Transporte de Elétrons e Fosforilação Oxidativa - Bioquímica - Super Material - SanarFlix

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Transporte 
de elétrons e 
fosforilação 
oxidativa 
SUMÁRIO
1. Oxidação e redução ............................................................................................3
2. A cadeia de transporte de elétrons .....................................................................3
3. Carreadores de elétrons ...................................................................................10
4. O complexo citocromo c oxidase ......................................................................12
5. Desacopladores .......................................................................................................... 14
6. Inibidores da síntese de atp mitocondrial ..........................................................15
7. Doenças mitocondriais ....................................................................................17
8. Mau funcionamento mitocondrial .....................................................................19
Referências bibliográficas ............................................................................................... 21
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   3
1. OXIDAÇÃO E REDUÇÃO
Todas as células animais e vegetais são mantidas pela energia armazenada nas 
ligações químicas presentes em moléculas orgânicas. Para que essa energia seja 
utilizada para que vivam, cresçam e se reproduzam, os organismos devem extraí-la 
de uma forma utilizável. Tanto nas plantas como nos animais, a energia é extraída 
das moléculas dos alimentos por um processo de oxidação gradual ou pela queima 
controlada. A atmosfera terrestre contém uma grande quantidade de oxigênio, e, na 
presença dele, a forma de carbono energeticamente mais estável é o CO2, e a forma 
energeticamente mais estável do hidrogênio é a água. Dessa maneira, a célula é ca-
paz de obter energia de açúcares e de outras moléculas orgânicas pela combinação 
dos átomos de carbono e de hidrogênio com oxigênio, para produzir CO2 e H2O, 
respectivamente, em um processo chamado de respiração aeróbica. As células não 
oxidam as moléculas orgânicas em apenas uma etapa, como acontece quando uma 
molécula orgânica é queimada no fogo. Utilizando catalisadores enzimáticos, o me-
tabolismo processa essas moléculas por meio de um grande número de reações que 
muito raramente envolvem a adição direta de oxigênio. Antes de examinar algumas 
dessas reações e suas finalidades, é conveniente discutir o que se entende por pro-
cesso de oxidação. A oxidação refere-se a mais do que a adição de átomos de oxigê-
nio. O termo se aplica de maneira geral a qualquer reação na qual haja transferência 
de elétrons de um átomo a outro. Nesse sentido, a oxidação se refere a remoção 
de elétrons, e a redução, o contrário da oxidação, significa adição de elétrons. Uma 
vez que em uma reação química o número de elétrons é conservado (sem perda ou 
ganho), a oxidação e a redução sempre ocorrem simultaneamente, isto é, se uma 
molécula ganha um elétron na reação (redução), uma segunda molécula perderá um 
elétron (oxidação). Quando uma molécula de açúcar é oxidada em CO2 e H2O, por 
exemplo, a molécula de O2 envolvida na formação de H2O ganha elétrons e, assim, 
diz-se que ela foi reduzida.
A regulação do metabolismo de energia não é de pequeno valor, uma vez que ani-
mais de sangue quente apresentam demandas energéticas variáveis em processos 
como termogênese a baixas temperaturas, estimulação da síntese de ATP durante o 
estresse e o acoplamento da síntese de ATP com a frequência respiratória, durante o 
trabalho ou exercício.
2. A CADEIA DE TRANSPORTE DE 
ELÉTRONS
A Fosforilação Oxidativa é uma das etapas metabólicas da respiração celular, é o 
mecanismo pelo qual a energia derivada da oxidação de combustíveis é conservada 
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   4
na forma de ATP. A mesma acontece apenas na presença de oxigênio nos seres 
aeróbicos, pois o mesmo é necessário para o processo de oxidação das moléculas 
intermediárias e participa de reações para formação da molécula de ATP e produzir 
energia. A molécula carreadora ativada mais importante e versátil que as células 
possuem é o ATP (adenosina trifosfato), ele funciona como uma forma de “moeda” 
corrente de energia, usada para que uma grande variedade de reações químicas pos-
sa ocorrer nas células. O ATP consiste em uma base purínica, a adenina, a ribose, 
açúcar de cinco carbonos, e grupos de fosfato α, β e γ, as duas ligações fosfoani-
drido são ditas ligações de alta energia, porque suas hidrólises geram uma grande 
variação negativa de energia livre. Para que o ATP seja sintetizado uma reação de 
fosforilação altamente desfavorável do ponto de vista energético tem que ocorrer. 
Nessa reação um grupo fosfato é adicionado à ADP (adenosina difosfato). O mesmo 
ATP, quando necessário, doa certa quantidade de energia por meio de sua hidrólise, 
energeticamente muito favorável, formando ADP e fosfato inorgânico. O ADP rege-
nerado fica, então, disponível para ser utilizado em outro ciclo de reação de fosfori-
lação que forma ATP novamente. A reação energeticamente favorável da hidrólise 
do ATP é acoplada a muitas outras reações (que sem esse acoplamento seriam 
desfavoráveis), nas quais são sintetizadas outras moléculas. Muitas dessas reações 
acopladas envolvem a transferência do fosfato terminal do ATP para alguma outra 
molécula. Por ser o carreador ativado de energia mais abundante nas células, o ATP 
é a principal “moeda corrente”. Os sistemas vivos precisam transferir energia de uma 
molécula para outra sem perdê-la toda como calor. Alguma energia deve ser conser-
vada em uma forma química, de modo a promover reações biossintéticas não es-
pontâneas. De fato, cerca da metade da energia obtida por oxidação de combustíveis 
metabólicos é canalizada para a síntese de ATP, um transdutor universal de energia 
em sistemas vivos.
