Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos
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EL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS CÍCLO DEL ÁCIDO CÍTRICO CICLO DE KREBS La mayoría de las moléculas combustibles entran en el ciclo como acetil-CoA punto central del sistema metabólico al igual que las rotondas el ciclo de los ácidos tricarboxílicos facilita el flujo de tráfico Acetil-CoA 8 e - GTP 2CO 2 Imagen de dominio público. Roundabout Großwallstadt, N 49.87308 E 9.151507, Bavaria, Germany, aerial photograph
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EL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS CÍCLO DEL ÁCIDO CÍTRICO
CICLO DE KREBS
La mayoría de las moléculas combustibles entran en el ciclo como acetil-CoA
punto central del sistema metabólico
al igual que las rotondas el ciclo de los ácidos tricarboxílicos facilita el flujo de tráfico
Acetil-CoA
8 e-
GTP 2CO2
Imagen de dominio público. Roundabout Großwallstadt, N 49.87308 E 9.151507, Bavaria, Germany, aerial photograph
Es el punto de convergencia de importantes vías catabólicas : Oxidación de ácidos grasos Oxidación de carbohidratos Oxidación de aminoácidos
Fuente de moléculas precursores de diversas biomoléculas importantes
Vía que puede ser catabólica y anabólica según los requerimientos del organismo : vía anfibólica
Por ser el centro metabólico de la célula, la entrada y velocidad del ciclo están controladas en varios puntos
El ciclo del ácido cítrico aporta electrones de alta energía, ATP y CO2
La función del ciclo es la producción de electrones de alta energía a partir de combustibles carbonados
El ciclo del ácido cítrico oxida unidades de dos carbonos
Dos átomos de carbono en forma de acetil-CoA entran en
el ciclo y dos átomos de carbono dejan el ciclo en la
forma de CO2
En las cuatro reacciones de oxido-reducción se transfieren tres pares de electrones al NAD y un par al FAD (oxidación en cadena respiratoria rendirá 9 ATPs). En el ciclo formación de una molécula de GTP
Oxalacetato
NADH
NADH
NADH
FADH2
GTP
CO2
CO2
Imagen de dominio público. Narayanese, WikiUserPedia, YassineMrabet, TotoBaggins - en:Image:Citric_acid_cycle_with_aconitate_2.svg
El oxalacetato se regenera al final del ciclo.
Basta una molécula de oxalacetato para llevar a cabo la oxidación de un número ilimitado de moléculas de acetilo (siempre y cuando no se consuma por reacciones laterales) .
8 pasos
catalizados por
un total de 8
enzimas
- Citrato sintasa - Aconitasa - Iso-citrato deshirogenasa - α cetoglutarato deshidrogenasa - Succinil-Coenzima A sintetasa - Succinato deshidrogenasa - Fumarasa - Malato deshidrogenasa
EL ciclo opera solamente en condiciones aeróbicas
porque requiere el suministro de NAD+ y FAD
¿Dónde ocurre?
1948 E.P. Kennedy y A. L Lehninger Descubren que las mitocondrial aisladas, obtenidas de homogeneizados de hígado de rata en una medio tamponado de fosfatos que contenía nucléotidos de adenina (ADP, ATP), Mg++, catalizaban la oxidación del piruvato y todos los intermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxilicos a expensas del O2 molecular.
CICLO DE KREBS EN LA MITOCONDRIA
Dominio Público. L. Howard http://remf.dartmouth.edu/imagesindex.html http://remf.dartmouth.edu/images/mammalianLungTEM/source/8.html
Dominio Público. Animal mitochondrion diagram en.svg by Mariana Ruiz (LadyofHats) Author Aibdescalzo http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Animal_mitochondrion_diagram_es.svg
La descarboxilación oxidativa del piruvato para formar acetil-CoA es el nexo de unión ente la glicólisis y el ciclo de Krebs
En condiciones aerobias, el piruvato es transportado al interior de la mitocondria mediante un transportador
específico
Complejo Piruvato Deshidrogenasa
Piruvato Acetil-CoA
8 e-
GTP 2CO2
Piruvato
Acetil-CoA
CO2
2e-
Complejo multienzimático Piruvato Deshidrogenasa (CPD) responsable de la descarboxilación oxidativa del piruvato:
Es una etapa clave e irreversible en el metabolismo de la glucosa, que conecta la glicólisis con el ciclo de Krebs.
Piruvato Acetil-CoA
Descarboxilación Oxidación Transferencia al CoA
Estas etapas de reacción deben estar acopladas para conservar la energía libre derivada de la descarboxilación y permitir la formación
de NADH y acetil-CoA
El CPD está formado por 3 enzimas diferentes y 5 cofactores.
Enzima(de la bacteria E. coli) No /complejo Cofactores
E1 : piruvato deshidrogenasa 24 TPP
E2 : dihidrolipoil transacetilasa 24 Lipoato, CoA
E3 : dihidrolipoil deshidrogenasa 12 FAD, NAD
+ 2 enzimas adicionales implicadas en su regulación (en eucariotas principalmente)
Mw= 4-10 millones de Daltons
Nota: ver Figuras 17.5, 17.7, 17.8 del Libro de Bioquímica, de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko
(Séptima Edición se encuentra en la Biblioteca de Facultad)
Complejo multienzimático Piruvato Deshidrogenasa utiliza 5 cofactores orgánicos diferentes (coenzimas)
FAD
http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/ef/Flavin_adenine_dinucleotide.png/1143px-Flavin_adenine_dinucleotide.png
Lipoamida (grupo prostético)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Lipoic-acid-2D-skeletal.png
Tiamina pirofosfato (TPP)
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Thiamine_diphosphate.png
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:NAD_oxidation_reduction.svg
NAD
CoA
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Coenzym_A.svg
SH
adenosina-3’- fosfato
vitamina ácido pantoténico
grupo b -mercaptoetilamino
en el complejo la distancia a la que los sustratos deben difundir entre los sitios activos está reducida al mínimo, de esta forma se aumenta la velocidad se reducen las reacciones colaterales pues los productos intermedios permanecen unidos
Los procesos catalíticos de complejos multi-enzimáticos son muy eficientes
Dominio Público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:PDH_schema.png
Nota: por mayor información ver Figura 17.9 del Libro de Bioquímica,
de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad)
Cofactor Ubicación Función
Tiamina pirofosfato (TPP) Unido a E1 Descarboxila el piruvato y produce un carbanión hidroxietil-TPP.
Ácido lipoico Unido de manera covalente a una Lisina específica de E2
Acepta el carbanión hidroxietil de TPP como grupo acetilo.
Coenzima A (CoA) Sustrato para E2 Acepta el grupo acetilo de acetil-dihidrolipoamida.
Flavina adenina dinucleótido (FAD) Unido a E3 Reducido por la dihidrolipoamida.
Nicotinamida adenina dinucleótido (NAD) Sustrato para E3 Reducido por FADH2.
La formación de acetil-CoA tiene lugar en cinco etapas
Producto común de la descomposición de
carbohidratos, ácidos grasos, y aminoácidos
El AGo’para la hidrólisis de su enlace tioéster es de -31,5 KJ/mol
(1 kJ/mol más exergónica que la hidrólisis de ATP)
Acetil-CoA: compuesto de alta energía
Capaz de conservar una porción de la energía libre
de oxidación de un combustible metabólico
Acetil-CoA=Acetil Coenzima A,=Acetil-SCoA
Dominio público_http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Acetyl-CoA-2D.svg
Grupo acetilo unido por enlace tioéster
1. La citrato sintasa produce citrato a partir de acetil-CoA y oxalacetato
• Condensación (C4+C2) para generar un ácido tricarboxílico (C6)
(por eso el nombre del ciclo).
• La hidrólisis del enlace tioéster del intermediario hace que la
reacción sea exergónica
Acetil-CoA Oxalacetato Citrato
citrato sintasa
Mecanismo: intermediario citril-CoA, molécula de alta energía
La hidrólisis del tioéster citril-CoA proporciona la energía
necesaria para la síntesis de citrato
Dominio público. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citrate_Synthase_Mechanism_Drew_Beck_revised_OH.png
Nota: por mayor información ver Figura 17.10 y 17.11 del Libro de Bioquímica,
de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad)
Mecanismo de la citrato sintasa evita que se produzcan reacciones no deseadas
Cinética secuencial: primero se une el oxalacetato, luego el acetil-CoA.
El cambio inducido por la unión del oxalacetato genera el sitio de unión de la acetil-CoA. Constituye un ejemplo de modelo inducido de unión de sustrato (induced fit model).
El ajuste inducido evita las reacciones colaterales no deseadas
Proteína unida a Oxalacetato
Dominio Público. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Citrate_synthase.png
La estrategia de los dos próximos pasos del ciclo de Krebs implican reestructurar el citrato a un isómero que se oxide con mayor facilidad
para luego oxidarlo.
22. El citrato se isomeriza a isocitrato por la aconitasa
La aconitasa isomeriza
el citrato
un alcohol terciario de difícil oxidación a
Isocitrato
un alcohol secundario de fácil oxidación.
hidratación
Citrato Isocitrato
Aconitasa deshidratación
Citrato
Aconitasa hidratación
cis-Aconitato Isocitrato
La aconitasa es una ferro-sulfo proteína
contiene un centro hierro-azufre que actúa
como centro de fijación de sustratos y centro
catalítico, facilitando las reacciones de
deshidratación y rehidratación del sustrato
Citrate and the Fe-S cluster in the active site of aconitase: dashed yellow lines show interactions between the substrate and nearby residues
3. El isocitrato se oxida y descarboxila hasta a-cetoglutarato por la isocitrato deshidrogenasa
Isocitrato α-cetoglutarato
Isocitrato deshidrogenasa
Pasos: -La enzima oxida el isocitrato al β-cetoácido intermedio oxalsuccinato con la reducción acoplada de NAD+ a NADH. - Luego el oxalsuccinato se descarboxila obteniéndose α-cetoglutarato . Es la primer etapa del Ciclo de Krebs en la que la oxidación se acopla a la producción de NADH y en el que se genera CO2
4. El alfa-cetoglutarato se oxida y descarboxila a succinil-CoA por acción del complejo multienzimático α-cetoglutarato deshidrogenasa
El complejo de la a-cetoglutarato deshidrogenasa es muy parecido al complejo
piruvato deshidrogenasa, tanto en estructura como en función.
α-cetoglutarato Succinil-CoA
Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa
5. Conversión del succinil-CoA en succinato por la succinil-CoA sintetasa con generación de GTP
Esta enzima convierte la succinil-Coenzima A a succinato. La energía libre de la unión tioéster del succinil-CoA que se rompe no se
pierde pues se genera un compuesto con alto potencial de transferencia de energía el GTP o ATP
Nucleósido difosfoquinasa
Succinil-CoA Succinato
Succinil-CoA sintetasa
La energía de la molécula tioéster se transforma en
potencial de transferencia del grupo fosforilo.
La formación acoplada de GTP (o ATP) a expensas
de la energía liberada de la rotura del succinil-CoA es otro
ejemplo de
fosforilación a nivel del sustrato
Mecanismo: la succinil Co-A sintasa transforma los tipos de energía bioquímica
Dominio Público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Succinyl_CoA_Synthetase_Mechanism_Revised.png
Las reacciones restantes del ciclo contribuyen a oxidar el succinato a oxalacetato para regenerarlo y recomenzar el ciclo
Transformación de un grupo metileno (CH2) en un grupo carbonilo (C=O) No sólo se regenera el oxalacetato, también se acumula FADH2 y NADH.
La formación de oxalacetato permite que un nuevo ciclo comience
oxidación hidratación oxidación
Succinato Fumarato Malato Oxalacetato
6. El succinato se oxida fumarato mediante la succinato deshidrogenasa
En eucariotas, la succinato
deshidrogenasa se encuentra unida a la
membrana mitocondrial interna, contiene
tres centros hierro-azufre diferentes y una
molécula de FAD unida covalentemente.
El aceptor de hidrógeno es el FAD en vez del NAD+ porque el cambio de energía libre es insuficiente para reducir el NAD+. Esta enzima cataliza la oxidación de la única unión central del succinato a un doble enlace trans con lo que se obtiene fumarato y se reduce el FAD a FADH2.
Succinato Fumarato
Succinato deshidrogenasa
7. Hidratación del fumarato y producción de malato por acción de la fumarasa
La fumarasa cataliza una adición estereoespecífica en trans del un H+ y un OH-. El grupo OH- se añade solamente a un lado del doble enlace del fumarato,
por lo cual se forma el isómero L-del malato
Fumarato L-Malato
Fumarasa
8. El malato se oxida a oxalacetato mediante la malato deshidrogenasa
Mediante oxidación del grupo alcohol secundario del malato a la correspondiente cetona esta enzima vuelve a formar oxalacetato, con
la reducción simultánea de un tercer NAD+ a NADH.
AG’o notablemente positivo, la oxidación del malato resulta posible por la utilización de sus productos, oxalacetato por la citrato sintasa y NADH por la cadena de transporte de electrones
L-Malato Oxalacetato
Malato deshidrogenasa
Balance del Ciclo de Krebs
Acetil-CoA + 3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O
2CO2 + 3NADH + FADH2 + GTP+ 2H+ +CoA
produce electrones con alto potencial de transferencia, GTP y CO2
La oxidación de éstos por parte del O2 mediante la cadena de transportes de electrones y la fosforilación oxidativa completa la
descomposición del combustible metabólico, lo que conduce a la síntesis de ATP (9 moléculas)
La energía de las oxidaciones del ciclo se conserva con eficiencia
Nota: por mayor información ver Tabla 17.2 del Libro de Bioquímica,
de Lubert Stryer, Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko (Séptima Edición, se encuentra en la Biblioteca de Facultad)
Regulación del ciclo de Krebs: a nivel de la piruvato deshidrogenasa
Regulación alostérica:
• Se inhibe por altas concentraciones de los productos de reacción:
- acetil-CoA inhibe a E2
- NADH inhibe a E3
Concentraciones elevadas de acetil-CoA y NADH informan al enzima que las necesidades energéticas de la células han sido atendidas o que los ácidos grasos se están degradando para producir acetil Co-A y NADH. De esta forma se ahorra glucosa ya que la mayor parte del piruvato procede de la glucosa a través de la glicólisis.
Una quinasa específica (PDK) fosforila y desactiva la piruvato deshidrogenasa (E1 de PDH). Una fosfatasa (PDP) la activa al eliminar el grupo fosforilo (E1 de PDH).
Esta quinasa y la fosfatasa son también enzimas muy reguladas: -el ADP y el piruvato inhiben a la quinasa PDK - el Ca++ activa la fosfatasa PDP (la misma señal que inicia la contracción muscular) - regulada hormonal : en el hígado, la adrenalina, provoca aumento Ca++ que activa la fosfatasa en el hígado y tejido adiposo dónde hay síntesis de ácidos grasos, la insulina que indica el estado alimentado, estimula la fosfatasa, aumentando la conversión de piruvato en acetil-CoA (precursor de los ác-grasos). En estos tejidos el complejo PDH se activa para canalizar la glucosa hacia piruvato y después acetil-CoA, finalizando en la síntesis de ácidos grasos.
Quinasa
Fosfatasa
PDH activa
PDH inactiva
• Regulación por modificación covalente
Respuesta del complejo piruvato deshidrogenasa a la carga energética
CARGA ENERGÉTICA ELEVADA : reposo
relaciones elevadas NADH/NAD+
acetil CoA/CoA ATP/ADP
CARGA ENERGÉTICA BAJA: ejercicio
relaciones bajas NADH/NAD+
acetil CoA/CoA ATP/ADP
Piruvato Piruvato
Acetil-CoA Acetil-CoA
Krebs Krebs
El ciclo de Krebs está controlado en varios puntos
Puntos de control: en las 2 primeras enzimas que generan electrones de alta energía
• Isocitrato deshidrogenasa
- Activadores: ADP (alostérico)
- Inhibidores : ATP (alostérico), NADPH (competitivo, y ejemplo de
inhibición por acumulación de producto de la reacción que cataliza, el
NADH desplaza al sustrato NAD).
• α-cetoglutarato deshidrogenasa
- Inhibidores: succinil-CoA, NADH (otro ejemplo de inhibición por los
productos de la reacción que cataliza), se inhibe también por una carga
energética alta (altos niveles ATP).
La velocidad del ciclo se ajusta para satisfacer las necesidades
celulares de ATP.
En muchas bacterias un punto de control adicional a nivel de la entrada
al ciclo de Krebs :
• Citrato sintasa
- Activadores: ADP
- Inhibidores: ATP (alostérico, aumenta la Km para el acetil-CoA)
Los defectos en el ciclo de Krebs contribuyen al desarrollo del cáncer
En ciertos canceres mutaciones en las enzimas Succinato deshidrogenasa Fumarasa Piruvato deshidrogenasa quinasa Si se ven afectadas sus actividades, disminuidas, las células cancerosas en la glicólisis aeróbica metabolizan preferentemente la glucosa a lactato incluso en presencia de oxígeno. El cáncer puede ser considerara también una enfermedad metabólica.
El ciclo de Krebs es una fuente de precursores biosintéticos (vía anfibólica)
Porfirinas, Hemo, clorofila
Succinil- CoA
alfa-cetoglutarato
Glutamato
otros aminoácidos
Purinas
Ácidos grasos, esteroles
Glucosa
Otros
aminoácidos, purinas,
pirimidinas
Aspartato
Oxalacetato
Piruvato
Acetil-CoA
Citrato
Las reacciones anapleróticas reponen los intermediarios del ciclo de Krebs
Reacciones anapleróticas (rellenar) reacciones de síntesis o reposición de componentes de una vía metabólica
Desde A Reacción Notas
Piruvato oxalacetato piruvato + CO2 + H2O + ATP oxalacetato + ADP + Pi + 2H+
Esta reacción es catalizada por la piruvato carboxilasa, una enzima activada por Acetil-CoA, indicando una falta de oxalacetato.El Piruvato puede también ser convertido en L-malato, otro intermediario, mediante una vía similar.
Aspartato oxalacetato -
Esta reacción es reversible pudiendo formar oxalacetato a partir de aspartato en una reacción de transaminación, vía aspartato aminotransferasa.
Glutamato α-cetoglutarato
glutamato + NAD+ + H2O NH4+ + α-
cetoglutarato + NADH + H+. Esta reacción está catalizada por la glutamato deshidrogenasa.
β-oxidación deácidos grasos
succinil-CoA -
Cuando se oxidan ácidos grasos de cadena impar, se forma una molécula de succinil-CoA por cada ácido graso. La enzima final es la metilmalonil-CoA mutasa.
Dominio Público_ Reacciones_anapler%C3%B3ticas
Imagen de dominio público. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Ciclo_de_Krebs-es.svg
El ciclo del glioxilato permite a las plantas y bacterias crecer en acetato
La mayor parte de los organismos NO pueden producir glucosa a partir de acetil-CoA Pero en las plantas y algunos microorganismos, existe una ruta metabólica que permite la conversión del acetil-CoA generado a partir de las reservas de grasa en glucosa.
Dominio público http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Glyoxylatepath.svg
El oxalacetato es capaz de generar glucosa mediante gluconeogénesis
