Ciclo del acido cítrico (Ciclo de Krebs) (página 2)

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Generalidades del
ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs, es la ruta central común para
la degradación de los restos acetilo (de 2 átomos
de C) que derivan de los glúcidos, ácidos
grasos y aminoácidos. Es una ruta universal, catalizada
por un sistema
multienzimático que acepta los grupos acetilo
del acetil-CoA como combustible, degradándolo hasta
CO2 y átomos de Hidrógeno, que son conducidos hasta el
O2 que se reduce para formar H2O (en
la cadena de transporte de
electrones).

La oxidación del piruvato a Ac-CoA es catalizada
por el complejo multienzimático de la piruvato
deshidrogenasa (PDH), el proceso que es
muy complicado, se resume en:

Piruvato + NAD+ + CoA  Ac-CoA + NADH
+ H+ + CO2
G°´=
– 8.0kcal/mol

Esta reacción irreversible en tejidos animales, no
forma parte del ciclo de Krebs, pero constituye un paso
obligatorio para la incorporación de los glúcidos
al ciclo.

El trabajo
acoplado del ciclo del ácido cítrico y la cadena de
transporte de electrones es la mayor fuente de energía
metabólica.

El metabolismo
aerobio del piruvato por el ciclo del ácido cítrico
y la cadena de transporte de electrones produce mucha mas
energía que la simple conversión aerobia del
piruvato a lactato o etanol. En condiciones aerobicas, el
piruvato sufre una descarboxilacion oxidativa con la
formación de AcCoA. El grupo acetilo
del AcCoA es transferido al oxaloacetato para dar
citrato.

En reacciones subsecuentes, dos de los
átomos de Carbono del
citrato se oxidan a CO2 y el oxaloacetato es
regenerado. La reacción neta de ciclo del ácido
cítrico también produce tres moléculas de
NADH, una de FADH2 y una molécula del
compuesto trifosfato de guanosina (GTP) altamente
energético (en algunos organismos es directamente ATP) por
cada molécula de AcCoA oxidada.

AcCoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi +
H2O "CoASH + 3NADH + FADH2 + GTP +
2CO2 + 3H+

Las moléculas de NADH y FADH2 son oxidadas
en la cadena de transporte de electrones con la formación
de ATP en la fosforilación oxidativa. El ATP puede ser
producido a partir del GTP vía una fosforilación a
nivel de sustrato, que es la transferencia de un grupo fosforilo
de un compuesto rico en energía como el GTP, al
ADP.

La conversión anaeróbica de glucosa a
lactato por la glucólisis ocurre con un cambio en la
energía libre estándar de – 30 kcal
mol-1

D-glucosa
+      2Pi
+      2ADP



2lactato   +
2ATP
+      2H2O

La oxidación completa de la glucosa a bioxido de
Carbono y agua por la
glucólisis, el ciclo del ácido cítrico y la
cadena de transporte de electrones ocurre con un cambio en la
energía libre estándar de – 686 kcal
mol-1, un cambio de más de 20 veces:

C6H12O6 +
6O2  6CO2 + 6H2O
G°´=
– 686kcalmol.

Alrededor del 40 % de la energía liberada por la
oxidación de los alimentos es
conservada en forma de ATP. Aproximadamente tres
moléculas de ATP son producidas por cada
molécula de NADH oxidada a NAD+ y
aproximadamente dos moléculas de ATP son producidas
por cada molécula de FADH2 oxidada a FAD por la
cadena de transporte de electrones. Un máximo de 38
moléculas de ATP pueden ser producidas por la
oxidación completa de la glucosa.

Las reacciones del
ácido cítrico

Formación del
acido cítrico

La enzima citrato sintasa fue descrita por Severo Ochoa
quien la denominó como enzima condensante, pues lleva a
cabo una condensación aldólica entre el metilo del
Ac-CoA y el carbonilo del oxaloacetato, en la reacción se
hidroliza el tioéster y se forma el CoA-SH (succinil-CoA).
Esta enzima también cataliza la formación del
monofluorocitrato a partir de monofluoro-Ac-CoA. Esta
reacción es letal, pues el fluoroacetato no es
tóxico, pero el fluorocitrato es inhibidor de la
aconitasa, siguiente enzima del ciclo. La citrato sintasa en
inhibida por succinil-CoA, ATP, NADPH, ésteres de CoA y
ácidos grasos de cadena larga (18C), no se sabe si esto
último tiene significado biológico.

La reacción de la citrato sintasa se divide en
tres pasos, los dos primeros son concertados: 1.-
formación del anión tioenolato; 2.-
formación del S-citril-CoA (una molécula quiral)
y 3.- formación de citrato y liberación de
CoASH.

Formación del Isocitrato

La aconitasa cataliza la interconversión entre
estos isómeros. La enzima contiene Fe(II) y necesita un
tiol como cisteína o glutatión (Glu-Cys-Gly) para
efectuar la reacción. Cataliza la adición
reversible de H2O al doble enlace del ácido
cis-aconítico, el H y el OH del agua siempre se acoplan en
posición trans entre ellos a través de la
formación del intermediario
cis-aconitato.

Formación del
α-cetoglutarato

Es una descarboxilación oxidativa del isocitrato
para formar a-ceto(oxo)glutarato y la generación de la
primera molécula de CO2 y NADH del ciclo. La
enzima que cataliza la reacción es la isocitrato
deshidrogenasa, que existe en dos isoformas, una dependiente de
NAD+ que sólo se encuentra en mitocondria y
otra dependiente de NADP+ que también
está en citoplasma.

La enzima dependiente de NAD+ es el
catalizador principal de la vía, necesita ADP como
modulador positivo, así como Mg2+. Es un
homooctámero de 380,000 que es inhibido por NADH y ATP. La
isocitrato deshidrogenasa dependiente de NADP+ no es
alostérica.

Formación de
succinil-CoA

En animales, es una oxidación irreversible del
-ceto(oxo)glutarato, proceso catalizado por el complejo
de la -ceto(oxo)glutarato deshidrogenasa que consiste en
la descarboxilación oxidativa de un cetoácido
(-ceto(oxo)glutarato), liberando el segundo
CO2 y NADH del ciclo del ácido cítrico.
El proceso en general recuerda la reacción catalizada por
el complejo multienzimático de la ; en este caso las
enzimas que
forman el complejo son: -cetoglutarato deshidrogenasa
(E1), dihidrolipoil transsuccinolasa (E2) y
dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). La reacción
es análoga a la oxidación del piruvato a Ac-CoA y
se produce por el mismo mecanismo, participan como coenzimas: PPi
de
tiamina, ácido
lipóico, CoA, FAD+, y
NAD+.

Formación de
Succinato

Es una disociación del succinil-CoA, la CoA no se
pierde por simple hidrólisis, sino en una reacción
de conservación de la energía con el difosfato de
guanosina y fósforo inorgánico.

La enzima es la succinil-CoA sintetasa (también
llamada succinato tiocinasa), que sintetiza un enlace de alta
energía en el GTP. Se ha encontrado que el mecanismo se
lleva por la fosforilación de la enzima en una histidina,
el mecanismo de reacción consiste de tres eventos:

1.- Succinil-CoA + Pi + Enzima (E)  E-Succinil-P
+ CoA

2.- E-succinil-P  E-P + succinato

3.- E-P + GDP  E + GTP.

El GTP cede su –P al ADP para formar ATP
reacción catalizada por la nucleósido difosfato
cinasa, esta es una fosforilación a nivel de sustrato como
la que cataliza la
piruvato cinasa en la
glucólisis.

Formación del Fumarato

La oxidación del succinato es catalizada por la
succinato deshidrogenasa, flavoproteína que contiene FAD
unido covalentemente.

FAD-ribitol-P-P-ribosa

I
      I

Flavina Adenina

Esta enzima está unida a la membrana interna
mitocondrial, el FAD actúa como un aceptor de
hidrógenos en la reacción.

Esta enzima es una ferrosulfoproteína de 100,000
kDa, que contiene un FAD, 8 átomos de Fe y 8
de azufre; es un heterodímero. En la subunidad mayor
(70,000 kDa), se encuentra el FAD, 4Fe y 4S; la otra subunidad es
de 30,000 Da. La succinato deshidrogenasa es activada por
succinato, fósforo inorgánico, ATP, y coenzima Q
(CoQ) reducida. Por otra parte, es inhibida por oxaloacetato, su
actividad es mucho mayor que las demás enzimas del ciclo y
que las de la cadena respiratoria.

Formación del Malato

La hidratación reversible del fumarato a L-malato
es catalizada por la fumarasa, que es una enzima
hidratasa.

La fumarasa tiene un peso molecular de 200,000 kDa, es
un homotetrámero activo (sus monómero son inactivos
cuando se separan). Esta enzima es Inhibida por ATP, y es
estereoespecífica para su substrato.

