CAPITUL 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 vías metabólicas (hidratos de carbono, lípidos, aminoácidos, etc). Sin embargo, las reacciones del ciclo de Krebs pueden funcionar tanto en sentido catabólico como anabólico, es decir el ciclo es anfibólico. Cuando el ciclo funciona en sentido catabólico actúa oxidando hasta C2 y H2 todos los restos de dos carbonos, en forma de Acetil-, provenientes de la degradación de las diferentes biomoléculas y conjuntamente, a través de la respiración, se produce una gran cantidad de energía. Mientras que, cuando el ciclo funciona en sentido anabólico, las reacciones del ciclo de Krebs pueden ser utilizadas para producir intermediarios para la biosíntesis de nuevas biomoléculas mediante la interrelación de los distintos metabolismos (aminoácidos, lípidos e hidratos de carbono). Descarboxilación oxidativa del piruvato El piruvato, proveniente de la glucólisis o de la degradación de algunos aminoácidos, ingresa a la mitocondria por difusión facilitada. Dentro de la mitocondria, el piruvato sufre una descarboxilación irreversible convirtiéndose en Acetil-Coa mediante la acción de un complejo enzimático llamado Piruvato Deshidrogensa. C - C= + -SH S- C= + C 2 CH 3 CH 3 Piruvato Acetil- Función Catabólica del Ciclo de Krebs El Ciclo de Krebs, en su función catabólica, posee una gran importancia ya que es el proceso final, antes de la respiración, de oxidación de los distintas biomoléculas con el fin de obtener energía cuando la célula lo requiere. El ciclo de Krebs es alimentado por Acetil- que puede provenir de la β-oxidación de los ácidos grasos, de algunos aminoácidos y de la descarboxilación del piruvato proveniente de la glucólisis. 99
AMINÁCIDS GLÚCIDS PIRUVAT ÁCIDS GRASS Acetil- Ciclo de Krebs C 2 C 2 2H + + ½ 2 H 2 CADENA RESPIRATRI FSFRILACIÓN XIDATIVA ADP + Pi ATP FADH 2 FAD Fig. 6-1 Funcion catabólica del Ciclo de Krebs Reacciones del Ciclo de Krebs 1) El ciclo comienza con la condensación de una molécula de 2 carbonos (el grupo acetilo del acetil-) con una de 4 carbonos (el oxalacetato). Esta reacción, que consta de una condensación y una posterior hidrólisis y es catalizada por la enzima Citrato Sintasa. En el primer paso se condensa el oxalacetato con el acetil- para generar citril-, que luego se hidroliza liberando la -SH y formando citrato. 2) En el próximo paso, el citrato se isomeriza a isocitrato, mediante una deshidratación que produce cis-aconitato seguida por una hidratación; el resultado es un intercambio de un H + por un H + catalizado por la enzima Aconitasa. 3) El isocitrato es decarboxilado oxidativamente por la enzima Isocitrato Deshidrogenasa, para generar α-cetoglutarato, una molécula de 5 átomos de carbono. En este paso, se produce una molécula de y una de C2. 100
4) Seguidamente se produce una segunda decarboxilación oxidativa, en la que el α- cetoglutarato se convierte en succinil-, que tiene 4 carbonos. Esta etapa es catalizada por el complejo α-cetoglutarato Deshidrogenasa y genera la formación de otra molécula de y otra de C2. 5) El succinil- es transformado en succinato gracias a la acción de la Succinil- Sintetasa, en un paso que es fácilmente reversible y que permite la producción de una molécula de GTP, equivalente energéticamente a una molécula de ATP. 6) El succinato se oxida a fumarato por acción de la enzima Succinato Deshidrogenasa, produciendo una molécula de FADH2. En este caso el aceptor de electrones es el FAD, ya que el cambio de energía libre no es suficiente para reducir. 7) En el paso siguiente el fumarato se hidrata para sintetizar malato, mediante la enzima Fumarasa. 8) Debido a la naturaleza cíclica de la vía, en la última reacción el malato se oxida para regenerar oxalacetato, en una reacción catalizada por la enzima Deshidrogenasa que utiliza el y facilita la síntesis de una molécula de. Balance general del ciclo durante su función catabólica Al finalizar el ciclo se observa que el grupo acetilo de una molécula de Acetil- ha sido utilizado para producir energía, coenzimas reducidas y C2, según la siguiente ecuación: Sin embargo, los estudios realizados con 14 C mostraron que las moléculas de C2 se forman a partir de carbonos provenientes del oxalacetato y no del acetil- (Fig.6 2). 101
- - S - - xaloacetato Acetyl - H Citrato - H - - - Fumarato CICL DE KREBS Isocitrato - NAD+ H - - FADH 2 FAD C 2 Succinato -cetoglutarato - - GTP Succinil- C 2 NAD+ - - - S Fig. 6-2. Ciclo de Krebs. Función Anabólica del Ciclo de Krebs El ciclo es una fuente de precursores biosintéticos. Sus metabolitos son importantes intermediarios biosintéticos de otros muchos componentes celulares: lípidos, glúcidos, aminoácidos y bases nitrogenadas: Citrato --------------------------> Ac. grasos y esteroles. α-cetoglutarato ----> GLU ----> Aminoácidos (GLU, GLN, PR, ARG) y bases púricas. Succinil- -------------------> Porfirinas y grupos hemo. xalacetato ------> PEP ------> glucosa y Aminoácidos (SER, GLY, CYS, PHE, TYR, TRP) xalacetato --------------------> Aminoácidos (ASP, ASN) En su modalidad de funcionamiento como productor de intermediarios para la biosíntesis, el Ciclo de Krebs debe funcionar de manera tal que el ciclo no se cumpla totalmente; ya que cuando ingresa una molécula de acetil- que se condensa con una de oxalacetato y se producen las reacciones que permiten la producción de coenzimas reducidas, energía y C2 y la reposición de la molécula de oxalacetato, no se obtiene ningún intermediario. Debe destacarse que se comienza con una molécula de oxalacetato y finaliza con una molécula de oxalacetato, que no se podrá utilizar como intermediario de otro metabolismo. 102
Para producir intermediarios para la biosíntesis (función anabólica), el ciclo se debe alimentar mediante una VÍA ANAPLERÓTICA (sintetizar un intermediario del ciclo con la finalidad de utilizar otro intermediario para una biosíntesis) y debe funcionar parcialmente, ya sea porque el ciclo comienza con algún intermediario o porque se inicia con acetil- y una molécula nueva de oxalcetato. Las dos maneras se pueden ejemplificar como sigue: Se obtiene oxalacetato a partir de metabolitos tales como α-ceto glutarato, succinato o malato y por lo tanto puede destinarse a un proceso anabólico (por ejemplo la gluconeogénesis). Se obtiene un intermediario, como puede ser el α-ceto glutarato, a partir de una molécula de isocitrato que se obtuvo desde una de citrato. Esta molécula de citrato debe ser producida por la condensación de 1 molécula de acetil- y 1 de oxalacetato que provengan de piruvato. Es decir que las dos moléculas deben ingresar al ciclo metabólico sin utilizar las moléculas de oxalacetato que están en la matriz mitocondrial, ya que como no se cierra el ciclo el oxalacetato no se repondrá. Los intermediarios del ciclo de Krebs deberán ser repuestos, cuando alguno de ellos haya sido utilizado para la biosíntesis de otros compuestos, y así el ciclo podrá continuar. De ello se encargan las reacciones anapleróticas, que reponen los intermediarios del ciclo del ácido cítrico mediante las siguientes reacciones: Reacciones de transaminación de aminoácidos que conectan con el ciclo: Es obvio que el Ciclo de Krebs funciona permanentemente realizando tanto la producción de energía como la generación de intermediarios de la biosíntesis y que las moléculas de oxalacetato no están identificadas entre las que pertenecen a la matriz mitocondrial y las que acaban de originarse desde el piruvato. Sin embargo el análisis estequiométrico que se realiza permite estudiar las distintas posibilidades metabólicas y, fundamentalmente, las imposibilidades metabólicas. Entre las imposibilidades metabólicas más importantes se tiene el caso de la síntesis de glúcidos a partir de ácidos grasos. El principal producto de la degradación de los ácidos grasos en la mitocondria es acetil-, que si se condensa con oxalacetato de la matriz mitocondrial puede producir citrato, que irá reaccionando secuencialmente con las demás enzimas del Ciclo de Krebs hasta reponer oxalacetato. Pero si esta molécula de 103
