Ciclo do Ácido Cítrico

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BIOQUÍMICA GERAL
Raphael de Souza 
Vasconcellos
Ciclo do ácido cítrico
Objetivos de aprendizagem
Ao final deste texto, você deve apresentar os seguintes aprendizados:
 � Reconhecer as enzimas e os intermediários do ciclo do ácido cítrico.
 � Identificar a importância do ciclo do ácido cítrico no metabolismo.
 � Descrever a regulação do ciclo do ácido cítrico.
Introdução
Ao encher os pulmões de ar, o oxigênio inspirado é transportado pela 
hemoglobina até os tecidos, onde será entregue para ser utilizado pelas 
células. A falta de oxigênio para os tecidos pode causar prejuízos de 
grandes proporções e levar o tecido à morte. Por exemplo, quando 
uma placa de ateroma obstrui uma coronária, o coração pode sofrer um 
infarto. O processo de morte se deve, em grande parte, à falta de oxigênio 
nas células. Com o suprimento sanguíneo comprometido, o oxigênio 
não pode chegar às células, comprometendo a respiração celular. Sem 
oxigênio, o transporte de elétrons para a cadeia transportadora e o ciclo 
do ácido cítrico são prejudicados, obrigando a célula a realizar somente a 
glicólise anaeróbia para produzir ATP. Como você sabe, a glicólise produz 
apenas dois ATPs. A célula tentará contornar essa deficiência de ATP 
oxidando até 16 vezes mais glicose para produzir a mesma quantidade 
de ATP produzida quando o ciclo do ácido cítrico estava funcionando 
corretamente. 
A glicólise consome o NAD+ citosólico, elevando as concentrações 
de NADH; sem NAD+, a glicólise não pode prosseguir. Sendo assim, para 
renovar o NAD+, o piruvato é reduzido a ácido lático. Se a produção de 
ácido lático for muito alta, isso pode comprometer o funcionamento 
celular por acidificar o citosol. Além disso, pelo fato de a glicólise produzir 
menos ATP, os processos que demandam grande quantidade de energia 
são prejudicados. É o caso, por exemplo, da bomba de sódio/potássio. 
Sem ATP, o sódio começa a acumular-se dentro da célula. Como o só-
dio é um soluto osmoticamente ativo, a água também entra na célula, 
deixando-a inchada. Esse processo é conhecido como tumefação celular 
e antecede o infarto. Portanto, para as células funcionarem corretamente, 
é importante que o oxigênio inspirado pelos pulmões consiga chegar à 
mitocôndria de todas as células e que o ciclo do ácido cítrico e a cadeia 
transportadora de elétrons funcionem corretamente. 
Neste texto, você aprenderá a reconhecer as enzimas e os intermedi-
ários do ciclo do ácido cítrico, identificará a importância do ciclo do ácido 
cítrico no metabolismo e aprenderá sobre como o ciclo do ácido cítrico 
é regulado.
Enzimas e os intermediários 
do ciclo do ácido cítrico 
Hans Adolf Krebs foi um judeu de origem alemã que foi forçado a deixar sua 
terra natal enquanto os nazistas subiam ao poder. Ele se refugiou na Inglaterra e 
lá fez grandes descobertas. Em março de 1937, enquanto estudavam um macerado 
de músculo fresco do peito de pombos, Krebs e seus colaboradores perceberam 
que a taxa metabólica reduzia cerca de 30 minutos após o preparo da amostra. 
Porém, quando se adicionava um sal de ácido cítrico, o tempo de vida do tecido 
era triplicado. Outros experimentos revelaram a natureza cíclica da via, que 
regenera o oxaloacetato e libera ATP em cada ciclo. Na época, Krebs apresentou 
suas descobertas à Nature, uma das maiores revistas científicas do mundo, que 
rejeitou seu trabalho. Krebs acabou publicando seu artigo em uma revista de 
enzimologia e, em 1953, foi agraciado com o Prêmio Nobel de Fisiologia.
O ciclo do ácido cítrico é uma das etapas do que é conhecido como res-
piração celular. Na primeira etapa, moléculas de combustíveis orgânicas 
(carboidratos, ácidos graxos e aminoácidos) são oxidadas para produzir um 
intermediário de dois átomos de carbono (acetil-coenzima A ou acetil-CoA). 
