CADEIA TRANSPORTADORA DE ELÉTRONS

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UFRPE – Departamento de Morfologia e Fisiologia Animal – 
Área de Bioquímica e Biofísica – Prof. Marcos Correia 
 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA: CADEIAS TRANSPORTADORAS DE ELÉTRONS 
A fosforilação oxidativa é o ponto máximo do metabolismo de produção de energia nos 
organismos aeróbios. Todas as etapas oxidativas na degradação dos carboidratos, gorduras e 
aminoácidos convergem para este estágio final da respiração celular, no qual a energia de 
oxidação leva à síntese de ATP. Já na fotofosforilação, os organismos fotossintetizadores 
capturam a energia da luz solar – a fonte final de energia na biosfera – e a utiliza para produzir 
ATP. Juntas, fosforilação oxidativa e fotofosforilação contribuem com a maior parte do ATP 
sintetizado pela maioria dos organismos. 
Nos eucariotos, a fosforilação oxidativa ocorre na mitocôndria, e fotofosforilação nos 
cloroplastos. A fosforilação oxidativa envolve a redução de O2 a H2O por elétrons doados pelo 
NADH e pelo FADH2; isso ocorre tanto na presença de luz como no escuro. Fotofosforilação 
envolve a oxidação de H2O a O2, com NADP
+ como receptor final de elétrons, sendo 
absolutamente dependente da energia luminosa. Apesar de suas diferenças, esses dois 
processos altamente eficientes de conversão de energia têm mecanismos fundamentalmente 
similares. 
A compreenão da síntese do ATP na mitocôndria e nos cloroplastos está baseada na hipótese 
de Peter Mitchell (1961) de que as diferenças transmembrânica na concentração de prótons 
são reservatórios de energia extraída das reações de oxidações biológicas. Esta teoria 
quimiosmótica tem sido aceita como um dos grandes princípios unificadores da biologia no 
século XX, e que proporciona uma compreensão dos processos de fosforilação oxidativa e 
fotofosforilação, e da discrepância aparente da transdução de energia como o transporte ativo 
através de membrana e do movimento flagelar de bactéria. 
As semelhanças entre os processos de fosforilação oxidativa e fotofosforilação estão em três 
aspectos: (1) envolve o fluxo de elétrons por meio carreadores ligados à membrana. (2) A 
energia livre que se torna disponível por esta “descida” (exergônica) de fluxo de elétrons é 
associada ao transporte “ascendente” através da membrana impermeável a prótons, 
conservando a energia livre da oxidação de combustível como um potencial eletroquímico 
transmembrânico. (3) O fluxo transmembrana de prótons diminui seu gradiente de 
concentração através de canais de proteína específicos e fornece a energia livre para a síntese 
de ATP, catalisada por um complexo proteico (ATP sintetase) que acopla o fluxo de prótons à 
fosforilação do ADP. 
FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA 
Reações de transferência de elétrons na mitocôndria 
A matriz mitocondrial contem o complexo piruvato desidrogenase, as enzimas do ciclo do 
ácido cítrico, via da β-oxidação dos ácidos graxos e as vias de oxidação dos aminoácidos – 
todas as vias de oxidação de moléculas energéticas, com exceção da glicólise, que ocorre no 
citossol. A membrana interna. Seletivamente permeável, segrega os compostos intermediários 
e enzimas das vias metabólicas citossólicas daquelas dos processos metabólicos que ocorrem 
na matriz mitocondrial. No entanto, transportadores específicos carreiam piruvato, ácidos 
2 
 
