Metabolismo dos carboidratos

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Bioquímica facilitada
Metabolismo dos Carboidratos
 
Introdução
A glicose ocupa posição central no metabolismo de plantas, animais e muitos microrganismos. Ela é
relativamente rica em energia potencial e, por isso, é um bom combustível; a oxidação completa da
glicose, de aminoácidos e de ácidos graxos levam a produção de acetil-CoA que, no ciclo de Krebs, é
totalmente oxidado a CO2. 
O ciclo de Krebs constitui, portanto, o estágio final e máximo de oxidação dos átomos de carbono que
compõem os carboidratos, proteínas e lipídios. A oxidação destes compostos é acompanhada da
redução de grande quantidade das coenzimas NAD+ e FAD. As células aeróbias produzem a maior parte
de seu ATP por oxidação das coenzimas pelo oxigênio, chamada respiração celular
Profa Dra. Ana Paula Boleti
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Para muitos seres humanos, o amido é a fonte principal de carboidratos e principal forma de
armazenamento de glicose em plantas e contem ligações α-1,4-glicosidicas e ramificações α-1,6-
glicosidicas e o glicogênio é a forma de armazenamento de glicose em tecidos animais e contém as
mesmas ligações e ramificações que o amido.
A digestão do amido começa na boca, onde a α-amilase salivar hidrolisa as ligações glicosídicas internas
produzindo fragmentos polissacarídeos pequenos denominados oligossacarídeos. No estomâgo, a α-
amilase salivar é inativada pelo pH fortemente ácido, mas uma segunda α-amilase, secretada pelo
pâncreas no duodeno, continua o processo de hidrolise do amido. A ação da amilase pancreática produz
principalmente maltose e maltotriose (di e trissacarideos formados por (α1®4) glicose) e oligossacarídeos
chamados dextrinas, estão são fragmentos da amilopectina contendo os pontos de ramificação (α1®6). A
maltose e dextrinas são degradadas por enzimas do da borda em escova do trato intestinal
(microvilosidades). O glicogênio ingerido tem, em essência, a mesma estrutura da amilopectina e sua
digestão ocorre na mesma forma. Os dissacarídeos precisam ser hidrolisados em monossacarídeos antes
de penetrar nas células. Os monossacarídeos assim formados são transportados ativamente para o
interior das células epiteliais.
DIGESTÃO DOS CARBOIDRATOS COMEÇA PELA BOCA A
MONO E DISSACARIDEOS
A glicose, além de excelente combustível, também é um precursor admiravelmente versátil, capaz de
suprir uma enorme variedade de intermediários metabólicos em reações biossintéticas Em animais e em
vegetais vasculares, a glicose tem quatro destinos principais: ela pode ser usada na síntese de
polissacarídeos complexos direcionados ao espaço extracelular; ser armazenada nas células (como
polissacarídeo ou como sacarose); ser oxidada a compostos de três átomos de carbonos (piruvato) por
meio da glicólise, para fornecer ATP e intermediários metabólicos; ou ser oxidada pela via das pentoses-
fosfato (fosfogliconato) produzindo ribose-5-fosfato para a síntese de ácidos nucleicos e NADPH para
processos biossintéticos redutores.
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A glicose é metabolizada principalmente por glicólise em eritrócitos. O transporte através da
membrana plasmática é catalisado por GLUT1 (transportador de glicose 1). Como essas células são
desprovidas de mitocôndria, o produto final da glicólise é ácido lático, que é liberado no sangue. Já o
cérebro capta glicose por transportador facilitado, de modo independente de insulina, por GLUT3. As
células musculares e cardíacas utilizam prontamente a glicose. 
A insulina estimula o transporte de glicose para dentro destas células por meio do GLUT4. Na ausência
de insulina, GLUT4 existe em vesículas intracelulares, onde não pode facilitar o transporte de glicose. A
ligação da insulina ao seu receptor na membrana plasmática inicia uma cascata de sinalização que
promove o deslocamento ou a fusão de vesículas contendo GLUT4 com a membrana plasmática,
colocando assim o GLUT4 onde pode facilitar o transporte de glicose.
Apesar da dieta humana conter pouca glicose livre, proporções consideráveis deste açúcar são
ingeridas sob a forma de amido, sacarose e lactose.
A maior parte da glicose é absorvida pelas células do trato intestinal para o sangue da veia porta e,
depois para a circulação geral, para uso em outros tecidos. O fígado é o primeiro tecido importante a
ter oportunidade de remover glicose do sangue da veia porta E também o primeiro órgão exposto ao
sangue que flui do pâncreas e, portanto, está exposto as concentrações mais altas de glucagon e
insulina. 
