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Ciclo do ácido cítrico Células aeróbicas consomem oxigênio e produzem CO2 pelo processo denominado respiração celular. Na respiração celular, moléculas orgânicas são oxidadas até a formação de CO2 e redução de oxigênio. A formação de CO2 e geração de moléculas que irão reduzir oxigênio acontece principalmente no que chamamos de ciclo do ácido cítrico. Antes de entrarem no ciclo do ácido cítrico, esqueletos carbônicos são degradados ao grupamento acetil de acetil-CoA. O grupamento acetila está ligado formando uma ligação tioéster com a coenzima A. Ligações tioéster são ligações de alta energia, com a acetila ligada à porção sulfidrila da CoA, ligação bastante instável devido ao grande raio atômico do enxofre. A produção de acetil-CoA a partir do piruvato acontece através de um complexo multienzimático chamado piruvato desidrogenase. Um complexo multienzimático é um grupo de enzimas associadas não covalentemente que catalisam reações sequenciais. Essa associação é vantajosa pois aumenta a velocidade das reações uma vez que os substratos não precisam se difundir por muitas distâncias, minimiza a reação secundária (com outras moléculas de outras rotas) de seus intermediários, e podem ser controladas coordenadamente. No complexo piruvato desidrogenase o piruvato sofre um processo de oxidação no qual um grupamento carboxílico é removido do piruvato como uma molécula de CO2 e os dois carbonos restantes formam acetil-CoA, e ha formação de NADH. Este processo de desidrogenação e descarboxilação requer a ação sequencial de três enzimas diferentes e cinco coenzimas que permanecem agrupadas, permitindo que os intermediários reajam rapidamente. Todaa as reações do ciclo do ácido cítrico acontecem na mitocôndria. A primeira reação do ciclo é a condensação de acetil-CoA com oxaloacetato pela citrato sintase, formando citrato. Uma molécula de dois carbonos se junta a uma molécula de quatro carbonos formando uma molécula de seis carbonos. A hidrólise da ligação tioéster de acetil-CoA faz com que essa reação seja bastante exergônica. A CoA liberada é reciclada para participar de uma nova descarboxidação de piruvato. A reação seguinte envolve a desidratação de citrato seguida pela hidratação formando isocitrato. Essa é uma reação reversível desempenhada pela aconitase. Isocitrato desidrogenase catalisa a oxidação e descarboxilação de iscitrato para formar alfa-cetoglutarato. Neste caso, o aceptor de elétrons pode ser NAD+ ou NADP+, dependendo da isoforma da desidrogenase. Essa reação de descarboxilação produz o primeiro CO2 e NADH/NADPH do ciclo. O segundo NADH e CO2 do ciclo são produzidos após a descarboxilação oxidativa de alfa-cetoglutarato, pela alfa-cetoglutarato desidrogenase, formando succinil-CoA. A alfa-cetoglutarato desidrogenase é um complexo multienzimático e apresenta mecanismo semelhante à piruvato desidrogenase, formando um tioéster de alta energia. Succinil-CoA tem uma energia de hidrólise altamente negativa. A energia da quebra dessa ligação é utilizada para síntese de GTP ou ATP. Essa é uma reação reversível desempenhada pela sua succinil- CoA sintetase, que envolve conservação de energia da succinil-CoA para o GTP/ATP. O GTP formado pode doar seu grupamento fosfato para o ADP formando ATP. Até então, uma acetila foi oxidada a duas moléculas de CO2 e gerou duas moléculas de NADH e um GTP. A partir daí o succinato formado na reação anterior será convertido a oxaloacetato regenerando o ciclo. A succinato-desidrogenase catalisa a desidrogenação de succinato a fumarato. A succinato-desidrogenase é a única enzima do ciclo do ácido cítrico ligada a membrana da mitocôndria. Essa proteína contém um FAD como grupo prostético. A desidrogenação do succinato produz FADH2. FADH2 é oxidado na cadeia de transporte de elétrons da membrana mitocôndria. Malonato, um análogo do succinato, inibe essa enzima e bloqueia o ciclo do ácido cítrico. O fumarato é hidratado a malato pela ação da fumarase, e a malato desidrogenase catalisa a reação final do ciclo do ácido cítrico, oxidando malato, formando NADH e oxaloacetato. O equilíbrio dessa reação vai contra formação de oxaloacetato, porém oxaloactetato é continuamente removido por uma reação altamente exergônica (síntese de citrato), fazendo com que a concentração de oxaloacetato na célula seja baixo, permitindo que a reação da malato desidrogenase aconteça para formação de oxaloacetato. Os dois carbonos que aparecem como CO2 não são os mesmos dois que entram como grupos acetil. Voltas adicionais em torno do ciclo serão necessárias para liberação destes carbonos como CO2. Embora o ciclo gere somente um equivalente de ATP diretamente, os quatro passos de oxidação que geram NADH e FADH2 levam à formação de várias moléculas de APP durante a fosforilação oxidativa. No caso dos elétrons contidos no NADH, estes dois elétrons geram 2,5 ATPs. Já o FADH2 gera 1,5 ATP. Sendo assim, a oxidação completa da glicose com a geração de duas moléculas de piruvato produzem seis moléculas de CO2. Na glicólise foram gerados dois ATPs e 2 NADH. Na conversão de dois piruvatos a acetil-CoA tem a formação de dois NADH e no ciclo do ácido cítrico essas duas acetil-CoA geram seis NADH, dois FADH2 e dois ATP/GTP. No total serão 32 ATPs formados pela completa oxidação da glicose. O ciclo do ácido cítrico não está restrito a servir apenas para oxidação do acetato. Diversos de seus intermediários são utilizados como precursores em outras vias ou são o produto de outros processos catabólicos. O ciclo do ácido cítrico deve ser controlado. Existem dois níveis de regulação: a conversão de piruvato a acetil-CoA e a entrada de acetil-CoA no ciclo. Piruvato desidrogenase é inibida por ATP, e acetil- CoA e NADH (produtos de sua reação). Quando existe bastante quantidade de ácidos graxos e acetil-CoA disponível, a atividade da enzima é diminuída. Já quando a demanda de energia é grande, AMP, CoA e NAD+ ativam a proteína. Além desse controle alostérico, existe também o controle através de modificações covalentes. O complexo proteico é inibido por fósforilação reversível. Uma proteína cinase fosforila e inativa a proteína E1 do complexo. A proteína cinase é alostericamente ativada por ATP. Quando a concentração de ATP cai, a atividade das cinase diminui, e aumenta atividade de uma proteína fosfatase que remove a fósforilação de E1, ativando o complexo. As etapas determinantes da velocidade das reações do ciclo do ácido cítrico são desempenhadas pela citrato sintase, isocitrato- desidrogenase e alfa-cetoglutarato-desidrogenase, que atuam distanciadas do equilíbrio, DG negativo. Essas enzimas são reguladas pela disponibilidade substrato, são inibidas pelo acúmulo de produto e inibição alostérica de enzimas que catalisam passos anteriores (por feedback). NAD+, oxaloacetato e citrato são os principais substratos. Citrato, NADH e succinil-CoA são os principais produtos. Cálcio e ATP são conhecidos como ativadores/inibidores alostéricos.
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