As mitocôndrias são organelas subcelulares, com tamanho similar ao das bacté-
rias. Elas são essenciais para o metabolismo aeróbico nos eucariontes. Sua principal 
função é oxidar combustíveis metabólicos e conservar a energia livre sintetizando 
ATP. As mitocôndrias são limitadas por um sistema de dupla membrana. A membra-
na externa contém enzimas e proteínas de transporte e pela proteína porina estas 
são virtualmente permeáveis a todos os íons, pequenas moléculas e a proteínas 
menores. As proteínas grandes precisam ser transportadas via complexos proteicos. 
Isto é especialmente vital para a célula, porque quase todas as proteínas mitocon-
driais são codificadas no núcleo e precisam ser transportadas para o interior da 
mitocôndria. O genoma mitocondrial é capaz de sintetizar 13 subunidades vitais de 
bombas de prótons e ATP sintase. A membrana mitocondrial interna é pregueada por 
estruturas conhecidas como cristas e é impermeável à maioria dos íons e moléculas 
pequenas como os nucleotídios (incluindo-se o ATP), coenzimas, fosfato e prótons. 
As proteínas transportadoras são necessárias para facilitar seletivamente a translo-
cação de moléculas específicas através da membrana interna. A membrana interna 
também contém componentes da fosforilação oxidativa. 
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   5
Fosforilação Oxidativa
Figura 1: Gráfico de educação de transporte de íons de hidrogênio através da membrana plasmáti-
ca pelo complexo de proteínas e fornece energia ATP para a célula, que é chamada de fosforilação 
oxidativa. 
Fonte: W.Y. Sunshine/shutterstock.com.
O sistema de transporte de elétrons completo, também conhecido como cadeia 
de transporte de elétrons ou cadeia respiratória, está localizado na membrana mi-
tocondrial interna. Este consiste em vários complexos proteicos grandes e em dois 
componentes pequenos e independentes – ubiquinona e citocromo c. Os componen-
tes proteicos são muito complexos. Cada etapa na cadeia de transporte de elétrons 
envolve uma reação redox na qual deixa os componentes com potenciais de redução 
mais negativos e caminha para componentescom potenciais de redução mais posi-
tivos. Os elétrons são conduzidos por esse sistema em uma sequência definida dos 
nucleotídios reduzidos até o oxigênio, e as variações de energia livre promovem o 
transporte de prótons desde a matriz até o interior do espaço intermembrana através 
de três bombas de prótons. Após cada etapa, os elétrons ficam em estado de me-
nor energia. Os elétrons são dirigidos na cadeia de transporte de elétrons por várias 
flavoproteínas. Existem quatro flavoproteínas na cadeia transportadora de elétrons: 
o Complexo I contém FMN e os outros três contêm FAD. Todas essas flavoproteí-
nas reduzem a pequena e lipofílica molécula de ubiquinona (Q ou coenzima Q10), 
no início da via comum de transporte de elétrons, consistindo em Q, complexo III, 
citocromo c e complexo IV. Os prótons são bombeados da matriz para dentro do es-
paço intermembrana pelos complexos I, III e IV. O oxigênio (O2) é o aceptor final de 
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elétron no final da cadeia e é reduzido em duas moléculas de água pela transferên-
cia de quatro elétrons a partir do complexo IV e quatro prótons do compartimento da 
matriz mitocondrial. A eficiência da fosforilação oxidativa pode ser medida dividindo-
-se a quantidade de fosfato incorporado ao ADP pela quantidade de oxigênio atômi-
co reduzido. Um átomo de oxigênio é reduzido por dois elétrons (um par de elétrons). 
Para cada par de elétrons transportados através dos complexos I, III e IV, um número 
suficiente de prótons é bombeado por cada complexo para a síntese de aproximada-
mente um mol de ATP. Se o transporte de elétrons começa com um par de elétrons 
do NADH, aproximadamente 2,5 mol de ATP são sintetizados, enquanto um par de 
elétrons de qualquer das outras três flavoproteínas, contendo FADH2, produz cerca 
de 1,5 mol de ATP, porque a capacidade de bombeamento de elétrons do complexo I 
é deixada de lado.
 Se liga! Tanto o FMN quanto o FAD contêm a vitamina hidrossolúvel 
riboflavina. Uma deficiência de riboflavina na dieta pode prejudicar gravemente 
as funções desta e de outras flavoproteínas.
O complexo I, também chamado de NADH-Q redutase ou NADH desidrogenase, 
é uma flavoproteína contendo FMN. Esse complexo oxida o NADH mitocondrial e 
transfere elétrons através de complexos de FMN e de ferro-enxofre (FeS) para a ubi-
quinona, fornecendo energia suficiente para bombear quatro prótons da matriz. Três 
outras flavoproteínas transferem elétrons de substratos oxidados via FADH2 para 
a ubiquinona (Q). A Succinato-Q redutase (complexo II ou succinato desidrogena-
se) oxida o succinato para fumarato e reduz FAD a FADH2. O Glicerol-3-fosfato-Q 
redutase, uma parte da lançadeira do glicerol-3-P, oxida o glicerol-3-P a fosfato de 
di-hidroxiacetona (DHAP) e reduz FAD a FADH2. A Acil CoA desidrogenase catalisa o 
primeiro passo na oxidação mitocondrial de ácidos graxos e também produz FADH2.
