El ciclo de Krebs ocurre en
las mitocondrias de las células eucariotas y en el citoplasma de las células
procariotas.
Ciclo
de Krebs (Esquema del ciclo de Krebs)
El catabolismo glucídico y lipídico (a través
de la glucolisis y la beta oxidación), produce acetil-CoA, un grupo acetilo
enlazado al coenzima A. El acetil-CoA constituye el principal sustrato del
ciclo. Su entrada consiste en una condensación con oxalacetato, al generar
citrato.
Al término del ciclo
mismo, los dos átomos de carbono introducidos por el acetil-CoA serán oxidados
en dos moléculas de CO2, regenerando de nuevo oxalacetato capaz de condensar
con acetil-CoA. La producción relevante desde el punto de vista energético, sin
embargo, se produce a partir de una molécula de GTP (utilizada inmediatamente
para regenerar una molécula de ATP), de tres moléculas de NADH y una de FADH2.
Los cofactores reducidos,
NADH y FADH2, se comportan como intermediarios óxido/reductores. Cuando están
reducidos, son capaces de transportar electrones a energía relativamente alta
(por ejemplo sustraída 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 será así
capaz de regenerar moléculas de ADP y ATP.
La reacción neta es la
siguiente:
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD
+ ADP + Pi => CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2
La energía que se saca de
la ruptura completa de una molécula de glucosa pasa los tres estadios de la
respiración celular (glucolisis, ciclo de Krebs y cadena de transporte de
electrones), es idealmente de 36 moléculas de ATP. En realidad son 38 las moléculas
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 moléculas de NADH + H+ producidas en la glucolisis.
Etapas del Ciclo de Krebs
Reacción 1: Citrato
sintasa (De oxalacetato a citrato)
Reacción
1 del Ciclo de Krebs: Citrato sintasa El sitio activo de la
enzima, activa el acetil-CoA para hacerlo afín a un centro carbonoso del oxalacetato.
Como consecuencia de la unión entre las dos moléculas, el grupo tioéster (CoA)
se hidroliza, formando así la molécula de citrato.
La reacción es sumamente
exoergónica motivo por el cual este paso es irreversible. El citrato producido
por la enzima, además, es capaz de inhibir competitivamente la actividad de la
enzima.
Incluso estando la
reacción muy favorecida (porque es exoergónica), la citrato sintasa puede ser
perfectamente regulada. Este aspecto tiene una notable importancia biológica,
puesto que permite una completa regulación del ciclo de Krebs completo,
convirtiendo a la enzima en una especie de marcapasos del ciclo.
Reacción
2: Aconitasa (De citrato a isocitrato).
Reacción
citrato-isocitratoLa aconitasa cataliza la isomerización del citrato a
isocitrato, por la formación de cis-aconitato. La enzima cataliza también la
reacción inversa, pero en el ciclo de Krebs tal reacción es unidireccional a
causa de la ley de acción de masa: las concentraciones (en condiciones
estándar) de citrato (91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de
isocitrato (6%), empujan decididamente la reacción hacia la producción de
isocitrato.
En el sitio activo de la
enzima está presente un clúster hierro-azufre que, junto a algunos residuos de
aminoácidos polares, liga el sustrato. En concreto, la unión al sustrato se
asegura por la presencia de un resto de serina, de arginina, de histidina y de
aspartato, que permiten sólo la unión estereospecifica del citrato 1R,2S,
rechazando la forma opuesta.
Reacción
3: Isocitrato deshidrogenasa (De isocitrato a oxoglutarato)
Reacción
isocitrato-oxoglutarato. La isocitrato deshidrogenasa mitocondrial es una
enzima dependiente de la presencia de NAD+ y de Mn2+ o Mg2+. Inicialmente, la
enzima cataliza la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que genera una
molécula de NADH a partir de NAD+. Sucesivamente, la presencia de un ión
bivalente, que forma un complejo con los oxígenos del grupo carboxilo en
posición alfa, aumenta la electronegatividad de esa región molecular. Esto
genera una reorganización de los electrones en la molécula, con la consiguiente
rotura de la unión entre el carbono en posición gamma y el grupo carboxilo
adyacente. De este modo se tiene una descarboxilación, es decir, la salida de
una molécula de CO2, que conduce a la formación de α-cetoglutarato,
caracterizado por dos carboxilos en las extremidades y una cetona en posición
alfa con respecto de uno de los dos grupos carboxilo.
Reacción
4: α-cetoglutarato deshidrogenasa (De oxoglutarato a Succinil-CoA).
Reacción
oxoglutarato-succinil CoA Después de la conversión del isocitrato en
α-cetoglutarato se produce una segunda reacción de descarboxilación oxidativa,
que lleva a la formación de succinil CoA. La descarboxilación oxidativa del
α-chetoglutarato es muy parecida a la del piruvato, otro α-cetoácido.
Ambas reacciones incluyen
la descarboxilación de un α-cetoácido y la consiguiente producción de una unión
tioéster a alta energía con la coenzima A. Los complejos que catalizan tales
reacciones son parecidos entre ellos.
La α-cetoglutarato
deshidrogenasa (o, más correctamente, oxoglutarato deshidrogenasa), está
compuesta de tres enzimas diferentes:
* Subunidad E1: las dos
cetoglutarato deshidrogenasas.
* Subunidad E2: la
transuccinilasa.
(La subunidad E1 y E2
presentan una gran homología con las de la piruvato deshidrogenasa.)
* Subunidad E3: la
dihidrolipoamida deshidrogenasa, que es el mismo polipéptido presente en el
otro complejo enzimático.
Reacción
5: Succinil-CoA sintetasa (De Succinil-CoA a succinato)
Reacción
succinil-CoA-succinato El succinil-CoA es un tioéster a alta energía. La
citrato sintasa se sirve de un intermediario con tal unión a alta energía para
llevar a cabo la fusión entre una molécula con dos átomos de carbono
(acetil-CoA) y una con cuatro (oxalacetato). La enzima succinil-CoA sintetasa
se sirve de tal energía para fosforilar un nucleósido difosfato purinico como
el GDP.
La energía procedente del
tioéster viene convertida en energía ligada a una unión fosfato. El primer paso
de la reacción genera un nuevo intermediario a alta energía, conocido como
succinil fosfato. Sucesivamente, una histidina presente en el sitio catalítico
remueve el fosfato de la molécula glucídica, generando el producto succinato y
una molécula de fosfohistidina, que dona velozmente el fosfato a un nucleósido
difosfato, recargándolo a trifosfato. Se trata del único paso del ciclo de
Krebs en el que se produce una fosforilación a nivel de sustrato.
El GTP está implicado
principalmente en las rutas de transducción de señales, pero su papel en un
proceso energético como el ciclo de Krebs es, en cambio, esencialmente
trasladar grupos fosfato hacia el ATP, en una reacción catalizada por la enzima
nucleósido difosfoquinasa.
Reacción
6: Succinato deshidrogenasa (De succinato a fumarato)
Reacción
succinato-fumarato La parte final del ciclo consiste en la reorganización de
moléculas a cuatro átomos de carbono hasta la regeneración 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
oxidación de los ácidos grasos, tal conversión ocurre mediante tres pasos: una
primera oxidación, una hidratación y una segunda oxidación. Estos tres pasos,
además de regenerar oxalacetato, permiten la extracción ulterior de energía
mediante la formación de FADH2 y NADH.
La primera reacción de
oxidación es catalizada por el complejo enzimático de la succinato
deshidrogenasa, la única enzima del ciclo que tiene como aceptor de hidrógeno
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 energía asociada a
la reacción no es suficiente para reducir el NAD+.
El complejo enzimático
también es el único del ciclo que pasa dentro de la membrana mitocondrial. Tal
posición se debe a la implicación 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 unión estable entre la enzima y el cofactor mismo.
Reacción
7: Fumarasa (De fumarato a L-malato)
Reacción fumarato-L-malato
La fumarasa cataliza la adición en trans de un protón y un grupo OH-
procedentes de una molécula de agua. La hidratación del fumarato produce
L-malato.
Reacción
8: Malato deshidrogenasa (De L-malato a oxalacetato)
Reacción
L-malato-oxalacetato La última reacción del ciclo de Krebs consiste en la
oxidación del malato a oxalacetato. La reacción, catalizada por la malato
deshidrogenasa, utiliza otra molécula de NAD+ como aceptor de hidrógeno,
produciendo NADH.
La energía libre de Gibbs
asociada con esta última reacción es decididamente positiva, a diferencia de
las otras del ciclo. La actividad de la enzima es remolcada por el consumo de
oxalacetato por parte del citrato sintasa, y de NADH por parte de la cadena de
transporte de electrones.
No hay comentarios.:
Publicar un comentario
Nota: sólo los miembros de este blog pueden publicar comentarios.