fosforilacao oxidativa

Prévia do material em texto

Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 1 de 7 
Fosforilação oxidativa 
 
1- A maior parte do ATP formado durante a oxidação dos nutrientes ocorre nas mitocôndrias que contém 
duas membranas: uma externa e outra interna. A membrana externa, porque contém uma proteína 
denominada porina, permite a passagem livre e inespecífica de moléculas com massa molecular 
relativamente elevada (5-10 kDa). Este facto permite compreender que o espaço intermembranar seja, 
funcionalmente, considerado como pertencendo ao citoplasma. A membrana interna é mais selectiva e 
o transporte de muitas substâncias (como, por exemplo, o piruvato, o malato, o aspartato, o glutamato, o 
-cetoglutarato, o citrato, o fosfato, os protões, o ATP e o ADP) depende da presença de transportadores 
específicos e ocorre a velocidades limitadas pela actividade destes transportadores. 
2- A oxidação do piruvato (desidrogénase do piruvato), dos ácidos gordos (oxidação em ), da acetil-
CoA (ciclo de Krebs) e de muitos outros compostos dá-se à custa da redução do NAD+ ou do FAD (a 
NADH e FADH2)1 e ocorre na matriz mitocondrial ou na face interna da mitocôndria. As concentrações 
fisiológicas de NAD+ e de FAD são muito baixas e, na ausência de regeneração rápida das suas formas 
oxidadas, a oxidação dos nutrientes seria interrompida. A cadeia respiratória é formada por uma série 
de oxiredútases organizadas em complexos proteicos na membrana interna da mitocôndria e 
possibilita a regeneração do NAD+ e do FAD. Esses complexos catalisam, no seu conjunto, a oxidação 
do NADH a NAD+ e do FADH2 a FAD pelo O2 que se reduz a H2O. 
3- O potencial de oxi-redução padrão (ou potencial de eléctrodo padrão) de um determinado par 
oxidante/redutor é uma medida da estabilidade termodinâmica relativa das formas oxidada e 
reduzida: quanto maior o seu valor maior a estabilidade da forma reduzida relativamente à forma 
oxidada desse par. O seu valor é, em muitos casos, conhecido e pode ser obtido consultando tabelas. 
Dentre os compostos envolvidos na cadeia respiratória merecem especial destaque o O2 e o NADH. O 
valor positivo e elevado do potencial redox padrão do par O2/H2O (Eº’ = +0,815) significa que o O2 
é um potente oxidante e tem tendência a aceitar electrões de outros compostos reduzindo-se a H2O. No 
outro extremo da escala está o par NAD+/NADH cujo baixo (muito negativo; Eº’ = -0,315) potencial 
redox padrão significa que o NADH tem uma grande tendência a ceder electrões oxidando-se a NAD+. 
O valor da diferença entre o potencial de oxi-redução padrão do par O2/H2O e o do par NAD
+/NADH é 
de +1,13 V o que permite calcular a Keq (Keq = e(nFEº’/RT); log Keq = n Eº’/0,059) para a reacção 
esquematizada na equação 1 como sendo de cerca de 1,7  1038 atm-1/2. O valor de Gº’ (energia de 
Gibbs padrão) associado à mesma reacção é de -224 kJ por mole de NADH oxidado. Estes dados 
permitem compreender que o processo de oxidação do NADH pelo O2 tem tendência a ocorrer até ao 
esgotamento do reagente limitante. A velocidade a que o processo ocorre é uma questão diferente e 
depende da actividade de catalisadores; no caso, a actividade dos complexos proteicos I, III e IV da 
cadeia respiratória. 
NADH + ½ O2  NAD+ + H2O (1) 
 
4- Catalisadas pelos complexos da cadeia respiratória ocorrem na membrana mitocondrial interna uma série 
de reacções de oxi-redução através das quais o oxigénio oxida o NADH. Cada um destes complexos é 
formado por muitas subunidades proteicas, tem massa molecular muito elevada, tem mobilidade lateral e 
atravessa a membrana interna da mitocôndria no plano transversal mantendo uma orientação fixa nesse 
plano. Estes catalisadores não são apenas enzimas pois também catalisam o transporte de protões da 
matriz da mitocôndria para o citoplasma. Os dois processos (oxidação e transporte direccional de 
 
