Ciclo do ácido cítrico
O ciclo do ácido cítrico (CAC)—também conhecido como ciclo de Krebs, ciclo de Szent-Györgyi-Krebs ou o ciclo do TCA (ciclo do ácido tricarboxílico)—é uma série de reações químicas para liberar a energia armazenada por meio da oxidação do acetil-CoA derivado de carboidratos, gorduras e proteínas. O ciclo de Krebs é usado por organismos que respiram (ao contrário de organismos que fermentam) para gerar energia, seja por respiração anaeróbica ou respiração aeróbica. Além disso, o ciclo fornece precursores de certos aminoácidos, bem como o agente redutor NADH, que são usados em várias outras reações. Sua importância central para muitas vias bioquímicas sugere que foi um dos primeiros componentes do metabolismo e pode ter se originado abiogenicamente. Mesmo sendo rotulado como um 'ciclo', não é necessário que os metabólitos sigam apenas uma rota específica; pelo menos três segmentos alternativos do ciclo do ácido cítrico foram reconhecidos.
O nome desta via metabólica é derivado do ácido cítrico (um ácido tricarboxílico, muitas vezes chamado de citrato, pois a forma ionizada predomina no pH biológico) que é consumido e depois regenerado por esta sequência de reações para completar o ciclo. O ciclo consome acetato (na forma de acetil-CoA) e água, reduz NAD+ a NADH, liberando dióxido de carbono. O NADH gerado pelo ciclo do ácido cítrico é alimentado na via de fosforilação oxidativa (transporte de elétrons). O resultado líquido dessas duas vias intimamente ligadas é a oxidação de nutrientes para produzir energia química utilizável na forma de ATP.
Nas células eucarióticas, o ciclo do ácido cítrico ocorre na matriz da mitocôndria. Em células procarióticas, como as bactérias, que não possuem mitocôndrias, a sequência de reação do ciclo do ácido cítrico é realizada no citosol com o gradiente de prótons para a produção de ATP sendo através da superfície da célula (membrana plasmática) em vez da membrana interna do mitocôndria.
Para cada molécula de piruvato (da glicólise), o rendimento total de compostos contendo energia do ciclo do ácido cítrico é de três NADH, um FADH2 e um GTP.
Descoberta
Vários dos componentes e reações do ciclo do ácido cítrico foram estabelecidos na década de 1930 pela pesquisa de Albert Szent-Györgyi, que recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1937 especificamente por suas descobertas relativas ao ácido fumárico, um componente do ciclo. Ele fez essa descoberta estudando o músculo do peito de pombo. Como esse tecido mantém sua capacidade oxidativa bem depois de quebrar no moinho Latapie e liberar em soluções aquosas, o músculo do peito do pombo foi muito bem qualificado para o estudo das reações oxidativas. O próprio ciclo do ácido cítrico foi finalmente identificado em 1937 por Hans Adolf Krebs e William Arthur Johnson enquanto estavam na Universidade de Sheffield, pelo qual o primeiro recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1953, e para quem o ciclo às vezes é chamado de & #34;Ciclo de Krebs".
Visão geral
O ciclo do ácido cítrico é uma via metabólica que conecta o metabolismo de carboidratos, gorduras e proteínas. As reações do ciclo são realizadas por oito enzimas que oxidam completamente o acetato (uma molécula de dois carbonos), na forma de acetil-CoA, em duas moléculas cada uma de dióxido de carbono e água. Através do catabolismo de açúcares, gorduras e proteínas, o produto orgânico de dois carbonos acetil-CoA é produzido, que entra no ciclo do ácido cítrico. As reações do ciclo também convertem três equivalentes de dinucleotídeo de nicotinamida adenina (NAD+) em três equivalentes de NAD+ reduzido (NADH), um equivalente de dinucleotídeo de flavina adenina (FAD) em um equivalente de FADH2 e um equivalente de difosfato de guanosina (GDP) e fosfato inorgânico (Pi) em um equivalente de trifosfato de guanosina (GTP). O NADH e o FADH2 gerados pelo ciclo do ácido cítrico são, por sua vez, utilizados pela via de fosforilação oxidativa para gerar ATP rico em energia.
