Ciclo del ácido Tricarboxílico

Ciclo de Krebs

Las tres etapas de la respiración: En la etapa 1,el carbono de los combustibles metabólicos seincorpora a la acetil–CoA. En la etapa 2, el ciclodel ácido cítrico, la oxidación del carbonoproduce CO2, transportadores electrónicosreducidos y una pequeña cantidad de ATP. En laetapa 3, los transportadores electrónicosreducidos se reoxidan aportando energía parala síntesis de más ATP

Mitocondrias

• Aspecto: Son orgánulos muy pequeños, difíciles de observar al microscopioóptico, al que aparecen como palitos o bastoncitos alargados. Son orgánulospermanentes de la célula y se forman a partir de otras mitocondriaspreexistentes.

• Forma y número: El número de mitocondrias en una célula puede llegar aser muy elevado (hasta 2000). Normalmente suelen tener forma elíptica,aunque también pueden ser filamentosas u ovoides. Sus dimensiones sonmuy pequeñas (1 a 7 μm de longitud por 0.5 μm de diámetro).

Ultraestructura:

• Se observa la presencia de una membrana externa y una membrana interna,ambas similares a las demás membranas de la célula.

• La membrana interna se prolonga hacia el interior en una especie de láminasllamadas crestas mitocondriales.

• Entre ambas membranas hay un espacio llamado espacio intermembrana(de unos 100 Å). Dentro de la mitocondria, entre las crestas, está la matrizmitocondrial.

Transformación del Piruvato en Acetil - CoA

• En condiciones aeróbicas el ácido pirúvico obtenido en la glucolisis y enotros procesos catabólicos atraviesa la membrana de la mitocondria y enla matriz mitocondrial va a sufrir un proceso químico que tiene dosvertientes:

1. Descarboxilación. El ácido pirúvico va a perder el grupo CO2

correspondiente al primer carbono, el carbono que tiene la función ácido.

2. Oxidación. Al perderse el primer carbono, el segundo pasa de tener ungrupo cetona a tener un grupo aldehído. Este grupo se oxidará a grupoácido (ácido acético) por acción del NAD+ . En el proceso interviene unasustancia, la coenzima-A (HS-CoA) que se unirá al ácido acético para daracetil-coenzima A (ACA).

H3C C C O

O O

C S

O

H3C CoA

HSCoA

NAD+ NADH

+ CO2

Pyruvate Dehydrogenase

pyruvate acetyl-CoA

La piruvato dehidrogenasa está regulada por dosmecanismos superpuestos.

1.- Está inhibida alostericamente cuando lasproporciones de ATP/ADP y NADH/NAD+ son altas

2.- Se inhibe cuando la disponibilidad decombustible para el ciclo, en forma de Acetil-CoA oácidos grasos, es alta. Y se activa cuando lasdemandas energéticas crecen y por tanto el flujode Acetil-CoA aumenta.

Se forman 2 nuevas moléculas de NADH+ H+ por cada molécula de glucosa y, al mismotiempo, se originan las primeras 2 moléculas de CO2.

Regulada por un mecanismo de modificación covalente.

Enzima - Pi

Enzima

Piruvato

deshidrogenasa

quinasa

Piruvato

deshidrogenasa

fosfatasa+ ATP

Inactiva

Activa

Enzima - Pi

Enzima

Piruvato

deshidrogenasa

quinasa

Piruvato

deshidrogenasa

fosfatasa+ ATP

Inactiva

Activa

La interconversión entre las formas fosforilada y defosforilada está catalizada por lasenzimas piruvato deshidrogenasa kinasa y la piruvato deshidrogenasa fosfatasa.

La kinasa es activada por ATP cuando la concentración de ATP es alta, mientras que lapiruvato deshidrogenasa se inactiva por fosforilación.

Ciclo de krebs

• Es la vía de oxidación de la mayor parte de carbohidratos, ácidos grasos yaminoácidos y genera numerosos metabolitos intermediarios de otras rutasmetabólicas. Es un ciclo anfibólico, es decir, opera catabólica y anabólicamente.

• Las ocho enzimas del ciclo catalizan una serie de reacciones que, globalmente,oxidan un grupo acetilo a dos moléculas de dióxido de carbono, con lageneración de tres moléculas de NADH, una de FADH2 y una de GTP

Es alimentado continuamente en substratos y continuamente genera productos. Lassustancias intermediarias se recuperan para ser de nuevo integradas en él. Como una ruedagirando sin fin, sólo se detendrá si faltan los substratos o si, por exceso de productos, seinhiben las enzimas que participan en él.

1.- Condensación de la acetil-CoA con el ácido oxalacético.

• La enzima que cataliza la entrada de la acetil CoA en el ciclo del acido cítricose conoce como Citrato sintetasa y se encuentra en la matriz mitocondrial.

• La reacción se efectúa por condensación de un carbanión en el grupo metilode la Acetil CoA con oxalacetato.

• En este proceso se recupera la CoA-SH.

Regulación del ciclo

2.- Transformación del ácido cítrico en su isómero, el ácido isocítrico(reordenamiento)

• La Aconitasa cataliza los equilibrios reversibles entre los ácidos cítrico, cis-aconítico e isocítrico.

• Esta enzima cataliza la adición trans reversible del H2O al doble enlace delacido cis-aconítico que es un intermediario ligado a la enzima en lainterconversión de los dos isómeros del ácido cítrico.

3.- Descarboxilación oxidativa del ácido isocítrico.

• La enzima Isocítrico deshidrogenasa cataliza la β-descarboxilación oxidativadel ácido isocítrico en acido α-cetoglutarato y CO2 en presencia del catiónbivalente Mg+2 o Mn+2.

