Cadeia Respiratória

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Os organismos aeróbios são capazes de capturar uma proporção muito maior da energia livre 
disponível dos substratos respiratórios que os organismos anaeróbios. Grande parte disso 
acontece dentro das mitocôndrias. A respiração está acoplada à produção do intermediário de 
alta energia, o ATP, por meio da fosforilação oxidativa. Inúmeros medicamentos (p. ex., 
amobarbital) e venenos (p. ex., cianeto, monóxido de carbono) inibem a fosforilação oxidativa, 
comumente com consequências fatais. Foram relatados vários defeitos hereditários das 
mitocôndrias envolvendo os componentes da cadeia respiratória e da fosforilação oxidativa. 
Os pacientes apresentam miopatia e encefalopatia, manifestando, com frequência, acidose 
lática.
Enzimas
Acil-CoA sintetase e glicerolfosfato aciltransferase▪
Presença de diversas enzimas○
Membrana externa: permeável à maioria dos metabólitos•
Adenilil-quinase e creatina quinase entre as membranas•
Fosfolipídeo cardiolipina + enzimas da cadeia respiratória + ATP sintase○
Membrana interna: permeabilidade seletiva, envolvendo uma matriz •
Enzimas específicas atuam como marcadores nos compartimentos separados pelas membranas 
mitocondriais.
O ciclo da Respiração Celular
Energia liberada durante a oxidação de carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos é 
disponibilizada dentro das mitocôndrias como equivalentes de redução (H ou elétrons)
•
Ciclo do ácido cítrico e B-oxidação estão contidas nas mitocôndrias•
Fosforilação oxidativa: a energia liberada é aprisionada como fosfato de alta energia•
A cadeia respiratória oxida os equivalentes de redução e atua como bomba de prótons. Ela 
coleta esses equivalentes, transporta e os direciona para sua reação final com oxigênio, 
formando água.
Complexos Proteicos
NADH-Q-oxidorredutase (complexo I) - elétrons são transferidos do NADH para a 
coenzima Q (ubiquinona)
•
Q-citocromo c-oxidorredutase (Complexo III) - transfere os elétrons para o citocromo 
c 
•
Citocromo c-oxidase (complexo IV) - passa os elétrons para o O2, reduzindo-o para H20 •
Succinato-Q redutase (complexo II) - substratos com potenciais mais positivos que 
NAD/NADH não utilizam o complexo I
•
Presentes na membrana interna da mitocôndria •
Q difunde-se dentro da membrana○
Citocromo c é uma proteína solúvel○
Q e citocromo c são moveis•
Os elétrons fluem pela cadeia respiratória por meio de um espectro redox do NAD/NADH 
para O2/2H20 passando por três grandes complexos proteicos, resultando no bombeamento 
de prótons a partir da matriz por meio da membrana mitocondrial interna para dentro do 
espaço intermembrana
Flavoproteínas e proteínas ferro-enxofre 
As flavoproteínas são importantes componentes dos Complexos I e II. As flavinas nucleotídeos 
(FMN ou FAD) oxidadas podem ser reduzidas nas reações que envolvem a transferência de dois 
elétrons (para formar FMNH2 OU FADH2), mas também podem aceitar um elétron para formar
uma semiquinona 
As proteínas ferro-enxofre (proteínas sem ferro heme) são encontradas nos Complexos I, II e III.
Podem conter um, dois ou quatro átomos de Fe ligados a átomos de enxofre inorgânico e/ou 
por meio de grupamentos cisteína-SH à proteína. O Fe-S participa nas reações de transferência 
de um único elétron, nas quais um átomo de Fe sofre oxidorredução entre Fe2+ e Fe3+-
A Q aceita elétrons por meio dos complexos I e II
NADH + Q + 5H+ matriz-> NAD + QH2 + 4H+ espaço intermembrana •
A NADH-Q oxidorredutase, ou Complexo I, é uma grande proteína com múltiplas subunidades 
em forma de L que catalisa a transferência de elétron do NADH para a Q, associada à 
transferência de quatro H+ pela membrana:
Elétrons NADH > FMN > centros Fe-S > Q. 
