Ciclo de KrebsEl ciclo de Krebs (conocido tambin como ciclo de los cidos tricarboxlicos o ciclo del cido ctrico) es un ciclo metablico de importancia fundamental en todas las clulas que utilizan oxgeno durante el proceso de respiracin celular. En estos organismos aerbicos, el ciclo de Krebs es el anillo de conjuncin de las rutas metablicas responsables de la degradacin y desasimilacin de los carbohidratos, las grasas y las protenas en anhdrido carbnico y agua, con la formacin de energa qumica. El ciclo de Krebs es una ruta metablica anfiblica, ya que participa tanto en procesos catablicos como anablicos. Este ciclo proporciona muchos precursores para la produccin de algunos aminocidos, como por ejemplo el cetoglutarato y el oxalacetato, as como otras molculas fundamentales para la clula. El ciclo toma su nombre en honor del cientfico anglo-alemn Hans Adolf Krebs, que propuso en 1937 los elementos clave de la ruta metablica. Por este descubrimiento recibi en 1953 el Premio Nobel de Medicina.

Visin general del Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs ocurre en las mitocondrias de las clulas eucariotas y en el citoplasma de las clulas procariotas. El catabolismo glucdico y lipdico (a travs de la glucolisis y la beta oxidacin), produce acetil-CoA, un grupo acetilo enlazado al coenzima A. El acetil-CoA constituye el principal sustrato del ciclo. Su entrada consiste en una condensacin con oxalacetato, al generar citrato. Al trmino del ciclo mismo, los dos tomos de carbono introducidos por el acetil-CoA sern oxidados en dos molculas de CO2, regenerando de nuevo oxalacetato capaz de condensar con acetil-CoA. La produccin relevante desde el punto de vista energtico, sin embargo, se produce a partir de una molcula de GTP (utilizada inmediatamente para regenerar una molcula de ATP), de tres molculas de NADH y una de FADH2. Los cofactores reducidos, NADH y FADH2, se comportan como intermediarios xido/reductores. Cuando estn reducidos, son capaces de transportar electrones a energa relativamente alta (por ejemplo sustrada a los sustratos oxidados en la glucolisis o en el mismo ciclo de Krebs), hasta la cadena respiratoria mitocondrial. Cerca de tal cadena se reoxidan a NAD+ y a FAD, y ceden los electrones a la cadena misma, que ser as capaz de regenerar molculas de ADP y ATP. La reaccin neta es la siguiente:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi => CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2 La energa que se saca de la ruptura completa de una molcula de glucosa pasa los tres estadios de la respiracin celular (glucolisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de electrones), es idealmente de 36 molculas de ATP. En realidad son 38 las molculas netas de ATP que se producen, pero dos de ellas se consumen para transportar (mediante transporte activo), desde el citoplasma a la matriz mitocondrial, las dos molculas de NADH + H+ producidas en la glucolisis.Sustrato Coenzima Enzima Tipo de reaccin Inhibidor Citrato, NADH, SuccinilCoA Activador Producto

1

Oxalacetato

AcetilCoA, agua

Citrato sintasa

Condensacin

-

Citrato

2a 2b 3a

Citrato cis-Aconitato Isocitrato

Agua NAD+

Aconitasa

Deshidratacin Hidratacin Oxidacin

-

-

cis-Aconitato, acqua Isocitrato Oxalsuccinato, NADH cetoglutarato, CO2 Succinil-CoA, NADH, CO2 Succinato, GTP, CoA-SH Fumarato, FADH2 L-Malato Oxalacetato, NADH

3b

Ossalsuccinato

H

+

Isocitrato deshidrogenasa

Descarboxilacin

NADH, ATP

Ca2+, ADP

4

Cetoglutarato Succinil-CoA Succinato Fumarato L-Malato

NAD+, CoA-SH GDP, Fosfato FAD Agua NAD+

cetoglutarato deshidrogenasa Succinil-CoA sintetasa Succinato deshidrogenasa Fumarasa Malato deshidrogenasa

