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.