O ciclo de Krebs mais fácil

O ciclo de Krebs, em homenagem ao ganhador do Prêmio Nobel de 1953 e fisiologista Hans Krebs, é uma série de reações metabólicas que ocorrem no mitocôndria de células eucarióticas. Simplificando, isso significa que as bactérias não possuem a maquinaria celular para o ciclo de Krebs, portanto, ele se limita a plantas, animais e fungos.

A glicose é a molécula que, em última análise, é metabolizada por seres vivos para derivar energia, na forma de trifosfato de adenosina, ou ATP. A glicose pode ser armazenada no corpo de várias formas; glicogênio é pouco mais do que uma longa cadeia de moléculas de glicose que é armazenada nas células musculares e hepáticas, enquanto os carboidratos, proteínas e gorduras da dieta têm componentes que podem ser metabolizados em glicose como Nós vamos. Quando uma molécula de glicose entra na célula, ela é quebrada no citoplasma em piruvato.

O que acontece a seguir depende se o piruvato entra na via de respiração aeróbica (o resultado normal) ou na via de fermentação do lactato (usado em sessões de exercícios de alta intensidade ou privação de oxigênio) antes de permitir a produção de ATP e a liberação de carbono dióxido (CO

O ciclo de Krebs - também chamado de ciclo do ácido cítrico ou ciclo do ácido tricarboxílico (TCA) - é a primeira etapa na via aeróbia e opera para sintetizar continuamente quantidade suficiente de uma substância chamada oxaloacetato para manter o ciclo em andamento, embora, como você verá, essa não seja realmente a "missão" do ciclo. O ciclo de Krebs fornece outros benefícios como Nós vamos. Porque inclui cerca de oito reações (e, correspondentemente, nove enzimas) envolvendo nove diferentes moléculas, é útil desenvolver ferramentas para manter os pontos importantes do ciclo em linha reta em seu mente.

A glicose é um açúcar de seis carbonos (hexose) que na natureza geralmente tem a forma de um anel. Como todos os monossacarídeos (monômeros de açúcar), consiste em carbono, hidrogênio e oxigênio em uma proporção 1-2-1, com uma fórmula de C₆H₁₂O₆. É um dos produtos finais do metabolismo de proteínas, carboidratos e ácidos graxos e serve como combustível em todos os tipos de organismos, desde bactérias unicelulares até seres humanos e animais maiores.

Glicolise é anaeróbico no sentido estrito de "sem oxigênio". Ou seja, as reações ocorrem se O₂ está presente nas células ou não. Tenha cuidado para distinguir isso de "oxigênio não deve ser presente ", embora este seja o caso de algumas bactérias que são realmente mortas pelo oxigênio e são conhecidas como anaeróbios obrigatórios.

Nas reações de glicólise, a glicose de seis carbonos é inicialmente fosforilada - ou seja, tem um grupo fosfato anexado a ela. A molécula resultante é uma forma fosforilada de frutose (açúcar da fruta). Esta molécula é então fosforilada uma segunda vez. Cada uma dessas fosforilações requer uma molécula de ATP, ambas convertidas em difosfato de adenosina, ou ADP. A molécula de seis carbonos é então convertida em duas moléculas de três carbonos, que são rapidamente convertidas em piruvato. Ao longo do caminho, no processamento de ambas as moléculas, 4 ATPs são produzidos com o auxílio de duas moléculas de NAD + (nicotinamida adenina dinucleotídeo) que são convertidas em duas moléculas de NADH. Assim, para cada molécula de glicose que entra na glicólise, uma rede de dois ATP, dois piruvato e dois NADH são produzidos, enquanto dois NAD + são consumidos.

Conforme observado anteriormente, o destino do piruvato depende das demandas metabólicas e do ambiente do organismo em questão. Em procariotos, glicólise mais fermentação fornece quase todas as necessidades de energia de uma única célula, embora alguns desses organismos tenham evoluído cadeias de transporte de elétrons que permitem que eles fazer uso de oxigênio para liberar ATP dos metabólitos (produtos) da glicólise. Em procariotos, bem como em todos os eucariotos, exceto levedura, se não houver oxigênio disponível ou se as necessidades de energia da célula não puderem ser totalmente atendidas por meio da respiração aeróbica, o piruvato é convertido em ácido lático por meio da fermentação sob a influência da enzima lactato desidrogenase, ou LDH.

