Biomedicina em Ação: Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico)

Sempre que vamos estudar bioquímica metabólica, a primeira coisa que vem à cabeça é o famoso Ciclo de Krebs e o Mapa Metabólico, que assusta muita gente. Neste post, totalmente revisado, nós vamos te ajudar a entender melhor as reações do ciclo e fazer você se apaixonar por ele! Ah, vai... se você não se apaixonar, pelo menos que ajude a estudar para a prova! Já é um grande avanço, não? Rsrs

Antes de começar esta leitura, é interessante que leia o nosso post sobre a Via Glicolítica (ou Glicólise), já que o Ciclo de Krebs é a continuação do metabolismo da glicose.

Então, vamos lá! Esqueçam a ideia de que a Bioquímica Metabólica é Diabólica, tomem fôlego e vamos à postagem!

Terminada a glicólise! E olha que era apenas a primeira etapa da complexa oxidação da glicose. Vamos lembrar o que temos até agora: um saldo positivo de 2 ATP, 2 Piruvatos e 2 NADH.

O Piruvato formado segue um dos seus três destinos: formação do etanol ou lactato (ambas são vias anaeróbicas); ou a formação da Acetil-CoA (via aeróbica - do Ciclo de Krebs). Os organismos mais desenvolvidos como o homem, transformam o Piruvato em Acetil-CoA, para que no final, ele seja oxidado a H₂O e CO₂.

Destinos do Piruvato. Fonte: Researchgate.

As células musculares podem seguir a via do Acetil-CoA ou do Lactato, sendo que nesta última não há um grande saldo de ATP. Por isso, é uma via utilizada em situações de emergência, como exercícios físicos sem preparação.

A via aeróbica do Ciclo de Krebs (que também pode ser chamado de Ciclo do Ácido Cítrico ou ainda Ciclo do Ácido Tricarboxílico- Ciclo TCA, pois algumas moléculas do ciclo possuem 3 carboxilas) é a mais complexa. Isso porque, para que o ciclo se inicie, o Piruvato deve ser convertido a Acetil-CoA, uma molécula de alta energia, com 2 carbonos.

Imagine o nosso caminho até agora: a glicose entrou na célula, no citosol ocorreu a glicólise, e agora vamos para a matriz mitocondrial (de todas as células do organismo) para entender melhor como funciona o Ciclo de Krebs!

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Como o Piruvato é convertido à Acetil-CoA?

Desde os nossos estudos sobre a Glicólise, vimos que a glicose é um composto que alimentará o Ciclo de Krebs (vamos continuar chamando-o de CK, ok?). Entretanto, vários outros compostos podem ser precursores do ciclo, como aminoácidos e ácidos graxos. Neste post, o foco continuará sendo a glicose. Por este motivo, antes de começarmos de fato a falar sobre o CK, é preciso entender a produção da Acetil-CoA a partir do Piruvato.

Para que o ciclo se inicie, ocorre uma reação irreversível de descarboxilação oxidativa, na qual o grupo carboxila é removido do Piruvato na forma de uma molécula de CO₂ e há a oxidação do grupo hidroxila a um grupo acetil, unindo-se à a coenzima A.

Com outras palavras, o Piruvato é uma molécula que contém 3 carbonos em sua estrutura, e ao entrar na mitocôndria, 1 carbono é retirado, saindo na forma de CO₂ . Resta o grupo acetil, que é fixada no –SH de uma substância conhecida como CoA (Coenzima A) formando a Acetil-CoA, por uma reação de oxidação.

Esta reação é catalisada pelo Completo Piruvato Desidrogenase (PDH), que é composto por um grupo de enzimas localizadas nas mitocôndrias de células eucarióticas – e no citosol de bactérias. Estas enzimas são:

· E1: piruvato desidrogenase

· E2: diidrolipoil-transacetilase

· E3: diidrolipoil-desidrogenase

Além disso, o completo conta também com 5 diferentes coenzimas ou grupos prostéticos: TPP, FAD, NAD+, coenzima A (ou CoA-SH) e lipoato.

