CAPITULO 6 Ciclo De Krebs El ciclo de Krebs, también denominado Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos se ubica dentro de la matriz mitocondrial de los eucariotas y en el citosol de los procariotas. Consiste en una serie de reacciones bioquímicas mediante las cuales se produce la oxidación total de restos de acetato procedentes de distintas ías metabólicas !"idratos de carbono, lípidos, amino#cidos, etc$. %in embar&o, las reacciones del ciclo de Krebs pueden 'uncionar tanto en sentido catabólico como anabólico, es decir el ciclo es an'ibólico. Cuando el ciclo 'unciona en sentido catabólico act(a oxidando "asta C)* y +*) todos los restos de dos carbonos, en 'orma de cetil-Co, proenientes de la de&radación de las di'erentes biomoléculas y conuntamente, a traés de la respiración, se produce una &ran cantidad de ener&ía. /ientras que, cuando el ciclo 'unciona en sentido anabólico, las reacciones del ciclo de Krebs pueden ser utilizadas para producir intermediarios para la biosíntesis de nueas biomoléculas mediante la interrelación de los distintos metabolismos !amino#cidos, lípidos e "idratos de carbono$.
Descarboxilación oxidativa del piruvato El piruato, proeniente de la &lucólisis o de la de&radación de al&unos amino#cidos, in&resa a la mitocondria por di'usión 'acilitada. 0entro de la mitocondria, el piruato su're una descarboxilación irreersible conirtiéndose en cetil-Coa mediante la acción de un compleo enzim#tico llamado 1iruato 0es"idro&ensa. NAD+
COO| C=O |
NADH S-CoA |
+ CoA-SH
CH3 Piruvato
C=O |
+
CO2
CH3 Acetil-CoA
Función Catabólica del Ciclo de Krebs El Ciclo de Krebs, en su 'unción catabólica, posee una &ran importancia ya que es el proceso 'inal, antes de la respiración, de oxidación de los distintas biomoléculas con el 'in de obtener ener&ía cuando la célula lo requiere. El ciclo de Krebs es alimentado por cetil-Co que puede proenir de la 2-oxidación de los #cidos &rasos, de al&unos amino#cidos y de la descarboxilación del piruato proeniente de la &lucólisis.
99
GLÚCIDOS
AMINOÁCIDOS
ÁCIDOS GASOS
PI%&A'O
Acetil-CoA
CO2
Ciclo !e "re#$
CO2
2H+ + , O2 CAD)NA )SPIA'OIO (OS(OILACI*N OIDA'I&A H2O ADP + Pi
NADH (ADH2 NAD+ (AD
A'P
5i&. 6-3 5uncion catabólica del Ciclo de Krebs
Reacciones del Ciclo de Krebs ! El ciclo comienza con la condensación de una molécula de * carbonos !el &rupo
acetilo del acetil-Co$ con una de 7 carbonos !el oxalacetato$. Esta reacción, que consta de una condensación y una posterior "idrólisis y es catalizada por la enzima Citrato %intasa. En el primer paso se condensa el oxalacetato con el acetil-Co para &enerar citril-Co, que lue&o se "idroliza liberando la Co-%+ y 'ormando citrato.
"! En el próximo paso, el citrato se isomeriza a isocitrato, mediante una des"idratación
que produce cis-aconitato se&uida por una "idratación8 el resultado es un intercambio de un + por un )+ catalizado por la enzima conitasa.
#! El
isocitrato es decarboxilado oxidatiamente por la enzima :socitrato 0es"idro&enasa, para &enerar ;-ceto&lutarato, una molécula de < #tomos de carbono. En este paso, se produce una molécula de =0+ y una de C)*.
344
$! %e&uidamente se produce una se&unda decarboxilación oxidatia, en la que el ;-
ceto&lutarato se conierte en succinil-Co, que tiene 7 carbonos. Esta etapa es catalizada por el compleo ;-Ceto&lutarato 0es"idro&enasa y &enera la 'ormación de otra molécula de =0+ y otra de C)*.
%! El succinil-Co es trans'ormado en succinato &racias a la acción de la %uccinil-Co
%intetasa, en un paso que es '#cilmente reersible y que permite la producción de una molécula de >T1, equialente ener&éticamente a una molécula de T1.
6! El succinato se oxida a 'umarato por acción de la enzima %uccinato 0es"idro&enasa,
produciendo una molécula de 50+*. En este caso el aceptor de electrones es el 50, ya que el cambio de ener&ía libre no es su'iciente para reducir =0.
&! En el paso si&uiente el 'umarato se "idrata para sintetizar malato, mediante la
enzima 5umarasa.
'! 0ebido a la naturaleza cíclica de la ía, en la (ltima reacción el malato se oxida para
re&enerar oxalacetato, en una reacción catalizada por la enzima /alato 0es"idro&enasa que utiliza el =0 y 'acilita la síntesis de una molécula de =0+.
(alance )eneral del ciclo durante su *unción catabólica
l 'inalizar el ciclo se obsera que el &rupo acetilo de una molécula de cetil-Co "a sido utilizado para producir ener&ía, coenzimas reducidas y C)*, se&(n la si&uiente ecuación?
%in embar&o, los estudios realizados con 37C mostraron que las moléculas de C)* se 'orman a partir de carbonos proenientes del oxalacetato y no del acetil-Co !5i&.6 *$.
343
) -)
)
=0+
-)
))
)
)
%
)-
cetyl Co
) )xaloacetato
=0
)
)+ /alato
C:C@) 0E KAEB%
)-
5umarato
)
)-
)
-)
Citrato
) -)
Co
) )-
)+
)-
)
)
)
:socitrato
-) =0
))+
50+* =0+ 50 ) -)
Co
C)*
-ceto&lutarato
%uccinato
%uccinil-Co
) >T1
= , 0 +
) -)
)
= , 0 9
)-
C)* %
)
-)
))
Co
)
5i&. 6-*. Ciclo de Krebs.
Función Anabólica del Ciclo de Krebs El ciclo es una 'uente de precursores biosintéticos. %us metabolitos son importantes intermediarios biosintéticos de otros muc"os componentes celulares? lípidos, &l(cidos, amino#cidos y bases nitro&enadas? Citrato -------------------------- c. &rasos y esteroles. ;-ceto&lutarato ---- >@D ---- mino#cidos !>@D, >@=, 1A), A>$ y b ases p(ricas. %uccinil-Co ------------------- 1or'irinas y &rupos "emo. )xalacetato ------ 1E1 ------ &lucosa y mino#cidos !%EA, >@, C%, 1+E, TA, TA1$ )xalacetato -------------------- mino#cidos !%1, %=$ En su modalidad de 'uncionamiento como productor de intermediarios para la biosíntesis, el Ciclo de Krebs debe 'uncionar de manera tal que el ciclo no se cumpla totalmente8 ya que cuando in&resa una molécula de acetil-Co que se condensa con una de oxalacetato y se producen las reacciones que permiten la producción de coenzimas reducidas, ener&ía y C)* y la reposición de la molécula de oxalacetato, no se obtiene nin&(n intermediario. 0ebe destacarse que se comienza con una molécula de oxalacetato y 'inaliza con una molécula de oxalacetato, que no se podr# utilizar como intermediario de otro metabolismo.
34*
1ara producir intermediarios para la biosíntesis !'unción anabólica$, el ciclo se debe alimentar mediante una GH =1@EAIT:C !sintetizar un intermediario del ciclo con la 'inalidad de utilizar otro intermediario para una biosíntesis$ y debe 'uncionar parcialmente, ya sea porque el ciclo comienza con al&(n intermediario o porque se inicia con acetil-Co y una molécula nuea de oxalcetato. @as dos maneras se pueden eempli'icar como si&ue? •
•
%e obtiene oxalacetato a partir de metabolitos tales como ;-ceto &lutarato, succinato o malato y por lo tanto puede destinarse a un proceso anabólico !por eemplo la &luconeo&énesis$. %e obtiene un intermediario, como puede ser el ;-ceto &lutarato, a partir de una molécula de isocitrato que se obtuo desde una de citrato. Esta molécula de citrato debe ser producida por la condensación de 3 molécula de acetil-Co y 3 de oxalacetato que proen&an de piruato. Es decir que las dos moléculas deben in&resar al ciclo metabólico sin utilizar las moléculas de oxalacetato que est#n en la matriz mitocondrial, ya que como no se cierra el ciclo el oxalacetato no se repondr#.
@os intermediarios del ciclo de Krebs deber#n ser repuestos, cuando al&uno de ellos "aya sido utilizado para la biosíntesis de otros compuestos, y así el ciclo podr# continuar. 0e ello se encar&an las reacciones anapleróticas, que reponen los intermediarios del ciclo del #cido cítrico mediante las si&uientes reacciones?
Aeacciones de transaminación de amino#cidos que conectan con el ciclo?
Es obio que el Ciclo de Krebs 'unciona permanentemente realizando tanto la producción de ener&ía como la &eneración de intermediarios de la biosíntesis y que las moléculas de oxalacetato no est#n identi'icadas entre las que pertenecen a la matriz mitocondrial y las que acaban de ori&inarse desde el piruato. %in embar&o el an#lisis estequiométrico que se realiza permite estudiar las distintas posibilidades metabólicas y, 'undamentalmente, las imposibilidades metabólicas. Entre las imposibilidades metabólicas m#s importantes se tiene el caso de la síntesis de &l(cidos a partir de #cidos &rasos. El principal producto de la de&radación de los #cidos &rasos en la mitocondria es acetil-Co, que si se condensa con oxalacetato de la matriz mitocondrial puede producir citrato, que ir# reaccionando secuencialmente con las dem#s enzimas del Ciclo de Krebs "asta reponer oxalacetato. 1ero si esta molécula de 34F
oxalacetato es utilizada para la síntesis de &l(cidos, se consumirían las moléculas de oxalacetato imprescindibles para el comienzo del Ciclo de Krebs.
Ciclo de )lioxilato @as semillas en estado de &erminación sintetizan todas las moléculas que necesitan !lípidos, &l(cidos, proteínas, #cidos nucleicos$ a partir de las sustancias de resera. @as 'arin#ceas acumulan su resera como almidón, a partir del que pueden obtener piruato, acetil-Co, oxalacetato y todos los restantes intermediarios de la síntesis de todas las biomoléculas. En cambio, en las semillas de olea&inosas, la resera m#s importante se acumula como lípidos, por lo que se deben proeer de todas sus moléculas, incluidas las de &l(cidos, a partir de #cidos &rasos. Estos or&anismos tienen una or&anela denominada &lioxisoma, en la que se desarrolla un metabolismo que les permite producir intermediarios de la &luconeo&énesis a partir de acetil-Co. Este metabolismo, llamado Ciclo de >ioxilato, comienza de la misma manera que el Ciclo de Krebs, pero eita las dos etapas en las que se producen descarboxilaciones y consume dos moléculas de acetil-Co por uelta !5i&. 9-F$. El primer paso del Ciclo de >lioxilato es la condensación de una molécula de acetilCo con una molécula de oxalacetato para 'ormar citrato que se isomeriza a isocitrato. @as dos reacciones son catalizadas por las mismas enzimas que en el Ciclo de Krebs? citrato sintasa y aconitasa. El isocitrato en lu&ar de decarboxilarse a ;-ceto &lutarato, es escindido, por acción de la isocitrato liasa, en &lioxilato y succinato. Isocitrato
Succinato + Glioxilato
El &lioxilato es condensado con una se&unda molécula de acetil-Co para dar malato, en una reacción catalizada por la malato sintasa. Glioxilato + Acetil-CoA + H2O
Malato + CoA
El malato es trans'ormado por la malato des"idro&enasa para reponer la molécula de oxalacetato con que comenzó el ciclo. El succinato se conierte así en el producto del ciclo, esta molécula puede salir del &lioxisoma y en la matriz mitocondrial utilizar las enzimas que catalizan los F (ltimos pasos del Ciclo de Krebs para trans'ormarse en oxalacetato. Esta molécula de oxalacetato est# disponible para participar de la &luconeo&énesis. 0e esta manera, dos moléculas de acetil-Co permiten la síntesis de un precursor de los &l(cidos.
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) -)
-)
%
)-
=0
Co
cetyl Co
) )xalo acetat o
=0+ )
)
)
)
))
)+
/alato
-)
Citrato
C:C@) 0E >@:)J:@T)
)-
)
) )-
)+
) Co % cetyl Co
) >lioxilato
:socitrato
) )
)
)-
-)
) )-
)+
)) -)
)) %uccinato
5i&. 6-F. Ciclo del &lioxilato. El Ciclo de >lioxilato, a di'erencia del Ciclo de Krebs, cumple una sóla 'unción y por lo tanto tiene sólo una modalidad de 'uncionamiento. Este ciclo es el que permite a los or&anismos que lo poseen sintetizar &l(cidos a partir de acetil-Co !5i&. 9-7$. l 'inalizar el ciclo se obsera que los &rupos acetilos de dos moléculas de acetilCo "an sido utilizados para producir una molécula de succinato, se&(n la si&uiente ecuación? 2 Ac-CoA + NAD+ + 2 H2O
Succinato + NADH+ 2 CoA + H+
En los &lioxisomas, adem#s del Ciclo de >lioxilato, est#n presentes las enzimas que permiten llear a cabo la 2-oxidación de los #cidos &rasos. sí, la de&radación de los #cidos &rasos utilizados para la producción de ener&ía se realiza en la matriz mitocondrial, y en los &lioxisomas, se catabolizan las cadenas que ser#n destinadas a la biosíntesis !5i&. 6-7$.
34<
)@E)%)/ @ipasas
Ácidos &rasos Co
triacil&liceroles
=0+
cil-Co
)xaloacetato
=0 cetyl Co
/alato
b-oxidación
C:C@) 0E >@:)J:@T)
50
=0+ =0
>lioxilato
50+*
Citrat o
:socitra to
%uccinato
>@:)J:%)/ 5os'oeolpiruato 01
C)*
)xalacetato
T1 /alato
=0+ 5ructosa-61
=0
/alato
5umarato
%uccinato
/:T)C)=0A:
%acarosa
5i&. 6-7. Conersión de &rasas en az(cares durante la &erminación de semillas olea&inosas.
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