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7.3: Oxidação do piruvato e o ciclo do ácido cítrico

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    Habilidades para desenvolver

    • Explicar como uma via circular, como o ciclo do ácido cítrico, difere fundamentalmente de uma via linear, como a glicólise
    • Descreva como o piruvato, o produto da glicólise, é preparado para entrar no ciclo do ácido cítrico

    Se houver oxigênio disponível, a respiração aeróbica avançará. Nas células eucarióticas, as moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise são transportadas para as mitocôndrias, que são os locais de respiração celular. Lá, o piruvato será transformado em um grupo acetil que será captado e ativado por um composto transportador chamado coenzima A (CoA). O composto resultante é chamado de acetil CoA. O CoA é feito de vitamina B5, ácido pantotênico. O acetil CoA pode ser usado de várias maneiras pela célula, mas sua principal função é levar o grupo acetil derivado do piruvato para o próximo estágio da via do catabolismo da glicose.

    Decomposição do piruvato

    Para que o piruvato, produto da glicólise, entre na próxima via, ele deve sofrer várias alterações. A conversão é um processo de três etapas (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    Etapa 1. Um grupo carboxila é removido do piruvato, liberando uma molécula de dióxido de carbono no meio circundante. O resultado dessa etapa é um grupo hidroxietil de dois carbonos ligado à enzima (piruvato desidrogenase). Este é o primeiro dos seis carbonos da molécula original de glicose a ser removido. Essa etapa ocorre duas vezes (lembre-se: existem duas moléculas de piruvato produzidas no final da glicólise) para cada molécula de glicose metabolizada; assim, dois dos seis carbonos terão sido removidos ao final de ambas as etapas.

    Etapa 2. O grupo hidroxietil é oxidado em um grupo acetil e os elétrons são captados pelo NAD +, formando o NADH. Os elétrons de alta energia do NADH serão usados posteriormente para gerar ATP.

    Etapa 3. O grupo acetil ligado à enzima é transferido para CoA, produzindo uma molécula de acetil CoA.

    Esta ilustração mostra a conversão em três etapas do piruvato em acetil CoA. Na primeira etapa, um grupo carboxila é removido do piruvato, liberando dióxido de carbono. Na segunda etapa, uma reação redox forma acetato e NADH. Na etapa três, o acetato é transferido pela coenzima A, formando acetil CoA.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Ao entrar na matriz mitocondrial, um complexo multienzimático converte o piruvato em acetil CoA. No processo, o dióxido de carbono é liberado e uma molécula de NADH é formada.

    Observe que durante o segundo estágio do metabolismo da glicose, sempre que um átomo de carbono é removido, ele é ligado a dois átomos de oxigênio, produzindo dióxido de carbono, um dos principais produtos finais da respiração celular.

    Acetil CoA em CO 2

    Na presença de oxigênio, o acetil CoA entrega seu grupo acetil a uma molécula de quatro carbonos, oxaloacetato, para formar citrato, uma molécula de seis carbonos com três grupos carboxila; essa via coletará o restante da energia extraível do que começou como uma molécula de glicose. Essa via única é chamada por nomes diferentes: o ciclo do ácido cítrico (para o primeiro intermediário formado - ácido cítrico ou citrato - quando o acetato se une ao oxaloacetato), o ciclo do TCA (já que o ácido cítrico ou citrato e isocitrato são ácidos tricarboxílicos) e o ciclo de Krebs , em homenagem a Hans Krebs, que identificou pela primeira vez os passos do caminho na década de 1930 nos músculos do voo de pombos.

    Ciclo do ácido cítrico

    Assim como a conversão do piruvato em acetil CoA, o ciclo do ácido cítrico ocorre na matriz das mitocôndrias. Quase todas as enzimas do ciclo do ácido cítrico são solúveis, com a única exceção da enzima succinato desidrogenase, que está embutida na membrana interna da mitocôndria. Ao contrário da glicólise, o ciclo do ácido cítrico é um ciclo fechado: a última parte da via regenera o composto usado na primeira etapa. As oito etapas do ciclo são uma série de reações de redox, desidratação, hidratação e descarboxilação que produzem duas moléculas de dióxido de carbono, uma GTP/ATP e formas reduzidas de NADH e FADH 2 (Figura\(\PageIndex{2}\)). Essa é considerada uma via aeróbica porque o NADH e o FADH 2 produzidos devem transferir seus elétrons para a próxima via do sistema, que usará oxigênio. Se essa transferência não ocorrer, as etapas de oxidação do ciclo do ácido cítrico também não ocorrerão. Observe que o ciclo do ácido cítrico produz muito pouco ATP diretamente e não consome oxigênio diretamente.