Uma das fontes primárias de acetil-CoA é a quebra de açúcares pela glicólise que produz piruvato que por sua vez é descarboxilado pelo complexo piruvato desidrogenase gerando acetil-CoA de acordo com o seguinte esquema de reação:
O produto desta reação, acetil-CoA, é o ponto de partida para o ciclo do ácido cítrico. Acetil-CoA também pode ser obtido a partir da oxidação de ácidos graxos. Abaixo está um esboço esquemático do ciclo:
- O ciclo de ácido cítrico começa com a transferência de um grupo acetil de dois carbonos de acetil-CoA para o composto de quatro átomos de carbono (oxaloacetato) para formar um composto de seis carbono (citrato).
- O citrato então passa por uma série de transformações químicas, perdendo dois grupos carboxílicos como CO2. Os carbonos perdidos como CO2 originar do que foi oxaloacetato, não diretamente do acetil-CoA. Os carbonos doados pelo acetil-CoA tornam-se parte da espinha dorsal do carbono oxaloacetato após a primeira volta do ciclo do ácido cítrico. Perda dos carbonos dotados de acetil-CoA como CO2 requer várias voltas do ciclo de ácido cítrico. No entanto, devido ao papel do ciclo de ácido cítrico no anabolismo, eles podem não ser perdidos, uma vez que muitos intermediários do ciclo de ácido cítrico também são usados como precursores para a biossíntese de outras moléculas.
- A maioria dos elétrons disponibilizados pelas etapas oxidativas do ciclo são transferidos para NAD+, formando NADH. Para cada grupo acetil que entra no ciclo ácido cítrico, três moléculas de NADH são produzidas. O ciclo de ácido cítrico inclui uma série de reação de redução de oxidação nas mitocôndrias.
- Além disso, os elétrons da etapa de oxidação succinada são transferidos primeiro para o cofactor FAD de desidrogenase succinada, reduzindo-o para FADH2, e eventualmente a ubiquinona (Q) na membrana mitocondrial, reduzindo-a ao ubiquinol (QH)2) que é um substrato da cadeia de transferência de elétrons ao nível do Complexo III.
- Para cada NADH e FADH2 que são produzidos no ciclo de ácido cítrico, 2,5 e 1,5 moléculas ATP são geradas na fosforilação oxidativa, respectivamente.
- No final de cada ciclo, o oxaloacetato de quatro carbonos foi regenerado e o ciclo continua.
Etapas
Existem dez etapas básicas no ciclo do ácido cítrico, conforme descrito abaixo. O ciclo é continuamente suprido com novo carbono na forma de acetil-CoA, entrando no passo 0 da tabela.
| Tipo de reação | Substratos | Enzima | Produtos | Comentário | |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 / 10 | Condensação de Aldol | Oxaloacetato + Acetil CoA + H2O | Sinthase do citrato | Citrato + CoA-SH | irreversível, estende o oxaloacetato 4C a uma molécula 6C |
| 1 | Desidratação | Citrato | Aconitação | Cis-Conitar + H2O | isomerização reversível |
| 2 | Hidratação | Cis-Aconitate + H2O | Isocitrate | ||
| 3 | Oxidação | Isocitrate + NAD+ | Desidrogenase isocitrate | Oxalosuccinate + NADH + H + | gera NADH (equivalente de 2,5 ATP) |
| 4 | Descarboxilação | Oxalosuccina | α-Ketoglutarate + CO2 | taxa-limitação, fase irreversível, gera uma molécula de 5C | |
| 5 | Oxidação descarboxilação | α-Ketoglutarate + NAD+ + CoA-SH | α-Ketoglutaratedehydrogenase, pyrophosphate Thiamine, ácido Lipoic, Mg++,transsuccinytase | Succinyl-CoA + NADH + H + CO2 | fase irreversível, gera NADH (equivalente de 2,5 ATP), regenera a cadeia 4C (CoA excluído) |
| 6 | substrato-nívelphosphorylation | Succinyl-CoA + PIB + Pi | Sintetase de Succinyl-CoA | Succinate + CoA-SH + GTP | ou ADP→ATP em vez do PIB→GTP, gera 1 ATP ou equivalente. Reação de condensação do PIB + Pi e hidrólise de succinil-CoA envolvem o H2O necessário para equação equilibrada. |
