Página 1 de 5 O ciclo de Krebs ou do ácido cítrico

Ciclo de Krebs ou do ácido cítrico; Rui Fontes
O ciclo de Krebs ou do ácido cítrico
1-
Por acção das enzimas da glicólise a glicose é, no citoplasma das células, parcialmente oxidada a piruvato.
O piruvato entra para a mitocôndria e, através da acção catalítica da desidrogénase do piruvato, dá origem
a acetil-CoA (ver equação 1). No catabolismo dos aminoácidos, dos ácidos gordos e do etanol também se
forma acetil-CoA. O ciclo de Krebs (também designado do citrato ou dos ácidos tricarboxílicos) é uma
via metabólica central no metabolismo dos nutrientes pois permite a oxidação do grupo acetilo da acetilCoA (a CO2) com a concomitante redução do NAD+ e do FAD a NADH e FADH2 que são
intermediários no processo de redução do O2 (a H2O). A importância do ciclo de Krebs no metabolismo e
na sobrevivência dos seres vivos fica evidenciada pela extrema raridade das doenças congénitas em que há
defeitos na actividade de enzimas deste ciclo [1].
piruvato + NAD+ + CoA  acetil-CoA + NADH + CO2
2-
(1)
As enzimas envolvidas nas reacções do ciclo de Krebs estão todas dentro da mitocôndria e são as
seguintes: síntase do citrato (equação 2), aconitase (equação 3), desidrogénase do isocitrato (equação
4), desidrogénase do -cetoglutarato (equação 5), sintétase de succinil-CoA (equação 6),
desidrogénase do succinato1 (equação 7), fumárase (equação 8) e desidrogénase do malato (equação
9). A sintétase de succinil-CoA é o nome atribuído a duas isoenzimas distintas mas com actividades
semelhantes: uma tem maior afinidade para o GDP e leva à formação de GTP enquanto a outra tem maior
afinidade para o ADP e leva à formação directa de ATP.
acetil-CoA + oxalacetato + H2O  citrato + CoA
citrato  isocitrato
isocitrato + NAD+  -cetoglutarato + CO2 + NADH
-cetoglutarato + NAD+ + CoA  succinil-CoA + NADH + CO2
succinil-CoA + GDP (ou ADP) + Pi  succinato + CoA + GTP (ou ATP)
succinato + FAD  fumarato + FADH2 (ver nota de rodapé nº 1)
fumarato + H2O  malato
malato + NAD+  oxalacetato + NADH
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(8)
(9)
Se ignorarmos momentaneamente a formação de NADH, FADH2, ATP (ou GTP), CO2 e CoA poderemos
escrever a seguinte sequência de transformações: oxalacetato [4C] (+ acetil-CoA [2C no resíduo acetilo])
 citrato [6C]  isocitrato [6C]  -cetoglutarato [5C]  succinil-CoA [4C no resíduo de succinilo]
succinato [4C]  fumarato [4C]  malato [4C]  oxalacetato [4C]. O facto de iniciarmos e terminarmos
a listagem com o mesmo composto (o oxalacetato) evidencia o carácter cíclico do processo. A diminuição
do número de carbonos nos passos isocitrato [6C]  -cetoglutarato [5C] e -cetoglutarato [5C] 
succinil-CoA [4C no resíduo de succinilo] explica-se pela libertação simultânea de CO2 (ver equações 4 e
5).
3-
A sintétase de succinil-CoA (equação 6) existe na forma de duas isoenzimas. Uma das isoenzimas tem
maior especificidade para o ADP e a outra maior especificidade para o GDP mas, em ambos os casos, a
reacção pode ser entendida como correspondendo à rotura de uma ligação “rica em energia” e formação de
outra ligação “rica em energia”. No sentido succinil-CoA  succinato rompe-se uma ligação tioéster e
forma-se uma ligação anidrido entre os fosfato  e ; num dos casos do ATP e no outro do GTP. No
entanto, em última análise, se também considerarmos a actividade da cínase dos nucleosídeos-difosfatos
1
A desidrogénase do succinato é, entre as enzimas “do ciclo de Krebs”, a única que está na membrana interna da
mitocôndria. Sendo constituída por várias subunidades é também conhecida como complexo II. O FAD não é o aceitador
último dos electrões no processo catalisado pela desidrogénase do succinato mas sim o grupo prostético que aceita
directamente os electrões (ou os “hidrogénios”) quando o succinato se oxida. Nas células, o aceitador último dos electrões
na acção catalítica da desidrogénase do succinato é a ubiquinona (ou coenzima Q) mas, tradicionalmente, quando se discute
o ciclo de Krebs, aponta-se o FAD como o oxidante do succinato. Curiosamente, quando se discute o papel catalítico da
desidrogénase do succinato no contexto do estudo da fosforilação oxidativa já é a ubiquinona que é, tradicionalmente,
apontado como o oxidante. Uma visão global da actividade catalítica da enzima permite compreender que a redução da
ubiquinona (a ubiquinol) pelo FADH2 também faz parte da sua actividade global e que a esta é melhor expressa pela
equação seguinte: succinato + ubiquinona (ou coenzima Q)  fumarato + ubiquinol (ou coenzima QH2). Estas
idissincrasias têm origem na história da investigação da desidrogénase do succinato e das vias metabólicas onde pode ser
integrada.
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(ver equação 10) pode admitir-se que, na célula, o que se forma é ATP. Esta cínase não é,
tradicionalmente, considerada uma enzima do ciclo de Krebs, mas tem um papel importante neste contexto
já que permite a transferência do fosfato terminal do GTP (formado pela acção de uma das isoenzimas da
sintétase do succinil-CoA) para o ADP e, consequentemente, a formação de ATP. Assim, mesmo que se
admita que, num dado órgão, a isoenzima com maior actividade seja, a que tem maior afinidade para o
GDP, o somatório da sua actividade (ver equação 6; com GDP como substrato) com a da cínase dos
nucleosídeos difosfatos (ver equação 10) é a equação 11. Por contraponto com a formação de ATP na
fosforilação oxidativa, a fosforilação do ADP (catalisada pela isoenzima que tem como substrato o ADP
ou pelo somatório das duas actividades atrás referidas) diz-se que ocorre “ao nível do substrato”.
GTP + ADP  GDP + ATP
succinil-CoA + ADP + Pi  succinato + CoA + ATP
(10)
(11)
4-
A fase preparatória da oxidação do grupo acetilo da acetil-CoA a CO2 começa com a sua ligação ao
oxalacetato por acção da síntase do citrato. Os passos oxidativos em que ocorre a redução do NAD+ e do
FAD são os catalisados pelas desidrogénases do isocitrato, do -cetoglutarato, do malato (NAD+ a
NADH) e do succinato (FAD a FADH2). O NAD+ existe nas células em concentrações de ordem M e a
oxidação da glicose, dos ácidos gordos e dos aminoácidos (que são ingeridos em quantidades de alguns
moles por dia) só pode ocorrer se o NADH formado aquando das reacções 4, 5 e 9 for imediatamente
reoxidado a NAD+. Algo de muito semelhante pode ser dito do FAD com a particularidade de o FAD ser
um dos grupos prostéticos da desidrogénase do succinato (ver nota de rodapé nº 1). A regeneração do
NAD+ e do FAD é indispensável para que o processo oxidativo possa prosseguir e, na mitocôndria, o
único mecanismo que permite reoxidar o NADH e o FADH2 é desempenhado pelos complexos da cadeia
respiratória sendo que o oxidante final é o O2: ao contrário do que acontece no caso da glicólise não existe
“ciclo de Krebs anaeróbio”. As descarboxilações (libertação de CO2) ocorrem durante as acções
catalíticas da desidrogénase do isocitrato (ver equação 4) e da desidrogénase do -cetoglutarato (ver
equação 5) e, tal como no caso da desidrogénase do piruvato (ver equação 1), as reacções que estas duas
desidrogénases catalisam são frequentemente referidas como oxidações-descarboxilativas. Juntamente
com a desidrogénase do piruvato, as desidrogénases do isocitrato e do -cetoglutarato são responsáveis
pela esmagadora maioria das moléculas de CO2 que os animais produzem.
5-
A equação 12 descreve o somatório das reacções que constituem o ciclo de Krebs (equações 2-9) e a
catalisada pela cínase dos nucleosídeos-difosfatos (equação 10):
CH3CO-CoA + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi  2 CO2 + CoA + 3 NADH + FADH2 + ATP (12)
Esta equação mostra que, conceptualmente, a acção do conjunto das enzimas referidas pode ser entendida
como um somatório de três processos: (12a) a hidrólise da acetil-CoA, (12b) a oxidação do resíduo de
acetato a CO2 com a concomitante redução do FAD e do NAD+ e (12c) a síntese de ATP (a partir de ADP
+ Pi).
CH3CO-CoA + H2O  CoA + CH3COOH
CH3COOH + 2 H2O + 3 NAD+ + FAD  2 CO2 + 3 NADH + FADH2
ADP + Pi  ATP + H2O
(12a)
(12b)
(12c)
Os processos 12a e 12b são exergónicos enquanto o 12c é endergónico e só ocorre porque está acoplado
com os dois primeiros. Vistos como um todo, o somatório das reacções é, obviamente, um processo
exergónico; de contrário, a reacção 12 não poderia ocorrer no sentido indicado.
6-
Em todos os tecidos e, particularmente, nos músculos, o principal papel das enzimas do ciclo de Krebs é,
tal como indica a equação 12, catalisar a oxidação completa do resíduo acetilo do acetil-CoA formado
durante o catabolismo da glicose, ácidos gordos e aminoácidos. Nas reacções em que intervêm
catalisadores, porque estes não se consomem nem se formam durante o processo reactivo, o catalisador
não aparece na equação final. O mesmo acontece no caso dos intermediários do ciclo de Krebs: quando se
somam as equações que expressam a actividade de cada uma das enzimas os intermediários desaparecem
da equação. Em cada uma das reacções um intermediário converte-se no seguinte e o “último” (o
oxalacetato) converte-se no “primeiro” (o citrato). Por isso, não é de estranhar que seja costume dizer-se
que, no processo de oxidação do grupo acetilo da acetil-CoA, os intermediários do ciclo de Krebs têm
um papel catalítico.
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7-
Nos músculos, a velocidade com que ocorrem as reacções catalisadas pelas enzimas do ciclo de Krebs é
proporcional à despesa energética: a velocidade com que ocorrem as reacções do ciclo de Krebs (a
oxidação do acetil-CoA a CO2) aumenta quando, como acontece durante o exercício físico, aumenta a
velocidade de hidrólise do ATP. As enzimas que catalisam reacções fisiologicamente irreversíveis são as
catalisadas pela síntase do citrato e pelas desidrogénases do isocitrato e do -cetoglutarato. Estas
enzimas são, in vitro, inibidas pelo ATP e estimuladas pelo ADP; dado que o esforço muscular implica
aumento da velocidade da hidrólise do ATP (actividade das ATPases da actina-miosina, do Ca2+ e do
Na+/K+) pensou-se durante muito tempo que ocorria diminuição da concentração de ATP e aumento da de
ADP durante o trabalho muscular e que essas variações de concentração fossem a causa directa da
activação destas enzimas e do ciclo de Krebs no seu conjunto. Contudo, in vivo, as variações de
concentração do ATP (mesmo quando o trabalho muscular é violento) são praticamente nulas e as do ADP
são muito modestas; por isso crê-se, actualmente, que o marcado aumento da actividade das enzimas do
ciclo de Krebs e o consequente aumento de produção de CO2 durante o esforço muscular só, em parte,
pode ser causado pelo aumento do ADP. Pensa-se actualmente que um dos factores responsáveis pelo
aumento da produção de CO2 durante o esforço poderá ser o ião Ca2+ que estimula as desidrogénases do
isocitrato e do -cetoglutarato (activação alostérica) e cuja concentração aumenta na célula (citoplasma
e mitocôndria) durante a actividade contráctil do músculo [2].
8-
É de notar que a acetil-CoA não estimula a actividade das enzimas do ciclo de Krebs; ou seja, não é de
esperar que a ingestão aumentada de glicose ou ácidos gordos leve, por si só, a um aumento da oxidação
da acetil-CoA formada a partir dos nutrientes. Os sistemas oxidativos e, em particular, o ciclo de Krebs
têm velocidades que permitem manter a concentração de ATP estacionária: só é possível aumentar a
velocidade de oxidação da acetil-CoA (e, em última análise, a da oxidação dos nutrientes) se aumentar a
velocidade de hidrólise do ATP. Ou seja, a velocidade de oxidação dos nutrientes aumenta quando um
animal faz exercício físico mas aumentar a ingestão de nutrientes não aumenta a velocidade da sua
oxidação2.
9-
Para além do papel central no processo oxidativo dos nutrientes (catabolismo) as enzimas do ciclo de
Krebs também participam noutros processos metabólicos que podem ser vistos como anabólicos. Por isso
se costuma dizer que o ciclo de Krebs tem carácter anfibólico: os intermediários deste ciclo são
intermediários no catabolismo dos nutrientes mas também podem ser intermediários em processos
anabólicos, como a síntese de ácidos gordos a partir de glicose (lipogénese), a síntese de glicose
(gliconeogénese) ou de glicerol-3-P (gliceroneogénese) a partir de aminoácidos ou de lactato, a síntese de
alguns aminoácidos a partir de glicose assim como a síntese do heme da hemoglobina e de outras
proteínas hemínicas. O papel anabólico das enzimas do ciclo de Krebs tem particular relevância nos casos
do fígado, rim e tecido adiposo.
10-
Quando um intermediário do ciclo de Krebs é convertido num outro composto que não o é, diz-se
que o processo é cataplerótico [3, 4]. As reacções catapleróticas tenderiam a “esvaziar” o ciclo de Krebs
mas um processo cataplerótico não pode ocorrer sem que, a uma velocidade semelhante, um outro
composto que não é intermediário do ciclo de Krebs origine um intermediário do ciclo. Os processos
deste último tipo chamam-se anapleróticos. É uma boa aproximação à realidade afirmar-se que os
intermediários do ciclo de Krebs mantêm concentrações estacionárias; em diferentes estados metabólicos
ou mesmo quando um músculo passa do estado de repouso para o de trabalho mecânico as concentrações
dos intermediários do ciclo de Krebs variam muito pouco [3-6].
11-
Quando a glicemia desce depois de terminado o processo absortivo de uma refeição que continha glicose,
o fígado (e o rim) forma glicose usando oxalacetato do citoplasma como percursor e ao processo chama-se
gliconeogénese. A quantidade total de oxalacetato num homem é de alguns milimoles3 mas, na
gliconeogénese, pode formar-se cerca de 100 g de glicose por dia [7]. O fenómeno só é possível porque o
oxalacetato citoplasmático é formado a partir de malato (catálise pela desidrogénase do malato
citoplasmática: ver equação 9) que saiu da mitocôndria. A transformação de malato mitocondrial
(intermediário do ciclo de Krebs) em oxalacetato citoplasmático é um processo cataplerótico. O processo é
sustentável porque durante a gliconeogénese ocorrem simultaneamente processos anapleróticos que
permitem formar intermediários do ciclo de Krebs. Quando, num processo anaplerótico, um qualquer
2
De facto, esta afirmação não é completamente verdadeira porque, quando se ingerem alimentos em excesso, ocorrem
fenómenos adaptativos que tendem a aumentar ligeiramente a velocidade de oxidação dos nutrientes. No entanto, é de
sublinhar que a esmagadora maioria dos nutrientes que excedem os gastos energéticos de um dado indivíduo acabam
armazenados na forma de triacilgliceróis do tecido adiposo.
3
A massa molecular do ácido oxalacético é 132 g/mol.
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intermediário se forma, esse intermediário pode, por acção das enzimas do ciclo de Krebs, substituir o
malato consumido. São exemplos de processos anapleróticos importantes durante a gliconeogénese (i) a
conversão de lactato citoplasmático em oxalacetato mitocondrial [via acção sequenciada da desidrogénase
láctica (ver equação 13), do transporte de piruvato para a mitocôndria e da acção da carboxílase do
piruvato (ver equação 14)], (ii) a conversão de glutamina, glutamato e outros aminoácidos em cetoglutarato mitocondrial e (iii) a conversão de propionato em succinil-CoA mitocondrial. Todas as
substâncias que podem, directa ou indirectamente, ser substratos em processos anapleróticos dizemse também glicogénicas porque, no fígado e no rim, são substratos da gliconeogénese. Um exemplo de
uma reacção anaplerótica é a catalisada pela desidrogénase do glutamato (ver equação 15): nesta reacção
um aminoácido (o glutamato) converte-se num intermediário do ciclo de Krebs (o -cetoglutarato); o
glutamato é, por isso, um substrato da gliconeogénese.