 Saiba mais! O exercício aumenta a capacidade oxidativa dos 
músculos esqueléticos, por induzir a biogênese mitocondrial. O exercício contí-
nuo resulta em consumo de energia e acúmulo de AMP. A proteína cinase ativa-
da por AMP é um sensor de combustíveis, desempenhando um papel crítico na 
iniciação de síntese de novos componentes de transporte mitocondrial como o 
heme. Tais mecanismos são importantes não apenas nos exercícios de treina-
mento, mas também na regeneração de tecidos após lesão tissular, tais como 
em trauma, infartos e acidente vascular cerebral.
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As lançadeiras de elétrons são necessárias à oxidação mitocondrial do NADH 
produzido no compartimento citoplasmático. O NADH é produzido no citosol durante 
o metabolismo de carboidratos. O NADH não pode atravessar a membrana mitocon-
drial interna e, dessa forma, não pode ser oxidado pelo sistema de transporte de elé-
trons. Por isso, duas lançadeiras redox possibilitam a oxidação do NADH citosólico 
sem a sua transferência para o interior da mitocôndria. A lançadeira de glicerol-3-fos-
fato é a mais simples das duas. Esta transfere os elétrons do NADH do citoplasma 
para a mitocôndria, reduzindo FAD a FADH2. A glicerol-3-fosfato desidrogenase cata-
lisa a redução da dihidroxiacetona-P (DHAP) com NADH para glicerol-3-P, regeneran-
do NAD+. A glicerol-3- fosfato citoplasmática é reoxidada a DHAP por outra isoforma 
da glicerol-3-fosfato na face externa da membrana mitocondrial interna; essa enzima 
é uma flavoproteína na qual o FAD é reduzido a FADH2. Os elétrons são então trans-
feridos para a via comum pela ubiquinona. Como os elétrons são transferidos ao 
FAD, o rendimento de ATP a partir do NADH por esta via é de aproximadamente 1,5 
mol, em vez dos 2,5 mol disponíveis a partir do NADH mitocondrial através do com-
plexo NADH-Q redutase (complexo I).
 Saiba mais! Muitas células utilizam a lançadeira de glicerol-3-fos-
fato, mas o coração e o fígado dependem da lançadeira de malato-aspartato. 
Essa lançadeira é mais complicada, uma vez que o substrato, o malato, pode 
atravessar a membrana mitocondrial interna, mas a membrana é impermeável 
ao produto, oxaloacetato – não há um transportador de oxaloacetato. A troca é 
então alcançada pela interconversão entre α-ceto- e αaminoácidos, envolvendo 
glutamato citoplasmático e mitocondrial e α-cetoglutarato, e isoenzimas da glu-
tamato-oxaloacetato transaminase (aspartase aminotransferase).
A ubiquinona transfere elétrons das flavoproteínas para o complexo III, esta se 
difunde no interior da membrana interna, recebe elétrons das quatro principais 
flavoproteínas mitocondriais e os transfere para o complexo III (QH2-citocromo c 
redutase). A ubiquinona pode carrear tanto um quanto dois elétrons e considera-se 
a maior fonte de radicais superóxidos na célula. O complexo III aceita elétrons da 
ubiquinona e bombeia quatro íons hidrogênio através da membrana mitocondrial 
interna. A ubiquinona reduzida converge os elétrons que recebe a partir das flavopro-
teínas mitocondriais e os transfere para o complexo III. Os elétrons da ubiquinona 
são transferidos através de duas espécies de citocromo b, para um centro Fe-S, para 
o citocromo c1 e, finalmente, para o citocromo c. Quatro prótons são bombeados du-
rante essa reação, dois a partir da ubiquinona totalmente reduzida e dois a partir da 
matriz.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   8
O citocromo c é uma proteína periférica de membrana, lançando elétrons do com-
plexo III para o complexo IV. O citocromo c, uma hemeproteína pequena frouxamente 
ligada à superfície externa da membrana interna, lança elétrons do complexo III para 
o complexo IV. Cada citocromo c carreia somente um elétron; então, a redução de O2 
para 2H2O pelo complexo IV necessita de quatro moléculas de citocromo c reduzido. 
A ligação do citocromo c aos complexos III e IV é bastante eletrostática, envolvendo 
numerosos resíduos de lisina na superfície proteica. A redução do ferricitocromo c 
(Fe 3+) para ferrocitocromo c (Fe 2+) pelo citocromo c1 leva à mudança na estrutura 
tridimensional, distribuição de cargas e momento dipolo da proteína, promovendo a 
transferência de elétrons para o citocromo a do complexo IV. 
