Respiração Celular

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RESPIRAÇÃO CELULAR 
A molécula de glicose é degradada passo a passo, despendendo energia em pequenos pacotes para ativar moléculas 
carreadoras por meio de reações acopladas. Dessa forma, grande parte da energia liberada pela oxidação da glicose é 
preservada, em ligações de alta energia de ATP e outras moléculas carreadoras ativadas, e disponibilizada para exercer 
trabalho útil para a célula. 
A oxidação de moléculas de alimento fornece energia que permite que essa reação desfavorável ocorra. ADP + Pi → 
ATP. 
O processo de quebra – que utiliza enzimas para degradar moléculas complexas em moléculas mais simples – é 
chamado de catabolismo 
O estágio 1 da quebra enzimática de moléculas de alimento – a digestão – ocorre ou no exterior celular (em nosso 
intestino) ou nos lisossomos. O estágio 2 se inicia no citosol e termina nas mitocôndrias, e o estágio 3 é confinado nas 
mitocôndrias. 
As enzimas digestórias reduzem as grandes moléculas poliméricas do alimento em subunidades monoméricas: proteínas 
em aminoácidos, polissacarídeos em açúcares e gorduras em ácidos graxos e glicerol. 
Muitos dos intermediários formados na glicólise e no ciclo do ácido cítrico são desviados para outras vias biossintéticas, 
ou anabólicas, onde são convertidos por uma série de reações catalisadas por enzimas em aminoácidos, nucleotídeos, 
lipídeos e outras moléculas orgânicas pequenas de que a célula necessita. Oxaloacetato -> aminoácido Aspartato. 
 GLICÓLISE 
Produz ATP sem o envolvimento de O2: principal fonte de ATP em processos anaeróbicos 
Ocorre no citosol 
No estágio 2 do catabolismo celular, uma cadeia de reações chamada de glicólise converte cada molécula de glicose em 
duas moléculas menores de piruvato. 
Durante a formação do piruvato, dois tipos de moléculas carreadoras ativadas são produzidos – ATP e NADH. 
Para cada molécula de glicose, duas moléculas de ATP são consumidas para prover energia para conduzir as etapas 
iniciais, porém quatro moléculas de ATP são produzidas nas etapas finais. Há um ganho líquido de duas moléculas de 
ATP para cada molécula de glicose quebrada. 
Embora o oxigênio molecular não esteja envolvido na glicólise, a oxidação ocorre: elétrons são removidos de alguns 
carbonos derivados da molécula de glicose pela NAD+, produzindo NADH. Isso gera energia de oxidação, usada na 
conversão de ADP a ATP. 
O restante da energia obtida durante a glicólise é armazenado nos elétrons em NADH. Duas moléculas de NADH são 
formadas por molécula de glicose. Essas moléculas doam seus elétrons para a cadeia transportadora de elétrons. 
A síntese de ATP na glicólise é conhecida como fosforilação em nível de substrato, pois ocorre pela transferência de um 
grupo fosfato diretamente a partir de uma molécula de substrato – um intermediário de açúcar – até ATP 
O músculo esquelético, assim como outros tecidos, pode continuar funcionando com baixos níveis de O2. Nessas 
condições anaeróbias, o piruvato e a NADH permanecem no citosol. O piruvato é convertido em produtos que são 
excretados pela célula: em lactato no músculo, por exemplo, ou em etanol e CO2 nas leveduras usadas na preparação 
de bebidas fermentadas e de pães. 
Nesse processo, a NADH doa seus elétrons e é convertida novamente em NAD+. Essa regeneração de NAD+ é necessária 
para manter as reações de glicólise 
Vias anaeróbias produtoras de energia como essas são chamadas de fermentações 
O piruvato é então transportado ativamente do citosol para o compartimento interno da mitocôndria. Lá, um complexo 
enzimático gigante converte cada molécula de piruvato em CO2 mais acetil-CoA, outra das moléculas carreadoras 
ativadas 
 MITOCÔNDRIAS (CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO) 
O estágio 3 da quebra oxidativa das moléculas de alimento ocorre inteiramente nas mitocôndrias, dentro da matriz 
mitocondrial. 
É responsável por cerca de dois terços da oxidação total de compostos de carbono na maioria das células 
Seus principais produtos finais são CO2 e elétrons de alta energia na forma de NADH. 
