Ciclo de Krebs: Respiração Celular

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CICLO DE KREBS OU CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO 
 
 
A maioria das células eucariotas e muitas bactérias normalmente são aeróbicas e oxidam os 
seus combustíveis orgânicos completamente até CO2 e H2O. Nestas circunstâncias, o piruvato 
formado na quebra glicolítica da glicose não é reduzido a lactato, a etanol ou a qualquer outro 
produto de fermentação, como ocorre sob condições anaeróbicas; ao invés disto ele é oxidado a 
CO2 e H2O na fase aeróbica do catabolismo, a respiração. No sentido fisiológico amplo, ou 
macroscópico, a respiração refere-se às trocas gasosas entre um organismo multicelular e seu 
meio ambiente, especificamente à captação de O2 e à eliminação de CO2. Entretanto, os 
bioquímicos e os biólogos celulares empregam o termo em um sentido microscópico e 
referem-se a um processo molecular que envolve o consumo de O2 e a formação de CO2 pelas 
células. Visto assim, este último processo pode ser denominado mais precisamente de 
respiração celular. 
 
A RESPIRAÇÃO CELULAR OCORRE EM TRÊS GRANDES ESTÁGIOS 
 
No primeiro estágio, como já visto, as moléculas dos combustíveis orgânicos – 
principalmente glicose - são oxidadas para produzir duas moléculas de piruvato. 
No segundo estágio, essas moléculas de piruvato são introduzidos no ciclo de Krebs, o qual 
os oxida enzimaticamente até CO2. A energia liberada pela oxidação é conservada nos 
transportadores de elétrons reduzidos, NADH e FADH2. 
No terceiro estágio da respiração, esses cofatores reduzidos são oxidados, desfazendo-se 
de prótons (H+) e elétrons. Os elétrons são conduzidos ao longo de uma cadeia de moléculas 
transportadoras de elétrons, conhecida como cadeia respiratória, até o O2, o qual é reduzido para 
formar H2O. Durante este processo de transferência de elétrons uma grande quantidade de energia é 
liberada e conservada na forma de ATP, através do processo chamado de fosforilação oxidativa. 
 
Nos organismos aeróbicos, a glicose e outros açúcares, são oxidados, em última instância, a 
CO2 e H2O através do ciclo de Krebs. Entretanto, antes que possam entrar no ciclo, os esqueletos 
carbônicos dos açúcares precisam ser degradados até o grupo acetila do acetil-CoA. O piruvato, 
derivado da glicose através da via glicolítica, é oxidado para liberar acetil-CoA e CO2 por um 
conjunto estruturado de três enzimas, o complexo da piruvato desidrogenase, localizado na 
mitocôndria das células eucarióticas. A reação completa catalisada pelo complexo da piruvato 
desidrogenase é a descarboxilação oxidativa, um processo irreversível de oxidação no qual o grupo 
carboxila é removido do piruvato na forma de uma molécula de CO2 e os dois carbonos 
remanescentes tornam-se o grupo acetila do acetil-CoA (Figura abaixo). O NADH formado nesta 
reação cede um íon hidreto (: H-), com seus dois elétrons, para a cadeia respiratória, que transporta 
estes elétrons até o oxigênio. Esta é uma reação preparatória para a ocorrência do ciclo de Krebs. 
Uma vez que o acetil-CoA seja formado a partir do piruvato, o ciclo de Krebs ou ciclo do ácido 
cítrico inicia-se. Em primeiro lugar notamos uma diferença fundamental entre a glicólise o ciclo de 
Krebs. A glicólise ocorre através de uma seqüência linear de passos catalisados enzimaticamente, 
enquanto a seqüência de reações do ciclo do ácido cítrico é cíclica. Para iniciar uma volta do ciclo 
(Figura abaixo), acetil-CoA transfere o seu grupo acetila para um composto com quatro 
átomos de carbono, o oxaloacetato, para formar o citrato, um composto com seis átomos de 
carbono. Citrato é então transformado em isocitrato, também uma molécula de seis átomos de 
carbono, e este é desidrogenado com perda de CO2, para formar o composto com cinco 
átomos de carbono, α -cetoglutarato. Este último também perde CO2 e libera succinato, um 
composto com quatro átomos de carbono. O succinato é convertido enzimaticamente, em uma 
reação de três passos, no oxaloacetato com quatro átomos de carbono e com o qual o ciclo se 
iniciou; assim, o oxaloacetato está pronto para reagir com uma nova molécula de acetil-CoA e 
iniciar uma segunda volta no ciclo. Em cada uma dessas voltas entra um grupo acetila (dois 
carbonos), como acetil-CoA, e saem duas moléculas de CO2. Em cada volta, uma molécula de 
oxaloacetato é empregada para formar citrato, mas, depois de uma série de reações, esta 
molécula de oxaloacetato é regenerada, Não ocorre, portanto, qualquer remoção final de 
oxaloacetato e uma molécula do mesmo pode, teoricamente, ser suficiente para participar da 
oxidação de um número infinito de grupos acetil. Quatro dos oito passos deste processo são 
oxidações e a energia liberada é conservada, na formação dos cofatores reduzidos (NADH e 
FADH2). 
 
 
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O CICLO DE KREBS TEM OITO PASSOS 
 
A seguir examinaremos as oito reações sucessivas do ciclo do ácido cítrico e colocaremos 
ênfase especial no estudo das transformações químicas que ocorrem à medida que o acetil-CoA é 
oxidado para liberar CO2 e a energia oriunda desta oxidação é conservada na forma das coenzimas 
reduzidas NADH e FADH2. 
 
01. Formação do citrato a partir de acetil-CoA e oxaloacetato. - a primeira reação do ciclo é a 
condensação do acetil-CoA com o oxaloacetato para formar citrato, catalisado pela enzima citrato 
sintase: Nesta reação o carbono metila do grupo acetila é reunido ao grupo carbonila (C-2) do 
oxaloacetato. 
 
02. Formação do isocitrato a partir de citrato - a enzima aconitase (mais formalmente, aconitato 
hidratase) catalisa a transformação reversível do citrato em isocitrato, através da formação 
intermediária do cis-aconitato, um ácido tricarboxílico que, normalmente, não se dissocia do sítio 
ativo. 
 
03. Oxidação do isocitrato à α-cetoglutarato e CO2 - no passo seguinte a enzima isocitrato 
desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do isocitrato para formar o cetoglutarato: 
 
04. Oxidação do α-cetoglutarato à succinil-CoA - o passo seguinte é outra descarboxilação 
oxidativa, o α-cetoglutarato é convertido em succinil-CoA pela ação do complexo da α-
cetoglutarato desidrogenase; o NAD+ serve como aceptor de elétrons: Esta reação é virtualmente 
idêntica à reação da piruvato desidrogenase discutida anteriormente; as duas envolvem a oxidação 
de um α-cetoácido com a perda do grupo carboxila na forma de CO2 e a energia de oxidação do α-
cetoglutarato é conservada na formação da ligação tioéster do succinil-CoA. 
 
05. Conversão do succinil-CoA em succinato - No próximo passo do ciclo do ácido cítrico a 
energia liberada no rompimento da ligação tioéster do succinil-CoA é empregada para dirigir a 
síntese de uma ligação de anidrido fosfórico no GTP e posteriormente este é transformado em ATP 
e, finalmente, forma-se o succinato livre. A enzima que catalisa esta reação reversível é chamada de 
succinil-CoA sintetase ou de tioquinase succínica; ambos os nomes indicam a participação de um 
nucleosídeo trifosfato na reação. 
 