 Saiba mais! Os citocromos, encontrados em mitocôndria e re-
tículo endoplasmático, são proteínas que contêm grupos heme, mas que não 
estão envolvidas no transporte de oxigênio. Sua estrutura central é um anel 
tetrapirrólico similar ao da hemoglobina. O grupo heme dos citocromos b e c1 é 
conhecido como ferro protoporfirina IX e trata-se do mesmo heme encontrado 
na hemoglobina, mioglobina e catalase. 
O complexo IV, no final da cadeia transportadora de elétrons, transfere elétrons 
para o oxigênio, produzindo água. Conhecido como citocromo c oxidase, este oxida o 
citocromo c móvel, e conduz elétrons através dos citocromos a e a3, finalmente re-
duzindo o oxigênio à água em uma reação de transferência de quatro elétrons. O co-
bre é um componente comum desta e de outras enzimas. O número real de prótonsbombeados é quatro. Adicionalmente, outros quatro são necessários na redução de 
O2 para água. 
Revestindo a face interna da matriz da membrana interna de cada mitocôndria 
estão milhares de cópias do complexo ATP sintase. A mesma é também chamada 
de ATPase porque pode hidrolisar ATP. Ela consiste em dois complexos principais, 
o componente de membrana interna, denominado F0, é o motor impulsionado por 
prótons. As subunidades c formam o anel c, que gira no sentido horário em resposta 
ao fluxo de prótons através do complexo. Desde que as subunidades γ e são ligadas 
ao anel c, estas giram com este, induzindo grandes mudanças conformacionais nos 
três dímeros αβ do complexo F1. As duas β proteínas imobilizam o segundo comple-
xo (F1 -ATP sintase). A rotação da subunidade γ induz alterações conformacionais 
nas subunidades de dímeros αβ, de tal forma que os locais de ligação a nucleotídios 
se alternam entre três estados: o primeiro liga ADP e Pi, o segundo sintetiza ATP e o 
terceiro libera ATP, de modo que, a cada giro completo, são produzidos três ATP. Este 
é conhecido como um mecanismo de mudança de ligação. Cerca de três prótons 
são necessários para a síntese de cada ATP. O controle respiratório é extremamente 
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   9
importante pra a síntese de ATP. O forte acoplamento do fluxo de elétrons e da sínte-
se de ATP nas mitocôndrias garante que o consumo de oxigênio dependa da dispo-
nibilidade de ADP. Quando o ADP está alto o ATP está baixo, isso aumenta o fluxo de 
elétrons, o que reflete com um aumento de consumo de oxigênio, da mesma forma 
um ADP baixo diminui o fluxo de elétrons e o consumo de oxigênio devido à grande 
quantidade de ATP.
Respiração Aeróbica 
Figura 2: Respiração aeróbica. Respiração celular. O piruvato entra na mitocôndria para ser oxidado 
pelo ciclo de Krebs. Os produtos desse processo são dióxido de carbono, água e energia. 
Fonte: Designua/shutterstock.com
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   10
3. CARREADORES DE ELÉTRONS
As moléculas carreadoras ativadas são importantes participantes de reações de 
oxidação–redução e geralmente também participam de reações celulares acopla-
das. Esses carreadores ativados são especializados no transporte de elétrons com 
alto nível e átomos de hidrogênio. Os mais importantes carreadores de elétrons são 
o NAD+ (nicotinamida adenina dinucleotídeo) e a molécula intimamente relacionada, 
NADP+ (fosfato de nicotinamida adenina dinucleotídeo). Cada uma dessas molécu-
las aceita uma quantidade de energia, correspondendo a dois elétrons mais um pró-
ton (H+), e são convertidos em NADH (nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzido) 
e NADPH (fosfato de nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzido), respectivamen-
te. Nesse sentido, essas moléculas também podem ser vistas como carreadores de 
íons hidreto (o H+ mais dois elétrons, ou H-).
O NADPH é um carreador ativado que participa de muitas reações importantes 
que, de outra maneira, seriam energeticamente desfavoráveis. O NADPH é produzi-
do quando dois átomos de hidrogênio são removidos da molécula do substrato em 
determinadas reações catabólicas que geram energia. Em um conjunto especial de 
reações catabólicas que produzem energia, dois elétrons e apenas um próton (i.e., 
um íon hidreto, H–) são adicionados ao anel nicotinamida do NADP+, formando, 
assim, NADPH; o segundo próton (H+) é liberado na solução. Essa é uma reação de 
oxidação-redução típica, na qual o substrato é oxidado e o NADP+ é reduzido. O íon 
hidreto carregado pelo NADPH é doado rapidamente por meio de uma reação de oxi-
dação-redução subsequente, pois, sem o íon hidreto, o anel fica com um arranjo de 
elétrons mais estável. 
As reações subsequentes, que regeneram o NADP+, é o NADPH que se torna oxi-
dado, e o substrato fica reduzido. O NADPH é um doador efetivo de íon hidreto para 
outras moléculas, pois ele assim como o ATP transfere fosfatos com facilidade. 
Os dois processos necessitam de uma grande variação negativa na energia livre. 
O grupo fosfato extra não tem efeito nas propriedades de transferência de elétrons 
do NADPH em relação ao NADH por localizar-se distante da região que participa 
da transferência de elétrons. Ele, entretanto, deixa a molécula de NADPH com uma 
forma levemente diferente da forma do NADH, de modo que o NADPH e o NADH 
ligam-se como substratos a diferentes grupos de enzimas. Assim, os dois tipos de 
carreadores são usados para transferir elétrons (ou íons hidreto) entre diferentes 
conjuntos de moléculas.
