Fundación H.A. Barceló Facultad de Medicina. Licenciatura en Nutrición Bioquímica Primer año Módulo 14 Lección 2

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1 Fundación H.A. Barceló Facultad de Medicina Licenciatura en Nutrición Bioquímica Primer año Módulo 14 Lección 2 1 1

2 Ciclo de Krebs El ciclo de Krebs (también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo de los ácidos tricarboxílicos) es una serie de reacciones químicas que forman parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir aquellas que consumen oxígeno. Las reacciones del ciclo de Krebs son catalizadas por un sistema multienzimático localizado en la matriz mitocondrial, excepto al succinato deshidrogenada que se ubica en la membrana mitocondrial interna. Este sistema de ocho enzimas convierte una molécula de acetil-coa en dos moléculas de CO 2 al tiempo que proporcionan tres moléculas de NADH, una de FADH 2 y un nucleótido de guanosina (GTP). El NADH y el FADH 2 son reoxidados por el oxigeno en la cadena de transporte de electrones, con la síntesis concomitante de 11 moléculas de ATP. Es decir, las enzimas del ciclo están próximas a los transportadores de electrones de la cadena respiratoria, lo cual explica la estrecha relación que existe entre ambos procesos El ciclo de Krebs es la vía final de las combustiones orgánicas y permite la oxidación de restos acetilo hasta CO 2. Además, el ciclo de Krebs es una vía que proporciona precursores metabólicos para la síntesis de biomoléculas o sea, funciona en sentido anabólico y por lo tanto, se la considera una vía anfibólica. El metabolismo oxidativo de glúcidos, grasas y proteínas frecuentemente se divide en tres etapas, de las cuales el ciclo de Krebs supone la segunda. En la primera etapa los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-coa de dos carbonos, e incluye las vías catabólicas de aminoácidos, la β-oxidación de ácidos grasos y la glucólisis. La tercera etapa es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH 2 ) generado se emplea para la síntesis de ATP según la teoría del acoplamiento quimiosmótico. 1. Esquema general del ciclo de Krebs Por cada vuelta del ciclo entran dos átomos de carbono que son aportados por el grupo acetilo del acetil-coa. Este se condensa con oxalacetato, con cuatro átomos de carbono, formando una molécula de seis átomos de carbono con tres grupos carboxilo, el citrato. Ocurren 5 etapas de oxidorreducción, durante las cuales se producen dos descarboxilaciones (2CO 2 ), volviéndose a formar oxalacetato y reiniciándose el ciclo. 2

3 Los dos carbonos del acetil- CoA son oxidados a CO 2, y la energía que estaba acumulada es liberada en forma de energía química: GTP y poder reductor: NADH y FADH 2. El NADH y FADH 2 son coenzimas capaces de acumular la energía en forma de poder reductor para su conversión en energía química a través de su reoxidación en la cadena de transporte electrónico y la fosforilación oxidativa. El balance neto del ciclo: Acetil-CoA + 3NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O CoA-SH + 3NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + 2CO H + Reacciones del ciclo de Krebs Revise el archivo Reacciones del ciclo de Krebs 3

