Bioenergetica e Metabolismo Energetico_2021

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Bioenergética 
e
Metabolismo Energético
[Princípios]
Humberto Muquingue, 2021
hmuking@gmail.com
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BIOENERGÉTICA
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OBJECTIVOS EDUCACIONAIS
BIOENERGÉTICA
No fim desta aula os estudantes deverão ser capazes de:
1. Explicar por suas próprias palavras o interesse da termodinâmica para 
a compreensão do funcionamento dos sistemas biológicos
2. Enunciar as leis da termodinâmica ligadas à bioenergética
3. Explicar o significado das seguintes palavras: entalpia, entropia, 
energia, equilíbrio calórico, calor de combustão, exergónico e 
endergónico
4. Definir o que é a energia livre de Gibbs
5. Identificar os factores que influenciam a energia livre de Gibbs
6. Resolver problemas simples de termodinâmica
7. Definir Joule e caloria, e indicar os respectivos factores de conversão
8. Explicar o significado de: taxa metabólica basal, MET, dispêndio
energético, efeito termogénico
9. Listar e justificar os factores que alteram a taxa metabólica basal
10. indicar como se calculam os valores referentes ao metabolismo basal
11. Justificar o interesse clínico do estudo do metabolismo energético
12. Explicar os factores que governam a ocorrência dos fenómenos
biológicos do ponto de vista termodinâmico 3
Introdução
• A habilidade de captar energia e canalizá-la para o 
trabalho biológico é a principal propriedade de todos 
organismos vivos. 
• Um dos objectivos da Bioquímica é entender em 
termos quantitativos e químicos amaneira como a 
energia é extraída, canalisada e consumida nas 
células vivas.
• A parte da Bioquímica que faz isso é a Bioenergética.
• As transformações bioquímicas obedecem as leis da 
termodinâmica. 4
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3 4
2
As células e os organismos precisam de realizar 
trabalho para a manutenção da vida, crescimento e 
reprodução. Os principais tipos de trabalho são:
• Trabalho químico: síntese de compostos e 
componentes celulares
• Trabalho osmótico: acúmulo e retenção de sais e 
outros compostos contra gradientes de 
concentração
• Trabalho mecânico: contracção muscular e 
movimentação de flagelos
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DEFINIÇÕES
• Bioenergética
Aplicação das leis da termodinâmica às reacções do 
metabolismo; é também conhecida por termodinâmica 
bioquímica ou metabólica.
• Metabolismo energético
Conjunto de processos ligados à obtenção de energia nos 
sistemas biológicos.
• Energia
Capacidade para realizar trabalho
• Joule
Trabalho realizado por uma força de um Newton actuando ao 
longo de um metro na direcção do deslocamento [James P. 
Joule (1818-1889)] 
• Caloria
Quantidade de calor necessária para elevar em 1 grau Celsius
a temperatura de um grama de água. 6
APLICAÇÕES DA TERMODINÂMICA
• Reacções químicas singulares:
Raras, não há reacções isoladas, tanto os substratos 
como os produtos são derivados ou usados em outras 
reacções.
• Séries de reacções consecutivas:
Catalizadas por enzimas; para uma dada conversão 
A → B, há um certo número de reacções intermédias
Tanto a reacção global como as individuais respeitam os 
princípios termodinâmicos.
• Transporte de substratos através de uma membrana:
Não são reacções puras, dado que os compostos de um 
e de outro lado da membrana são idênticos;
O processo de transporte pode usar mecanismos 
similares às reacções enzimáticas; daí, é melhor 
entendido com princípios metabólicos.
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IMPORTÂNCIA CLÍNICA DA BIOENERGÉTICA
• Nutrição parenteral (prematuros, choque, 
trauma grave, estados vegetativos)
• Desequilíbrios energéticos (marasmo, doença
da tiróide)
• Insuficiência renal e hepática
• Desporto de alta competição
• Actividade física (como determinante de saúde e 
de doença)
• Obesidade (baixo dispêndio energético de 
repouso é factor de risco)
• Deficiências inatas do metabolismo
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5 6
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3
PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
• Também chamada por “lei da conservação da 
matéria”. A lei tem a ver com a quantidade de 
energia interna contida num composto ou sistema.