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Figura 3: Esquema marcado com ácido tricarboxílico cítrico. Diagrama educacional com célula, respi-
ração celular e ATP. Metabolismo molecular do poder humano. 
Fonte: VectorMine/shutterstock.com
O NADPH se liga principalmente a enzimas que catalisam reações anabólicas, 
provendo os elétrons ricos em energia que são necessários para a síntese de mo-
léculas biológicas ricas em energia. O NADH, ao contrário, tem um papel específico 
como intermediário no sistema de reações catabólicas que geram ATP pela oxida-
ção das moléculas dos alimentos. A geração do NADH a partir do NAD+ (e a geração 
do NADPH a partir do NADP+) ocorre por vias diferentes, que são reguladas de forma 
independente, de maneira que as células podem ajustar o suprimento de elétrons pa-
ra esses dois propósitos antagônicos de maneira independente uma da outra. 
No interior das células, a proporção entre NAD+ e NADH é mantida alta, enquan-
to a proporção entre NADP+ e NADPH é mantida baixa. Isso assegura uma enorme 
disponibilidade de NAD+ para funcionar como agente oxidante e NADPH em abun-
dância para agir como agente redutor, assim, essas funções específicas atendem às 
exigências do catabolismo e do anabolismo, respectivamente.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   12
O ATP transfere fosfato, o NADPH transfere elétrons e hidrogênio, e a acetil-CoA 
transfere grupos acetila (unidade de dois carbonos). O FADH2 (flavina adenina di-
nucleotídeo reduzido) é utilizado da mesma forma que o NADH na transferência de 
elétrons e prótons. As reações de outras moléculas carreadoras ativadas envolvem a 
transferência de grupos metila, carboxila ou glicose para a biossíntese de várias mo-
léculas. Esses carreadores ativados são produzidos em reações nas quais há aco-
plamento com a hidrólise. Desse modo, a energia que possibilita a utilização desses 
grupos em biossínteses vem de reações catabólicas que produzem ATP.
 Saiba mais! A função metabólica do ATP requer magnésio! O ATP 
prontamente forma um complexo com o íon magnésio e tal complexo é neces-
sário em todas as reações nas quais o ATP participa, incluindo a sua síntese. 
Uma deficiência em magnésio impede virtualmente todo o metabolismo, visto 
que o ATP nem pode ser formado nem utilizado em quantidades adequadas.
 Saiba mais! A anemia por deficiência de ferro é um problema 
nutricional corriqueiro e é especialmente comum em mulheres que menstruam 
e em grávidas, devido à necessidade aumentada de ferro da dieta. O ferro é ne-
cessário para que sejam mantidas quantidades normais de hemoglobina, cito-
cromos e complexos ferro-enxofre que são fundamentais para o transporte de 
oxigênio e metabolismo energético. Todos esses processos ficam prejudicados 
pela deficiência de ferro.
4. O COMPLEXO CITOCROMO C 
OXIDASE
A conexão final na cadeia transportadora de elétrons mitocondrial é a citocromo c 
oxidase. O complexo da citocromo c oxidase aceita elétrons do carreador de elétrons 
solúvel citocromo c e usa um terceiro mecanismo distinto para bombear prótons 
através da membrana mitocondrial interna, como o oxigênio tem grande afinidade 
por elétrons, uma grande quantidade de energia livre pode ser liberada quando ele é 
reduzido para formar água. A disponibilidade de uma grande quantidade de energia 
liberada pela redução do oxigênio molecular para formar água é essencial para o 
Transporte de elétrons e fosforilaçãooxidativa   13
aparecimento da vida multicelular, isso explicaria o motivo de todos os organismos 
grandes respirarem. Para os sistemas biológicos utilizarem O2, é necessário uma 
vez que uma molécula de O2 tenha capturado um elétron, forma-se um ânion radical 
superóxido (O2 −) que é perigosamente reativo e captura rapidamente três elétrons 
adicionais de onde quer que ele possa obtê-los, com efeitos destrutivos para o am-
biente próximo. Conseguimos utilizar o ar que respiramos somente porque o pro-
cesso de captura do primeiro elétron pela molécula de O2 é lento, dessa forma, as 
células usam enzimas para controlar a captura de elétrons pelo oxigênio. Portanto, 
a citocromo c oxidase prende-se ao oxigênio, onde ele fica preso entre um átomo de 
ferro ligado a um heme e um íon de cobre até que ele tenha capturado um total de 
quatro elétrons. Apenas então os dois átomos de oxigênio da molécula de oxigênio 
são seguramente liberados na forma de duas moléculas de água. Estima-se que a 
reação da citocromo c oxidase seja responsável por 90% da captação total de oxigê-
nio da maioria das células. Esse complexo proteico é, portanto, crucial para todas as 
formas de vida aeróbica. Cianeto e azida são extremamente tóxicos porque se ligam 
aos átomos de ferro do heme na citocromo c oxidase de modo muito mais firme do 
que o oxigênio, reduzindo grandemente, dessa maneira, a produção de ATP.
Figura 4: O mecanismo de duas etapas do ciclo Q da citocromo c redutase. 