Descarboxilacin oxidativa Trasferencia de fosfato Oxidacin Hidratacin Oxidacin

NADH, SuccinilCoA -

Ca2+

5 6 7 8

-

Etapas del Ciclo de KrebsReaccin 1: Citrato sintasa (De oxalacetato a citrato)

El sitio activo de la enzima, activa el acetil-CoA para hacerlo afn a un centro carbonoso del oxalacetato. Como consecuencia de la unin entre las dos molculas, el grupo tioster (CoA) se hidroliza, formando as la molcula de citrato. La reaccin es sumamente exoergnica (G'=-31.4 kJ/mol), motivo por el cual este paso es irreversible. El citrato producido por la enzima, adems, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la enzima. Incluso estando la reaccin muy favorecida (porque es exoergnica), la citrato sintasa puede ser perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biolgica, puesto que permite

una completa regulacin del ciclo de Krebs completo, convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.Reaccin 2: Aconitasa (De citrato a isocitrato)

La aconitasa cataliza la isomerizacin del citrato a isocitrato, por la formacin de cis-aconitato. La enzima cataliza tambin la reaccin inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reaccin es unidireccional a causa de la ley de accin de masa: las concentraciones (en condiciones estndar) de citrato (91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de isocitrato (6%), empujan decididamente la reaccin hacia la produccin de isocitrato. En el sitio activo de la enzima est presente un clster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de aminocidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unin al sustrato se asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de aspartato, que permiten slo la unin estereospecifica del citrato 1R,2S, rechazando la forma opuesta.Reaccin 3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato)

La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la enzima cataliza la oxidacin del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una molcula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un in bivalente, que forma un complejo con los oxgenos del grupo carboxilo en posicin alfa, aumenta la electronegatividad de esa regin molecular. Esto genera una reorganizacin de los electrones en la molcula, con la consiguiente rotura de la unin entre el carbono en posicin gamma y el grupo carboxilo adyacente. De este modo se tiene una descarboxilacin, es decir, la salida de una molcula de CO2, que conduce a la formacin de -cetoglutarato, caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posicin alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.Reaccin 4: -cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA)

Despus de la conversin del isocitrato en -cetoglutarato se produce una segunda reaccin de descarboxilacin oxidativa, que lleva a la formacin de succinil CoA. La descarboxilacin oxidativa del -chetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro -cetocido.

Ambas reacciones incluyen la descarboxilacin de un -cetocido y la consiguiente produccin de una unin tioster a alta energa con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales reacciones son parecidos entre ellos. La -cetoglutarato deshidrogenasa (o, ms correctamente, oxoglutarato deshidrogenasa), est compuesta de tres enzimas diferentes: * Subunidad E1: las dos cetoglutarato deshidrogenasas. * Subunidad E2: la transuccinilasa. (La subunidad E1 y E2 presentan una gran homologa con las de la piruvato deshidrogenasa.) * Subunidad E3: la dihidrolipoamida deshidrogenasa, que es el mismo polipptido presente en el otro complejo enzimtico.Reaccin 5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato)

El succinil-CoA es un tioster a alta energa (su G de hidrlisis est en unos -33.5 kJ mol-1, parecido al del ATP que es de -30.5 kJ mol-1). La citrato sintasa se sirve de un intermediario con tal unin a alta energa para llevar a cabo la fusin entre una molcula con dos tomos de carbono (acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato). La enzima succinil-CoA sintetasa se sirve de tal energa para fosforilar un nuclesido difosfato purinico

como

el

GDP.