1 Há uma diferença importante entre estes dois dinucleotídeos. Enquanto as moléculas de NAD+ (e da sua forma reduzida, 
o NADH) estão maioritariamente desligadas das enzimas apenas se ligando no decurso do ciclo catalítico, o FAD (e da sua 
forma reduzida, o FADH2) faz parte intrínseca da estrutura das enzimas e, por isso, designa-se de grupo prostético. 
Tomando como exemplo a desidrogénase do piruvato (piruvato + NAD+ + CoA  acetil-CoA + NADH + CO2), enquanto 
o NAD+ é, a par com o piruvato e o CoA, um verdadeiro substrato da enzima, o FAD é um intermediário no ciclo catalítico 
da enzima. Na intimidade da desidrogénase do piruvato existe uma mini-cadeia de transferência de electrões em que os 
electrões fluem sequencialmente do piruvato para o lipoato (outro grupo prostético), do dihidro-lipoato formado para o 
FAD e do FADH2 formado para o NAD+ presente transitoriamente no centro activo. Apesar da tradição que persiste em 
apontar o FAD e o FMN como substratos de algumas enzimas, quer o FAD (dinucleotídeo de flavina e adenina) quer o 
FMN (mononucleotídeo de flavina) são sempre grupos prostéticos das enzimas onde existem. Se observarmos a actividade 
global dessas enzimas é fácil reconhecer que o verdadeiro substrato aceitador de electrões é sempre outra substância que 
não o FAD (ou o FMN). 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 2 de 7 
protões) estão acoplados: os complexos I, III e IV são bombas que fazem a acoplagem de processos 
de oxidação específicos (processo exergónico) com o transporte de protões da matriz da 
mitocôndria para o espaço inter-membranar (contra-gradiente electroquímico; processo 
endergónico). O transporte de protões é activo (contra gradiente electroquímico) e diz-se primário 
porque a componente exergónica do processo é uma reacção química. O gradiente é eléctrico porque 
existe uma diferença de potencial entre a matriz (carga negativa) e o espaço inter-membranar (carga 
positiva) mas é também químico porque a concentração de protões é maior (o pH é menor) no espaço 
inter-membranar que na matriz; daí a expressão gradiente electroquímico. O valor da energia de Gibbs 
mínima necessária para bombear um protão da matriz para o espaço inter-membranar pode ser calculado 
conhecendo o valor da diferença de potencial (cerca de 0,15 V) e as concentrações de protões dentro e 
fora da mitocôndria (cerca de 10-7,6 M e 10-7,0 M, respectivamente) e é cerca de 18 kJ / mole de protões 
bombeados2. Usando o Gº’ da reacção representada pela equação 1 (-224 kJ / mole de NADH oxidado) 
como a estimativa possível para o valor da energia disponibilizada durante a oxidação de 1 mole de 
NADH nas condições das células vivas, pode calcular-se teoricamente que o máximo de protões que, 
acoplados aos processo oxidativo, poderiam ser bombeados seria de 12 moles (224 kJ / 18 kJ; ver à 
frente, pontos nº 9, 10 e 11). 
5- O complexo I (que também se designa desidrogénase do NADH ou oxiredútase do NADH:ubiquinona) 
contém como grupos prostéticos FMN e complexos ferro-enxofre e catalisa a transferência de dois 
electrões do NADH para a ubiquinona (ou coenzima Q) formando-se NAD+ e ubiquinol (ou coenzima 
QH2). A coenzima Q é uma substância hidrofóbica presente na membrana interna da mitocôndria. De 
forma acoplada com a reacção de oxi-redução o complexo I também catalisa o bombeamento de protões 
da matriz para o citoplasma. Embora não seja ainda consensual entre os investigadores que estudam esta 
problemática [1], o número de protões bombeados quando um par de electrões reduz a coenzima Q 
poderá ser de 4; paralelamente dois protões (um cedido pelo NADH e outro com origem na matriz) 
ligam-se à coenzima Q reduzida. Aceitando estes números, a equação 2 descreveria as actividades 
acopladas de oxi-redução e de bombeamento do complexo I. 
NADH + Q + 5 H+ (dentro)  NAD+ + QH2 + 4 H+ (fora) (2) 
 
O complexo III (que também se designa complexo b-c1 ou redútase do citocromo c) contém como 
grupos prostéticos hemes de tipo c e de tipo idêntico ao existente na hemoglobina (tipo b) assim como 
complexos ferro-enxofre. O complexo III catalisa a transferênciade dois electrões do ubiquinol 
(QH2) para o citocromo c (uma proteína hemínica presente na face externa da membrana interna da 
mitocôndria) e, de forma acoplada com o processo oxidativo, o bombeamento de 2 protões da matriz 
para o citoplasma; os 2 protões que se libertam do ubiquinol quando este se oxida também são vertidos 
na face citoplasmática da membrana interna da mitocôndria (ver equação 3). 
 
QH2 + 2 Cyt c (Fe3+) + 2H+ (dentro)  Q + 2 Cyt c (Fe2+) + 4 H+ (fora) (3) 
 
Por último, o complexo IV (que também se designa como oxídase do citocromo c ou oxiredútase do 
ferrocitocromo c:oxigénio) contém como grupos prostéticos hemes de tipo a assim como iões de cobre. 
O complexo IV catalisa a transferência de dois electrões da forma reduzida do citocromo c para o 
oxigénio e, de forma acoplada com o processo oxidativo, o bombeamento de 2 protões; outros 2 protões 
da matriz são consumidos na formação de água (ver equação 4). 
 