Fonte: Autoria própria
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   14
5. DESACOPLADORES
Os desacopladores da fosforilação oxidativa dissipam o gradiente de prótons pelo 
transporte retrógrado desses prótons de volta para o interior da mitocôndria, sem 
passar pela ATP sintase. Os mesmos estimulam a respiração porque o sistema reali-
za uma inútil tentativa de restabelecer o gradiente de prótons pela oxidação de mais 
combustível e bombeando mais prótons para fora da mitocôndria. Um desacoplador 
é o 2-4-dinitrofenol (DNP). Ele é protonado no lado externo, mais ácido, da membrana 
mitocondrial interna. Em virtude de sua hidrofobicidade, ele pode se difundir livre-
mente através da membrana mitocondrial interna. Quando atinge o lado da matriz, 
encontra um pH mais básico e o próton é liberado, desfavorecendo o gradiente de pH 
efetivamente. Outros desacopladores incluem preservantes e agentes antimicrobia-
nos, tais como pentaclorofenol e p-cresol.
A proteína desacopladora 1 (UCP-1), que é encontrada exclusivamente no tecido 
adiposo marrom, foi a primeira a ser descoberta. Nos humanos, o tecido adiposo 
marrom é abundante em lactentes, mas gradualmente diminui e é raramente detec-
tado em adultos. A sua única função é o fornecimento de calor durante o estresse 
do frio em animais jovens e em alguns adultos. Isto se dá pelo desacoplamento do 
gradiente de prótons, produzindo assim calor (termogênese) em vez de ATP. Existem 
quatro outras proteínas desacopladoras. A expressão de UCP-2 é de caráter ubíquo, 
pode ser produzida tanto no tecido adiposo marrom quanto no músculo. A UCP-3 é 
principalmente expressa no músculo esquelético, e a UCP-4 e a UCP-5 são expres-
sas no cérebro. Como desacopladoras, elas têm sido relacionadas com numerosas 
funções fundamentais. Os desacopladores acabam por aumentar a demanda de oxi-
gênio devido a esse “curto-circuito” gerado no gradiente intermembranas.
 Se liga! Há forte evidência de que a obesidade induz a síntese de 
UCP-2 em células β do pâncreas. Isso pode ter um papel na disfunção das cé-
lulas β encontradas no diabetes tipo 2, uma vez que ela diminui a concentração 
intracelular de ATP, que é necessária para a secreção de insulina. 
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6. INIBIDORES DA SÍNTESE DE ATP 
MITOCONDRIAL
Os inibidores do transporte de elétrons inibem seletivamente os complexos I, III 
ou IV, interrompendo o fluxo de elétrons através da cadeia respiratória. Isso impede 
o bombeamento de elétrons, a síntese de ATP e a captação de oxigênio. Vários ini-
bidores são venenos facilmente disponíveis que podem ser encontrados na prática 
médica. Defeitos genéticos de componentes da cadeia de elétrons podem mimetizar 
o efeito desses inibidores. 
A Rotenona, um inseticida comum, e alguns barbitúricos inibem o complexo I 
(NADH-Q redutase). Já que o malato e o lactato são oxidados pelo NAD+, a oxida-
ção destes será diminuída pela rotenona. Entretanto, os substratos que produzem 
FADH2 podem, ainda, ser oxidados, visto que o complexo I é ignorado e os elétrons 
são doados à ubiquinona de FADH2. A adição de ADP a uma suspensão de mitocôn-
drias suplementadas com malato e fosfato estimula acentuadamente a captação de 
oxigênio à medida que ocorre a síntese de ATP. A captação de oxigênio é acentuada-
mente inibida pela rotenona, mas quando succinato é adicionado, a síntese de ATP e 
o consumo de oxigênio são restaurados até que o suprimento de ADP seja exaurido. 
A inibição do complexo I pela rotenona causa a redução de todos os componentes 
anteriores ao ponto de inibição, porque estes não podem ser oxidados, enquanto 
aqueles após o ponto de inibição são totalmente oxidados. 
A Antimicina A inibe o complexo III (QH2 -citocromo c redutase). Essa inibição 
previne a transferência, tanto do complexo I quanto das flavoproteínas contendo 
FADH2 para o citocromo c. Nesse caso, os componentes anteriores ao complexo III 
se tornam totalmente reduzidos e os posteriores a este se tornam oxidados. A curva 
de captação de oxigênio mostra que a estimulação da respiração pelo ADP é inibida 
pela antimicina A, mas que a adição de succinato não reverte a inibição. O ácido as-
córbico pode reduzir o citocromo c, e a adição de ácido ascórbico restabelece a res-
piração, ilustrando que o complexo IV não é afetado pela antimicina A.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   16
Figura 5: Inibidores da síntese de ATP mitocondrial e seus sítios de ação. 
Fonte: Autoria própria
O Cianeto e monóxido de carbono inibem o complexo IV. A azida (N3–), o cianeto 
(CN–) e o monóxido de carbono (CO) inibem o complexo IV (citocromo c oxidase). 
