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A Ação das 
Mitocôndrias 
Começar pelo fim? 
Vamos começar o nosso estudo de trás para diante. 
Você deve ter obsevado no estudo dos 3 estágios do catabolismo e no uso do Mapa Metabóli- 
co (Cap. 1) que o piruvato é um importante produto da degradação não só da glicose, como de lipídeos 
(glicerol) e de aminoácidos. Após sua descarboxilação (perda de CO2) converte-se em Acetil-CoA que é 
degradada a CO2 e H2O. 
Estes fenômenos, no seu conjunto ocorrem no interior das mitocôndrias. 
Essa é a razão pela qual começamos pelas mitocôndrias, uma vez que elas são o desemboca- 
douro final das vias metabólicas energéticas. 
Introdução 
Os citologistas costumam chamar, muito adequada- 
mente, as mitocôndrias de “usina de força” das células. 
De fato, é no seu interior que ocorrem as opera- 
ções finais de combustão dos carboidratos, aminoácidos e 
lipídeos. 
Matriz Cristas Mitocondriais 
As vias de degradação dessas substâncias, no nível 
citoplasmático, como veremos nos Capítulos subsequentes, 
levam à produção de piruvato (3C) e acetil-CoA (2C) que in- 
gressarão nas mitocôndrias e sofrerão sua “combustão final”, 
gerando CO2 e água, com liberação de grandes quantidades 
de energia usadas para a síntese de ATP. 
Membrana Interna Membrana Externa74 Bioquímica Básica - Parte III: Metabolismo Energético 
Lipídeos 
Aminoácidos 
Carboidratos 
ATP 
Ciclo 
6C 
de 
Krebs 
(CK) 2H+ 
6C 
5C 
½ O2 
Acetil-CoA (2C) 
Piruvato 
(3C) 
CO2 
2H+ 
4C 
4C 
2H+ 
4C 
4C 
2H+ 
E 
Cadeia 
Respiratória 
(CR) 
O detalhamento dessas transformações nos conduzirá ao estudo de duas importantes sequências 
de reações: o Ciclo de Krebs e a Cadeia Respiratória. 
H O 2 
CO2 
CO2 
Cadeia Respiratória 
(Cadeia de Transporte de Elétrons) 
Chamamos de Cadeia Respiratória a um conjunto de substâncias transportadoras de prótons e 
elétrons localizadas nas cristas mitocondriais, que permitem a combinação de hidrogênio, liberado de com- 
postos orgânicos, com o oxigênio respiratório resultando água e liberando energia. 
Substratos Cadeia Respiratória Produtos 
SH 
½ 
2 O2 
(red.) 
2H+ 
S 
(oxid.) 
H O + 
2 
A síntese de água pode ser resumida na equação: 
H2 + ½ O2 → H2O + 57kcal 
Onde se nota: 
• 
a reação é fortemente exotérmica liberando 57 kcal por mol de água (18g) produzida (calor de 
formação); 
• 
é uma reação de oxido-redução onde o hidrogênio doa eletróns (se oxida) para o oxigênio (se 
reduz). 
Essa reação é tão fortemente exotérmica porque o potencial de oxido-redução do hidrogênio 
(H) e do oxigênio (O) são muito distantes entre si, tanto que a reação feita em laboratório pode ser 
explosiva. 
Nas células, essa combinação não pode ser feita de uma só vez porque a energia integralmente 
liberada num só instante, não poderia ser armazenada. 
Torna-se necessária a existência de compostos de potencial redox intermediário entre o H e o O2, 
de modo que se faça a transferência gradativa de elétrons e o aproveitamento, por etapas, da energia. 
