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Ciclo de krebs

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  • 1. Ciclo de KrebsEn condiciones aeróbicas, el acetil-CoA que se encuentra en lamitocondria es oxidado completamente hasta CO2 medianteuna ruta conocida como el ciclo de los ácidos tricarboxílicos(TCA), o ciclo de Krebs.Esta ruta es la parte final de la degradación de todas lasmoléculas que funcionan como combustible: los aminoácidos,los ácidos grasos y los carbohidratos.Generalmente, las entradas al ciclo inician con acetil-CoA,aunque otros intermediarios pueden continuar con el proceso.
  • 2. El ciclo de Krebs ocupa un lugar central en el metabolismocelular, por lo que es regulado por otras rutas y recibe entradade sustratos de varias rutas.Los pasos que lo integran incluyen reacciones degradativas yanabólicas, por ello que sitúe en esa posición central. Se dice,por lo tanto, que el ciclo de Krebs es una ruta anfibólicafinamente regulada por otras rutas.Proteínas, triglicéridos y polisacáridos pueden proveer deacetil-CoA a la ruta.
  • 3. El ciclo del ácido cítrico se complementa con la cadenarespiratoria de transporte de electrones, de modo que losproductos de NADH y FADH2 que produce el ciclo puedenvolverse a oxidar en dicha cadena.El ciclo de Krebs está regulado por la piruvato deshidrogenasa,ya que la conversión de piruvato a acetil-CoA es el paso previopara la ruta.
  • 4. Funciones del ciclo de Krebs• Produce la mayor parte del dióxido de carbono en los tejidos animales.• Es la mayor fuente de coenzimas que impulsan la producción de ATP en la cadena respiratoria.• Dirige el exceso de energía hacia la biosíntesis de ácidos grasos, por lo cual permite el almacenamiento energético.• Proporciona precursores para la biosíntesis de proteínas y ácidos nucleicos.• Sus componentes regulan directamente (producto- precursor) o indirectamente (alostéricamente) otras rutas metabólicas.
  • 5. En el ciclo de los ácidostricarboxílicos intervienenocho enzimas que seencuentran en la matrizmitocondrial.De estas ocho enzimas,cuatro sonoxidorreductasas que soncoenzimas que captanequivalentes reductores(hidruro o hidrógeno).Provee intermediariosque son sustratos paraotras rutas anabólicas.
  • 6. EstequiometríaEn dos pasos oxidativos, entre citrato y succinil-CoA, se pierden doscarbonos en forma de CO2, de modo que estequiométricamente seha oxidado completamente el acetil-CoA.El balance general del ciclo indica que el acetilo activo se oxida porcompleto a 2 CO2 y que se producen cuatro pares equivalentesreductores, tres como NADH + H+ y uno como FADH2, los cuales seutilizan después para generar energía.Además, el acoplamiento con la cadena respiratoria genera la mayorproducción de ATP en el organismo, y la más importante.La regulación del ciclo de Krebs en las células animales ocurrefundamentalmente en dos sitios: primero a nivel de la piruvatodeshidrogenasa y luego a nivel de la isocitrato deshidrogenasa,dentro del ciclo.
  • 7. De modo general, las sintasas son enzimas que catalizan lacondensación sin consumir ningún nucleósido trifosfato (ATP,GTP, etc.) como fuente de energía.Las sintetasas catalizan condensaciones que sí utilizan ATP uotro nucleósido trifosfato como fuente de energía.
  • 8. El ciclo de Krebs se compone de ochoreacciones Reacción : Formación de citratoEs una reacción de condensación catalizada por la enzima citratosintasa. El uso de agua es lo que libera la reacción del uso deenergía. El grupo metílico del acetilo reacciona con el carbonilodel oxalacetato.
  • 9. La condensación es del tipo aldólica y esseguida de una hidrólisis.En el sitio activo de la citrato cinasa se forma unintermediario: el citril-CoA.Este intermediario es transitorio, y una hidrólisis hace que seanliberados inmediatamente citrato y CoA-SH. La hidrólisis ocurre anivel del enlace tioéster, y esta reacción es lo que genera unaalta liberación de energía que vuelve exergónica la actividad dela citrato sintasa.Cuando el CoA-SH es liberado, este sirve como receptor delgrupo acetilo que está dejando entrar la piruvatodeshidrogenasa.
