El ciclo de Krebs , también llamado ciclo del ácido cítrico por el anglicismo, es una vía metabólica presente en todos los organismos aeróbicos y cuya función principal es oxidar los grupos acetilo , en particular a partir de la degradación de los carbohidratos , las grasas y de las proteínas , para recuperar energía en la forma de ocho electrones de alto potencial y la transferencia de una molécula de GTP o ATP ; electrones con alto potencial de transferencia, recuperados de NADH y ubiquinol (CoQ 10 H 2o coenzima Q 10 reducido ), pueden circular a través de la cadena respiratoria para permitir a su vez la formación de moléculas de ATP adicionales por fosforilación oxidativa .
Este ciclo fue descubierto por etapas en la década de 1930 , varios de sus elementos fueron identificados por el biólogo molecular húngaro Albert Szent-Györgyi mientras que su funcionamiento cíclico fue destacado por el bioquímico alemán Hans Adolf Krebs en 1937. Se desarrolla en el citoplasma de procariotas y en las mitocondrias de eucariotas . Es un ciclo porque el último metabolito , el oxalacetato , también participa en la primera reacción. El primer paso es transferir el grupo acetilo de acetil-CoA a oxaloacetato para formar citrato , que le dio al anillo su nombre en inglés y alemán. Los siguientes pasos forman una secuencia de reacciones, cada una catalizada por una enzima específica, que conduce a la oxidación gradual del grupo acetilo en dos moléculas de dióxido de carbono (CO 2). Al hacerlo, este ciclo también produce precursores para la biosíntesis de ciertos aminoácidos proteinogénicos , mientras que el NADH puede usarse en un gran número de reacciones bioquímicas .
El ciclo de Krebs es el punto final común de la degradación de poliholósidos ( glucólisis , vía de las pentosas fosfato ), lípidos ( β-oxidación ) y aminoácidos , que dan como resultado la formación de acetil-CoA; el último es una forma de transporte de grupos acetilo desde el piruvato . También hay reacciones de escape en el ciclo que permiten varias biosíntesis; el ciclo del glioxilato , ausente en los animales pero presente en particular en las plantas , es un ejemplo entre otros de tales vías metabólicas que utilizan el ciclo de Krebs.
El hecho de que el ciclo de Krebs sea esencial para muchas vías metabólicas, tanto anabólicas como catabólicas , sugiere que probablemente fue uno de los primeros componentes básicos del metabolismo celular que tuvo lugar durante la evolución , posiblemente por abiogénesis . Está relacionado con reacciones que ocurren en bacterias anaeróbicas y se dice que ha evolucionado en varias etapas; En teoría, existen varias alternativas al ciclo de Krebs, pero esta última parece ser la más eficiente: si varias alternativas han evolucionado de forma independiente, todas deben haber convergido hacia el ciclo de Krebs.
La siguiente tabla resume las diez etapas del ciclo de Krebs, catalizadas por ocho enzimas diferentes. Estos pasos se conservan notablemente dependiendo de la especie , pero las enzimas pueden, por otro lado, diferir significativamente de un organismo a otro. Las reacciones y enzimas que se muestran en esta tabla son las que prevalecen en los mamíferos .