Formación del
oxaloacetato

Es la última reacción del ciclo. La malato
deshidrogenasa NAD+ dependiente cataliza la
oxidación del L-malato a oxaloacetato. Es una enzima
estereoespecífica, se encuentran 2 isoformas en animales,
una mitocondrial y otra citoplásmica.

Regulación

Muchas de las enzimas del ciclo de Krebs son reguladas
por retroalimentación negativa, por
unión
alostérica del ATP, que es un
producto de la
vía y un indicador del nivel energético de la célula.
Entre estas enzimas se incluye el complejo de la
piruvato deshidrogenasa que sintetiza el
acetil-CoA necesario para la primera reacción del ciclo a
partir de piruvato, procedente de la glucolisis o del catabolismo
de aminoácidos. También las enzimas citrato
sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato
deshidrogenasa, que catalizan las tres primeras reacciones del
ciclo de Krebs, son inhibidas por altas concentraciones de ATP.
Esta regulación frena este ciclo degradativo cuando el
nivel energético de la célula es
bueno.

Algunas enzimas son también reguladas
negativamente cuando el nivel de poder reductor
de la célula es elevado. El mecanismo de esta
inhibición es una inhibición competitiva por
producto (por NADH) de las enzimas que emplean NAD+ como
sustrato. Así se regulan, entre otros, los complejos
piruvato deshidrogenasa y citrato sintasa. FWTFGRF.

Principales
vías que convergen en el ciclo de Krebs

La mayoría de las vías catabólicas
convergen en el ciclo de Krebs, como muestra el
diagrama. Las
reacciones que forman intermediarios del ciclo se conocen
como
reacciones
anapleróticas.

El ciclo de Krebs contituye la segunda etapa del

catabolismo de carbohidratos. La
glucolisis
rompe la glucosa (6 carbonos) generando dos
moléculas de piruvato (3 carbonos). En eucariotas el
piruvato se desplaza al interior de la mitocondria
(gracias a un transportador específico de membrana
interna). En la matriz
mitocondrial produce acetil-CoA que entra en el ciclo de
Krebs.

En el
catabolismo de proteínas, los
enlaces peptídicos de las proteínas
son degradados por acción
de enzimas
proteasas
en el
tracto digestivo liberando sus
constituyentes aminoacídicos. Estos
aminoácidos penetran en las células,
donde pueden ser empleados para la síntesis
de proteínas o ser degradados para producir energía
en el ciclo de Krebs. Para su entrada al ciclo deben eliminarse
sus grupos amino
(terminales y laterales) por acción de
enzimas
aminotransferasas y
desaminasas, principalmente.

En el
catabolismo de grasas, los
triglicéridos son
hidrolizados liberando
ácidos grasos y glicerol.
En el hígado el glicerol puede ser convertido en glucosa
vía dihidroxiacetona fosfato y
gliceraldehído-3-fosfato, por la
gluconeogénesis (ruta
anabólica).
En muy diversos tejidos, especialmente en músculo
cardiaco, los ácidos grasos son
degradados en la matriz mitocondrial mediante sucesivos ciclos
de
beta oxidación que liberan unidades
de acetil-CoA, que pueden incorporarse al ciclo de Krebs. En
ocasiones, el ciclo de Krebs puede rendir propionil-CoA (3
carbonos), que puede emplearse para la síntesis de glucosa
en la gluconeogénesis hepática.

El ciclo de Krebs siempre es seguido por la

fosforilación oxidativa. Este
proceso extrae la energía en forma de electrones de alto
potencial de las moléculas de NADH y FADH2,
regenerando NAD+ and FAD, gracias a lo cual el ciclo
de Krebs puede continuar. Los electrones son transferidos a
moléculas de O2, rindiendo H2O. Pero
esta transferencia se realiza a través de una

cadena transportadora de electrones capaz
de aprovechar la energía potencial de los electrones para
bombear protones al espacio intermembrana de la mitocondria. Esto
genera un gradiente electroquímico de H+, que
es utilizado para la síntesis de ATP mediante la
enzima
ATP sintetasa De este modo el ciclo de
Krebs no utiliza directamente O2, pero lo requiere al
estar acoplado a la fosforilación oxidativa.

Por cada molécula de glucosa la energía
obtenida mediante el metabolismo oxidativo, es decir,
glucolisis
seguida del ciclo de Krebs, equivale a unas 36
moléculas de ATP.