• 
•A Ação das Mitocôndrias 
75 
Estrutura e funcionamento 
Os compostos de potencial redox intermediários são: 
FP 
(Flavo de Proteínas) 
NAD + 
- Nicotinamida - Adenina - Dinucleotídeo 
FMN - Flavina - Mono-nucleotídeo 
FAD - Flavina - Dinucleotídeo 
Coenzima Q - Quinonas modificadas 
Citocromos - “Pigmentos respiratórios”, contendo Fe ++ 
ou Cu 
++ 
Em virtude de seus potenciais redox os componentes da cadeia respiratória dispõe-se na seguinte 
ordem: 
SH2 S 
FAD 
SH2 
S 
½ O2 
+ 
NAD FMN CoQ citocromos 
O 
+ 
2H 
H O 2 
Note: 
• 
SH 
2 são substratos que se oxidam (fornecem hidrogênio para o NAD+ ou para o FAD conforme 
seus potenciais redox); 
• 
a partir dos citocromos, haverá apenas a transferência de elétrons, que seguem em direção ao 
oxigênio, promovendo sua redução (O- -); 
• + seguem pela solução para combinar-se ao oxigênio e produzir água; 
• 
os prótons H 
• 
todos os componentes da cadeia transportadora de elétrons são combinados a proteínas com 
exceção da quinona (também chamada Coenzima Q); 
• 
as flavoproteínas podem ser de dois tipos: FMN (Flavina Adenina Mononucleotídeo) e FAD ( Fla- 
vina Adenina Dinucleotídeo), ambas ligadas a enzimas desidrogenadoras, mas de potencial redox 
diferentes. 
• 
• 
• 
• 
Veja agora o esquema a seguir, que representa o transporte de elétrons ao longo da Cadeia Respi- 
ratória, de conformidade com as respectivas diferenças de potencial redox e as quantidades de energia livre 
(∆G) que cada passo libera (representadas em Kcal)76 Bioquímica Básica - Parte III: Metabolismo Energético 
-0,3 
0,0 
NAD+ -13,4 ATP 
FAD 
Cit. b 
Potencial Redox (Volts) 
Cit. c 
Cit. a 
G (Kcal) 
-4,1 
-10,1 ATP 
-1,4 
+0,3 
elétrons 
+0,6 
-24,4 
ATP 
-53,4 kcal 
O2- 
+0,9 
Note: 
• b, c e a), conforme as pesquisas foram demons- 
• 
Os citocromos foram divididos em 3 categorias ( 
trando sua existência; 
• 
em cada etapa haverá uma liberação parcial de energia, em decorrência da diferença de poten- 
ciais redox. A quantidade de energia em cada passo será proporcional ao desnível energético de 
cada caso; 
• 
a soma das energias deverá ser igual ao calor de formação de água (57 kcal), se incluirmos a 
energia perdida em forma de calor; 
• ∆G) pequena, não poderão fornecer ener- 
• 
as reações que apresentarem uma variação energética ( 
gia para a produção de ATP (que exige em torno de 10 kcal por mol). Somente aquelas que apre- 
sentarem ∆G maiores poderão ser locais de síntese de ATP. 
• + 
uma observação importante é que os substratos capazes de transferir seu hidrogênio para o NAD 
gerarão mais energia (3 locais de formação de ATP) do que aqueles que o fazem para o FAD (so- 
mente 2 locais de formação de ATP); 
• 
como existem 3 (três) locais de liberação de energia suficientes para formação de ATP. Isto signi- 
fica que cada mol de água formado dá origem a produção de 3 (três) moles de ATP com armaze- 
namento de aproximadamente 30 kcal; 
• 
o rendimento energético da cadeia respiratória é, pois, de aproximadamente 50%, isto é, metade 
da energia fica acumulada nas moléculas de ATP e metade da energia se dissipa na forma de 
calor; 
• 
• 
• 
a relação P/O (Fosforilação por oxigênio) é 3:1 quando a cadeia é percorrida inteiramente. Se 
o fomecimento do H+ se desse diretamente para o FAD, por exemplo, a relação P/O será 2:1 
(produzindo apenas 2 ATP); 
na última etapa da cadeia, há liberação de 24,4 Kcal, mas ocorrerá a formação de um único ATP 
havendo muita liberação de calor; 
a conversão da diferença de potencial (d.d.p.) em calorias pode ser feita pela equação de Fa- 
raday: 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
• 
•A Ação das Mitocôndrias 
77 
∆G = -n . F . ∆E 
onde: 
∆G = Variação da energia livre (em kcal) 
n = nº de elétrons transportados 
F = constante de Faraday (23.063) 
∆E = diferença entre os potenciais 
Finalizando este item, pode-se sugerir o seguinte esquema para a estrutura e funcionamento da 
Cadeia Respiratória: 
SH2 S 
FAD 
SH2 
½ O2 
+ 
NAD FMN CoQ S 
citb 
(Fe-S) 
+ 
citc1 citc citaa3 
(Cu) 
2H 
O-- 
H O 2 
Localização na 
membrana mitocondrial 
As mitocôndrias foram visualizadas como organelas celulares na segunda metade do século XIX 
com emprego de microcospia óptica e corantes especiais. 
