O documento descreve o ciclo do ácido cítrico, também conhecido como ciclo de Krebs ou ciclo do ácido tricarboxílico. O ciclo ocorre na mitocôndria e é a principal via de oxidação de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos, gerando energia na forma de NADH, FADH2 e GTP. O documento detalha as oito reações do ciclo e como ele é regulado pela disponibilidade de substratos e produtos.
Ciclo do Ácido Cítrico: a fornalha energética da célula
1. Aula de Bioquímica Avançada
Tema:
Ciclo do Ácido Cítrico
Prof. Dr. Júlio César Borges
Depto. de Química e Física Molecular – DQFM
Instituto de Química de São Carlos – IQSC
Universidade de São Paulo – USP
E-mail: borgesjc@iqsc.usp.br
3. Respiração Celular
1º estágio: glicose, ácidos graxos e alguns
aminoácidos
Fragmentos de 2 C grupo acetil da Acetil-CoA
2º estágio: oxidação dos grupos acetil
CICLO DO ÁCIDO
CÍTRICO
ENERGIA liberada é conservada nos
transportadores de elétrons reduzidos
NADH e FADH2
3º estágio: Oxidação das coenzimas reduzidas;
Transferência de e- para o O2 Cadeia
transportadora
de elétrons
Conservação de energia fosforilação oxidativa
4. Recebeu o prêmio Nobel de Fisiologia/Medicina em 1953
pela descoberta do Ciclo do Ácido Cítrico
Hans Krebs: Aparato de Warburg utilizado
para medir o consumo de oxigênio no
metabolismo do tecido muscular.
1937 Ciclo do Ácido Cítrico
1945 Coenzima A
1951 Acetil CoA
Ciclo do ácido Cítrico
Ciclo de Krebs
Ciclo do ácido Tricarboxílico
5. Ciclo do ácido Cítrico
Ciclo de Krebs
Ciclo do ácido Tricarboxílico
Tem papel central no metabolismo
Destino do Piruvato, aminoácidos e ácidos
graxos no metabolismo aeróbico
- Oxidação de Combustíveis à CO2 e H20
- Ocorre na mitocôndria
- Necessita de O2 molecular para ocorrer
- Porta de entrada do Piruvato Acetil-CoA
6. O Acetil-CoA
entrada da maioria dos combustíveis do ciclo
Esqueletos de C dos açúcares e ácidos graxos ao grupo acetil da acetil-CoA
convertidos
Ligação
amida
Ligação
fosfoéster
Forma um tioéster com o acetato
para formar a acetil-CoA
CARREADOR DE ACILAS
7. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
- Complexo multienzimático
Piruvato desidrogenase (E1) 24 cópias
Diidrolipoil-transacetilase (E2) 24-60 cópias
Dihidrolipoil-desidrogenase (E3) 12-cópias
- aumenta a velocidade de reações
evita a difusão do substrato
- minimiza reações secundárias
- permite controle coordenado
8. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase bacteriana
24 cópias de E2
-Verde
-Trímeros nos
vértices do cubo
12 cópias de E3
- Vermelho
-Dímeros nas faces
do cubo
24 cópias de E1
- Laranja
-Dímeros nas
arestas do cubo
Núcleo da E2
- 24 cópias
Núcleo da
E2
- 60
cópias
9. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase bovina
- 60 cópias de E2
~ 50 nm de
diâmetro
> 5x ribossomo
60 moléculas de E2 trímeros
Domínio lipoil de E2
10. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
necessita de 5 coenzimas:
Pirofosfato de tiamina, CoA, Lipoamida, FAD, NAD+
11. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
- Forma Acetil-CoA pela descarboxilação oxidativa do Piruvato reação irreversível
- Braço da lipoamida canaliza a reação entre os sítios catalíticos do complexo catalítico
1º REAÇÃO descarboxilação do Piruvato dependente de TPP
2º REAÇÃO grupo hidroxietil transferido do TPP para Lipoamida Transacetilase
- envolve a oxidação da carboxila e redução da lipoamida S–S H–S + S–Acetil
12. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
3º REAÇÃO transesterificação dependente de CoA
- liberação de Acetil-CoA
4º REAÇÃO regeneração da Lipoamida oxidada troca dissulfídica duas Cys
- envolve FAD fortemente ligado a E3