Reação de conversão do piruvato à acetil-CoA. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

Note que houve uma oxidação do acetil, liberando elétrons que foram utilizados para a produção do NADH. Lembre-se que nós temos aqui 2 Piruvatos que foram produzidos na glicólise, sendo assim, esta reação ocorrerá em dobro. Nota-se ainda que nesta conversão Piruvato -> Acetil-CoA, tivemos a liberação de 1 CO₂ e 1 NADH, para cada Piruvato.

Agora sim temos o Acetil-CoA, para iniciarmos o Ciclo de Krebs propriamente dito.

Ciclo de Krebs

Ciclo de Krebs. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

O Ciclo de Krebs é a via metabólica central do nosso organismo, e é fundamental para que os organismos possam obter mais energia a partir dos nutrientes por meio da oxidação aeróbica do que anaeróbica, além de que seus intermediários são precursores de compostos bioquimicamente importantes.

O ciclo corresponde a uma série de reações químicas que acontecem naturalmente em todas as células do organismo para a produção de energia. É um ciclo anfibólico, ou seja, atua tanto no catabolismo (decomposição oxidativa) quanto no anabolismo (síntese redutora de bioméculas).

É importantíssimo entender que a glicose que ingerimos possuía anteriormente 6 carbonos, e ela está sendo oxidada para a produção de energia. Na glicólise, a glicose foi dividida em 2 partes, ou seja, 2 piruvatos com 3 carbonos cada. Agora no CK, haverá dois momentos em que teremos a perda de mais 2 carbonos (etapa 3 e 4 – Descarboxilação oxidativa – que serão descritas abaixo), além do carbono que foi perdido na conversão do Piruvato à Acetil-CoA (mostrado anteriormente). Todos esses carbonos sairão na forma de CO₂. Além dos carbonos, a glicose vai perdendo seus hidrogênios e elétrons, e portanto, dizemos que ela vai sendo oxidada gradativamente, e até o final do CK ela sofrerá uma oxidação completa.

Vimos até agora que o Piruvato foi oxidado a Acetil-CoA. Agora sim a molécula poderá entrar na mitocôndria.

Então vamos entender o ciclo por etapas:

1ª - Formação do Citrato – Condensação

Reação de conversão do Oxaloacetato à Citrato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

A Acetil-CoA se combina com o Oxalacetato, em uma reação chamada de condensação, catabolizada pela enzima citrato sintase, sem gasto de energia. O produto desta reação será o Citrato. Ocorre a união do carbono do metil do grupo acetil ao grupo carbonil (C-2) do Oxaloacetato.

Nota-se que nesta etapa há a hidratação para que a CoA-SH se desligue do grupo acetil, e volte a ficar disponível para uma nova conversão do Piruvato.

A CoA liberada nesta reação é reciclada para participar da descarboxilação oxidativa de outra molécula de Piruvato pelo Complexo PDH.

Lembre-se: a função de uma sintase é "reunir covalentemente", sem entrada direta de ATP.

2ª - Isomerização – Desidratação e Hidratação

Reação de conversão do Citrato à Isocitrato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

O Citrato é convertido a Isocitrato, pela enzima aconitase, que requer ferro. Trata-se de uma reação reversível. Nota-se nesta etapa uma fase de desidratação, seguida por uma hidratação.

3ª - Formação do α-cetoglutarato e de CO₂ – Descarboxilação oxidativa

Reação de conversão do Isocitrato à α-cetoglutarato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

É a primeira oxidação, onde há a descarboxilação oxidativa do Isocitrato a α-cetoglutarato e liberação de CO₂, pela enzima isocitrato desidrogenase. Ocorre a redução de um NAD⁺ a NADH, pela perda de 2 elétrons na oxidação.