Esse é o complexo terminal de transferência de elétrons, sua inibição não pode ser 
desviada. Todos os componentes anteriores ao complexo IV se tornam reduzidos, o 
oxigênio não pode ser reduzido, nenhum dos complexos pode bombear prótons e o 
ATP não é sintetizado. Os desacopladores como o DNP não têm efeito porque não 
há nenhum gradiente de prótons. O cianeto e o monóxido de carbono também se 
ligam à hemoglobina, bloqueando a ligação e o transporte do oxigênio. Nesses enve-
nenamentos, estão prejudicados tanto a capacidade de transporte de oxigênio quan-
to a síntese de ATP. A administração de oxigênio é empregada para o tratamento de 
tais envenenamentos. É interessante que a azida sódica é a fonte de nitrogênio para 
air bags serem inflados; se esta for liberada acidentalmente, pode trazer um proble-
ma ambiental, ou seja, não por explosão.
A Oligomicina inibe a respiração, mas, não é um inibidor direto do sistema de 
transporte de elétrons. Em vez disso, esta inibe o canal de prótons da ATP sintase. 
Isto causa o acúmulo de prótons fora da mitocôndria, uma vez que o sistema de 
bombeamento de prótons está ainda intacto, mas o canal de prótons está bloquea-
do. O Dinitrofenol e termogenina atuam como canal de próton reduzindo o gradiente 
de prótons, desacoplando a síntese de ATP do transporte de elétrons através da 
membrana mitocondrial interna.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   17
Inibidores da síntese de ATP mitocondrial.
INIBIDOR MODO DE AÇÃO SÍTIO DE INIBIÇÃO
Amobarbital, rotenona Bloqueia o transporte de elétrons Complexo I (NADH desidrogenase)
Antimicina Bloqueia o transporte de elétrons Complexo II (citocromo redutase)
Monóxido de carbono, cianeto Bloqueia o transporte de elétrons Complexo IV (citocromo oxidase)
Dinitrofenol, termogenina
Atua como canal de próton re-
duzindo o gradiente de prótons, 
desacoplandoa síntese de ATP do 
transporte de elétrons
Através da membrana mitocondrial 
interna
Oligomicina
Impede diretamente a síntese de 
ATP
Complexo V (ATP sintase)
Fonte: Autoria própria
7. DOENÇAS MITOCONDRIAIS 
As doenças mitocondriais geralmente são doenças por deficiência mitocondrial 
primária. Várias alterações bioquímicas são causadoras dessas doenças. As do-
enças mitocondriais mais estudadas e mais comuns são as que afetam a cadeia 
respiratória. Como exemplo podemos citar as mutações esporádicas causadoras 
de encefalomiopatia mitocondrial descritas até o momento que acometem apenas 
o DNAmt, variante mais grave é a síndrome de Kearns-Sayre, que se inicia antes 
dos 20 anos de idade e se associa a oftalmoplegia, retinite pigmentosa, acrescen-
tando-se um dos seguintes comprometimentos: hiperproteinorraquia ou bloqueio 
completo cardíaco e ataxia. Somado a isso, pode apresentar diabetes mellitus (DM), 
surdez e sinais de neurodegeneração. Uma variante atípica designada com síndrome 
de Pearson caracterizada, alguns indivíduos apresentaram na infância, por anemia 
sideroblástica, leucopenia, trombocitopenia e insuficiência pancreática exócrina, 
sendo a gravidade desses sintomas muito variável, podendo inclusive levar à morte. 
Esses pacientes, quando sobrevivem, desenvolvem, posteriormente, a síndrome de 
Kearns-Sayre.
A Epilepsia mioclônica e miopatia com (MERRF) é síndrome e pode se iniciar em 
qualquer idade. As manifestações clínicas que são mais comumente associadas são 
a epilepsia (com crises mioclônicas generalizadas ou focais), a ataxia cerebelar e a 
miopatia. Seu curso é progressivo e a biópsia muscular mostra RRF. Outras manifes-
tações incluem: demência, atrofia óptica, degeneração dos tratos corticoespinhais, 
neuropatia periférica, surdez, disfunção tubular proximal, cardiomiopatia, acido-
se láctica e hiperalaninemia. As mioclonias ocorrem em repouso e aumentam de 
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   18
frequência e amplitude com os movimentos, podendo ser associadas a descargas 
epileptiformes de grande amplitude na região occipital, que pioram com a fotoesti-
mulação. Potenciais evocados somatossensitivos corticais gigantes também podem 
ser vistos nessa patologia. Oitenta a 90% dos casos são decorrentes da mutação no 
DNAmt, o qual codifica o tRNA Lys. 
Em se tratando de Encefalomiopatia mitocondrial, acidose láctica e episódios 
similares a acidentes vasculares cerebrais (MELAS), as manifestações podem apa-
recer em qualquer idade, mas, principalmente, antes dos 45 anos, sendo um diag-
nóstico diferencial de acidente vascular cerebral (AVC) em jovens. Esses pacientes 
apresentam-se com AVCs que geralmente não respeitam território vascular, acome-
tendo tanto pequenas como grandes artérias, e estão associados por vezes a con-
vulsões e/ou enxaqueca. O diagnóstico dessa doença, às vezes, pode ser difícil, uma 
vez que sintomas de envolvimento multissistêmico presentes nas doenças mitocon-
driais, como miopatia, ataxia, cardiomiopatia, diabetes mellitus, retinite pigmentosa, 
defeitos no túbulo renal proximal, acidose láctica e hiperalaninemia, podem estar 
ausentes. A ataxia cerebelar é frequentemente observada em pacientes com MELAS 
e pode preceder em muitos anos o aparecimento de episódios de AVC. Assim, um 
estudo genético é essencial para o diagnóstico. Uma mutação no gene para o RNA 
transportador da leucina (tRNA), levando à troca de A por G do DNAmt (A3243G), é 
responsável por cerca de 80% dos casos de MELAS. A mutação no RNA transporta-
dor da lisina (tRNA) foi associada tanto com MERRF quanto com MELAS. Uma carac-
terística importante da mutação, bem como de alguns rearranjos do DNAmt, é que 
elas podem estar associadas à presença de diabetes mellitus. 