lactato + NAD+  piruvato + NADH
piruvato + CO2 + ATP  oxalacetato + ADP + Pi
glutamato + NAD+  -cetoglutarato + NADH + NH4+
(13)
(14)
(15)
12-
A acetil-CoA, reage com um intermediário do ciclo de Krebs (o oxalacetato) formando citrato (síntase do
citrato: ver equação 2). Nesta reacção, ao contrário do que acontece no caso dos processos anapleróticos,
não há formação líquida de um intermediário do ciclo de Krebs a partir de um outro que o não é. A
reacção catalisada pela síntase do citrato pode ser interpretada como a conversão de um intermediário
do ciclo de Krebs (o oxalacetato) noutro intermediário do ciclo de Krebs (o citrato): em termos líquidos
não há nem formação nem consumo dos intermediários do ciclo de Krebs entendidos como um todo. Por
isto, a reacção catalisada pela síntase do citrato não é uma reacção anaplerótica (nem cataplerótica). Por
outro lado, a conversão de acetil-CoA em oxalacetato via reversão da reacção catalisada pela
desidrogénase do piruvato (e a subsequente carboxilação do piruvato a oxalacetato; ver equação 14)
também não é possível porque a reacção catalisada pela desidrogénase do piruvato é fisiologicamente
irreversível (ver equação 1). A acetil-CoA não pode, por estes motivos, ser considerada um substrato
da gliconeogénese4.
13-
A esmagadora maioria dos ácidos gordos, quer os da dieta quer os que fazem parte da estrutura dos
lipídeos dos seres vivos, contém um número par de carbonos. Estes ácidos gordos geram, no seu
catabolismo, apenas acetil-CoA e não podem, portanto, contribuir para a formação de glicose: os ácidos
gordos de cadeia par não são glicogénicos. Pelo contrário, a glicose pode dar origem a ácidos gordos
cuja síntese ocorre no citoplasma partindo de acetil-CoA (lipogénese). A acetil-CoA excedentária
relativamente às necessidades energéticas da célula não pode ser oxidada a CO2 no ciclo de Krebs mas
pode, pelo menos no fígado e no tecido adiposo, ser convertida em ácidos gordos no citoplasma das
células. No entanto, a acetil-CoA não pode atravessar a membrana mitocondrial porque não existe
transportador para esta substância. O mecanismo que permite, de forma indirecta, transportar acetil-CoA
para o citoplasma é complexo e envolve as actividades catalíticas da síntase do citrato dentro da
mitocôndria (ver equação 2), do transportador para o citrato existente na membrana interna da
mitocôndria (ver equação 16) e, já no citoplasma, da líase do ATP-citrato (ver equação 17).
citrato mitocondrial  citrato citoplasmático
ATP + citrato + CoA  oxalacetato + ADP + Pi + acetil-CoA
(16)
(17)
O somatório das equações 2, 16 e 17 (ver equação 18) mostra que o transporte de acetil-CoA ocorre à
custa do gasto de uma “ligação rica em energia” do ATP:
acetil-CoA (mit.) + oxalacetato (mit.) + ATP + H2O 
acetil-CoA (cit.) + oxalacetato (cit.) + ADP + Pi
14-
(18)
Sendo o acetil-CoA citoplasmático um substrato para a formação endógena de ácidos gordos pode
afirmar-se que a fracção da glicose ingerida que não é oxidada contribui para a formação dos
triacilgliceróis que formam as gotículas de gordura dos adipócitos e de outras células do organismo. No
entanto, o contrário não é verdadeiro: a maioria dos ácidos gordos que ingerimos são de cadeia par e, no
seu catabolismo, geram acetil-CoA que não pode converter-se em glicose.
4
Do mesmo modo, também as substâncias que geram apenas acetil-CoA no seu catabolismo também não são substratos da
gliconeogénese e, portanto, não geram glicose no organismo.
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