4ª- Formação do Succinil-CoA e de CO₂- Descarboxilação oxidativa

Reação de conversão do α-cetoglutarato à Succinil-CoA. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

É a segunda oxidação, onde há a descaboxilação do α-cetoglutarato, formando o Succinil-CoA e CO₂. Ocorre a liberação de elétrons, e consequente redução de mais um NAD⁺ a NADH. A reação é catalisada pelo complexo de α-cetoglutarato- desidrogenase. Este complexo enzimático é semelhante ao PDH.

Até aqui, já foram produzidas as três moléculas de CO₂. Uma na conversão do Piruvato à Acetil-CoA e as outras duas nas etapas 3 e 4.

5ª- Formação do Succinato e de um GTP

Reação de conversão do Succinil-CoA à Succinato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

A reação de conversão do Succinil-CoA a Succinato é catalisada pela enzima succini-CoA sintase. Nota-se a presença de uma molécula de GDP (difosfato de guanina), que foi fosforilada formando uma molécula de GTP (trifosfato de guanina). O GTP nada mais é que um composto de alta energia, como o ATP. Rapidamente a célula troca a guanina pela adenosina, então pode-se dizer que nesta etapa há a produção de 1 ATP.

6ª- Formação do Fumarato – Desidrogenação

Reação de conversão do Succinato à Fumarato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

O Succinato é convertido à Fumarato pela flavoproteína succinato desidrogenase. Em eucariotos, esta enzima está ligada à membrana mitocondrial interna, e em bactérias, está ligada à membrana plasmática. A succinato desidrogenase é a única enzima do CK associada à membrana.

Como há desidrogenação, nota-se a redução de uma molécula de FAD a FADH₂. O FAD nada mais é que um aceptor de elétrons, assim como o NAD, que transportará os elétrons para a última parte da respiração celular.

7ª- Formação de L-Malato – Hidratação

Reação de conversão do Fumarato à L-malato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

A enzima fumarase catalisa a reação de conversão do Fumarato a Malato, e para isto, observa-se uma molécula de H₂O presente na reação (hidratação).

8ª- Regeneração do Oxalacetato – Desidrogenação

Regeneração do Oxaloacetato. Fonte: Nelson, D. L.; Cox, M.

O Oxalacetato que havia sido ligado à molécula de Acetil-CoA se perdeu durante a série de reações do ciclo. Então, nesta última etapa o Oxalacetado deve ser regenerado, liberando mais um elétron, para que o ciclo continue e ele novamente possa se ligar a uma nova molécula de Acetil-CoA. A enzima presente nesta reação é a malato desidrogenase, e nota-se a redução de outra molécula de NAD⁺ a NADH. O malato é então oxidado a Oxalacetato.

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Sob uma visão geral do CK, temos o seguinte:

Piruvato -> Acetil-CoA + Oxalacetato -> Citrato (Ácido Cítrico) -> destruição do citrato em várias reações -> reações para formação do Oxalacetato -> liberação de energia -> elétrons soltos se ligam à molécula carregadora de elétrons, NAD⁺ e FAD⁺, formando NADH e FADH₂, além da formação de CO₂.

Vamos rever o Ciclo mais uma vez e fazer algumas anotações:

Observe que nós temos o seguinte:

· 2 moléculas de CO₂

· 1 molécula de FADH₂

· 3 moléculas de NADH

· 1 molécula de GTP (ATP)

Além disso, não podemos esquecer que na conversão do Piruvato à Acetil-CoA, tivemos formação de 1 CO₂ e 1 NADH, lembram? Logo, refazendo os cálculos, temos:

· 3 moléculas de CO₂

· 1 molécula de FADH₂

· 4 moléculas de NADH

· 1 molécula de GTP (ATP)

MAS LEMBRE-SE!!! Inicialmente tínhamos 2 piruvatos, e então temos este processo acontecendo em dobro!!! Sendo assim, são:

· 6 moléculas de CO₂,

· 2 moléculas de FADH₂,

· 8 moléculas de NADH

· 2 moléculas de GTP (ATP).