• “A energia total de um sistema, ou entalpia, 
incluindo a do seu ambiente exterior, permanece 
constante”.
• A energia não pode ser criada ou destruída, 
apenas pode ser convertida de uma forma para 
outra.
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PRIMEIRA LEI DA TERMODINÂMICA
• Expressão matemática:
A variação da energia interna ΔH quando um 
mole de A é convertido em B, é igual ao calor q
produzido (ou consumido) mais o trabalho w
realizado durante a reacção:
ΔH = q – w
• ΔH é conhecido como variação da entalpia, 
calor de reacção, calor de combustão ou
energia máxima disponível
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IMPLICAÇÕES DE ΔH
• ΔH > 0: o sistema absorve calor
- é endotérmico
• ΔH < 0: o sistema liberta calor
- é exotérmico
• ΔH = 0: toda a entalpia aparece como calor pois 
nenhum trabalho é realizado
• ΔH é independente do mecanismo de reacção, ex: 
glicose oxidada por combustão em oxigénio ou
glicose utilizada pela acção concertada da glicólise
e da via do ciclo de Krebs
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VALOR ENERGÉTICO DOS PRINICPAIS 
CONSTITUINTES DA DIETA
Valores de ΔH (KJ/g)
• Proteínas………….…….17
• Gorduras…………….…..38
• Glícidos………………….17
• Etanol…………………….29
12
9 10
11 12
4
SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• "A qualidade da energia é perdida
irreversivelmente“.
• Todos os processos de ocorrência natural 
realizam-se numa direcção que os leve a um 
nível mínimo de energia. 
• O sentido "normal" das coisas e dos processos é 
para o caos, a desordem e o acaso. 
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• A energia potencial transforma-se em energia 
cinética.
• A vibração dos átomos num sólido ou o 
movimento de moléculas num gás é 
transformada em calor (uma forma de energia 
de "baixa qualidade“ e altamente 
desorganizada).
• Exemplo: a água flui de cima para baixo; uma 
mola comprimida tende a expandir-se sózinha; 
um copo de vidro parte-se em fragmentos. 
Nenhum destes pode fazer o processo inverso sem intervenção 
externa !
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SEGUNDA LEI DA TERMODINÂMICA
• Quanto maior a desorganização de um sistema, 
maior a sua entropia (S) (entrope, do grego, 
mudança).
• Somente introduzindo energia no sistema esta
desordem pode ser contrabalançada. O que isto diz
sobre o facto de os sistemas biológicos serem
altamente organizados?
• Exemplo: os seres vivos conseguem construir
moléculas grandes e complexas a partir de 
materiais simples altamente entropizados.
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VARIAÇÃO DE ENERGIA LIVRE DE GIBBS
• É um conceito que associa as duas primeiras
leis da termodinâmica. 
• Responde à questão: O que acontece a uma
reacção quando uma força é favorável e a outra
não?
• Lembre-se que a energia livre G é a energia 
disponível para realizar trabalho.
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13 14
15 16
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VARIAÇÃO DE ENERGIA LIVRE DE GIBBS
Há 3 modelos matemáticos para entender-se ΔG:
1. para reacções químicas em geral: 
ΔG = G produtos - G reagentes:
A quantidade de energia libertada ou consumida por 
uma reacção química é dada pela diferença entre o 
conteúdo energético dos produtos e dos reagents.
2. para o movimento de compostos através de uma
membrana: ΔG = 2.3 RT log C2/C1, em que
C1 e C2 representam as concentrações de moléculas
de um e de outro lado da membrana. Exemplo: 
gradiente de H+ na produção mitochondriall de ATP
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VARIAÇÃO DE ENERGIA LIVRE DE GIBBS
3. Considera variações de entalpia e de entropia: ΔG 
= ΔH - TΔS, em que TΔS é o calor introduzido no 
sistema e não disponível para realizar trabalho:
• Assume que se G = H – TS, então ΔG = ΔH – T(ΔS)
• A fórmula é ΔG = ΔH – TΔS, se a temperatura e a 
pressão forem constantes.
