Módulo 2 - Respiração Celular

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Respiração Celular
Apresentação
Você se sente, às vezes, desmotivado, sem energia para realizar as tarefas rotineiras? Para viver, é 
preciso ter muita energia. E não se trata de energia psicoemocional, mas de energia química, 
necessária para manter as nossas células funcionando. Sem a energia química, não seria possível a 
sobrevivência.
As células obtêm energia por meio da quebra de moléculas orgânicas no processo de respiração 
celular. A principal molécula usada para a obtenção de energia é a glicose, oxidada por meio de 
subsequentes processos, sendo que, ao final, são produzidas moléculas de adenosina trifosfato 
(ATP). Além da respiração celular, alguns organismos podem usar a fermentação para a obtenção de 
energia.
Nesta Unidade de Aprendizagem, você vai estudar os mecanismos e as vias que a célula utiliza para 
obter a energia necessária para continuar a desempenhar as suas tarefas — por exemplo, de 
montagem de polímeros, o bombeamento de substâncias através das membranas, o movimento e a 
reprodução.
Bons estudos.
Ao final desta Unidade de Aprendizagem, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
Identificar os mecanismos pelos quais as bactérias obtêm energia para realização de suas 
funções.
•
Explicar as três vias-chave da respiração: a glicólise, o ciclo do ácido cítrico e a fosforilação 
oxidativa.
•
Contrastar respiração e fermentação.•
Infográfico
Para obtenção de energia a partir da glicose, as células utilizam dois processos gerais: a respiração e 
a fermentação. Ambos os processos iniciam com a glicólise, mas seguem vias diferentes 
posteriormente. O saldo energético de ambos os processos é diferente. Na respiração, é produzido 
maior número de ATP.
No Infográfico a seguir, você vai ter uma visão geral dos dois processos.
Aponte a câmera para o código e acesse o link do conteúdo ou clique no código para 
acessar.
https://statics-marketplace.plataforma.grupoa.education/sagah/df5299f9-e759-4a7f-ab85-1705ed963bd2/dd99e0a1-1a08-4a6b-b563-4092ce59f7f5.png
Conteúdo do livro
As células obtêm energia a partir de vias metabólicas que liberam energia armazenada nas ligações 
moleculares de compostos orgânicos com alto potencial energético.
Os processos metabólicos (ou catabólicos) que ocorrem na ausência de oxigênio são a fermentação 
e a respiração anaeróbia. Já a respiração aeróbia ocorre na presença de oxigênio, e a produção de 
moléculas energéticas (ATP) é maior do que nos dois outros processos.
Leia os trechos selecionados do livro Biologia, base teórica desta Unidade de Aprendizagem, para 
aprofundar os seus conhecimentos sobre a respiração celular.
Boa leitura.
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Reservados todos os direitos de publicação, em língua portuguesa, à
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Obra originalmente publicada sob o título
Biology, 8th Edition
ISBN 9780805368444
Authorized translation from the English language edition, entitled BIOLOGY, 8th Edition, by NEIL A. CAMPBELL and JANE B. REECE, 
published by Pearson Education, Inc., publishing as Benjamin Cummings, Copyright © 2008. All rights reserved. No part of 
this book may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, 
recording or by any information storage retrieval system, without permission from Pearson Education, Inc.
Portuguese language edition published by Artmed Editora, Copyright © 2010.
Tradução autorizada a partir do original em língua inglesa da obra intitulada BIOLOGY, 8ª EDIÇÃO, de autoria de NEIL A. CAMPBELL 
e JANE B. REECE, publicado por Pearson Education, Inc., sob o selo de Benjamin Cummings, Copyright © 2008. Todos os direitos 
reservados. Este livro não poderá ser reproduzido nem em parte nem na íntegra, nem ter partes ou sua íntegra armazenada 
em quaisquer meios, seja mecânico ou eletrônico, inclusive fotocópia, sem permissão da Pearson Education, Inc.
A edição em língua portuguesa desta obra é publicada por Artmed Editora, Copyright © 2010.
Capa: Mário Röhnelt
Preparação de originais: Henrique de Oliveira Guerra
Leitura final: Magda Regina Chaves
Editora Sênior – Biociências: Letícia Bispo de Lima
Editora Júnior – Biociências: Carla Casaril Paludo
Editoração eletrônica: Techbooks
Catalogação na publicação: Renata de Souza Borges CRB-10/1922
C187b Campbell, Neil. 
 Biologia [recurso eletrônico] / Neil Campbell, Jane Reece;
 tradução Daniel Lorenzini ... [et al.]. – 8. ed. – Dados
 eletrônicos. – Porto Alegre : Artmed, 2010.
 Editado também como livro impresso em 2010.
 ISBN 978-85-363-2351-0
 1. Biologia. I. Reece, Jane. II. Título.
CDU 573
C O N C E I T O S - C H A V E
9.1 Vias catabólicas produzem energia oxidando 
combustíveis orgânicos
9.2 Glicólise obtém energia química oxidando glicose a 
piruvato
9.3 O ciclo do ácido cítrico completa a oxidação que 
produz energia a partir de moléculas orgânicas
9.4 Durante a fosforilação oxidativa, a quimiosmose 
acopla o transporte de elétrons com a síntese de ATP
9.5 Fermentação e respiração anaeróbia capacitam as 
células a produzir ATP sem o uso de oxigênio
9.6 A glicólise e o ciclo do ácido cítrico conectam-se a 
diversas outras vias metabólicas
V I S Ã O G E R A L
Vida é trabalho
Células vivas requerem transfusão de energia a partir de fontes ex-
ternas para realizarem suas diversas tarefas – por exemplo, monta-
gem de polímeros, bombeamento de substâncias através de mem-
branas, movimento e reprodução. O panda gigante na Figura 9.1 
obtém energia para suas células se alimentando de plantas; alguns 
animais alimentam-se de outros organismos que se alimentam de 
plantas. A energia armazenada nas moléculas orgânicas dos ali-
mentos vem em última análise do sol. A energia flui para dentro 
de um ecossistema em forma de luz solar e sai como calor (Figura 
9.2). Em contraste, os elementos químicos essenciais para vida são 
reciclados. Fotossíntese gera oxigênio e moléculas orgânicas utili-
zadas pelas mitocôndrias de eucariotos (incluindo plantas e algas) 
como combustível para respiração celular. A respiração quebra esse 
combustível, gerando ATP. Os produtos que sobram desse tipo de 
respiração, dióxido de carbono e água, são as matérias-primas para 
a fotossíntese. Neste capítulo, consideramos como células colhem 
a energia química armazenada em moléculas orgânicas e a utilizam 
para gerar ATP, a molécula que conduz grande parte do trabalho 
celular. Após a apresentação de alguns conceitos básicos sobre res-
piração, enfocaremos três vias chaves da respiração: aglicólise, o 
ciclo do ácido cítrico e a fosforilação oxidativa.
9.1 Vias catabólicas produzem 
energia oxidando combustíveis 
orgânicos
Como aprendemos no Capítulo 8, vias metabólicas que liberam 
energia armazenada pela quebra de moléculas complexas são 
chamadas vias catabólicas. A transferência de elétrons tem um 
papel importante nessas vias. Nesta seção, consideramos esses 
processos centrais para a respiração celular.
Figura 9.1 � Como estas folhas fornecem energia para o trabalho 
vital do panda gigante?
9Respiração Celular – Obtenção de Energia Química
ATP
ECOSSISTEMA
Energia
luminosa
Fotossíntese
nos cloroplastos
Respiração celular
nas mitocôndrias
Energia
térmica
ATP fornece energia para a maioria do trabalho celular
CO2 + H2O
Moléculas
orgânicas
 + O2
Figura 9.2 � Fluxo de energia e reciclagem química no ecossiste-
ma. Energia fluipara dentro de um ecossistema como luz solar e funda-
mentalmente sai como calor, ao passo que os elementos químicos essen-
ciais para vida são reciclados.
Biologia 163
Vias catabólicas e produção de ATP
Compostos orgânicos possuem potencial energético como resul-
tado dos seus arranjos de átomos. Compostos que podem par-
ticipar de reações exergônicas podem atuar como combustível. 
Com o auxílio de enzimas, uma célula degrada sistematicamente 
moléculas orgânicas complexas, ricas em potencial energético, 
em produtos mais simples com menos energia. Parte da energia 
retirada do estoque químico pode ser usada para realizar traba-
lho; o resto é dissipado como calor.
Um processo catabólico, a fermentação, é uma degradação 
parcial de açúcares que ocorre sem o uso de oxigênio. Entretanto, 
a mais predominante e eficiente via catabólica é a respiração ae-
róbia em que o oxigênio é consumido como reagente junto com 
combustível orgânico (aerobic vem do grego aer, ar, e bios, vida). 
As células da maioria dos organismos eucarióticos e de muitos 
procariotos podem realizar respiração aeróbia. Alguns procariotos 
utilizam outro tipo de substância além do oxigênio como reagen-
tes num processo similar obtendo energia química sem utilizar o 
oxigênio num todo; esse processo é chamado respiração anaeróbia 
(o prefixo an- significa “sem”). Tecnicamente, o termo respiração 
celular inclui tanto o processo aeróbio como o anaérobio. Entre-
tanto, originou-se como sinônimo para respiração aeróbia por 
causa do relacionamento desse processo com a respiração do or-
ganismo, na qual um animal inspira oxigênio. Portanto, respiração 
celular é comumente utilizada para se referir ao processo aeróbio, 
prática que seguiremos na maior parte deste capítulo.
Embora muito diferente no mecanismo, a respiração aeróbia 
é em princípio similar à combustão da gasolina no motor de um 
automóvel após a mistura do oxigênio com o combustível (hidro-
carbonetos). O alimento fornece o combustível para respiração, e 
os subprodutos são dióxido de carbono e água. O processo geral 
pode ser resumido assim:
Compostos 
Orgânicos � Oxigênio → 
Dióxido de 
Carbono � Água � Energia
Embora todos os carboidratos, as gorduras e as proteínas 
possam ser processados e consumidos como combustível, é útil 
aprender os passos da respiração celular seguindo a degradação 
do açúcar glicose (C6H12O6):
C6H12O6 � 6O2 → 6CO2 � 6H2O � Energia (ATP � calor)
A glicose é o combustível que as células utilizam com mais fre-
quência; discutiremos outras moléculas orgânicas contidas nos 
alimentos mais adiante no capítulo.
Essa quebra de glicose é exergônica, possuindo uma mudan-
ça de energia livre de �686 kcal (2,870 kJ) por mol de glicose 
decomposta (�G � �686kcal/mol). Lembre-se que um �G nega-
tivo indica que os produtos da reação química armazenam menos 
energia que os reagentes, e que a reação pode ocorrer esponta-
neamente – em outras palavras, sem a adição de energia.
Vias catabólicas não movem flagelos, nem bombeiam solu-
tos através de membranas, nem polimerizam monômeros, nem 
realizam outra tarefa celular diretamente. O catabolismo está co-
nectado ao trabalho por um eixo químico de direção – ATP, que 
aprendemos no Capítulo 8. Para continuar trabalhando, a célula 
deve regenerar seu estoque de ATP a partir de ADP e P i (ver Fi-
gura 8.12). Para entender como a respiração celular alcança esse 
objetivo, vamos examinar o processo químico fundamental co-
nhecido como oxidação e redução.
Reações redox: oxidação e redução
Como uma via catabólica que decompõe glicose e outros combus-
tíveis orgânicos fornece energia? A resposta baseia-se na transfe-
rência de elétrons durante as reações químicas. A realocação dos 
elétrons libera energia armazenada nas moléculas orgânicas; essa 
energia é por fim utilizada para sintetizar ATP.
O princípio redox
Em muitas reações químicas, existe a transferência de um ou mais 
elétrons (e�) de um reagente para outro. Essas transferências de 
elétrons são chamadas de reações oxidação-redução, ou reações 
redox para abreviar. Em uma reação redox, a perda de elétrons 
de uma substância é chamada de oxidação, e a adição de elétrons 
para outra substância é conhecida como redução. (Notem que a 
adição de elétrons é chamada de redução; elétrons negativamen-
te carregados adicionados a um átomo reduzem a quantidade de 
cargas positivas desse átomo.) Por meio de um exemplo simples, 
não biológico, considere a reação entre os elementos sódio (Na) e 
cloro (Cl) que formam o sal de cozinha:
Torna-se oxidado
(perde elétrons)
Na + Cl Na+ + Cl–
Torna-se reduzido
(ganha elétrons)
Podemos generalizar uma reação redox desta maneira:
Torna-se oxidado
Xe– + Y X + Ye–
Torna-se reduzido
Na reação generalizada, a substância Xe�, o doador de elétrons, é 
chamado de agente redutor; ele reduz Y, que aceita o elétron do-
ado. A substância Y, o aceptor de elétrons, é o agente oxidante; 
ele oxida Xe� removendo seu elétron. Pelo fato de que a transfe-
rência de elétrons necessita tanto doador quanto aceptor, a oxi-
dação e redução sempre ocorrem juntas.
Nem todas as reações redox envolvem a transferência com-
pleta de elétrons de uma substância para outra; algumas mudam 
o grau do compartilhamento de elétrons em ligações covalen-
tes. A reação entre metano e oxigênio, mostrada na Figura 9.3 
na próxima página, é um exemplo. Como explicado no Capítulo 
2, os elétrons covalentes no metano são compartilhados quase 
que igualmente entre os átomos ligados, isso porque carbono e 
hidrogênio possuem quase a mesma afinidade por elétrons de 
valência: são quase igualmente eletronegativos. Quando o me-
tano reage com o oxigênio, formando dióxido de carbono, elé-
trons acabam compartilhados menos igualmente entre o átomo 
de carbono e seus novos parceiros covalentes, os átomos de oxi-
164 Campbell & Cols.
gênio, muito eletronegativos. Com efeito, o átomo de carbono 
“perde” parcialmente seus elétrons compartilhados; portanto, o 
metano é oxidado.
Agora vamos examinar o destino do reagente O2. Os dois 
átomos da molécula de oxigênio (O2) compartilham seus elétrons 
igualmente. Entretanto, quando o oxigênio reage com o hidrogê-
nio do metano formando água, os elétrons das ligações covalen-
tes passam mais tempo perto do oxigênio (ver Figura 9.3). Como 
consequência, cada átomo de oxigênio “ganha” parcialmente 
elétrons; então, a molécula de oxigênio é reduzida. Por causa de 
sua alta eletronegatividade, o oxigênio é um dos mais poderosos 
agentes oxidantes.
Energia deve ser adicionada para puxar um elétron de um áto-
mo para outro, assim como energia é necessária para chutar uma 
bola morro acima. Quanto mais eletronegativo for o átomo (quanto 
mais forte ele arrasta elétrons), maior é a energia necessária para re-
tirar o elétron dele. Um elétron perde potencial energético quando 
muda de um átomo menos eletronegativo para outro mais eletrone-
gativo, assim como a bola perde potencial energético quando rola 
morro abaixo. Portanto, uma reação redox que move elétrons para 
mais perto do oxigênio, como a queima (oxidação) de metano, mes-
mo assim libera energia química que pode ser posta para trabalho.
Oxidação de moléculas de combustível orgânico durante 
a respiração celular
A oxidação do metano pelo oxigênio é a principal reação de com-
bustão que ocorre no forno de um fogão a gás. A combustão da 
gasolina no motor de um automóvel também é uma reação redox; 
a energia liberada move os pistões. Entretanto, o processo redox 
fornecedor de energia de maior interesse dos biólogos é a respi-
ração: a oxidação da glicose e de outras moléculas no alimento. 
Examine novamente a equação resumida da respiração celular, 
porém desta vez pense nela como processo redox:
Torna-se oxidado
C6H12O6 6 O2 6 CO2 6 H2O+ + Energia+
Torna-se reduzido
Como na combustão do metano ou da gasolina, o combustível 
(glicose) é oxidado e o oxigênio é reduzido. Os elétrons perdem 
potencial energético ao longo do caminho, e energia é liberada.
Em geral,moléculas orgânicas com abundância de hidrogê-
nio são excelentes combustíveis, porque suas ligações são fontes 
de elétrons, cuja energia pode ser liberada à medida que esses 
elétrons “decaem” no gradiente de energia quando são transferi-
dos ao oxigênio. A equação resumida para respiração indica que 
o hidrogênio é transferido da glicose para o oxigênio. Porém, o 
fato importante, não visível na equação resumida, é que o esta-
do energético dos elétrons muda quando o hidrogênio (com seu 
elétron) é transferido para o oxigênio. Na respiração, a oxidação 
da glicose transfere elétrons para um estado energético menor, 
liberando energia que se torna disponível para síntese de ATP.
Os principais alimentos energéticos, carboidratos e gorduras, 
são reservatórios de elétrons associados ao hidrogênio. Somente a 
barreira da energia de ativação contém o fluxo de elétrons para um 
estado energético mais baixo (ver Figura 8.14). Sem essa barreira, 
substâncias alimentares como a glicose combinar-se-iam quase que 
imediatamente com o O2. Quando fornecemos a energia de ativa-
ção por meio do consumo de glicose, ela queima no ar, liberando 
686 kcal (2.870 kJ) de calor por mol de glicose (cerca de 180 g). A 
temperatura corporal não é suficiente para iniciar essa queima, ob-
viamente. Ao contrário, se você ingerir certa quantidade de glicose, 
enzimas nas suas células irão baixar a barreira da energia de ativa-
ção, permitindo que o açúcar seja oxidado numa série de passos.
A energia é colhida gradualmente via NAD� e a cadeia 
transportadora de elétrons
Se a energia fosse liberada de um combustível de uma vez só, ela 
não poderia ser controlada eficientemente para o trabalho cons-
trutivo. Por exemplo, se um tanque de combustível explode, ele 
não pode levar o carro muito longe. A respiração celular também 
não oxida glicose em uma única etapa explosiva. Preferivelmente, 
a glicose e outros combustíveis orgânicos são decompostos numa 
série de etapas, cada uma catalisada por uma enzima. Nas etapas 
essenciais, elétrons são removidos da glicose. Como é comum na 
reação de oxidação, cada elétron viaja com um próton – ou seja, 
como um átomo de hidrogênio. Os átomos de hidrogênio não são 
transferidos diretamente para o oxigênio; ao invés disso, primeiro 
costumam ser passados a um carregador de elétrons, uma coen-
zima chamada de NAD� (nicotinamida adenina dinucleotídeo, 
um derivado da vitamina niacina). Como um aceptor de elétrons, 
o NAD� funciona como agente oxidante durante a respiração.
Como o NAD� prende os elétrons da glicose e de outros com-
bustíveis orgânicos? Enzimas chamadas desidrogenases removem 
um par de átomos de hidrogênio (dois elétrons e dois prótons) do 
substrato (glicose, neste exemplo), por fim oxidando o substrato. 
A enzima entrega os dois elétrons junto com um próton para essa 
coezima NAD� (Figura 9.4). O outro próton é liberado como íon 
de hidrogênio (H�) na solução:
H C OH + NAD+ O + NADH + H+Desidrogenase C
C
H
H
H H O O O C O H O H
Metano
(agente
redutor)
CH4 2 O2 CO2 Energia+ 2 H2O++
Oxigênio
(agente
oxidante)
Reagentes Produtos
Torna-se oxidado
Torna-se reduzido
Dióxido de carbono Água
Figura 9.3 � Combustão do metano como reação redox fornece-
dora de energia. A reação libera energia para o meio, porque o elétron 
perde potencial energético quando não é compartilhado igualmente, pas-
sando mais tempo perto de átomos eletronegativos, como o oxigênio.
Biologia 165
Por receber dois elétrons carregados negativamente, mas apenas 
um próton positivamente carregado, o NAD� tem sua carga neu-
tralizada quando é reduzido a NADH. O nome NADH mostra 
que o hidrogênio foi recebido na reação. NAD� é o mais versátil 
aceptor de elétrons na respiração celular e funciona em diversos 
passos redox durante a decomposição da glicose.
Elétrons perdem muito pouco de seus potenciais energéticos 
quando são transferidos da glicose para o NAD�. Cada molécula 
de NADH formada durante a respiração representa energia ar-
mazenada que pode ser direcionada para produzir ATP quando 
os elétrons completam a queda no gradiente 
energético de NADH a oxigênio.
Como os elétrons extraídos da glicose e 
armazenados como potenciais energéticos no 
NADH finalmente alcançam o oxigênio? Ajuda 
comparar a química redox da respiração celu-
lar com uma reação bem mais simples: a reação 
entre o hidrogênio e oxigênio para formar água 
(Figura 9.5a). Misture H2 e O2, forneça uma 
descarga elétrica como energia de ativação, e 
os gases combinam explosivamente. Na reali-
dade, a combustão de H2 líquido e O2 líquido 
é controlada para ativar os motores principais 
de um ônibus espacial após seu lançamento, 
impulsionando-o em órbita. A explosão repre-
senta uma liberação da energia conforme os 
elétrons do hidrogênio “caem” mais perto de 
átomos de oxigênio eletronegativo. A respira-
ção celular também une hidrogênio e oxigênio 
para formar água, porém existem duas impor-
tantes diferenças. Primeiro, na respiração ce-
lular, o hidrogênio que reage com o oxigênio é 
derivado de moléculas orgânicas, ao contrário 
do H2. Segundo, no lugar de ocorrer uma rea-
ção explosiva, a respiração utiliza uma cadeia transportadora de 
elétrons para frear a queda de elétrons ao oxigênio em diversas 
etapas liberadoras de energia (Figura 9.5b). Uma cadeia transpor-
tadora de elétrons consiste em várias moléculas, a maioria proteí-
nas, incrustadas na membrana interna das mitocôndrias de células 
eucarióticas e da membrana plasmática de procariotos aeróbios. 
Elétrons removidos da glicose são transportados pelo NADH ao 
“topo”, extremidade de alta energia da cadeia. Na parte “inferior”, 
a extremidade de baixa energia, o O2 captura esses elétrons junta-
mente com o hidrogênio (H�), formando água.
Figura 9.4 � NAD� como transportador de elétrons. O nome completo do NAD�, ni-
cotinamida adenina dinucleotídeo, descreve sua estrutura: a molécula consiste em dois nu-
cleotídeos ligados por seus grupos fosfatos (mostrados em amarelo). (A nicotinamida é uma 
base nitrogenada, embora não esteja presente no DNA ou RNA.) A transferência enzimática 
de dois elétrons e um próton (H�) de uma molécula orgânica do alimento para o NAD� reduz 
o NAD� para NADH; o segundo próton (H) é liberado. A maioria dos elétrons removidos do 
alimento é transferida inicialmente ao NAD�.
NH2
O
C 2[H]
(do alimento)
+
2 e– + 2 H+
2 e– + H+
H+
H+
O–
O–
O
O
Nicotinamida
(forma oxidada)
Nicotinamida
(forma reduzida)
CH
2
CH
2
H H
H
HO
H
OH
O
NH
2
N
N
H
HO OH
O
N+
N H
N
O
O
O
P
P
H
NAD+
NH2
O
C
H
N
H
NADH
Oxidação do NADH
Redução do NAD+
Desidrogenase
+
Liberação
explosiva de
energia térmica
e luminosa
ATP
ATP
ATP
En
er
gi
a 
liv
re
, G
En
er
gi
a 
liv
re
, G
(do alimento via NADH)
2 H+ 2 e–
2 H+
2 e–
Liberação controlada
de energia
para síntese
de ATP
(a) Reação não controlada. (b) Respiração celular.
+
H2 + 2 H +O2
1/2
H2O H2O
O2
1/2
Cadeia transportadora
de elétrons
1 2 O2
Figura 9.5 � Introdução à cadeia transportadora de elétrons. (a) A reação exergônica, de 
etapa única, do hidrogênio com oxigênio para formar água libera grande quantidade de energia 
na forma de calor e de luz: uma explosão. (b) Na respiração celular, a mesma reação ocorre em 
passos: uma cadeia transportadora de elétrons freia a “queda” dos elétrons nesta reação em uma 
série de pequenas etapas e armazena parte da energia liberada em uma forma que possa ser uti-
lizada para produzir ATP. (O restante da energia é liberado como calor).
166 Campbell & Cols.
A transferência dos elétrons a partir do NADH até o oxigênio 
é uma reação exergônica, com mudança de energia livre de �53 
kcal (�222 kJ/mol). Em vez dessa energia ser liberada e desperdi-
çada em uma única e explosiva etapa, os elétrons descem em cas-
cata de uma molécula carreadora para a próxima em uma série de 
reação redox, perdendo uma pequena quantidade de energia em 
cada etapa, até finalmente alcançarem o oxigênio, o aceptor finalde elétrons, que tem grande afinidade por elétrons. Cada carre-
ador do nível “mais abaixo” é mais eletronegativo e, portanto, 
mais capaz de oxidar do que o vizinho “superior”, com oxigênio 
no inferior da cadeia. Portanto, os elétrons removidos da glicose 
pelo NAD� caem um gradiente de energia na cadeia transporta-
dora de elétrons até uma posição mais estável no átomo oxigênio 
eletronegativo. Isto é, o oxigênio puxa os elétrons para baixo da 
cadeia numa queda produtora de energia análoga à gravidade que 
puxa objetos ladeira abaixo.
Resumindo, durante a respiração celular, a maioria dos elétrons 
viaja seguindo a rota “morro abaixo”: glicose→NADH→cadeia 
transportadora de elétrons→oxigênio. No final deste capítulo, 
vamos aprender mais sobre como as células utilizam a energia 
liberada da queda exergônica dos elétrons para regenerar o esto-
que de ATP. Por ora, tendo visto os mecanismos redox básicos da 
respiração celular, vamos dar uma olhada no processo inteiro.
Os estágios da respiração celular: uma prévia
A respiração é uma função cumulativa de três estágios metabó-
licos:
Glicólise (código de cor ao longo do capítulo - verde)1.
Ciclo do ácido cítrico (código de cor - salmão)2.
Fosforilação oxidativa: transporte de elétrons e
quimiosmose (código de cor - violeta)
3.
Tecnicamente, a respiração celular inclui somente o ciclo do 
ácido cítrico e a fosforilação oxidativa. Incluímos a glicólise por-
que a maioria das células respirando deriva energia a partir da 
glicose e utiliza esse processo para produzir a matéria-prima para 
o ciclo do ácido cítrico.
Como diagramado na Figura 9.6, os dois estágios iniciais da 
respiração celular – glicólise e ciclo do ácido cítrico – são as vias 
catabólicas que degradam a glicose e outros combustíveis orgâ-
nicos. A glicólise, que ocorre no citoplasma, começa o proces-
so de degradação quebrando a glicose em duas moléculas de um 
composto chamado de piruvato. O ciclo do ácido cítrico, que 
acontece dentro da matriz mitocondrial de células eucarióticas 
ou simplesmente no citosol de procariotos, completa a quebra da 
glicose pela oxidação de um derivado do piruvato em dióxido de 
carbono. Desse modo, o dióxido de carbono produzido pela res-
piração representa fragmentos de moléculas orgânicas oxidadas.
Alguns passos da glicólise e do ciclo do ácido cítrico são rea-
ções redox em que desidrogenases transferem elétrons a partir dos 
substratos até o NAD�, formando NADH. No terceiro estágio da 
respiração, a cadeia transportadora de elétrons aceita os elétrons 
dos produtos degradados dos dois primeiros estágios (a maioria 
deles via NADH) e passa esses elétrons de uma molécula a outra. 
No final da cadeia, os elétrons são combinados com uma molécula 
de oxigênio e íons de hidrogênio (H�), formando água (ver Figura 
9.5b). A energia liberada em cada passo da cadeia é armazenada 
numa forma que a mitocôndria (ou célula procariótica) consiga 
utilizá-la para produzir ATP. Esse modo de síntese de ATP é cha-
mado de fosforilação oxidativa pelo fato de ser impulsionado pe-
las reações redox da cadeia transportadora de elétrons.
Nas células eucarióticas, a membrana interna da mitocôndria 
é o sítio do transporte de elétrons e da quimiosmose, os proces-
sos que juntos constituem a fosforilação oxidativa. Em procario-
tos, esses processos ocorrem na membrana plasmática. A fosfo-
rilação oxidativa responde por aproximadamente 90% do ATP 
gerado pela respiração. Uma pequena parcela de ATP é formada 
diretamente em poucas reações da glicólise e do ciclo do ácido 
cítrico por um mecanismo chamado de fosforilação em nível 
de substrato (Figura 9.7). Esse modo de síntese de ATP ocorre 
Figura 9.6 � Visão geral da respiração celu-
lar. Durante a glicólise, cada molécula de glicose é 
degradada em duas moléculas de um composto piru-
vato. Nas células eucarióticas, como mostradas aqui, 
o piruvato entra na mitocôndria, onde o ciclo do áci-
do cítrico a oxida em dióxido de carbono. O NADH 
e outro carreador de elétrons similar, a coenzima 
FADH2, transferem elétrons derivados da glicose até 
a cadeia transportadora de elétrons, construída na 
membrana interna da mitocôndria. (Em procariotos, 
a cadeia transportadora de elétrons está localizada na 
membrana plasmática.) Durante a fosforilação oxida-
tiva, a cadeia transportadora de elétrons converte a 
energia química numa forma usada para síntese de 
ATP num processo chamado de quimiosmose.
Glicólise Ciclo do
ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa
Fosforilação em nível
de substrato
Fosforilação em nível
de substrato
Glicose Piruvato
Citosol Mitocôndria
ATPATPATP
Elétrons
carregados
via NADH
Elétrons
carregados via
NADH e FADH2
Fosforilação
oxidativa:
transporte
de elétrons
e quimiosmose
Biologia 167
quando uma enzima transfere um grupo fosfato de uma molécula 
de substrato ao ADP, em vez de adicionar um fosfato inorgânico 
ao ADP como na fosforilação oxidativa.
“Molécula substrato” aqui se refere a uma molécula orgânica 
gerada como intermediário durante o catabolismo da glicose.
Para cada molécula de glicose degradada em dióxido de carbo-
no e água pela respiração, a célula produz cerca de 38 moléculas de 
ATP, cada uma com 7,3 kcal/mol de energia livre. A respiração tro-
ca a cédula de alto valor energético guardada em uma única molé-
cula de glicose (686 kcal/mol) por moedas de diversas moléculas 
de ATP, mais práticas para a célula gastar no seu trabalho.
Nesta introdução, apresentamos como a glicólise, o ciclo do 
ácido cítrico e a fosforilação oxidativa se encaixam no processo 
da respiração celular. Agora estamos prontos para darmos uma 
olhada em cada um desses três estágios da respiração.
R E V I S Ã O D O C O N C E I T O
 1. Compare e diferencie a respiração aeróbia e anaeróbia.
 2. E SE...? Se a seguinte reação redox ocorresse, qual 
composto seria oxidado e qual seria reduzido?
C4H6O5 � NAD� → C4H4O5 � NADH � H�
Ver as respostas sugeridas no Apêndice A.
9.2 Glicólise obtém energia química 
oxidando glicose a piruvato
A palavra glicólise significa “açúcar dividido”, e é exatamente isso 
que acontece durante essa via. A glicose, açúcar de seis carbo-
nos, é dividida em dois açúcares de três carbonos. Esses açúcares 
menores são oxidados e seus átomos remanescentes rearranjados 
para formar duas moléculas de piruvato. (Piruvato é a forma ioni-
zada do ácido pirúvico.)
Como resumido na Figura 9.8, a glicólise pode ser dividida 
em duas fases: investimento energético e compensação energéti-
ca. Durante a fase de investimento energético, a célula na verdade 
gasta ATP. Esse investimento é recompensado com juros duran-
te a fase de compensação energética, quando o ATP é produzi-
do pela fosforilação em nível de substrato e NAD� é reduzido a 
NADH pelos elétrons liberados da oxidação da glicose. A energia 
líquida obtida a partir da glicose, por molécula de glicose, é de 2 
ATP mais 2 NADH. Os dez passos da via glicolítica estão descri-
tos em mais detalhes na Figura 9.9, nas próximas duas páginas; é 
recomendável estudá-la cuidadosamente antes de prosseguir.
No fim, todos os carbonos originalmente presentes na glico-
se estão contabilizados em duas moléculas de piruvato; nenhum 
CO2 é liberado durante a glicólise. A glicólise ocorre na presen-
ça ou na ausência de O2. Entretanto, se o O2 estiver presente, a 
energia química armazenada no piruvato e no NADH pode ser 
extraída pelo ciclo do ácido cítrico e pela fosforilação oxidativa.
R E V I S Ã O D O C O N C E I T O
 1. Durante a reação redox na glicólise (passo 6 na Figura 9.9), 
qual molécula age como agente oxidante? E como agente 
redutor?
 2. E SE...? O passo 3 na Figura 9.9 é principal ponto da 
regulação da glicólise. A enzima fosfofrutocinase é regulada 
alostericamente pelo ATP e pelas moléculas relacionadas. 
Considerando o resultado global da glicólise, você esperaria 
que o ATP inibisse ou ativasse essa enzima? (Dica: certifi-
que-se de que você está considerando o ATP como regula-
dor alostérico e não como substratoda enzima.)
Ver as respostas sugeridas no Apêndice A.
Produto
+ ATP
ADP
Substrato
Enzima Enzima
P
Figura 9.7 � Fosforilação em nível de substrato. Parte do ATP é 
produzida pela transferência direta de um grupo fosfato de um substrato 
orgânico para ADP por uma enzima. (Para exemplos em glicólise, ver Figura 
9.9, passos 7 e 10.)
? Você acha que o potencial energético é maior para os reagentes ou os 
produtos? Explique.
Glicose
Fase de investimento energético
Fase de compensação energética
Retorno líquido
2 ADP + 2
2 Piruvato + 2 H2O
ATP
Glicólise Ciclodo ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa
ATP ATP
2 ATP utilizados
formados
+ 2 H+
4 ATP
2 NADH
4 ATP formados – 2 ATP utilizados
Glicose
 
2 NAD+ + 4 e– + 4 H+
2 Piruvatos + 2 H2O
2 ATP
2 NADH + 2 H+
P
4 ADP + 4 P
2 NAD+ + 4 e– + 4 H+
Figura 9.8 � A energia consumida e produzida na glicólise.
168 Campbell & Cols.
O
HO
Glicose
ATP
ADP
H
OH
CH2O
H
H HO
Frutose-6-fosfato
CH2CH2O
ATP
ADP
OHH
H
HO
H
CH2OH
O
OH
OH H
H
OHH
H
HO
H
O
OH
OH H
H
CH2OH
O
HO H
OHH
H HO
Frutose-1-6-
bifosfato
CH2O
C O
CH2OH
Di-hidroxiacetona
fosfato
CH2 O
C
CHOH
C OH
Gliceraldeído-3-
fosfato
Isomerase
Hexocinase
CH2O
Glicose-6-fosfato
O
FASE DE INVESTIMENTO ENERGÉTICO
 Glicose entra na célula e é fosforilada pela enzima hexocinase,
que transfere um grupo fosfato do ATP para o açúcar. A carga do
grupo fosfato prende o açúcar na célula porque a membrana
plasmática é impermeável a grandes íons. Fosforilação também faz
a glicose ficar mais quimicamente reativa. Neste diagrama, a
transferência do grupo fosfato ou par de elétrons de um reagente para
outro é indicado por setas acopladas:
 Glicose-6-fosfato é convertida em seu
isômero, frutose-6-fosfato.
 Esta enzima transfere um grupo fosfato do ATP para
o açúcar, investindo outra molécula de ATP na glicólise. Até aqui,
2 ATP foram utilizados. Com grupos fosfatos nas extremidades
opostas, o açúcar agora está pronto para ser dividido em dois.
Este é um passo chave na regulação da glicólise; fosfofrutocinase
é regulada alostericamente pelo ATP e seus produtos.
 Esta é a reação que dá nome à glicólise. A enzima quebra
a molécula de açúcar em dois diferentes carbonos de três
açúcares: di-hidroxiacetona fosfato e gliceraldeído-3-fosfato.
Estes dois açúcares são isômeros um do outro. 
 A isomerase catalisa a conversão reversível entre os dois
açúcares de três carbonos. Esta reação nunca alcança o equilíbrio
na célula porque a próxima enzima da glicólise utiliza somente
gliceraldeído-3-fosfato como substrato (e não a di-hidroxiacetona
fosfato). Isso desloca o equilíbrio na direção do gliceraldeído-3-
fosfato, que é removido assim que se forma. Desse modo, o resultado
líquido dos passos 4 e 5 é uma clivagem de um açúcar de seis carbonos
em duas moléculas de gliceraldeído-3-fosfato; cada um deles prossegue
nos passos restantes da glicólise.
P
P
P P
P
P
1
1
2
3
4
5
5
Fosfoglicoisomerase
2
Fosfofrutocinase
3
Aldolase
4
ATP
Glicólise Ciclodo ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa
ATP ATP
Figura 9.9 � Visão detalhada 
da glicólise. A orientação do dia-
grama à direita relaciona a glicólise 
ao processo inteiro da respiração. 
Não deixe que os detalhes quími-
cos no diagrama bloqueiem sua vi-
são da glicólise como fonte de ATP 
e NADH.
E SE...? O que aconteceria se você removesse a di-hidroxiacetona 
fosfato tão rapidamente como ela é produzida?
Biologia 169
2 NAD+
O
CHOH
1, 3-Bifosfoglicerato
C O
CH2 O
2
3-Fosfoglicerato2
C O
CHOH
CH2 O
2-Fosfoglicerato2
C O
C
CH2OH
OH
Piruvato2
C O
C
CH3
O
Fosfoenoilpiruvato2
C O
C
CH2
O
2 ADP
2 ATP
+ 2 H+
2
2 H2O
2 ADP
FASE DE COMPENSAÇÃO ENERGÉTICA
 Esta enzima reposiciona o grupo fosfato remanescente,
preparando o substrato para a próxima reação.
 Esta enzima causa uma ligação dupla para moldar o substrato
pela extração de uma molécula de água, produzindo
fosfoenoilpiruvato (PEP). Os elétrons do substrato são rearranjados
de tal modo que o composto fosforilado resultante possua alto
potencial energético, permitindo o passo 10.
 A última reação da glicólise produz mais ATP por meio da
transferência do grupo fosfato PEP para o ADP, um segunda
fosforilação em nível de substrato. Visto que este passo ocorre duas
vezes para cada molécula de glicose, 2 ATP são produzidos. No geral,
a glicólise utilizou 2 ATP na fase de investimento energético (passos
1 e 3) e produziu 4 ATP na fase de compensação energética (passos 7 e
10), para um ganho líquido de 2 ATP. A glicólise recebeu seu
investimento de ATP com 100% de juros. Energia adicional foi
armazenada pelo passo 6 em NADH, que pode ser usada para produzir
ATP através da fosforilação oxidativa se o oxigênio estiver presente.
Glicose foi quebrada e oxidada a duas moléculas de piruvato, o
produto final da via glicolítica. Se o oxigênio estiver presente, a energia
química no piruvato pode ser extraída pelo ciclo do ácido cítrico. Se o
oxigênio não estiver presente, a fermentação pode ocorrer; isto será
descrito mais adiante no capítulo.
NADH
O–
2 ATP
2
O–
O–
O–
P
P
P
P
P
P i
6
7
8
9
10
 Esta enzima catalisa duas reações sequenciais enquanto o 
gliceraldeído-3-fosfato estiver no seu sítio ativo. Primeiro, o açúcar é 
oxidado através da transferência de elétrons e H+ para o NAD+, 
formando NADH (reação redox). Essa reação é uma reação bastante 
exergônica, e a enzima utiliza a energia liberada para fixar um grupo 
fosfato ao substrato oxidado, formando um produto com alto 
potencial energético. A fonte dos fosfatos é um reservatório de íons 
fosfato inorgânico sempre presentes no citosol. Note que o 
coeficiente 2 precede todas as moléculas na fase de compensação 
energética; estes passos ocorrem após a glicose ter-se dividido em 
dois açúcares de três carbonos (passo 4).
 A glicólise produz algum ATP pela fosforilação em nível de 
substrato. O grupo fosfato adicionado no passo anterior é transferido 
ao ATP numa reação exergônica. Para cada molécula de glicose que 
inicia a glicólise, o passo 7 produz 2 ATP, desde que cada produto após 
a quebra do açúcar (passo 4) seja duplicado. Lembre-se que 2 ATP 
foram investidos para preparar o açúcar para sua quebra; este ATP 
depositado agora está sendo recompensado. A glicose foi convertida 
em duas moléculas de 3-fosfoglicerato, que não é um açúcar. O grupo 
carbonila que caracteriza um açúcar foi oxidado a um grupo carboxila 
(— COO–), a marca registrada dos ácidos orgânicos. O açúcar foi 
oxidado no passo 6, e agora a energia tornou-se disponível para 
produzir ATP por oxidação. 
Fosfoglicerocinase
7
Fosfogliceromutase
8
Enolase
9
Piruvato cinase
10
Triose fosfato
desidrogenase
6
170 Campbell & Cols.
9.3 O ciclo do ácido cítrico completa 
a oxidação que produz energia a 
partir de moléculas orgânicas
A glicólise libera menos de um quarto da energia química armaze-
nada na glicose; a maioria da energia permanece armazenada nas 
duas moléculas de piruvato. Se o oxigênio molecular estiver pre-
sente, o piruvato entra na mitocôndria (em células eucarióticas), 
onde as enzimas do ciclo do ácido cítrico completam a oxidação da 
glicose. (Em células procarióticas, esse processo ocorre no citosol.)
Ao entrar na mitocôndria via transporte ativo, o piruvato é 
primeiramente convertido a um composto chamado de acetil co-
enzima A, ou acetil-Coa (Figura 9.10). Esse passo, a junção en-
tre glicólise e ciclo do ácido cítrico, é realizado por um comple-
xo multienzimático que catalisa três reações: 1 ) grupo carboxila 
(—COO�) do piruvato, já completamente oxidado e, portanto, com 
pouca energia química, é removido e liberado em forma de molé-
cula de CO2. (Esse é o primeiro passo em que o CO2 é liberado 
durante a respiração.) 2 ) O fragmento de dois carbonos restantes 
é oxidado, formando um composto chamado de acetato (a forma 
ionizada do ácido acético). Uma enzima transfere os elétrons ex-
traídos para o NAD�,armazenando energia na forma de NADH. 
3 ) Finalmente, a coenzima A (CoA), composto contendo enxofre 
derivado da vitamina B, é anexada ao acetato por uma ligação não 
estável (linha ondulada na Figura 9.10) tornando o grupo acetila (o 
acetato anexado) muito reativo. Devido à natureza química do gru-
po CoA, o produto dessa interação química, acetil-CoA, possui alto 
potencial energético; em outras palavras, a reação do acetil-CoA 
para produzir produtos de baixa energia é altamente exergônica. 
Essa molécula agora está pronta para fornecer seu grupo acetila ao 
ciclo do ácido cítrico para oxidação posterior.
O ciclo do ácido cítrico também é chamado de ciclo do ácido 
tricarboxílico ou ciclo de Krebs, em homenagem a Hans Krebs, o 
cientista germano-britânico que foi o principal responsável por 
trabalhar na via durante os anos 1930. O ciclo funciona como uma 
fornalha metabólica que oxida combustíveis orgânicos derivados 
do piruvato. A Figura 9.11 resume as entradas e saídas à medida 
que o piruvato é decomposto em três moléculas de CO2, incluindo 
a molécula de CO2 liberada durante a conversão do piruvato em 
acetil-CoA. O ciclo gera 1 molécula de ATP por turno pela fos-
forilação em nível de substrato, porém a maior parte da energia 
química é transferida ao NAD� e a um transportador de elétrons 
relacionado, a coenzima FAD (flavina adenina dinucleotídeo, de-
rivada da riboflavina, uma vitamina B), durante as reações redox. 
As coenzimas reduzidas, NADH e FADH2, lançam suas cargas de 
elétrons de alta energia na cadeia transportadora de elétrons.
Agora vamos detalhar o ciclo do ácido cítrico. O ciclo pos-
sui oito passos, cada um catalisado por uma enzima específica. É 
possível ver na Figura 9.12 que para cada turno do ciclo do ácido 
cítrico, dois carbonos (vermelho) entram na forma reduzida de um 
CH3
O–
C
CH3
O
C
Coenzima A
Acetil-CoA
O
S CoA
C O
NADH + H+NAD+
Piruvato
Proteína
transportadora
2
1 3
CO2
CITOSOL MITOCÔNDRIA
Figura 9.10 � Conversão do piruvato a acetil-CoA, a junção entre a 
glicólise e o ciclo do ácido cítrico. O piruvato é uma molécula carregada; 
então, em células eucarióticas, ele deve entrar na mitocôndria via transporte 
ativo, com ajuda de uma proteína transportadora. Depois, um complexo de 
diversas enzimas (o complexo piruvato desidrogenase) catalisa os três pas-
sos numerados, descritos no texto. O grupo acetila do acetil-CoA entra no 
ciclo do ácido cítrico. A molécula de CO2 se difundirá na célula.
CO2
CO2
NADH
FADH2
NAD+
3
Acetil-CoA
Piruvato
(da glicólise, 2 moléculas
por glicose)
FAD
ADP +
Ciclo do
ácido
cítrico
ATP
+ 3 H+
+ H+
3 NAD+
NADH
P i
CoA
CoA
CoA
ATP
Glicólise Ciclodo ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa
ATP ATP
2
Figura 9.11 � Visão geral do ciclo do ácido cítrico. Para calcular as 
entradas e saídas à base de glicose, multiplique por 2, porque cada molécu-
la de glicose é dividida durante a glicólise em duas moléculas de piruvato.
Biologia 171
CO2
CO2
 CoA é substituído por um grupo fosfato, o qual é 
transferido ao GDP, formando GTP, uma molécula 
similar ao ATP.
Acetil-CoA
Succinato
Succinil-CoA
α-cetoglutarato
+ H+
NADH
NAD+
H2O
GTP GDP
ADP
ATP
+ H+
NADH
NAD+
H2O
Oxaloacetato
Malato
Fumarato
Isocitrato
Citrato
Ciclo do
ácido
cítrico
+ H+
NADH
NAD+
FAD
FADH2
 Acetil-Coa adiciona seu grupo acetila 
ao oxaloacetato, produzindo citrato.
CH3
OC
S CoA
 Outra molécula 
de CO2 é perdida e 
o composto é 
oxidado, reduzindo 
NAD+ a NADH. A 
molécula 
remanescente é 
anexada à coenzima 
A por uma ligação 
instável.
Dois 
hidrogênios são 
transferidos ao 
FAD formando 
FADH2 e 
oxidando o 
succinato.
Adição de 
uma molécula 
de água 
rearranja suas 
ligações no 
substrato.
 O substrato é 
oxidado, 
reduzindo NAD+ 
a NADH e 
regenerando 
oxaloacetato.
1
3
4
5
6
7
8
P i
 Citrato é 
convertido em 
seu isômero, 
isocitrato, 
através da 
remoção de 
uma molécula 
de água e 
adição de outra.
2
COO–
COO–
COO–HC
CH2
CHHOCOO
–
COO–
COO–C
CH2
HO
CH2
COO–
COO–
CH2
O C
COO–
COO–
CH
CH2
HO
COO–
COO–
CH
HC
COO–
COO–
CH2
CH2
O
COO–
COO–
C
CH2
CH2
ATP
Glicólise Ciclo
do ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa
ATP ATP
S CoA
O
COO–
C
CH2
CH2 Outra 
molécula de CO2 
é perdida e o 
composto é 
oxidado, 
reduzindo NAD+
a NADH. A 
molécula 
remanescente é 
anexada à 
coenzima A por 
uma ligação 
instável.
1
2
3
4
5
6
7
8
CoA SH
CoA SH
CoA SH
Figura 9.12 � Visão detalhada do ciclo do 
ácido cítrico. Nas estruturas químicas, a figura 
vermelha rastreia o destino de dois átomos de 
carbono que entram o ciclo via acetil-CoA (passo 
1), e a figura azul indica os dois átomos de car-
bono que saem do ciclo como CO2 nos passos 3 
e 4. (A legenda vermelha vai somente até o passo 
5, porque a molécula de succinato é simétrica; as 
duas extremidades não podem ser distinguidas 
uma da outra.) Note que os átomos de carbono 
que entram no ciclo a partir do acetil-CoA não 
saem do ciclo no mesmo turno. Eles permane-
cem no ciclo ocupando uma localização diferen-
te nas moléculas nos seus próximos turnos, após 
outro grupo acetil ser adicionado. Como conse-
quência, o oxaloacetato regenerado no passo 8 é 
composto de diferentes átomos de carbono cada 
vez. Em células eucarióticas, todas as enzimas do 
ciclo do ácido cítrico estão localizadas na matriz 
mitocondrial com exceção da enzima que catali-
sa o passo 6, que fica na membrana interna da 
mitocôndria. Ácidos carboxílicos estão represen-
tados em suas formas ionizadas, como –COO�, 
pelo fato das formas ionizadas prevalecerem no 
pH dentro da mitocôndria. Por exemplo, citrato é 
a forma ionizada do ácido cítrico.
172 Campbell & Cols.
grupo acetila (passo 1) e dois carbonos diferentes (azul) na forma 
oxidada completa de moléculas de CO2 (passos 3 e 4). O grupo 
acetila do acetil-CoA junta-se ao ciclo combinando-se com o com-
posto oxaloacetato, formando citrato (passo 1). (Citrato é a forma 
ionizada do ácido cítrico, que dá o nome ao ciclo.) Os próximos 
sete passos decompõem o citrato novamente a oxaloacetato. É essa 
regeneração do oxaloacetato que faz desse processo um ciclo.
Agora vamos calcular as moléculas ricas em energia produzi-
das pelo ciclo do ácido cítrico. Para cada grupo acetila que entra no 
ciclo, 3 NAD� são reduzidos a NADH (passos 3, 4 e 8). No passo 6, 
elétrons são transferidos não ao NAD�, mas ao FAD, que aceita 2 
elétrons e 2 prótons para tornar-se FADH2. Em diversas células de 
tecidos animais, o passo 5 produz uma molécula de trifosfato de 
guanosina (GTP) por fosforilação em nível de substrato como mos-
trado na Figura 9.12. GTP é uma molécula similar ao ATP em estru-
tura e em função celular. Esse GTP pode ser utilizado para produzir 
uma molécula de ATP (como mostrado) ou diretamente impulsio-
nar o trabalho na célula. Em células vegetais, bactérias e alguns te-
cidos animais, o passo 5 forma uma molécula de ATP diretamente 
por fosforilação em nível de substrato. A saída do passo 5 representa 
o único ATP gerado diretamente pelo ciclo do ácido cítrico.
A maior parte do ATP produzido pela respiração resulta da 
fosforilação oxidativa, quando NADH e FADH2 produzidos pelo 
ciclo do ácido cítrico transmitem os elétrons extraídos do alimen-
to para a cadeia transportadora de elétrons. Nesse processo, eles 
fornecem a energia necessária para a fosforilação do ADP a ATP. 
Exploraremos esse processo na próxima seção.
R E V I S Ã O D O C O N C E I T O
 1. Nomeie as moléculas que conservam a maior parte da 
energia das reações redox do ciclo do ácido cítrico. Como 
essa energia é convertida numa forma que possa ser utili-
zada para produzir ATP?
 2. Qual processo celular produz o CO2 que você exala?
 3. E SE...? As conversões mostradas na Figura 9.10 e no 
passo 4 da Figura 9.12 são catalisadas cada uma por um 
grande complexo multienzimático. Quais as semelhanças 
que existem entre as reações que ocorrem nesses dois casos?Ver as respostas sugeridas no Apêndice A.
9.4 Durante a fosforilação oxidativa, 
a quimiosmose acopla o 
transporte de elétrons com 
a síntese de ATP
Nosso principal objetivo neste capítulo é aprender como a célula 
coleta a energia da glicose e de outros nutrientes nos alimentos 
para produzir ATP. Os componentes metabólitos da respiração 
que analisamos até agora, a glicólise e o ciclo do ácido cítrico, 
produzem somente 4 moléculas de ATP por molécula de glico-
se, todos por fosforilação em nível de substrato: 2 ATP líquidos 
a partir da glicólise e 2 ATP a partir do ciclo do ácido cítrico. 
Até esse ponto, moléculas de NADH (e FADH2) respondem pela 
maior parte da energia extraída da glicose. Esses elétrons acom-
panhantes ligam a glicólise e o ciclo do ácido cítrico à maquinaria 
da fosforilação oxidativa, que utiliza energia liberada pela cadeia 
transportadora de elétrons para impulsionar a síntese de ATP. 
Nesta seção, vamos aprender como a cadeia transportadora de 
elétrons funciona, e então como o fluxo de elétrons cadeia abaixo 
está acoplado com a síntese de ATP.
A via do transporte de elétrons
A cadeia transportadora de elétrons é uma compilação de mo-
léculas fixadas na membrana interna da mitocôndria nas células 
eucarióticas (nos procariotos, eles residem na membrana plas-
mática). A dobra da membrana interna que forma as cristas au-
menta sua área superficial, fornecendo espaço para milhares de 
cópias da cadeia em cada mitocôndria. (Mais uma vez, vimos que 
a estrutura é adequada à função.) A maioria dos componentes 
da cadeia são proteínas, existentes em complexos multiproteicos 
numerados de I a IV. Firmemente ligados a essas proteínas estão 
grupos prostéticos, componentes não proteicos essenciais para as 
funções catalíticas de certas enzimas.
A Figura 9.13 mostra a sequência de carreadores de elétrons na 
cadeia transportadora de elétrons e a queda na energia livre confor-
me os elétrons viajam cadeia abaixo. Durante o transporte de elé-
trons ao longo da cadeia, os carreadores de elétrons alternam entre 
estado oxidado e reduzido conforme aceitam e doam elétrons. Cada 
componente da cadeia se torna reduzido quando aceita elétrons do 
seu vizinho “de cima”, que tem menor afinidade para elétrons (é me-
nos eletronegativo). Ele retorna à sua forma oxidada conforme passa 
os elétrons para o vizinho “de baixo”, mais eletronegativo.
Agora vamos olhar mais de perto a cadeia transportadora de 
elétrons da Figura 9.13. Primeiro, descrevemos a passagem de elé-
trons pelo complexo I em detalhes, para ilustrar o princípio geral 
envolvendo o transporte de elétrons. Elétrons removidos da glicose 
pelo NAD� durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico são transfe-
ridos do NADH até a primeira molécula da cadeia transportadora 
de elétrons no complexo I. Essa molécula é uma flavoproteína, cha-
mada assim por possuir um grupo prostético chamado de flavina 
mononucleotídeo (FMN). Na próxima reação redox, a flavoproteína 
retorna à forma oxidada conforme passa os elétrons a uma proteína 
ferro-enxofre (Fe•S no complexo I), representante de uma família 
de proteínas ligadas firmemente tanto com ferro quanto com en-
xofre. A proteína ferro-enxofre então passa os elétrons a um com-
posto chamado de ubiquinona (Q na Figura 9.13). Esse carreador 
de elétrons é uma pequena molécula hidrofóbica, único membro 
não proteico da cadeia transportadora de elétrons. A ubiquinona 
é individualmente móvel dentro da membrana, ao invés de residir 
num dado complexo. (Outro nome para ubiquinona é coenzima Q, 
ou CoQ; comumente vendida como suplemento alimentar.)
Em sua maioria, os carreadores de elétrons restantes entre a 
ubiquinona e o oxigênio são proteínas chamadas de citocromos. 
Biologia 173
Seus grupos prostéticos, chamados de grupo heme, possuem um 
átomo de ferro capaz de aceitar e doar elétrons. (Ele é semelhante 
ao grupo heme da hemoglobina, a proteína das células vermelhas 
do sangue, exceto que o ferro na hemoglobina carrega oxigênio, 
e não elétrons.) A cadeia transportadora de elétrons possui di-
versos tipos de citocromos, cada proteína em particular com um 
grupo heme carreador de elétrons levemente diferente. O último 
citocromo da cadeia, cyt a3, passa seus elétrons ao oxigênio, al-
tamente eletronegativo. Cada átomo de oxigênio também coleta 
um par de íons hidrogênio da solução aquosa, formando água.
Outra fonte de elétrons para cadeia transportadora é o 
FADH2, o segundo produto reduzido do ciclo do ácido cítrico. 
Note na Figura 9.13 que o FADH2 adiciona elétrons à cadeia 
transportadora de elétrons no complexo II, num nível energético 
menor do que o NADH. Consequentemente, embora NADH e 
FADH2 doem, cada um, um número equivalente de elétrons (2) 
para redução do oxigênio, a cadeia transportadora de elétrons 
fornece cerca de um terço menos da energia para síntese do ATP 
quando o doador de elétrons é o FADH2 em vez de NADH. Vere-
mos por que na próxima seção.
A cadeia transportadora de elétrons não produz ATP dire-
tamente. Ela funciona para facilitar a queda dos elétrons do ali-
mento até o oxigênio, fracionando uma grande queda de ener-
gia livre numa série de passos menores que liberam energia em 
quantidades gerenciáveis. Como a mitocôndria (ou a membrana 
plasmática de procariotos) conecta esse transporte de elétrons à 
energia liberada para síntese de ATP? A resposta está no meca-
nismo chamado quimiosmose.
Quimiosmose: o mecanismo acoplado 
de energia
Habitando a membrana interna da mitocôndria ou a membrana 
plasmática de procariotos estão diversas cópias de um comple-
xo proteico chamado de ATP-sintase, a enzima que literalmente 
produz ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico. A ATP-sintase 
trabalha como uma bomba de íons funcionando ao contrário. 
Lembre-se do Capítulo 7 que bombas de íons geralmente utili-
zam ATP como fonte energética para transportar íons contra seus 
gradientes. Na realidade, a bomba de prótons mostrada na Figura 
7.19 é uma ATP-sintase. Como mencionamos no Capítulo 8, en-
zimas podem catalisar uma reação em qualquer direção, depen-
dendo do �G para a reação, o qual é afetado pelas concentrações 
locais dos reagentes e produtos. Em vez de hidrolisar ATP para 
bombear íons contra seus gradientes de concentração, sob condi-
ções de respiração celular, a ATP-sintase utiliza a energia de um 
gradiente iônico já existente para impulsionar a síntese de ATP. 
A fonte de energia para a ATP-sintase é uma diferença na con-
centração de H� nas extremidades opostas da membrana interna 
da mitocôndria. (Podemos também pensar nesse gradiente como 
uma diferença de pH, já que o pH é uma medida da concentração 
de H�.) Esse processo, no qual a energia armazenada em forma 
de um gradiente de íons hidrogênio através da membrana é uti-
lizada para promover trabalhos celulares como síntese de ATP, é 
chamado de quimiosmose (do grego osmos, esforço). Utilizamos 
previamente a palavra osmose na discussão do transporte de água, 
mas aqui se refere ao fluxo de H� através da membrana.
A partir do estudo da estrutura da ATP-sintase, cientistas 
aprenderam como o fluxo de H� nessa grande enzima impulsiona 
a geração de ATP. A ATP-sintase é um complexo de multissubuni-
dades com quatro partes principais, cada uma composta de múlti-
plos polipeptídeos. Os prótons movimentam-se um a um em dire-
ção aos sítios de ligação sobre uma das partes (o rotor), fazendo o 
rotor girar de modo a catalisar a produção de ATP a partir de ADP 
NADH
NAD+
FAD
50
40
30
20
10
0
FMN I
II
III
IV
Fe•S
Q
Fe•S
FAD
Cyt b
Complexos
multiproteicos
Fe•S
Cyt c1
Cyt c
Cyt a
Cyt a3
2 H+ +
(do NADH
ou FADH2)
2
FADH2
En
er
gi
a 
liv
re
 (G
) r
el
at
iv
a 
ao
 O
2 
(k
ca
l/m
ol
) 
ATP
Glicólise Ciclo
do ácido
cítrico
ATP ATP
H2O
1 2 O2
e–
2 e–
2 e–
Fosforilação 
oxidativa: 
transporte de 
elétrons e 
quimiosmose
Figura 9.13 � Mudança na energia livre durante o transporte de 
elétrons. A queda na energia total (�G) para elétrons viajando do NADH 
aooxigênio é 53 kcal/mol, mas essa “queda” é fracionada em uma série 
de passos menores pela cadeia transportadora de elétrons. (Um átomo de 
oxigênio é aqui representado como 1/2 O2 para enfatizar que a cadeia 
transportadora de elétrons reduz o oxigênio molecular, O2, e não átomos 
individuais de oxigênio.)
174 Campbell & Cols.
e fosfato inorgânico. Portanto, o fluxo de prótons comporta-se 
como um córrego que gira uma roda d’água (Figura 9.14).
A ATP-sintase é o menor motor rotacional molecular conhe-
cido na natureza. A pesquisa que levou à descrição detalhada da 
atividade dessa enzima havia primeiramente mostrado que, na 
verdade, parte do complexo rotacionava dentro da membrana 
quando a reação procedia na direção da hidrólise de ATP. Embora 
os bioquímicos presumissem que o mesmo mecanismo rotacio-
nal fosse responsável pela síntese de ATP, não existia base para 
esse modelo até 2004, quando diversas instituições de pesquisa 
em colaboração com uma companhia privada foram capazes de 
abordar essa questão utilizando nanotecnologia (técnicas envol-
vendo controle da matéria em escala molecular; do grego nanos, 
significando “anão”). A Figura 9.15 descreve o elegante experi-
mento realizado por esses pesquisadores para demonstrar que a 
Rotor
H+
Estator
ADP
+
MATRIZ MITOCONDRIAL
ESPAÇO INTERMEMBRANAS
Eixo
interno
Botão
catalítico
 Íons H+ entram nos
sítios de ligação dentro
do rotor, mudando
a forma de cada
subunidade para que o
rotor gire dentro
da membrana.
2
 Íons H+ fluindo
através de seu gradiente
entram num meio
canal no estator,
ancorado na
membrana.
1
 Cada íon H+ realiza
um giro completo antes
de deixar o rotor e passar
até o segundo meio
canal no estator
dentro da matriz
mitocondrial.
3
 A rotação do rotor
provoca também uma
rotação no eixo interno.
Este eixo prolonga-se
como um suporte para
dentro do botão abaixo
dele, mantido estacionário
por uma parte do estator. 
4
 O giro do eixo
ativa os sítios catalíticos
no botão que produz
ATP a partir de
ADP e Pi.
5ATPP i
Figura 9.14 � ATP-sintase, um moinho molecular. O complexo pro-
teico ATP-sintase funciona como um moinho, impulsionado pelo fluxo de 
íons hidrogênio. Esse complexo reside nas membranas dos cloroplastos e 
das mitocôndrias de eucariotos e nas membranas plasmáticas de proca-
riotos. Cada uma das quatro partes da ATP sintase consiste em diversas 
subunidades polipeptídicas.
Figura 9.15 � Pesquisa
A rotação do eixo interno da ATP-sintase é 
responsável pela síntese de ATP?
EXPERIMENTO Experimentos prévios sobre ATP-sintase demonstra-
ram que o “eixo interno” rotaciona quando o ATP é hidrolisado (ver Figura 
9.14). Hiroyasu Itoh e colaboradores resolveram investigar se simplesmen-
te girando o eixo na direção oposta poderia causar a síntese de ATP. Eles 
isolaram o eixo interno e o botão catalítico, que foi ancorado a uma placa 
de níquel. Uma esfera magnética foi ligada ao eixo. Esse complexo foi 
posicionado numa câmara contendo um conjunto de eletromagnetos, e a 
esfera foi manipulada pela ativação sequencial dos magnetos para rotacio-
nar o eixo interno em qualquer direção. Os investigadores propuseram 
que se a esfera fosse girada na direção oposta à observada durante a hi-
drólise, a síntese de ATP ocorreria. Os níveis de ATP foram monitorados 
por uma “enzima repórter” em uma solução que emite uma quantidade 
isolada de luz (um fóton) quando ela cliva ATP. A hipótese era de que a 
rotação numa direção resultaria em mais fótons que rotação em outra di-
reção ou na ausência de rotação.
Eletromagneto
Amostra
Esfera magnética
Eixo
interno
Botão
catalítico
Placa de
níquel
RESULTADOS Mais fótons foram emitidos pela rotação do eixo por 
cinco minutos numa direção (barras amarelas) do que na ausência de rota-
ção (barras cinzas) ou com rotação na direção oposta (barras azuis).
N
úm
er
o 
de
 f
ót
on
s
de
te
ct
ad
os
 (�
10
3 )
0
20
25
30
Testes em sequência
Rotação numa direção
Rotação na direção oposta
Ausência de rotação
CONCLUSÃO Os pesquisadores concluíram que a rotação mecânica 
do eixo interno numa dada direção dentro da ATP-sintase parece ser tudo 
que é necessário para gerar ATP. Como a ATP-sintase é o menor motor 
rotacional conhecido, um dos objetivos desse tipo de pesquisa é aprender 
como utilizar sua atividade de maneiras artificiais.
FONTE H. Itoh et al., Mechanically driven ATP synthesis by F1-ATPase, 
Nature 427:465-468 (2004).
Pesquisaemação Leia e analise o artigo original em Pesquisa em 
Ação: Interpretando Artigos Científicos.
E SE...? As barras “na ausência de rotação” (cinza) representam o ní-
vel basal de ATP no experimento. Quando a enzima é rotacionada numa 
direção (barras amarelas), o aumento do nível de ATP sugere que a síntese 
está ocorrendo. Para enzimas girando na outra direção (barras azuis), que 
nível de ATP você esperaria comparado às barras cinzas? (Observação: 
pode ser que isso não seja efetivamente observado.)
Biologia 175
direção da rotação de uma das partes do complexo proteico em 
relação à outra é responsável unicamente ou pela síntese de ATP 
ou pela hidrólise de ATP.
Como a membrana interna da mitocôndria ou a membrana 
plasmática de procariotos gera e mantém o gradiente de H� que 
direciona a síntese de ATP pelo complexo proteico ATP-sintase? 
Estabelecer o gradiente H� é a função da cadeia transportadora 
de elétrons, mostrada em sua localização mitocondrial na Figu-
ra 9.16. A cadeia é um conversor energético que utiliza o fluxo 
exergônico de elétrons do NADH e FADH2 para bombear H� 
através da membrana, da matriz mitocondrial até o espaço inter-
membranas. O H� tem a tendência de se mover de volta através 
da membrana, difundindo seu gradiente. As ATP-sintases são os 
únicos sítios que fornecem uma rota pela membrana para o H�. 
Conforme descrevemos anteriormente, a passagem dos prótons 
H� pelo ATP-sintase utiliza o fluxo exergônico de H� para di-
recionar a fosforilação de ADP. Portanto, a energia armazenada 
em um gradiente de H� através da membrana acopla as reações 
redox da cadeia transportadora de elétrons à síntese de ATP, num 
exemplo de quimiosmose.
A esta altura, você pode estar pensando: como a cadeia trans-
portadora de elétrons bombeia os íons hidrogênio? Pesquisado-
res descobriram que certos membros da cadeia transportadora de 
elétrons aceitam e liberam prótons (H�) juntamente com os elé-
trons. (As soluções aquosas dentro e ao redor da célula são uma 
fonte pronta de H�.) Em passos específicos da cadeia, em virtude 
Figura 9.16 � Quimiosmose acopla a ca-
deia transportadora de elétrons com a sín-
tese de ATP. 1 NADH e FADH2 lançam elétrons 
altamente energéticos extraídos do alimento 
durante a glicólise e o ciclo do ácido cítrico para 
a cadeia transportadora de elétrons construída 
dentro da membrana interna da mitocôndria. As 
setas douradas indicam o transporte de elétrons, 
que finalmente chegam ao oxigênio na parte de 
“baixo” da cadeia. Como a Figura 9.13 mostrou, 
a maioria dos carreadores de elétrons da cadeia 
está agrupada em quatro complexos. Dois carre-
adores móveis, ubiquinona (Q) e citocromo c (Cyt 
C), movimentam-se rapidamente transportando 
elétrons entre os grandes complexos. À medida 
que os complexos I, III e IV aceitam e então doam 
elétrons, eles bombeiam prótons da matriz mito-
condrial para dentro do espaço intermembranas. 
(Em procariotos, prótons são bombeados para fora 
da membrana plasmática.) Note que o FADH2 de-
posita seus elétrons via complexo II e assim resulta 
em menos prótons sendo bombeados para den-
tro do espaço intermembranas que ocorre como 
NADH. A energia química originalmente obtida 
do alimento é transformada numa força motriz de 
prótons, um gradiente de H� através da membra-
na. 2 Durante a quimiosmose, os prótons retor-
nam ao seu gradiente via ATP-sintase inserida na 
membrana adjacente. A ATP-sintase induz a for-
ça próton-motriz a fosforilar ADP, formando ATP. 
Juntos, o transporte de elétrons e a quimiosmose 
compõem afosforilação oxidativa.
E SE...? Se o complexo IV não fosse funcio-
nal, a quimiosmose poderia produzir algum ATP? E 
se fosse, a velocidade da síntese seria diferente?
Membrana
mitocondrial
interna
Espaço
intermembranas
Membrana
mitocondrial
interna
Matriz
mitocondrial
Cadeia transportadora de elétrons
Transporte de elétrons e bombeamento de prótons (H+),
que criam um gradiente de H+ através da membrana
Fosforilação oxidativa
Quimiosmose
Síntese de ATP impulsionada pelo fluxo
de H+ de volta através da membrana
ATPADP +
H2O2 H
+ + O2
NAD+
FAD
(carregando elétrons
do alimento)
Cyt c
Q
Complexo proteico
de carreadores de
elétrons
I III
IV
ATP-
sintase
P i
1 2
II
H+
H+
H+
H+
H+
ATP
Glicólise Ciclodo ácido
cítrico
Fosforilação
oxidativa:
transporte de
elétrons e
quimiosmose
ATP ATP
NADH
FADH2
1 2
176 Campbell & Cols.
da transferência de elétrons, o H� é captado e liberado para den-
tro da solução circundante. Em células eucarióticas, os carrea-
dores de elétrons são espacialmente arranjados na membrana de 
modo que o H� seja recebido a partir da matriz mitocondrial e 
depositado no espaço intermembranas (ver Figura 9.16). O gra-
diente de H� resultante é referido como força próton-motriz, 
enfatizando a capacidade do gradiente em realizar tarefas. A for-
ça dirige o H� de volta através da membrana pelos canais de H� 
fornecidos pelas ATP-sintases.
Em termos gerais, quimiosmose é um mecanismo acoplador 
de energia que utiliza energia armazenada na forma de um gra-
diente de H� através de uma membrana que direciona o traba-
lho celular. Na mitocôndria, a energia para formação do gradiente 
vem das reações redox exergônicas, e a síntese de ATP é o trabalho 
realizado. Mas a quimiosmose também ocorre em outros locais 
e em outras variações. Cloroplastos utilizam quimiosmose para 
gerar ATP durante a fotossíntese; nessas organelas, a luz (em vez 
de energia química) direciona o fluxo de elétrons tanto para uma 
cadeia transportadora de elétrons quanto para a formação do gra-
diente H� resultante. Procariotos, conforme mencionado, geram 
gradiente de H� através de suas membranas plasmáticas. Eles po-
dem então ativar a força próton-motriz não somente para produ-
zir ATP dentro da célula, mas também para girar seus flagelos e 
para bombear nutrientes e subprodutos através da membrana. Por 
causa de sua importância central na conversão de energia em pro-
cariotos e eucariotos, a quimiosmose ajudou a unificar o estudo 
da bioenergética. Peter Mitchell recebeu o Prêmio Nobel em 1978 
por ser o primeiro a propor o modelo quimiosmótico.
Um balanço da produção de ATP pela 
respiração celular
Nas últimas seções, observamos mais atentamente os processos 
essenciais da respiração celular. Agora, voltaremos uma etapa e 
lembraremos da sua função geral: coleta de energia da glicose 
para síntese de ATP.
Durante a respiração, a maioria da energia flui na sequên-
cia: glicose→NADH→cadeia transportadora de elétrons→força 
próton-motriz→ATP. Podemos fazer uma contabilidade para 
calcular o lucro de ATP quando a respiração celular oxida uma 
molécula de glicose em seis moléculas de dióxido de carbono. Os 
três principais departamentos dessa iniciativa metabólica são gli-
cólise, ciclo do ácido cítrico e cadeia transportadora de elétrons 
que direciona a fosforilação oxidativa. A Figura 9.17 dá uma des-
crição detalhada do fornecimento de ATP gerado por molécula 
de glicose oxidada. A contagem adiciona os 4 ATP produzidos 
diretamente por fosforilação em nível de substrato durante a gli-
cólise e o ciclo do ácido cítrico às diversas moléculas de ATP ge-
radas pela fosforilação oxidativa. Cada NADH que transfere um 
par de elétrons da glicose para cadeia transportadora de elétrons 
contribui suficientemente para a força próton-motriz gerar um 
máximo de cerca de 3 ATP.
Por que os números da Figura 9.17 são inexatos? Existem três 
razões para que não possamos estimar com exatidão o número 
de moléculas de ATP gerado pela quebra de uma molécula de 
glicose. Primeiro, a fosforilação oxidativa e as reações redox não 
estão diretamente associadas entre elas; por isso, a proporção 
do número de moléculas de NADH e do número de moléculas 
cerca de
36 ou 38 ATP
por fosforilação
em nível de substrato
+ 2 ATP
por fosforilação
em nível de substrato
+ cerca de 32 ou 34 ATP
por fosforilação oxidativa, dependendo de
quem lançar os elétrons do NADH
para o citosol
CITOSOL MITOCÔNDRIALançadores de elétrons
através das membranas
Máximo por glicose: 
+ 2 ATP
Ciclo do
ácido
cítrico
Glicólise
Glicose
2
piruvato
2
Acetil-
CoA
2 NADH 6 NADH 2 FADH2
2 FADH2
2 NADH
or
2 NADH
Fosforilação oxidativa:
transporte de
elétrons e
quimiosmose 
Figura 9.17 � Rendimento de ATP por molécula de glicose em cada estágio da respiração celular.
Biologia 177
de ATP não é um número inteiro. Sabemos que 1 NADH resulta 
em 10 H� sendo transportados para fora da membrana interna 
da mitocôndria e também sabemos que entre 3 e 4 H� devem 
entrar novamente na matriz mitocondrial via ATP-sintase para 
gerar 1 ATP. Portanto, uma única molécula de NADH gera for-
ça próton-motriz suficiente para a síntese de 2,5 a 3,3 ATP; em 
geral, arredondamos e dizemos que 1 NADH pode gerar cerca 
de 3 ATP. O ciclo do ácido cítrico também fornece elétrons à ca-
deia transportadora de elétrons via FADH2, mas, uma vez que 
ele entra na cadeia mais tarde, cada molécula desse carreador de 
elétrons é responsável pelo transporte de apenas H� suficiente 
para a síntese de 1,5 a 2 ATP. Esses números também levam em 
conta os pequenos custos energéticos de mover o ATP formado 
na mitocôndria para fora em direção ao restante do citoplasma 
onde será utilizado.
Segundo, o rendimento de ATP varia ligeiramente depen-
dendo do tipo de lançador utilizado no transporte de elétrons do 
citosol para dentro da mitocôndria. A membrana mitocondrial in-
terna é impermeável ao NADH, assim o NADH no citosol é sepa-
rado da maquinaria da fosforilação oxidativa. Os dois elétrons do 
NADH capturados na glicólise devem ser conduzidos para dentro 
da mitocôndria por um dos diversos sistemas de lançamento de 
elétrons. Dependendo do tipo do lançamento em um tipo celular 
específico, os elétrons são passados tanto para o NAD� quanto 
para o FAD na matriz mitocondrial (ver Figura 9.17). Se os elé-
trons são passados ao FAD, como nas células do cérebro, somente 
cerca de 2 ATP podem resultar de cada NADH citosólico. Se os 
elétrons são passados ao NAD� mitocondrial, como nas células 
hepáticas e cardíacas, o resultado é cerca de 3 ATP.
Uma terceira variável que reduz o rendimento do ATP é o 
uso da força próton-motriz gerada pelas reações redox da respi-
ração que direciona outros tipos de tarefas. Por exemplo, a força 
próton-motriz impulsiona a captação mitocondrial de piruvato 
do citosol. Entretanto, se toda a força próton-motriz gerada pela 
cadeia transportadora de elétrons fosse utilizada para dirigir a 
síntese de ATP, uma molécula de glicose poderia gerar um má-
ximo de 34 ATP produzidos pela fosforilação oxidativa mais os 4 
ATP (líquidos) da fosforilação em nível de substrato, gerando um 
total de 38 ATP (ou cerca de somente 36 ATP se um sistema de 
lançamento menos eficiente estiver funcionando).
Agora podemos fazer uma estimativa aproximada da eficiên-
cia da respiração – isto é, a percentagem da energia química per-
tencente a glicose transferida para o ATP. Lembre-se que a oxida-
ção completa de um mol de glicose libera 686 kcal de energia sob 
condições padrão (�G � �686 kcal/mol). A fosforilação de ADP 
para formar ATP armazena no mínimo 7,3 kcal por mol de ATP. 
Portanto, a eficiência da respiração é 7,3 kcal por mol de ATP 
vezes 38 moles de ATP por mol de glicose dividido por 686 kcal 
por mol de glicose, o que resulta em 0,4. Então, cerca de 40% do 
potencial energético químico na glicose foram transferidos para 
o ATP; a porcentagem real é provavelmente maior porque o �G 
é menor sob condições celulares. O resto da energiaarmazenada 
é perdida como calor. Nós, humanos, utilizamos esse calor para 
manter nossa relativamente alta temperatura corporal (37°C) e 
dissipamos o resto por meio do suor e de outros mecanismos de 
resfriamento. A respiração celular tem eficiência considerável em 
termos de conversão de energia. A título de comparação, o mais 
eficiente automóvel converte somente cerca de 25% da energia 
armazenada na gasolina em energia que movimenta o carro.
R E V I S Ã O D O C O N C E I T O
 1. Que efeito a ausência de O2 teria sob o processo mostrado 
na Figura 9.16?
 2. E SE...? Na ausência de O2, como na questão 1, o que 
você esperaria acontecer se você diminuísse o pH do espaço 
intermembranas da mitocôndria? Explique sua resposta.
Ver as respostas sugeridas no Apêndice A.
9.5 Fermentação e respiração 
anaeróbia capacitam as células 
a produzir ATP sem o uso de 
oxigênio
Em virtude de que a maior parte do ATP da respiração celular é 
gerada pelo trabalho da fosforilação oxidativa, nossa estimativa 
do rendimento de ATP da respiração aeróbia é condicionada a 
um suprimento adequado de oxigênio para a célula. Sem o oxigê-
nio eletronegativo para empurrar os elétrons “morro abaixo” na 
cadeia transportadora, a fosforilação oxidativa cessa. Entretanto, 
existem dois mecanismos gerais pelos quais certas células podem 
oxidar combustível orgânico e gerar ATP sem o uso de oxigênio: 
respiração anaeróbia e fermentação. A distinção entre esse dois 
se baseia na presença da cadeia transportadora de elétrons. (A 
cadeia transportadora de elétrons também é chamada de cadeia 
respiratória devido ao seu papel na respiração celular.)
Mencionamos também a respiração anaeróbia, que aconte-
ce em certos organismos procarióticos que vivem em ambientes 
sem oxigênio. Esses organismos possuem uma cadeia transpor-
tadora de elétrons, porém não utilizam o oxigênio como aceptor 
final de elétrons no final da cadeia. O oxigênio realiza muito bem 
essa função por ser extremamente eletronegativo, porém outras 
substâncias menos eletronegativas também podem atuar como 
aceptor final de elétrons. Algumas bactérias marinhas “redutoras 
de sulfato”, por exemplo, utilizam o íon sulfato (SO42�) no final de 
sua cadeia respiratória. A operação da cadeia estabelece uma força 
próton-motriz utilizada para produzir ATP, mas H2S (hidrogênio 
sulf ídrico) é produzido como um coproduto, em vez da água.
A fermentação é uma maneira de obter energia química sem 
utilizar oxigênio nem qualquer cadeia transportadora de elétrons 
– em outras palavras, sem respiração celular. Como o alimento 
pode ser oxidado sem respiração celular? Lembre-se, oxidação 
simplesmente se refere à perda de elétrons para um aceptor de 
elétrons; então, não é necessário o envolvimento de oxigênio. A 
178 Campbell & Cols.
glicólise oxida glicose em duas moléculas de piruvato. O agente 
oxidante da glicólise é o NAD�, sem que o oxigênio ou qualquer 
outra cadeia transferidora de elétrons esteja envolvida. No geral, 
a glicólise é exergônica, e parte da energia disponível é utilizada 
para produzir 2 ATP (líquidos) por fosforilação ao nível do subs-
trato. Se o oxigênio estiver presente, então ATP adicional será 
produzido pela fosforilação oxidativa quando o NADH passar 
os elétrons removidos da glicose para a cadeia transportadora de 
elétrons. Mas a glicólise gera 2 ATP na presença ou na ausência 
de oxigênio, ou seja, sob condições aeróbias ou anaeróbias.
Como uma alternativa à oxidação respiratória de nutrientes 
orgânicos, a fermentação é uma expansão da glicólise que permi-
te geração contínua de ATP por fosforilação ao nível do substrato 
da glicólise. Para isso ocorrer, deve existir um estoque suficien-
te de NAD� para aceitar elétrons durante o passo de oxidação 
da glicólise. Sem mecanismos para reciclar NAD� a partir do 
NADH, a glicólise rapidamente esgotaria o reservatório celular de 
NAD� pela total redução à NADH e cessaria por completo pela 
falta de um agente oxidante. Sob condições aeróbias, o NAD� é 
reciclado a partir do NADH pela transferência de elétrons até a 
cadeia transportadora de elétrons. Uma alternativa anaeróbia é 
transferir os elétrons do NADH para o piruvato, o produto final 
da glicólise.
Tipos de fermentação
A fermentação consiste em glicólise mais reações que regeneram 
o NAD� pela transferência de elétrons do NADH até o piruvato 
ou derivados do piruvato. O NAD� pode então ser reutilizado 
para oxidar açúcar pela glicólise, o que rende duas moléculas de 
ATP por fosforilação ao nível de substrato. Existem diversos tipos 
de fermentação, que diferem nos produtos finais formados a par-
tir do piruvato. Dois tipos comuns são a fermentação alcoólica e 
a fermentação ácido láctica.
Na fermentação alcoólica (Figura 9.18a), piruvato é con-
vertido em etanol (álcool etílico) em dois passos. O primeiro 
passo libera dióxido de carbono do piruvato, a seguir convertido 
no composto de dois carbonos acetaldeído. No segundo passo, 
acetaldeído é reduzido pelo NADH a etanol. Isso regenera o su-
primento de NAD� necessário para a continuação da glicólise. 
Diversas bactérias conduzem fermentação alcoólica sob condi-
ções anaeróbias. Leveduras (um tipo de fungo) também realizam 
fermentação alcoólica. Desde a antiguidade, os seres humanos 
utilizam leveduras na fabricação de cerveja, vinhos e pães. As bo-
lhas de CO2 geradas pelas leveduras de padaria durante a fermen-
tação alcoólica permitem que o pão cresça.
Durante a fermentação ácido láctica (Figura 9.18b), o pi-
ruvato é reduzido diretamente pelo NADH para formar lacta-
to como um produto final, sem a liberação de CO2. (Lactato é 
a forma ionizada do ácido láctico.) A fermentação ácido láctica 
por certos fungos e bactérias é utilizada na indústria de laticínios 
para produzir queijo e iogurte.
Células musculares humanas produzem ATP por fermenta-
ção ácido láctica quando o oxigênio é escasso. Isso ocorre durante 
os primeiros estágios de um exercício extenuante, quando o cata-
bolismo do açúcar para produção de ATP esgota o fornecimento 
do oxigênio do sangue no músculo. Sob essas condições, as células 
mudam da respiração aeróbia para a fermentação. Acreditava-se 
que o lactato acumulado estivesse relacionado com as causas da 
fadiga e da dor musculares. Porém, em vez disso, estudos recen-
tes sugerem que um aumento nos níveis de íons potássio (K�) 
podem ser os responsáveis pela fadiga muscular, ao passo que o 
lactato parece aumentar a performance muscular. Em qualquer 
caso, o excesso de lactato é gradualmente conduzido ao f ígado, 
onde é convertido de volta a piruvato pelas células hepáticas.
2 ATP
GlicóliseGlicose
2 NAD+
2 ADP + 2
2 Piruvato
2 Acetaldeído
+ 2 H+
2 NADH
O
O–
H
OC
CH3
C
OC
CH3
2 
2 ATP
Glicose
2 NAD+
2 Lactato
2 ADP +
2 Piruvato
+ 2 H+
2 NADH
O
O–
C
OC
CH3
2
(a) Fermentação alcoólica.
(b) Fermentação ácido láctica.
O–
OHCH
CH3
OC
2 Etanol
H
OHCH
CH3
P i
P i
Glicólise
CO2
Figura 9.18 � Fermentação. Na ausência do oxigênio, diversas células 
utilizam fermentação para produzir ATP via fosforilação em nível de subs-
trato. Piruvato, o produto final da glicólise, serve como aceptor de elétrons 
para oxidar NADH de volta a NAD�, que pode então ser reutilizado na 
glicólise. Dois produtos finais comuns formados na fermentação são (a) 
etanol e (b) lactato, a forma ionizada do ácido láctico.
Encerra aqui o trecho do livro disponibilizado para 
esta Unidade de Aprendizagem. Na Biblioteca Virtual 
da Instituição, você encontra a obra na íntegra.
Dica do professor
Para que as células dos seres vivos continuem a desempenhar todas as suas funções, é necessária 
energia. Essa energia é obtida por meio da quebra de moléculas orgânicas em processos complexos 
como a respiração celular e a fermentação.
Ambos os processos ocorrem no interior celular e, ao final, produzem, entre outras moléculas, o 
ATP, que vai ser utilizado pela célula como molécula energética.
Nesta Dica do Professor, você vai saber mais detalhes