Ciclo de Krebs

Terminada a glicólise, temos 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. As células musculares podem seguir a via do Acetil-CoA ou do Lactato, sendo que esta 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 (Ciclo do Ácido Cítrico ou ainda Ciclo do Ácido Tricarboxílico- Ciclo TCA, pois algumas moléculas do ciclo possuem 3 carboxilas) é a mais complexa, onde o Piruvato é convertido, por um complexo enzimático, a Acetil-CoA, uma molécula de alta energia, com 2 carbonos. Ao final do ciclo e da Cadeia Transportadora de Elétrons, teremos um saldo positivo de 36 ATPs.
A glicólise, fase inicial da respiração celular ocorre no citoplasma das células. Agora, teremos o ciclo ocorrendo na matriz mitocondrial de todas as células do organismo.

Visão geral do CK
                                   

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


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Como o Piruvato é convertido em Acetil-CoA?


Para que o Piruvato entre na mitocôndria, ele deve se ligar ao Oxalacetato, mas para isso, ele necessariamente precisa ser convertido a Acetil-CoA, através do Complexo Piruvato Desidrogenase (PDH).
Este complexo é responsável pela conversão do Piruvato a CO2 e à porção acetil da Acetil-CoA. 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:

Piruvato + CoA-SH + NAD+ à Acetil-CoA + CO2 + H+ + NADH


Nota-se que houve uma oxidação do acetil, liberando elétrons que foram utilizados para a produção do NADH.
O complexo é composto por 5 enzimas, sendo que a conversão exige 3 enzimas primárias do complexo, assim como os co-fatores TPP,FAD, NAD+ e ácido lipóico, além de que é ativado pelo ADP (adenosina difostato), logo há gasto de energia.
A conversão final será:
Piruvato, NAD+ e CoA-SH à Acetil-CoA, NADH + H+ e CO2.

ou melhor

Conversão do Piruvato a Acetil-CoA (foto adaptada)

Lembre-se que nós temos aqui 2 Piruvatos que foram produzidos na glicólise, sendo assim, esta reação ocorrerá em dobro. Nota-se ainda que até agora tivemos a liberação de um CO2 e um NADH.
Agora sim temos o Acetil-CoA, para iniciarmos o Ciclo de Krebs propriamente dito.

Ciclo de Krebs


O Ciclo de Krebs é a via metabólica central do nosso organismo, pois cada composto do ciclo está associado à uma via. Um exemplo disso é que o Acetil-CoA não é proveniente somente da glicose; pode ser produto de reações onde o composto inicial será aminoácidos ou ácidos graxos. O ciclo corresponde a uma série de reações químicas que acontece 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 Ciclo de Krebs, haverá dois momentos em que teremos a perca 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 C.K. 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:

Ciclo de Krebs (Ciclo do Ácido Cítrico) - Imagem da internet.

1- Formação do Citrato – Condensação

A Acetil-CoA então 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. 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.

2- Isomerização – Desidratação e Hidratação

O Citrato é convertido a Isocitrato, pela enzima aconitase. Nota-se nesta etapa uma fase de desidratação, seguida por uma hidratação.

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

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.

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

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 cetoglutarato desidrogenase.

5- Formação do Succinato e de um GTP

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 um ATP.

6- Formação do Fumarato – Desidrogenação
O Succinato é convertido à Fumarato pela enzima succinato desidrogenase. 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.

7- Formação de L-Malato – Hidratação

A enzima fumarase catalisa a reação de conversão do Fumarato a Malato, e para isto, observa-se uma molécula de H20 presente na reação (hidratação).

8- Regeneração do Oxalacetato – Desidrogenação

O Oxalacetato que havia sido ligado à molécula de Acetil-CoA para que ela entrasse na mitocôndria, e 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.

Temos então o seguinte saldo:
·      3 moléculas de CO2 (uma molécula foi formada na conversão do Piruvato à Acetil-CoA, e outras duas das etapas 3 e 4, de descarboxilação oxidativa do ciclo de Krebs. Além do CO2 formado na conversão do Piruvato, para cada Acetil-CoA que entra na célula, são mais 2 CO2 formados.)
·      1 molécula de FADH2.
·      4 moléculas de NADH (três formadas no Ciclo de Krebs e uma formada a partir do complexo piruvato desidrogenase – na formação do Acetil-CoA).
·      1 molécula de ATP (na forma de GTP).

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 e 2 moléculas de ATP.

Cadeia Transportadora de Elétrons


Para a reconstituição do Oxalacetato no Ciclo de Krebs, várias reações aconteceram quebrando ligações. Se há quebra de ligações, consequentemente há liberação de energia e vários elétrons soltos. Então, estes elétrons se ligarão às moléculas carregadoras de elétrons NAD+ e FAD, que farão este transporte na forma de NADH e FADH2, gerados na glicólise e no Ciclo de Krebs. Até aqui vocês já sabem, e está tudo ok. Sabemos também que se somarmos todos as moléculas carregadoras de elétrons (formadas na glicólise e no C.K.) temos 10 NADH e 2 FADH2.
Agora NADH e FADH2 irão transferir os elétrons para o oxigênio (O2) numa série de reações em quatro complexos de múltiplas subunidades ligados à membrana e em dois transportadores de elétrons móveis (a coenzima Q e o citocromo C). Estes complexos formam a Cadeia Transportadora de Elétrons (a Fosforilação Oxidativa), que se encontra nas cristas mitocondriais. As reações que ocorrem em três destes complexos geram energia suficiente para acionar a fosforilação de ADP a ATP. Esta energia é proveniente do bombeamento de íons H+ da matriz mitocondrial para o espaço intermembranas.
Então o que ocorre na cadeira é a oxidação do NADH e FADH2 a NAD+ e FAD. Os prótons serão liberados na matriz da mitocôndria e bombeados pelos três complexos iniciais da cadeia para fora da matriz, ficando no espaço intermembranas, como dito anteriormente. Os elétrons serão conduzidos por uma série de proteínas transportadoras até o oxigênio (O2), que é o aceptor de elétrons da cadeia. Este oxigênio presente na cadeia é o mesmo oxigênio da respiração que chega às células através da hemoglobina do sangue, por isso a nossa respiração é tão importante.
Ao receber os elétrons, o O2 se ligará a prótons (que constantemente estarão na matriz, obviamente em menor quantidade que no espaço intermembranas), formando água, que será normalmente utilizada pela célula. Este é um processo de oxi-redução e, portanto, há a liberação de mais elétrons.
Para a formação do ATP a partir da fosforilação do ADP, há a última subunidade da cadeia, a APTsintase. Esta enzima tem um canal por onde passam os prótons que flutuam no espaço intermembranas até a matriz mitocondrial. O fluxo de prótons por este canal faz com que a enzima literalmente gire, promovendo a fosforilação do ADP em ATP, ou seja, produzindo energia.

Entenda que:
O FADH2 carregam elétrons com menos intensidade de energia que o NADH. Assim, os FADH2 liberam energia para bombear apenas dois pares de H+, e os NADH três pares de H+. Sendo assim, teremos que um FADH2 “produzirá” 2 ATPs, um NADH “produzirá” 3 ATPs.

Ao final de todos os processos, nós temos o seguinte saldo:

Glicólise
2 ATP
2 NADH, que produzirão mais 4 ATPs.

Ciclo de Krebs e Cadeia Transportadora de Elétrons (ou Fosforilação Oxidativa)
2 ATP
8 NADH, que produzirão 24 ATPs.
2 FADH2, que produzirão 4 ATPs.

Total: 36 ATPs, 10 NADH e 2 FADH.

Em alguns livros, pode-se encontrar a quantidade final de 38 ATPs.


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


Regulação - Imagem retirada do site Bioquímica's Home Page

Para todas as atividades nós precisamos que o C.K. 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. O controle do C.K. é exercido em três pontos, sobre as enzimas.
Há também o controle de acesso ao ciclo pelo complexo piruvato desidrogenase. O PDH é ativado por ADP, que é abundante quando a célula precisa de energia. Em situações em que não precisamos de muita energia, pode-se inibir a enzima piruvato desidrogenase para bloquear a formação de muita Acetil-CoA proveniente do Piruvato. A inibição da piruvato desidrogenase ocorre pelo ATP e por altos níveis de Acetil-CoA. Isso porque o excesso de ATP evita que a enzima e ligue ao substrato que é o Piruvato.
Se a piruvato desidrogenase não for inibida, a Acetil-CoA entra na célula e forma o Citrato; e isto formará ainda mais energia, provocando um excesso.
Caso não haja esta regulação, e o Citrato acabe sendo formado, a célula ativará a enzima citrato liase, que quebra o Citrato em Oxalacetato e Acetil-CoA novamente. A Acetil-CoA que não é usada no C.K. é reservada dentro da célula, e formará ácidos graxos (gordura).