A Neuropatia óptica hereditária de Leber (LHON) é uma síndrome que se apresen-
ta com um quadro de perda da acuidade visual central, indolor e de instalação aguda 
ou subaguda, usualmente dos 12 aos 30 anos de idade. As alterações típicas dessa 
síndrome, na fase aguda, incluem telangiectasias ao redor da papila óptica e edema 
das fibras nervosas ao redor do disco óptico ao exame oftalmológico. Entretanto, 
desde o advento dos testes genéticos ficou claro que essas alterações retinianas 
não estão presentes em todos os casos. Embora mais de 12 mutações do DNAmt 
estejam associadas a LHON, somente três são consideradas capazes de causar os 
sintomas, mesmo na ausência de mutações adicionais sinérgicas, e respondem por 
aproximadamente 80% dos casos de LHON. Embora a apresentação clínica desses 
pacientes seja similar, a probabilidade de alguns pacientes virem a melhorar par-
cialmente se mostra diferente em cada uma dessas mutações. Sua mutação está 
presente no Complexo I da cadeia respiratória, essa mutação causa troca do aminoá-
cido arginina por histidina e troca do aminoácido alanina por treonina.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   19
8. MAU FUNCIONAMENTO 
MITOCONDRIAL
Um mau funcionamento mitocondrial interfere na síntese de ATP. Esse mau fun-
cionamento pode ser causado por tanto por diminuição da produção de RNA mito-
condrial e consequente diminuição da quantidade de mitocôndrias presentes. Outro 
processo se deve a uma redução do NADH reduzido, esse processo culmina com 
NADH citosólico aumentado, desvio de piruvato para lactato gerando uma acidose 
lática. A impossibilidade de realização da fosforilação oxidativa desvia o piruvato, 
resultado da glicólise, uma via central na produção de ATP. O principal processo de 
oxidação dos açúcares é a sequência de reações conhecida como glicólise (do gre-
go, glukus, “doce”, e lusis, “ruptura”). A glicólise produz ATP sem a participação de 
oxigênio molecular (O2 gasoso). Ela ocorre no citosol da maioria das células, inclu-
sive nos organismos anaeróbios. No caso hipóxia, o piruvato e os elétrons do NADH 
permanecem no citosol. O piruvato é convertido em produtos que são excretados 
pelas células, como lactato, no caso do músculo. Nesses processos, o NADH doa 
seus elétrons e é reconvertido em NAD+. A regeneração do NAD+ é necessária para 
a manutenção das reações da glicólise. Certos tecidos animais, como o músculo 
esquelético, podem continuar funcionando, mesmo quando o oxigênio molecular é 
limitado. Nesse mesmo sentido, uma hiperglicemia é capaz de alterar a produção de 
ATP principalmente por induzir a gliconeogênese e um fígado gorduroso devido à in-
capacidade de oxidar os ácidos graxos.
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   20
MAPA: RESUMO CONGESTÃO, EDEMA E DERRAMES
Fosforilação Oxidativa
LHON
MELAS
MERRF III citocromo c redutaseI
I NADH desidrogenase
Síndrome de Pearson IV citocromo c oxidase
 II succinato desidrogenase 
Kearns-Sayre ATP sintase
(UCP-1)NAD+/ NADH oligomicina
(UCP-2)FADH2Rotenona
(UCP-3)NADP+/NADPHAntimicina
(UCP-4)Cianeto
(UCP-5)Dinitrofenol e termogenina 
monóxido de carbono
DESACOPLADORESCARREADORES DE ELÉTRONS 
DOENÇAS 
MITOCONDRIAIS 
INIBIDORES DA SÍNTESE DE 
ATP MITOCONDRIAL
COMPLEXOS
Transporte de elétrons e fosforilação oxidativa   21
REFERÊNCIAS
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Artes Médicas, 2017.
Areas AP. (org.). Bioquímica humana. São Paulo: Pearson, 2014.
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636p.
Conn EE, Stumpf PK. Introdução à bioquímica. São Paulo: Edgard Blucher, 2017.
Hong YC. Bioquímica clínica. 2. ed. Rio de Janeiro: Atheneu, 2014. 
Nasseh IE, Tengan CH, Kiyomoto BH, Gabbai AA. Doenças Mitocondriais. Revista 
Neurociências, v. 9, n. 2, p. 60-69, 30 jun. 2001.
Nelson DL, Cox MM. Lehninger: Princípios de Bioquímica. 3. ed. [S.l.]: Sarvier, 2003. 
Campbell MK, Farrell SO. Bioquímica. 5. ed. São Paulo: Thomson, 2007.
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