| 7 | Oxidação | Succinate + ubiquinone (Q) | Desidrogenase de Succinate | Fumarato + ubiquinol (QH2) | usa FAD como um grupo protético (FAD→FADH2 no primeiro passo da reação) na enzima. Estes dois elétrons são posteriormente transferidos para QH2 durante o Complexo II do ETC, onde eles geram o equivalente a 1,5 ATP |
| 8 | Hidratação | Fumar + H2O | Fumar | L-Mala | Hidratação de ligação dupla C-C |
| 9 | Oxidação | L-Malate + NAD+ | Desidrogenase de Malato | Oxaloacetato + NADH + H+ | reversível (na verdade, o equilíbrio favorece o malte), gera NADH (equivalente a 2,5 ATP) |
| 10 / 0 | Condensação de Aldol | Oxaloacetato + Acetil CoA + H2O | Sinthase do citrato | Citrato + CoA-SH | Este é o mesmo que o passo 0 e reinicia o ciclo. A reação é irreversível e estende o oxaloacetato 4C a uma molécula 6C |
Dois átomos de carbono são oxidados a CO2, a energia dessas reações é transferida para outros processos metabólicos através do GTP (ou ATP) e como elétrons em NADH e QH2. O NADH gerado no ciclo do ácido cítrico pode posteriormente ser oxidado (doar seus elétrons) para conduzir a síntese de ATP em um tipo de processo chamado fosforilação oxidativa. O FADH2 está ligado covalentemente à succinato desidrogenase, uma enzima que funciona tanto no CAC quanto na cadeia de transporte de elétrons mitocondrial na fosforilação oxidativa. O FADH2, portanto, facilita a transferência de elétrons para a coenzima Q, que é o aceptor final de elétrons da reação catalisada pelo complexo succinato:ubiquinona oxidoredutase, atuando também como intermediário na cadeia de transporte de elétrons.
As mitocôndrias em animais, incluindo humanos, possuem duas succinil-CoA sintetases: uma que produz GTP a partir de GDP e outra que produz ATP a partir de ADP. As plantas têm o tipo que produz ATP (succinil-CoA sintetase formadora de ADP). Várias das enzimas do ciclo podem estar frouxamente associadas em um complexo proteico multienzimático dentro da matriz mitocondrial.
O GTP que é formado pela succinil-CoA sintetase formadora de GDP pode ser utilizado pela nucleosídeo-difosfato quinase para formar ATP (a reação catalisada é GTP + ADP → GDP + ATP).
Produtos
Os produtos da primeira volta do ciclo são um GTP (ou ATP), três NADH, um FADH2 e dois CO2.
Como duas moléculas de acetil-CoA são produzidas a partir de cada molécula de glicose, são necessários dois ciclos por molécula de glicose. Portanto, ao final de dois ciclos, os produtos são: dois GTP, seis NADH, dois FADH2 e quatro CO2.
| Descrição | Reactantes | Produtos |
|---|---|---|
| A soma de todas as reações no ciclo de ácido cítrico é: | Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + PIB + PEu... + 2 H2O | → CoA-SH + 3 NADH + FADH2 + 3 H+ + GTP + 2 CO2 |
| Combinando as reações que ocorrem durante a oxidação pyruvate com aqueles que ocorrem durante o ciclo do ácido cítrico, a seguinte reação geral de oxidação pyruvate é obtida: | íon Pyruvate + 4 NAD+ + FAD + PIB + PEu... + 2 H2O | → 4 NADH + FADH2 + 4 H+ + GTP + 3 CO2 |
| Combinando a reação acima com as que ocorrem no curso da glicólise, a seguinte reação global de oxidação da glicose (excluindo reações na cadeia respiratória) é obtida: | Glucose + 10 NAD+ + 2 FAD + 2 ADP + 2 PIB + 4 PEu... + 2 H2O | → 10 NADH + 2 FADH2 + 10 H+ + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO2 |
As reações acima são balanceadas se Pi representa o íon H2PO4−, ADP e GDP os íons ADP2− e GDP2−, respectivamente, e ATP e GTP os íons ATP3− e GTP3− íons, respectivamente.
O número total de moléculas de ATP obtidas após a oxidação completa de uma glicose na glicólise, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa é estimado entre 30 e 38.
Eficiência
O rendimento máximo teórico de ATP através da oxidação de uma molécula de glicose na glicólise, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa é 38 (assumindo 3 equivalentes molares de ATP por NADH equivalente e 2 ATP por FADH2). Em eucariotos, dois equivalentes de NADH e quatro equivalentes de ATP são gerados na glicólise, que ocorre no citoplasma. O transporte de dois desses equivalentes de NADH para a mitocôndria consome dois equivalentes de ATP, reduzindo assim a produção líquida de ATP para 36. Além disso, ineficiências na fosforilação oxidativa devido ao vazamento de prótons através da membrana mitocondrial e deslizamento da ATP sintase/próton A bomba geralmente reduz o rendimento de ATP de NADH e FADH2 para menos do que o rendimento máximo teórico. Os rendimentos observados são, portanto, mais próximos de ~2,5 ATP por NADH e ~1,5 ATP por FADH2, reduzindo ainda mais a produção líquida total de ATP para aproximadamente 30. Uma avaliação do rendimento total de ATP com novos as razões próton-ATP revisadas fornecem uma estimativa de 29,85 ATP por molécula de glicose.
Variação
Embora o ciclo do ácido cítrico seja em geral altamente conservado, há uma variabilidade significativa nas enzimas encontradas em diferentes táxons (observe que os diagramas nesta página são específicos para a variante da via dos mamíferos).
Existem algumas diferenças entre eucariotos e procariontes. A conversão de D-treo-isocitrato em 2-oxoglutarato é catalisada em eucariotos pelo EC 1.1.1.41 dependente de NAD+, enquanto os procariotos empregam o NADP+ -dependente EC 1.1.1.42. Da mesma forma, a conversão de (S)-malato em oxaloacetato é catalisada em eucariotos pelo EC 1.1.1.37 dependente de NAD, enquanto a maioria dos procariotos utiliza uma enzima dependente de quinona, EC 1.1.5.4.
Uma etapa com variabilidade significativa é a conversão de succinil-CoA em succinato. A maioria dos organismos utiliza EC 6.2.1.5, succinato-CoA ligase (formadora de ADP) (apesar do nome, a enzima opera na via na direção da formação de ATP). Em mamíferos, uma enzima formadora de GTP, succinato-CoA ligase (formadora de GDP) (EC 6.2.1.4) também opera. O nível de utilização de cada isoforma depende do tecido. Em algumas bactérias produtoras de acetato, como Acetobacter aceti, uma enzima totalmente diferente catalisa essa conversão – EC 2.8.3.18, succinil-CoA:acetato CoA-transferase. Essa enzima especializada liga o ciclo do TCA ao metabolismo do acetato nesses organismos. Algumas bactérias, como Helicobacter pylori, empregam ainda outra enzima para esta conversão - succinil-CoA:acetoacetato CoA-transferase (EC 2.8.3.5).
Alguma variabilidade também existe na etapa anterior - a conversão de 2-oxoglutarato em succinil-CoA. Enquanto a maioria dos organismos utiliza a onipresente 2-oxoglutarato desidrogenase dependente de NAD, algumas bactérias utilizam uma 2-oxoglutarato sintase dependente de ferredoxina (EC 1.2.7.3). Outros organismos, incluindo bactérias autotróficas e metanotróficas obrigatórias e archaea, ignoram totalmente o succinil-CoA e convertem 2-oxoglutarato em succinato via succinato semialdeído, usando EC 4.1.1.71, 2-oxoglutarato descarboxilase e EC 1.2.1.79, succinato-semialdeído desidrogenase.