A síntese de ATP às expensas da energia liberada pela descarboxilação oxidativa do α-
cetoglutarato é outro exemplo de fosforilação ao nível do substrato, como a síntese de ATP 
acoplada à oxidação do gliceraldeído-3-fosfato na glicólise. Estas reações são chamadas de 
fosforilações ao nível do substrato para distingui-las da fosforilação oxidativa ou fosforilação ao 
nível da cadeia respiratória. As fosforilações ao nível do substrato envolvem as enzimas solúveis e 
intermediários químicos como o resíduo de fosfohistidina na succinil-CoA sintetase, ou 1,3-
bifosfoglicerato na via glicolítica. A fosforilação ligada à respiração, por outro lado, envolve 
enzimas ligadas à membrana e a gradientes transmembrana de prótons. 
 
06. Oxidação do succinato a fumarato - o succinato formado a partir do succinil-CoA é oxidado a 
fumarato pela flavoproteína succinato desidrogenase. 
 
7. Hidratação do fumarato para produzir malato - a hidratação reversíveldo fumarato em L-
malato é catalisada pela enzima fumarase (fumarato hidratase): 
 
08. oxidação do malato a oxaloacetato - na última reação do ciclo do ácido cítrico, a enzima L-
malato desidrogenase, ligada ao NAD, catalisa a oxidação do L-malato em oxaloacetato: 
 
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A energia liberada pela glicólise (na qual uma molécula de glicose é convertida em 
duas de piruvato) corresponde à síntese de duas moléculas de ATP para uma de glicose 
metabolizada. 
Quando as duas moléculas de piruvato são completamente oxidadas com a 
formação de seis moléculas de CO2 na reações catalisadas pelo complexo da 
piruvato desidrogenase e pelas enzimas do ciclo de Krebs produz-se 8 NADH, 2 
FADH 2 e 2 ATP. 
 
Embora o ciclo do ácido cítrico diretamente gere apenas uma molécula de ATP por volta (na 
conversão de succinil-CoA em succinato), os quatro passos de oxidação do ciclo fornecem um 
grande fluxo de elétrons para a cadeia respiratória e esta, eventualmente, leva à formação de um 
grande número de moléculas de ATP (34) durante a fosforilção oxidativa. 
O fluxo de átomos de carbono do piruvato para e através do ciclo de Krebs é estreitamente 
regulado em dois níveis: a conversão de piruvato em acetil-CoA, o material inicial do ciclo (a 
reação do complexo da piruvato desidrogenase), e a entrada de acetil-CoA no ciclo (a reação da 
citrato sintase). Como o piruvato não é a única fonte de acetil-CoA (a maioria das células pode 
obter acetil-CoA pela oxidação dos ácidos graxos e de certos aminoácidos), a possibilidade de 
obtenção de intermediários dessas outras vias é muito importante na regulação da oxidação do 
piruvato e do ciclo do ácido cítrico. O ciclo também é regulado na altura da reação da isocitrato 
desidrogenase e na reação da α-cetoglutarato desidrogenase. 
 
A produção de acetil-CoA pelo complexo da piruvato desidrogenase é regulada 
 
O complexo da piruvato desidrogenase de vertebrados é regulado alostericamente e através 
de modificação covalente. O complexo é fortemente inibido por ATP e por acetil-CoA e NADH, os 
produtos da reação. Esta inibição alostérica da oxidação do piruvato é muito aumentada quando 
estão presentes ácidos graxos de cadeia longa. Quando muito pouco acetato flui para o ciclo do 
ácido cítrico, acumulam-se AMP, CoA e NAD+, todos eles ativam alostericamente o complexo da 
piruvato desidrogenase. Assim, a atividade dessa enzima é desligada quando as substâncias 
combustíveis estão disponíveis de maneira ampla na forma de ácidos graxos e acetil-CoA e quando 
a concentração de ATP celular e a relação [NADH]/[NAD+] estão altas; entretanto, quando a 
demanda por energia está alta e é necessário um fluxo maior de acetil-CoA para o ciclo, a atividade 
do complexo enzimático é ligada. No complexo da piruvato desidrogenase dos vertebrados esses 
mecanismos de regulação alostérica são complementados por um segundo nível de regulação, a 
modificação covalente de proteínas. O complexo enzimático é inibido pela fosforilação reversível 
de um resíduo específico de serina em uma das duas subunidades de E1 da piruvato desidrigenase. 
Uma proteína quinase específica fosforila e, assim, inativa E1, uma fosfoproteína fosfatase 
específica remove o grupo fosfato por hidrólise e, desta forma, ativa E1. A quinase é ativada 
alostericamente por ATP, quando os níveis de ATP estão altos (refletindo um suprimento de 
energia suficiente), o complexo da piruvato desidrogenase é inativado por fosforilação de E1. 
Quando os níveis de ATP declinam, a atividade da quinase decresce e a ação da fosfatase remove os 
fosfatos de El, ativando o complexo. O complexo da piruvato desidrogenase de vegetais, que é 
encontrado na matriz mitocondrial, é fortemente inibido por NADH que pode ser o seu regulador 
primário. 
 
Três enzimas do ciclo do ácido cítrico são reguladas 
 
O fluxo de metabólitos através do ciclo do ácido cítrico e sob regulação estrita, porém não 
complexa. Três fato governam a velocidade do fluxo através do ciclo: disponibilidade de substratos, 
inibição por acúmulo de produto inibição alostérica retroativa das primeiras enzimas via pelos 
últimos intermediários. No ciclo, três passos são fortemente exergônicos, aqueles catalisados pela 
 
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citrato sintase, isocitrato desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase. Sob denominadas 
circunstâncias, cada um deles pode se tornar o passo limitante da velocidade global. A 
disponibilidade de substratos para a citrato sintase (acetil-CoA e oxaloacetato) varia com as 
circunstâncias metabólicas e algumas vezes limita a velocidade de formação do citrato. O NADH 
um produto da oxidação do citrato e do α-cetoglutarato acumula-se sob determinadas condições, e 
quando a relação [NADH]/[NAD+I torna-se grande, as duas reações de desidrogenação são 
severamente inibidas pela lei da ação das massas. De forma similar, a reação da malato 
desidrogenase está essencialmente em equilíbrio na célula (isto é ela é limitada pelo substrato), e 
quando [NADH]/[NAD+I é grande, a concentração de oxaloacetato é pequena, desacelerando o 
primeiro passo no ciclo. A mutação dos produtos inibe todos os três passos limitantes da velocidade 
do ciclo: a succinil-CoA inibe e a-cetoglutarato desidrogenase (e também a citrato sintase); o citrato 
bloqueia a citrato sintase; enquanto o produto final, ATP, inibe ambas: a citrato sintase e a isocitrato 
desidrogenase. A inibição da citrato sintase pelo ATP é aliviada pelo ADP, um ativador alostérico 
dessa enzima. Os íons cálcio, que nos músculos dos vertebrados são o sinal para contração e o 
concomitante aumento na demanda por ATP, ativa ambas as enzimas, isocitrato desidrogenase e α-
cetoglutarato desidrogenase, assim como o complexo da piruvato desidrogenase. Brevemente, as 
concentrações de substratos e intermediários do ciclo do ácido cítrico regulam o fluxo através desta 
via em uma velocidade que fornece concentrações ótimas de ATP e NADH. 
Sob condições normais as velocidades da glicólise e do ciclo do ácido cítrico são de tal 
forma integradas que é matabolizada apenas a quantidade exata de glicose que fornece o ácido 
pirúvico suficiente para suprir o ciclo do ácido cítrico com seu combustível, os grupos acetila do 
acetil-CoA. Piruvato, lactato e acetil-CoA são normalmente mantidos nas concentrações do estado 
estacionário. A velocidade da glicólise é ajustada à velocidade do ciclo do ácido cítrico, não só pela 
concentração de citrato, mas também através da sua inibição por altos níveis de ATP e NADH, que 
são componentes comuns dos dois estágios da oxidação da glicose - glicolítico e respiratório. O 
citrato, o produto do primeiro passo do ciclo do ácido cítrico, funciona como um importante 
inibidor alostérico da fosforilaçâo da frutose-6-fosfato por fosfofrutoquinase-1 na via glicolítica.