• El NAD+ funciona como agente oxidante y el β-cetoácido, ácidooxalosuccínico, es un intermediario unido a la enzima.

Regulación del ciclo

4.- Descarboxilación oxidativa del ácido α-cetoglutárico.

• Comprende la formación de succinil CoA por la Ácido α-cetoglutáricodeshidrogenasa.

• Esta enzima requiere TPP, Mg+2, NAD+, FAD+, ácido lipoico y CoA comocofactores.

• Esta reacción es irreversible. La succinil CoA, producida en la reacción, esun inhibidor competitivo e inhibe fuertemente su propia formación apartir de α-cetoglutarato, a menos que se eliminen

5.- Fosforilación a nivel de sustrato.

• La enzima succinico tiocinasa cataliza la formación de una estructura de fosfato de alta energía a expensas del succinil CoA.

• El GTP formado en la reacción puede reaccionar para formar ATP y GDP en una reacción catalizada por una nucleósido difosfocinasa localizada en el espacio intermembrana de la mitocondria

• En estos momentos ya se ha completado la degradación del CH3-CO-CoA conla formación de 2 moléculas de CO2, cuatro por cada molécula de glucosa.Tenemos ya las 6 moléculas de CO2 que puede originar la glucosa.

• Las reacciones que vienen a continuación van a servir para recuperar el ácidooxalacético.

6.- Oxidación del acido succínico.

• Esta reacción esta a cargo de la succínico deshidrogenasa que cataliza laeliminación de dos átomos de hidrógeno del ácido succínico para formar ácidofúmarico.

• El aceptor intermediario (agente oxidante) de los electrones es el FAD que seune covalentemente mediante un residuo de histidina a la enzima

• La succínico deshidrogenasa es inhibida competitivamente por el ácidomalónico, un homologo del acido succínico

7.- Hidratación.

• La adición de H2O al ácido fumárico para formar ácido L-málico es unareacción catalizada por la enzima Fumarasa.

8.- Oxidorreducción del Malato.

• El ciclo de krebs concluye con la oxidación del acido L-málico en ácidooxalacetico por la enzima Málico deshidrogenasa.

• Esta es la cuarta reacción de oxidorreducción presente en el ciclo; el agenteoxidante es el NAD.

• La oxidación completa de los grupos acetilo sigue entonces la siguienteestequiometría:

3NAD+ + FAD + GDP + acetil-CoA + Pi 3NADH + FADH2 + GTP + CoA + 2CO2

• Catalíticamente, el ciclo funciona como consecuencia de la regeneración deloxalacetato. Se pueden oxidar un número ilimitado de grupos acetilo con lamediación de una sola molécula de oxalacetato, ya que ésta se regenera enel ciclo.

• El NADH y el FADH2 son productos vitales del ciclo. Su reoxidación por eloxígeno, a través de la cadena de transporte electrónico y la fosforilaciónoxidativa, completa la degradación del combustible metabólico para lasíntesis de ATP.

• Hay dos aspectos importantes sobre el ciclo de Krebs que deben conocerse:a) La regulación del ciclo

b) La naturaleza anfibólica del ciclo

a) Regulación del ciclo:

• El flujo de carbono desde el piruvato a través del ciclo del ácido cítrico estáfinamente regulado mediante efectores alostéricos y/o modificacióncovalente de ciertas enzimas regulatorias.

• Además de la regulación a nivel de la piruvato deshidrogenasa, este cicloestá regulado a nivel de la entrada de acetil-CoA en el ciclo (citrato sintasa).

• Además, también juegan un importante papel en la regulación del ciclo laIsocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa.

Estas enzimas, en la mayoría de los casos, parecen estar controladas de tresmaneras simples:

a) Disponibilidad de sustrato.

b) Inhibición por producto.

c) Inhibición competitiva por retroalimentación de los intermediarios que seencuentran más adelante en el ciclo.

Por ejemplo, la citrato sintasa y la Isocitrato deshidrogenasa se inhiben porATP, y la α- cetoglutarato deshidrogenasa se inhibe por sus productossuccinil-CoA y NADH.

- Acetil CoA

- NADH

- ATP

+AMP

+ADP

- NADH

- Succinil CoA

- NADH

- NADH

b) Naturaleza anfibólica del ciclo

• El ciclo de los ácidos tricarboxílicos es una ruta catabólica, pero sin embargo, varios desus intermediarios son moléculas iniciales de una serie de rutas biosintéticas(anabólicas).

• Estas rutas precisan de energía y por lo tanto el ciclo de los ácidos tricarboxílicos debede funcionar para proporcionar esa energía. Las diferentes rutas que utilizanintermediarios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos son:

1. La biosíntesis de la glucosa o gluconeogénesis. Tiene lugar en el citosol y precisa deOAA. Este pasa la membrana en forma de malato.

2. La biosíntesis de lípidos, incluyendo la síntesis de ácidos grasos y la síntesis delcolesterol. Ocurre en el citosol y necesita de acetil-CoA. El acetil-CoA que se forma en lamitocondria no pasa la membrana y el acetil-CoA del citosol se origina a partir delcitrato, que pasa la membrana mediante un co-transporte con malato.

3. La biosíntesis de algunos aminoácidos. El a-CG y el OAA se utilizan para la síntesis deglutamato y aspartato.

4. La biosíntesis de porfirinas, que utiliza succinil-CoA.

Principales funciones biosintéticas de algunosde los intermediarios del ciclo del acido cítrico:Las rutas anapleróticas para la reposición deestos intermediarios se indican con fechas rojas

Balance Energético: