O ciclo de Krebs, também chamado de ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico, é uma das etapas da respiração celular, um processo aeróbio para obtenção de energia que ocorre nas células de diversos organismos. No ciclo de Krebs, ocorre a oxidação completa das moléculas que são fontes de energia, como carboidratos e ácidos graxos.
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Na oxidação da glicose, o ciclo de Krebs apresenta, ao final do processo, um saldo de seis moléculas de NADH [nicotinamida adenina dinucleotídeo reduzido], duas moléculas de FADH2 [flavina adenina nucleotídeo reduzido], duas moléculas de ATP [adenosina trifosfato] e quatro moléculas de CO2 [dióxido de carbono]. Apresentamos a seguir a importância desse ciclo no processo de obtenção de energia, detalhando como ocorre cada uma de suas etapas.
O que é o ciclo de Krebs?
O ciclo de Krebs é uma das etapas da respiração celular, processo de obtenção de energia realizado na presença de oxigênio [processo aeróbio] pela maioria das células eucarióticas e algumas procarióticas. Nesse processo, ocorre a degradação de uma molécula orgânica, resultando em gás carbônico, água e energia como produtos finais. Essa energia é utilizada nas mais diversas reações que ocorrem nas células.
No ciclo de Krebs, ocorre a oxidação de fontes energéticas, como carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos, e são produtos dessa etapa o CO2 e elétrons altamente energéticos, armazenados em moléculas carreadoras de energia.
Importância e descoberta
O ciclo de Krebs é extremamente importante, pois ele é o principal responsável pela oxidação de carbonos que ocorre na maiorias das células. Assim, alguns de seus produtos podem ser transferidos ao citosol e ser usados em reações anabólicas, como a síntese de aminoácidos.
Tal ciclo recebe esse nome como uma forma de homenagear o pesquisador Hans Krebs, chefe do grupo de pesquisa que trabalhou nessa via metabólica, elucidando esse ciclo, nos anos de 1930. Por essa descoberta, Hans Krebs recebeu, em 1953, o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina.
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Glicólise e ciclo de Krebs
O ciclo de Krebs é responsável pela oxidação total da glicose no processo de respiração celular. No entanto, essa oxidação inicia-se em uma etapa anterior da respiração celular, a glicólise.
Na glicólise, a glicose, uma molécula constituída por seis átomos de carbono, é oxidada, dando origem a duas moléculas com três átomos de carbono, denominadas de piruvato. A glicose [carboidrato] é uma das principais fontes energéticas para a célula, sendo utilizada também na síntese de outras moléculas orgânicas. O saldo final da glicólise é de duas moléculas de piruvato, duas moléculas de ATP e duas de NADH.
Na presença de oxigênio, o piruvato é completamente oxidado. Em organismos procariontes, esse processo de oxidação ocorre no citosol da célula. Em organismos eucariontes, o processo ocorre nas mitocôndrias.
Cada molécula de piruvato que entra na mitocôndria é oxidada, formando grupo acetil [-CH3CO] e sendo descarboxilada, liberando CO2. Nessa etapa, são formadas também duas moléculas de NADH. O grupo acetil liga-se à coenzima A [CoA], formando o acetilcoenzima A ou acetil-CoA, que, em seguida, torna-se substrato para o ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs.
Etapas do ciclo de Krebs
O ciclo de Krebs inicia-se com a entrada do acetil-CoA produzido anteriormente. O grupo acetil da acetil-CoA reage com o oxaloacetato, um ácido constituído por quatro carbonos, formando o citrato [forma oxidada do ácido cítrico], que é constituído por seis carbonos. A coenzima-A é, então, liberada para se ligar a um novo grupo acetil. A seguir ocorrem reações que causam a degradação do citrato gradualmente. Nesse processo, ocorrem a remoção e a oxidação de dois de seus átomos de carbono, formando CO2. O oxaloacetato é regenerado e pode reagir com outro acetil-CoA, iniciando novamente o ciclo. É importante destacar que cada etapa do ciclo de Krebs é catalizada por uma enzima específica.
À medida que ocorre a oxidação do citrato, energia é liberada e utilizada na produção de moléculas carreadoras de energia. Em cada ciclo, para cada grupo acetil, uma molécula de ADP é convertida em ATP; 3 NAD+ são reduzidas a NADH; a FAD recebe dois elétrons e dois prótons, formando FADH2.