graxos e aminoácidos ou seus ceto-derivados para dentro da matriz para que acessem a -
maquinaria do ciclo do ácido cítrico. ADP e Pi são especificamente transportados para dentro 
da matriz, bem como o ATP sintetizado é transportado para fora. 
Cadeia transportadora de elétrons 
A fosforilação oxidativa começa com a entrada de elétrons na cadeia respiratória. A maior 
parte desses elétrons provem da ação de desidgrogenases que coletam elétrons das vias 
catabólicas e os canalizam em receptores universais de elétrons – nucleotídeos de 
nicotinamida (NAD+ ou NADP+) ou nucleotídeos flavínicos (FMN ou FAD). Cinco tipos de 
carreadores de elétrons estão presentes na cadeia transportadora de elétrons: 
desidrogenases, flavoproteínas, ubiquinona, citocromos e proteínas Fe-S. 
Desidrogenases. Ligadas a nucleotídeos de nicotinamida, catalisam reações reversíveis dos 
tipos: 
 Substrato reduzido + NAD+ substrato oxidado + NADH + H+ 
 Substrato reduzido + NADP+ substrato oxidado + NADPH + H+. 
A maioria das desidrogenases que agem em catabolismo é específica para NAD+ como receptor 
de elétrons. Algumas estão mo citossol, outras estão na mitocôndria, e outras ainda têm 
isoenzimas mitocondriais e citossólicas. 
Algumas reações importantes catalisadas por Desidrogenases ligadas a NAD(P)H 
Reação Local* 
Ligada a NAD: 
α-Cetoglutarato + CoA + NAD+ succinil-CoA + NADH + H+ 
L-Malato + NAD+ oxalacetato + NADH + H+ 
Piruvato + CoA + NAD+ acetil-CoA + NADH + H+ 
Gliceraldeído 3-fosfato + Pi + NAD
+ 1,3-bifosfoglicerato + NADH + H+ 
Lactato + NAD+ piruvato + NADH + H+ 
β-Hidroxiacil-CoA + NAD+ β-cetoacil + NADH + H+ 
 
Ligada a NADP: 
Glicose 6-fosfato + NADP+ 6-fosfogluconato + NADPH + H+ 
 
Ligada a NAD ou NADP 
L-Glutamato + H2O + NAD(P)
+ α-cetoglutarato + NH4
+ + NAD(P)H + H+ 
Isocitrato + NAD(P)+ α-cetoglutarato + CO2 + NAD(P)H + H
+ 
 
M 
M e C 
M 
C 
C 
M 
 
 
C 
 
 
M 
M e C 
(*) M se refere à mitocôndria e C ao citossol. 
Desidrogenases NAD-ligadas removem dois átomos de hidrogênio de seus substratos. Um dos 
quais é transferido como um íon hidreto (:H–) ao NAD+; o outro é liberado como H+ no meio. 
NADH e NADPH são carreadores de elétrons hidrossolúveis que se associam reversivelmente 
com as desidrogenases. NADH carreiam elétrons das reações catabólicas ao seu ponto de 
entrada na cadeia respiratória. NADPH geralmente fornece elétrons às reações anabólicas. As 
células mantêm reservatórios separados de NADPH e NADH, com diferentes potenciais redox. 
Isto é realizado pela manutenção de razões de [forma reduzida]/[forma oxidada] 
relativamente alta para NADPH e relativamente baixa para NADH. Nem NADH nem NADPH 
3 
 
pode atravessar a membrana interna da mitocôndria, mas os elétrons que carregam podem 
ser lançados através desta indiretamente. 
Flavoproteínas contêm um nucleotídeo flavínico, estreitamente, algumas vezes 
covalentemente, ligado, tanto FMN ou FAD. O nucleotídeo flavínico pode aceitar tanto um 
elétron, produzindo a forma semiquinona, ou dois, produzindo FADH2 ou FMNH2. 
 A cadeia respiratória mitocondrial consiste de uma série de carreadores de elétrons que 
atuam em sequência que, em sua maioria, são proteínas integrais com grupos prostéticos 
capazes de receber e doar um ou dois elétrons. Três tipos de transferência de elétrons 
ocorrem na oxidação fosforilativa: (1) transferência direta de elétorns, como na redução de 
Fe3+ a Fe2+; (2) transferência como átomo de hidrogênio (H+ + e–); e (3) transferência como íon 
hidreto (:H–), que suporta dois elétrons. O termo equivalente de redução é usado para 
designar um simples equivalente em elétron transferido em uma reação de oxi-redução. 
Coenzimas Q. Além do NAD e das flavoproteínas, três outros tipos de moléculas carreadoras 
de elétrons funcionam na cadeia respiratória: uma quinona hidrofóbica (ubiquinona) e dois 
tipos diferentes Fe-proteínas (citocromos e Fe-S-proteínas). A ubiquinona, também chamada 
coenzima Q, ou simplesmente Q, é uma benzoquinona lipossolúvel com uma longa cadeia 
lateral isoprenóide. Em plantas, nos cloroplastos, ocorre um composto correlato, a 
plastoquinona e, em bactérias, a menaquinona. 
O
O
O
O
CH3
CH3
CH3
(CH2-CH=C(CH 3)-CH 2)10-H
O
OH
O
O
CH3
CH3
CH3
(CH2-CH=C(CH 3)-CH 2)10-H
OH
OH
O
O
CH3
CH3
CH3
(CH2-CH=C(CH 3)-CH 2)10-H
Ubiquinona (Q)
(completamente oxidada)
Radical semiquinona
.
HQ
Ubiquinol (QH
2
)
completamente reduzido
Ubiquinona (Q ou CoQ). A redução completa 
da ubiquinona requer dois elétrons e dois 
próton, e ocorre em duas etapas passando 
pelo radical intermediário semiquinona.
 
4 
 
Citocromos. são proteínas com forte absorção da luz visível, devidoao seu grupo prostético 
contendo Fe. A mitocôndria contem três classes de citocromos, designados a, b e c, 
distinguidos pelas diferenças em seus espectros de absorção de luz. Cada tipo de citocromo 
em seu estado reduzido (Fe2+) tem três bandas de absorção na faixa visível. A banda de maior 
comprimento de onda fica próxima de 600 nm nos citocromos tipo a, próxima a 560 nm no 
tipo b, e próxima a 550 nm no tipo c. Para distinguir mais precisamente entre citocromos de 
um mesmo tipo, a absorção máxima é às vezes usada nos nomes, como no citocromo b562. 
O cofator heme dos citocromos a e b estão fortemente, mas não covalentemente, associados à 
proteína; o heme dos citocromos do tipo c estão covalentemente ligados por resísudos de Cys. 
Os citocromos do tipo a e b e alguns do tipo c são proteínas integrais da membrana interna. Os 
citocromos c da mitocôndria são proteínas solúveis que se associam por cargas eletrostáticas à 
superfície externa da membrana interna. 
N
N
FeN
N
CH3
CH2
CH2
CH3
CH3
COO
-
COO
-
N
N
FeN
N
CH3
CH3
CH3
CH3
CH3
COO
-
COO
-
SCys
S Cys
N
N
FeN
N
CH3
CH2
CH3
C COO
-
COO
-
CH3
CH3 CH3 CH3
OH
O
H
Ferro-protoporfirina IX (em citocromos 
tipo b)
Heme C (em citocromo do tipo c)
Heme A (em citocromos do tipo a)
 
Grupos prostéticos dos citocromos. Cada grupo consiste de quatro anéis 
contendo nitrogênio, formando uma estrutura cíclica chamada porfirina. 
Cada nitrogênio estão coordenados com um átomo de Fe central, tanto Fe2+ 
ou Fe3+. 
5 
 
Proteínas Fe-S. Apresentam um átomo de ferro, não na forma hem, mas associado com 
átomos inorgânicos de enxofre ou com o enxofre de resíduos de Cys na proteína. Estes centros 
variam de simples estruturas com apenas um átomo de Fe coordenado a quatro grupos Cys-SH 
a centros de Fe-S mais complexos com dois ou quatro átomos de Fe coordenados a dois 
resíduos de histidina. Todos as proteínas Fe-S participam na transferência de um elétron na 
qual um átomo de ferro do grupo é oxidado ou reduzido. Pelo menos oito proteínas Fe-S 
funcionam na transferência de elétrons mitocondrial. Na reação global catalisada pela cadeia 
respiratória mitocondrial, os elétrons se movem do NADH, succinato, ou qualquer outro 
doador primário de elétrons através das flavoproteínas, ubiquinona e proteínas Fe-S, 
citrocromos pra, finalmente, o O2. 
 