  • 10. Reacción : Formación del isocitratoEn la enzima aconitasa (o aconitasa hidratasa) se cataliza unareacción de isomerización vía la síntesis de un intermediario, elcis-aconitato, que nunca abandona el sitio activo de la enzima.Esta transformación es reversible, y consiste en una hidratación ydeshidratación sucesivas. Esto genera el intercambio de un H conel OH.
  • 11. La isomerización del citrato en isocitrato esindispensable para permitir las reaccionesde oxidación sucesivas.La aconitasa contiene átomos de Fe nounidos a un grupo hemo. Estos cuatroátomos se asocian a grupos sulfuroformando complejos 4Fe-4S. Tres grupossulfuro son de origen inorgánico, mientrasque el cuarto proviene de un Cys.El complejo 4Fe-4S cataliza la reacción de deshidratación yrehidratación, mantiene secuestrado al cis-aconitato y evita eluso de energía por parte de la aconitato citrasa.Este tipo de proteínas se conocen como ferrosulfuradas.
  • 12. El doble enlace del cis-aconitato permite laadición de H2O en cualquier carbono. Lareacción enzimática puede por ello producirtanto citrato como isocitrato.La reacción, sin embargo, tiende a lageneración de citrato antes que a laformación de isocitrato (en una mezcla a pH7.4 y 25°C solamente el 10% contieneisocitrato) ¿cómo se avanza, entonces, en elciclo?En la mitocondria, el isocitrato liberado del sitio activo de laenzima es inmediatamente aprovechado por la siguiente enzimaen la siguiente reacción. Cuando se produce citrato, la aconitasavuelve a reaccionar con este, hasta que la reacción favorezca alisocitrato.
  • 13. Reacción : Oxidación y descarboxilación del isocitratoEl isocitrato reacciona inmediatamente con la isocitratodeshidrogenasa. Esta es la primera de las cuatro reacciones deoxidación. Para esta reacción es necesaria la presencia de NAD+como cofactor. En todas las células hay dos tipos de isocitrato deshidrogenasa, una variedad que requiere NAD+ como cofactor, y otra que requiere NADP+.
  • 14. El intermediario de esta reacción es el oxalsuccinato, que enel sitio activo pierde rápidamente un CO2. Esto generainmediatamente α-cetoglutarato. En el sitio activo de laenzima se encuentra un átomo de Mn+2 que dirige ladescarboxilación y estabiliza al enol formado.La reacción del oxalsuccinato es básicamente una resonanciamagnética.La enzima dependiente de NAD se encuentra exclusivamente en lamitocondria. Tanto en el citosol como en la mitocondria, se encuentrala otra variedad. Parece ser que la función primordial de esta enzimaes la producción de NADPH, importante para las reacciones anabólicas.
  • 15. Reacción : Descarboxilación del α-cetoglutaratoEl isocitrato reacciona inmediatamente con la isocitratodeshidrogenasa. Esta es la primera de las cuatro reacciones deoxidación. Para esta reacción es necesaria la presencia de NAD+como transportador de electrones y el CoA-SH comotransportador del succinilo.El α-cetoglutarato reacciona con una α-cetoglutaratodeshidrogenasa, que escinde el segundo CO2. Aquí termina laoxidación del piruvato.
  • 16. La energía de oxidación se conserva gracias, nuevamente, alenlace tióester del succinil-CoA. Esta reacción es idéntica a ladescarboxilación del piruvato que ocurre en la membranamitocondrial, tanto en estructura como en función.Por ello se tienen homólogos E’1, E’2 y E’3, y los mismoscofactores (TPP, lipoato, NAD, FAD y CoA).Son complejos homólogos mas no por ello idénticos (aexcepción de E3 y E’3):1. La secuencia de aminoácidos de E’1 genera afinidad por α-cetoglutarato (α-cetoglutarato deshidrogenasa). La secuencia de E1 genera la afinidad al piruvato.2. El lipoil de E’2 debe jalar un grupo succinil, y no uno acetil como en E2.