2 Cyt c (Fe2+) + ½ O2 + 4 H
+ (dentro)  H2O + 2 Cyt c (Fe3+) + 2 H+ (fora) (4) 
 
 
2 O G associado ao transporte de um mole de protões contra gradiente eléctrico e contra gradiente químico é o que 
corresponde ao somatório dos dois componentes em causa. No caso do gradiente eléctrico o valor pode ser calculado 
usando a fórmula: G = Z F ; sendo Z a carga do ião (+1, no caso), F a constante de Faraday (96500 Coulomb / mole de 
electrões) e  a diferença de potencial em Volts. No caso do gradiente químico a fórmula adequada será G = - RT ln 
([H+](matriz)/ [H+](fora); sendo R a constante dos gazes perfeitos (8,314 J /mol Kelvin) e T a temperatura em graus 
Kelvin. Assim, aceitando os valores apontados, o valor da energia mínima para transportar um mole de protões seria de 
+18,1 kJ; (1  96500 Coulomb  0,14 V) + (-8,314 J mol-1 K-1  310 K  ln (10-7,6 / 10-7,0). Obviamente que a energia de 
Gibbs associada à entrada de 1 mole de protões, nas mesmas condições, tem o mesmo valor absoluto e sinal negativo, 
correspondendo a libertação de energia. 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 3 de 7 
O mecanismo de bombeamento envolve alterações conformacionais cíclicas nos complexos que ocorrem 
aquando dos processos de oxidação e de redução dos seus grupos prostéticos. Estas alterações cíclicas 
decorrem com aumento da afinidade para os protões na face matricial dos complexos seguida de 
exposição desses protões na face citoplasmática e diminuição da afinidade para os protões nesta fase do 
processo. 
 
6- O processo oxidativo está acoplado com o transporte de protões da matriz mitocondrial para o citoplasma 
e o processo de bombeamento cria um gradiente electroquímico: maior número de cargas positivas 
(“gradiente eléctrico”) e maior concentração de protões (“gradiente químico”) no lado citoplasmático da 
membrana mitocondrial interna. As equações 2, 3 e 4 descrevem os processos reactivos e de transporte 
de protões catalisados pelos complexos I, III e IV e o somatório destas equações é a equação 5: 
NADH + ½ O2 + 11 H
+ (dentro)  NAD+ + H2O + 10 H+ (fora) (5) 
 
O NADH forma-se em reacções de oxi-redução catalisadas por várias desidrogénases mitocondriais que 
podem ser esquematizadas pela equação 6: 
 
XH23 + NAD+  X + NADH + H+ (dentro) (6) 
 
O somatório das equações 5 e 6 mostra que a transferência de um par de electrões entre os intermediários 
do metabolismo oxidativo dos nutrientes e o oxigénio está acoplado com o bombeamento de 10 protões 
da matriz para o citoplasma: 
 
XH2 + ½ O2 + 10 H
+ (dentro)  X + H2O + 10 H+ (fora) (7) 
 
7- Tal como em muitos outros processos celulares (como o catalisado pela ATPase do Na+/K+, por 
exemplo) um processo com uma enorme tendência para ocorrer num determinado sentido (a oxidação do 
NADH pelo O2) está acoplado com um processo que não ocorreria na ausência deste acoplamento (o 
transporte de protões contra gradiente). Ou dito de outro modo, a energia libertada no processo de 
oxidação do NADH pelo O2 (processo exergónico) permite o bombeamento de protões contra-
gradiente (processo endergónico). 
8- A desidrogénase do succinato é a única enzima do ciclo de Krebs que não está situada na matriz mas 
sim na face interna da membrana interna da mitocôndria. Esta enzima contém, como grupos 
prostéticos, FAD (que é o aceitador primário dos electrões) e complexos ferro-enxofre e também é 
designada como complexo II. Dois electrões do succinato são transferidos para a coenzima Q e não 
existe, neste caso, transporte acoplado de protões (ver equação 8). Existem outras enzimas que, tal como 
o complexo II, também catalisam a redução da coenzima Q pelos respectivos substratos e que também 
não são bombas de protões. Uma delas é uma desidrogénase do glicerol-3-P que também contém FAD 
(que é o aceitador primário dos electrões) como grupo prostético e que se situa na face externa da 
membrana interna da mitocôndria (ver equação 9)4. 
succinato + Q  fumarato + QH2 (8) 
glicerol-3-fosfato + Q  dihidroxiacetona-fosfato + QH2 (9) 
 