5º REAÇÃO oxidação do dissulfeto da E3
- envolve FADH como intermediário e NADH como aceptor final da reação
13. Síntese de Acetil-CoA
-Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
5º REAÇÃO oxidação do dissulfeto da
E3
- envolve FADH como intermediário e
NADH como aceptor final da reação
- Reação não usual devido ao potencial
Redox menor do NADH em relação ao
FADH2
- Potencial Redox do FADH2
- do depende do ambiente e reação
15. Síntese de Acetil-CoA
- Complexo enzimático da Piruvato Desidrogenase
- O longo braço da lipoamida permite o grupo “visitar” diferentes sítios ativos
16. Ciclo do ácido Cítrico
Ciclo de Krebs ou Ciclo do Ácido Tricarboxílico
principal sítio de óxido-redução de moléculas
sítio de oxidação final de carboidratos, aminoácidos e ácidos graxos
Local: mitocôndria
- o equivalente a 1 grupo Acetil é completamente oxidado a 2 CO2
entra Acetil CoA (e outros metabólitos) e sai 1 GTP e 8 e’ (3 NADH e 1 FADH2)
1º NADH isocitrato desidrogenase sítio de evolução de CO2
2º NADH α-cetoglutarato desidrogenase sítio de evolução de CO2
1º FADH2 succinato desidrogenase
3º NADH Malato desidrogenase
o oxaloacetato é regenerado no final do ciclo sistema oxidante de grupos acetil
- 4 pares de elétrons são transportados pela cadeia de transporte de elétrons para a
oxidação de O2
17. Ciclo do ácido Cítrico
É a fornalha de oxidação
celular
Grande extração de
energia a partir de
1 Acetil-CoA
8 reações enzimáticas
1: Citrato Sintase
2: Aconitase
3: Isocitrato desidrogenase
4: α-cetoglutarato desidrogenase
5: Succinil-CoA Sintetase
6: Succinato desidrogenase
7: Fumarase
8: Malato desidrogenase
1)
2)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
18. Citrato sintase Homodímero
• 1 º substrato Oxaloacetato
induz mudanças conformacionais no domínio flexível
criando um sítio de ligação para o 2 º substrato acetil-CoA
• Ocorre formação do intermediário: citroil-CoA alteração
conformacional
•Leva a hidrólise do tioéster, liberando CoA
Ciclo do ácido Cítrico
1) CITRATO SINTASE
Alimenta a fornalha
Catalisa a condensação de oxaloacetato com Acetil-CoA
19. Ciclo do ácido Cítrico
1) CITRATO SINTASE
Alimenta a fornalha
- Enol ataca por SN2 o oxaloacetato forma o citroil-CoA
- Hidrólise libera a CoA mais Citrato exergônica
Mecanismo de deslocamento sequencial ordenado
- Mecanismo ácido-base forma um intermediário enol
20. Ciclo do ácido Cítrico
2) ACONITASE
-forma isocitrato via cis-aconitato
- envolve desidratação e hidratação facilitado por um complexo Fe-4S
21. Ciclo do ácido Cítrico
3) ISOCITRATO-DESIDROGENASE
- descarboxilação oxidativa produz NADH e CO2
- necessita de Mn2+ ou Mg2+ como cofator
Reação em 3 etapas
1º Redução de NAD+
2º Descarboxilação Intermediário enol
3o Rearranjo em ceto-enol
22. Ciclo do ácido Cítrico
4) ALFA-CETOGLUTARATO-DESIDROGENASE
- Forma um complexo multi-enzimático
- Descarboxilação oxidativa produz NADH e CO2
- Acopla um CoA ao α-
cetoglutarato
NAD+ é o aceptor de
elétrons
CoA é o transportador do
grupo succinil
- Funciona como a PDH sobre
o α-cetoglutarato
- Possui 3 enzimas similares a
E1, E2 e E3 (idêntica) e os
cofatores descritos para a PDH
- Evolução divergente
23. Ciclo do ácido Cítrico
5) SUCCINIL-COA-SINTETASE
- acopla a síntese de GTP (ou ATP) com a quebra da ligação de CoA do Succinil-CoA
- envolve a enzima fosforilada para o estado intermediário
1º: formação do Succinil-Pi
2º: enzima fosforilada e
liberação do Succinato
3º: Atividade quinase
fosforilação ao nível do
substrato
Nucleosídeo-difosfato-quinase
GTP + ADP → GDP + ATP
24. Ciclo do ácido Cítrico
5) SUCCINIL-COA-SINTETASE
- acopla a síntese de GTP (ou ATP dependendo da isoenzima) com a quebra da ligação de
CoA do Succinil-CoA
Envolve a enzima
fosforilada para o estado
intermediário
1º: formação do Succinil-Pi
2º: enzima fosforilada e
liberação do Succinato
3º: Atividade quinase
fosforilação ao nível do
substrato
Nucleosídeo-difosfato-quinase
GTP + ADP → GDP + ATP
25. Ciclo do ácido Cítrico
6) SUCCINATO-DESIDROGENASE
- conta com um FAD covalentemente ligado à enzima
- faz parte do complexo II da cadeia transportadora de elétrons sítio de oxidação do
próprio FADH2 formado
- forma fumarato alcano a alceno
Em eucariotos: ligada a MMI da mitocôndria
Bactérias: ligada a membrana plasmática
Contém grupos Fe-S e conta com um FAD
covalentemente ligado à enzima
26. Ciclo do ácido Cítrico
7) FUMARASE
- hidratação da ligação dupla do fumarato forma malato
- envolve um íon OH- para atacar a ligação dupla do fumarato
27. Ciclo do ácido Cítrico
8) MALATO-DESIDROGENASE
- oxidação da OH do Malato regenera oxaloacetato
- dependente de NAD+ similar à lactato desidrogenase
- reação endergônica reação dirigida pela retirado do produto
- [oxaloacetato] é mínima retirado pela citrato sintase e outros ΔG < 0 exergônica
28. Ciclo do ácido Cítrico
Produção de energia do ciclo
1: Isocitrato desidrogenase
1
2: α-cetoglutarato desidrogenase
2
3: Succinato desidrogenase
3
4: Malato desidrogenase
4
31. Controle do Ciclo do ácido Cítrico
A entrada é regulada:
Piruvato desidrogenase
Citrato sintase
O Ciclo de Krebs também é regulado:
Reação da isocitrato-desidrogenase
Reação da α-cetoglutarato-desidrogenase
Pontos de controle
Relacionados aos principais metabólitos
Acetil-CoA, oxaloacetato e NADH
3 fatores controlam a velocidade do ciclo:
Disponibilidade de substrato
Inibição pelos produtos acumulados
Inibição alostérica por
retroalimentação das enzimas de catalisam as
etapas iniciais do ciclo
32. Controle do Ciclo do ácido Cítrico
- ADP e Ca2+ ativam a isocitrato desidrogenase
- Ca2+ ativa a fosfatase da Piruvato-desidrogenase
ativando-a
Vários pontos de controle
- Acetil-CoA e oxaloacetato não saturam a Citrato
sintase
- Falta de NADH aumenta a formação de oxaloacetato
e Acetil-CoA
- NADH e FADH2 são oxidados somente se ADP é
simultaneamente fosforilado a ATP
ATP inibe a Citrato sintase, isocitrato
desidrogenase e α-cetoglutarato desidrogenase
- Resulta em acumulo de Citrato
- Logo, a necessidade/disponibilidade de ATP
garantem o funcionamento do ciclo de Krebs
NADH inibe a Piruvato-desidrogenase, citrato
sintase, isocitrato desidrogenase e α-
cetoglutarato desidrogenase
Succinil CoA inibe a citrato sintase ocupa
sítio da Acetil-CoA
33. Ciclo do ácido Cítrico
O papel em outras vias
- é uma via anabólica ou anfibólica oxaloacetato para a gliconeogênese e esqueletos de
carbono para aminoácidos
34. Ciclo do ácido Cítrico
O papel em outras vias
Fornece blocos de construção para outras vias bactérias anaeróbicas
Não possuem a α-
cetoglutarato-desidrogenase
não conseguem realizar a via
completa das reações do Ciclo
de Krebs
Inversão do
sentido
oxidativo
(normal) da via NADH produzido
pela oxidação do
isocitrato
Reciclado a
NAD+ pela
redução do
oxaloacetato a
succinato
35. Ciclo do ácido Cítrico
REAÇÕES ANAPLERÓTICAS
Produção de intermediários do ciclo de Krebs por outras vias com compostos comuns
reações anapleróticas
Contribuem para manter a concentração dos intermediários em níveis adequados
REAÇÃO ANAPLERÓTICAS MAIS IMPORTANTE
Fígado e rins de mamíferos: carboxilação reversível do piruvato pelo CO2 para a
formação de oxaloacetato
Piruvato-carboxilase
Acetil-CoA modulador alostérico positivo
36. Ciclo do ácido Cítrico
Metabolons
Complexos proteicos de canalização de substratos em vias reacionais