No Complexo II (succinato-Q redutase) > succinato > fumarato > FADH2 > Fe-s > Q
O glicerol-3-fosfato (produzido na clivagem de triacilgliceróis ou a partir da glicólise) e a acil-
CoA também passam elétrons para o Q por vias diferentes, envolvendo as flavoproteínas
O ciclo Q acopla a transferência de elétrons ao 
transporte de prótons no complexo III
QH2 + 2Cit coxidado + 2H+matriz -> Q + 2Cit creduzido +4H+ intermembrana•
Os elétrons são passados do QH2 para o citocromo c por meio do Complexo III (Q-citocromo 
c-oxidorredutase):
Acredita-se que o processo envolve os citocromos c1, bl e bH e um Fe-S Rieske (um Fe-S 
incomum em que um dos átomos de Fe está ligado a dois resíduos de histidina em vez de dois 
resíduos de cisteína), sendo conhecido como o ciclo Q. A Q pode existir em três formas: a 
quinona oxidada, o quinol reduzido ou a semiquinona. A semiquinona é formada de modo 
transitório durante o ciclo, resultando, em uma das ocasiões, na oxidação do 2QH2 em Q, 
liberando 4H+ no espaço intermembrana, e na redução de um Q a QH2, causando a captação de 
2H+ a partir da matriz. Observe que, enquanto Q transporta dois elétrons, os citocromos 
carregam apenas um e, assim sendo, a oxidação de um QH2 está atrelada à redução de duas 
moléculas de citocromo c por meio do ciclo Q.
O oxigênio molecular é reduzido à água por meio do 
complexo IV
4Cit creduzido + O2 + 8H+matriz -> 4Cit coxidado + 2H20 + 4H+espaço intermembrana•
O citocromo c reduzido é oxidado pelo Complexo IV (citocromo c oxidase), com a redução 
concomitante do O2 a duas moléculas de água:
Essa transferência de quatro elétrons do citocromo c para o O2 envolve dois grupamentos heme, 
a e a3, e Cu. 
Elétrons do citocromo c > centro de Cu (CuA) (2 átomos de Cu ligados a dois grupamentos 
cisteína-SH proteicos (assemelhando-se a um Fe-S)) > heme a > heme a3 > centro de Cu, CuB - o 
qual está ligado ao heme a3 > O2. 
Dos oito H+ removidos da matriz, quatro são empregados para formar duas moléculas de água e 
quatro são bombeados para dentro do espaço intermembrana. Dessa maneira, para cada par de 
elétrons que continuam na cadeia desde o NADH ou FADH2, 2H+ são bombeados através da 
membrana pelo Complexo IV. 
O O2 permanece firmemente ligado ao Complexo IV até que ele seja totalmente reduzido, e isso 
Stella Fernandes - MEDUFMS/Turma LIII Cadeia Respiratória 
 Página 1 de OXIDAÇÃO E KREBS 
qual está ligado ao heme a3 > O2. 
Dos oito H+ removidos da matriz, quatro são empregados para formar duas moléculas de água e 
quatro são bombeados para dentro do espaço intermembrana. Dessa maneira, para cada par de 
elétrons que continuam na cadeia desde o NADH ou FADH2, 2H+ são bombeados através da 
membrana pelo Complexo IV. 
O O2 permanece firmemente ligado ao Complexo IV até que ele seja totalmente reduzido, e isso 
minimiza a liberação de intermediários potencialmente lesivos, como ânion superóxido ou 
peróxido, os quais são formados quando o O2 aceita um ou dois elétrons, respectivamente
Transporte de elétrons e síntese de ATP
O fluxo dos elétrons pela cadeia respiratória gera ATP por meio do processo de fosforilação 
oxidativa. 
Teoria quimiosmótica > os dois processos estão ligados por um gradiente de prótons pela 
membrana mitocondrial interna de tal maneira que a força motora de prótons causada pela 
diferença do potencial eletroquímico (negativa no lado da matriz) direciona o mecanismo da 
síntese de ATP. A diferença de potencial eletroquímico pela membrana inibe o transporte 
adicional de equivalentes de redução pela cadeia respiratória, a menos que descarregado por 
translocação reversa de prótons pela membrana por meio da ATP-sintase. Por sua vez, isto 
depende da disponibilidade de ADP e Pi. Os desacopladores (p. ex., dinitrofenol) são anfipáticos 
e aumentam a permeabilidade da membrana mitocondrial interna lipoide aos prótons, 
reduzindo, assim, o potencial eletroquímico e gerando o curto circuito da ATP-sintase. Dessa 
forma, a oxidação pode prosseguir sem a fosforilação.
Os Complexos I, III e IV atuam como bombas de prótons. Como a membrana mitocondrial 
interna é impermeável aos íons em geral e principalmente aos prótons, estes se acumulam no 
espaço intermembrana, criando a força motora de prótons predita pela teoria quimiostática.
Atp sintetase - motorrotatório para gerar ATP 
Força motora de prótons ativa a ATP sintetase localizada na membrana que forma o ATP na 
presença de Pi + ADP. A ATP sintetase está embebida na membrana interna, juntamente
aos complexos da cadeia respiratória. 
Subunidades de proteína se agrupam > se dispõem ao redor de um eixo (F1) > F1 se projeta pra 
dentro da matriz > contém mecanismos de fosforilação
F1 está ligado a uma proteína complexa de membrana conhecida como F0 > diversas subunidades 
proteicas > afasta a membrana e forma um canal de prótons >provoca rotação > produção de ATP 
no complexo F1 
Acredita-se que isto ocorre por meio de um mecanismo de troca de ligação, no qual a 
conformação das subunidades no F1 é modificada à medida que o eixo rota daquela que se liga 
firmemente ao ATP até aquela que libera o ATP e se liga ao ADP e Pi, de tal maneira que o 
próximo ATP possa ser formado. Os Complexos I e III translocam, cada um, quatro prótons e o 
Complexo IV transloca dois.
A cadeia respiratória como maior fornecedora de ATP no 
catabolismo
Reações glicolíticas > dois grupamentos de fosfato de alta energia•
Ciclo do ácido cítrico > conversão de succinil CoA em succinato > dois fosfatos de alta 
energia por mol de glicose
•
Todas essas fosforilações ocorrem no nível de substrato. •
Para cada mol de substrato oxidado por meio dos Complexos I, III e IV na cadeia 
respiratória (i.e., pelo NADH), são formados 2,5 mol de ATP por 0,5 mol de O2 consumido; 
isto é, a razão P:O=2,5). 
•
Por outro lado, quando 1 mol de substrato (p. ex., succinato ou 3-fosfoglicerato) é oxidado 
por meio dos Complexos II, III e IV, apenas 1,5 mol de ATP é formado; isto é, P:O=1,5. 
•
Estas reações são conhecidas como a fosforilação oxidativa no nível da cadeia respiratória. •
Quase 90% dos fosfatos de alta energia produzidos a partir da oxidação completa de 1 mol 
de glicose são obtidos por meio da fosforilação oxidativa contida na cadeia respiratória
•
O ADP captura, na forma de fosfato de alta energia, uma proporção significativa da energia livre 
liberada por processos catabólicos > MOEDA ENERGÉTICA
O controle respiratório garante um suprimento constante 
de ATP
Trabalho > ATP > ADP > respiração > reposição da reserva de ATP •
A velocidade da respiração da mitocôndria pode ser controlada por meio da disponibilidade do 
ADP > oxidação e a fosforilação estão firmemente interligadas > oxidação não pode continuar 
por meio da cadeia respiratória sem a concomitante fosforilação do ADP.
Existem cinco condições que controlam a velocidade da respiração na mitocôndria. Muitas 
células em estado de repouso se encontram no estado 4, sendo a respiração controlada pela 
disponibilidade de ADP. 
Sob determinadas condições, a concentração de fosfato inorgânico também pode afetar a 
velocidade de funcionamento da cadeia respiratória. À medida que a respiração se intensifica 
(como ocorre no exercício), a célula aproxima-se do estado 3 ou 5, quando a capacidade da 
cadeia respiratória se torna saturada ou a PO2 diminui abaixo do Km para o heme a3.
Também há a possibilidade de que o transportador de ADP/ATP, o qual facilita a entrada do 
ADP citosólico e a saída do ATP da mitocôndria, se transforme no limitador da velocidade.
A energia livre restante que não é capturada como fosfato de alta energia é liberada como calor.
Essa energia não precisa ser considerada “perdida”, pois ela assegura que o sistema respiratório 
como um todo seja suficientemente exergônico para ser tirado do equilíbrio, possibilitando o 
fluxo unidirecional contínuo e a provisão constante de ATP. Ela também contribui para a 
manutenção da temperatura corporal.
Venenos inibitórios
Barbitúricos, como o amobarbital, inibem o transporte de elétrons por meio do Complexo 
I ao bloquear a transferência do Fe-S para o Q. Na dose suficiente, eles são fatais in vivo
•
A antimicina A e o dimercaprol inibem a cadeia respiratória no Complexo III •
Os venenos clássicos H2S, monóxido de carbono e cianeto inibem o Complexo IV e, por 
conseguinte, podem cessar totalmente a respiração
•
O malonato é um inibidor competitivo do Complexo II•
O atractilosídeo impossibilita a fosforilação oxidativa ao inibir o transportador de ADP 
para dentro e de ATP para fora da mitocôndria 
•
O antibiótico oligomicina impede completamente a oxidação e a fosforilação ao bloquear o •
Venenos podem ser classificados como inibidores da cadeia respiratória, inibidores da 
fosforilação oxidativa ou desacopladores da fosforilação oxidativa.
F1
F0
Transportadores de troca
Os sistemas de difusão por troca envolvendo proteínas transportadoras que suplantam a 
membrana estão presentes na membrana para a troca de ânions por íons OH- e de cátions por 
íons H+. Tais sistemas são necessários para a captação e depuração dos metabólitos ionizados, 
enquanto preservam os equilíbrios elétrico e osmótico. 
A membrana mitocondrial interna é totalmente permeável a pequenas moléculas não carregadas, 
como o oxigênio, a água, o CO2, o NH3 e os ácidos monocarboxílicos, como os ácidos 3-
hidroxibutírico, acetoacético e acético. 
Ácidos graxos de cadeia longa < sistema carnitina; também existe um carreador especial para o 
piruvato, envolvendo um simporte que utiliza o gradiente de H+ de fora para dentro da 
mitocôndria. 
O transporte de ânions di- e tricarboxílicos está intimamente ligado àquele do fosfato 
inorgânico, o qual penetra prontamente como o íon H2PO4- em troca do OH-. 
•
No entanto, os ânions dicarboxilato e tricarboxilato e os aminoácidos exigem transportador ou 
sistemas carreadores específicos para facilitar suas passagens através da membrana. Os ácidos 
monocarboxílicos penetram mais facilmente em sua forma não dissociada, mais lipossolúvel.
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conseguinte, podem cessar totalmente a respiração
O malonato é um inibidor competitivo do Complexo II•
O atractilosídeo impossibilita a fosforilação oxidativa ao inibir o transportador de ADP 
para dentro e de ATP para fora da mitocôndria 
•
O antibiótico oligomicina impede completamente a oxidação e a fosforilação ao bloquear o 
fluxo de prótons por meio da ATP-sintase 
•
Os desacopladores dissociam a oxidação da fosforilação na cadeia respiratória •
Esses compostos são tóxicos in vivo, tornando a respiração descontrolada, pois a velocidade não 
é mais limitada pela concentração de ADP ou de Pi. O desacoplador que tem sido utilizado com 
maior frequência é o 2,4-dinitrofenol, porém outros compostos atuam de maneira similar. A 
termogenina (ou a proteína desacopladora) é um desacoplador fisiológico encontrado no tecido 
adiposo marrom que funciona para gerar o calor corporal, principalmente para o recém-nascido 
e durante a hibernação em animais
O transporte de ânions di- e tricarboxílicos está intimamente ligado àquele do fosfato 
inorgânico, o qual penetra prontamente como o íon H2PO4- em troca do OH-. 
•
Malato < transportador de dicarboxilato < fosfato inorgânico < troca na direção oposta. •
Citrato, isocitrato ou cis-aconitato < transportador de tricarboxilato < malato em troca. •
a-Cetoglutarato < troca por malato. •
Adenina nucleotídeo < troca de ATP e ADP, mas não de AMP. Ele é primordial para permitir 
que o ATP saia das mitocôndrias para os sítios de utilização extramitocondrial e para 
possibilitar o retorno do ADP para a produção de ATP dentro da mitocôndria > quatro 
cargas negativas são removidas da matriz para três captadas, o gradiente eletroquímico 
através da membrana (a força motora de prótons) favorece a exportação de ATP. 
•
Na+ < trocado pelo H+ dirigido pelo gradiente de prótons. •
Ca2+ pelas mitocôndrias < transferência de carga global de 1 (uniporte de Ca+), 
possivelmente por meio de antiporte Ca2+/H+. 
•
Cálcio < troca por Na+.•
No entanto, os ânions dicarboxilato e tricarboxilato e os aminoácidos exigem transportador ou 
sistemas carreadores específicos para facilitar suas passagens através da membrana. Os ácidos 
monocarboxílicos penetram mais facilmente em sua forma não dissociada,mais lipossolúvel.
Ionóforos
Os ionóforos são moléculas lipofílicas que formam um complexo com cátions específicos e 
facilitam seu transporte pelas membranas biológicas, como, por exemplo, a vancomicina (K+). Os 
desacopladores clássicos como o dinitrofenol são, na realidade, ionóforos de prótons.
Transidrogenases
A transidrogenase ligada à energia, proteína da membrana mitocondrial interna, acopla a 
passagem de prótons a favor do gradiente eletroquímico de fora para dentro da mitocôndria, 
com a transferência de H do NADH intramitocondrial para o NADPH por enzimas 
intramitocondriais, como a glutamato desidrogenase e hidroxilases envolvidas na síntese de 
esteroide.
Lançadeiras de Substrato
O NADH não consegue penetrar na membrana mitocondrial > é produzida de forma contínua no 
citosol pela 3-fosfogliceraldeído-desidrogenase (enzima na sequência de glicólise). No entanto, 
sob condições aeróbias, o NADH extramitocondrial não se acumula, e, presume-se que seja 
oxidado pela cadeia respiratória nas mitocôndrias.
A transferência de equivalentes de redução (termo geral para um elétron ou equivalente de 
elétron na forma de um átomo de hidrogênio ou de um íon hidreto) através da membrana 
mitocondrial requer pares de substrato ligados por desidrogenases adequadas em cada lado da 
membrana mitocondrial. O mecanismo de transferência usando a lançadeira glicerolfosfato. 
Como a enzima mitocondrial está ligada à cadeia respiratória por meio de uma flavoproteína em 
vez de NAD, apenas 1,5 mol, e não 2,5 mol, de ATP é formado por átomo de oxigênio consumido. 
Embora esse transportador esteja presente em alguns tecidos (p. ex., cérebro, músculo branco), 
em outros (p. ex., músculo cardíaco) ele se mostra deficiente. Portanto, acredita-se que o sistema 
lançadeira de malato apresenta utilidade mais universal. A complexidade deste sistema se deve à 
impermeabilidade da membrana mitocondrial ao oxalacetato, o qual deve reagir com o 
glutamato para formar aspartato e a-cetoglutarato por transaminação antes do transporte 
através da membrana mitocondrial e da reconstituição à oxalacetato no citosol.
As mitocôndrias mantêm ou acumulam cátions como K+, Na+, Ca2+ e Mg2+, e Pi. Supõe-se que 
uma bomba de prótons primária direciona a troca de cátion
Lançadeira de Creatina Fosfato
Esta lançadeira aumenta as funções da creatina fosfato como um tampão de energia ao agir 
como um sistema dinâmico para a transferência de fosfato de alta energia das mitocôndrias nos 
tecidos ativos, como o coração e o músculo esquelético. Uma isoenzima da creatina-quinase 
(CKm) é encontrada no espaço intermembrana mitocondrial, catalisando a transferência do 
fosfato de alta energia para a creatina a partir do ATP oriundo do transportador de adenina 
nucleotídeo. Por sua vez, a creatina fosfato é transportada para dentro do citosol através de 
poros proteicos na membrana mitocondrial externa, tornando-se disponível para a produção do 
ATP extramitocondrial.
Correlação Clínica: miopatia mitocondrial 
infantil fatal e disfunção renal envolve a 
diminuição grave ou ausência da maioria 
das oxidorredutases da cadeia respiratória. 
O MELAS (encefalopatia mitocondrial, 
acidose lática e acidente vascular cerebral)
é uma condição herdada devido à 
deficiência de NADH-Q oxidorredutase 
(Complexo I) ou de citocromo-oxidase 
(Complexo IV). Ela é causada por uma 
mutação no DNA mitocondrial e pode estar 
envolvida na doença de Alzheimer e no 
diabetes melito.
Resumo resumido:
Quase toda energia liberada a partir da oxidação de
carboidratos, lipídeos e proteínas é disponibilizada 
nas mitocôndrias como equivalentes de redução. Estes
são concentrados na cadeia respiratória, onde são 
transmitidos por meio de um gradiente redox de 
transportadores até suas reações finais com o oxigênio 
para formar água.
Os transportadores redox são agrupados em quatro 
complexos da cadeia respiratória na membrana 
mitocondrial interna. Três dos quatro complexos são 
capazes de usar a energia liberada no gradiente redox 
para bombear os prótons para fora da membrana, 
criando um potencial eletroquímico entre a matriz e o 
espaço intermembranas.
A ATP-sintase atravessa a membrana e atua como um 
motor rotatório que emprega a energia potencial do 
gradiente de prótons ou a força motora de prótons 
para sintetizar o ATP a partir do ADP e Pi. Dessa 
maneira, a oxidação está firmemente atrelada à 
fosforilação para satisfazer às necessidades de energia 
da célula.
 Página 3 de OXIDAÇÃO E KREBS