No câncer, ocorrem distúrbios metabólicos substanciais que garantem a proliferação de células tumorais e, consequentemente, podem se acumular metabólitos que servem para facilitar a tumorigênese, chamados de oncometabólitos. Entre os oncometabólitos mais bem caracterizados está o 2-hidroxiglutarato que é produzido por uma mutação heterozigótica de ganho de função (especificamente neomórfica) na isocitrato desidrogenase (IDH) (que em circunstâncias normais catalisa a oxidação do isocitrato a oxalossuccinato, que então descarboxila espontaneamente ao alfa-cetoglutarato, como discutido acima; neste caso, uma etapa adicional de redução ocorre após a formação de alfa-cetoglutarato via NADPH para produzir 2-hidroxiglutarato) e, portanto, o IDH é considerado um oncogene. Sob condições fisiológicas, o 2-hidroxiglutarato é um produto menor de várias vias metabólicas como um erro, mas facilmente convertido em alfa-cetoglutarato por meio das enzimas hidroxiglutarato desidrogenase (L2HGDH e D2HGDH), mas não tem um papel fisiológico conhecido em células de mamíferos; digno de nota, no câncer, o 2-hidroxiglutarato é provavelmente um metabólito terminal, pois experimentos de marcação de isótopos de linhas celulares de câncer colorretal mostram que sua conversão de volta para alfa-cetoglutarato é muito baixa para medir. No câncer, o 2-hidroxiglutarato atua como um inibidor competitivo para várias enzimas que facilitam as reações via alfa-cetoglutarato em dioxigenases dependentes de alfa-cetoglutarato. Essa mutação resulta em várias mudanças importantes no metabolismo da célula. Por um lado, porque há uma redução extra catalisada por NADPH, isso pode contribuir para o esgotamento dos estoques celulares de NADPH e também reduzir os níveis de alfa-cetoglutarato disponíveis para a célula. Em particular, a depleção de NADPH é problemática porque o NADPH é altamente compartimentado e não pode se difundir livremente entre as organelas da célula. É produzido em grande parte através da via das pentoses fosfato no citoplasma. A depleção de NADPH resulta em aumento do estresse oxidativo dentro da célula, pois é um cofator necessário na produção de GSH, e esse estresse oxidativo pode resultar em danos ao DNA. Há também mudanças no nível genético e epigenético por meio da função das histonas lisina desmetilases (KDMs) e enzimas de translocação dez-onze (TET); normalmente os TETs hidroxilam 5-metilcitosinas para prepará-los para a desmetilação. Porém, na ausência do alfa-cetoglutarato isso não pode ser feito e há, portanto, hipermetilação do DNA da célula, servindo para promover a transição epitélio-mesenquimal (EMT) e inibir a diferenciação celular. Um fenômeno semelhante é observado para a família Jumonji C de KDMs que requer uma hidroxilação para realizar a desmetilação no grupo epsilon-amino metil. Além disso, a incapacidade das prolil hidroxilases de catalisar reações resulta na estabilização do fator alfa induzível por hipóxia, necessária para promover a degradação deste último (pois em condições de baixo oxigênio não haverá substrato adequado para a hidroxilação). Isso resulta em um fenótipo pseudo-hipóxico na célula cancerosa que promove angiogênese, reprogramação metabólica, crescimento celular e migração.
Regulamento
Regulação alostérica por metabólitos. A regulação do ciclo do ácido cítrico é amplamente determinada pela inibição do produto e pela disponibilidade do substrato. Se o ciclo fosse executado sem controle, grandes quantidades de energia metabólica poderiam ser desperdiçadas na superprodução de coenzimas reduzidas, como NADH e ATP. O principal substrato eventual do ciclo é o ADP, que é convertido em ATP. Uma quantidade reduzida de ADP causa o acúmulo do precursor NADH que, por sua vez, pode inibir várias enzimas. O NADH, um produto de todas as desidrogenases no ciclo do ácido cítrico, com exceção da succinato desidrogenase, inibe a piruvato desidrogenase, a isocitrato desidrogenase, a α-cetoglutarato desidrogenase e também a citrato sintase. O acetil-coA inibe a piruvato desidrogenase, enquanto o succinil-CoA inibe a alfa-cetoglutarato desidrogenase e a citrato sintase. Quando testado in vitro com enzimas TCA, o ATP inibe a citrato sintase e a α-cetoglutarato desidrogenase; no entanto, os níveis de ATP não mudam mais de 10% in vivo entre o repouso e o exercício vigoroso. Não há nenhum mecanismo alostérico conhecido que possa explicar grandes mudanças na taxa de reação de um efetor alostérico cuja concentração muda menos de 10%.
Citrato é usado para inibição de feedback, pois inibe a fosfofrutoquinase, uma enzima envolvida na glicólise que catalisa a formação de frutose 1,6-bifosfato, um precursor do piruvato. Isso evita uma alta taxa de fluxo constante quando há acúmulo de citrato e diminuição de substrato para a enzima.
Regulação por cálcio. O cálcio também é usado como regulador no ciclo do ácido cítrico. Os níveis de cálcio na matriz mitocondrial podem atingir dezenas de níveis micromolares durante a ativação celular. Ativa a piruvato desidrogenase fosfatase que, por sua vez, ativa o complexo piruvato desidrogenase. O cálcio também ativa a isocitrato desidrogenase e a α-cetoglutarato desidrogenase. Isso aumenta a taxa de reação de muitas das etapas do ciclo e, portanto, aumenta o fluxo ao longo do caminho.
Regulação transcricional. Trabalhos recentes demonstraram uma ligação importante entre os intermediários do ciclo do ácido cítrico e a regulação dos fatores induzíveis por hipóxia (HIF). O HIF desempenha um papel na regulação da homeostase do oxigênio e é um fator de transcrição que tem como alvo a angiogênese, remodelação vascular, utilização de glicose, transporte de ferro e apoptose. O HIF é sintetizado constitutivamente e a hidroxilação de pelo menos um dos dois resíduos críticos de prolina medeia sua interação com o complexo von Hippel Lindau E3 ubiquitina ligase, que os direciona para rápida degradação. Esta reação é catalisada por prolil 4-hidroxilases. O fumarato e o succinato foram identificados como potentes inibidores das prolil hidroxilases, levando à estabilização da FHI.
Principais vias metabólicas que convergem no ciclo do ácido cítrico
Várias vias catabólicas convergem no ciclo do ácido cítrico. A maioria dessas reações adiciona intermediários ao ciclo do ácido cítrico e, portanto, são conhecidas como reações anapleróticas, do grego que significa "encher". Isso aumenta a quantidade de acetil CoA que o ciclo é capaz de transportar, aumentando a capacidade da mitocôndria de realizar a respiração, caso isso seja um fator limitante. Processos que removem intermediários do ciclo são denominados "catapleróticos" reações.
Nesta seção e na próxima, os intermediários do ciclo do ácido cítrico são indicados em itálico para distingui-los de outros substratos e produtos finais.
As moléculas de piruvato produzidas pela glicólise são ativamente transportadas através da membrana mitocondrial interna e para dentro da matriz. Aqui eles podem ser oxidados e combinados com a coenzima A para formar CO2, acetil-CoA e NADH, como no ciclo normal.
No entanto, também é possível que o piruvato seja carboxilado pela piruvato carboxilase para formar oxaloacetato. Esta última reação "preenche" a quantidade de oxaloacetato no ciclo do ácido cítrico, sendo, portanto, uma reação anaplerótica, aumentando a capacidade do ciclo de metabolizar acetil-CoA quando o tecido' As necessidades energéticas do corpo (por exemplo, nos músculos) são repentinamente aumentadas pela atividade.
No ciclo do ácido cítrico, todos os intermediários (por exemplo, citrato, isocitrato, alfa-cetoglutarato, succinato i>, fumarato, malato e oxaloacetato) são regenerados durante cada volta do ciclo. Adicionar mais desses intermediários à mitocôndria significa, portanto, que essa quantidade adicional é retida dentro do ciclo, aumentando todos os outros intermediários à medida que um é convertido no outro. Portanto, a adição de qualquer um deles ao ciclo tem efeito anaplerótico e sua remoção tem efeito cataplerótico. Essas reações anapleróticas e catapleróticas irão, durante o curso do ciclo, aumentar ou diminuir a quantidade de oxaloacetato disponível para combinar com acetil-CoA para formar ácido cítrico. Isso, por sua vez, aumenta ou diminui a taxa de produção de ATP pela mitocôndria e, portanto, a disponibilidade de ATP para a célula.
