Ciclo de Krebs I.
Introducción El ciclo de Krebs (conocido (conocido también también como ciclo de los ácidos tricarboxílic tricarboxílicos os o ciclo del ácido cítrico) es un ciclo metabólico de importancia fundamental en todas las células que utilizan oxígeno durante el proceso de respiración celular. En estos organismos aeró aeróbi bico cos, s, el cicl ciclo o de Kreb Krebs s es el anill anillo o de conj conjun unci ción ón de las las ruta rutas s meta metabó bólic licas as responsables de la degradación y desasimilación de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en anhídrido carbónico y agua, con la formación de energía química. El ciclo de Krebs es una ruta metabólica anfibólica, ya que participa tanto en procesos catabó catabólic licos os como como anaból anabólico icos. s. Este Este ciclo ciclo propor proporcio ciona na muchos muchos precur precurso sores res para para la producción de algunos aminoácidos, como por ejemplo el cetoglutarato y el oxalacetato, así como otras moléculas fundamentales para la célula. El ciclo toma su nombre en honor del científico anglo-alemán Hans Adolf Krebs, que propuso en 1937 los elementos clave de la ruta metabólica. Por este descubrimiento recibió en 1953 el Premio Nobel de Medicina.
II .
Marco te teórico El meta metabo bolis lismo mo comp compre rend nde e una una seri serie e de tran transf sfor orma maci cion ones es quím químic icas as y proc proces esos os ener energé géti tico cos s que que ocur ocurre ren n en el ser vivo vivo.. Para Para que que suce suceda dan n cada cada una una de esas esas transf transform ormaci acione ones s se necesi necesita tan n enzima enzimas s que origin originen en sustan sustancia cias s que sean sean a su vez productos de otras reacciones. El conjunto de reacciones químicas y enzimáticas se denomina ruta o vía metabólica. El metabolismo se divide en:
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III.
El catabolismo es el metabolismo de degradación de sustancias con liberación de energía. El anabolismo es el metabolismo de construcción de sustancias complejas con necesidad de energía en el proceso. En las rutas metabólicas se necesitan numerosas y específicas moléculas que van conformando los pasos y productos intermedios de las rutas. Pero, además, son necesarios varios tipos de moléculas indispensables para su desarrollo final: metabolitos (moléculas que ingresan en la ruta para su degradación o para participar en la síntesis de otras sustancias más complejas), nucleótidos (moléculas que permiten la oxidación y reducción de los metabolitos), moléculas energéticas (ATP y GTP o la Coenzima A que, al almacenar o desprender fosfato de sus moléculas, liberan o almacenan energía), moléculas ambientales (oxígeno, agua, dióxido de carbono, etc. que se encuentran al comienzo o final de algún proceso metabólico).
Visión general del Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs ocurre en las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas. El catabolismo glucídico y lipídico (a través de la glucolisis y la beta oxidación), produce acetil-CoA, un grupo acetilo enlazado al coenzima A. El acetil-CoA constituye el principal sustrato del ciclo. Su entrada consiste en una condensación con oxalacetato, al generar citrato. Al término del ciclo mismo, los dos átomos de carbono introducidos por el acetilCoA serán oxidados en dos moléculas de CO2, regenerando de nuevo oxalacetato capaz de condensar con acetil-CoA. La producción relevante desde el punto de vista energético, sin embargo, se produce a partir de una molécula de GTP (utilizada inmediatamente para regenerar una molécula de ATP), de tres moléculas de NADH y una de FADH2. Los cofactores reducidos, NADH y FADH2, se comportan como intermediarios óxido/reductores. Cuando están reducidos, son capaces de transportar electrones a energía relativamente alta (por ejemplo sustraída a los sustratos oxidados en la glucolisis o en el mismo ciclo de Krebs), hasta la cadena respiratoria mitocondrial. Cerca de tal cadena se reoxidan a NAD+ y a FAD, y ceden los electrones a la cadena misma, que será así capaz de regenerar moléculas de ADP y ATP. La reacción neta es la siguiente:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi => CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2 La energía que se saca de la ruptura completa de una molécula de glucosa pasa los tres estadios de la respiración celular (glucolisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones), es idealmente de 36 moléculas de ATP. En realidad son 38 las moléculas netas de ATP que se producen, pero dos de ellas se consumen para transportar
(mediante transporte activo), desde el citoplasma a la matriz mitocondrial, las dos moléculas de NADH + H+ producidas en la glucolisis.
