Ciclul Krebs

Ciclul Krebs, numit și ciclul acidului citric, este o cale de reacții din matricea mitocondrială a celulelor eucariote. Înainte de intrare, piruvatul provenit din glicoliză poate fi transformat în acetil-CoA. Gruparea acetil intră în ciclu și contribuie la formarea unor intermediari care sunt transformați succesiv; la capăt, compusul acceptor inițial este refăcut. De aceea vorbim despre un ciclu, nu despre o reacție unică.

Pe parcurs sunt eliberate molecule de dioxid de carbon și sunt încărcați purtători de electroni precum NADH și FADH${}_2$. Acești purtători vor alimenta ulterior lanțul respirator. Se formează și o cantitate mică de ATP sau de moleculă energetică echivalentă direct în ciclu. Cea mai mare parte a ATP-ului asociat respirației aerobe provine din etapa de fosforilare oxidativă care urmează, nu din ciclul luat singur.

Pentru a citi o schemă, identifică intrarea acetil-CoA, ieșirea $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și purtătorii de electroni produși. Nu aduna bilanțuri fără a preciza dacă sunt pentru o intrare de acetil-CoA sau pentru o moleculă întreagă de glucoză, care poate furniza două astfel de intrări. Ciclul se leagă de metabolismul glucidelor, lipidelor și proteinelor prin intermediarii lor comuni.

La intrarea unei grupări acetil, ea se condensează cu oxaloacetatul pentru a forma citrat. Transformările ulterioare regenerează oxaloacetatul și produc, pentru fiecare acetil-CoA, trei NADH, un FADH${}_2$, o moleculă de GTP sau ATP și două molecule de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Acești coeficienți sunt pentru o rotire a ciclului. Oxigenul nu apare ca reactant direct în ciclu, dar funcționarea aerobă susținută depinde de regenerarea coenzimelor oxidate prin lanțul respirator.

De exemplu, pentru o glucoză, cei doi piruvați furnizează doi acetil-CoA. Înmulțim fiecare produs al unei rotații cu doi: ciclul furnizează 6 NADH, 2 FADH${}_2$, 2 GTP și 4 molecule de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Oxidarea piruvatului înaintea ciclului are propriul bilanț și se calculează separat.

Ciclul a fost descris de Hans Krebs în 1937. Etapele, într-o rotație: acetil-CoA (2C) se condensează cu oxaloacetatul (4C) și formează citrat (6C); citratul este transformat în izocitrat, apoi prin decarboxilare oxidativă în α-cetoglutarat (5C), cu eliberarea unui $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și formarea unui NADH; α-cetoglutaratul este transformat în succinil-CoA (4C), cu al doilea $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și al doilea NADH; succinil-CoA formează succinat și un GTP; succinatul este oxidat la fumarat, cu formare de FADH₂; fumaratul devine malat; malatul este oxidat la oxaloacetat, cu al treilea NADH. Oxaloacetatul se regenerează, deci ciclul poate continua. Succinat-dehidrogenaza este singura enzimă a ciclului legată de membrana internă mitocondrială. Ciclul este reglat de raportul ATP/ADP și NADH/NAD⁺: un nivel mare de ATP și NADH îl încetinește.

Conectarea căilor metabolice. Ciclul Krebs este punctul comun în care ajung produșii de degradare ai celor trei clase de nutrimente.

• Glucidele intră prin piruvat, transformat în acetil-CoA.
• Lipidele: acizii grași sunt oxidați în mitocondrie (β-oxidare), în unități de câte doi atomi de carbon, care devin acetil-CoA; glicerolul intră în glicoliză.
• Proteinele: aminoacizii pierd gruparea amino prin transaminare și dezaminare, iar scheletele lor carbonice intră în ciclu în puncte diferite: glutamatul devine α-cetoglutarat, aspartatul devine oxaloacetat, valina și izoleucina dau succinil-CoA, iar fenilalanina și tirozina dau fumarat.

Ciclul servește și sintezei. Citratul iese din mitocondrie în citoplasmă și furnizează acetil-CoA pentru sinteza acizilor grași; α-cetoglutaratul și oxaloacetatul dau, prin transaminare, glutamat și aspartat; succinil-CoA este precursor al hemului; oxaloacetatul poate forma glucoză prin gluconeogeneză. Acetil-CoA nu se poate transforma net în oxaloacetat, deci acizii grași nu dau glucoză netă. Intermediarii scoși din ciclu se refac prin reacții de completare, de exemplu carboxilarea piruvatului la oxaloacetat. Vitaminele din grupa B sunt indispensabile: tiamina (B1) pentru complexul piruvat-dehidrogenazei, riboflavina (B2) pentru FAD, niacina (B3) pentru NAD⁺, acidul pantotenic (B5) pentru coenzima A.

Exemplu rezolvat 1: ce se întâmplă cu atomii de carbon ai acetil-CoA?

1. Acetil-CoA aduce 2 atomi de carbon, iar oxaloacetatul 4: citratul are 6.
2. Ciclul elimină 2 atomi de carbon sub formă de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ la decarboxilările din izocitrat și α-cetoglutarat.
3. Oxaloacetatul regenerat are din nou 4 atomi de carbon, dar nu sunt exact cei intrați în rotația respectivă.
4. Concluzie: în fiecare rotație intră 2 atomi de carbon și ies 2, deci oxaloacetatul nu se consumă.

Exemplu rezolvat 2: ATP-ul asociat unei molecule de glucoză din etapa piruvat–Krebs (convenția școlară: NADH = 3 ATP, FADH₂ = 2 ATP).

1. Decarboxilarea celor 2 piruvați: 2 NADH, deci $2\cdot 3=6$ ATP.
2. Cele două rotații ale ciclului: 6 NADH, 2 FADH₂ și 2 GTP.
3. ATP-ul asociat ciclului: $6\cdot 3+2\cdot 2+2=24$ ATP.
4. Total pentru etapa piruvat–Krebs: $6+24=30$ ATP, la care se adaugă 8 ATP din glicoliză: $30+8=38$.

La admitere, separă oxidarea piruvatului la acetil-CoA de reacțiile ciclului propriu-zis. Verifică de câte ori se rotește ciclul pentru o glucoză și nu atribui direct ciclului tot ATP-ul format ulterior în lanțul respirator. Localizarea cerută la celulele eucariote este matricea mitocondrială.

Pentru o moleculă de glucoză rezultă două molecule de acetil-CoA și au loc două rotații ale ciclului Krebs. Bilanțul lor este 6 NADH, 2 FADH${}_2$, 2 GTP (echivalente cu 2 ATP) și 4 molecule de $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. În convenția școlară, coenzimele reduse sunt valorificate ulterior în lanțul respirator, în bilanțul total de 38 ATP per glucoză.

Reține bilanțul unei rotații: 3 NADH, 1 FADH₂, 1 GTP (echivalent ATP) și 2 $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$. Oxaloacetatul este acceptorul acetil-CoA și se regenerează. Citratul este primul produs, de unde numele „ciclul acidului citric”. Piruvatul nu intră direct în ciclu, ci după transformarea în acetil-CoA. Ciclul nu consumă direct oxigen, dar depinde de oxigen prin lanțul respirator, care reoxidează NADH și FADH₂.

Exemplu în formatul examenului (complement grupat). Despre ciclul Krebs sunt corecte afirmațiile:

1. Ciclul Krebs are loc în matricea mitocondrială.
2. O rotație a ciclului produce 3 NADH.
3. Oxaloacetatul se regenerează la sfârșitul ciclului.
4. Piruvatul intră direct în ciclul Krebs.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: a. Afirmația 4 este falsă, deoarece piruvatul este transformat mai întâi în acetil-CoA.

Greșeli frecvente

• Greșit: Piruvatul intră direct în ciclul Krebs.
  Corect: Piruvatul este transformat în acetil-CoA înaintea intrării în ciclu.
• Greșit: O rotație a ciclului are bilanțul unei molecule întregi de glucoză.
  Corect: O glucoză dă două molecule de acetil-CoA și, prin urmare, două rotații.
• Greșit: Ciclul Krebs consumă direct oxigen.
  Corect: Oxigenul este consumat în lanțul respirator, ca acceptor final de electroni; ciclul produce $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2$ și coenzime reduse.

Înainte și după