• ΔGo = ΔHo – TΔSo, se em condições-padrão
(energia-livre padrão)
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IMPLICAÇÕES DA ENERGIA LIVRE
• A energia livre G é a única que as células têm
para realizar trabalho, uma vez que não podem
usar calor (porque não?)
• Se ΔG for negativo: 
A reacção é termodinamicamente possível ou 
seja, liberta energia.
Os produtos têm menos energia que os 
substratos.
A reacção recebe o nome de “exergônica” 
(ergon, trabalho). 
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IMPLICAÇÕES DA ENERGIA LIVRE
• Se ΔG for positivo:
A reação é não-expontânea, apenas ocorre 
se puder absorver energia. Como?
O processo inversoé expontâneo. 
Uma reacção deste tipo designa-se por 
“endergônica”. 
• Se ΔG = 0:
Não há variação de energia; o processo está em 
equilíbrio. Qual é o efeito disto numa célula?
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17 18
19 20
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FAVORÁVEL DESFAVORÁVEL
ΔHo < 0 ΔHo > 0
ΔSo > 0 ΔSo < 0
Assim:
• ΔG é NEGATIVO para qualquer reacção que seja 
favorecida quer por ΔH quer por ΔS, isto é ΔH<0 e 
ΔS>0.
• Qualquer reacção com um ΔG negativo é expontânea
ou favorável.
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APLICAÇÕES
COMPOSTO ΔHf
o(kJ/mole) ΔS°(J/mole-K)
N2(g) 0 191.61
H2(g) 0 130.68
NH3(g) -46.11 192.45
Calcule ΔH° and ΔS° para a seguinte reacção e decida
em que direcção cada um dos factores termodinâmicos
conduz a reacção:
N2(g) + 3 H2(g)  2 NH3(g)
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RESOLUÇÃO
ΔHo = ΣHfo(produtos) - ΣHfo(reagentes)
= [2 moles NH3 x -46,11 kJ/mole] - [1 mole N2 x 0 kJ/mole
+ 3 moles H2 x 0 kJ/mole]
= -92,22 kJ
A reacção é EXOTÉRMICA, o que significa que a sua 
entalpia favorece a ocorrência da reacção!
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RESOLUÇÃO
ΔSo = ΣSo(produtos) - ΣSo(reagentes)
= [2 moles NH3 x 192,45 J/mole-K] 
- [1 mole N2 x 191,61 J/mole-K
+ 3 moles H2 x 130,68 J/mole-K]
= -198,75 J/K
A entropia da reacção é DESFAVORÁVEL. Existe um 
aumento da ordem do sistema quando N2 se junta a H2
para formar NH3
A reacção vai ou não ocorrer? 
Falta algum dado para chegar a uma conclusão?
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21 22
23 24
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G’
• Nas condições celulares a variação de energia livre depende das 
concentrações dos reagentes e produtos e da temperatura (37º C). 
• A variação de energia livre nas condições celulares é designada por G’
• Assumindo a reacção química A + B  C + D, a fórmula para G’ é:
G’ = Gº + RT ln [C] + [D] / [A]+[B]
• Exemplo: Cálculo de ΔG para a reacção: 
frutose 6-fosfato  glicose 6-fosfato, sendo: 
[frutose 6-P] = 1,5M;
[glicose 6-P] = 0.5M;
Gº = -1.700 J/mol 
• Assim: G’ = -1.700 + (8,315 J/mol.K)(310K) ln [0,5] / [1,5]
= -4.532 J/mol
• G’ pode também ser calculado usando a fórmula:
G’ = -RT ln K’eq
25
R: constante universal 
de gás, 8,315 J/mole.K
T: temperatura em K 
DISPÊNDIO ENERGÉTICO
• A dieta é a única fonte de energia para o ser 
humano.
• As perdas de energia no ser humano ocorrem
principalmente na forma de calor e de trabalho
mecânico.
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Energia dos alimentos
Energia digerívelEnergia não digerível, perdida nas 
fezes e digerida por bactérias
Energia metabolizável
Perdas na urina, suor e descamação
CALOR do catabolismo e ciclos fúteis Efeito termogénico dos alimentos
Energia utilizada e depositada em compostos de alta energia
1 – 9%
50%
6 – 10%
25 – 40%
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DISPÊNDIO ENERGÉTICO
A energia é dispendida em função de 4 factores:
• Taxa metabólica basal
• Efeito termogénico dos alimentos
• Actividade física
• Temperatura ambiental (termogênese adaptativa)
28
25 26
27 28
8
TAXA METABÓLICA BASAL
• Consumo de energia mínimo necessário para manter 
todas as funções vitais básicas (Boothby & Sandiford, 
1929).
• Equivalente a dispêndio energético de repouso.
• Pode variar ao longo do dia.
• Corresponde a 65 – 75% do dispêndio energético total 
diário num indivíduo sedentário (adulto de 70 Kg).
• Cálculo básico: TMB = Peso (Kg) * 100 KJ/dia
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Equação de Harris-Benedict (1919)
Cálculo do dispêndio energético de repouso (Kcal)
• Homem: 
66,5 + (13,75 x kg) + (5,003 x cm) - (6,775 x idade)
• Mulher:
655,1 + (9,563 x kg) + (1,850 x cm) - (4,676 x idade)
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• Idade: TMB é maior nas crianças pequenas, máxima aos 
5anos; TMB diminui com a idade (anorexia fisiológica, 
sarcopenia)
• Sexo: TMB é menor no sexo feminino (efeito de 
hormonas sexuais, menor massa corporal)
• Altura: TMB é maior em magros e altos
• Composição corporal: proporcional à massa corporal 
magra
• Temperatura corporal: TMB aumenta com a febre (12% 
por oC)
• Padrão de sono: TMB é maior no início do sono.
TAXA METABÓLICA BASAL
31
• Exercício regular: aumenta a TMB
• Estado nutricional: a TMB baixa na inanição
• Temperatura ambiental: TMB aumenta com o frio e com o calor
• Doença tiroidea: a TMB baixa no hipotiroidismo
• Menstruação: a TMB baixa antes mas aumenta após a 
ovulação
• Hormonas: insulina e noradrenalina aumentam TMB
• Stress: aumenta a TMB
TAXA METABÓLICA BASAL
32
29 30
31 32
9
+20
+40
+60
+80
+100
+120
-20
-40
%
repouso inanição moderada
queimadura > 40%
convalescença pós-operatória
fractura de osso longo ou múltipla
infecção grave
NORMAL Lesão, Infecção, Doença
Necessidades energéticas em estado normal e em estado anormal
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EFEITO TERMOGÊNICO
• Sinonímia: efeito térmico dos alimentos; acção
dinâmica específica
• É aquela parte do conteúdo energético dos 
alimentos que é gasta na sua assimilação:
– Para glícidos e gorduras: 5 – 10% da TMB
– Para proteínas: 30% da TMB
• É um conceito importante no desenho de dietas. 
Porquê?
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ACTIVIDADE FÍSICA
• Constitui a parte mais significativa e mais 
variável do dispêndio de energia.
• A actividade física é medida em MET (valor de 
dispêndio metabólico ou metabolic equivalent of
task)
• Um MET = 4,2KJ/Kg/hora
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Exemplos de MET
Actividade MET
Ver televisão 1.0
Dactilografar 1.5
Lavar roupa 2.2
Caminhar 3.0
Dançar 4.0
Trabalhar numa obra 5.5
Praticar ginástica aeróbica 6.5
Trabalhar numa farma 8.0
36
33 34
35 36
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TERMOGÊNESE ADAPTATIVA
• Sinonímia: termogênese obrigatória.
• É o calor produzido pelo organismo em resposta a uma 
alteração da eficiência metabólica por variações das 
condições ambientais (temperatura, dieta, stress, etc).
• Não é possível quantificar directamente.
• Implica sempre uso adicional de energia: seja para 
aquecer, seja para arrefecer…
• É diferente de termogênese facultiva (que ocorre no 
tecido adiposo castanho).
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METABOLISMO ENERGÉTICO
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Objectivos educacionais
METABOLISMO ENERGÉTICO
No fim deste capítulo o estudante deve se capaz de:
1. Explicar a autonomia das células vivas, em termos de produção de 
energia.
2. Descrever, em traços gerais, a diferença entre o metabolismo 
energético, em condições aeróbicas e anaeróbicas.
3. Descrever, em traços gerais, a microestrutura mitocondrial. 
4. Descrever o papel do “ciclo de Krebs” na produção de energia (não 
sendo necessário descrever pormenorizadamente as várias reacçoes
deste ciclo, apenas conhecer as principais características).
5. Explicar o carácter “anfibólico“ do ciclo de Krebs.
6. Mencionar a origem do(s) substrato(s) e produto(s) do ciclo de Krebs.
7. Descrever a “reacção da piruvato desidrogenase” (tipo de reacção, 
substratos e produtos, coenzimas envolvidas e efectores).
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Objectivos educacionais
METABOLISMO ENERGÉTICO
8. Explicar o conceito de reacção anaplerótica no ciclo de Krebs.
9. Descrever, em traços gerais, o funcionamento da cadeia 
respiratória. 
10. Explicar como ocorre a “fosforilação oxidativa”.
11. Explicar como ocorre o controlo do metabolismo energético 
(controlo do ciclo de Krebs e controlo respiratório).
12. Aplicar os conhecimentos adquiridos na compreensão e descrição 
da fisiopatologia de algumas doenças frequentes, por exemplo, béri-
béri, cirrose hepática por alcoolismo crónico, enfarte do miocárdio e 
algumas doenças congênitas raras como a deficiência congénita da 
piruvato-desidrogenase.
13. Explicar a acção de alguns venenos e drogas, com base nos 
conhecimentos adquiridos.
40
37 38
39 40
11
METABOLISMO ENERGÉTICO
• É o conjunto de processos e reacções que ocorrem no 
organismo com a finalidade de ele obter energia para os 
processos vitais.
• Os nutrientes energéticos são oxidados para compostos 
mais simples, com libertação da energia neles contida.
• Essa energia é captada e armazenada num composto 
de alto nível de energia, a adenosina trifosfato (ATP).
• Não existe intercâmbio intercelular de ATP (ou de outro 
composto análogo) mas uma circulação de compostos 
potencialmente energéticos (i.e., nutrientes)
[princípio de autonomia celular]. 
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Fontes principais de ATP 
ATP é a moeda energética das células. Ele provém de:
• Glicólise(oxidação parcial da glicose até lactato ou 
álcool, sem consumo de oxigénio)
• Ciclo de Krebs
• Fosforilação oxidativa (acoplada à cadeia respiratória) 
• Creatina-fosfato, uma forma de reserva energética ao 
nível muscular.
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Nutrientes libertadores de 
energia: Glícidos, gorduras, 
proteínas
Macromoléculas celulares: 
Proteínas, polissacárídos, 
lípídos, ácidos nucléicos
catabolismo anabolismo
Produtos finais pobres
em energia:
CO2, H2O, NH3
Moléculas precursoras: 
Aminoácidos, açúcares, 
ácidos gordos, bases 
nitrogenadas)
NADP+
NAD+
FAD 
ADP + Pi
ATP
NADPH
NADH
FADH2
O fluxo de energia
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FASES DO METABOLISMO ENERGÉTICO
Reconhecem-se 3 fases sequenciais:
1. Produção de acetil coenzima; realce para o complexo
multi-enzimático da piruvato desidrogenase;
2. Produção de cofactores reduzidos (NADH e FADH2) a 
partir de acetil-CoA: ciclo de Krebs;
3. Transferência de electrões dos cofactores e fosforilação
oxidativa: produção de ATP.
As 3 fases são também conhecidas por respiração celular.