Quando a glicose sanguínea está alta, o fígado remove glicose para glicogênese (SINTESE
GLICOGÊNIO) e glicólise. Quando a glicose sanguínea esta baixa, o fígado fornece glicose ao sangue
por glicogenólise (DEGRADAÇÃO GLICOGÊNIO) e gluconeogênese. Nos seres humanos, a maior parte
da produção endógena de ácidos graxos ocorre no fígado e, em menor extensão, no tecido adiposo.
Os ácidos graxos são sintetizados a partir de carboidratos, principalmente, e do excedente de
proteínas da dieta. 
A glicose é metabolizada diferentemente em várias
células
A glicólise (do grego glykys, significa doce, e lysis, quebra) foi a primeira via metabólica a ser elucidada e é
provável que, atualmente, seja a mais bem entendida. As reações em extrato de levedura e de células
musculares foram o principal objetivo da pesquisa bioquímica desde a descoberta de Eduard Buchner
(em 1897) da fermentação que ocorre em extratos de células rompidas de levedura.
RESUMIDAMENTE: Neste processo uma molécula de glicose é rompida em uma série de reações
catalisadas por enzimas para liberar 2 moléculas do composto piruvato, contendo cada uma delas 3
átomos de carbono. Durante as reações sequenciais da glicólise, parte da energia livre liberada da glicose
é conservada na forma de ATP e NADH. A glicólise é uma via central quase universal do catabolismo da
glicose. É a via pela qual, na maioria das células, ocorre o maior fluxo de carbono. Em certos tecidos e tipos
celulares de mamíferos (eritrócitos, medula renal, cérebro e esperma, por exemplo), a glicose, por meio da
glicólise, é a principal, ou mesmo a única, fonte de energia metabólica.
GLICÓLISE
A glicólise possui duas Fases: 
A glicose tem 6 átomos de carbono, e sua divisão em duas moléculas de piruvato, ocorre em uma
sequência de 10 passos, e os cinco primeiros deles constituem a Fase Preparatória. Nessas reações, a
glicose é inicialmente fosforilada no grupo hidroxila C-6. A glicose 6-fosfato assim formada é convertida
em D-frutose 6-fosfato, a qual é novamente fosforilada, desta vem em C-1, para liberar D-frutose 1,6-
bisfosfato. O ATP é o doador do grupo fosforila nas duas fosforilações. A seguir a frutose 1,6-bisfosfato é
quebrada para liberar duas moléculas com 3 carbonos, a diidroxiacetona fosfato e o gliceraldeido 3-
fosfato (esse é o passo em que ocorre a “Lysis” que dá o nome a via. A Diidroxiacetona fosfato é
isomerizada em uma segunda molécula de gliceraldeido 3-fosfato, e com isso termina a primeira fase da
glicólise que é a fase preparatória da glicólise a energia do ATP é investida, aumentando o conteúdo de
energia livre dos intermediários, e as cadeias carbônicas de todas as hexoses metabolizadas são
convertidas em um produtos comum-gliceraldeido 3-fosfato.
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Fonte: Lehninger et al./ Princípios de Bioquímicai.
-6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014.
O piruvato formado pela glicólise pode seguir 3 rotas
catabólicas alternativas:
 1. Nos organismos aeróbios, ou tecidos sob condições
aeróbias, a glicólise constitui apenas o primeiro
estágio da degradação completa da glicose. O
piruvato oxidado, com perda do seu grupo carboxila
na forma de CO2, para liberar o grupo acetila da
acetil-coenzima A, a qual é então totalmente oxidada
a CO2 pelo ciclo do ácido cítrico.
 2. A segunda rota para o metabolismo do piruvato é
sua redução a lactato por meio da via de
fermentação do ácido láctico. Quando em contração
vigorosa, o tecido muscular esquelético precisa
funcionar em condições de hipóxia (baixa pressão
parcial de oxigênio) e o NADH não podeser reoxidado
a NAD+, mas essa forma de coenzima é necessária
como receptora de elétrons para que o piruvato
continue a ser oxidado. Nessas condições, o piruvato
é reduzido a lactato pela recepção dos elétrons do
NADH e consequente regeneração do NAD+
necessário para que o fluxo glicolítico prossiga.
3. Terceira rota do metabolismo do piruvato leva ao
etanol. Em alguns tecidos vegetais e em certos
invertebrados, protistas e microrganismos como a
levedura da fabricação de cerveja, o piruvato é
convertido anaerobicamente em etanol e CO2, um
processo chamado de fermentação alcoólica.
Destino do piruvato
O ganho de energia provém da fase de pagamento da glicólise. Cada molécula de gliceraldeido 3-fosfato
é oxidada e fosforilada por fosfato inorgânico (não apenas ATP) para formar 1,3-bisfosfoglicerato. A
liberação de energia ocorre em ambas as moléculas de 1,3-bisfosfoglicerato são convertidas em duas
moléculas de piruvato. A maior parte de energia é conservada pela fosforilação acoplada de 4 moléculas
de ATP por moléculas de glicose empregada, uma vez que duas moléculas de ATP são investidas na fase
preparatória da glicólise. A energia também é conservada na fase de pagamento na formação de 2
moléculas de NADH por molécula de glicose.
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Quando os tecidos animais não podem ser supridos com
oxigênio suficiente para suportar a oxidação aeróbia do
piruvato e do NADH produzidos na glicólise, o NAD+ é
regenerado a partir do NADH pela redução do piruvato a
lactato. Como já mencionado, alguns tecidos e tipos
celulares (como os eritrócitos que não tem mitocondria e,
portanto, não podem oxidar o piruvato a CO2. Também
produzem lactato a partir da glicose, sob as mesmas
condições aeróbias. A redução do piruvato é catalisada
pela lactato desidrogenase,que forma o isômero L do
ácido láctico (lactato em pH 7,0).
Na glicólise, a desidrogenação de 2 moléculas de
gliceraldeido 3-fosfato, derivadas de cada molécula de
glicose, converte 2 moléculas de NAD+ em 2 de NADH.
Como a redução de 2 moléculas de piruvato em 2 de
lactato regenera 2 moléculas de NAD+, não ocorre
variação líquida em NAD+ ou NADH.
O lactato formado pelos músculos esqueléticos em
atividade (ou pelos eritrócitos) pode ser reciclado; ele é
transportado pelo sangue até o fígado onde é convertido
em glicose durante a recuperação da atividade muscular
exaustiva.
.
O piruvato, produto da glicólise, representa um ponto de
junção importante no catabolismo dos carboidratos. Em
condições aeróbias, o piruvato é oxidado a acetato, o
qual entra no ciclo do ácido cítrico e é oxidado até CO2
e H2O; o NADH formado pela desidrogenação do
gliceraldeido 3-fosfato é reoxidado a NAD+ pela
passagem do seu elétron ao O2 no processo de
respiração mitocondrial. Em anaerobiose, o próprio
piruvato produzido pela glicólise (ou um composto dele
derivado) serve como aceptor dos elétrons do NADH,
assegurando o provimento de NAD+. O piruvato é,
portanto, o composto a partir do qual as oxidações
aeróbias e anaeróbias da glicose divergem.
 Em condições de hipóxia, como em músculos
esqueléticos muito ativos, em partes submersas de
plantas, ou nas bactérias do ácido lático, por exemplo, o
NADH gerado pela glicólise não pode ser reoxidado pelo
O2. A incapacidade de regenerar o NADH em NAD+
deixaria a célula sem receptor de elétrons para a
oxidação do gliceraldeido 3-fosfato e as reações
liberadoras de energia da glicose cessariam. O NAD+
precisa, portanto, ser regenerado por meio de outros
processos.
GLICÓLISE ANAERÓBIA
Fonte: Lehninger et al./ Princípios de Bioquímicai.
-6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014.
O piruvato é o receptor terminal de elétrons na fermentação do ácido lático
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Embora existam 2 passos de oxidação-redução quando a glicose é convertida em lactato, não há
variação liquida no estado de oxidação do carbono. Apesar dos diferentes tipos de fermentação que
obedecem, entretanto, a um padrão comum: eles extraem energia (como ATP), mas não consomem
oxigênio ou mudam as concentrações de NAD+ ou NADH. Segundo as enzimas de que a célula dispõe o
piruvato pode ser convertido a compostos diferentes, como por exemplo, lactato, etanol, propionato,
butirato etc., que são sempre excretados da célula. As fermentações são designadas segundo o produto
final: fermentação lática, alcoolica, propiônica etc.
Na fermentação lática, o piruvato recebe os elétrons do NADH, reduzindo-se a lactato. Este processo é
utilizado por diversos microorganismos e por determinadas células de mamíferos – hemácias, fibras
musculares brancas e fibras musculares vermelhas sob contração vigorosa. Quando as fibras vermelhas
são submetidas a um esforço intenso, o oxigênio trazido pela circulação torna-se insuficiente para
promover a oxidação da grande quantidade de NADH resultante do trabalho muscular, e a célula
muscular fica submetida a uma anaerobiose relativa. A oxidação do NADH pelo piruvato gera lactato
caracteristicamente produzido por músculos em anaerobiose, permitindo que, pela regeneração do NAD+,
a glicólise possa prosseguir, formando ATP.
Fermentação 
 Na maioria dos vertebrados são essencialmente aeróbios, eles convertem a glicose em piruvato pela
glicólise e, então, oxidam completamente o piruvato até CO2 e H2O utilizando o oxigênio molecular. O
catabolismo anaeróbio da glicose até ácido lático ocorre durantes curtos períodos de atividade muscular
intensa, durante os quais o oxigênio não pode ser levado aos músculos de forma suficientemente rápida
para oxidar todo o piruvato. Assim, os músculos utilizam glicose armazenada (glicogênio) como
combustível para produzir ATP por meio da fermentação, com a produção de lactato como produto final. 
Dessa forma em uma corrida rápida, a concentração de lactato no sangue sobe a valores muito altos.
Esse lactato é convertido em glicose pelo fígado, por meio do processo da gliconeogênese, durante o
período de repouso subsequente, quando o organismo se recupera e o oxigênio é consumido de forma
gradualmente decrescente até que o ritmo respiratório volte ao normal. O ciclo de reações que inclui a
transformação da glicose em lactato no musculo e a reconversão desse em glicose no fígado é chamado
de ciclo de Cori.
Ciclo de Cori
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 Em certos organismos, como as leveduras e alguns tipos de bactérias, a regeneração do NAD+ é feita pela
fermentação alcoolica. Nesta via, o piruvato é descarboxilado, originando acetaldeído, que, servindo como
aceptor dos elétrons do NADH, reduz-se a etanol e CO2, por 2 passos: No primeiro passo, o piruvato sofre
descarboxilação em uma reação irreversível catalisada pela piruvato descarboxilase. A piruvato
descarboxilase requer Mg2+ e tem uma coenzima fortemente ligada, a tiamina pirofosfato (TPP). No
segundo passo, por meio da ação da álcool desidrogenase, o acetaldeído é reduzido a etanol, com o NADH,
derivado da atividade da gliceraldeido-3-fosfato desidrogenase, fornecendo o poder redutor. 
As fermentações lática e alcoólica resultam na produção líquida de 2ATP, a partir de ADP e fosfato. O
rendimento da oxidação anaeróbica da glicose é menor do que aquele da sua oxidação aeróbia: 2 mols
versus 38 mols de ATP por mol de glicose. A piruvato descarboxilase está presente nas leveduras de
cervejaria e padaria e em todos os outros organismos que promovem fermentação alcoolica, incluindo
algumas plantas. A álcool desidrogenase está presente em muitos organismos que metabolizam o álcool,
incluindo o homem.
Fonte: Lehninger et al./ Princípios de Bioquímicai. -6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014.
Fermentação alcoólica 
EM CONDIÇÕES AERÓBIAS
Na fase aeróbia do catabolismo é chamada de respiração. No sentido fisiológico ou macroscópico mais
amplo, respiração alude à captação de O2 e eliminação de CO2 por organismos multicelulares.
Bioquímicos e biólogistas celulares, entretanto, utilizam esse termo em um sentido mais estrito para
referirem-se ao processo molecular por meio do qual as células consomem O2 e produzem CO2 –
processo mais precisamente denominado respiraçãocelular.
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Fonte: Lehninger et al./ Princípios de
Bioquímicai. -6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014.
Ciclo de krebs
No primeiro, moléculas combustíveis
orgânicas – glicose, ácidos graxos e alguns
aminoácidos – são oxidadas para produzirem
fragmentos de dois carbonos, na forma do
grupo acetil da acetil-coenzima A (acetil-
CoA). 
No segundo estágio, os grupos acetil entram
no ciclo do ácido cítrico, que os oxida
enzimaticamente a CO2; a energia liberada é
conservada nos transportadores de elétrons
reduzidos NADH e FADH2. 