La energa procedente del tioster viene convertida en energa ligada a una unin fosfato. El primer paso de la reaccin genera un nuevo intermediario a alta energa, conocido como succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio cataltico remueve el fosfato de la molcula glucdica, generando el producto succinato y una molcula de fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nuclesido difosfato, recargndolo a trifosfato. Se trata del nico paso del ciclo de Krebs en el que se produce una fosforilacin a nivel de sustrato. El GTP est implicado principalmente en las rutas de transduccin de seales, pero su papel en un proceso energtico como el ciclo de Krebs es, en cambio, esencialmente trasladar grupos fosfato hacia el ATP, en una reaccin catalizada por la enzima nuclesido difosfoquinasa.Reaccin 6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato)

La parte final del ciclo consiste en la reorganizacin de molculas a cuatro tomos de carbono hasta la regeneracin del oxalacetato. Para que eso sea posible, el

grupo metilo presente en el succinato tiene que convertirse en un carbonilo. Como ocurre en otras rutas, por ejemplo en la beta oxidacin de los cidos grasos, tal conversin ocurre mediante tres pasos: una primera oxidacin, una hidratacin y una segunda oxidacin. Estos tres pasos, adems de regenerar oxalacetato, permiten la extraccin ulterior de energa mediante la formacin de FADH2 y NADH. La primera reaccin de oxidacin es catalizada por el complejo enzimtico de la succinato deshidrogenasa, la nica enzima del ciclo que tiene como aceptor de hidrgeno al FAD en vez de al NAD+. El FAD es enlazado de modo covalente a la enzima por un residuo de histidina. La enzima se vale del FAD ya que la energa asociada a la reaccin no es suficiente para reducir el NAD +. El complejo enzimtico tambin es el nico del ciclo que pasa dentro de la membrana mitocondrial. Tal posicin se debe a la implicacin de la enzima en la cadena de transporte de los electrones. Los electrones pasados sobre el FAD se introducen directamente en la cadena gracias a la unin estable entre la enzima y el cofactor mismo.Reaccin 7: Fumarasa (De fumarato a L-malato)

La fumarasa cataliza la adicin en trans de un protn y un grupo OH- procedentes de una molcula de agua. La hidratacin del fumarato produce L-malato.

Reaccin 8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)

La ltima reaccin del ciclo de Krebs consiste en la oxidacin del malato a oxalacetato. La reaccin, catalizada por la malato deshidrogenasa, utiliza otra molcula de NAD+ como aceptor de hidrgeno, produciendo NADH. La energa libre de Gibbs asociada con esta ltima reaccin es decididamente positiva, a diferencia de las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de oxalacetato por parte de la citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de transporte de electrones.

Regulacin del Ciclo de KrebsLa velocidad del ciclo de Krebs viene continuamente modulada para cumplir con las necesidades energticas exactas de la clula. Los sitios primarios de control son las enzimas alostricas: la isocitrato deshidrogenasa y la -cetoglutarato deshidrogenasa. La isocitrato deshidrogenasa es estimulada alostricamente por la presencia de ADP, que aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato. Las uniones de isocitrato, de NAD+, de Mg2+, y de ADP, a la enzima son mutuamente cooperativas en sentido activador. Por contra, el NADH inhibe la enzima por el desplazamiento directo de NAD+. El mismo ATP tiene efecto inhibitorio. El segundo sitio del control del ciclo de Krebs est cerca de la -cetoglutarato deshidrogenasa. Algunos aspectos del control de esta enzima son parecidos a los del complejo enzimtico de la piruvato deshidrogenasa, como puede esperarse dada la extrema homologa entre las dos enzimas. La -cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por el succinil-CoA y el NADH, es decir, los productos de la reaccin que cataliza. La -cetoglutarato deshidrogenasa puede ser tambin inhibida genricamente por un alto nivel energtico presente en la clula. Esto significa que, en presencia de altos niveles de ATP, la clula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de produccin de energa. En muchas bacterias, tambin se controla la entrada en el ciclo de las molculas con dos tomos de carbono. En ellos, la sntesis de citrato, oxalacetato y acetil-CoA es la sede de una importante regulacin. EL ATP, en efecto, es un inhibidor alostrico de la citrato sintasa. El efecto concreto del ATP es aumentar la KM de la enzima por el acetil CoA. De este modo, cuanto ms ATP est presente en la clula menos AcetilCoA se introduce en el ciclo.

Interacciones entre el ciclo de Krebs y otras rutas metablicasEl ciclo de Krebs ocupa una posicin central en el metabolismo de los seres vivos, revistiendo sobre todo un papel clave en las rutas catablicas.Catabolismo de los carbohidratos

El ciclo de Krebs es la segunda etapa del catabolismo de los carbohidratos. La glucolisis degrada la glucosa (y otras molculas de seis tomos de carbono) en piruvato y un -cetocido que contiene tres tomos de carbono. En los eucariotas, el piruvato se traslada del citoplasma (sede de la glucolisis) a las mitocondrias, donde pierde un tomo de carbono y se convierte en acetil-CoA mediante la piruvato

desihdrogenasa. En el interior de la mitocondria, el acetil-CoA puede entrar en el ciclo de Krebs, como se describi anteriormente.Catabolismo de las protenas

En lo que concierne a las protenas, son degradadas mediante mecanismos de proteolisis por enzimas proteasas, que las trocean en sus constituyentes fundamentales: los aminocidos. Algunos aminocidos pueden constituir una fuente de energa, ya que son convertibles en intermediarios del ciclo mismo, por ejemplo el aspartato, la valina y la isoleucina. Otros, convertibles en molculas glucdicas, pueden entrar en el ciclo pasando por las rutas catablicas tpicas de los glcidos, por ejemplo la alanina, convertible en piruvato.Catabolismo de los lpidos

En el catabolismo de los lpidos, los triglicridos son hidrolizados por enzimas lipasas para formar cidos grasos y glicerol. En los organismos superiores, el glicerol puede entrar en la glucolisis a nivel heptico o ser transformado en glucosa a travs de la hidroxiacetona fosfato y el gliceraldehdo-3-fosfato, siguiendo la ruta metablica de la gluconeognesis. En muchos tejidos, especialmente en el corazn, los cidos grasos son degradados mediante un proceso conocido como betaoxidacin, que produce acetil-CoA, reingresado a su vuelta en el ciclo de Krebs. La beta-oxidacin tambin puede generar propionil-CoA, que puede ser reingresado en la va gluconeognica heptica al generar glucosa.Cadena de transporte de electrones

El ciclo de Krebs siempre es seguido por una fosforilacin oxidativa, una cadena de transporte de electrones. Una no tendra sentido sin la otra en cuanto que el ATP y el GTP producidos por el ciclo es escaso y la produccin de NADH y FADH2 llevara a un entorno mitocondrial excesivamente reducido, mientras que la cadena respiratoria por s sola necesitara una fuente de cofactores reducida para la oxidacin del entorno. Esta respiracin celular extrae energa del NADH y FADH2, recreando NAD+ y FAD y permitiendo de tal modo que el ciclo continue. El ciclo de Krebs no usa oxgeno, que es utilizado en cambio en la fosforilacin oxidativa.Reacciones en las que intervienen los intermediarios del ciclo

Los intermediarios del ciclo de Krebs estn implicados en numerosas rutas metablicas. A continuacin se enumeran de forma resumida las rutas en las que estn implicados los metabolitos del ciclo: * Acetil CoA: beta oxidacin; biosntesis de los cidos grasos; degradacin de la lisina; degradacin de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina.

* -cetoglutarato: biosntesis de la lisina; metabolismo del cido ascrbico; metabolismo del glutamato. * Succinil CoA: metabolismo del propanato; degradacin de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina. * Succinato: metabolismo del butanato; metabolismo de la tirosina. * Fumarato: ciclo de la urea; metabolismo de la arginina y la prolina; metabolismo de la tirosina. * Oxalacetato: metabolismo del glioxilato; metabolismo del glutamato y el aspartato; gluconeognesis.

CICLO DE LA UREA El ciclo de la urea comienza en el interior de las mitocondrias de los hepatocitos.

Reacciones: 1. El primer grupo amino que ingresa al ciclo proviene del amonaco libreintramitocondrial. El amonaco producido en las mitocondrias, se utiliza junto con el bicarbonato (producto de la respiracin celular), para producir carbamoilfosfato. Reaccin dependiente de ATP y catalizada por la carbamoil-fosfatosintetasa I. Enzima alostrica y modulada (+) por el N-acetilglutamato.

2. El carbamoil-fosfato cede su grupo carbamoilo a la ornitina, para formarcitrulina y liberar Pi. Reaccin catalizada por la ornitina transcarbamoilasa. La citrulina se libera al citoplasma.

3. El segundo grupo amino procedente del aspartato (producido en lamitocondria por transaminacin y posteriormente exportado al citosol) se condensa con la citrulina para formar argininosuccinato. Reaccin catalizada por la argininosuccinato sintetasa citoplasmtica. Enzima que necesita ATP y produce como intermediario de la reaccin citrulil-AMP.

4. El argininosuccinato se hidroliza por la arginino succinato liasa, paraformar arginina libre y fumarato.

5. El fumarato ingresa en el ciclo de Krebs y la arginina libre se hidroliza en elcitoplasma, por la arginasa citoplasmtica para formar urea y ornitina.

6. La ornitina puede ser transportada a la mitocondria para iniciar otra vueltadel ciclo de la urea. En resumen, el ciclo de la urea consta de dos reacciones mitocondriales y cuatro citoplasmticas ENERGTICA DEL CICLO El ciclo de la urea rene dos grupos amino y un bicarbonato, para formar una molcula de urea:

1. La sntesis de la urea requiere 4 Pi de alta energa. 2 ATP para formar elcarbamoil - P y un ATP para producir argininosuccinato. En la segunda reaccin el ATP se hidroliza a AMP y PPi, que puede ser nuevamente hidrolizado para dar 2 Pi.

2. Se ha calculado que los animales ureotlicos pierden cerca del 15% de laenerga procedente de los aminocidos en la produccin de urea.

3. Algunos animales compensan esta perdida (bovinos) por transferencia dela urea al rumen, donde los microorganismos la utilizan como fuente de

amonaco para la sntesis de aminocidos. Este proceso incluso disminuye el consumo de agua. La conexin entre ambos ciclos, de la urea y de los cidos tricarboxlicos, reducen el coste energtico de la sntesis de urea. El ciclo de la urea conlleva la conversin de oxalacetato en fumarato y la posterior conversin del fumarato hasta oxalacetato producir un NADH, que podr generar 3 ATP en la respiracin mitocondrial, lo que reduce el coste de la sntesis de urea.

CONEXIN ENTRE LOS CICLOS DE LA UREA Y DE KREBS

1. El fumarato producido en la reaccin de la argininosuccinato liasa,ingresa a la mitocondria, donde es blanco de la fumarasa y malato deshidrogenasa para formar oxalacetato.

2. El aspartato que acta como dador de N en el ciclo de la urea se forma apartir del oxalacetato por transaminacin desde el glutamato.

3. Dado que las reacciones de los dos ciclos estn interconectados se les hadenominado como doble ciclo de Krebs.

REGULACIN DEL CICLO El flujo del N a travs del ciclo de la urea depender de la composicin de la dieta. Una dieta rica en protenas aumentar la oxidacin de los aminocidos, produciendo urea por el exceso de grupos aminos, al igual que en una inanicin severa. Las cinco enzimas se sintetizan a velocidades ms elevadas, durante la inanicin o en los animales con dieta rica en protenas. La enzima carbamoil-fosfato-sintetasa I es activada alostricamente por el N - acetilglutamato que se sintetiza a partir del acetil-CoA y el glutamato, por la N-acetilglutamato sintetasa; enzima que, a su vez, es activada por la arginina, aminocido que se acumula cuando la produccin de urea es lenta.

En individuos con deficiencias congnitas de enzimas del ciclo, distintas a la arginasa, el sustrato correspondiente se acumula, lo que provoca un aumento

de la velocidad de la reaccin deficiente, por lo que la velocidad del ciclo se mantiene baja. No obstante se producen acumulaciones de los sustratos precedentes, hasta el amoniaco, lo que causa finalmente una hiperamonemia. El cerebro es particularmente sensible a las [ ] elevadas de amonio.