O ciclo de Krebs , também chamado de ciclo do ácido cítrico pelo anglicismo é uma via metabólica presente em todos os organismos aeróbicos e cuja função primária é oxidar os grupos acetila , em particular a partir da degradação dos carboidratos , das gorduras e das proteínas , para recuperar energia em. a forma de oito elétrons de alto potencial e transferência de uma molécula de GTP ou ATP ; elétrons com alto potencial de transferência, recuperados de NADH e ubiquinol (CoQ 10 H 2ou coenzima Q 10 reduzido ), pode então circular através da cadeia respiratória para, por sua vez, permitir a formação de moléculas de ATP adicionais por fosforilação oxidativa .
Este ciclo foi descoberto em etapas na década de 1930 , vários de seus elementos foram identificados pelo biólogo molecular húngaro Albert Szent-Györgyi, enquanto seu funcionamento cíclico foi evidenciado pelo bioquímico alemão Hans Adolf Krebs em 1937. Ele se desdobra no citoplasma de procariotos e na mitocôndria de eucariotos . É um ciclo porque o último metabólito , o oxaloacetato , também está envolvido na primeira reação. O primeiro passo é transferir o grupo acetil do acetil-CoA para o oxaloacetato para formar o citrato , que deu ao anel seu nome nas línguas inglesa e germânica. As etapas a seguir formam uma sequência de reações, cada uma catalisada por uma enzima específica, que leva à oxidação gradual do grupo acetila em duas moléculas de dióxido de carbono (CO 2) Ao fazer isso, esse ciclo também produz precursores para a biossíntese de certos aminoácidos proteinogênicos , enquanto o NADH pode ser usado em um grande número de reações bioquímicas .
O ciclo de Krebs é o ponto final comum da degradação de poliolosídeos ( glicólise , via da pentose fosfato ), lipídeos ( β-oxidação ) e aminoácidos , que resultam na formação de acetil-CoA; o último é uma forma de transporte de grupos acetila do piruvato . Existem também reações de escape no ciclo que permitem várias biossínteses; o ciclo do glioxilato , ausente nos animais, mas presente em particular nas plantas , é um exemplo entre outros de tais vias metabólicas usando o ciclo de Krebs.
O fato de o ciclo de Krebs ser essencial para muitas vias metabólicas, tanto anabólicas quanto catabólicas , sugere que foi provavelmente um dos primeiros blocos de construção do metabolismo celular a ocorrer durante a evolução , possivelmente por abiogênese . Está relacionado a reações que ocorrem em bactérias anaeróbias e diz-se que evoluiu em vários estágios; Existem teoricamente várias alternativas para o ciclo de Krebs, mas o último parece ser o mais eficiente: se várias alternativas evoluíram independentemente, todas devem ter convergido para o ciclo de Krebs.
A tabela abaixo resume os dez estágios do ciclo de Krebs, catalisados por oito enzimas diferentes. Essas etapas são notavelmente conservadas dependendo da espécie , mas as enzimas podem, por outro lado, diferir significativamente de um organismo para outro. As reações e enzimas mostradas nesta tabela são aquelas prevalentes em mamíferos .