Sustratos | Productos | Enzima | Tipo de reacción | Observaciones | |
---|---|---|---|---|---|
1 |
El oxaloacetato + Acetil-CoA + H 2 O |
Citrato + CoA-SH |
Citrato sintasa ( EC ) |
Crotonización | Irreversible, extiende el oxalacetato (4C) en una molécula a seis átomos de carbono. |
2 | Citrato |
cis -Aconitate + H 2 O |
Aconitasa ( EC ) |
Deshidración | Isomerización reversible |
3 |
cis -Aconitate + H 2 O |
Isocitrato | Hidratación | ||
4 |
Isocitrato + NAD + |
Oxalosuccinato + NADH + H + |
Isocitrato deshidrogenasa ( EC ) |
Oxidación | Producto de NADH (equivalente a 2,5 ATP ) |
5 | Oxalosuccinato |
α-cetoglutarato + CO 2 |
Descarboxilación | Reacción limitante, paso irreversible, que produce una molécula con cinco átomos de carbono. |
|
6 |
α-cetoglutarato + NAD + + CoA-SH |
Succinil-CoA + NADH + H + + CO 2 |
Complejo de Α-cetoglutarato deshidrogenasa ( EC ) |
Descarboxilación oxidativa |
Paso irreversible, que produce NADH (equivalente a 2,5 ATP ), que conduce a una molécula con cuatro átomos de carbono (excluida la coenzima A ) |
7 |
Succinil-CoA + PIB + P i |
Succinato + CoA-SH + GTP |
Succinil-CoA sintetasa ( EC ) |
Fosforilación | o ADP → ATP en lugar de GDP → GTP, produce una molécula de ATP o equivalente La reacción de condensación de PIB con el P i y la hidrólisis de succinil-CoA implica la molécula de H 2 O requerido para el equilibrio de la reacción. |
8 |
Succinato + CoQ 10 |
Fumarato + CoQ 10 H 2 (ubiquinol) |
Succinato deshidrogenasa ( EC ) |
Oxidación | Utiliza FAD como grupo protésico (FAD → FADH 2en la primera etapa de la reacción), equivalente a 1,5 ATP |
9 |
Fumarato + H 2 O |
L- malato |
Fumarasa ( EC ) |
Hidratación | |
10 |
L- malato + NAD + |
Oxaloacetato + NADH + H + |
Malato deshidrogenasa ( EC ) |
Oxidación | Reversible (en realidad, el equilibrio favorece la formación de L- malato ), producto de NADH (equivalente a 2,5 ATP ) |
La citrato sintasa condensa el oxalacetato y acetil CoA en citrato con liberación de CoA . Se forma un intermedio transitorio, citroil-CoA . El enlace tioéster de acetil-CoA es un enlace con alto potencial de hidrólisis . El acoplamiento de las actividades hidrolasa y sintasa hace que la reacción de síntesis sea termodinámicamente posible. Esta reacción es un paso regulador del ciclo, con succinil-CoA , NADH , acetil-CoA , citrato y ATP como efectores negativos en la velocidad de reacción .
+ Acetil-CoA + H 2 O → CoA + | ||
Oxaloacetato | Citrato | |
Citrato sintasa - EC |
La aconitasa , una liasa , cataliza la deshidratación del citrato en cis -aconitato . Aunque la molécula de citrato parece ser simétrica, se ha demostrado que la salida de agua se produce entre los átomos de carbono derivados del oxaloacetato :
H 2 O + | ||
Citrato | cis -Aconitate | |
Aconitasa - EC |
La aconitasa también cataliza la hidratación del cis -aconitato en isocitrato :
+ H 2 O | ||
cis -Aconitate | Isocitrato | |
Aconitasa - EC |
Los dos pasos anteriores, catalizados por la aconitasa , conducen a la isomerización del citrato a isocitrato :
H 2 O + | ||||
Citrato | cis -Aconitate | Isocitrato | ||
Aconitasa - EC |
La isocitrato deshidrogenasa , una oxidorreductasa , cataliza la oxidación de isocitrato en oxalosuccinato :
+ NAD + NADH + H + + | ||
Isocitrato | Oxalosuccinato | |
Isocitrato deshidrogenasa - EC |
Los eucariotas utilizan una isocitrato deshidrogenasa dependiente de NAD + ( EC ), que requiere como cofactor iones Mn 2+ o Mg 2+ . Los propios procariotas utilizan una isocitrato deshidrogenasa dependiente de NADP + ( EC ).
La isocitrato deshidrogenasa cataliza también la descarboxilación de oxalosuccinato , volátil, α-cetoglutarato con desprendimiento de CO 2, en una reacción irreversible:
→ CO 2 + | ||
Oxalosuccinato | α-cetoglutarato | |
Isocitrato deshidrogenasa - EC |
También es un paso regulador en el ciclo, con NADH y ATP como efectores negativos . La presencia de ADP, por el contrario, promueve la actividad de la isocitrato deshidrogenasa y, por lo tanto, la velocidad de esta reacción.
El complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa de α-cetoglutarato a succinil-CoA con producción de NADH + H + y liberación de CO 2. Es una reacción similar a la que convierte el piruvato en acetil-CoA , catalizada por el complejo de piruvato deshidrogenasa . Este complejo enzimático involucra sucesivamente tres enzimas - α-cetoglutarato deshidrogenasa , dihidrolipoamida S-succiniltransferasa y dihidrolipoil deshidrogenasa - y cinco cofactores : TPP , lipoamida , coenzima A , FAD y NAD + . Esta reacción es irreversible.
+ CoA-SH + NAD + → NADH + H + + CO 2 + | ||
α-cetoglutarato | Succinil-CoA | |
Complejo de Α-cetoglutarato deshidrogenasa - EC |
El NADH , el GTP y la succinil-CoA son efectores negativos sobre la actividad del complejo enzimático.