Repare que essa quantidade de moléculas é apenas da conversão do Piruvato à Acetil-CoA, mas nós começamos este estudo sabendo que estávamos com saldo positivo de mais 2 NADH e 2 ATP, que foram produzidos na glicólise. Por isso, essa conta vai aumentar mais um pouco:

· 6 moléculas de CO₂

· 2 moléculas de FADH₂

· 10 moléculas de NADH

· 4 moléculas de GTP (ATP)

Diretamente, o CK não produz muitos ATPs, mas como veremos posteriormente, a parte final de todo este processo de respiração celular ocorre quando os elétrons carreados por NADH e FADH₂ são convergidos para a cadeia transportadora de elétrons (cadeia respiratória), produzindo no final, O₂ e H₂O.

Em literaturas diferentes, pode haver alguma convergência nesta parte do metabolismo, mas no geral, quando há a transferência de elétrons do NADH ao O₂, há a formação de aproximadamente 2,5 ATP; e do FADH₂, há a formação de cerca de 1,5 ATPs. Este valor energético pode variar também pelo mecanismo utilizado pela célula para a transferência de equivalentes de NADH do citosol para a matriz mitocondrial. Esta estequiometria nos permite calcular o rendimento global em ATP da oxidação completa da glicose. No final de tudo, teremos no mínimo, 32 ATPs por molécula de glicose. Vamos fazer os cálculos a partir das anotações que fizemos anteriormente (não vamos considerar a quantidade de CO₂, pois agora só queremos saber o rendimento energético):

· 2 moléculas de FADH₂x 1,5 = 3 ATPs.

· 10 moléculas de NADH x 2,5 = 25 ATP.

· 4 moléculas de GTP (ATP).

· Total: 3+25+4 = 32 ATPs.

No final da postagem, vocês poderão ver um vídeo que explica este cálculo de com as reações mais detalhadas. Mas é importante entender que o rendimento energético final se dá pela soma de NADH, FADH₂ e ATP das reações desde a glicólise até o final do CK, e que pode ocorrer variações de acordo com o mecanismo de transferência utilizado. É importante entender também que para a geração desta energia, os elétrons são transferidos para a cadeia respiratória, e só aí teremos a finalização de todo o processo de respiração celular.

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Bônus:

Regulação da velocidade do Ciclo de Krebs e do Completo Piruvato Desidrogenase (PDH)

Para todas as atividades nós precisamos que o CK esteja ativado, mas dependendo da atividade, a sua velocidade deve ser diminuída. A célula evita os chamados ciclos fúteis, que são aqueles desnecessários, pois já há uma boa quantidade de energia.

Por isso, a velocidade global do CK é controlada em três, sobre as enzimas citrato-sintase, isocitrato-desidrogenase e α-cetoglutarato-desidrogenase, além do controle exercido sobre o Complexo PDH, na conversão do piruvato à acetil-CoA.

O PDH é ativado por ADP (que é abundante quando a célula precisa de energia), CoA, NAD⁺ e Ca₂⁺. Em situações em que não precisamos de muita energia, pode-se inibir o complexo para bloquear a formação de muita Acetil-CoA proveniente do Piruvato, evitando excessos. Caso haja formação de Acetil-CoA e esta não é usada no CK, é reservada dentro da célula na forma de ácidos graxos (gordura). Por isso, se não gastamos a energia, o nosso corpo sempre acumulará Acetil-CoA. Por consequência, formaremos cada vez mais ácidos graxos, e... a tendência é engordar! (rsrs).

O controle do CK sobre a citrato-sintase se dá pelo acúmulo de NADH, succinil-CoA, citrato e ATP. A enzima isocitrato-desidrogenase é regulada pelo acúmulo de ATP, e por fim, a α-cetoglutarato-desidrogenase, é regulada por altos níveis de succinil-CoA e NADH.

Se você tiver o interesse em entender sobre esta regulação de forma mais detalhada, deixe seu comentário!

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Como é sempre bom, para terminar vai indicação de uma aula do Prof. Sérgio Araújo, para ajudar a fixar o assunto: vídeos, com explicação bem mais completa: