GUIA TEMA No 10CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS ó CICLO DE KREBS

Profesora Médico Veterinario Nohelia Nova HernándezCátedra Bioquimica 1

UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL FRANCISCO DE MIRANDA. PROGRAMA CIENCIAS VETERINARIAS – CATEDRA BIOQUIMICA I. PROFESORA M.V. NOHELIA NOVA HERNANDEZ.

GUIA TEMA No 10: CICLO DE LOS ACIDOS TRICARBOXILICOS o CICLO DE KREBS

DEFINICION.El Ciclo de Krebs (también llamado Ciclo del Acido Cítrico o Ciclo de los Acidos Tricarboxílicos) es una serie de reacciones bioquímicas de gran importancia, que forman parte de la respiración celular en todas las células aerobias, es decir que utilizan oxígeno. CONSIDERACIONES GENERALES. En organismos aeróbicos el Ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2 y agua, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y ATP). El metabolismo oxidativo de los nutrientes provenientes de la dieta (hidratos de carbono, grasas y proteínas) frecuentemente se divide en tres etapas:

Primera etapa Los carbonos de estas macromoléculas dan lugar a moléculas de acetil-CoA de dos carbonos, estas moleculas de Acetil CoA provienen de vías metabólicas que incluyen las rutas catabólicas de aminoácidos, la beta oxidación de ácidos grasos y la glucólisis. Segunda etapa La representa el Ciclo de los Acidos Tricarboxilicos como tal, en conjunto con todas las reacciones enzimáticas que se llevan a cabo a nivel de la matriz mitocondrial. Tercera etapa Es la fosforilación oxidativa, en la cual el poder reductor (NADH y FADH2) generado se emplea para la síntesis de ATP

según la teoría del acoplamiento quimiosmótico.

PRINCIPALES CARACTERISTICAS DEL CICLO DE KREBS.

1)El Ciclo de Krebs proporciona las biomoléculas precursoras para otras biomoléculas, tales como ciertos aminoácidos, por ello se considera una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo. 2)La función primaria del Ciclo del Acido Cítrico es oxidar los grupos acetilo de la Acetil CoA, después que reaccionan con el ácido oxalacético, con la formación de citrato (molecula clave de 6 carbonos). 3)Después de una serie de reacciones enzimáticas, dos de los seis carbonos del ácido cítrico se oxidan a CO2 , regenerando por último una molécula de oxalacetato (C-4) para repetir de nuevo el ciclo. 4)En cada vuelta del ciclo del ácido cítrico se producen tres moléculas de CO2; por lo que la oxidación de las dos moles de piruvato formadas en la fase glucolítica de la respiración aeróbica, requiere dos vueltas completas para formar 6 moles de CO2. 6)El CO2 producido se difunde fuera de la mitocondria o de la bacteria dejando la célula. 7)Por cada vuelta del ciclo ocurre la conversión de las siguientes moléculas: -Se convierten 2 moléculas de NAD+ en 2 de NADH (en el citosol se generan como resultado de la vía glucolítica 2 moléculas de NADH2 NADH + H+ ). -Se convierte 1 molécula de FAD+ en 1 de FADH2. -Se convierte 1 molécula de NADP+ se convierte en NADPH2. -Se convierte 1molécula de GDP (Guanidín -difosfato) en 1 de GTP (Guanidín- trifosfato). 8)La energía almacenada por la transferencia de electrones en esas moléculas , se va a transformar mediante la reacción de la fosforilación oxidativa en ATP.

El proceso de la oxidación del NADH2 , se puede representar de la siguiente forma:

NADH + H+ + 0,5 O2 NAD+ + H2O

HISTORIA

Sir Hans Adolf Krebs (1900- 1981)

El ciclo de Krebs recibe su nombre en honor a su descubridor Sir Hans Adolf Krebs (1900-1981). Fue este celebre investigador quien propuso los elementos clave de esta vía en 1937. Krebs estaba estudiando el consumo de oxígeno en músculo pectoral de paloma, un tejido con alta tasa de respiración, y realizó varias observaciones de gran relevancia. En primer lugar, el citrato, el isocitrato y el cis-aconitato estimulaban la oxidación de piruvato y el consumo de O2, en cantidad desproporcionada respecto a las cantidades añadidas. En segundo lugar, empleando malonato (inhibidor de la succinato deshidrogenasa), lograba bloquear la oxidación del piruvato, lo que indicaba su participación en la vía, además, observó que las células tratadas con malonato acumulaban citrato, succinato y α-cetoglutarato, lo cual sugería que el citrato y α-cetoglutarato eran precursores del succinato. En tercer lugar, la administración al tejido de piruvato y oxaloacetato provocaba la acumulación de citrato en el músculo, lo que indicaba que son precursores del citrato, en base a estas observaciones experimentales Hans Krebs propuso una ruta cíclica y su secuencia de reacciones. Este esquema inicial, con ciertas modificaciones, dio lugar al ciclo de Krebs tal y como hoy lo conocemos. Sir Hans Adolf Krebs fue galardonado con el Premio Nobel de Fisiología y Medicina en 1953, compartido con Fritz Lipmann (descubridor de la Coenzima A). REGULACIÓN DEL CICLO DE KREBS

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 el complejo 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, aunque también 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.

PRINCIPALES VÍAS QUE CONVERGEN EN EL CICLO DE KREBS

La mayoría de las vías catabólicas de los distintos nutrientes que provienen de la dieta (proteínas, carbohidratos, lípidos) convergen en el ciclo de Krebs, y la mayoría de las reacciones que ocurren forman compuestos intermediarios de este ciclo, por lo que el ciclo de Krebs contituye la segunda etapa del metabolismo de carbohidratos. Una vez ocurrida la primera etapa del metabolismo de los carbohidratos (la glucolisis) donde se rompe la molecula de glucosa (6 carbonos), se generan dos moléculas de piruvato (3 carbonos). En las células eucarioticas, el piruvato se desplaza al interior de la mitocondria (gracias a un transportador específico de membrana interna) y ocurre simultáneamente con la entrada de los iones hidrogeno o protones. En la matriz mitocondrial se produce Acetil-CoA (Acetil Coenzima A), que entra a formar parte del ciclo de Krebs.

En el metabolismo 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 metabolismo de grasas, los triglicéridos son hidrolizados liberando ácidos grasos y glicerol. En el hígado el glicerol puede ser convertido en glucosa vía dihidroxicetona 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.

RESPIRACIÓN AERÓBICA

En presencia de oxígeno, el ácido pirúvico proveniente de la glucólisis, se oxida totalmente en la mitocondria, este proceso se divide en dos fases. En la primera, el ácido pirúvico ingresa a la matriz mitocondrial, donde es fraccionado y oxidado completamente hasta liberar CO2. Como oxidantes actúan coenzimas, que a su vez son reducidas. El hidrógeno unido a las coenzimas es transferido en la segunda fase al oxígeno molecular, con formación de agua.

La degradación del ácido pirúvico o piruvato se lleva a cabo en la matriz mitocondrial, donde se encuentran las enzimas del ciclo de Krebs (Hans Krebs postuló esta vía metabólica en 1937 y posteriormente recibió el premio Nobel por su trabajo) o de los ácidos tricarboxílicos, conocido también como ciclo del ácido cítrico. Los sistemas Red-0x del transporte de electrones se encuentran adosados a las crestas mitocondriales, terminando con la fosforilación oxidativa, la que ocurre tanto en bacterias aeróbicas como en las mitocondrias de células eucarióticas. Una versión resumida de las dos fases la vemos en la figura siguiente:

REACCIONES PREVIAS EN LA MOLECULA DE PIRUVATO.

Las reacciones previas en la molécula de piruvato se llevan a cabo por la acción del complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa, mediante reacciones de descarboxilación oxidativa de la molécula de piruvato para la formación de la molécula de Acetil coenzima A (Acetil CoA) o " ácido acético activado", como se muestra en la siguiente figura:

Estas reacciones previas se resumen de la siguiente manera:

  Ácido pirúvico + NAD+ + CoA-SH Acetil CoA + NADH + H+ + CO2

REACCIONES ENZIMATICAS DEL CICLO DE KREBS.

Acetil CoA + Oxalacetato Citrato

Citrato cis-Aconitato Isocitrato

Isocitrato α-cetoglutarato

α-cetoglurato Succinil-CoA

Succinil CoA Succinato

Succinato Fumarato

Fumarato L-Malato

L-Malato Oxalacetato

CICLO COMPLETO DEL CICLO DE KREBS.

VISIÓN CONJUNTA DEL CICLO DE LA VÍA GLUCOLÍTICA + CICLO DELOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS