indivíduos com 
mutações pontuais em subunidades do complexo II 
próximas ao heme b ou ao sítio de ligação da 
ubiquinona sofrem de paraganglioma hereditário, 
que se caracteriza por tumores benignos na cabeça 
e no pescoço. 
 
• Complexo III: Ubiquinona e citocromo c 
✓ Os elétrons da ubiquinona reduzida (ubiquinol, 
QH2) passam através de mais dois grandes 
complexos proteicos na membrana mitocondrial 
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interna antes de alcançarem o aceptor final de 
elétrons, O2. 
✓ Também chamado de complexo de citocromo bc1 
ou ubiquinona-citocromo c-oxidorredutase acopla 
a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para 
o citocromo c com o transporte de prótons da 
matriz para o espaço intermembrana. 
 
 
• Complexo IV: citocromo c para o O2 
✓ Na etapa final da cadeia respiratória, o complexo IV, 
também chamado de citocromo-oxidase, carrega 
elétrons do citocromo c para o oxigênio molecular, 
reduzindo-o a H2O. 
✓ É uma enzima dimérica grande da membrana 
mitocondrial interna. 
✓ A subunidade II do complexoIV contém dois íons 
cobre complexados com os grupos ¬SH de dois 
resíduos de Cys em um centro binuclear. 
✓ A subunidade I contém dois grupos heme, 
designados a e a3 outro íon cobre (CuB). Heme a3, e 
um e CuB formam um segundo centro binuclear que 
aceita elétrons de heme a e os transfere ao O2 
ligado ao heme a3. 
 
A subunidade III (azul claro) é essencial para o rápido movimento 
de prótons pela subunidade II. 
✓ A transferência de elétrons pelo complexo IV dá-se 
do citocromo c para o centro de CuA, para o heme 
a, para o centro de heme a3-CuB e, finalmente, para 
o O2. 
✓ Para cada dois elétrons que passam pelo complexo, 
a enzima consome 2 H+ da matriz (lado n) na 
conversão de 1/2O2 a H2O. 
✓ Ela também usa a energia dessa reação redox para 
bombear dois prótons para fora em direção ao 
espaço intermembrana (lado p) para cada par de 
elétrons que passa, contribuindo para o potencial 
eletroquímico produzido pelo transporte de 
prótons possibilitado pela energia dessas reações 
redox pelos complexos I e III. 
✓ Esta redução com dois elétrons de 1⁄2O2 de QH2, 
que, por sua vez, requer a oxidação de NADH ou de 
succinato. 
✓ No complexo IV, o O2. é reduzido em centros redox 
que requer a oxidação transportam apenas um 
elétron por vez. Normalmente, os intermediários 
de oxigênio não completamente reduzidos 
permanecem fortemente ligados ao complexo, até 
serem completamente convertidos em água, 
porém uma pequena fração de intermediários de 
oxigênio escapa. Esses intermediários são espécies 
reativas de oxigênio que podem danificar 
componentes celulares, a menos que sejam 
eliminados por mecanismos de defesa. 
 
• Os complexos respiratórios se associam firmemente 
uns com os outros na membrana interna, formando 
respirassomos, combinações funcionais de dois ou 
mais complexos de transferência de elétrons 
diferentes. 
 
• Várias outras reações de transferência de elétrons 
podem reduzir a ubiquinona na membrana 
mitocondrial interna. O primeiro passo na β-oxidação 
da acil-CoA dos ácidos graxos, catalisada pela 
flavoproteína acil-CoA-desidrogenase, envolve a 
transferência de elétrons do substrato para o FAD da 
desidrogenase e, então, para a flavoproteína 
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transferidora de elétrons (FTE). A FTE, por sua vez, 
passa seus elétrons à FTE:ubiquinona-oxidorredutase, 
que reduz Q, na membrana mitocondrial interna, a 
QH2. O glicerol-3-fosfato, formado a partir do glicerol 
liberado pela quebra de triacilgliceróis ou pela redução 
da di-hidroxiacetona-fosfato da glicólise, é oxidado 
pela glicerol-3-fosfato-desidro-genase, uma 
flavoproteína localizada na face externa da membrana 
mitocondrial interna. O aceptor de elétrons nesta 
reação é a Q; a QH2 produzida entra o conjunto de QH2 
na membrana. 
 
• A molécula de NADH transfere um par de elétrons. Para 
cada par de elétrons transferido para o oxigênio, 
quatro prótons são bombeados para fora pelo 
complexo I, quatro pelo complexo III e dois pelo 
complexo IV. A energia eletroquímica inerente a essa 
diferença na concentração de prótons e à separação de 
cargas representa uma conservação temporária de 
grande parte da energia da transferência de elétrons. A 
energia estocada nesse gradiente, chamada de força 
próton-motriz, tem dois componentes: a energia 
potencial química e a energia potencial elétrica, que 
resulta da separação de cargas. Quando os prótons 
fluem espontaneamente a favor do seu gradiente 
eletroquímico, energia torna-se disponível para a 
realização de trabalho. 
• A passagem de elétrons de QH2 ao complexo III e a 
passagem de elétrons dos complexos I e II ao QH2, 
envolvem um radical que pode gerar radicais livres. 
Essa formação é favorecida quando as mitocôndrias 
não estão produzindo ATP e, portanto, têm grande 
força próton-motriz e quando há uma alta razão de 
NADH/NAD+ na matriz. Ambas as situações 
exemplificam o estresse oxidativo – há mais elétrons 
disponíveis para entrar na cadeia respiratória do que o 
numero que pode ser passado para o oxigênio. Baixos 
níveis de ERO podem ser usados pela célula como um 
sinal que reflete o suprimento insuficiente de oxigênio 
(hipoxia), desencadeando ajustes metabólicos. Para 
impedir dano oxidativo, as células possuem a enzima 
superóxido-dismutase, que converte os radicais em 
peroxido de hidrogênio, que torna-se inofensivo pela 
ação da glutationa-peroxidase. 
 
• Modelo quimiosmótico 
✓ A energia eletroquímica inerente à diferença de 
concentração de prótons e à separação de cargas 
entre os dois lados da membrana mitocondrial 
interna – a força próton-motriz – impulsiona a 
síntese de ATP, à medida em que os prótons fluem 
passivamente de volta à matriz, ante poros na ATP-
sintase. 
• O complexo enzimático da membrana mitocondrial 
interna catalisa a formação de ATP, impulsionada pelo 
fluxo de prótons. A ATP-sintase (complexo V) tem 2 
complexos distintos, sendo uma proteína periférica de 
membrana e um integral. 
 
• Embora a ATP-sintase equilibre o ATP, na ausência de 
um gradiente prótons, o ATP recém-sintetizado não 
deixa a superfície da enzima. É o gradiente de prótons 
que faz a enzima liberar o ATP formado em sua 
superfície. 
 
• Na catálise rotacional os três sítios ativos da ATP-
sintase se revezam catalisando a síntese de ATP. Uma 
dada subunidade β começa na conformação β-ADP, 
que liga ADP e Pi do meio circundante. A subunidade 
agora muda de conformação, assumindo a forma β-
ATP, que se liga firmemente e estabiliza o ATP, gerando 
o pronto equilíbrio de ADP + Pi com ATP na superfície 
da enzima. Finalmente, a subunidade muda para a 
conformação β-vazio, que tem baixa afinidade por ATP, 
e o ATP recém-sintetizado deixa a superfície da enzima. 
Outra rodada de catálise começa quando essa 
subunidade novamente assume a forma β-ADP e liga 
ADP e Pi. As mudanças conformacionais importantes 
nesse me-canismo são desencadeadas pela passagem 
de prótons pela ATP-sintase. As três subunidades β 
interagem, de modo que, quando uma assume a 
conformação β-vazio, sua vizinha em um dos lados 
precisa assumir a forma β-ADP e a outra vizinha a 
forma β-ATP. Assim, uma rotação completa da 
subunidade γ faz cada subunidade β passar por suas 
três conformações possíveis e, para cada rotação, três 
ATP são sintetizados e liberados da superfície da 
enzima. 
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• Embora o papel primário do gradiente de prótons nas 
mitocôndrias seja fornecer energia para a síntese de 
ATP, a força próton-motriz também impulsiona vários 
processos de transporte essenciais à fosforilação 
oxidativa. 
 