A oxidação do QH2 pelo oxigénio envolve, como já referido, os complexos III e IV que, de forma 
acoplada, catalisam também o bombeamento de protões. O facto de a oxidação do succinato (e do 
glicerol-3-P) pelo oxigénio não envolver o complexo I explica que, nestes casos, apenas 6 protões 
sejam bombeados para o citoplasma (ver equações 3 e 4). 
9- Criado o gradiente electroquímico acima referido, os protões têm tendência a passar do citoplasma 
para a matriz mitocondrial mas, apesar da pequenez da partícula, o processo não ocorre por difusão 
simples: a carga positiva dos protões impede a sua dissolução nos lipídeos da membrana. No entanto, 
existem proteínas da membrana mitocondrial interna que permitem a entrada de protões acoplando este 
movimento (a favor de gradiente electroquímico) com processos reactivos que, tendo em conta a razão 
Keq/QR, não poderiam ocorrer na célula na ausência dessa acoplagem. O mais importante (mas não o 
único) destes processos é a síntese de ATP que é catalisada pela síntase do ATP (também designada de 
 
3 XH2 pode ser o piruvato, o isocitrato, o -cetoglutaro, o malato, etc. 
4 Para além desta, existe uma outra desidrogénase do glicerol-3-P a que faremos referência neste texto (ver equação 14). 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 4 de 7 
complexo V). No actual estádio do conhecimento, uma aproximação aceitável para a estequiometria do 
processo de acoplagem entre o transporte de protões e a síntese de ATP na síntase do ATP poderá ser 3 
protões por ATP [1]; assim, a equação que descreve o processo pode ser escrita: 
ADP + Pi + 3 H+ (fora)  ATP + H2O + 3 H+ (dentro) (10)5 
 
10- O ATP gerado na matriz da mitocôndria é, na sua maior parte, hidrolisado no citoplasma da célula. Dado 
que é na face citoplasmática da membrana citoplasmática que ocorre a hidrólise do ATP catalisada pela 
bomba de Na+/K+ e é também no citoplasma que ocorre a hidrólise do ATP aquando da contracção 
muscular é de concluir que é no citoplasma que se gera a maior parte do ADP e o do Pi. O transporte de 
ADP (para dentro da mitocôndria) e de ATP (para fora da mitocôndria) ocorrem por acção de um 
transportador da membrana interna da mitocôndria que é um “antiporter”. O transporte de ADP3- (para 
dentro) e de ATP4- (para fora) corresponde à saída de uma carga positiva e envolve, por isso, consumo 
de energia do gradiente eléctrico criado pela cadeia respiratória (ver nota de rodapé nº 5). O 
transporte de Pi (para dentro da mitocôndria) é mediado por um “simporter” sendo o Pi co-
transportado com um protão (a favor do gradiente químico) e, neste caso, o transporte envolve consumo 
de energia do gradiente químico criado pela cadeia respiratória. Assim, o processo de transporte de 1 
Pi e 1 ADP do citoplasma para a matriz da mitocôndria (e a saída de 1 ATP) implica a entrada de 1 
protão e envolve gasto do gradiente electroquímico formado pela actividade dos complexosI, III e IV. 
11- Se entrarmos em linha de conta com o protão que é transportado para dentro da mitocôndria por acção do 
transportador de Pi (indispensável para a síntese de ATP intra-mitocondrial) o número de protões que 
entram para a matriz aquando da síntese de 1 molécula de ATP é 1 se esta síntese ocorrer a “nível do 
substrato” (acção da sintétase de succinil-CoA). No entanto, no caso de envolver a síntase do ATP, tendo 
em conta a equação 10, o número de protões que entram para a mitocôndria para que 1 ATP possa ser 
sintetizados será de 4 (= 3+1; 3 que entram na actividade de transporte da síntase do ATP e 1 que entra 
com o Pi). A razão entre o número de ATPs formados e o número de átomos de oxigénio que são 
reduzidos na cadeia respiratória designa-se de razão P:O. Durante muitos anos admitiu-se que o valor 
desta razão era 3 quando o composto oxidado era o NADH e que era 2 quando o processo oxidativo não 
envolvia o complexo I. No entanto, com os dados que temos vindo a apresentar, podemos calcular 
valores diferentes para a razão P:O. Se, durante a oxidação de um NADH por um átomo de oxigénio, 10 
protões são transportados para o citoplasma e têm de regressar 4 para que se forme 1 ATP, então a saída 
de 10 protões sustenta a síntese de 2,5 ATPs: quando o complexo I está envolvido a razão P:O seria, 
assim, 2,5. Um raciocínio semelhante leva-nos à conclusão que, no caso de não estar envolvido o 
complexo I, a razão P:O é de 1,5. Estes valores são semelhantes às médias obtidas experimentalmente 
com mitocôndrias isoladas e são também apontados em alguns livros de texto [2-3]. 
12- Todos os processos atrás referidos tais como a hidrólise de ATP, o transporte de ADP/ATP, a síntese 
de ATP e o transporte de protões para a matriz, o transporte de protões para o citoplasma e o conjunto de 
oxidações e reduções da cadeia respiratória assim como as vias metabólicas em que o NAD+ ou o FAD 
se reduzem estão intimamente relacionados. Quando a velocidade de hidrólise de ATP aumenta 
(exercício físico, por exemplo) a sua velocidade de síntese também aumenta de tal modo que a sua 
concentração se mantém estacionária. Ou seja, quando a velocidade de hidrólise de ATP aumenta 
também aumenta a velocidade de oxidação de nutrientes e do consumo de oxigénio na cadeia 
respiratória. A activação da cadeia respiratória quando há aumento da hidrólise de ATP poderá ser, em 
parte, uma consequência de uma cadeia de fenómenos originados pelo aumento da síntese de ADP e Pi 
no citoplasma. O aumento da concentração de ADP e Pi estimularia (i) a velocidade de troca ADP/ATP 
na membrana da mitocôndria (antiporter) e a entrada de Pi (simporter) que estimularia (ii) a velocidade 
de síntese de ATP e de entrada de protões para a matriz (síntase de ATP) que estimularia (iii) a 
velocidade de consumo de O2 e a velocidade de saída dos protões para o citoplasma (cadeia respiratória). 
 
5 Porque a troca ADP / ATP (ver ponto 10) é um processo que envolve gasto do gradiente eléctrico a razão entre a 
concentração de ADP e a de ATP é maior na mitocôndria que no citoplasma (ver equação 10). Esta razão favorece a 
síntese de ATP na mitocôndria, ou seja, a energia de Gibbs necessária para a síntese de um mole de ATP na mitocôndria é 
menor que a que se liberta aquando da hidrólise de ATP no citoplasma. De qualquer forma mesmo que usemos o valor de 
50 kJ / mole para a síntese de ATP (o habitualmente utilizado quando se pensa nas condições citoplasmáticas) a energia 
libertada aquando da entrada de 3 protões é superior à energia utilizada na síntese de 1 mole de ATP (3  18 kJ /mole de 
protões que entra > 50 kJ /mole de ATP sintetizado). Ou seja, entendido como um todo o processo global catalisado pela 
síntase de ATP tem, como não podia deixar de ser, G´ negativo; o processo exergónico (neste caso a entrada de protões) 
é mais negativo (-54 kJ) que a reacção inversa à de hidrólise do ATP (+50 kJ). 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 5 de 7 
O aumento da concentração de ADP (e o consequente aumento na concentração de AMP, via acção 
catalítica da cínase do adenilato; ver equação 11) também estimularia enzimas chave do ciclo de Krebs e 
da glicólise. 
2 ADP  ATP + AMP (11) 
 
13- Um outro factor envolvido na regulação da actividade da cadeia respiratória poderá ser o ião Ca2+ cuja 
concentração aumenta dentro da mitocôndria quando as células são estimuladas (por exemplo, 
estimulação do músculo pelo nervo motor). É o aumento da concentração de Ca2+ que induz o músculo a 
contrair-se e a hidrolisar ATP mas o Ca2+ também activa os complexos I e IV e a síntase do ATP, 
promovendo paralelamente a síntese de ATP [4-6]. 
14- Nos músculos a distância entre o espaço inter-membranar das mitocôndrias (para onde o ATP é vertido e 
onde o ATP é captado pelo trocador ATP/ADP) e as miofibrilas (onde maioritariamente ocorre a 
hidrólise do ATP e a formação do ADP) é, tendo em conta a velocidade do difusão do ATP e do ADP, 
demasiado grande. Contudo, no caso da fosfocreatina e da creatina (que existem no músculo em 
concentrações muito mais elevadas que as de ATP e ADP) a velocidade de difusão é muito superior. No 
espaço inter-membranar a cínase da creatina catalisa a fosforilação da creatina sendo o ATP o dador do 
fosfato (ver equação 12). À semelhança do ATP, a fosfocreatina também contém uma ligação “rica em 
energia” (no caso é uma ligação fosfamida) e a fosfocreatina formada difunde através da porina para o 
citoplasma. Junto das miofibrilas também existe cínase de creatina mas, neste local, a razão Keq/QR 
favorece a reacção inversa: a fosforilação do ADP pela fosfocreatina (ver equação 12). A creatina 
formada difunde da vizinhança das miofibrilas para o espaço inter-membranar completando o ciclo. Para 
além deste papel no “transporte de ligações ricas em energia” a fosfocreatina também tem um papel na 
manutenção da concentração estacionária de ATP no músculo. Quando a velocidade de hidrólise do ATP 
acelera aquando do início da actividade contráctil o mais rápido sistema de resposta na manutenção da 
concentração de ATP é o sistema fosfocreatina/creatina. Imediatamente após o início da contracção a 
actividade da cínase da creatina junto das miofibrilas aumenta fazendo com que a razão 
fosfocreatina/creatina baixe mas a concentração de ATP mantém-se praticamente inalterada (ver equação 
12). 
creatina + ATP  fosfocreatina + ADP (12) 
 
15- É fácil de compreender que drogas (como por exemplo a rotenona) capazes de bloquear a transferência 
de electrões do NADH para a coenzima Q (inibidores do complexo I) impeçam a oxidação dos nutrientes 
e a síntese de ATP. Adicionada a uma preparação isolada de mitocôndrias a rotenona impede a 
oxidação do piruvato mas não a de succinato ou de glicerol-3-P. Outras drogas (como a antimicina A e 
o cianeto) que bloqueiam a cadeia respiratória num local a jusante da coenzima Q impedem a oxidação 
do piruvato, do succinato e do glicerol-3-P. O cianeto é um veneno que provoca morte fulminante: ao 
ligar-se ao complexo IV impedindo a oxidação dos nutrientes (e a redução do O2) impede a síntese de 
ATP. Em condições basais todo o ATP da célula se esgota em menos de 3 minutos e muito antes de se 
esgotar já pararam todos os processos que dependem do ATP como as actividades das bombas de Na+/K+ 
e de Ca2+ e a de contracção muscular (como a do coração e diafragma). 
16- A oligomicina e o atractilosídeo são drogas usadas em trabalhos experimentais sobre fosforilação 
oxidativa. A oligomicina liga-se à subunidade Fo da síntase do ATP bloqueando a transferência de 
protões através da síntase. O atractilosídeo liga-se ao antiporter ADP/ATP impedindo a sua acção. Tendo 
um efeito directo nestes locais, a oligomicina e o atractilosídeo, quando adicionados a preparações de 
mitocôndrias isoladas, bloqueiam indirectamente a cadeia respiratória. A oligomicina ao impedir o 
regresso dos protões à matriz faz com que os processos de reacção/transportecatalisados pela cadeia 
respiratória (ver equação 5) atinjam um estado de equilíbrio parando os processos envolvidos. Na 
ausência de ADP não há síntese de ATP e o processo de transporte de protões está acoplado com o da 
síntese de ATP pelo que o efeito final do atractilosídeo acaba por ser idêntico ao da oligomicina. 
17- O dinitrofenol é uma droga que, adicionada a uma preparação de mitocôndrias isoladas, permite a 
oxidação dos nutrientes adicionados ao sistema (piruvato ou succinato) na presença de oligomicina ou 
atractilosídeo porque permite a passagem de protões para a matriz (a favor do gradiente) através de 
um mecanismo independente da síntase do ATP. O dinitrofenol é um desacoplador da fosforilação 
oxidativa porque permite que a cadeia respiratória funcione e a oxidação dos nutrientes tenha lugar na 
ausência de fosforilação do ADP. A intoxicação com dinitrofenol provoca febre altíssima (podendo 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 6 de 7 
chegar aos 46ºC) e a morte [7]. Na ausência de síntese de ATP há activação da cadeia respiratória, das 
enzimas que são inibidas pelo ATP e estimuladas pelo ADP (como a cínase da frutose-6-P, a 
desidrogénase do piruvato, a síntase do citrato e as desidrogénases do isocitrato e do -cetoglutarato) e 
aumento da velocidade de oxidação dos nutrientes. A febre é uma consequência do aumento da 
velocidade de oxidação dos nutrientes que é um processo exotérmico. A morte sobrevém porque deixa 
de haver síntese de ATP (ou/e porque a temperatura é demasiado elevada para que se mantenham 
funcionando de forma adequada os sistemas próprios de um organismo vivo). 
18- Na membrana interna das mitocôndrias do tecido adiposo castanho dos bebés humanos existe uma 
proteína (termogenina ou Uncoupling Protein 1 – UCP1) que têm um papel semelhante ao do 
dinitrofenol e permite dissociar a oxidação dos nutrientes do consumo de ATP. A designação de 
termogenina tem origem no facto de a activação da termogenina que ocorre como resposta ao frio (via 
hormonas tiroideias e sistema nervoso simpático) permitir a produção de calor de forma desproporcional 
ao gasto de “ligações ricas em energia” do ATP. Até há poucos anos pensava-se que, nos seres humanos 
adultos, o tecido adiposo castanho era praticamente inexistente mas dados experimentais recentes têm 
desafiado esta ideia [8-11]. O aumento do metabolismo que ocorre como resposta ao frio ou nas 
situações em que as hormonas tiroideias estão aumentadas (quer situações patológicas quer fisiológicas) 
implica activação da UCP1 via activação do sistema nervoso simpático [9, 11]. Para além da UCP1 do 
tecido adiposo castanho, na membrana interna das mitocôndrias dos músculos e de outros órgãos, 
existem proteínas que funcionam de forma semelhante à UCP1 mas cujo papel fisiológico é ainda 
controverso: são a UCP2 e a UCP3. À semelhança do que acontece com a UCP1 as actividades da UCP2 
e da UCP3 são estimuladas pelas hormonas tiroideias e pelo sistema nervoso simpático mas não parecem 
participar na resposta fisiológica ao frio [1, 12-13]. A activação das UCPs pelas hormonas tiroideias 
permite explicar porque é que no hipertiroidismo a temperatura corporal está cronicamente aumentada (e 
diminuída no hipotiroidismo). A temperatura corporal também aumenta quando há estimulação do 
sistema nervoso simpático; pensa-se que a febre (e a morte) que ocorre na intoxicação com ectasy (3,4-
dimetilenedioximetanfetamina) resulta da hiper-estimulação do sistema simpático e do consequente 
aumento de actividade da UCP3 [13]. Associada à actividade das UCPs está a palavra leak (“pingar”): as 
UCPs deixam “pingar” para dentro das mitocôndrias protões que de outra forma só poderiam entrar para 
a matriz via síntase do ATP6. 
19- O complexo I (ver equação 2) tem o seu centro activo voltado para a matriz da mitocôndria e não existe 
nenhum sistema de transporte para o NADH na membrana mitocondrial interna. A oxidação do NADH 
formado no citoplasma durante a glicólise é mediado por sistemas chamados lançadeiras (ou shuttles) 
que permitem oxidar o NADH citosólico e apresentar os equivalentes redutores ao sistema dos 
complexos proteicos da membrana interna da mitocôndria. Existem duas lançadeiras designadas de 
lançadeira do glicerol-3-P e lançadeira do malato. (i) Esta última, mais importante no fígado, rim e 
coração, envolve a redução do oxalacetato (a malato) do citoplasma pelo NADH, o transporte do malato 
(“antiporte” com o -cetoglutarato) para a matriz da mitocôndria e a re-oxidação do malato (a 
oxalacetato) pelo NAD+ da matriz. Desta maneira os equivalentes redutores do NADH formado no 
citoplasma são transferidos (via malato) para a matriz e o NADH formado na matriz pode ser oxidado 
por acção catalítica dos complexos I, III e IV. A enzima que catalisa a redução do oxalacetato no 
citoplasma e a oxidação do malato na mitocôndria é a desidrogénase do malato (ver equação 13)7. (ii) A 
lançadeira do glicerol-3-P, mais importante no cérebro e tecido muscular, implica a redução pelo NADH 
da dihidroxiacetona-P do citoplasma e consequente formação de glicerol-3-P; a enzima que catalisa esta 
reacção é uma desidrogénase do glicerol-3-P presente no citoplasma (ver equação 14). O glicerol-3-P 
 
6 Esta frase não é completamente verdadeira pois sabe-se que existe “leak” de protões por outros mecanismos que não os 
descritos acima mas o seu papel fisiológico e as proteínas que os medeiam são ainda desconhecidos. 
7 O sistema da lançadeira do malato como o descrito acima não poderia funcionar porque levaria ao consumo contínuo do 
oxalacetato citoplasmático e ao acumular de oxalacetato na mitocôndria. De facto, para compreender o processo, temos de 
“fechar o ciclo” e entender que o oxalacetato, de alguma forma, regressa ao citoplasma. Não existe transportador para o 
oxalacetato na membrana interna das mitocôndrias e o processo é complexo. O oxalacetato mitocondrial converte-se em 
aspartato por acção da transamínase do aspartato (oxalacetato + glutamato  aspartato + -cetoglutarato) e este aspartato 
regressa ao citoplasma onde, por acção da mesma transamínase (catalisando a reacção inversa), volta a converter-se em 
oxalacetato. Nestas reacções de transaminação o glutamato é consumido na matriz e forma-se no citoplasma acontecendo o 
contrário no caso do -cetoglutarato. Um transportador da membrana (um antiporter que troca o aspartato que sai por 
glutamato que entra) catalisa a entrada do glutamato para a matriz impedindo que este se acumule no citoplasma e se 
esgote na matriz. O -cetoglutarato também não se acumula na matriz porque um outro transportador da membrana (um 
antiporter que troca -cetoglutarato que sai pelo malato que entra) catalisa a sua saída para o citoplasma. 
Fosforilação oxidativa; Rui Fontes 
Página 7 de 7 
formado transfere os electrões para a coenzima Q através da acção catalítica doutra desidrogénase do 
glicerol-3-P presente na face externa da membrana interna da mitocôndria a que já fizemos referência 
(ver equação 9). As desidrogénases do glicerol-3-P do citoplasma (dependente do NADH) e a da face 
externa da membrana interna da mitocôndria (que tem como grupo prostético o FAD) são isoenzimas8. 
oxalacetato + NADH  malato + NAD+ (13) 
dihidroxiacetona-P + NADH  glicerol-3-P + NAD+ (14) 
 
20- Os valores de 2,5 e 1,5 (referidos acima como as razões P:O quando, respectivamente, estão envolvidas 
os complexos I, III e IV ou apenas os complexos III e IV) seriam os valores máximos para a razão P:O: 
obviamente que a actividade das UCPs (e de outros processos que não abordámos) fará baixar a razão 
P:O para valores mais baixos [1, 12]. Se houver acoplamento perfeito entre oxidação e fosforilação, a 
razão P:O é 2,5 quando o redutor é o NADH e é 1,5 quando o redutor é o FADH2 (via desidrogénases do 
succinato ou do glicerol-3-P). Admitindo estes números e o funcionamento predominante da lançadeira 
do glicerol-3-P (como acontece, por exemplo,no músculo esquelético e no cérebro) a oxidação completa 
de uma molécula de glicose poderia render algo como 30 “ligações ricas em energia” do ATP9. 
Admitindo a acção predominante da lançadeira do malato, a oxidação completa de uma molécula de 
glicose poderia render 32 “ligações ricas em energia” do ATP. 
 