La sintetasa succinil CoA o succinato tioquinasa , convierte la succinil CoA en succinato y coenzima A , formando una molécula de GTP en animales o ATP en plantas y bacterias . Esta reacción es reversible.
+ PIB / ADP + Pi GTP / ATP + CoA + | ||
Succinil-CoA | Succinato | |
succinil-CoA sintetasa (formando GTP / ATP) - EC / EC |
La succinato deshidrogenasa , una oxidorreductasa , cataliza la oxidación del succinato en fumarato con la reducción concomitante de ubiquinona ( coenzima Q 10) en ubiquinol (CoQ 10 H 2). Esta enzima flavoprotéique a ADF es el complejo II de la cadena respiratoria . Es inhibido por malonato . Dado que el FAD es un grupo protésico unido covalentemente a la enzima, solo transmite electrones y protones al sustrato de CoQ 10 "real"..
+ FAD FADH 2 + | ||
Succinato | Fumarato | |
Succinato deshidrogenasa - EC |
Esta reacción es la cuarta y última reacción reguladora del ciclo. El malonato es aquí el inhibidor competitivo.
La fumarasa , una liasa, cataliza la hidratación del fumarato a L- malato .
+ H 2 O | ||
Fumarato | L- malato | |
Fumarasa - EC |
La malato deshidrogenasa , una oxidorreductasa , convierte el L- malato en oxalacetato con formación de NADH + H + .
+ NAD + NADH + H + + | ||
L- malato | Oxaloacetato | |
Malato deshidrogenasa - EC |
Esta reacción es catalizada por una malato deshidrogenasa dependiente de NAD + ( EC ) en eucariotas y dependiente de quinonas ( EC ) en procariotas .
El ciclo de Krebs se compone de 10 pasos catalizados por ocho enzimas diferentes. Durante el ciclo se producen, desde un mol de acetato y hasta la etapa de CO 2y H 2 O :
Se puede ver que el ciclo de Krebs produce solo un equivalente de ATP (un GTP ), es decir, menos que la glucólisis (cuatro moléculas de ATP por una molécula de glucosa , dos de las cuales se utilizan durante la fase de "activación" de la glucólisis - pasos 1 y 3, que corresponden a fosforilaciones ). La mayor parte de la energía química potencial se produce en forma de poder reductor ( NADH + H + y CoQ 10 H 2). Este poder reductor se utiliza posteriormente en la cadena respiratoria de las mitocondrias para producir otras 11 moléculas de ATP a través de un gradiente de protones y ATP sintasa que a veces se atribuye erróneamente al ciclo de Krebs.
Descripción | Sustratos | Productos |
La suma de todas las reacciones de oxidación de acetil-CoA por el ciclo de Krebs (excluyendo la cadena respiratoria ) corresponde a: | Acetil-CoA + 3 NAD + + CoQ 10 + PIB + P i + 2 H 2 O | → CoA-SH + 3 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 2 CO 2 |
Volviendo a la descarboxilación del piruvato , los resultados son: | Piruvato + 4 NAD + + CoQ 10 + PIB + P i + 2 H 2 O | → 4 (NADH + H + ) + CoQ 10 H 2 + GTP + 3 CO 2 |
Volviendo a la oxidación de la glucosa por glucólisis , los resultados son: | Glucosa + 10 NAD + + 2 CoQ 10+ 2 ADP + 2 GDP + 4 P i + 2 H 2 O | → 10 (NADH + H + ) + 2 CoQ 10 H 2 + 2 ATP + 2 GTP + 6 CO 2 |
Esto corresponde, en total, a toda la respiración aeróbica ( glucólisis , ciclo de Krebs, reducción de las coenzimas NAD + y CoQ 10por la cadena respiratoria ) entre 30 y 38 ATP para una molécula de glucosa estimada, dependiendo en parte de la lanzadera mitocondrial dependiente de ATP utilizada para transportar NAD + desde la glucólisis.
El uso de glucosa por respiración aeróbica es más energético que la fermentación .
En presencia de una gran cantidad de acetil-CoA , el ciclo de Krebs puede verse abrumado, especialmente en diabéticos con deficiencia severa de insulina o después de un ayuno prolongado (ver cetoacidosis diabética para más detalles).
Aunque el ciclo de Krebs está generalmente muy conservado entre especies, existen variaciones significativas en las enzimas presentes en los diferentes taxones . En particular, existen diferencias entre procariotas y eucariotas . Por tanto, la conversión de D - treo -isocitrato en α-cetoglutarato es catalizada por una isocitrato deshidrogenasa dependiente de NAD + ( EC ) en eucariotas pero dependiente de NADP + ( EC ) en procariotas. Lo mismo se aplica a la conversión de L- malato en oxaloacetato , catalizada por una malato deshidrogenasa dependiente de NAD + ( EC ) en eucariotas y dependiente de quinonas ( EC ) en procariotas.
La conversión de succinil-CoA en succinato por la succinil-CoA sintetasa exhibe una variabilidad significativa. La mayoría de los seres vivos utilizan una enzima dependiente de ADP ( EC ), mientras que los mamíferos también utilizan la isoforma dependiente de GDP ( EC ) de esta enzima. La tasa de uso de cada una de estas dos formas de la enzima depende de los tejidos considerados. En ciertas bacterias productoras de acetato como Acetobacter aceti (en) , es una enzima totalmente diferente la que cataliza esta reacción, en este caso succinil-CoA: acetato CoA-transferasa ( EC ): esta enzima lleva a cabo la unión del ácido acético. metabolismo ácido con el ciclo de Krebs en estos organismos. Algunas bacterias como Helicobacter pylori utilizan una enzima incluso diferente para esta reacción, en este caso 3-oxoácido CoA-transferasa ( EC ).
También existe cierta variabilidad en el paso anterior, es decir en la conversión de α-cetoglutarato en succinly-CoA . La mayoría de los seres vivos usan el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa , pero algunas bacterias usan α-cetoglutarato sintasa ( EC ). Otros organismos, incluidas bacterias y arqueas autótrofas y metanotróficas obligatorias, evitan por completo la succinil-CoA y convierten el α-cetoglutarato en succinato a través del semialdehído succínico mediante la acción sucesiva de la α-cetoglutarato descarboxilasa ( EC ) y la succinato-semialdehído deshidrogenasa ( EC ).
Las etapas irreversibles del ciclo de Krebs se pueden regular: etapa de citrato sintasa , isocitrato deshidrogenasa y complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa :
La regulación del ciclo de Krebs se basa principalmente en la disponibilidad del sustrato y la inhibición por los productos de reacción. Si estas reacciones no estuvieran reguladas, el ciclo de Krebs desperdiciaría grandes cantidades de energía metabólica al producir un exceso de ATP y reducir las coenzimas como NADH .
El trabajo publicado en 2007 mostró un vínculo importante entre los intermedios del ciclo de Krebs y la regulación de los factores inducidos por hipoxia ( HIF ). Desempeñan un papel en la homeostasis del oxígeno como factores de transcripción implicados en la angiogénesis , remodelación vascular, movilización de glucosa , transporte de iones y apoptosis . Los HIF se sintetizan constitutivamente y la hidroxilación de al menos uno de los dos residuos de prolina está involucrada en su interacción con el complejo ubiquitina ligasa , que los designa como un objetivo para una rápida degradación. Esta reacción es catalizada por procolágeno-prolina dioxigenasas . El fumarato y el succinato son inhibidores eficaces de estas enzimas, que podrían estabilizar el HIF.
Varias vías metabólicas convergen en el ciclo de Krebs. La mayoría de estas reacciones producen metabolitos que participan en el ciclo y, por tanto, son reacciones anapleróticas ; los procesos que, por otro lado, consumen metabolitos del ciclo de Krebs se denominan catapleróticos.
Todos los intermedios del ciclo de Krebs, como citrato , isocitrato , α-cetoglutarato , succinato , fumarato , L- malato y oxaloacetato , se regeneran con cada vuelta del ciclo. El aumento de la cantidad disponible de uno de estos metabolitos aumenta la cantidad total de todos los metabolitos en el ciclo, ya que cada intermedio se convierte gradualmente en todos los demás intermedios del ciclo. Esta es la razón por la que la producción de cualquiera de los metabolitos del ciclo de Krebs tiene un efecto anaplerótico general en ese ciclo, mientras que el consumo de cualquier metabolito tiene un efecto cataplerótico en la totalidad del ciclo.
Las moléculas de piruvato resultantes de la glucólisis se transportan activamente desde el citosol a la matriz mitocondrial a través de la membrana mitocondrial interna . Una vez en la matriz, pueden oxidarse y reaccionar con la coenzima A para formar CO 2., acetil-CoA y NADH , o pueden ser carboxilados por piruvato carboxilasa para formar oxalacetato . Esta es una reacción anaplerótica que aumenta el flujo y, por lo tanto, el flujo a través del ciclo de Krebs cuando la célula se enfrenta a una mayor necesidad de energía metabólica, por ejemplo, en los miocitos .