Substratos | Produtos | Enzima | Tipo de reação | Observações | |
---|---|---|---|---|---|
1 |
Oxaloacetato + Acetil-CoA + H 2 O |
Citrato + CoA-SH |
Citrato sintase ( EC ) |
Crotonização | Irreversível, estende o oxaloacetato (4C) em uma molécula para seis átomos de carbono |
2 | Citrato |
cis -Aconitate + H 2 S |
Aconitase ( EC ) |
Desidratação | Isomerização reversível |
3 |
cis -Aconitate + H 2 S |
Isocitrato | Hidratação | ||
4 |
Isocitrato + NAD + |
Oxalosuccinato + NADH + H + |
Isocitrato desidrogenase ( EC ) |
Oxidação | Produto de NADH (equivalente a 2,5 ATP ) |
5 | Oxalosuccinato |
α-cetoglutarato + CO 2 |
Descarboxilação | Reação limitante, etapa irreversível, produzindo uma molécula com cinco átomos de carbono. |
|
6 |
α-cetoglutarato + NAD + + CoA-SH |
Succinil-CoA + NADH + H + + CO 2 |
Complexo de Α-cetoglutarato desidrogenase ( EC ) |
Descarboxilação oxidativa |
Etapa irreversível, produzindo NADH (equivalente a 2,5 ATP ), levando a uma molécula com quatro átomos de carbono (excluindo a coenzima A ) |
7 |
Succinil-CoA + GDP + P i |
Succinato + CoA-SH + GTP |
Succinil-CoA sintetase ( EC ) |
Fosforilação | ou ADP → ATP em vez de GDP → GTP, produz uma molécula de ATP ou equivalente A reação de condensação do GDP com o P i e a hidrólise do succinil-CoA envolve a molécula de H 2 O necessário para o equilíbrio da reação. |
8 |
Succinato + CoQ 10 |
Fumarato + CoQ 10 H 2 (ubiquinol) |
Succinato desidrogenase ( EC ) |
Oxidação | Usa FAD como um grupo protético (FAD → FADH 2na primeira fase da reação), equivalente a 1,5 ATP |
9 |
Fumarato + H 2 S |
L -Malato |
Fumarase ( EC ) |
Hidratação | |
10 |
L -Malato + NAD + |
Oxaloacetato + NADH + H + |
Malato desidrogenase ( EC ) |
Oxidação | Reversível (na realidade, o equilíbrio promove a formação de L- malato ), produto do NADH (equivalente a 2,5 ATP ) |
A citrato sintase condensa o oxaloacetato e acetil CoA em citrato com liberação de CoA . Um intermediário transitório, citroil-CoA, é formado . A ligação tioéster da acetil-CoA é uma ligação com alto potencial de hidrólise . O acoplamento das atividades de hidrolase e sintase torna a reação de síntese termodinamicamente possível. Essa reação é uma etapa regulatória do ciclo, tendo succinil-CoA , NADH , acetil-CoA , citrato e ATP como efetores negativos na velocidade da reação .
+ Acetil-CoA + H 2 S → CoA + | ||
Oxaloacetato | Citrato | |
Citrato sintase - EC |
A aconitase , uma liase , catalisa a desidratação do citrato em cis- aconitado . Embora a molécula de citrato pareça ser simétrica, foi demonstrado que a saída da água ocorre entre os átomos de carbono derivados do oxaloacetato :
H 2 O + | ||
Citrato | cis -Aconitate | |
Aconitase - EC |
A aconitase também catalisa a hidratação do cis- aconitado em isocitrato :
+ H 2 S | ||
cis -Aconitate | Isocitrato | |
Aconitase - EC |
As duas etapas anteriores, catalisadas pela aconitase , levam à isomerização de citrato em isocitrato :
H 2 O + | ||||
Citrato | cis -Aconitate | Isocitrato | ||
Aconitase - EC |
A isocitrato desidrogenase , uma oxidorredutase , catalisa a oxidação do isocitrato em oxalosuccinato :
+ NAD + NADH + H + + | ||
Isocitrato | Oxalosuccinato | |
Isocitrato desidrogenase - EC |
Os eucarióticos usam uma isocitrato desidrogenase NAD + -dependente ( EC ), que requer como cofator íons Mn 2+ ou Mg 2+ . Os próprios procariotos usam uma isocitrato desidrogenase NADP + -dependente ( EC ).
A isocitrato desidrogenase catalisa também a descarboxilação do oxalosuccinato , volátil, α-cetoglutarato com evolução de CO 2, em uma reação irreversível:
→ CO 2 + | ||
Oxalosuccinato | α-cetoglutarato | |
Isocitrato desidrogenase - EC |
É também uma etapa regulatória do ciclo, com NADH e ATP como efetores negativos . A presença de ADP, ao contrário, promove a atividade da isocitrato desidrogenase e, portanto, a velocidade dessa reação.
O complexo α-cetoglutarato desidrogenase catalisa a descarboxilação oxidativa do α-cetoglutarato em succinil-CoA com produção de NADH + H + e liberação de CO 2. É uma reação semelhante à conversão do piruvato em acetil-CoA , catalisada pelo complexo piruvato desidrogenase . Este complexo enzimático envolve sucessivamente três enzimas - α-cetoglutarato desidrogenase , diidrolipoamida S-succiniltransferase e diidrolipoil desidrogenase - e cinco cofatores : TPP , lipoamida , coenzima A , FAD e NAD + . Essa reação é irreversível.
+ CoA-SH + NAD + → NADH + H + + CO 2 + | ||
α-cetoglutarato | Succinil-CoA | |
Complexo de Α-cetoglutarato desidrogenase - EC |
O NADH , o GTP e a succinil-CoA são efetores negativos na atividade do complexo enzimático.
A sintetase succinil CoA ou succinato tioquinase , converte succinil CoA em succinato e coenzima A , formando uma molécula de GTP em animal ou ATP em plantas e bactérias . Esta reação é reversível.
+ GDP / ADP + Pi GTP / ATP + CoA + | ||
Succinil-CoA | Succinato | |
succinil-CoA sintetase (formando GTP / ATP) - EC / EC |
A succinato desidrogenase , uma oxidorredutase , catalisa a oxidação de succinato em fumarato com redução concomitante de ubiquinona ( coenzima Q 10) em ubiquinol (CoQ 10 H 2) Esta enzima flavoprotéique ao ADF é o complexo II da cadeia respiratória . É inibido pelo malonato . Como o FAD é um grupo protético covalentemente ligado à enzima, ele apenas transmite elétrons e prótons para o substrato CoQ 10 “real”..
+ FAD FADH 2 + | ||
Succinato | Fumarate | |
Succinato desidrogenase - EC |
Essa reação é a quarta e última reação regulatória do ciclo. Malonate é o inibidor competitivo aqui.
A fumarase , uma liase, catalisa a hidratação do fumarato a L- malato .
+ H 2 S | ||
Fumarate | L -Malato | |
Fumarase - EC |
A malato desidrogenase , uma oxidorredutase , converte o L- malato em oxaloacetato com formação de NADH + H + .
+ NAD + NADH + H + + | ||
L -Malato | Oxaloacetato | |
Malato desidrogenase - EC |
Esta reação é catalisada por uma malato desidrogenase dependente de NAD + ( EC ) em eucariotos e dependente de quinona ( EC ) em procariotos .
O ciclo de Krebs é composto de 10 etapas catalisadas por oito enzimas diferentes. Durante o ciclo são produzidos, de um mol de acetato até o estágio de CO 2e H 2 O :
Pode-se observar que o ciclo de Krebs produz apenas um equivalente de ATP (um GTP ), ou seja, menos do que a glicólise (quatro moléculas de ATP para uma molécula de glicose , duas das quais são utilizadas durante a fase de "ativação" da glicólise. - etapas 1 e 3, que correspondem às fosforilações ). A maior parte da energia química potencial é produzida na forma de poder redutor ( NADH + H + e CoQ 10 H 2) Esse poder redutor é subsequentemente usado na cadeia respiratória da mitocôndria para produzir 11 outras moléculas de ATP por meio de um gradiente de prótons e ATP sintase, que às vezes é erroneamente atribuído ao ciclo de Krebs.
Descrição | Substratos | Produtos |
A soma de todas as reações de oxidação da acetil-CoA pelo ciclo de Krebs (excluindo a cadeia respiratória ) corresponde a: | Acetil-CoA + 3 NAD + + CoQ 10 + PIB + P i + 2 H 2 O | → CoA-SH + 3 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 2 CO 2 |
Voltando à descarboxilação do piruvato , os resultados são: | Piruvato + 4 NAD + + CoQ 10 + PIB + P i + 2 H 2 O | → 4 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 3 CO 2 |
Voltando à oxidação da glicose pela glicólise , os resultados são: | Glicose + 10 NAD + + 2 CoQ 10+ 2 ADP + 2 PIB + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 (NADH + H + ) + 2 CoQ 10 H 2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO 2 |
Isso corresponde, no total, para toda a respiração aeróbica ( glicólise , ciclo de Krebs, redução das coenzimas NAD + e CoQ 10pela cadeia respiratória ) entre 30 e 38 ATP para uma molécula de glicose estimada, dependendo em parte da lançadeira mitocondrial dependente de ATP usada para transportar NAD + da glicólise.
O uso de glicose por meio da respiração aeróbica é mais enérgico do que a fermentação .
Na presença de uma grande quantidade de acetil-CoA , o ciclo de Krebs pode ser sobrecarregado, especialmente em diabéticos com deficiência grave de insulina ou após jejum prolongado (ver cetoacidose diabética para mais detalhes).
Embora o ciclo de Krebs seja geralmente muito conservado entre as espécies, existem variações significativas nas enzimas presentes nos diferentes taxa . Em particular, existem diferenças entre procariotos e eucariotos . Assim, a conversão de D - treo- isocitrato em α-cetoglutarato é catalisada por uma isocitrato desidrogenase dependente de NAD + ( EC ) em eucariotos, mas dependente de NADP + ( EC ) em procariotos. O mesmo é verdadeiro para a conversão de L- malato em oxaloacetato , catalisada por uma malato desidrogenase dependente de NAD + ( EC ) em eucariotos e quinona dependente ( EC ) em procariotos.
A conversão de succinil-CoA em succinato pela succinil-CoA sintetase exibe uma variabilidade significativa. A maioria dos seres vivos usar um ADP- dependente enzima ( EC ), enquanto mamíferos também usam o GDP dependente isoforma ( CE ) desta enzima. A taxa de uso de cada uma dessas duas formas da enzima depende dos tecidos considerados. Em certas bactérias produtoras de acetato , como Acetobacter aceti (en) , é uma enzima totalmente diferente que catalisa esta reação, neste caso succinil-CoA: acetato de CoA-transferase ( EC ): esta enzima realiza a junção do ácido acético metabolismo ácido com o ciclo de Krebs nesses organismos. Algumas bactérias, como o Helicobacter pylori, usam uma enzima ainda diferente para essa reação, neste caso a 3-oxoácido CoA-transferase ( EC ).
Também existe alguma variabilidade na etapa anterior, ou seja, na conversão de α-cetoglutarato em succinly-CoA . A maioria dos seres vivos usa o complexo α-cetoglutarato desidrogenase , mas algumas bactérias usam α-cetoglutarato sintase ( EC ). Outros organismos, incluindo bactérias e arquéias autotróficas e metanotróficas obrigatórias contornam completamente o succinil-CoA e convertem α-cetoglutarato em succinato por meio do semialdeído succínico pela ação sucessiva da α-cetoglutarato descarboxilase ( EC ) e succinato-semialdeído desidrogenase ( EC ).
Os estágios irreversíveis do ciclo de Krebs podem ser regulados: estágio da citrato sintase , isocitrato desidrogenase e complexo α-cetoglutarato desidrogenase :
A regulação do ciclo de Krebs depende principalmente da disponibilidade do substrato e da inibição pelos produtos da reação. Se essas reações não fossem reguladas, o ciclo de Krebs desperdiçaria grandes quantidades de energia metabólica, produzindo ATP em excesso e coenzimas reduzidas como o NADH .
Trabalho publicado em 2007 mostrou uma ligação importante entre os intermediários do ciclo de Krebs e a regulação de fatores induzidos por hipóxia ( HIF ). Desempenham um papel na homeostase do oxigênio como fatores de transcrição envolvidos na angiogênese , remodelação vascular, mobilização de glicose , transporte de íons e apoptose . Os HIF são sintetizados constitutivamente e a hidroxilação de pelo menos um dos dois resíduos de prolina está envolvida em sua interação com a ubiquitina ligase complexa , que os designa como um alvo para degradação rápida. Essa reação é catalisada por dioxigenases pró-colágeno-prolina . Tanto o fumarato quanto o succinato são inibidores eficazes dessas enzimas, que podem estabilizar os HIFs.
Várias vias metabólicas convergem no ciclo de Krebs. A maioria dessas reações produz metabólitos que participam do ciclo e, portanto, são reações anapleróticas ; processos que, por outro lado, consomem metabólitos do ciclo de Krebs são considerados catapleróticos.
Todos os intermediários no ciclo de Krebs - como citrato , isocitrato , α-cetoglutarato , succinato , fumarato , L- malato e oxaloacetato - são regenerados a cada volta do ciclo. O aumento da quantidade disponível de um desses metabólitos aumenta a quantidade total de todos os metabólitos do ciclo, pois cada intermediário é gradualmente convertido em todos os outros intermediários do ciclo. Esta é a razão pela qual a produção de qualquer um dos metabólitos do ciclo de Krebs tem um efeito anaplerótico geral naquele ciclo, enquanto o consumo de qualquer um dos metabólitos tem um efeito cataplerótico em todo o ciclo.
As moléculas de piruvato resultantes da glicólise são transportadas ativamente do citosol para a matriz mitocondrial através da membrana mitocondrial interna . Uma vez na matriz, eles podem ser oxidados e reagir com a coenzima A para formar CO 2, acetil-CoA e NADH , ou podem ser carboxilados pela piruvato carboxilase para formar oxaloacetato . Esta é uma reação anaplerótica que aumenta o fluxo e, portanto, o fluxo através do ciclo de Krebs quando a célula se depara com um aumento da necessidade de energia metabólica, por exemplo nos miócitos .
A acetil-CoA , entretanto, derivada da oxidação do piruvato ou da β-oxidação dos ácidos graxos , nunca é regenerada pelo ciclo de Krebs: ao contrário, cada volta do ciclo consome uma molécula de acetil-CoA por molécula de oxaloacetato da matriz mitocondrial, enquanto o acetil resíduo de acetil-CoA é totalmente oxidado para CO 2e em H 2 Oatravés da cadeia respiratória , permitindo que a energia metabólica seja recuperada na forma de ATP por fosforilação oxidativa .
As vias metabólicas que produzem ou consomem acetil-CoA, portanto, não são anapleróticas ou catapleróticas para o ciclo de Krebs.
No fígado, a carboxilação do piruvato citosólico em oxaloacetato mitocondrial é uma etapa avançada na gliconeogênese , que converte lactato e alanina desaminada em glicose sob o efeito de um nível elevado de glucagon e / ou adrenalina no sangue . Nessas condições, a formação de oxaloacetato na mitocôndria não apresenta efeito anaplerótico porque o L -malato mitocondrial é consumido para formar oxaloacetato citosólico, que é convertido em glicose.
No processo de degradação de proteínas , as cadeias polipeptídicas são clivadas por peptidases nos aminoácidos que as constituem. Sua cadeia de carbono pode então:
No processo de lipólise , os triglicerídeos são hidrolisados em glicerol e ácidos graxos . No fígado , o glicerol pode ser convertido em glicose através da di-hidroxiacetona fosfato e gliceraldeído-3-fosfato no contexto da gluconeogénese . Em muitos tecidos , especialmente no coração e nos músculos esqueléticos , os ácidos graxos são degradados por meio da β-oxidação , que produz acetil-CoA mitocondrial capaz de ingressar no ciclo de Krebs. Ácidos graxos com um número ímpar de átomos de carbono produzem propionil-CoA , que é convertido em succinil-CoA e se junta ao intermediário do ciclo de Krebs como anaplerótico.
Vários metabólitos do ciclo de Krebs estão envolvidos na biossíntese de compostos importantes, apresentando um efeito cataplerótico significativo no ciclo.
Como o acetil-CoA não pode deixar a mitocôndria como está , é o citrato que é transportado através da membrana mitocondrial interna da matriz mitocondrial para o citosol , onde é clivado em acetil-CoA e oxaloacetato pela ATP citrato liase . O oxaloacetato pode ser usado para a gliconeogênese no fígado ou pode ser convertido em L- malato e se juntar à mitocôndria. O acetil-CoA citosólico é usado para a biossíntese de ácidos graxos e colesterol . Este último pode, por sua vez, ser usadas para produzir hormonas esteróides , os ácidos biliares e vitamina D .
Durante a gliconeogênese , o oxaloacetato mitocondrial é reduzido a malato , que é subsequentemente transportado para fora da mitocôndria para ser novamente oxidado a oxaloacetato no citosol . Este último é então descarboxilado em fosfoenolpiruvato pela fosfoenolpiruvato carboxicinase , que é a etapa cineticamente determinante na conversão em glicose de praticamente todos os precursores da glucoformação - como os aminoácidos glucoformadores e lactato - pelo fígado e rins .
A cadeia de carbono de muitos aminoácidos não essenciais se origina de metabólitos do ciclo de Krebs. O aspartato e a asparagina são derivados do oxaloacetato , enquanto a glutamina , a prolina e a arginina derivam do α-cetoglutarato . O grupo amina vem do glutamato por transaminação em um α-cetoácido usando enzimas usando fosfato de piridoxal como cofator ; durante essas reações, o glutamato é convertido em α-cetoglutarato, que é um metabólito do ciclo de Krebs.
O aspartato e a glutamina estão envolvidos também na biossíntese de nucleobases purinas que entram na composição do ácido nucléico - DNA e RNA - bem como de nucleotídeos como o ATP , o AMP cíclico , o NAD , o ADF e CoA . As bases nucleicas da pirimidina , por sua vez, são derivadas do aspartato , ele próprio derivado do oxaloacetato .
A maioria dos átomos de carbono nas porfirinas vem do succinil-CoA , um metabólito do ciclo de Krebs. Porfirinas são os grupos prostéticos de hemoproteínas , como hemoglobina , mioglobina e citocromos .