Embora o ciclo propriamente dito não utilize O2, ele requer O2 para proceder, pois a cadeia transportadora de elétrons 
permite que NADH se livre dos seus elétrons e, dessa forma, regenere a NAD+ necessária para manter o ciclo em 
andamento 
Esse complexo enzimático gigante de três enzimas é chamado de complexo piruvato-desidrogenase e promove a 
descarboxilação do piruvato em 1 CO2, 1 NADH e 1 acetil-CoA. 
Assim como o piruvato derivado da glicólise, os ácidos graxos são convertidos em acetil-CoA na mitocôndria e NADH e 
FADH2 também são gerados. 
No curso do seu processamento em acetil-CoA, apenas uma pequena parte da energia útil armazenada nesses 
alimentos é extraída e convertida em ATP ou NADH. A maior parte da energia permanece armazenada em acetil-CoA. O 
estágio na respiração no qual o grupo acetila da acetil-CoA é oxidado a CO2 e H2O no ciclo do ácido cítrico é, portanto, 
central para o metabolismo de energia dos organismos aeróbios. 
O grupo acetila em acetil-CoA é transferido para uma molécula denominada oxaloacetato para formar citrato (ácido 
cítrico), que entra em uma série de reações chamadas de ciclo do ácido cítrico. 
O grupo acetila transferido é oxidado a CO2 nessas reações, e grande quantidade do carreador de elétrons de alta 
energia NADH é gerada. 
A cadeia de oito reações forma um ciclo, porque o oxaloacetato que inicia o processo é regenerado no final. 
A fosforilação oxidativa é a única etapa no catabolismo oxidativo do alimento que requer diretamente O2 a partir da 
atmosfera 
Os átomos de oxigênio necessários para produzir CO2 a partir dos grupos acetila entrando no ciclo do ácido cítrico são 
supridos não por O2, mas por água. 3 moléculas de água são rompidas em cada ciclo, e os átomos de oxigênio de 
algumas delas são, em última instância, utilizados para produzir CO2. 
Uma concepção errada comum sobre a respiração aeróbia é que o O2 necessário para o processo é convertido em CO2, 
que é liberado como produto de refugo, não incorporado diretamente em CO2. 
 
 FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
Finalmente, os elétrons de alta energia de NADH são passados ao longo de uma série de enzimas dentro da membrana 
mitocondrial interna chamada de cadeia transportadora de elétrons, onde a energia liberada pela sua transferência é 
utilizada para conduzir o processo que produz ATP e consome oxigênio molecular (gás O2). 
Depende do transporte de elétrons no interior da membrana mitocondrial e do transporte de íons através dela. 
O processo consiste em dois estágios interligados, ambos conduzidos por complexos proteicos embebidos em uma 
membrana. 
Estágio 1. Elétrons derivados da oxidação de moléculas 
nutrientes (Acetil-CoA e lactato, por exemplo) ou de 
outras fontes são transferidos ao longo de uma série de 
carreadores de elétrons – chamados de cadeia 
transportadora de elétrons – embebidos na 
membrana. As transferências de elétrons liberam 
energia, que é utilizada para bombear prótons (H+), 
derivados da água que está onipresente nas células, 
através da membrana e, portanto, gerando um 
gradiente eletroquímico de prótons. Um gradiente de 
íons através de uma membrana é uma forma de 
estocar energia que pode ser aproveitada para produzir 
um trabalho útil quando os íons são permitidos a fluir 
de volta, novamente através da membrana, a favor do 
seu gradiente eletroquímico 
Estágio 2. Os H+ fluem de volta, a favor do gradiente eletroquímico, através de um complexo proteico chamado de ATP-
sintase, o qual catalisa a síntese de ATP a partir de ADP e fosfato inorgânico (Pi). Essa enzima onipresente funciona 
como uma turbina, fazendo com que o gradiente de prótons propulsione a produção de ATP. 
Os mecanismos quimiosmóticos (acoplamento quimiosmótico) permitem que as células aproveitem a energia da 
transferência de elétrons da mesma forma que a energia armazenada em uma bateria pode ser aproveitada para 
realizar um trabalho útil 
Distúrbio genético epilepsiamioclônica com fibras vermelhas rotas (MERRF): causada por uma mutação em um dos 
genes mitocondriais codificadores de RNA transportador (tRNA), é caracterizada por uma diminuição na síntese de 
proteínas mitocondriais necessárias para o transporte de elétrons e para a produção de ATP. Como resultado, pacientes 
com esse distúrbio experimentam, tipicamente, fraqueza muscular ou problemas cardíacos (dos efeitos no músculo 
cardíaco) e epilepsia ou demência (dos efeitos nas células nervosas). 
Os elétrons são rapidamente passados ao longo da cadeia até o oxigênio molecular (O2) para formar água (H2O). 
A maioria das proteínas envolvidas na cadeia transportadora de elétrons mitocondrial está agrupada em três grandes 
complexos enzimáticos respiratórios. Cada complexo inclui proteínas transmembrânicas que firmemente sustentam 
todo o complexo na membrana mitocondrial interna 
Na ordem em que recebem elétrons: (1) o complexo NADH-desidrogenase, (2) o complexo do citocromo b-c1 e (3) o 
complexo citocromo-oxidase. Cada um contém íons metálicos e outros grupos químicos que formam a rota para a 
passagem de elétrons através do complexo. 
Os complexos respiratórios são os sítios do bombeamento de prótons, e cada um pode ser entendido como uma 
máquina proteica que bombeia prótons através da membrana à medida que elétrons são transferidos por meio dela. 
O transporte de elétrons inicia quando um íon hidreto (H-) é removido da NADH e convertido em um próton e dois 
elétrons de alta energia: H- → H+ + 2e-. Essa reação é catalisada pelo primeiro dos complexos enzimáticos respiratórios, 
a NADH-desidrogenase, a qual é aceptora de elétrons da NADH. 
Os elétrons são transferidos ao longo da cadeia para cada um dos outros complexos enzimáticos, utilizando carreadores 
de elétrons móveis que transportam os elétrons entre os complexos. 
A transferência de elétrons através da cadeia é 
energeticamente favorável: os elétrons iniciam com 
uma energia muito alta e perdem-na a cada etapa à 
medida que passam ao longo da cadeia, 
eventualmente entrando na citocromo-oxidase, 
onde são combinados com uma molécula de O2 para 
formar água. 
O bombeamento de prótons gera um potencial de 
membrana através da membrana mitocondrial 
interna, com a sua face interna (região da matriz) 
negativa, e a face externa, positiva, como resultado 
do fluxo de saída de H+. 
O potencial de membrana se soma à força que impulsiona o arraste de retorno do H+ através da membrana, a qual é 
denominada força próton-motriz. Por essa razão, o potencial de membrana aumenta a quantidade de energia 
armazenada no gradiente de prótons 
 ATP-SINTASE 
A ATP-sintase cria uma via hidrofílica através da membrana mitocondrial interna que permite aos prótons fluírem de 
volta através da membrana, a favor do seu gradiente eletroquímico. À medida em que os prótons fazem a sua passagem 
através da enzima, eles são utilizados para dirigir a reação energeticamente desfavorável entre ADP e Pi para produzir 
ATP 
A ATP-sintase é uma grande proteína com várias subunidades. Uma grande porção enzimática, com o formato 
semelhante à cabeça de um pirulito, projeta-se para o interior da matriz e realiza a reação de fosforilação. 
Essa estrutura enzimática está fixada por 
meio de uma fina “haste” com várias 
subunidades a um carreador de prótons 
transmembrânico. 
À medida que os prótons passam através 
de um estreito canal dentro do carreador 
transmembrânico, seu movimento causa 
uma rotação rápida da haste dentro da 
cabeça, induzindo a cabeça a produzir 
ATP. 
Converte a energia do fluxo de prótons a favor de um gradiente na energia mecânica de dois conjuntos de proteínas 
friccionados um contra o outro – proteínas da haste em rotação empurrando proteínas fixas da cabeça. 
O movimento da haste muda a conformação das subunidades dentro da cabeça. Essa deformação mecânica converte a 
energia em ligações químicas quando as subunidades produzem o ATP 
Ela pode tanto aproveitar o fluxo de prótons a favor do seu gradiente eletroquímico para produzir ATP, quanto utilizar a 
energia da hidrólise do ATP para bombear prótons pela membrana, funcionando semelhantemente à bomba de H+. 
FADH2 evita o complexo NADH-desidrogenase, transferindo os seus elétrons para o carreador móvel ubiquinona. Esses 
elétrons entram mais abaixo na cadeia respiratória, promovendo um menor bombeamento de prótons e gerando 
menos ATP. 
Nas mitocôndrias, muitas moléculas com carga, como piruvato, ADP e Pi, são bombeadas para a matriz a partir do 
citosol, enquanto outras, como ATP, devem ser carreadas na direção oposta. 
Proteínas carreadoras que se ligam a essas moléculas podem acoplar o seu transporte ao fluxo energeticamente 
favorável de H+ para a matriz mitocondrial. Por exemplo, o piruvato e o fosfato inorgânico (Pi ) são cotransportados 
para dentro junto com H+ , à medida que esse último se move para a matriz. 
Uma proteína carreadora antiporte aproveita o gradiente de voltagem criado pelos prótons para expulsar ATP – e 
importar ADP – da matriz mitocondrial. Consequentemente, o gradiente eletroquímico de prótons em células 
eucarióticas é utilizado tanto para promover a formação de ATP quanto para transportar certos metabólitos através da 
membrana mitocondrial interna. 
Cada elétron é transferido em uma reação de oxidação-redução: os elétrons serão transferidos espontaneamente de 
uma molécula que tenha uma relativa baixa afinidade por seus elétrons disponíveis e, assim, possam perdê-los 
facilmente para moléculas com uma maior afinidade por elétrons. Por exemplo, a NADH com seus elétrons de alta 
energia possuem uma baixa afinidade por elétrons; então, seus elétrons são rapidamente transferidos para a NADH-
desidrogenase. 
Dentro de cada um dos três complexos enzimáticos respiratórios, os elétrons se movem principalmente entre átomos 
de metais que estão firmemente ligados às proteínas, e os elétrons viajam aos saltos entre um íon metálico e o próxi 
mo, dentro de uma afinidade crescente por elétrons. 
Em contrapartida, os elétrons são carreados entre os diferentes complexos res piratórios por moléculas que se 
difundem ao longo da bicamada lipídica, captando elétrons de um complexo e entregando-os ao próximo, em uma 
sequência ordenada. 
Um desses carreadores é uma quinona, uma pequena molécula hidrofóbica fundida à bicamada lipídica; na cadeia 
respiratória da mitocôndria, a quinona é denominada de ubiquinona. 
A ubiquinona capta elétrons do complexo NADH-desidrogenase e entrega-os ao complexo citocromo b-c1 
a ubiquinona possui um papel central no bombeamento através do complexo citocromo b-c1, conforme a quinona 
capta um H+ do meio aquoso, junto com cada elétron que ela carrega, vai liberar esse H+ quan do soltar o elétron 
Os citocromos constituem uma família de proteínas colorida; cada um contém um ou mais grupos heme cujos átomos 
de ferro mudam do estado férrico (Fe3+) para ferroso (Fe2+) sempre que aceitam um elétron. 
Bem ao final da cadeia respiratória, imediatamente antes do oxigênio, os carreadores de elétrons são aqueles do 
complexo citocromo-oxidase. Os carreadores aqui são tanto átomos de ferro em grupos heme quanto átomos de cobre 
firmemente ligados ao complexo de uma forma específica que confere a eles um alto potencial redox 
A citocromo-oxidase é um complexo proteico que recebe elétrons do citocromo c, oxidando-o, e doa esses elétrons para 
o oxigênio. 4 elétrons do citocromo c e 4 prótons do ambiente aquoso são adicionados a cada molécula de O2 na reação 
4e – + 4H+ + O2 → 2H2O. Além dos prótons que acoplam com o O2, quatro outros prótons são bombeados pela 
membrana durante a transferência de elétrons. 
Além dos prótons que acoplam com o O2, quatro outros prótons são bombeados pela membrana durante a 
transferência de elétrons 
É aqui que praticamente todo o oxigênio que respiramos é consumido, servindo como repositório para os elétrons que a 
NADH doou no inícioda cadeia transportadora de elétrons. O oxigênio é útil como um escoadouro de elétrons em 
virtude da sua alta afinidade por elétrons. 
Contudo, uma vez que o O2 tenha obtido um elétron, ele forma o radical superóxido O2–; esse radical é perigosamente 
reativo e irá avidamente captar outros três elétrons em qualquer lugar que possa encontrar. Uma das funções da 
citocromo-oxidase é prender firmemente a molécula de oxigênio até que os quatro elétrons necessários para convertê-
lo em duas moléculas de H2O estejam disponíveis, prevenindo, assim, um ataque aleatório às macromoléculas celulares 
por radicais superóxido – danos que se supõe serem a causa maior do envelhecimento humano. 
Os venenos cianeto e azida são extremamente tóxicos porque se li gam firmemente aos complexos celulares da 
citocromo-oxidase, parando o transporte de elétrons e consequentemente reduzindo muito a produção de ATP