No terceiro estágio da respiração, estas
coenzimas reduzidas são oxidadas, doando
prótons (H+) e elétrons. Os elétrons são
transferidos ao O2 – o aceptor final de elétrons
– por meio de uma cadeia de moléculas
transportadoras de elétrons, conhecida como
cadeia respiratória. No curso da transferência
de elétrons, a grande quantidade de energia
liberada é conservada na forma de ATP, por
um processo chamado de fosforilação
oxidativa.
Respiração celular acontece em três estágios principais:
O ciclo de Krebs inicia-se com uma sequência de 8 reações e a condensação de acetil-CoA e
oxaloacetato formando citrato é a primeira delas, uma reação catalisada pela citrato sintase. O
citrato é isomerizado a isocitrato, por ação da aconitase, com formação intermediária de cis-
aconitato. A isocitrato desidrogenase promove a oxidação de isocitrato a α-cetoglutarato, com
redução de NAD+ e liberação de CO2.
O α-cetoglutarato é transformado a succinil-CoA, graças à atuação da α-cetoglutarato
desidrogenase, um complexo enzimático com mecanismo de reação semelhante ao complexo
piruvato desidrogenase. Trata-se, em ambos os casos, da descarboxilação oxidativa de um α-
cetoácido (piruvato ou α-cetoglutarato) e ligação do grupo remanescente (acetila ou succinila) a
coenzima A, formando uma ligação tio éster rica em energia, com participação TPP, ácido lipóico e
FAD, esta reação também libera CO2 e reduz NAD+.
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A seguir, a succinil-CoA é convertida a succinato e a energia da ligação tio éster é aproveitada para
sintetizar a ligação anidrido fosfórico de um nucleosídio trifosfato (NTP) a partir de um nucleosídio difosfato
(NDP) e Pi – a reação é catalisada pela succinil-CoA sintetase (ou succinato-CoA ligase).
O succinato é oxidado a fumarato pela succinato desidrogenase, cujo grupo prostético, FAD, é reduzido a
FADH2. A succinato desidrogenase é a única enzima do ciclo de Krebs que é parte integrante da membrana
interna da mitocôndria; as demais estão em forma solúvel na matriz mitocondrial. O fumarato é hidratado a
malato pela fumarase. 
A malato desidrogenase oxida o malato a oxaloacetato, reduzindo NAD+ e fechando o ciclo. Como
oxaloacetato é sempre regenerado ao final de cada volta, o ciclo de Krebs pode oxidar acetil-CoA
continuamente, sem gasto efetivo de oxaloacetato.
Fonte: Lehninger et al./ Princípios de Bioquímicai. -6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014.
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Embora produza apenas 1ATP (ou 1 GTP), o ciclo de Krebs contribui para a formação de grande parte
do ATP produzido pela célula, pois a energia da oxidação da acetil-CoA é conservada sob a forma de
coenzimas reduzidas e, usadas posteriormente na síntese de ATP. Concomitantemente, há produção
de 4 mols de ATP: 2 mols de saldo da glicólise e 2 mols produzidos como GTP no ciclo de Krebs. Do
ponto de vista energético, verifica-se, então, que da energia total disponível na molécula de glicose,
uma fração muito pequena levou a produção de ATP, a maior parte foi conservada nas coenzimas
reduzidas. Estes fenômenos repetem-se na oxidação de aminoácidos e lipídios: há uma pequena
síntese direta de ATP ao longo das reações de sua degradação, mas a maior parte da energia
disponível é armazenada em coenzimas reduzidas.
Estas coenzimas devem ser reoxidadas por duas razões:
1.Primeiramente, para que, voltando a forma oxidada, possam participar outra vez das vias de
degradação dos nutrientes;
2. Em segundo lugar, é a partir da oxidação destas coenzimas que a energia nelas conservadas pode
ser empregada pelas células para sintetizar ATP.
As células aeróbias produzem a maior parte do seu ATP por oxidação das coenzimas pelo oxigênio (a
chamada respiração celular), efetuada por uma cadeia de transporte de elétrons (“cadeia
respiratória”), a qual está intimamente associada a síntese de ATP. Esta síntese consiste na
fosforilação do ADP (ADP+Pi→ATP) e, por utilizar a energia derivada da oxidação das coenzimas, é
denominada fosforilação oxidativa.
Cadeia respiratória e Fosforilação Oxidativa
1A descoberta, em 1948, por Eugene kennedy e Albert Lehninger de que as mitocôndrias são os sítios
da fosforilação oxidativa nos eucariotos marcou o início da fase moderna dos estudos das
transduções de energia biológica. A membrana mitocondrial externa é facilmente permeável a íons e
moléculas pequenas. A membrana interna é impermeável a maioria das moléculas pequenas e íons,
incluindo protons (H+); as únicas espécies que atravessam a membrana interna são aquelas que os
fazem através de transportadores específicos. A membrana interna contém os componentes da
Cadeia Respiratória e a ATP sintase.
A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia respiratória. A maioria desses
elétrons é proveniente da ação de desidrogenases que coletam elétrons das vias catabólicas e os
canalizam para receptores universais de elétrons-nucleotídios de nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou
nucleotídios de flavina (FMN ou FAD). Alguns estão no citosol, outras na mitocondria e outras ainda
apresentam isoenzimas citosolicas e mitocondrial.
A oxidação das coenzimas reduzidas processa-se na membrana interna da mitocôndria, da qual
fazem parte os componentes da CTE. A maioria destes componentes agrupa-se em 4 complexos,
designados I, II, III e IV, que atravessam a membrana interna. Cada complexo é constituído por
diversas subunidades proteicas associadas a grupos prostéticos diferentes: FMN, FAD, centros ferro-
enxofre, grupos heme (presentes nos citocromos) e íons cobre. Estes componentes organizam-se em
ordem crescente de potenciais de redução. Sem fazer parte de complexos, aparecem ainda dois
componentes móveis da CTE: a coenzima Q (CoQ), que conecta os Complexos I e II ao Complex III, e o
citocromo c, que conecta o Complexo III ao Complexo IV.
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Dois elétrons do NADH são transferidos para Complexo I, do Complexo I para CoQ, depois para o
Complexo III, citocromo c, Complexo IV e finalmente para o oxigênio. Elétrons presentes no succinato e
em outros substratos tem uma entrada especial na CTE: são transferidos ao Complexo II e deste para
CoQ; deste ponto em diante, seguem o caminho comum: Complexo III, citocromo c, Complexo IV e
oxigênio. Estas transferências são possíveis porque todos os compostos presentes no complexos, mais
a CoQ e o citocromo c, podem apresentar-se nos estados reduzidos e oxidados – ao receberem um
elétron do componente anterior da cadeia, reduzem-se, transferindo o elétron para o componente
seguinte, oxidam-se e estão aptos a receber elétrons novamente.
Nos organismos aeróbios, a oxidação das coenzimas é feita por transferência de seus elétrons para o
oxigênio; recebendo elétrons, o oxigênio liga-se a prótons do meio, formando água. Este processo
libera grande quantidade de energia, em virtude da diferença de potenciais de redução entre a
coenzima reduzida e o oxigênio.
A estratégia adotada pelas células consiste em transformar a energia contida nas coenzimas
reduzidas em um gradiente de prótons e utilizar este gradiente para promover a síntese de ATP. A
energia para gerar o gradiente de prótons é conseguida pela transferência dos elétrons da coenzima
para o oxigênio, não diretamente, mas via passagem intermediárias por vários compostos, que
constituem uma CTE. Para cumprir esta função, os compostos que formam a cadeia são organizados
de acordo com seus potenciais de redução. Assim, os elétrons partem da coenzima reduzida, que tem
potencial de redução menor que os componentesda cadeia, e percorrem uma sequência de
transportadores com potenciais de redução crescentes, até atingirem o oxigênio, que tem o maior
potencial de redução.
As transferências de elétrons entre este compostos são sempre, portanto, acompanhadas de queda
de energia livre. O transporte de elétrons é facilitado pelo fato de tais compostos estarem organizados
em membranas, com posições definidas, de modo a situar cada componente exatamente entre
aquele que lhe fornecerá elétrons e aquele ao quais seus elétrons serão doados. Ao mesmo tempo
em que as passagens de elétrons se processam, forma-se um gradiente de prótons, ou seja,
estabelece-se uma concentração de prótons diferente de cada lado da membrana onde ocorre o
transporte de elétrons. É o aproveitamento da energia potencial contida no gradiente de prótons que
torna possível a síntese de ATP.