Sua estrutura e funcionamento, no entanto, só começaram a ser conhecidos à partir de 1940, com 
o advento da microscopia eletrônica e métodos de micromanipulação. 
Mais ou menos nessa mesma época, foram descritos fenômenos que ocorriam no seu interior (o 
Ciclo de Krebs em 1937 e a fosforilação oxidativa em 1943). 
Fragmentos de membranas mitocôndriais (obtidos por ultrassom) continuavam a apresentar as mes- 
mas propriedades bioquímicas. Postulou-se, então, que a membrana mitocondrial, (que apresentava “partícu- 
las elementares” na face interna das cristas), fosse a sede dos fenômenos de transporte de elétrons e prótons,assim como promoveriam a síntese do ATP. 
E. Mitchell propôs uma teoria (chamada quimiosmótica) para a síntese do ATP que foi se consoli- 
dando à medida em que foram sendo localizados complexos enzimáticos na membrana interna das mitocôn- 
drias. Tais complexos seriam responsáveis pelo transporte de elétrons ao longo da cadeia respiratória e, ao 
mesmo tempo pelo bombeamento de prótons para o espaço intermembranar.78 Bioquímica Básica - Parte III: 
Metabolismo Energético 
Espaço Intermembrana 
H+ 
V 
H+ 
H+ 
H+ 
+ + e– 
+ 
C 
e– 
+ 
+ + 
+ 
+ 
e– 
I 
e– 
CoQ 
FMN 
e– 
FAD 
II 
III 
IV 
– 
– 
+ 
– 
– 
e– 
– 
– 
– 
e– 
H+ H+ 
– 
– 
– 
– 
NADH + H+ Succinato 
½ O + 2H 
+ H O 2 
2 
ATP 
sintase 
Matriz 
ADP + Pi 
ATP 
H+ 
O complexo I apresenta desidrogenases capazes de retirar o hidrogênio de diferentes substratos, 
reduzindo o NAD+ a NADH. A seguir, transferem o mesmo hidrogênio para a FMN, do mesmo complexo e 
daí para a Coenzima Q. Prótons são bombeados para fora. 
O complexo II apresenta desidrogenases específicas para o succinato e transfere o hidrogênio para 
o FAD, reduzindo-o a FADH2 e daí também para a Co-Q. Prótons também são bombeados para fora. 
Os complexos III e IV são formados por proteínas ligadas a citocromos e transportam apenas elé- 
trons, lançando os prótons para fora dessa membrana. 
O complexo V é um conjunto de enzimas (ATP sintases) que catalisam o acoplamento de P ao ADP, 
originando o ATP. Ao atravessar esse complexo, os prótons cedem seu excesso de energia para à síntese do ATP. 
Segundo a teoria de Mitchell a transferência de elétrons geraria a energia suficiente para bombear 
os prótons. Dessa forma, criar-se-ia um gradiente (ddp) entre o espaço intermembrana e a matriz. 
A força desse gradiente compeliria os prótons a retornar ao interior da matriz mitocondrial, passan- 
do pelo interior de um complexo multienzimático denominado ATP sintetase. 
+ 
+ 
H 
+ H 
H 
Espaço 
Intermembrana 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
H 
H 
H 
H 
H 
H 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
+ 
H 
H 
H 
H 
H 
H 
Matriz 
H 0 2 
- - 
O 
ADP + Pi ATPA Ação das Mitocôndrias 
79 
Regulação 
O funcionamento da cadeia respiratória (CR) visa fundamentalmente a produção de ATP e é re- 
gulado por ele. Quando houver altas concentrações de ATP (baixa concentração de ADP) a velocidade da 
CR deverá diminuir. Ao contrário, quando houver baixa concentração de ATP (alta concentração de ADP) a 
velocidade deverá aumentar. Este é o mecanismo principal. 
Todavia, certas substâncias podem modificar o comportamento das CR e se prestam para o seu 
estudo experimental. Podem existir três tipos de modificadores: 
1 - Inibidores: são substâncias que bloqueiam a CR interrompendo irreversivelmente o seu funcio- 
namento. Agindo nas células, determinam sua morte. E o caso do KCN, CO-, etc. 
2 - Aceptores: são substâncias de potencial redox intermediário ao dos componentes da CR, poden- 
do retirar elétrons da cadeia respiratória e devolvê-los ao composto seguinte. Tais aceptores são muito úteis 
quando mudam de cor ao sofrer redução (é o caso do azul de metileno que passa a incolor). Conhecendo 
diversos aceptores e seus respectivos potenciais redox, podemos localizar os pontos de ação dos inibidores. 
3 - Desacopladores: são substâncias que, sem intervir no transporte de elétrons, impedem a for- 
mação de ATP (acoplamento de ADP + P). Os desacopladores não interrompem a CR e, portanto, não dimi- 
nuem o consumo de O2 e de substrato. Ao contrário, como não há formação adequada de ATP, a CR terá 
sua velocidade aumentada. 
O esquema abaixo situa os principais pontos de ação de inibidores e desacopladores farmacológi- 
cos mais conhecidos 
Malonato 
Complexo II 
Succinato FAD 
FeS 
Complexo I Carboxina 
TTFA 
BAL 
Antimicina A 
Complexo III H S 
2 
CO 
- 
CN 
Complexo IV 
NADH Desacopladores FMN, FeS 
Cit b, FeS, Cit c1 
Q Cit c Cit a 
Cit a3 
Cu Cu 
O2 
Piericidina A 
Aminobarbital 
Rotenona 
Oligomicina 
Oligomicina 
ADP+P 
ATP 
Sítio de Acoplamento 1 ADP+P1 
ATP 
Sítio de Acoplamento 2 
ADP+P1 
ATP 
Sítio de Acoplamento 3 
O desacoplador fisiológico mais conhecido é a tiroxina, hormônio da tireóide. 
Concluindo: 
A velocidade de funcionamento da Cadeia Respiratória depende fundamentalmente da concentra- 
ção de ADP e ATP, ou melhor, da relação 
[ADP] 
[ATP] 
Obviamente, o processo também depende da disponibilidade de substratos ou de oxigênio que, 
nas condições celulares habituais, raramente faltam.80 Bioquímica Básica - Parte III: Metabolismo Energético 
Ciclo de Krebs 
Visão Geral 
O Ciclo de Krebs (CK) é também conhecido como ciclo do ácido citrico ou ciclo dos ácidos tricar- 
boxílicos. 
Trata -se de uma sequência cíclica de reações, por meio das quais moléculas de acetil-CoA, (prove- 
niente do catabolismo de carboidratos, lipídeos e proteínas), são completamente oxidadas até CO2, com a 
liberação de átomos de hidrogênios para a produção de energia nas cadeias respiratórias. 
Este processo, aeróbico, que ocorre na matriz mitocondrial, é o mais eficiente mecanismo de pro- 
dução de energia nos animais. 
Pode ser resumido na seguinte visão geral: 
Carboidratos 
Lipídeos 
Proteínas 
Acetil-CoA (2C) 
NAD+ 
4C 
FAD 
ATP 
NAD+ 
2H+ 
4C 
2H+ 
(succinato) 
4C 
2H+ 
4C 
Ciclo 
de 
Krebs 
(CK) 
5C 
6C 
6C 
E 
NAD+ 
2H+ 
½ O2 
Cadeia 
Respiratória 
H O 2 
CO2 
CO2 
Onde se nota: 
• 
• 
cada volta do CK consome uma molécula de acetil-CoA; 
• + e 
• 
cada volta do CK aciona 4 cadeias respiratórias; 3 dessas cadeias funcionam a partir do NAD 
1 cadeia funciona a partir do FAD; 
• 
• 
cada volta do CK produz 2CO 
2 e consume 2O2; 
• 
o composto de 4C, usado no início do Ciclo para se condensar com o acetil-CoA, é regenerado 
no final do ciclo e reutilizado para consumir nova molécula de acetil-CoA. 
Sequência das reações 
As reações do Ciclo de Krebs, em número de oito, podem ser assim descritas: 
1. Condensação do oxaloacetato com acetil-CoA 
O 
O 
H C 2 
COO- 
C C ~ SCoA 
COO- COO- + HSCoA 
+ 
HO 
C 
H C 2 COO- COO- 
CH3 
H C 2 
oxaloacetato (4C) + acetil-CoA (2C) citrato (6C) 
•A Ação das Mitocôndrias 
81 
Esta reação, catalisada pela enzima citrato sintetase, utiliza um composto regenerado no final do 
Ciclo de Krebs, (oxaloacetato 4C) e o acetil-CoA (2C) para formar o citrato (6C). O citrato por ser um compos- 
to permeável à membrana mitocondrial, além de dar continuidade ao ciclo de Krebs, também desempenha 
funções citoplasmáticas, a saber: 
• 
inibir a enzima reguladora (marca-passo) da degradação da glicose (vide Cap. 7); 
• 
doar o grupo acetil-CoA para biossíntese de ácidos graxos (vide Cap. 8); 
• 
ativar a enzima marca passo da síntese de ácidos graxos (vide Cap. 8). 
• 
• 
• 
Obs.: Trata-se de uma reação irreversível. 
2. lsomerização do citrato 
HO 
H C 2 
C 
H C 2 
COO- 
H C 2 
H 
C 
COO- 
COO- 
COO- 
COO- 
H 
C 
COO- 
OH 
citrato (6C) isocitrato (6C) 
Esta reação é catalisada pela enzima aconitase 
3. Descarboxilação oxidativa do isocitrato 
H C 
2 
COO- 
H 
C 
H 
COO- 
COO- 
C 
OH 
isocitrato (6C) CO 
2 COO- 
H C 
2 
H 
CR 
C 
C 
H 
COO- 
O 
NAD+ NADH 
alfa-cetoglutarato (5C) + CO2 
Esta reação é catalisada pela enzima isocitrato desidrogenase. 
Nota-se: 
• 
• 
produção de uma molécula de CO 
2; 
• + (3 ATP); 
• 
acionamento de uma cadeia respiratória através da redução do NAD 
4. Descarboxilação oxidativa do alfa-cetoglutarato 
HSCoA CO2 
H C 2 
H 
C 
COO- 
H 
C 
COO- 
O 
+ 
NAD 
alfa-cetoglutarato (5C) CR 
H C 2 
H 
C 
COO- 
H 
C 
~ 
SCoA 
O 
NADH 
succinil - CoA (4C) 
Esta reação é catalisada pela enzima alfa-cetoglutarato desidrogenase.82 Bioquímica Básica - Parte III: Metabolismo 
Energético 
Nota-se: 
• 
• 
produção de uma molécula de CO 
2; 
• + (3 ATP); 
• 
acionamento de umauma molécula de 
• 
uma molécula de succinato. 
2) Localizar na célula o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. 
3) Papel da mitocôndria na célula. 
4) Dar a estrutura e o princípio de funcionamento da Cadeia Respiratória. 
5) Conceituar: desacoplador, inibidor e aceptor da cadeia respiratória. 
6) Informar a relação P/O para o NAD, FAD e Cit. C. Discutir o significado da relação P/O. 
7) Importância do CK no metabolismo celular. 
8) Discutir o papel anfibólico do Ciclo de Krebs. 
9) Diferenciar fosforilação oxidativa de fosforilação ao nível de substrato. 
• 
•uma molécula de 
• 
uma molécula de succinato. 
2) Localizar na célula o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. 
3) Papel da mitocôndria na célula. 
4) Dar a estrutura e o princípio de funcionamento da Cadeia Respiratória. 
5) Conceituar: desacoplador, inibidor e aceptor da cadeia respiratória. 
6) Informar a relação P/O para o NAD, FAD e Cit. C. Discutir o significado da relação P/O. 
7) Importância do CK no metabolismo celular. 
8) Discutir o papel anfibólico do Ciclo de Krebs. 
9) Diferenciar fosforilação oxidativa de fosforilação ao nível de substrato. 
• 
•