La acetil-CoA , sin embargo, deriva de la oxidación de piruvato o de la β-oxidación de ácidos grasos , no se regenera por el ciclo de Krebs: por el contrario, cada vuelta de los consume ciclo una molécula de acetil-CoA por oxaloacetato molécula de la matriz mitocondrial, mientras que la acetil residuo de la acetil-CoA está totalmente oxidado a CO 2y en H 2 Oa través de la cadena respiratoria , permitiendo recuperar la energía metabólica en forma de ATP por fosforilación oxidativa .
Por tanto, las vías metabólicas que producen o consumen acetil-CoA no son anapleróticas ni catapleróticas para el ciclo de Krebs.
En el hígado, la carboxilación del piruvato citosólico a oxaloacetato mitocondrial es un paso avanzado en la gluconeogénesis , que convierte el lactato y la alanina desaminada en glucosa bajo el efecto de un nivel elevado de glucagón y / o adrenalina en la sangre . En estas condiciones, la formación de oxaloacetato en las mitocondrias no muestra un efecto anaplerótico porque el L- malato mitocondrial se consume para formar oxalacetato citosólico, que se convierte en glucosa.
En el proceso de degradación de proteínas , las cadenas polipeptídicas son escindidas por peptidasas en los aminoácidos que las constituyen. Su cadena de carbono puede entonces:
En el proceso de lipólisis , los triglicéridos se hidrolizan en glicerol y ácidos grasos . En el hígado , el glicerol se puede convertir en glucosa a través del fosfato dihidroxiacetona y el gliceraldehído 3-fosfato en el contexto de la gluconeogénesis . En muchos tejidos , incluidos el corazón y los músculos esqueléticos , los ácidos grasos se degradan mediante la β-oxidación , que produce acetil-CoA mitocondrial capaz de unirse al ciclo de Krebs. Los ácidos grasos con un número impar de átomos de carbono producen propionil-CoA , que se convierte en succinil-CoA y se une al ciclo de Krebs intermedio como anaplerótico.
Varios metabolitos del ciclo de Krebs están involucrados en la biosíntesis de compuestos importantes, mostrando un efecto cataplerótico significativo en el ciclo.
Como la acetil-CoA no puede dejar las mitocondrias como está , es el citrato el que se transporta a través de la membrana mitocondrial interna desde la matriz mitocondrial hasta el citosol , donde se escinde en acetil-CoA y oxaloacetato por la ATP citrato liasa . El oxalacetato se puede utilizar para la gluconeogénesis en el hígado o se puede convertir en L- malato y unirse a las mitocondrias. La acetil-CoA citosólica se utiliza para la biosíntesis de ácidos grasos y colesterol . Este último, a su vez, ser utilizada para producir las hormonas esteroides , los ácidos biliares y vitamina D .
Durante la gluconeogénesis , el oxalacetato mitocondrial se reduce a malato , que posteriormente se transporta fuera de las mitocondrias para volver a oxidarse a oxalacetato en el citosol . A continuación, este último se descarboxila a fosfoenolpiruvato por la fosfoenolpiruvato carboxiquinasa , que es el paso cinéticamente determinante en la conversión en glucosa de prácticamente todos los precursores de la glucoconformación, como los aminoácidos y la lactato , por parte del hígado y los riñones .
La cadena de carbono de muchos aminoácidos no esenciales se origina a partir de metabolitos del ciclo de Krebs. El aspartato y la asparagina se derivan del oxaloacetato , mientras que la glutamina , la prolina y la arginina se derivan del α-cetoglutarato . El grupo amina proviene del glutamato por transaminación en un α-cetoácido usando enzimas que usan fosfato de piridoxal como cofactor ; durante estas reacciones, el glutamato se convierte en α-cetoglutarato, que es un metabolito del ciclo de Krebs.
El aspartato y la glutamina intervienen también en la biosíntesis de las nucleobases purinas que entran en la composición del ácido nucleico - ADN y ARN - así como de nucleótidos como el ATP , el AMP cíclico , el NAD , el ADF y la CoA . Las bases nucleicas de pirimidina , por su parte, se derivan del aspartato , que a su vez se deriva del oxalacetato .
La mayoría de los átomos de carbono de las porfirinas provienen de la succinil-CoA , un metabolito del ciclo de Krebs. Las porfirinas son los grupos protésicos de hemoproteínas , como la hemoglobina , la mioglobina y los citocromos .