10 Ciclo de Krebs

O piruvato formado a partir de glicose no citosol origina o grupo acetila

presente na acetil-CoA mitocondrial (Seção 9.2). Além da glicose, vários aminoácidos, ao serem degradados, produzem piruvato e, portanto, acetil-CoA. Outros aminoácidos e os ácidos graxos produzem acetil-CoA sem a

formação intermediária de piruvato (Figura 8.3). A acetil-CoA constitui, portanto, o ponto de convergência do metabolismo degradativo de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos e também de etanol. Completando o catabolismo destes compostos, a acetil-CoA, na mitocôndria, é totalmente oxidada a CO2 pelo ciclo de Krebs, com a concomitante produção de coenzimas reduzidas. Paralelamente a esta oxidação, o ciclo de Krebs produz compostos utilizados como precursores para biossínteses.

10.1 Reações do ciclo de Krebs

O ciclo de Krebs ou ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos

tricarboxílicos (Figura 10.1) inicia-se com a condensação de acetil-CoA e

oxaloacetato, formando citrato, uma reação catalisada pela citrato sintase1. O citrato é isomerizado a isocitrato, com a formação de um intermediário, o cis-aconitato, por ação da aconitase. A aconitase, nos mamíferos, ocorre como duas isoenzimas, uma mitocondrial, que participa do ciclo de Krebs, e outra citoplasmática. O centro ativo das aconitases inclui um centro ferro-

enxofre (Seção 11.2), essencial para a catálise. Quando há baixa disponibilidade de ferro, a isoenzima citoplasmática perde o centro ferro-enxofre e a atividade de aconitase: a apoproteína resultante exibe uma função diferente, a capacidade de ligar-se a RNA, regulando a síntese de proteínas envolvidas no metabolismo do ferro. A aconitase é um exemplo clássico de contradição do dogma: um gene → uma proteína → uma função.

A isocitrato desidrogenase promove a oxidação de isocitrato a α-cetoglutarato, com redução de NAD+ e liberação de CO 2. No citosol e nas mitocôndrias das células de eucariotos, existem isoenzimas da isocitrato desidrogenase que utilizam NADP+ como coenzima e cuja função seria realmente produzir NADPH, um importante agente redutor utilizado em

processos celulares antioxidantes (Seção 12.3) e em sínteses redutoras

(Seção 16.5).

O α-cetoglutarato é transformado em succinil-CoA, graças à atuação do complexo α-cetoglutarato desidrogenase, semelhante ao complexo piruvato desidrogenase quanto à estrutura e ao mecanismo de reação. Trata-se, em ambos os casos, da descarboxilação oxidativa de um α-cetoácido (piruvato ou α-cetoglutarato) e ligação do grupo remanescente (acetila ou succinila) à coenzima A, formando um tioéster (rico em energia), com participação de TPP, ácido lipoico, FAD e NAD+, que é reduzido a NADH.

A seguir, succinil-CoA é convertida a succinato, acoplada à síntese de outro composto rico em energia, um nucleosídio trifosfato (NTP) a partir de um nucleosídio difosfato (NDP) e Pi; a reação é catalisada pela succinil-CoA sintetase (ou succinato-CoA ligase). Existem várias isoenzimas da succinil-CoA sintetase que diferem quanto aos organismos onde são expressas e quanto à especificidade para os nucleotídios sobre os quais atuam: permitem a formação de ATP a partir de ADP e Pi ou de GTP

(guanosina trifosfato — Figura 10.2) a partir de GDP (guanosina difosfato) e P . A succinil-CoA sintetase encontrada em plantas origina ATP; nas i

bactérias, dependendo da espécie considerada, pode-se formar ATP ou GTP, ou ambos; em mamíferos, incluindo os seres humanos, as duas isoenzimas são expressas e as suas quantidades relativas variam segundo o tecido. O

GTP pode ser utilizado em reações dele dependentes (Seção 14.2), ou pode transferir um grupo fosfato ao ADP, produzindo ATP, por ação da nucleosídio difosfato quinase:

GTP + ADP ⇌ GDP + ATP

A próxima reação é catalisada pela única enzima do ciclo de Krebs que é parte integrante da membrana interna da mitocôndria; as demais estão em forma solúvel na matriz mitocondrial. Trata-se de uma flavoproteína, a succinato desidrogenase, também denominada succinato-ubiquinona

oxidação-redução ou Complexo II da cadeia respiratória (Seção 11.2).

Figura 10.1 Ciclo de Krebs. Na reação da succinil-CoA sintetase, o nucleosídio trifosfato (NTP) pode ser ATP ou GTP e o nucleosídio difosfato (NDP), ADP ou GDP. *FADH 2não é liberado na reação, porque está ligado à succinato desidrogenase; seus elétrons e prótons reduzem a coenzima Q (CoQ) a CoQH 2: FADH 2 + CoQ → FAD + CoQH2.

Figura 10.2 O GTP difere do ATP por conter guanina como base nitrogenada.

Na primeira etapa da reação, o succinato é oxidado a fumarato e o FAD é reduzido a FADH2. FAD, diferentemente de NAD+, liga-se covalentemente

à enzima, consistindo em um grupo prostético. A Figura 10.1 mostra, como recurso didático, o FADH liberado na reação, sendo que ele não se dissocia 2

da succinato desidrogenase. Os elétrons e prótons do FADH 2 são transferidos para a ubiquinona ou coenzima Q (CoQ), este sim, um composto que se difunde livremente na bicamada lipídica da membrana interna da mitocôndria. A representação exata da reação da succinato desidrogenase é:

Succinato + CoQ → Fumarato + CoQH2

Ainda assim, considera-se FADH2 como um produto do ciclo de Krebs, e de outras vias metabólicas que incluem flavoproteínas, para viabilizar o cômputo da quantidade de ATP sintetizado a partir de coenzimas reduzidas

(Seções 11.8 e 16.2.1).

O fumarato é hidratado a malato pela fumarase. A malato desidrogenase oxida o malato a oxaloacetato, reduzindo NAD+ e fechando o ciclo. Como o oxaloacetato é sempre regenerado ao final de cada volta, o ciclo de Krebs pode oxidar acetil-CoA continuamente, sem gasto efetivo de oxaloacetato. Em paralelo a esta oxidação são reduzidos 3 NAD+ e 1 FAD.

Observa-se, pela descrição das reações que o compõem, que o ciclo de Krebs é uma via eminentemente oxidativa para a acetil-CoA: os átomos de carbono do seu grupo acetila são estequiometricamente convertidos a CO2. Esta oxidação tem consequências fundamentais para o metabolismo de mamíferos. Como a degradação de ácidos graxos gera unicamente acetil-CoA, que é completamente oxidada no ciclo de Krebs, os ácidos graxos são convertidos totalmente a CO2. Em razão desta conversão, os ácidos graxos

não podem gerar glicose (Seção 10.3).

A maioria das reações do ciclo de Krebs é reversível, mas o sentido do ciclo é determinado pela irreversibilidade das reações catalisadas pela citrato sintase e pela α-cetoglutarato desidrogenase (setas coloridas na

Figura 10.1). Esta última reação mantém baixas as concentrações de α-cetoglutarato e, indiretamente, de isocitrato. Assim, apesar de o equilíbrio da reação catalisada pela aconitase favorecer acentuadamente a formação de citrato, este composto não se acumula na mitocôndria enquanto se processar a oxidação de isocitrato.

O ciclo de Krebs depende da cadeia de transporte de elétrons para a

reoxidação de coenzimas

A equação geral do ciclo de Krebs é:

Embora produza apenas 1 ATP (ou 1 GTP) por acetil-CoA oxidada, o ciclo de Krebs contribui para a formação de grande parte do ATP produzido pela célula, pois a energia da oxidação da acetil-CoA é conservada sob a forma de coenzimas reduzidas e, posteriormente, usada para síntese de ATP. A oxidação das coenzimas é obrigatoriamente feita pela cadeia de

transporte de elétrons (Capítulo 11) e, portanto, o ciclo de Krebs, assim como a conversão de piruvato a acetil-CoA, só pode funcionar em condições aeróbias, ao contrário da glicólise.