44
41 42
43 44
12
Fase 1
Glicólise
Acetil-CoA
Piruvato
desidrogenase
aminoácidos glicoseácidos gordos
Piruvato
45
Piruvato desidrogenase
• Complexo tri-enzimático situado na encruzilhada de várias
vias metabólicas: glicólise, lipogénese, síntese e 
degradação de aminoácidos;
• É constituida por 3 enzimas que precisam de 5 coenzimas
derivadas de tiamina, lipoamida, riboflavina, nicotinamida e 
ácido pantoténico.
→ explica parte da sensibilidade a avitaminoses!
• Transforma piruvato em acetil-CoA [descarboxilação]
• É inibida por fosforilação, sendo que:
– Acetil-CoA, NADH, ATP são activadores da fosforilação;
– Insulina e AMP são inibidores da fosforilação.
46
Fase 2
Acetil-CoA
Carregadores reduzidos de e-
Ciclo de Krebs
o
o
47
Ciclo de Krebs
• Sinonímia: Ciclo do ácido cítrico, ciclo dos ácidos 
tricarboxílicos;
• Características do ciclo:
– Oxida acetil-CoA em CO2;
– Produz electrões essenciais (sob forma de NADH e 
FADH2) para a produção de ATP;
– Produz precursores para várias vias metabólicas: ciclo 
da ureia, lipogénese, síntese de aminoácidos;
– É anfibólica: via anabólica e via catabólica;
– Exibe anaplerose: alguns intermediários são extraídos 
do ciclo para alimentar biossínteses e devem ser 
substituídos. 48
45 46
47 48
13
49Ciclo de Krebs 50
Ciclo de Krebs
Reacções anapleróticas
• Ajudam o ciclo de Krebs a manter a quantidade e o 
fluxo de compostos
• Existem 5 principais reacções anapleróticas:
▪ piruvato → oxaloacetato
▪ aspartato → oxaloacetato
▪ glutamato → -cetoglutarato
▪ adenilosuccinato → fumarato
▪ ácido gordo ímpar → succinil-CoA
• A reacção de piruvato a oxaloacetato é a mais 
importante; ocorre na mitocôndria e é catalizada pela 
piruvato carboxilase, activada por acetil-CoA. 51
Fase 3
Cadeia respiratória
(transferência de electrões)
Carregadores reduzidos de e-
52
49 50
51 52
14
ATP
Glicose
Piruvato
CO2
Ciclo de
Krebs
NADH2
FADH2
ATP
ATP 
sintetase
H+
ADP + Pi
Cadeia de 
electrões
Calor
O2 H20
Glicólise
NAD
FAD
Lipólise Ácidos
gordos
livres
Lactato
NADNADH2
NAD
NADH2
Toda os componentes da fosforilação oxidativa e todos os
cofactores da cadeia respiratória estão no interior da 
mitocôndria. 53
Estrutura da cadeia respiratória
Forças quimio-
osmóticas
levam à 
formação de 
ATP
Potencial
eléctrico
(interior 
negativo)
Potencial
químico
(interior 
alcalino)
54
FADH
55
Antes de entrar na cadeia respiratória, tem-se formados um 
total de 4 ATP, 10 NADH e 2 FADH2.
Tendo em conta que com cada NADH se produzem
3 ATP e que cada FADH2 equivale a 2 ATP, obter-se-iam 
→ 4 ATP (da glicólise e da formação de acetil-CoA) +
→ 30 ATP (provenientes do NADH) +
→ 4 ATP (provenientes do FADH).
… Dando um total de 38 ATP a partir do metabolismo de 
UMA molécula de glicose.
Balanço da cadeia respiratória Inibidores da fosforilação oxidativa
Nome Efeito Local de acção
Rotenona, amital
inibidor do transporte 
de electrões Complexo I
Antimicina A
inibidor do transporte 
de electrões
Complexo III
2,4-dinitrofenol, 
dicumarol, 
valinomicina
agentes 
desacopladores
Membrana mitocondrial
interna
Cianeto, monóxido de 
carbono
inibidor do transporte 
de electrões
Complexo IV
Oligomicina,
rutamicina
inibe a ATP sintetase ATP sintetase
53 54
55 56