Na segunda etapa, o acetil-CoA entra no ciclo do ácido cítrico, e várias en-
zimas participam das reações de oxidação produzindo CO2 e ATP. Este CO2 
produzido é o mesmo CO2 que você elimina durante a respiração! Ainda 
na segunda etapa, elétrons liberados durante as reações de oxidação são 
transferidos para transportadores de elétrons (NADH e FADH2). Na terceira 
e última etapa da respiração celular, o NADH e FADH2 doam seus elétrons 
para a cadeia transportadora presente na membrana interna da mitocôndria, 
que cria um gradiente de prótons através da membrana interna. Esses prótons 
serão utilizados para fazer a ATP-sintase funcionar, fosforilando o ADP e 
assim regenerando o ATP (Figura 1).
Ciclo do ácido cítrico2
Figura 1. Catabolismo de proteínas, gorduras e carboidratos durante os três estágios da 
respiração celular. Estágio 1: a oxidação de ácidos graxos, glicose e alguns aminoácidos gera 
acetil-CoA. Estágio 2: a oxidação dos grupos acetil no ciclo do ácido cítrico inclui quatro 
etapas, nas quais os elétrons são removidos. Estágio 3: os elétrons carreados por NADH e 
FADH
2
 convergem para uma cadeia de transportadores de elétrons mitocondrial (ou, em 
bactérias, ligados à membrana plasmática) – a cadeia respiratória – reduzindo, no final, O
2
 
a H
2
O. Esse fluxo de elétrons impele a produção de ATP. 
Fonte: Nelson e Cox (2014).
3Ciclo do ácido cítrico
O acetil-CoA pode ser produzido a partir de carboidratos, ácidos graxos e 
aminoácidos. No caso dos carboidratos, o produto final da glicólise é o piru-
vato. O piruvato produzido precisa entrar na mitocôndria e ser transformado 
em acetil-CoA. Para essa transformação acontecer é essencial a participação 
de um complexo formado por três enzimas – piruvato-desidrogenase (E1), 
Di-hidrolipoil-transacetilase (E2) e Di-hidrolipoil-desidrogenase (E3) – e 
cinco coenzimas – pirofosfato de tiamina (TPP, derivado da vitamina B1), 
dinucleotídeo de flavina-adenina (FAD), coenzima A (CoA), dinucleotídeo de 
nicotinamida-adenina (NAD) e lipoato – conhecido como complexo piruvato-
-desidrogenase (PDH). O complexo da PDH realiza uma descarboxilação 
oxidativa do piruvato, liberando como produto final o aceti-CoA (Figura 2). 
Figura 2. Descarboxilação oxidativa do piruvato a acetil-CoA pelo complexo da PDH. Na 
etapa 1, o piruvato reage com o pirofosfato de tiamina (TPP) ligado à piruvato-desidrogenase 
(E1), sendo descarboxilado ao derivado hidroxietil. A piruvato-desidrogenase também 
processa a etapa 2, a transferência de dois elétrons e do grupo acetil a partir do TPP para 
a forma oxidada do grupo lipoil-lisina do centro do complexo, di-hidrolipoil-transacetilase 
(E2), formando o acetil-tioéster do grupo lipoil reduzido. A etapa 3 é uma transesterificação 
na qual o grupo ¬SH da CoA substitui o grupo ¬SH de E2, produzindo acetil-CoA e a forma 
completamente reduzida (ditiol) do grupo lipoil. Na etapa 4, a di-hidrolipoil-desidrogenase 
(E3) promove a transferência de dois átomos de hidrogênio dos grupos lipoil reduzidos de 
E2 ao grupo prostético FAD de E3, restaurando a forma oxidada do grupo lipoil-lisina de E2. 
Na etapa 5, o FADH
2
 reduzido de E3 transfere um íon hidreto ao NAD+, formando NADH. O 
complexo enzimático está agora pronto para outro ciclo catalítico. 
Fonte: Nelson e Cox (2014).
