El catabolismo de las proteínas, el de los ácidos grasos y el de la glucosa, a pesar de ser procesos diferentes, presentan algunas características comunes y convergen, al final, en la formación de un compuesto común denomina acetil coenzima-A (acetil-CoA), el cual es posteriormente oxidado hasta dióxido de carbono y agua, con la consecuente producción de energía metabólica o ATP. Esto ocurre en tres etapas:

a) La formación de acetil-CoAb) La oxidación del acetil-CoA en el ciclo de Krebsc) La formación de ATP en la cadena respiratoria

La degradación glucolítica hasta piruvato sólo puede movilizar una pequeña parte de la energía almacenada en la glucosa. Es la conexión al ciclo del citrato, denominado también ciclo de los ácidos tricarboxílicos o, por su descrubridor, ciclo de Krebs.

El puente desde la glucólisis hasta el ciclo de Krebs lo constituye una reacción en condiciones aeróbicas que convierte el piruvato mediante una descarboxilación oxidativa de acetil-CoA. Este se incorpora en el ciclo y se degrada a CO2, con ello se generan equivalentes de reducción en forma de NADH Y FADH2, que se utilizan en las reacciones posteriores de la fosforilación oxidativa para producir grandes cantidades de ATP.

También la degradación de grasas y aminoácidos va a parar al ciclo de Krebs principalmente a través de acetil-CoA. Por otra parte, el ciclo de Krebs genera también componentes para la biosíntesis. Sus funciones integradoras hacen al ciclo de Krebs un elemento central del metabolismo. El ciclo transcurre en la matriz mitocondrial y está separado de la glucólisis, localizada en el citosol.

La descarboxilación oxidativa del piruvato libera acetil-CoA

Puente entre la glucólisis y el ciclo de Krebs: el piruvato producido citosólicamente se transporta a la matriz por simporte junto con H+ a través de la membrana interna de las mitocondrias. Allí un complejo enzimático mulfuncional, el complejo de la piruvato deshidrogenasa (PDH) cataliza la descarboxilación oxidativa del piruvato a acetil-CoA , donde se forman CO2 y NADH. Esta reacción es irreversible.

piruvato + CoA-SH+ NAD+ Acetil-CoA + CO2 +NADH

Tres componentes enzimáticos del complejo PDH se encargan de la descarboxilación oxidativa: la piruvato deshidrogenasa (E1), dihidrolipoil transacetilasa (E2) y la dihidrolipoil deshidrogenasa (E3). Participan también cinco coenzimas : pirofosfato de tiamina (TPP), coenzima A, lipoamida, FAD y NAD+.

Al principio de la compleja secuencia de reacciones, el piruvato se une al carbanión reactivo del grupo prostético de la piruvato deshidrogenasa, el pirofosfato de tiamina; con la liberación de CO2, se origina entonces un derivado hidroxietiltiamina (aldehído activo). El grupo hidroxietil se oxida a grupo acetil y se transfiere entonces formando entonces un tioéster a un primer resto de lipoamida.

Este grupo prostético de la transacetilasa transfiere en primer lugar acetil a un segundo resto de lipoamida y luego a la coenzima A, con lo que libera acetil-CoA. La dihidrolipoil deshidrogenasa regenera el grupo lipoamida con su grupo prostético FAD. El FADH2, así formado reduce finalmente el cosustrato NAD+ a NADH. Con ello el complejo multienzimático a alcanzado de nuevo su punto de partida.

El ciclo de Krebs es una secuencia cerrada de nueve reacciones individuales

Tras la descarboxilación oxidativa del piruvato puede empezar el ciclo de Krebs. A diferencia de la secuencia lineal de reacciones de la glucólisis, el ciclo de Krebs es una secuencia cerrada de nueve reacciones en la cual el producto inicial y el producto final son idénticos, concretamente oxalacetato. En cada ronda del ciclo se toma un grupo acetilo del acetil-CoA y se oxida a dos CO2, con lo que se originan tres NADH, un FADH2 y un GTP.

La reacción inicial del ciclo es la unión del oxalacetato con el acetil-CoA formando citrato. La enzima citrato sintasa forma un enlace C—C entre el grupo α-oxo del oxalacetato y el grupo metil CH ácido del acetil-CoA, formando un compuesto C6. La coenzima A necesaria para la activación se rompe hidrolíticamente.

En el siguiente paso del ciclo, la enzima aconitasa isomeriza el citrato a isocitrato. Esta reacción transcurre en dos etapas acopladas. Para empezar, el grupo hidroxilo en el C3 del citrato se elimina por deshidratación; con ello se obtiene el intermediario cis-aconitato con un enlace doble C—C.