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A importância da CTE e da fosforilação oxidativa como mecanismo de obtenção de energia dos
organismos aeróbios fica evidenciada quando se analisa a produção de ATP a partir da oxidação de um
nutriente como a glicose. O computo da quantidade total de ATP resultante da oxidação de glicose é
facilitado pela análise, em separado, das etapas em que o processo se divide, ou seja, oxidação de:
I. Glicose a 2 piruvato
II. 2 piruvato a 2 acetil-CoA
III. 2 acetil-CoA pelo ciclo de Krebs
IV. NADH e FADH2 pela CTE e fosforilação oxidativa
Em cada uma das etapas I a III, verifica-se a formação de coenzimas reduzidas e de ATP por fosforilação
no nível do substrato, e somam-se estes valores. A quantidade de ATP produzida na fase IV por
fosforilação oxidativa acoplada a oxidação deste total de coenzimas é obtida, considerando-se a síntese
de 3 ATP para cada NADH e 2 para cada FADH2.
O rendimento energético da produção de duas moléculas de piruvato a partir de uma molécula de
glicose é de 2 ATP e 2 NADH. Na fosforilação oxidativa, a passagem de dois elétrons do NADH ao O2
impele a formação de aproximadamente 2,5 ATP, e a passagem de dois elétrons do FADH2 ao O2 rende
cerca de 1,5 ATP. Essa estequiometria nos permite calcular o rendimento global em ATP da oxidação
completa da glicose. Quando ambas as moléculas de piruvato são oxidadas a 6 CO2 via complexo da
piruvato-desidrogenase e ciclo do ácido cítrico, e os elétrons são transferidos ao O2 via fosforilação
oxidativa, 32 ATPs são obtidos por molécula de glicose
Balanço energético da respiração celular
MUITOS VENENOS INIBEM A CADEIA RESPIRATÓRIA 
Grande parte das informações a respeito da cadeia respiratória foi obtida por meio do uso de inibidores
e, isso gerou o conhecimento sobre o mecanismo de ação de diversos venenos. Eles podem ser
classificados como inibidores da cadeia respiratória, inibidores da fosforilação oxidativa ou
desacopladores da fosforilação oxidativa. 
Barbitúricos, como o amobarbital, inibem o transporte de elétrons por meio do Complexo I ao bloquear
a transferência do Fe-S para o Q. Na dose suficiente, eles são fatais in vivo. A antimicina A e o
dimercaprol inibem a cadeia respiratória no Complexo III. Os venenos clássicos H2S, monóxido de
carbono e cianeto inibem o Complexo IV e, por conseguinte, podem cessar totalmente a respiração. O
malonato é um inibidor competitivo do Complexo II. 
Atractilosídeo impossibilita a fosforilação oxidativa ao inibir o transportador de ADP para dentro e de ATP
para fora da mitocôndria. O antibiótico oligomicina impede completamente a oxidação e a fosforilação
ao bloquear o fluxo de prótons por meio da ATP-sintase.
Desacopladores dissociam a oxidação da fosforilação na cadeia respiratória. Esses compostos são
tóxicos in vivo, tornando a respiração descontrolada, pois a velocidade não é mais limitada pela
concentração de ADP ou de Pi. O desacoplador que tem sido utilizado com maior frequência é o 2,4-
dinitrofenol, porém outros compostos atuam de maneira similar. A termogenina (ou a proteína
desacopladora) é um desacoplador fisiológico encontrado no tecido adiposo marrom que funciona
para gerar o calor corporal, principalmente para o recém-nascido e durante a hibernação em animais. 
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Os sistemas de difusão por troca envolvendo proteínas transportadoras que suplantam a membrana
estão presentes na membrana para a troca de ânions por íons OH- e de cátions por íons H+. Tais
sistemas são necessários para a captação e depuração dos metabólitos ionizados, enquanto preservam
os equilíbrios elétrico e osmótico.
A membrana mitocondrial interna é totalmente permeável a pequenas moléculas não carregadas,
como o oxigênio, a água, o CO2, o NH3 e os ácidos monocarboxílicos, como os ácidos 3-hidroxibutírico,
acetoacético e acético. Os ácidos graxos de cadeia longa são transportados para dentro das
mitocôndrias por meio do sistema carnitina; também existe um carreador especial para o piruvato,
envolvendo um simporte que utiliza o gradiente de H de fora para dentro da mitocôndria.
No entanto, os ânions dicarboxilato e tricarboxilato e os aminoácidos exigem transportador ou sistemas
carreadores específicos para facilitar suas passagens através da membrana. Os ácidos
monocarboxílicos penetram mais facilmente em sua forma não dissociada, mais lipossolúvel. 
O transporte de ânions di- e tricarboxílicos está intimamente ligado àquele do fosfato inorgânico, o qual
penetra prontamente como o íon H2PO4- em troca do OH-. A captação total de malato pelo
transportador de dicarboxilato requer o fosfato inorgânico para a troca na direção oposta. 
A captação total de citrato, isocitrato ou cis-aconitato pelo transportador de tricarboxilato requer malato
em troca. O transporte de α-cetoglutarato também exige uma troca por malato. O transportador de
adenina nucleotídeo permite a troca de ATP e ADP, mas não de AMP. Ele é primordial para permitir que o
ATP saia das mitocôndrias para os sítios de utilização extramitocondrial e para possibilitar o retorno do
ADP para a produção de ATP dentro da mitocôndria . 
Relativa impermeabilidade da membrana mitocondrial
interna exige transportadores de troca
Cátions específicos penetrem nas membranas através de ionóforos 
Os ionóforos são moléculas lipofílicas que formam um complexo com cátions específicos e facilitam seu
transporte pelas membranas biológicas, como, por exemplo, a vancomicina (K ). Os desacopladores
clássicos como o dinitrofenol são, na realidade, ionóforos de prótons.
A oxidação do NADH extramitocondrial é mediada por lançadeiras 
O NADH não consegue penetrar na membrana mitocondrial, mas é produzida de forma contínua no
citosol pela 3-fosfogliceraldeído-desidrogenase, uma enzima na sequência de glicólise.
No entanto, sob condições aeróbias, o NADH extramitocondrial não se acumula, e, presume-se que seja
oxidado pela cadeia respiratória nas mitocôndrias. A transferência de equivalentes de redução através
da membrana mitocondrial requer pares de substrato ligados por desidrogenases adequadas em cada
lado da membrana mitocondrial. O mecanismo de transferência usando a lançadeira glicerolfosfato.
Como a enzima mitocondrial está ligada à cadeia respiratória por meio de uma flavoproteína em vez de
NAD, apenas 1,5 mol, e não 2,5 mol, de ATP é formado por átomo de oxigênio consumido. Embora esse
transportador esteja presente em alguns tecidos (p. ex., cérebro, músculo branco), em outros (p. ex.,
músculo cardíaco) ele se mostra deficiente. Portanto, acredita-se que o sistema lançadeira de malato,
apresenta utilidade mais universal.
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A complexidade deste sistema se deve à impermeabilidade da membrana mitocondrial ao oxalacetato,
o qual deve reagir com o glutamato para formar aspartato e α-cetoglutarato por transaminação antes
do transporte através da membrana mitocondrial e da reconstituição à oxalacetato no citosol.
A lançadeira de creatina fosfato facilita o transporte do fosfato de alta
energia a partir das mitocôndrias 
Esta lançadeira aumenta as funções da creatina fosfato como um tampão de energia ao agir como um
sistema dinâmico para a transferência defosfato de alta energia das mitocôndrias nos tecidos ativos,
como o coração e o músculo esquelético. Uma isoenzima da creatina-quinase (CKm) é encontrada no
espaço intermembrana mitocondrial, catalisando a transferência do fosfato de alta energia para a
creatina a partir do ATP oriundo do transportador de adenina nucleotídeo. 
Por sua vez, a creatina fosfato é transportada para dentro do citosol através de poros proteicos na
membrana mitocondrial externa, tornando-se disponível para a produção do ATP extramitocondrial.
ASPECTOS CLÍNICOS
A condição conhecida como miopatia mitocondrial infantil fatal e disfunção renal envolve a
diminuição grave ou ausência da maioria das oxidorredutases da cadeia respiratória. 
O MELAS (encefalopatia mitocondrial, acidose lática e acidente vascular cerebral) é uma condição
herdada devido à deficiência de NADH-Q oxidorredutase (Complexo I) ou de citocromo-oxidase
(Complexo IV). Ela é causada por uma mutação no DNA mitocondrial e pode estar envolvida na doença
de Alzheimer e no diabetes melito. Inúmeros medicamentos e venenos agem por meio da inibição da
fosforilação oxidativa.
Referências
Fundamentos de Bioquímica/Voet, Donalt; Voet, Judith; Pratt, Charlotte, trad. Arthur Germano Feet Neto et
al. – Porto Alegre: Artes Médicas do Sul, 2000;
Princípios de Bioquímica/ Lehninger, Albert; Nelson, David; Cox, Michael; trad. Arnaldo Antônio Simões,
Wilson Roberto Navega Lodi. -6ed.-São Paulo: Sarvier, 2014;
Bioquímica ilustrada de Harper/ Robert K. Murray .et al., 29. ed.– Porto Alegre : AMGH, 2014.