O piruvato destinado ao ciclo de Krebs se move do citoplasma através da membrana de organelas celulares (componentes funcionais no citoplasma) chamados mitocôndria. Uma vez na matriz mitocondrial, que é uma espécie de citoplasma para as próprias mitocôndrias, ela é convertida sob a influência da enzima piruvato desidrogenase em um composto de três carbonos diferente chamado acetil coenzima A ou acetil CoA. Muitas enzimas podem ser selecionadas de uma linha química por causa do sufixo "-ase" que compartilham.

Neste ponto, você deve se valer de um diagrama detalhando o ciclo de Krebs, pois é a única maneira de acompanhar de forma significativa; consulte os Recursos para obter um exemplo.

A razão pela qual o ciclo de Krebs é assim chamado é que um de seus principais produtos, o oxaloacetato, também é um reagente. Ou seja, quando o acetil CoA de dois carbonos criado a partir do piruvato entra no ciclo "a montante", ele reage com o oxaloacetato, uma molécula de quatro carbonos, e forma citrato, uma molécula de seis carbonos. Citrato, uma molécula simétrica, inclui três grupos carboxila, que possuem a forma (-COOH) em sua forma protonada e (-COO-) em sua forma não protonada. É esse trio de grupos carboxila que dá o nome de "ácido tricarboxílico" a esse ciclo. A síntese é impulsionada pela adição de uma molécula de água, tornando esta uma reação de condensação, e pela perda da porção da coenzima A do acetil CoA.

O citrato é então reorganizado em uma molécula com os mesmos átomos em um arranjo diferente, que é apropriadamente chamado de isocitrato. Esta molécula então emite um CO₂ para se tornar o composto de cinco carbonos α-cetoglutarato, e na próxima etapa ocorre a mesma coisa, com α-cetoglutarato perdendo um CO₂ enquanto recupera uma coenzima A para se tornar succinil CoA. Esta molécula de quatro carbonos torna-se succinato com a perda de CoA e é subsequentemente rearranjada em uma procissão de ácidos desprotonados de quatro carbonos: fumarato, malato e finalmente oxaloacetato.

As moléculas centrais do ciclo de Krebs, então, em ordem, são

1. Acetil CoA
   
2. Citrato
   
3. Isocitrato
   
4. α-cetoglutarato 
   
5. Succinil CoA
   
6. Succinato
   
7. Fumarate
   
8. Malate
   
9. Oxaloacetato
   

Isso omite os nomes das enzimas e uma série de co-reagentes críticos, entre eles NAD + / NADH, o par de moléculas semelhantes FAD / FADH₂ (dinucleotídeo flavina adenina) e CO₂.

Observe que a quantidade de carbono no mesmo ponto em qualquer ciclo permanece a mesma. O oxaloacetato pega dois átomos de carbono quando se combina com o acetil CoA, mas esses dois átomos são perdidos na primeira metade do ciclo de Krebs como CO₂ em reações sucessivas em que NAD + também é reduzido a NADH. (Em química, para simplificar um pouco, as reações de redução adicionam prótons enquanto as reações de oxidação os removem.) Olhando para o processo como um todo, e examinando apenas esses reagentes e produtos de dois, quatro, cinco e seis carbonos, não está imediatamente claro por que as células se envolveriam em algo semelhante a um Ferris bioquímico roda, com diferentes pilotos da mesma população sendo carregados dentro e fora da roda, mas nada mudando no final do dia, exceto por muitas voltas do roda.

O propósito do ciclo de Krebs é mais óbvio quando você olha o que acontece com os íons de hidrogênio nessas reações. Em três pontos diferentes, um NAD + coleta um próton, e em um ponto diferente, o FAD coleta dois prótons. Pense nos prótons - devido ao seu efeito nas cargas positivas e negativas - como pares de elétrons. Nessa visão, o ponto do ciclo é o acúmulo de pares de elétrons de alta energia a partir de pequenas moléculas de carbono.