    Esta ilustração mostra as oito etapas do ciclo do ácido cítrico. Na primeira etapa, o grupo acetil do acetil CoA é transferido para uma molécula de oxaloacetato de quatro carbonos para formar uma molécula de citrato de seis carbonos. Na segunda etapa, o citrato é rearranjado para formar isocitrato. Na terceira etapa, o isocitrato é oxidado em α-cetoglutarato. No processo, um NADH é formado a partir de NAD^ {+} e um dióxido de carbono é liberado. Na quarta etapa, o α-cetoglutarato é oxidado e o CoA é adicionado, formando succinil CoA. No processo, outro NADH é formado e outro dióxido de carbono é liberado. Na quinta etapa, o CoA é liberado do succinil CoA, formando succinato. No processo, um GTP é formado, que posteriormente é convertido em ATP. Na sexta etapa, o succinato é oxidado em fumarato e um FAD é reduzido para FADH_ {2}. Na sétima etapa, o fumarato é convertido em malato. Na oitava etapa, o malato é oxidado em oxaloacetato e outro NADH é formado.
    Figura\(\PageIndex{2}\): No ciclo do ácido cítrico, o grupo acetil do acetil CoA é ligado a uma molécula de oxaloacetato de quatro carbonos para formar uma molécula de citrato de seis carbonos. Por meio de uma série de etapas, o citrato é oxidado, liberando duas moléculas de dióxido de carbono para cada grupo acetil alimentado no ciclo. No processo, três moléculas de NAD + são reduzidas para NADH, uma molécula FAD é reduzida para FADH 2 e uma ATP ou GTP (dependendo do tipo de célula) é produzida (por fosforilação em nível de substrato). Como o produto final do ciclo do ácido cítrico também é o primeiro reagente, o ciclo funciona continuamente na presença de reagentes suficientes. (crédito: modificação do trabalho de “Yikrazuul” /Wikimedia Commons)

    Etapas do ciclo do ácido cítrico

    Etapa 1. Antes do início da primeira etapa, ocorre uma fase de transição durante a qual o ácido pirúvico é convertido em acetil CoA. Então, a primeira etapa do ciclo começa: esta é uma etapa de condensação, combinando o grupo acetil de dois carbonos com uma molécula de oxaloacetato de quatro carbonos para formar uma molécula de citrato de seis carbonos. O CoA está ligado a um grupo sulfidrilo (-SH) e se difunde para eventualmente se combinar com outro grupo acetil. Essa etapa é irreversível porque é altamente exergônica. A taxa dessa reação é controlada pelo feedback negativo e pela quantidade de ATP disponível. Se os níveis de ATP aumentarem, a taxa dessa reação diminui. Se o ATP estiver em falta, a taxa aumenta.

    Etapa 2. Na segunda etapa, o citrato perde uma molécula de água e ganha outra à medida que o citrato é convertido em seu isômero, o isocitrato.

    Etapa 3. Na etapa três, o isocitrato é oxidado, produzindo uma molécula de cinco carbonos, α-cetoglutarato, junto com uma molécula de CO 2 e dois elétrons, que reduzem o NAD + para NADH. Essa etapa também é regulada pelo feedback negativo do ATP e do NADH e por um efeito positivo do ADP.

    Etapas 3 e 4. As etapas três e quatro são as etapas de oxidação e descarboxilação, que liberam elétrons que reduzem NAD + a NADH e liberam grupos carboxila que formam moléculas de CO 2. O α-cetoglutarato é o produto da etapa três e um grupo succinila é o produto da etapa quatro. O CoA se liga ao grupo succinil para formar o succinil CoA. A enzima que catalisa a etapa quatro é regulada pela inibição de feedback de ATP, succinil CoA e NADH.

    Etapa 5. Na etapa cinco, um grupo fosfato é substituído pela coenzima A e uma ligação de alta energia é formada. Essa energia é usada na fosforilação em nível de substrato (durante a conversão do grupo succinil em succinato) para formar trifosfato de guanina (GTP) ou ATP. Existem duas formas da enzima, chamadas isoenzimas, para essa etapa, dependendo do tipo de tecido animal em que elas são encontradas. Uma forma é encontrada em tecidos que usam grandes quantidades de ATP, como coração e músculo esquelético. Este formulário produz ATP. A segunda forma da enzima é encontrada em tecidos que têm um alto número de vias anabólicas, como o fígado. Esse formulário produz GTP. O GTP é energeticamente equivalente ao ATP; no entanto, seu uso é mais restrito. Em particular, a síntese de proteínas usa principalmente o GTP.

    Etapa 6. A etapa seis é um processo de desidratação que converte succinato em fumarato. Dois átomos de hidrogênio são transferidos para o FAD, produzindo FADH 2. A energia contida nos elétrons desses átomos é insuficiente para reduzir o NAD +, mas adequada para reduzir o FAD. Ao contrário do NADH, esse transportador permanece ligado à enzima e transfere os elétrons diretamente para a cadeia de transporte de elétrons. Esse processo é possível graças à localização da enzima que catalisa essa etapa dentro da membrana interna da mitocôndria.

    Etapa 7. A água é adicionada ao fumarato durante a etapa sete e o malato é produzido. A última etapa do ciclo do ácido cítrico regenera o oxaloacetato oxidando o malato. Outra molécula de NADH é produzida no processo.

    Link para o aprendizado

    Clique em cada etapa do ciclo do ácido cítrico aqui.

    Produtos do ciclo do ácido cítrico

    Dois átomos de carbono entram no ciclo do ácido cítrico de cada grupo acetil, representando quatro dos seis carbonos de uma molécula de glicose. Duas moléculas de dióxido de carbono são liberadas em cada curva do ciclo; no entanto, elas não contêm necessariamente os átomos de carbono adicionados mais recentemente. Os dois átomos de acetil-carbono serão eventualmente liberados em turnos posteriores do ciclo; assim, todos os seis átomos de carbono da molécula de glicose original são eventualmente incorporados ao dióxido de carbono. Cada turno do ciclo forma três moléculas de NADH e uma molécula de FADH 2. Esses portadores se conectarão com a última porção da respiração aeróbica para produzir moléculas de ATP. Um GTP ou ATP também é feito em cada ciclo. Vários dos compostos intermediários do ciclo do ácido cítrico podem ser usados na síntese de aminoácidos não essenciais; portanto, o ciclo é anfibólico (tanto catabólico quanto anabólico).

    Resumo

    Na presença de oxigênio, o piruvato é transformado em um grupo acetil ligado a uma molécula transportadora da coenzima A. O acetil CoA resultante pode entrar em várias vias, mas na maioria das vezes, o grupo acetil é entregue ao ciclo do ácido cítrico para posterior catabolismo. Durante a conversão do piruvato no grupo acetil, uma molécula de dióxido de carbono e dois elétrons de alta energia são removidos. O dióxido de carbono é responsável por duas (conversão de duas moléculas de piruvato) dos seis carbonos da molécula original de glicose. Os elétrons são captados pelo NAD +, e o NADH leva os elétrons para um caminho posterior para a produção de ATP. Nesse ponto, a molécula de glicose que originalmente entrou na respiração celular foi completamente oxidada. A energia potencial química armazenada na molécula de glicose foi transferida para transportadores de elétrons ou usada para sintetizar alguns ATPs.

    O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações de redox e descarboxilação que removem elétrons de alta energia e dióxido de carbono. Os elétrons temporariamente armazenados nas moléculas de NADH e FADH 2 são usados para gerar ATP em uma via subsequente. Uma molécula de GTP ou ATP é produzida por fosforilação em nível de substrato em cada turno do ciclo. Não há comparação da via cíclica com uma linear.

    Glossário

    acetil CoA
    combinação de um grupo acetil derivado do ácido pirúvico e da coenzima A, que é feito do ácido pantotênico (uma vitamina do grupo B)
    ciclo do ácido cítrico
    (também, ciclo de Krebs) série de reações químicas catalisadas por enzimas de importância central em todas as células vivas
    Ciclo de Krebs
    (também, ciclo do ácido cítrico) nome alternativo para o ciclo do ácido cítrico, em homenagem a Hans Krebs, que identificou pela primeira vez as etapas da via na década de 1930 nos músculos de voo dos pombos; veja ciclo do ácido cítrico
    Ciclo TCA
    (também, ciclo do ácido cítrico) nome alternativo para o ciclo do ácido cítrico, nomeado após o nome do grupo para ácido cítrico, ácido tricarboxílico (TCA); veja ciclo do ácido cítrico