Ciclo de Krebs

Enquadramento

O ciclo de Krebs, ciclo do ácido cítrico ou ciclo dos ácidos tricarboxílicos é a via mitocondrial que oxida o grupo acetilo do acetil-CoA a CO2 e conserva energia sob a forma de NADH, FADH2 e GTP. A via não consome oxigénio diretamente, mas depende da cadeia respiratória para reoxidar NADH e FADH2. Quando a fosforilação oxidativa abranda, a acumulação de coenzimas reduzidas limita o fluxo do ciclo.

O ciclo é anfibólico. Recebe carbono de hidratos de carbono, ácidos gordos e aminoácidos; fornece intermediários para gliconeogénese, síntese de ácidos gordos, síntese de aminoácidos, metabolismo do heme e outras vias biossintéticas. A manutenção do fluxo exige reposição anaplerótica quando intermediários são desviados para biossíntese.

Entrada do acetil-CoA

O acetil-CoA resulta da oxidação do piruvato, da beta-oxidação dos ácidos gordos e do catabolismo de alguns aminoácidos. A sua unidade acetilo entra no ciclo pela condensação com oxaloacetato, formando citrato. A CoA é libertada e pode voltar a participar noutras reações acil-transferase.

O oxaloacetato funciona como aceitador catalítico. A sua concentração intramitocondrial é baixa, mas suficiente para iniciar a condensação quando o estado energético e redox permite o funcionamento do ciclo. A falta de oxaloacetato limita a oxidação do acetil-CoA, desviando carbono para outras vias conforme o tecido e o estado metabólico.

Reações do ciclo

A citrato sintase catalisa uma reação fortemente exergónica e fisiologicamente irreversível. A aconitase contém um centro ferro-enxofre sensível ao estado celular. A isocitrato desidrogenase e a alfa-cetoglutarato desidrogenase são pontos de controlo por NADH, ADP/ATP e cálcio. A succinato desidrogenase é simultaneamente enzima do ciclo e complexo II da cadeia respiratória.

Balanço energético

Cada volta do ciclo oxida uma unidade acetilo e produz coenzimas reduzidas que alimentam a fosforilação oxidativa.

Por glucose, a oxidação completa inclui glicólise, desidrogenase do piruvato, ciclo de Krebs e fosforilação oxidativa. O total habitual é 30 a 32 ATP, conforme o vaivém usado para transferir os equivalentes redutores do NADH citosólico.

Localização e dependência da cadeia respiratória

As enzimas do ciclo localizam-se maioritariamente na matriz mitocondrial. A exceção estrutural é a succinato desidrogenase, que está integrada na membrana mitocondrial interna e transfere eletrões do FADH2 para a ubiquinona. O ciclo depende da cadeia respiratória porque as desidrogenases usam NAD+ e FAD como aceitadores de eletrões. Se NADH e FADH2 não forem reoxidados, a concentração de NAD+ e FAD disponível baixa e o ciclo abranda.

A disponibilidade de ADP também regula indiretamente o ciclo. Quando há ADP, a fosforilação oxidativa acelera, NADH é oxidado a NAD+ e as desidrogenases do ciclo mantêm fluxo. Quando ATP é abundante e ADP escasso, a cadeia respiratória abranda e NADH acumula, inibindo o ciclo.

Regulação

Os principais pontos de controlo são citrato sintase, isocitrato desidrogenase e alfa-cetoglutarato desidrogenase. A regulação responde à disponibilidade de substrato, ao estado energético, ao estado redox e à necessidade de trabalho celular.

O cálcio ativa desidrogenases em tecidos excitáveis, como músculo esquelético e cardíaco. A contração aumenta consumo de ATP, eleva ADP e Ca2+ citosólico, estimula a fosforilação oxidativa e reforça o fluxo oxidativo mitocondrial.

Carácter anfibólico

O ciclo é catabólico porque oxida acetil-CoA e gera poder redutor. É anabólico porque fornece intermediários para síntese de moléculas. O desvio de intermediários para biossíntese chama-se saída cataplerótica. A reposição dos intermediários chama-se anaplerose.

O citrato exportado da mitocôndria pode ser clivado pela ATP-citrato liase no citosol, formando acetil-CoA e oxaloacetato. O acetil-CoA citosólico alimenta a síntese de ácidos gordos. Este fluxo é favorecido em estado alimentado, com energia e carbono abundantes.

O oxaloacetato não atravessa livremente a membrana mitocondrial interna. Para participar na gliconeogénese, pode ser reduzido a malato, exportado e reoxidado no citosol, ou convertido em fosfoenolpiruvato por fosfoenolpiruvato carboxicinase, conforme tecido e isoforma enzimática.

Reações anapleróticas

A anaplerose preserva intermediários do ciclo quando há desvio para biossíntese. A reação anaplerótica mais relevante é a carboxilação do piruvato a oxaloacetato pela piruvato carboxilase, uma enzima mitocondrial dependente de biotina e ativada por acetil-CoA.

A conversão de propionil-CoA em succinil-CoA envolve carboxilação dependente de biotina e rearranjo dependente de vitamina B12. Por isso, alterações de biotina ou B12 podem afetar a entrada de carbono por esta via.

Integração com gliconeogénese

O ciclo participa na gliconeogénese através do oxaloacetato. Lactato, alanina e outros substratos podem ser convertidos em piruvato; o piruvato é carboxilado a oxaloacetato; o oxaloacetato segue para fosfoenolpiruvato e depois para glucose. Durante jejum, o fígado precisa de oxaloacetato para formar glucose e de acetil-CoA da beta-oxidação para fornecer energia e ativar a piruvato carboxilase.

Quando o oxaloacetato é desviado para gliconeogénese, a capacidade de condensar acetil-CoA no ciclo diminui. No fígado em jejum prolongado, a beta-oxidação fornece muito acetil-CoA e NADH, enquanto parte do oxaloacetato é usada para produção de glucose. Esta combinação favorece cetogénese.

Integração com síntese de ácidos gordos

No estado alimentado, a glicólise e a desidrogenase do piruvato aumentam a formação de acetil-CoA mitocondrial. Quando há ATP suficiente, o citrato acumula e é exportado para o citosol. A ATP-citrato liase regenera acetil-CoA citosólico, que alimenta a síntese de malonil-CoA e ácidos gordos.

O oxaloacetato citosólico formado pela ATP-citrato liase pode ser convertido em malato e depois em piruvato pela enzima málica, com produção de NADPH. O NADPH é necessário para a síntese redutora de ácidos gordos.

Cofatores e correlações clínicas

Várias reações do ciclo dependem de vitaminas do complexo B. A alfa-cetoglutarato desidrogenase usa cofatores semelhantes aos da desidrogenase do piruvato: TPP, lipoato, CoA, FAD e NAD+. A succinato desidrogenase depende de FAD. As reações com NAD+ dependem de niacina.

A deficiência de tiamina compromete a oxidação de alfa-cetoácidos e pode associar-se a acumulação de piruvato, lactato e intermediários relacionados, com impacto neurológico e cardíaco. A inibição da cadeia respiratória também reduz o ciclo por acumulação de NADH.

Síntese