  • 17. Reacción : Generación de un enlace de alta energía en el succinil-CoAEl succinil-CoA tiene un enlace de alta energía libre de hidrólisisestándar negativa. Esta reacción utiliza este enlace de altaenergía para promover la formación de un enlace fosfoanhídridode GTP o ATP con una ΔG0´= -2.9kJ/mol.El proceso final es la liberación de succinato. La reacción lacataliza una succinil-CoA sintetasa o succínico tioquinasa.
  • 18. Las células animales tienen dos isozimas de la succinil-CoAsintetasa. Una específica para ADP que produce ATP y otraespecífica para GDP y produce GTP.La formación de ATP (o GTP) a expensas de la energíaliberada por el α-cetoglutarato es una fosforilación a nivelsustrato, idéntica a las reacciones que sintetizan ATP que seencuentran en reacciones glucolíticas catalizadas por lagliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y la piruvatoquinasa.El GTP puede donar un grupo fosfato al ADP y formar ATP.Ambos son equivalentes, y no es requerida energía adicional. GTP + ADP GDP + ATP ΔG0´= 0 kJ/molLa reacción es catalizada por una nucleósido difosfatoquinasa.
  • 19. Reacción : Oxidación del succinato a fumaratoLas siguientes reacciones transforman el succinato pararegenerar el oxalacetato. La primera de estas reacciones corre acargo de una oxidación catalizada por la succinatodeshidrogenasa.El aceptor de hidrógeno es el FAD, ya que el cambio de energíalibre es insuficiente para permitir que el NAD interactúe. Elproducto final es fumarato.
  • 20. En eucariontes, la succinato deshidrogenasa estáfuertemente a la membrana mitocondrial. En procariontes, ala membrana plasmática.Esta enzima está intrínsecamente relacionada con la cadenaelectrónica. Por esta enzima es que el ciclo de Krebs no sedesarrolla exclusivamente en el citosol.La succinato deshidrogenasa es, al igual que la aconitasa, unaproteína ferrosulfurada.El FAD está covalentemente unido a ese complejoferrosulfurado. El acarreo de electrones está, por lo tanto,dirigido inmediatamente a la cadena transportadora deelectrones en la membrana mitocondrial.
  • 21. El malonato es un inhibidor competitivo de la succinatodeshidrogenasa, al que es análogo. La adición de estecompuesto a la mitocondria genera una detención tanto delciclo de Krebs como de la cadena respiratoria (ya que elcomplejo II de dicha cadena es precisamente una succinatodeshidrogenasa).Esta sal puede estar presente en el cuerpo si se consumenciertas raíces (como las de la remolacha) y un derivado, elmalonil-CoA, es importante en el anabolismo de lípidos.
  • 22. Reacción : Hidratacióndel fumaratoLa conversión de fumarato a L-malato esta catalizada por lafumarato hidratasa (ofumarasa), y es unahidratación reversible.La principal característica deesta enzima es su altaestereoespecificidad. Catalizala hidratación del doble enlaceen trans del fumarato, pero noen cis del maleato. Endirección inversa, la fumarasano puede utilizar D-malato.
  • 23. Reacción : Oxidación del L-malato a oxalacetatoEn la última reacción del ciclo una L-malato deshidrogenasacataliza una oxidación del L-malato a oxalacetato.El equilibrio de esta reacción está altamente desplazado hacia laizquierda en condiciones termodinámicas estables; en célulasintactas, el oxalacetato es rápidamente desechado por la citratosintasa (reacción altamente exergónica)Esto mantiene la concentración de oxalacetato muy baja en lacélula, favoreciendo la producción de este compuesto.
  • 24. En síntesis, las reacciones del ciclo de Krebs consisten de losiguiente:1. En la condensación de una unidad de acetilo (del acetil- CoA) con oxalacetato entran en el ciclo dos átomos de carbono. Por las descarboxilaciones sucesivas catalizadas por la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa salen del ciclo otros dos carbonos en forma de CO2. Los dos átomos de carbono que salen del ciclo son diferentes de los que han entrado en la misma vuelta.2. En las cuatro reacciones de oxidación salen del ciclo cuatro pares de átomos de hidrógeno. En las descarboxilaciones oxidativas del isocitrato y del a-cetoglutarato se reducen dos moléculas de NAD+, en la oxidación del succinato se reduce una molécula de FAD y en la oxidación del malato se reduce otra de NAD+.
  • 25. 3. A partir del enlace tioéster altamente energético del succinil-CoA se genera un enlace fosfato de alta energía (en forma deGTP).4. Se consumen dos moléculas de agua: una en la síntesis delcitrato, por la hidrólisis del citril-CoA, y la otra en la hidratacióndel fumarato.5. El FADH2 y el NADH+H+ producidos son rápidamenteaprovechados como cofactores en la cadena transportadora deelectrones.
  • 26. Carácter anfibólico del ciclo de KrebsAlgunos procariontes utilizan estaruta no como fuente de energíasino como de precursoresbiosintéticos. Para ello se valen delas reacciones que integran el ciclode Krebs, pero al carecer de una α-cetoglurato deshidrogenasa debenocupar el α-cetoglurato comoprecursor de aminoácidos,nucleótidos o grupos prostéticos.Del mismo modo, la ausencia deesta enzima hace que se aprovecheel succinil-CoA.
  • 27. En los eucariontes esta ruta tiene carácter anfibólico, ya quepuede ser usado tanto como parte de un catabolismoconstante para la glucosa, pero también anabólicamente alproducir intermediarios.
  • 28. Ahora, conforme los intermediarios del ciclo de Krebs sonempleados para otras rutas existen mecanismos que permitenreponer estos intermediarios para que el ciclo de Krebscontinúe. Estos mecanismos se conocen como reaccionesanapleróticas.La toma de intermediarios está en equilibrio dinámica conestas reacciones anapleróticas. De este modo, los sustratos querequieren las enzimas del ciclo de Krebs se mantienen encantidades constantes.
  • 29. Control del ciclo del ácido cítricoEl ciclo de Krebs estáregulado por lasconcentraciones bajas deFAD y NAD que indican unnivel bajo de energía.El ciclo está regulado en lostres sitios altamenteexergónicos: la citratosintasa, la isocitratodeshidrogenasa y elcomplejo α-cetoglutaratodeshidrogenasa.
  • 30. La citrato sintasa es controlada por la cantidad de ATP, que es uninhibidor alostérico de la enzima.La isocitrato deshidrogenasa es estimulada alostéricamente por elADP, que aumenta la afinidad por el sustrato. La unión de isocitrato,NAD+, Mg+2 y ADP es mutuamente cooperativa. Por el contrario, elNADH actúa como un inhibidor alostérico inhibiendo la enzima, tal ycomo también lo hace el ATP.Finalmente, el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa. Algunosaspectos de su control son análogos a los del complejo piruvatodeshidrogenasa. La a-cetoglutarato deshidrogenasa se inhibe por elsuccinil-CoA y el NADH, los productos de la reacción que cataliza.También se inhibe la a-cetoglutarato deshidrogenasa por una altacarga energética. La utilización de fragmentos dicarbonados en ciclodel ácido cítrico y la velocidad del ciclo se reducen cuando la célulatiene un nivel alto de ATP.
  • 31. Tres factores son los que regulan el flujo de metabolitos en elciclo de Krebs:1. La disponibilidad de sustratos;2. La inhibición por los productos acumulados;3. La regulación alostérica de los tres puntos control (exergónicos) del ciclo.Cada reacción exergónica puede, en un momento dado, ser lalimitante en la velocidad de la reacción.La disponibilidad de los sustratos para la citrato sintasa varíacon el estado metabólico de la célula. Y, tanto la isocitratodeshidrogenasa como la α-cetoglutarato deshidrogenasa, seven reguladas por el coeficiente de [NADH]/[NAD+]
  • 32. En el músculo de vertebrados, el Ca+2, la señal para lacontracción y para un aumento concomitante en la demandade ATP, activa tanto la isocitrato deshidrogenasa como la a-cetoglutarato deshidrogenasa, así como el complejo de lapiruvato deshidrogenasa.
  • 33. En resumen, las [sustrato e intermediarios] del ciclo del ácidocítrico hacen que el flujo a través de esta vía se mantenga a unavelocidad que permite mantener concentraciones óptimas deATP y NADH.En condiciones normales, la velocidad de la glucólisis y del ciclodel ácido cítrico están integradas de manera que sólo semetaboliza a piruvato la glucosa necesaria para suministrar alciclo del ácido cítrico su combustible, los grupos acetilo delacetil-CoA.Piruvato, lactato y acetil-CoA se mantienen normalmente aconcentraciones de estado estacionario.El citrato es un inhibidor alostérico importante de lafosfofructoquinasa-1 en la vía glucolítica.
  • 34. El ciclo del glioxilatoEn las plantas, algunos invertebrados y ciertosmicroorganismos, el acetato (acetil-CoA) puede ser utilizadocomo una fuente de fosfoenolpiruvato que se dirige a lasíntesis de glúcidos.Esto se logra mediante un ciclo conocido como ciclo delglioxilato, en el que el acetil-CoA se convierte en succinato uotro intermediario del ciclo del ácido cítrico.2Acetil-CoA + NAD+ + 2H2O succinato + 2CoA + NADH + H+
  • 35. El acetil-CoA se condensa con el oxalacetato para formar citratomediante una citrato sintasa. Luego el citrato pasa a isocitrato,donde participa la aconitasa. Pero en el siguiente paso, en lugarde que participe una isocitrato deshidrogenasa, el isocitrato escortado en dos moléculas: succinato y glioxilato.Esta última reacción es catalizada por una citrato liasa. Elglioxilato producido en esta reacción, entonces, se condensacon otro acetil-CoA mediante una malato sintasa, y se producemalato. De este modo, el malato pasa a una malatodeshidrogenasa que vuelve a producir oxalacetato (y con estonos hemos “comido” buena parte del ciclo).Como el succinato no se ocupa para regenerar al oxalacetato,está disponible enteramente para otras biosíntesis.
  • 36. El acetil-CoA puede estar disponible en los invertebradosgracias a la degradación de lípidos. En los vertebrados esto noes posible porque no existen ni la citrato liasa ni la malatosintasa, de modo que no es posible la producción de glúcidos apartir de lípidos (sin embargo, sí de energía).Las plantas tienen secuestradas estas dos enzimas en unosorganelos adosados a la membrana que se conocen comoglioxisomas.
  • 37. El TCA inversoLas bacterias verdes sulfurosas y nosulfurosas usan un ciclo del ácidocítrico inverso que permite fijarCO2. Este ciclo inverso del ácidocítrico se logra manteniendo que ladirección de las enzimas seasiempre en el sentido contrario enque se hacen en el ciclo normal delácido cítrico. En Chlorobium seencontraron dos enzimas unidas aferredoxina que catalizan la fijacióndel CO2.
  • 38. Las dos reacciones ligadas a ferredoxina comportan lacarboxilación de succinil-CoA a α-cetoglutarato y lacarboxilación de acetil-CoA a piruvato.Todas las enzimas de este ciclo tienen una preferenciacatalizadora invertida. En estos procariontes existe también lacitrato liasa, que corta el citrato en acetil-CoA y oxalacetato.Esto se observa en las bacterias verde sulfurosas.El inicio del ciclo ocurre con una primera fijación de CO2 en laque el fosfoenolpiruvato se condensa con esta molécula paraproducir oxalacetato. Este oxalacetato viene de la escisión de lacitrato liasa.Esta ruta no está acoplada a una cadena transportadora deelectrones pues únicamente es anabólica.

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