 
 
Potenciais padrões de redução da cadeia respiratória e seus 
respectivos carreadores de elétrons 
 
Reação redox (meia reação) E’0 (V) 
2H+ + 2e–  H2 
NAD+ + H+ + 2e–  NADH 
NADP+ + H+ + 2e–  NADPH 
NADH desidrogenase (FMN) + 2e–  NADH desidrogenase (FMNH2) 
Ubiquinona + 2H+ + 2e–  ubiquinol 
Citocromo b (Fe3+) + e–  citocromo b (Fe2+) 
Citocromo c1 (Fe
3+) + e–  citocromo c1 (Fe
2+) 
Citocromo c (Fe3+) + e–  citocromo c (Fe2+) 
Citocromo a (Fe3+) + e–  citocromo a (Fe2+) 
Citocromo a3 (Fe
3+) + e–  citocromo a3 (Fe
2+) 
⅟2O2 + 2H
+ + 2e–  H2O 
-0,414 
-0,320 
-0,324 
-0,300 
0,045 
0,077 
0,220 
0,254 
0,290 
0,350 
0,8133 
 
Complexos multienzimáticos da cadeia transportadora de elétrons 
Os carreadores de elétrons da cadeia respiratória estão organizados em complexos 
supramoleculares embutidos na membrana interna mitocondrial, e que podem ser fisicamente 
separados. São divididos em quatro complexos multienzimáticos. Os complexos I e II catalisam 
a transferência de elétrons para a ubiquinona (Q) a partir de dois diferentes doadores NADH 
(pelo Complexo I) e succinato (pelo Complexo II). O Complexo III carreia elétrons da 
Centros Ferro-Enxofre, (a) com apenas um íon Fe cercado por átomos de S de 
quatro resíduos de cisteína; (b) com átomos de enxofre inorgânico e de cisteína 
(2F-2S) e (c) com 4Fe-4S. 
6 
 
ubiquinona reduzida para para o citocromo c, e o Complexo IV completa a sequência 
transferindo os elétrons do citocromo c para o O2. 
Os componentes proteicos da cadeia transportadora de elétrons mitocondrial 
Complexo/proteína Massa (kDa) 
Número de 
subunidades* 
Grupo(s) 
prostétio(s) 
I NADH desidrogenase 
II Succinato desidrogenase 
III Ubiquinona citocromo c oxirredutase 
 Citocromo c** 
IV Citocromo oxidase 
850 
140 
250 
13 
160 
43 (14) 
4 
11 
1 
13 (3-4) 
FMN, Fe-S 
FAD, Fe-S 
Hemes, Fe-S 
Heme 
Hemes; CuA, CuB 
(*) Subunidades encontradas em bactérias entre parentheses 
 (**) O Citocromo c não faz parte de um complexo enzimático; apenas move-se livremente entre os Complesos III e 
IV. 
O Complexo I: NADH para a Ubiquinona. 
Também chamado NADH:ubiquinona oxirredutase ou NADH desidrogenase, é uma grande 
enzima composta por 42 diferentes cadeias polipeptídicas, incluindo uma flavoproteína 
contendo FMN e pelo menos seis centros Fe-S. Catalisa dois processos acoplados: (1) a 
transferência para ubiquinona de um íon hidreto do NADH e um próton da matriz 
mitocondrial, representado pela reação abaixo 
 NADH + H+ + Q  NAD+ + QH2 
e (2) a transferência exergônica de quatro prótons da matriz para o espaço intermembranas. O 
Complexo I é, desse modo, uma bomba de próton acionada pela energia da transferência de 
elétrons. A matriz fica negativamente carregada com a saída dos prtóns, e o espaço entre as 
membranas fica positivamente carregado com a chegada de prótons. A equação global fica, 
então, escrita desse modo: 
 NADH + 5H+N + Q  NAD
+ + QH2 + 4H
+
P 
Onde os índices N e P no próton indicam a natureza vetorial do processo, lado negativo (matriz) 
e positivo (intermembrana), respectivamente. 
 
7 
 
O Complexo II: do Succinato para a Ubiquinona 
O complexo II é a succinato desidrogenase, a única enzima do ciclo do ácido cítrico que está 
ligada à membrana. Embora menor e mais simples que o complexo I, esta contém cinco grupos 
prostéticos de dois tipos e quatro diferentes subunidades proteicas. Suas subunidades C e D 
são proteínas integradas à membrana, cada uma com três hélices transmembrânica. Elas 
contêm um grupo heme, um heme b e um sítio de ligação para a ubiquinona, o receptor final 
de elétrons da reação catalisada pelo Complexo II. As subunidade A e B se estendem para 
dentro da matriz (ou do citossol, em bactérias); elas contêm três centros 2Fe-2S, um FAD 
ligado, e um sítio para o substrato succinato. O caminho de transferência de elétron do sítio do 
succinato para o sítio do FAD, e dos centros Fe-S para o sítio da ubiquinona excede 40 Å, mas 
entre os sítios individuais a distância é de apenas 11 Å, razoável para uma rápida transferência 
de elétrons. 
 
 
Complexo III: da Ubiquinona ao Citocromo c 
Também conhecido como complexo citocromo bc1 ou ubiquinona:citocromo c oxidorredutase, 
combina a transferência de elétrons do ubiquinol (QH2) para o citocromo c com o transporte 
vetorial de prótons da matriz para o espaço intermembranas. Este complexo é um dímero de 
dois monômeros idênticos, cada um com 11 subunidades. Cada monômero apresenta um core 
funcional tem três subunidades: citocromo b com dois hemes (bH e bL); proteína Fe-S de Rieske 
com seu centro 2Fe-2S; e citocromo c1 com seu heme. 
8 
 
 
O processo de passagem de elétrons e prótons da ubiquinona para o citocromo c é 
denominado de ciclo Q, e é dado pela equação: 
 QH2 + 2 cit c1(oxidado) + 2H
+
N  Q + 2 citc1(reduzido) + 4H
+
P 
O ciclo Q acomoda a chave entre a ubiquinona (carreadora de 2 elétrons) e os citocromos b592, 
c1 e c (carreadores de um elétron), e explica estequiometria que indica a translocação de 
quatro próton por par de elétrons que passa através do Complexo III para o citocromo c. 
Embora o caminho dos elétrons através desse seguimento seja complicado, o efeito resultante 
,da transferência é simples: QH2 é oxidado a Q e duas moléculas de citocromo c são reduzidas. 
O citocromo c é uma proteína solúvel no espaço intermembrana. Após seu heme aceitar um 
elétron do Complexo III, este se move para o Complexo IV para doar este elétron para um 
centro binuclear de cobre.QH2 + cit c1(ox)  •Q + 2H
+
P + cit c1(red) QH2 + •Q + 2H
+
N + cit c1(ox)  QH2 + 2H
+
P + Q + cit c1(red) 
Equação líquida: 
QH2 + 2 cit c1(oxidado) + 2H
+
N  Q + 2 cit c1(reduzido) + 4H
+
P 
9 
 