• A NADH-desidrogenase da membrana mitocondrial 
interna pode aceitar elétrons somente do NADH na 
matriz. Assim, sistemas especiais de lançadeiras 
carregam equivalentes redutores do NADH citosólico 
para as mitocôndrias por uma via indireta. A lançadeira 
de NADH mais conhecida, que funciona em 
mitocôndrias de fígado, rim e coração, é a lançadeira 
do malato-aspartato. Os equivalentes redutores do 
NADH citosólico são primeiro transferidos ao 
oxalacetato citosólico para produzir malato, em uma 
reação catalisada pela malato-desidrogenase 
citosólica. O malato então formado passa através da 
membrana interna pelo transportador de malato-α-
cetoglutarato. Dentro da matriz, os equivalentes 
redutores são passados ao NAD+ pela ação da malato-
desidrogenase da matriz, formando NADH; esse NADH 
pode passar elétrons diretamente à cadeia respiratória. 
Cerca de 2,5 moléculas de ATP são geradas à medida 
que esse par de elétrons passa para o O2. O oxalacetato 
citosólico precisa ser regenerado por reações de 
transaminação e atividade de transportadores de 
membrana para iniciar outro ciclo da lançadeira. 
 
• O músculo esquelético e o encéfalo usam uma 
lançadeira de NADH diferente, a lançadeira do glicerol-
3-fosfato.Ela difere da lançadeira do malato-aspartato 
por entregar os equivalentes redutores do NADH via 
FAD (na reação da glicerol-3-fosfato-desidrogenase) 
para a ubiquinona e, então, para o complexo III, não o 
complexo I, proporcionando energia suficiente para 
sintetizar apenas 1,5 molécula de ATP por par de 
elétrons. 
 
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• A fosforilação oxidativa produz a maior parte do ATP 
produzido em células aeróbicas. A oxidação completa 
de uma molécula de glicose produz de 30 a 32 
moléculas de ATP. 
 
• A taxa de respiração nas mitocôndrias é fortemente 
regulada, sendo limitada pela disponibilidade de ADP 
como substrato para a fosforilação. 
 
• Quando uma célula está hipóxica (des-provida de 
oxigênio), como em um infarto do miocárdio ou 
acidente vascular cerebral, a transferência de elétrons 
para o oxigênio fica mais lenta, da mesma forma que o 
bombeamento de prótons. A força próton-motriz em 
seguida colapsa. Nessas condições, a ATP-sintase 
poderia operar ao contrário, hidrolisando o ATP 
produzido pela glicólise para bombear prótons para 
fora e causando uma queda desastrosa nos níveis de 
ATP. Isso é impedido por um inibidor proteico pequeno, 
o IF1, que se liga simultaneamente a duas moléculas de 
ATP-sintase e inibe sua atividade. 
 
• Em células hipóxicas, existe um desequilíbrio entre a 
chegada de elétrons a partir da oxidação de 
combustíveis celulares na matriz mitocondrial e a 
transferência de elétrons para o oxigênio molecular, 
levando a uma maior formação de espécies reativas de 
oxigênio. Além do sistema da glutationa-peroxidase, as 
células têm outras duas linhas de defesa contra as ERO. 
Uma é a regulação da piruvato-desidrogenase (PDH), a 
enzima que fornece acetil-CoA ao ciclo do ácido cítrico. 
Sob condições hipóxicas, a PDH-cinase fosforila a PDH 
mitocondrial, inativando-a e reduzindo o fornecimento 
de FADH2 e NADH do ciclo do ácido cítrico para a cadeia 
respiratória. A segunda maneira de impedir a formação 
de ERO é a substituição de uma subunidade do 
complexo IV, conhecida como COX4-1, por outra 
subunidade, COX4-2, que é mais bem ajustada a 
condições hipóxicas. Com COX4-1, as propriedades 
catalíticas do complexo IV são ótimas para a respiração 
em concentrações normais de oxigênio; com COX4-2, o 
complexo IV é otimizado para operar sob condições 
hipóxicas. As mudanças na atividade da PDH e no 
conteúdo de COX4-2 do complexo IV são ambas 
mediadas por HIF-1, o fator induzível por hipoxia. 
 
• Quando esses mecanismos para lidar com as ERO são 
insuficientes, devido a mutações genéticas que afetam 
uma dessas proteínas protetoras ou sob condições de 
taxas muito altas de produção de ERO, a função 
mitocondrial fica comprometida. Acredita-se que o 
dano mitocondrial esteja envolvido no 
envelhecimento, no colapso cardíaco, em certos casos 
raros de diabetes e em várias doenças genéticas de 
herança materna que afetam o sistema nervoso. 
 
• As concentrações relativas de ATP e ADP controlam não 
somente as taxas de transferência de elétrons e a 
fosforilação oxidativa, mas também as velocidades do 
ciclo do ácido cítrico, da oxidação do piruvato e da 
glicólise. Sempre que o consumo de ATP aumenta, as 
velocidades da cadeia de transporte de elétrons e da 
fosforilação oxidativa aumentam. De modo 
simultâneo, a velocidade de oxidação do piruvato pelo 
ciclo do ácido cítrico aumenta, elevando o fluxo de 
elétrons na cadeia respiratória. Esses eventos podem, 
por sua vez, evocar um aumento na velocidade da 
glicólise, aumentando a velocidade de formação de 
piruvato. Quando a conversão de ADP em ATP reduz a 
concentração de ADP, o controle pelo aceptor diminui 
a transferência de elétrons e, assim, a fosforilação 
oxidativa. A glicólise e o ciclo do ácido cítrico também 
têm sua velocidade reduzida, uma vez que o ATP é um 
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inibidor alostérico da enzima glicolítica 
fosfofrutocinase 1 e da piruvato-desidrogenase. 
 
• A fosfofrutocinase 1 também é inibida pelo citrato, 
primeiro produto do ciclo de Krebs. 
 
• Outras funções que, em tecidos específicos ou sob 
condições específicas, também são essenciais. No 
tecido adiposo, as mitocôndrias geram calor para 
proteger órgãos vitais da baixa temperatura do 
ambiente. Nas glândulas suprarrenais e nas gônadas, as 
mitocôndrias são o local de síntese de hormônios 
esteroides. Além disso, na maioria dos tecidos elas são 
participantes-chave na apoptose. 
 
• No tecido adiposo marrom a oxidação de combustível 
serve não para produzir ATP, mas para gerar calor para 
manter o recém-nascido aquecido. Esse tecido adiposo 
especializado é marrom devido à presença de um 
grande número de mitocôndrias e, portanto, de uma 
alta concentração de citocromos, com grupos heme 
que são fortes absorvedores de luz visível. As 
mitocôndrias dos adipócitos marrons são muito 
semelhantes às de outras células de mamíferos, exceto 
por terem uma proteína singular na membrana interna. 
A proteína desacopladora 1 (UCP1), fornece uma via 
para os prótons retornarem à matriz sem passarem 
pelo complexo F0F1. Como resultado, a energia de 
oxidação não é conservada pela formação de ATP, mas 
dissipada como calor, mantendo a temperatura 
corporal. 
 
• As mitocôndrias são o sítio das reações biossintéticas 
que produzem os hormônios esteroides, incluindo os 
hormônios sexuais, os glicocorticoides, os 
mineralocorticoides e o hor-mônio vitamina D. Esses 
compostos são sintetizados a partir do colesterol ou de 
um esterol relacionado, em uma série de hidroxilações 
catalisadas por enzimas da família citocromo P-450. 
Nas reações de hidroxilação, um átomo do oxigênio 
molecular é incorporado ao substrato e o segundo é 
reduzido a H2O. Nessa reação, duas espécies são 
oxidadas: NADPH e R¬H. As mitocôndrias geralmente 
são maiores do que aquelas em outros tecidos e têm 
membranas internas mais extensas e altamente 
enroladas sobre si mesmas. A via do fluxo de elétrons 
no sistema P-450 mitocondrial é complexa, envolvendo 
uma flavoproteína e uma proteína ferro-enxofre, que 
carregam elétrons do NADPH ao heme P-450. Todas as 
enzimas P-450 têm um heme que interage com o O2 
trato que confere especificidade. 
 
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• As mitocôndrias desempenham um papel fundamental 
em desencadear a apoptose. Quando um estressor 
fornece o sinal para a morte da célula, a consequência 
inicial é um aumento na permeabilidade da membrana 
mitocondrial externa, permitindo que o citocromo c 
escape do espaço in-termembrana para o citosol. O 
aumento da permeabilidade é devido à abertura do 
complexo do poro de transição de permeabilidade 
(CPTP), proteína de múltiplas subunidades na 
membrana externa; sua abertura e seu fechamento são 
afetados por várias proteínas que estimulam ou 
suprimem a apoptose. Quando liberado no citosol, o 
citocromo c interage com monômeros da proteína 
protease fator 1 de ativação de apoptose (Apaf-1), 
causando a formação de um apoptossomo composto 
por sete moléculas de Apaf-1 e sete moléculas de 
citocromo c. O apoptossomo proporciona a plataforma 
sobre a qual a pró-enzima procaspase 9 é ativada a 
caspase 9, membro de uma família de proteases 
altamente específicas, as caspases, envolvidas na 
apoptose. A caspase 9 ativada inicia uma cascata de 
ativa-ções proteolíticas, com uma caspase ativando 
uma segunda, que, por sua vez, ativa uma terceira, e 
assim por diante.