OAcetil-CoA, por outro lado, derivado da oxidação do piruvato, ou da beta-oxidação de ácidos graxos, é o único combustível a entrar no ciclo do ácido cítrico. A cada volta do ciclo, uma molécula de acetil-CoA é consumida para cada molécula de oxaloacetato presente na matriz mitocondrial, e nunca é regenerada. É a oxidação da porção acetato de acetil-CoA que produz CO2 e água, sendo a energia assim liberada capturada na forma de ATP. As três etapas da beta-oxidação se assemelham às etapas que ocorrem na produção de oxaloacetato a partir do succinato no ciclo do TCA. Acil-CoA é oxidado a trans-Enoil-CoA enquanto FAD é reduzido a FADH2, que é semelhante à oxidação de succinato a fumarato. Em seguida, o trans-Enoil-CoA é hidratado através da ligação dupla com o beta-hidroxiacil-CoA, assim como o fumarato é hidratado a malato. Por fim, a beta-hidroxiacil-CoA é oxidada a beta-cetoacil-CoA, enquanto o NAD+ é reduzido a NADH, que segue o mesmo processo da oxidação do malato a oxaloacetato.
No fígado, a carboxilação do piruvato citosólico em oxaloacetato intra-mitocondrial é um passo inicial na via gliconeogênica que converte lactato e alanina desaminada em glicose, sob a influência de altos níveis de glucagon e/ou epinefrina no sangue. Aqui, a adição de oxaloacetato à mitocôndria não tem um efeito anaplerótico líquido, pois outro intermediário do ciclo do ácido cítrico (malato) é imediatamente removido da mitocôndria para ser convertido em citosólico oxaloacetato, que é finalmente convertido em glicose, em um processo que é quase o inverso da glicólise.
No catabolismo proteico, as proteínas são quebradas por proteases em seus aminoácidos constituintes. Seus esqueletos de carbono (ou seja, os aminoácidos desaminados) podem entrar no ciclo do ácido cítrico como intermediários (por exemplo, alfa-cetoglutarato derivado do glutamato ou glutamina), tendo um efeito anaplerótico no ciclo ou, no caso de leucina, isoleucina, lisina, fenilalanina, triptofano e tirosina, eles são convertidos em acetil-CoA que pode ser queimado em CO2 e água, ou usado para formar corpos cetônicos, que também só podem ser queimados em outros tecidos além do fígado, onde são formados, ou excretados pela urina ou pela respiração. Esses últimos aminoácidos são, portanto, denominados "cetogênicos" aminoácidos, enquanto aqueles que entram no ciclo do ácido cítrico como intermediários só podem ser removidos catapleroticamente ao entrar na via gliconeogênica via malato, que é transportado para fora da mitocôndria para ser convertido em oxaloacetato citosólico e, finalmente, em glicose. Estes são os chamados "glicogênicos" aminoácidos. Alanina, cisteína, glicina, serina e treonina desaminadas são convertidas em piruvato e podem, conseqüentemente, entrar no ciclo do ácido cítrico como oxaloacetato (uma reação anaplerótica) ou como acetil-CoA para ser descartado como CO2 e água.
No catabolismo da gordura, os triglicerídeos são hidrolisados para quebrá-los em ácidos graxos e glicerol. No fígado, o glicerol pode ser convertido em glicose via diidroxiacetona fosfato e gliceraldeído-3-fosfato por meio da gliconeogênese. No músculo esquelético, o glicerol é usado na glicólise, convertendo o glicerol em glicerol-3-fosfato, depois em diidroxiacetona fosfato (DHAP) e depois em gliceraldeído-3-fosfato.
Em muitos tecidos, especialmente no coração e no tecido muscular esquelético, os ácidos graxos são decompostos por meio de um processo conhecido como oxidação beta, que resulta na produção de acetil-CoA mitocondrial, que pode ser usado em o ciclo do ácido cítrico. A oxidação beta de ácidos graxos com um número ímpar de pontes de metileno produz propionil-CoA, que é então convertido em succinil-CoA e alimentado no ciclo do ácido cítrico como um intermediário anaplerótico.
A energia total obtida com a quebra completa de uma molécula (seis carbonos) de glicose pela glicólise, a formação de 2 moléculas de acetil-CoA, seu catabolismo no ciclo do ácido cítrico e oxidação a fosforilação equivale a cerca de 30 moléculas de ATP, em eucariotos. O número de moléculas de ATP derivadas da oxidação beta de um segmento de 6 carbonos de uma cadeia de ácido graxo e a subsequente oxidação das 3 moléculas resultantes de acetil-CoA é 40.
Os intermediários do ciclo do ácido cítrico servem como substratos para processos biossintéticos
Nesta subposição, como na anterior, os intermediários TCA são identificados por itálico.
Vários intermediários do ciclo do ácido cítrico são usados para a síntese de compostos importantes, que terão efeitos catapleróticos significativos no ciclo. Acetil-CoA não pode ser transportado para fora da mitocôndria. Para obter acetil-CoA citosólica, o citrato é removido do ciclo do ácido cítrico e transportado através da membrana mitocondrial interna para o citosol. Lá ele é clivado pela ATP citrato liase em acetil-CoA e oxaloacetato. O oxaloacetato é devolvido à mitocôndria como malato (e então convertido novamente em oxaloacetato para transferir mais acetil-CoA para fora da mitocôndria). O acetil-CoA citosólico é usado para a síntese de ácidos graxos e a produção de colesterol. O colesterol pode, por sua vez, ser usado para sintetizar os hormônios esteróides, sais biliares e vitamina D.
Os esqueletos de carbono de muitos aminoácidos não essenciais são feitos de intermediários do ciclo do ácido cítrico. Para transformá-los em aminoácidos, os alfa-cetoácidos formados a partir dos intermediários do ciclo do ácido cítrico precisam adquirir seus grupos amino do glutamato em uma reação de transaminação, na qual o piridoxal fosfato é um cofator. Nesta reação, o glutamato é convertido em alfa-cetoglutarato, que é um intermediário do ciclo do ácido cítrico. Os intermediários que podem fornecer os esqueletos de carbono para a síntese de aminoácidos são o oxaloacetato que forma o aspartato e a asparagina; e alfa-cetoglutarato que forma glutamina, prolina e arginina.
Destes aminoácidos, o aspartato e a glutamina são usados, juntamente com átomos de carbono e nitrogênio de outras fontes, para formar as purinas que são usadas como bases no DNA e no RNA, bem como no ATP, AMP, GTP, NAD, FAD e CoA.
As pirimidinas são parcialmente montadas a partir do aspartato (derivado do oxaloacetato). As pirimidinas, timina, citosina e uracilo, formam as bases complementares às bases purinas no DNA e no RNA, e também são componentes de CTP, UMP, UDP e UTP.
A maioria dos átomos de carbono nas porfirinas vem do intermediário do ciclo do ácido cítrico, succinil-CoA. Essas moléculas são um componente importante das hemoproteínas, como hemoglobina, mioglobina e vários citocromos.
Durante a gliconeogênese, o oxaloacetato mitocondrial é reduzido a malato, que é então transportado para fora da mitocôndria, para ser oxidado de volta a oxaloacetato no citosol. O oxaloacetato citosólico é então descarboxilado a fosfoenolpiruvato pela fosfoenolpiruvato carboxicinase, que é a etapa limitante na conversão de quase todos os precursores gliconeogênicos (como os aminoácidos glicogênicos e lactato) em glicose pelo fígado e rim.
Como o ciclo do ácido cítrico está envolvido em processos catabólicos e anabólicos, é conhecido como uma via anfibólica. Evan M.W.Duo Clique nos genes, proteínas e metabólitos abaixo para acessar os respectivos artigos.
- ^ O mapa interativo do caminho pode ser editado no WikiPathways: «TCACycle_WP78» (em inglês).
A glicose alimenta o ciclo do TCA via lactato circulante
O papel metabólico do lactato é bem reconhecido como combustível para tecidos e tumores. No ciclo clássico de Cori, os músculos produzem lactato, que é então captado pelo fígado para a gliconeogênese. Novos estudos sugerem que o lactato pode ser utilizado como fonte de carbono para o ciclo do TCA.
Evolução
Acredita-se que os componentes do ciclo do ácido cítrico foram derivados de bactérias anaeróbias e que o próprio ciclo do TCA pode ter evoluído mais de uma vez. Teoricamente, existem várias alternativas ao ciclo TCA; no entanto, o ciclo do TCA parece ser o mais eficiente. Se várias alternativas do TCA evoluíram independentemente, todas parecem ter convergido para o ciclo do TCA.