Ciclo do ácido cítrico4
O ciclo do ácido cítrico começa com a condensação do acetil-CoA (com 
dois átomos de carbono) com oxaloacetato (com quatro átomos de carbono), 
dando origem ao citrato (com seis átomos de carbono). O citrato é isomeri-
zado a isocitrato pela aconitase. O isocitrato então sofre uma oxidação pela 
isocitrato desidrogenase, produzindo α-cetoglutarato, com a redução de 
NAD+ e a liberação de CO2. A α-cetoglutarato desidrogenase transforma 
o α-cetoglutarato em succinil-CoA. Essa etapa é muito semelhante à reação 
catalisada pelo complexo da PDH. A ligação tioéster presente entre o suc-
cinil e o enxofre da coenzima A é muito rica em energia. Assim, quando o 
succinil-CoA é transformado em succinato pela succinil-CoA sintetase, parte 
da energia da ligação tioéster é aproveitada para fosforilar um nucleotídeo 
difosfato (NDP), produzindo um nucleotídeo trifosfato (NTP), quepode ser 
ATP ou GTP (Figura 3).
Na sequência, o succinato é oxidado a fumarato pela succinato desidroge-
nase, que tem como grupo prostético o FAD, que é reduzido a FADH2. Essa é 
a única enzima do ciclo do ácido cítrico que é integrante da membrana interna 
da mitocôndria. Todas as demais enzimas são solúveis na matriz mitocondrial. 
A fumarase hidrata o fumarato originando o malato, que será oxidado a 
oxaloacetato pela malato desidrogenase, fechando o ciclo.
Até aqui podemos observar que o ciclo do ácido cítrico produz apenas duas 
ATPs por molécula de glicose. Se somados aos ATPs produzidos na glicólise, 
temos apenas quatro ATPs. Onde estão os outros 28 ATPs? Na Figura 2 vimos 
que foram produzidos NADH e FADH2. Esses transportadores de elétrons 
serão importantes no funcionamento da cadeia transportadora de elétrons 
e na fosforilação oxidativa. Além disso, a glicólise gerou duas moléculas de 
NADH, que também contribuirão para a síntese de ATP pela mitocôndria. 
Observe a Tabela 1 e veja o saldo energético.
5Ciclo do ácido cítrico
Figura 3. Reações do ciclo do ácido cítrico. Os átomos de carbono sombreados cinza escuro 
são aqueles derivados do acetato da acetil-CoA durante a primeira rodada do ciclo; estes 
não são os carbonos liberados na forma de CO
2
 durante a primeira rodada. Observe que, 
no succinato e no fumarato, o grupo de dois carbonos derivado do acetato não pode mais 
ser especificamente indicado; como succinato e fumarato são moléculas simétricas, C-1 e 
C-2 são indistinguíveis de C-4 e C-3. As setas finas mostram onde a energia é conservada 
pela transferência de elétrons ao FAD ou NAD+, formando FADH
2
 ou NADH + H. As etapas 
1, 3 e 4 são essencialmente irreversíveis na célula; todas as outras etapas são reversíveis. O 
nucleosídeo trifosfatado produzido na etapa 5 pode ser tanto ATP quanto GTP, dependendo 
da isoenzima de succinil-CoA-sintetase que está catalisando a reação. 
Fonte: Nelson e Cox (2014).
Ciclo do ácido cítrico6
Fonte: Nelson e Cox (2014).
Tabela 1. Estequiometria da redução de coenzimas e formação de ATP na oxidação ae-
róbia da glicose, reação do complexo PDH, ciclo do ácido cítrico e fosforilação oxidativa.
Por que o ciclo do ácido cítrico produz ATP ou GTP?
A conversão do succinil-CoA em succinato é catalisada pela succinil-CoA sintetase. 
Existem várias isoenzimas da succinil-CoA sintetase. Elas são expressas diferencialmente 
em vários organismos e têm preferências quanto à fosforilação do ADP ou do GDP. A 
succinil-CoA sintetase de plantas origina ATP. Já em bactérias, dependendo da espécie, 
pode gerar ATP ou GTP. Nos mamíferos, as duas isoenzimas são expressas e suas quantida-
des variam de acordo com o tipo de tecido. O GTP formado pode ser utilizado na síntese 
de fosfoenolpiruvato ou tansferir seu grupo fosfato para um ADP, regenerando o ATP. 
7Ciclo do ácido cítrico
A importância do ciclo do ácido 
cítrico no metabolismo 
O ciclo do ácido cítrico, além de ser importante nas reações de oxidação 
para produção de ATP, também é importante nas reações de biossíntese. Por 
isso podemos afirmar que o ciclo do ácido cítrico é uma via anfibólica, ou 
seja, além do papel no catabolismo oxidativo de carboidratos, aminoácidos 
e ácidos graxos, fornece precursores para muitas vias anabólicas. Por exem-
plo, o α-cetoglutarato e o oxaloacetato podem ser desviados para a síntese 
de aminoácidos. O oxaloacetato pode ser utilizado para a síntese de glicose 
(gliconeogênese). Já o succinil-CoA pode ser utilizado para a síntese do anel 
porfirínico do grupo heme da hemoglobina e dos citocromos.
A intensa utilização de intermediários do ciclo do ácido cítrico por outras 
vias biossintéticas poderia prejudicar a síntese de ATP. Por isso é importante 
que esses intermediários sejam repostos. As vias de reposição são conhecidas 
como reações anapleróticas. Em circunstâncias normais, existe um equilíbrio 
entre o consumo e a reposição dos intermediários. Assim, as concentrações 
dos intermediários podem permanecer constantes.
As reações anapleróticas acontecem em vários tecidos do organismo e 
convertem o piruvato ou o fosfoenolpiruvato em oxaloacetato ou malato 
(Figura 4 e Quadro 1).
Fonte: Nelson e Cox (2014).
Quadro 1. Reações anapleróticas.
Ciclo do ácido cítrico8
Figura 4. Papel do ciclo do ácido cítrico no anabolismo. Intermediários do ciclo do ácido 
cítrico são desviados como precursores de muitas vias biossintéticas. Setas cinza escuro 
indicam as quatro reações anapleróticas que repõem o oxaloacetato esgotado no ciclo. 
Fonte: Nelson e Cox (2014).
A carboxilação do piruvato pelo CO2 para gerar oxaloacetato é a reação 
anaplerótica mais importante em mamíferos. Ela acontece no fígado e nos 
rins e é catalisada pela piruvato-carboxilase. A piruvato-carboxilase é uma 
enzima regulada pelas concentrações de acetil-CoA (um regulador alostérico 
positivo). Sempre que o acetil-CoA estiver em excesso, a piruvato-carboxilase 
será ativada, e mais oxaloacetato será produzido.
9Ciclo do ácido cítrico
Sintases sintetases, ligases, liases, cinases, fosfatases e fosforilases: são muitos nomes 
confusos!
Sintases: catalisam reações de condensação sem uso de ATP.
Sintetases: catalisam reações de condensação que realmente usam ATP como fonte 
de energia.
Ligases: são enzimas que catalisam reações de condensação nas quais dois átomos 
são unidos utilizando a energia do ATP ou de outra fonte.
Liases: são enzimas que catalisam clivagens.
Cinases: são enzimas que transferem um grupo fosfato de um nucleotídeo, ATP, por 
exemplo, para outra molécula.
Fosforilases: promove o ataque por um fosfato inorgânico a uma ligação química e 
é ligado no ponto de quebra.
Fosfatases: promovem a desfosforilação de uma molécula fosforilada.
Regulação do ciclo do ácido cítrico
A regulação de enzimas nas vias metabólicas por meio de efetores alostéricos 
é importante, pois assim uma determinada via pode ser ativada ou desativada 
conforme a necessidade da célula. No ciclo do ácido cítrico não é diferente. 
Enzimas-chave são reguladas por mecanismos alostéricos e covalentes e 
evitam o desperdício de uma superprodução de intermediários. Três enzimas 
são cruciais na regulação do ciclo, a citrato-sintase, a isocitrato desidrogenase 
e o complexo α-cetoglutarato-desidrogenase. Além das enzimas do ciclo do 
ácido cítrico, existe uma regulação na produção de acetil-CoA a partir do 
piruvato pelo complexo piruvato-desidrogenase (PDH) (Figura 5).
Ciclo do ácido cítrico10
Figura 5. Regulação do fluxo dos metabólitos a partir do complexo da PDH durante o ciclo 
do ácido cítrico em mamíferos. O complexo da PDH é alostericamente inibido quando 
as razões [ATP]/[ADP], [NADH]/[NAD+] e [acetil-CoA]/[CoA] estão elevadas, indicando um 
estado metabólico com energia suficiente. Quando estas razões decrescem, o resultado 
é a ativação alostérica da oxidação do piruvato. A velocidade do fluxo pelo ciclo do ácido 
cítrico pode ser limitada pela disponibilidade dos substratos de citrato-sintase, oxaloacetato e 
acetil-CoA, ou de NAD+, ou pela inibição por retroalimentação por succinil-CoA, citrato e ATP. 
Fonte: Nelson e Cox (2014).
11Ciclo do ácido cítrico
O complexo da PDH, por exemplo, é fortemente inibido por ATP, acetil-CoA 
e NADH. Isso porque, quando essas moléculas estão em altas concentrações, 
sinalizam um nível energético satisfatório, reduzindo a necessidade de produzir 
mais acetil-CoA. 
Resumindo, a enzima é desativada quando existe uma oferta elevada de 
combustível e ativada quando a oferta é baixa. Além da regulação alostérica 
do complexo da PDH, a velocidade do fluxo pelo ciclo do ácido cítrico pode 
ser limitada pela disponibilidade dos substratos de citrato-sintase, oxaloace-
tato e acetil-CoA, ou de NAD+, o qual é esgotado pela conversão a NADH, 
retardando as três etapas de oxidação dependentes de NAD. A inibição por 
retroalimentação por succinil-CoA, citrato e ATP também diminui a velocidade 
do ciclo pela inibição de etapas iniciais. No tecidomuscular, o Ca2+ estimula a 
contração e, como mostrado aqui, estimula o metabolismo gerador de energia 
para repor o ATP consumido durante a contração.
Confira no link a seguir um quiz sobre o funcionamento 
do ciclo de Krebs (em inglês):
https://goo.gl/QUy1NQ 
Ciclo do ácido cítrico12
O que acontece com o ciclo do ácido cítrico no jejum e no diabetes?
Em um longo período de jejum, o oxaloacetato é desviado para a síntese de glicose, 
o que poderia interferir com as concentrações de citrato e, consequentemente, com 
as reações do ciclo do ácido cítrico. A gliconeogênese no jejum é importante, pois 
alguns tecidos usam apenas glicose como combustível, como as células do sistema 
nervoso e os eritrócitos. 
O jejum, então, poderia fazer com que o organismo procurasse combustíveis al-
ternativos, como ácidos graxos. A oxidação de ácidos graxos produz acetil-CoA, que 
sofre uma condensação com o oxaloacetato para produzir citrato, permitindo que 
o ciclo prossiga. Porém, nesse momento o oxaloacetato está sendo desviado para a 
síntese de glicose. Assim, mesmo que mais ácidos graxos sejam oxidados, elevando as 
concentrações de acetil-CoA, esse acetil-CoA não consegue entrar no ciclo e continuar 
as reações de oxidação, pois existe uma carência de oxaloacetato. Isso faz com que o 
excesso de acetil-CoA proveniente da oxidação de ácidos graxos comece a reagir com 
outras moléculas de acetil-CoA, gerando corpos cetônicos. Os corpos cetônicos são 
ácidos e poderiam abaixar o pH sanguíneo, causando uma cetoacidose. 
Esse quadro também acontece no diabetes descompensado (quando o indivíduo 
não está em tratamento). Nesse caso, o processo se deve à dificuldade da glicose em 
entrar na célula, causada pela resistência ou falta de insulina. Assim, as células “enten-
dem” que estão passando por um período de jejum, e o processo descrito é iniciado.
13Ciclo do ácido cítrico
NELSON, D. L.; COX, M. M. Princípios de bioquímica de Lehninger. 6. ed. Porto Alegre: 
Artmed, 2014.
SMITH, C.; MARKS, A. D.; LIEBERMAN, M. Bioquímica médica básica de Marks: uma 
abordagem clínica. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, 2007.
Leituras recomendadas
BERG, M. J.; TYMOCZKO, L.; STRYER, L. Bioquímica. 6. ed. Rio de Janeiro: Guanabara 
Koogan, 2008.
MARZZOCO, A.; TORRES, B. Bioquímica básica. 3. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2007.
NARDY, M. B. C.; SANCHES, J. G.; STELLA, B. M. Bases da bioquímica e tópicos de biofísica: 
um marco inicial. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012.
PINTO, W. J. Bioquímica clínica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2017.
SALWAY, J. G. Metabolismo passo a passo. 3. ed. Porto Alegre: Artmed, 2011.
TOY, C. E. et al. Casos clínicos em bioquímica (Lange). 3. ed. Porto Alegre: AMGH, 2016.
Ciclo do ácido cítrico14
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