1. Brand, M. D. (2005) The efficiency and plasticity of mitochondrial energy transduction, Biochem Soc Trans. 33, 897-
904. 
2. Hinkle, P. C., Kumar, M. A., Resetar, A. & Harris, D. L. (1991) Mechanistic stoichiometry of mitochondrial oxidative 
phosphorylation, Biochemistry. 30, 3576-82. 
3. Nelson, D. L. & Cox, M. M. (2005) Lenhinger principles of biochemistry, 4ª edn, W.H. Freeman and Company, New 
York. 
4. Balaban, R. S. (2002) Cardiac energy metabolism homeostasis: role of cytosolic calcium, J Mol Cell Cardiol. 34, 1259-
71. 
5. Kadenbach, B., Ramzan, R., Wen, L. & Vogt, S. (2010) New extension of the Mitchell Theory for oxidative 
phosphorylation in mitochondria of living organisms, Biochim Biophys Acta. 1800, 205-12. 
6. Korzeniewski, B. (2006) Oxygen consumption and metabolite concentrations during transitions between different work 
intensities in heart, Am J Physiol Heart Circ Physiol. 291, H1466-74. 
7. Mills, E. M., Rusyniak, D. E. & Sprague, J. E. (2004) The role of the sympathetic nervous system and uncoupling 
proteins in the thermogenesis induced by 3,4-methylenedioxymethamphetamine, J Mol Med. 82, 787-99. 
8. Nedergaard, J., Bengtsson, T. & Cannon, B. (2007) Unexpected evidence for active brown adipose tissue in adult 
humans, Am J Physiol Endocrinol Metab. 293, E444-52. 
9. Cannon, B. & Nedergaard, J. (2010) Thyroid hormones: igniting brown fat via the brain, Nat Med. 16, 965-7. 
10. Zingaretti, M. C., Crosta, F., Vitali, A., Guerrieri, M., Frontini, A., Cannon, B., Nedergaard, J. & Cinti, S. (2009) The 
presence of UCP1 demonstrates that metabolically active adipose tissue in the neck of adult humans truly represents brown 
adipose tissue, Faseb J. 23, 3113-20. 
11. Lopez, M., Varela, L., Vazquez, M. J., Rodriguez-Cuenca, S., Gonzalez, C. R., Velagapudi, V. R., Morgan, D. A., 
Schoenmakers, E., Agassandian, K., Lage, R., de Morentin, P. B., Tovar, S., Nogueiras, R., Carling, D., Lelliott, C., 
Gallego, R., Oresic, M., Chatterjee, K., Saha, A. K., Rahmouni, K., Dieguez, C. & Vidal-Puig, A. (2010) Hypothalamic 
AMPK and fatty acid metabolism mediate thyroid regulation of energy balance, Nat Med. 16, 1001-8. 
12. Kadenbach, B. (2003) Intrinsic and extrinsic uncoupling of oxidative phosphorylation, Biochim Biophys Acta. 1604, 
77-94. 
13. Sprague, J. E., Yang, X., Sommers, J., Gilman, T. L. & Mills, E. M. (2007) Roles of norepinephrine, free Fatty acids, 
thyroid status, and skeletal muscle uncoupling protein 3 expression in sympathomimetic-induced thermogenesis, J 
Pharmacol Exp Ther. 320, 274-80. 
 
 
 
8 É de sublinhar que embora a desidrogénase do glicerol-3-P da membrana mitocondrial externa contenha FAD não é o 
complexo II: o complexo II é uma enzima da face interna da membrana interna da mitocôndria e também se pode designar 
de desidrogénase do succinato. 
9 Este resultado resulta do seguinte cálculo: ATPs formados “a nível do substrato” (4; 2 na glicólise + 2 via cínase do 
succinato/cínase dos nucleosídeos difosfato) + ATPs formados via “lançadeira do glicerol-3-P” (1,5  2 = 3) + ATPs 
formados via “oxidação do succinato” (1,5  2 = 3) + ATPs formados via “oxidação do NADH mitocondrial” (4  2  2,5 
= 20). As enzimas directamente envolvidas na formação do NADH mitocondrial são as desidrogénases do piruvato, do 
isocitrato, do -cetoglutarato e do malato.