Algumas células animais podem formar também GTP [trifosfato de guanosina]. Essa molécula assemelha-se ao ATP, podendo ser utilizada para a produção de ATP ou diretamente pela célula. Considerando que cada molécula de glicose produz dois acetil-CoA, ao final do ciclo de Krebs, terão sido produzidos 6 NADH, 2 FADH2 e 2 ATP.
Equação geral do ciclo de Krebs
O ciclo de Krebs pode ser descrito por meio da seguinte equação geral:
Oxaloacetato + acetil-CoA + 3 H2O + ADP + Pi + 3 NAD+ + FAD → Oxaloacetato + 2CO2 + CoA+ ATP + 3NADH + 3H+ + FADH2 |
Embora a mitocôndria possua seu próprio DNA, suas funções são muito mais dependentes das proteínas codificadas pelo núcleo do citosol, ao quais são importantes do ciclo do ácido tricarboxílico ou ciclo de Krebs. Este ciclo representa o segundo estádio da respiração e ocorre na matriz mitocondrial. Para iniciar as reações, é necessária a entrada do piruvato que foi formado no citosol através das reações de glicólise, porém a membrana interna da mitocôndria é impermeável ao piruvato, dessa forma, existe um transportador de piruvato [monocarboxilado] que catalisa uma mudança elétrica através da membrana interna resultando em piruvato e OH-.
- Uma vez dentro da matriz mitocondrial, o piruvato é descarboxilado oxidativamente pela enzima descarboxilase do piruvato para produzir NADH, CO2 e ácido acético.
- O ácido acético é ligado via uma ligação tioéster a um cofator contendo enxofre, coenzima A [CoA], para formar Acetil CoA.
- A enzima sintase do citrato liga o acetil CoA com o oxalacetato [OAA], um ácido carboxílico de 4 carbonos, para formar um o citrato [ácido tricarboxílico de 6 carbonos].
- O citrato é então isomerizado à isocitrato pela enzima aconitase. As próximas duas reações são sucessivas descarboxilação oxidativas, cada uma delas produzindo um NADH e liberando uma molécula de CO2.
- Produção de succinil-CoA [molécula de 4 carbonos].
- A molécula de succinil-CoA é convertida em succinato pela sintetase do succinil-CoA.
- O succinato resultante é oxidado a fumarato pela desidrogenase do succinato, que é a única enzima associada a membrana do ciclo de Krebs e é considerada como um componente do complexo II da cadeia transportadora de elétrons.
- Os elétrons removidos do succinato são transferidos para outro cofator, o FAD. O FAD é ligado covalentemente ao sítio da desidrogenase do succinato e passa por uma redução reversível de 2 elétrons para produzir FADH2 [FAD + 2 e- + 2 H+]. Ao final das duas reações do ciclo do ácido tricarboxílico, fumarato é hidratado para produzir malato.
- O malato é oxidade pela desidrogenase do malato a OAA, produzindo uma molécula de NADH
- O OAA produzido é agora capaz de reagir com outro acetil CoA e continuar o ciclo.
A oxidação do piruvato na mitocôndria dá origem a 3 moléculas de CO2, e muita da energia livre liberada por estas oxidações é armazenada na forma reduzida de NAD+ [4 NADH] e FAD [1 FADH2]. Em adição uma molécula de ATP é produzida pela fosforilação ao nível de substrato durante o ciclo Krebs.
Figura 1. As reações do ciclo do ácido cítrico [Buchanan et al., 2015]
A primeira reação do ciclo é a condensação do acetil-CoA com o oxaloacetato para formar citrato, catalisado pela sintase do citrato:
- Formação do isocitrato via cis-aconitato
A enzima aconitase catalisa a transformação reversível do citrato em isocitrato, por meio da formação intermediária do cis-aconitato, um ácido tricarboxílico que, normalmente, não se dissocia do sítio ativo. A aconitase pode promover a adição reversível de água na dupla ligação do cis-aconitato ligado no sítio catalítico da enzima por dois caminhos diferentes, um levando a citrato e o outro a isocitrato:
Embora a mistura em equilíbrio em pH 7,4 e 25°C contenha menos que 10% de isocitrato, na célula a reação é desloca da para a direita, porque o isocitrato é rapidamente consumido no passo subseqüente do ciclo, diminuindo a concentração de equilíbrio estacionário. A aconitase contém um centro ferro-enxofre que atua tanto na ligação do substrato no sítio ativo quanto na catálise da adição ou remoção de água.
- Oxidação do isocitrato a α-cetoglutarato
No passo seguinte, a desidrogenase do isocitrato catalisa a descarboxilação oxidativa do isocitrato para formar o α-cetoglutarato. O Mn2+ no sítio ativo interage com o grupo carbonila do produto intermediário, o oxalossuccinato, que é formado de forma transitória mas não abandona o sítio de ligação até que a descarboxilação o converte em α-cetoglutarato. O Mn2+ também estabiliza o enol formado transitoriamente pela descarboxilação:
Nas células existem duas formas diferentes da desidrogenase isocítrica, uma que emprega o NAD+ como receptor de elétrons e outra que emprega o NADP+. A reação global catalisada pelas duas isoenzimas é idêntica nos demais aspectos. Nas células eucarióticas, a enzima dependente de NAD é encontrada na matriz mitocondrial e atua no ciclo do ácido cítrico. A isoenzima dependente de NADP é encontrada tanto na matriz mitocondrial quanto no citosol e sua função mais importante deve ser a geração de NADPH, que é essencial nas reações anabólicas de redução.
- Oxidação do α-cetoglutarato a succinil-CoA e CO2
O passo seguinte é outra descarboxilação oxidativa, nela o α-cetoglutarato é convertido em succinil-CoA e CO2 pela ação do complexo da desidrogenase do α-cetoglutarato e o NAD+ serve como receptor de elétrons e o CoA como carreador do grupo succinil. A energia de oxidação do α-cetoglutarato é conservada pela formação de uma ligação tioéster do succinil-CoA:
- Conversão da succinil-CoA em succinato
Como o acetil-CoA, o succinil-CoA tem uma energia livre-padrão de da hidrólise de sua ligação tioéster forte e negativa [ΔG’ = -36 kJ/mol]. No próximo passo do ciclo de Krebs, a energia liberada no rompimento dessa ligação é empregada para dirigir a síntese de uma ligação de anidrido fosfórico , com uma ΔG’ de apenas -2,9kJ/mol. No processo, é formado o succinato:
- Oxidação do succinato a fumarato
O succinato formado a partir do succinil-CoA é oxidado a fumarato pela enzima desidrogenase do succinato:
- Hidratação do fumarato produz malato
A hidratação reversível do fumarato em L-malato é catalisada pela fumarase. O intermediário no estado de transição dessa reação é um carbaníon:
- A oxidação do malato a oxaloacetato
Na ultima reação do ciclo de Krebs a desidrogenase do malato, ligada ao NAD, catalisa a oxidação do malato em oxalocatato:
Embora as reações individuais do ciclo do ácido cítrico tenham sido inicialmente estudadas in vitro, tendo como material de trabalho extratos de tecido muscular macerado, tanto a via como sua regulação também foram extensivamente estudas in vivo. Pelo emprego de precursores marcados radioativamente, como, por exemplo, [14 C] piruvato e [14 C] acetato, os pesquisadores podem acompanhar o destino individual de cada átomo de carbono por meio do ciclo de Krebs.
O ciclo do ácido cítrico tem um papel central nos mecanismos metabólicos de obtenção e preservação de energia, no entanto, seu papel não está limitado a esses processos. Intermediários com quatro e cinco átomos de carbono do ciclo são empregados como precursores biossintéticos de uma grande variedade de substâncias. Para substituir as moléculas desses intermediários removidos com esse propósito, as células empregam as reações anapleróticas.
Veja também:
Regulação e Inibição do Ciclo de Krebs
- Referências Bibliográficas:
Buchanan, B. B.; Gruissem,w.; Jones, R. L. Biochemistry e Molecular Biology of Plants. 2. Ed. Chichester: Wiley-Blackwell, 2015. 1283p
Lehninger, A. L.; Nelson, D. L.; Cox, M. M. Princípios da Bioquímica de Lehninger. 6. Ed. Porto Alegre: Artmed, 2014. 425p.
Taiz, L.; Zeiger, E.; Moller, L. M.; Murfhy, A. Fisiologia e desenvolvimento vegetal. 6. Ed. Artmed, 2017. 528 p.
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