En una hidratación específica, la aconitasa adiciona una molécula de H2O al cis-aconitato y coloca entonces el grupo hidroxilo en C2. De este modo se obtiene isocitrato. La suma de las dos semirreacciones es el paso de un grupo hidroxilo terciario a uno secundario, un aspecto esencial para las siguientes reacciones de descarboxilación.

Tipos de reacciones en el ciclo de KrebsReacción Enzimas y cofactoresAdición aldólica

Una sintasa forma un enlace C—C atacando nucleofílicamente el resto carbonilo de un α-oxoácido

Isomerización Una isomerasa desplaza un grupo hidroxilo en una reacción estereoespecífica de dos etapas, donde se obtiene un doble enlace por deshidratación

Hidratación Una hidratasa adiciona una molécula de agua estereoespecíficamente a un doble enlace, con lo que se obtiene un alcohol ópticamente activo.

Oxidación Dos deshidrogenasas catalizan la transferencia de electrones del sustrato al NAD+ o al FAD

Descarboxilación oxidativa

Dos deshidrogenasas/descarboxilasas eliminan oxidativamente CO2 de sus sustratos y transfieren al mismo tiempo electrones al NAD+.

Transferencia de grupos fosfato

Una sintetasa cataliza la transferencia de un grupo fosfato al GDP, con lo que se genera GTP

Las oxidorreductasas liberan equivalentes de reducción NADH y FADH2

En la siguiente reacción, la isocitrato deshidrogenasa, la primera de cuatro oxidorreductasas del ciclo de Krebs, descarboxila el isocitrato oxidativamente a α-oxoglutarato. Con ello se libera CO2 y se forma NADH.

isocitrato + NAD α-oxoglutarato + CO2 + NADH

También esta reacción tiene dos etapas. Con la oxidación del grupo hidroxilo de C2 se obtiene oxalosuccinato. En este proceso se transfieren 2 e- y 1 H+ al NAD+ y se libera un protón. Posteriormente se descarboxila oxalosuccinato, un ácido β-oxocarboxílico, de C3 y pasa al ácido dicarboxílico-C5 α-oxoglutarato.

Esta reacción prácticamente irreversible es la reacción clave del ciclo de Krebs. Es fuertemente exergónica y presta a la secuencia de reacciones una direccionalidad. Es por este motivo porque el ciclo nunca transcurre en sentido contrario. A continuación se produce una descarboxilación oxidativa también fuertemente exergónica, que esta catalizada por el complejo multienzimático α-oxoglutarato deshidrogenasa.

Aquí la coenzima implicada es pirofosfato de tiamina. El complejo multienzimático convierte α-oxoglutarato mediante una descarboxilación oxidativa en succinil-CoA. Este proceso libera otro CO2 y se forma NADH. El succinil-CoA originado por descarboxilación del α-oxoglutarato es un tioéster rico en energía, cuyo potencial de transferencia de grupo se puede utilizar para generar un resto de fosfato rico en energía.

La succinil-CoA-sintetasa catalilza la ruptura del succinil-CoA formando GTP a partir de GDP y Pi, así como la regeneración de CoA-SH.

Esta reacción es la única fase del ciclo de Krebs en la que se forma anhídrido de ácido fosfórico rico en energía. Posteriormente el GTP puede ceder un su grupo γ-fosfato al transportador universal de energía ATP.

El catalizador de esta reacción es la enzima nucleósido difosfato quinasa:

GTP + ADP GDP + ATP El ciclo alcanza de nuevo un compuesto C4; el succinato. A partir de ahí se regenera el oxalacetato siguiendo tres reacciones. Primero la succinato deshidrogenasa oxida succinato a fumarato formando FADH2.

succinato + FAD fumarato + FADH2A diferencia de las demás enzimas del ciclo de Krebs, que se encuentran en forma de proteínas solubles en la matriz mitocondrial, la succinato deshidrogenasa está fijada a la membrana mitocondrial interna, donde actúa de nexo entre el ciclo de Krebs y la fosforilación oxidativa.

La siguiente etapa del ciclo de Krebs es la hidratación del fumarato a L-malato. La enzima fumarasa cataliza esta reacción de adición estereoespecífica.

fumarato + H2O L-malato

Finalmente, la malato deshidrogenasa convierte el L-malato en oxalacetato. Con ello se oxida el grupo hidroxilo a α-oxoglutarato. El acepto de electrones es a su vez NAD+.

malato + NAD oxalacetato + NADH + H+

Con ella se cierra el ciclo. El ciclo ha llegado de nuevo al compuesto de partida oxalacetato. La reacción neta es:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O

2 CO2 + CoA—SH + 3 NADH + 2 H+ + FADH2 + GTP