oxalacetato es utilizada para la síntesis de glúcidos, se consumirían las moléculas de oxalacetato imprescindibles para el comienzo del Ciclo de Krebs. Ciclo de glioxilato Las semillas en estado de germinación sintetizan todas las moléculas que necesitan (lípidos, glúcidos, proteínas, ácidos nucleicos) a partir de las sustancias de reserva. Las farináceas acumulan su reserva como almidón, a partir del que pueden obtener piruvato, acetil-, oxalacetato y todos los restantes intermediarios de la síntesis de todas las biomoléculas. En cambio, en las semillas de oleaginosas, la reserva más importante se acumula como lípidos, por lo que se deben proveer de todas sus moléculas, incluidas las de glúcidos, a partir de ácidos grasos. Estos organismos tienen una organela denominada glioxisoma, en la que se desarrolla un metabolismo que les permite producir intermediarios de la gluconeogénesis a partir de acetil-. Este metabolismo, llamado Ciclo de Gioxilato, comienza de la misma manera que el Ciclo de Krebs, pero evita las dos etapas en las que se producen descarboxilaciones y consume dos moléculas de acetil- por vuelta (Fig. 9-3). El primer paso del Ciclo de Glioxilato es la condensación de una molécula de acetil- con una molécula de oxalacetato para formar citrato que se isomeriza a isocitrato. Las dos reacciones son catalizadas por las mismas enzimas que en el Ciclo de Krebs: citrato sintasa y aconitasa. El isocitrato en lugar de decarboxilarse a α-ceto glutarato, es escindido, por acción de la isocitrato liasa, en glioxilato y succinato. Isocitrato Succinato + Glioxilato El glioxilato es condensado con una segunda molécula de acetil- para dar malato, en una reacción catalizada por la malato sintasa. Glioxilato + Acetil- + H 2 + El malato es transformado por la malato deshidrogenasa para reponer la molécula de oxalacetato con que comenzó el ciclo. El succinato se convierte así en el producto del ciclo, esta molécula puede salir del glioxisoma y en la matriz mitocondrial utilizar las enzimas que catalizan los 3 últimos pasos del Ciclo de Krebs para transformarse en oxalacetato. Esta molécula de oxalacetato está disponible para participar de la gluconeogénesis. De esta manera, dos moléculas de acetil- permiten la síntesis de un precursor de los glúcidos. 104
- - - xalo acetat o - S Acetyl - H CICL DE GLIXILAT Citrato - H - S Acetyl - Glioxilato Isocitrato - - - H - - Succinato Fig. 6-3. Ciclo del glioxilato. El Ciclo de Glioxilato, a diferencia del Ciclo de Krebs, cumple una sóla función y por lo tanto tiene sólo una modalidad de funcionamiento. Este ciclo es el que permite a los organismos que lo poseen sintetizar glúcidos a partir de acetil- (Fig. 9-4). Al finalizar el ciclo se observa que los grupos acetilos de dos moléculas de acetil- han sido utilizados para producir una molécula de succinato, según la siguiente ecuación: 2 A c - C o A + N A D + + 2 H 2 Su c c i n a t o + N A D H + 2 C o A + H + En los glioxisomas, además del Ciclo de Glioxilato, están presentes las enzimas que permiten llevar a cabo la β-oxidación de los ácidos grasos. Así, la degradación de los ácidos grasos utilizados para la producción de energía se realiza en la matriz mitocondrial, y en los glioxisomas, se catabolizan las cadenas que serán destinadas a la biosíntesis (Fig. 6-4). 105
LESMA Lipasas triacilgliceroles Ácidos grasos xaloacetato Acil- b-oxidación Acetyl CICL DE GLIXILAT Citrat o FADH 2 FAD Glioxilato Isocitra to Succinato GLIXISMA Fosfoeolpiruvato C 2 xalacetato Fructosa-6P ADP ATP Fumarato MITCNDRIA Succinato Sacarosa Fig. 6-4. Conversión de grasas en azúcares durante la germinación de semillas oleaginosas. 106