Você pode notar que duas moléculas críticas que deveriam estar presentes na respiração aeróbica estão faltando no ciclo de Krebs: Oxigênio (O₂) e ATP, a forma de energia diretamente empregada pelas células e tecidos para realizar trabalhos como crescimento, reparo e assim por diante. Novamente, isso ocorre porque o ciclo de Krebs é um marco para as reações em cadeia de transporte de elétrons que ocorrem nas proximidades, na membrana mitocondrial, e não na matriz mitocondrial. Os elétrons coletados pelos nucleotídeos (NAD + e FAD) no ciclo são usados ​​"a jusante" quando são aceitos pelos átomos de oxigênio na cadeia de transporte. O ciclo de Krebs remove material valioso em uma correia transportadora circular aparentemente normal e os exporta para um centro de processamento próximo, onde a verdadeira equipe de produção está trabalhando.

Observe também que as reações aparentemente desnecessárias no ciclo de Krebs (afinal, por que dar oito etapas para realizar o que pode ser feito em talvez três ou quatro?) gerar moléculas que, embora intermediárias no ciclo de Krebs, podem servir como reagentes em reações.

Para referência, o NAD aceita um próton nas etapas 3, 4 e 8, e nas duas primeiras destas₂ é derramado; uma molécula de trifosfato de guanosina (GTP) é produzida a partir de GDP na Etapa 5; e FAD aceita dois prótons na Etapa 6. Na etapa 1, CoA "sai", mas "retorna" na Etapa 4. Na verdade, apenas a Etapa 2, o rearranjo de citrato em isocitrato, é "silenciosa" fora das moléculas de carbono na reação.

Devido à importância do ciclo de Krebs em bioquímica e fisiologia humana, estudantes, professores e outros vieram com uma série de mnemônicos, ou maneiras de lembrar nomes, para ajudar a lembrar as etapas e reagentes no Krebs ciclo. Se desejarmos apenas lembrar os reagentes, intermediários e produtos de carbono, é possível trabalhar a partir das primeiras letras dos compostos sucessivos à medida que aparecem (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; aqui, observe que a "coenzima A" é representada por um "c" minúsculo). Você pode criar uma frase personalizada vigorosa a partir dessas letras, com as primeiras letras das moléculas servindo como as primeiras letras nas palavras da frase.

Uma maneira mais sofisticada de fazer isso é usar um mnemônico que permite controlar a quantidade de carbono átomos em cada etapa, o que pode permitir que você internalize melhor o que está acontecendo do ponto de vista bioquímico. vezes. Por exemplo, se você deixar uma palavra de seis letras representar o oxaloacetato de seis carbonos, e correspondentemente para palavras e moléculas menores, você pode produzir um esquema que seja útil como um dispositivo de memória e informação rico. Um colaborador do "Journal of Chemical Education" propôs o seguinte ideia:

1. solteiro
   
2. Formigar
   
3. Emaranhado 
   
4. Mangle
   
5. Sarna
   
6. Juba
   
7. Sane
   
8. Cantou
   
9. Cantar
   

Aqui, você vê uma palavra de seis letras formada por uma palavra de duas letras (ou grupo) e uma palavra de quatro letras. Cada uma das próximas três etapas inclui uma substituição de uma única letra sem perda de letras (ou "carbono"). Cada uma das próximas duas etapas envolve a perda de uma letra (ou, novamente, "carbono"). O resto do esquema preserva o requisito da palavra de quatro letras da mesma forma que as últimas etapas do ciclo de Krebs incluem moléculas de quatro carbonos diferentes e intimamente relacionadas.

Além desses dispositivos específicos, você pode achar benéfico desenhar uma célula completa ou parte de uma célula em torno de um mitocôndria e esboce as reações da glicólise com tantos detalhes quanto quiser na parte do citoplasma e o ciclo de Krebs no parte da matriz mitocondrial. Você, neste esboço, mostraria o piruvato sendo transportado para o interior da mitocôndria, mas também poderia desenhar uma flecha levando à fermentação, que também ocorre no citoplasma.