IV.
REACCIONES DEL CICLO DE KREBS El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial en eucariota El acetil-CoA (Acetil Coenzima A) es el principal precursor del ciclo. El ácido cítrico (6 carbonos) o citrato se regenera en cada ciclo por condensación de un acetil-CoA (2 carbonos) con una molécula de oxaloacetato (4 carbonos). El citrato produce en cada ciclo una molécula de oxaloacetato y dos CO2, por lo que el balance neto del ciclo es: •
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V.
Los dos carbonos del Acetil-CoA son oxidados a CO2, y la energía que estaba acumulada es liberada en forma de energía química: GTP y poder reductor (electrones de alto potencial): NADH y FADH2. NADH y FADH2 son coenzimas (moléculas que se unen a enzimas) capaces de acumular la energía en forma de poder reductor para su conversión en energía química en la fosforilación oxidativa. El FADH2 de la succinato deshidrogenasa, al no poder desprenderse de la enzima, debe oxidarse nuevamente in situ. El FADH2 cede sus dos hidrógenos a la ubiquinona (coenzima Q), que se reduce a ubiquinol (QH2) y abandona la enzima.
Etapas del ciclo de Krebs 1) Reacción 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato) El sitio activo de la enzima, activa el acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxalacetato. Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA) se hidroliza, formando así la molécula de citrato. La reacción es sumamente exoergónica (ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este paso es irreversible. El citrato producido por la enzima, además, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la enzima. Incluso estando la reacción muy favorecida (porque es exoergónica), la citrato sintasa puede ser perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biológica, puesto que permite una completa regulación del ciclo de Krebs completo, convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.
2) Reacción 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato) La aconitasa cataliza la isomerización del citrato a isocitrato, por la formación de cisaconitato. La enzima cataliza también la reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a causa de la
ley de acción de masa: las concentraciones (en condiciones estándar) de citrato (91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de isocitrato (6%), empujan decididamente la reacción hacia la producción de isocitrato.
En el sitio activo de la enzima está presente un clúster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de aminoácidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unión al sustrato se asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de aspartato, que permiten sólo la unión estereospecifica del citrato 1R,2S, rechazando la forma opuesta.
Reacción 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato)
La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molécula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un ión bivalente, que forma un complejo con los oxígenos del grupo carboxilo en posición alfa, aumenta la electronegatividad de esa región molecular. Esto genera una reorganización de los electrones en la molécula, con la consiguiente rotura de la unión entre el carbono en posición gamma y el grupo carboxilo adyacente. De este modo se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de α-cetoglutarato, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.
Reacción 4: α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA)
Después de la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa, que lleva a la formación de succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del α-chetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α-cetoácido.
Ambas reacciones incluyen la descarboxilación de un α-cetoácido y la consiguiente producción de una unión tioéster a alta energía con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales reacciones son parecidos entre ellos.
La α-cetoglutarato deshidrogenasa (o, más correctamente, oxoglutarato deshidrogenasa), está compuesta de tres enzimas diferentes: * Subunidad E1: las dos cetoglutarato deshidrogenasas. * Subunidad E2: la transuccinilasa. (La subunidad E1 y E2 presentan una gran homología con las de la piruvato deshidrogenasa.) * Subunidad E3: la dihidrolipoamida deshidrogenasa, que es el mismo polipéptido presente en el otro complejo enzimático.
Reacción 5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato)
El succinil-CoA es un tioéster a alta energía (su ΔG°′ de hidrólisis está en unos -33.5 kJ mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5 kJ mol-1). La citrato sintasa se sirve de un intermediario con tal unión a alta energía para llevar a cabo la fusión entre una molécula con dos átomos de carbono (acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato). La enzima succinil-CoA sintetasa se sirve de tal energía para fosforilar un nucleósido difosfato purinico como el GDP.
La energía procedente del tioéster viene convertida en energía ligada a una unión fosfato. El primer paso de la reacción genera un nuevo intermediario a alta energía, conocido como succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio catalítico remueve el fosfato de la molécula glucídica, generando el producto succinato y una molécula de
fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nucleósido difosfato, recargándolo a trifosfato. Se trata del único paso del ciclo de Krebs en el que se produce una fosforilación a nivel de sustrato.
El GTP está implicado principalmente en las rutas de transducción de señales, pero su papel en un proceso energético como el ciclo de Krebs es, en cambio, esencialmente trasladar grupos fosfato hacia el ATP, en una reacción catalizada por la enzima nucleósido difosfoquinasa.
Reacción 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato)
La parte final del ciclo consiste en la reorganización de moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración del oxalacetato. Para que eso sea posible, el grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos, además de regenerar oxalacetato, permiten la extracción ulterior de energía mediante la formación de FADH2 y NADH.
La primera reacción de oxidación es catalizada por el complejo enzimático de la succinato deshidrogenasa, la única enzima del ciclo que tiene como aceptor de hidrógeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD es enlazado de modo covalente a la enzima por un residuo de histidina. La enzima se vale del FAD ya que la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir el NAD+.
El complejo enzimático también es el único del ciclo que pasa dentro de la membrana mitocondrial. Tal posición se debe a la implicación de la enzima en la cadena de transporte de los electrones. Los electrones pasados sobre el FAD se introducen directamente en la cadena gracias a la unión estable entre la enzima y el cofactor mismo.
Reacción 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato)
La fumarasa cataliza la adición en trans de un protón y un grupo OH- procedentes de una molécula de agua. La hidratación del fumarato produce L-malato.
Reacción 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)
La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno, produciendo NADH.
La energía libre de Gibbs asociada con esta última reacción es decididamente positiva, a diferencia de las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de oxalacetato por parte de la citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de transporte de electrones.
Regulación del Ciclo de Krebs
La velocidad del ciclo de Krebs viene continuamente modulada para cumplir con las necesidades energéticas exactas de la célula. Los sitios primarios de control son las enzimas alostéricas: la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa.
La isocitrato deshidrogenasa es estimulada alostéricamente por la presencia de ADP, que aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato. Las uniones de isocitrato, de NAD+, de
Mg2+, y de ADP, a la enzima son mutuamente cooperativas en sentido activador. Por contra, el NADH inhibe la enzima por el desplazamiento directo de NAD+. El mismo ATP tiene efecto inhibitorio.
El segundo sitio del control del ciclo de Krebs está cerca de la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Algunos aspectos del control de esta enzima son parecidos a los del complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, como puede esperarse dada la extrema homología entre las dos enzimas. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por el succinil-CoA y el NADH, es decir, los productos de la reacción que cataliza. La α-cetoglutarato deshidrogenasa puede ser también inhibida genéricamente por un alto nivel energético presente en la célula. Esto significa que, en presencia de altos niveles de ATP, la célula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de producción de energía.
En muchas bacterias, también se controla la entrada en el ciclo de las moléculas con dos átomos de carbono. En ellos, la síntesis de citrato, oxalacetato y acetil-CoA es la sede de una importante regulación. EL ATP, en efecto, es un inhibidor alostérico de la citrato sintasa. El efecto concreto del ATP es aumentar la KM de la enzima por el acetil CoA. De este modo, cuanto más ATP está presente en la célula menos Acetil-CoA se introduce en el ciclo.
Interacciones entre el ciclo de Krebs y otras rutas metabólicas
El ciclo de Krebs ocupa una posición central en el metabolismo de los seres vivos, revistiendo sobre todo un papel clave en las rutas catabólicas.
Catabolismo de los carbohidratos
El ciclo de Krebs es la segunda etapa del catabolismo de los carbohidratos. La glucolisis degrada la glucosa (y otras moléculas de seis átomos de carbono) en piruvato y un α-cetoácido que contiene tres átomos de carbono. En los eucariotas, el piruvato se traslada del citoplasma (sede de la glucolisis) a las mitocondrias, donde pierde un átomo de carbono y se convierte en acetil-CoA mediante la piruvato desihdrogenasa. En el interior de la mitocondria, el acetil-CoA puede entrar en el ciclo de Krebs, como se describió anteriormente.