4 2. Funciones del ciclo de Krebs 1. Permite la degradación completa de restos acetilos activados (acetil-coa), incorporándolos al citrato que es más fácilmente degradado. Los carbonos eliminados como CO 2 encada vuelta no pertenecen al acetil-coa recién incorporado, sino son los del oxalacetato al cual se unió, pero en el ciclo siguiente se eliminarán los carbonos del acetilo. 2. Es la vía final para la oxidación de glúcidos, lípidos y proteínas en forma aeróbica. 3. Aporta precursores biosintéticos, por lo tanto es una vía anfibólica, de degradación y de síntesis. 4. Aporta coenzimas reducidas que cederán sus protones a la cadena respiratoria donde, por acoplamiento con la fosforilación oxidativa se generará ATP. 5. Participa en la regulación enzimática de otras vías a través de sus intermediarios metabólicos. 3. Regulación Examinemos la energética de las ocho reacciones del ciclo, aunque en este caso es muy difícil el cálculo de la G pues los metabolitos se distribuyen entre el citosol y la mitocondria y no se conoce cuánto hay en cada compartimiento. Reacción Enzima G ' G (Kcal/mol) (Kcal/mol) 1 Citrato sintasa Negativo 2 Aconitasa ~ 0 3 Isocitrato deshidrogenasa Negativo 4 α-cetoglutarato deshidrogenasa Negativo 5 Succinil-CoA sintetasa ~ 0 6 Succinato deshidrogenasa ~ 0 7 Fumarasa ~ 0 8 Malato deshidrogenasa ~ 0 Tres son las enzimas que trabajan fuera del equilibrio: citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa. Son las etapas limitantes de la velocidad del ciclo. En el ciclo de Krebs la regulación de las etapas limitantes no ocurren por elaborados procesos alostéricos sino por tres sistemas simples: 1. Disponibilidad de los sustratos: la velocidad del ciclo depende de un equilibrio entre las vías que aportan intermediarios, las vías que consumen dichos intermediarios utilizándolos en vías anabólicas. Existe un control importante a través de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa en relación al ADP 4

5 y la utilización del ATP y por lo tanto, en relación con las concentraciones de coenzimas oxidadas. Dado que el consumo de oxígeno, la reoxidación del NADH y la síntesis de ATP están estrechamente relacionados, la regulación del ciclo dependerá de los mecanismos que controlen la producción de NADH. De esta manera, el flujo metabólico del ciclo de Krebs es proporcional al consumo de oxígeno. 2. Inhibición por producto de la reacción. 3. Inhibición competitiva por ciertos intermediarios del ciclo. Los reguladores más importantes son acetil-coa, oxalacetato y NADH. Acetil-CoA y oxalacetato se encuentran a concentraciones no saturantes de la enzima citrato sintasa, por lo que la entrada del acetil-coa en el ciclo dependerá de la disponibilidad de sus sustratos. La [oxalacetato] fluctúa con la relación [NADH]/[NAD + ], de acuerdo con la ecuación: a) Regulación de la citrato sintasa Si se precisa una mayor producción de energía, se incrementa el consumo de O 2 y la [NADH] mitocondrial descenderá y se incrementará la [oxalacetato], la cual estimulará la reacción catalizada por la citrato sintasa. Altas [citrato] y [NADH] inhiben esta enzima. Succinil-CoA compite por la enzima y la inhibe. b) Regulación de la isocitrato deshidrogenasa La isocitrato deshidrogenasa es la enzima limitante de la velocidad del ciclo. La utilización del citrato se controla por la isocitrato deshidrogenasa, que es inhibida por NADH, ya que la aconitasa opera en el equilibrio. ATP y NADH son inhibidores de la enzima. El Ca 2+ es un activador. Estudios in vitro han encontrado dos efectores alostéricos de esta enzima: ADP como activador y ATP como inhibidor. c) Regulación de la α-cetoglutarato deshidrogenasa Es inhibida por NADH, ATP y succinil-coa. También en este caso Ca 2+ es un activador. d) Regulación concertada del metabolismo oxidativo aerobio La síntesis de ATP depende, principalmente, del número de moléculas de nucleótidos reducidos que sean reoxidados en la cadena de transportadores mitocondrial. Las fuentes más importantes de esos electrones son la glucólisis, el ciclo de Krebs y la oxidación de ácidos grasos. El control de la glucólisis y del ciclo de Krebs se encuentra coordinado con la demanda de fosforilación oxidativa. Es lógico pues que el control de la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico sea dependiente de la carga de adenilato, del NADH o de ambos. Esta coordinación puede verse en el efecto del citrato sobre la PFK: cuando baja la demanda energética, [ATP] se incrementa y [ADP] desciende. Como la isocitrato deshidrogenasa es activada por ADP y la α-cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por ATP, el flujo a través del ciclo se reduce. El citrato de sobra será transportado hacia el citosol, en donde inhibirá la PFK. 5

6 4. Reacciones anapleróticas Son aquellas reacciones que permiten reponer intermediarios del ciclo de Krebs para que su concentración se mantenga relativamente constante. 6