 
Complexo IV: do Citocromo c para o O2 
O Complexo IV, também conhecido como Citocromo oxidase, carreia elétrons do citocromo c 
para o oxigênio molecular (O2) reduzindo-o a água. O Complexo IV é uma grande enzima (13 
subunidades; Mr 204.000) da membrana interna. Em bactérias, há uma forma similar com 3 ou 
4 subunidades apenas, mas ainda com capacidade de carrear elétrons e bombear prótons. Sua 
subunidade II, na mitocôndria, contem dois íons Cu complexados com grupos SH de dois 
resíduos de cisteína em um centro binuclear (CuA) que se assemelha aos centros 2Fe-2S das 
proteínas ferro-enxofre. A subunidade I contem dois grupos heme, designados a e a3, e um 
outro íon cobre (CuB). Heme a3 e CuB formam um segundo centro binuclear que aceitam 
elétrons do heme a e transferem para o O2, então ligado ao heme a3. 
Os elétrons transferidos pelo Complexo IV passam do citocromo c para centro CuA, para o 
heme a, para o heme a3centro CuB e, finalmente, para o O2. Para cada quatro elétrons que 
passam pelo complexo, a enzima consume quatro “substratos” H+ da matriz (lado N) para 
converter O2 em H2O e usa também energia desta reação redox para bombear um próton para 
o espaço intermembrana (lado P) para cada elétron que passa, aumentando o potencial 
eletroquímico produzido pelos Complexos I e III. A reação geral catalisada pelo Complexo IV é: 
 4 Cit c (reduzido) + 8H+ + O2  4 cit c (oxidado) + 4H
+ + 2H2O 
 
 
 
Fluxo de elétrons através do 
Complexo IV. Os elétrons 
transferidos pelo Complexo IV 
passam do citocromo c para centro 
CuA, para o heme a, para o heme 
a3centro CuB e, finalmente, para o 
O2. 
10 
 
Energia de Trasnferência de Elétrons e Gradiente de Prótons 
A transferência de dois elétrons do através da cadeia respiratória para o oxigênio molecular 
pode ser escrita como 
 NADH + H+ + ⅟2O2  NAD
+ + H2O 
Esta reação é altamente exergônica. Para o par redox NAD+/NADH, E’° é igual a 0,320 V, e 
para o par O2/H2O, 0,816 V. O E’° para esta reação é 1,14 V e a variação de energia-livre 
padrão é dada por 
 G’° = -n.F . E’° 
 = -2.(96,5 kJ/V).(1,14V) 
 = -220 kJ/mol (do NADH) 
 
 
 
A maior parte dessa energia é utilizada para bombear prótons, que fica uma reserva 
energétiva no espaço intermembrana. A reação geral fica então escrita como 
 NADH + 11H+N + ⅟2O2  NAD
+ + 10H+P + H2O 
Síntese do ATP 
A energia liberada pela passagem de elétrons libera uma energia livre de cerca de 200 kJ (por 
mol de par de elétron), e a formação de um mol de ATP requer cerca de 50 kJ. A questão a 
saber é: qual o mecanismo que acopla o fluxo de prótons com a fosforilação? 
O modelo quimiosmótico, proposto por Peter Mitchell, alega que energia eletroquímica 
inerente na diferença de concentração de prótons e a separação de carga através da 
membrana interna da mitocôndria – força próton-motriz – leva ATP quando os prótons fluem 
passivamente de volta à matriz, através de um poro de próton associado à ATP sintetase. 
Assim sendo, a equação para a síntese do ATP pode ser escrita a seguinte forma: 
 ADP + Pi + nH
+
P  ATP + H2O + nH
+
N 
11 
 
O mecanismo quimiosmótico proposto por Mitchell é comprovado quando mitocôndrias 
isoladas são suspendidas em em uma solução tampão contento ADP, Pi, e um substrato 
oxidável, como o succinato. Então três processos, que são facilmente mensuráveis, ocorrem: 
(1) o substrato é oxidado (o succinato é convertido em fumarato), (2) O2 é consumido e (3) ATP 
é sintetizado. O consumo de oxigênio e a síntese de ATP depende da presença de um substrato 
oxidável (succinato, no caso) bem como de ADP e Pi. 
 
 
 Modelo quimiosmótico. Observa-se o fluxo de elétrons com a 
transferência de prótons para o espaço intermembrana, e o retorno 
de prótons, ocasionando a síntese de ATP.