Catabolismo de las proteínas
En lo que concierne a las proteínas, son degradadas mediante mecanismos de proteolisis por enzimas proteasas, que las trocean en sus constituyentes fundamentales: los aminoácidos. Algunos aminoácidos pueden constituir una fuente de energía, ya que son convertibles en intermediarios del ciclo mismo, por ejemplo el aspartato, la valina y la isoleucina. Otros, convertibles en moléculas glucídicas, pueden entrar en el ciclo pasando por las rutas catabólicas típicas de los glúcidos, por ejemplo la alanina, convertible en piruvato.
Catabolismo de los lípidos
En el catabolismo de los lípidos, l os triglicéridos son hidrolizados por enzimas lipasas para formar ácidos grasos y glicerol. En los organismos superiores, el glicerol puede entrar en la glucolisis a nivel hepático o ser transformado en glucosa a través de la hidroxiacetona fosfato y el gliceraldehído-3-fosfato, siguiendo la ruta metabólica de la gluconeogénesis. En muchos tejidos, especialmente en el corazón, los ácidos grasos son degradados mediante un proceso conocido como beta-oxidación, que produce acetil-CoA, reingresado a su vuelta en el ciclo de Krebs. La beta-oxidación también puede generar propionil-CoA, que puede ser reingresado en la vía gluconeogénica hepática al generar glucosa.
Cadena de transporte de electrones
El ciclo de Krebs siempre es seguido por una fosforilación oxidativa, una cadena de transporte de electrones. Una no tendría sentido sin la otra en cuanto que el ATP y el GTP producidos por el ciclo es escaso y la producción de NADH y FADH2 llevaría a un entorno mitocondrial excesivamente reducido, mientras que la cadena respiratoria por sí sola necesitaría una fuente de cofactores reducida para la oxidación del entorno. Esta respiración celular extrae energía del NADH y FADH2, recreando NAD+ y FAD y permitiendo de tal modo que el ciclo continue. El ciclo de Krebs no usa oxígeno, que es utilizado en cambio en la fosforilación oxidativa.
Reacciones en las que intervienen los intermediarios del ciclo
Los intermediarios del ciclo de Krebs están implicados en numerosas rutas metabólicas. A continuación se enumeran de forma resumida las rutas en las que están implicados los metabolitos del ciclo: * Acetil CoA: beta oxidación; biosíntesis de los ácidos grasos; degradación de la lisina; degradación de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina.
* α-cetoglutarato: biosíntesis de la lisina; metabolismo del ácido ascórbico; metabolismo del glutamato. * Succinil CoA: metabolismo del propanato; degradación de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina. * Succinato: metabolismo del butanato; metabolismo de la tirosina. * Fumarato: ciclo de la urea; metabolismo de la arginina y la prolina; metabolismo de la tirosina. * Oxalacetato: metabolismo del glioxilato; metabolismo del glutamato y el aspartato; gluconeogénesis.
Un balance posible de la degradación total de la glucosa
Para calcular la energia que se obtiene de la glucosa se pueden establecer cuatro instancias en su degradacion: glucolisis, decarboxilacion oxidativa del piruvato, ciclo de Krebs y cadena respiratoria. La cantidad de ATP generado difiere segun las lanzaderas implicadas y el tipo de celula (procariota o eucariota). En el cuadro 1 se plantea un balance en una celula eucariota, en la que opero solo la lanzadera del glicerol fosfato.
Conclusiones La última fuente de energía de la que el metabolismo hace uso son las reservas de grasa. 2-Mientras haya reservas de glucógeno será ésta y no otra la fuente de energía utilizada. 3-Los alimentos con índice glucémico alto provocan un rápido incremento de presencia glucémica en sangre. 4-El metabolismo advertido de la presencia de combustible rápido, deja relegada a un segundo plano la movilización de las reservas de grasa (lipólisis). 5-Por lo que para fomentar la lipólisis se recurre a dietas con una reducida, pero correcta presencia de glúcidos. Se pretende mantener los azúcares a niveles un tanto reducidos, con objeto de que el metabolismo basal eche mano de las indeseadas grasas corporales.
Bibliografía
Bioquimica, Mathews y van Holde, Editorial McGraw Hill – Interamericana, 1999. Links – Videos http://www.youtube.com/watch?v=aCypoN3X7KQ&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=3W0sskfORjU&feature=related http://www.youtube.com/watch?v=iXmw3fR8fh0
