CICLO DE KREBS

CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS
CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

Piruvato Deshidrogenasa
La conexión entre la llamada fase anaeróbica de
la glucólisis, en donde se metaboliza la glucosa
para convertirla en 2 moléculas de ácido
pirúvico, con la fase aeróbica de la glucólisis, que
llevará la degradación de la glucosa hasta CO 2 y
H 2O en el Ciclo de Krebs, consiste en la
descarboxilación oxidativa del piruvato a
Acetil-CoA.
Esta transformación es catalizada por un
complejo multienzimático llamado Piruvato
Deshidrogenasa.

Piruvato Deshidrogenasa
La conversión del piruvato a Acetil-CoA por la acción
de la Piruvato Deshidrogenasa es un punto crítico
del metabolismo, particularmente en el hígado,
puesto que disminuye la posibilidad de que el
piruvato se reconvierta en glucosa o en ácido láctico.
La conversión a Acetil-CoA compromete al piruvato
a entrar al Ciclo de Krebs, donde puede ser utilizado
como sustrato para la fosforilación oxidativa, o
puede ser convertido a citrato para ser exportado al
citosol y servir como sustrato para la biosíntesis de
ácidos grasos e isoprenoides.

Piruvato Deshidrogenasa
La descarboxilación oxidativa del piruvato en los
organismos anaeróbicos requiere la utilización
de un receptor de electrones diferente al NAD + ,
el cual es frecuentemente una proteína ferro
sulfurada.
La conversión es catalizada por una enzima
dependiente de tiamina (vitamina B1) que
tambien produce la acilación de la Coenzima-A.
Los equivalentes reductores son eliminados por
la producción de H 2 por la actividad de una
hidrogenasa.

Piruvato
Acetil-CoA
Oxaloacetato
Piruvato deshidrogenasa
Citrato
Citrato Sintetasa
H 2 O

PIRUVATO DESHIDROGENASA
FORMACIÓN DE ACETIL-COENZIMA A

PIRUVATO DESHIDROGENASA
UNA REACCIÓN MUY FÁCIL DE PONER EN EL PAPEL.
PERO MUY DIFÍCIL DE LLEVAR A CABO POR LA COMPLEJIDAD DEL SISTEMA
ENZIMÁTICO NECESARIO PARA QUE SE REALICE
PIRUVATO Acetil-CoA
•Es un complejo formado
por tres enzimas que
transforma el piruvato
resultante de la glucólisis,
en Acetil-CoA por medio
de una reacción de
descarboxilación oxidativa.
•De esta manera enlaza la
Vía de Embden-Meyerhof
con el Ciclo de Krebs.

Piruvato Deshidrogenasa
La Piruvato deshidrogenasa es un sistema complejo formado
por 60 unidades en los procariotas, 102 en los eucariotas,
organizadas en 3 unidades enzimáticas funcionales
Este complejo multienzimático está estructural y
funcionalmente relacionado con otros dos procesos de gran
importancia para el metabolismo celular la cetoglutárico
deshidrogenasa y la alfa-cetoácido deshidrogenasa
responsable de la degradación de algunos amino ácidos.
El complejo está formado por las siguientes enzimas. Cada una
de las cuales requiere un conjunto de cofactores específicos:
1. Piruvato deshidrogenasa {Tiamina Pirofosfato}
2. Dihidrolipoil Transacetilasa {Lipoil-CoA}
3. Dihidrolipoil Deshidrogenasa {FAD y NAD + }

Es el paso limitante de toda la reacción de
conversión del pirúvico en Acetil-CoA.
Requiere Tiamina (Vitamina B1) pirofosfato como
cofactor. Por esta razón la tiamina fue llamada en un
tiempo cocarboxilasa.
La enzima está formada por 24 subunidades en los
procariotas y por 30 subunidades en los eucariotas.
El mecanismo central de la actividad enzimática es
un ataque nucleofílico sobre el carbono 2 (ceto) del
pirúvico, con la producción de un hemi-tioacetal que
libera el CO 2
Al final de la reacción se libera el CO 2 resultante de
la descarboxilación del piruvato y el derivado
acilado de la tiamina pirofosfato.

Una reacción de transacilación transfiere el
grupo acetil del derivado acetil de la
Tiamina pirofosfato y lo transfiere a la
Coenzima A.
Esto produce Acetil-CoA, que es liberada al
interior de la mitocondria para entrar en el
ciclo de Krebs y convierte la Lipoil-CoA en
la forma reducida del ácido Lipoico.
La Dihidrolipoil Transacetilasa es la enzima
mas compleja del grupo y esta formada por
24 subunidades en los procariotas y por 60
subunidades en los eucariotas.

E3 Dihidrolipoil Deshidrogenasa
Para que la reacción continúe se requiere reformar la
Lipoil-CoA, para lo cual el ácido Lipoico debe ser
oxidado nuevamente.
La forma reducida del ácido Lipoico es oxidada
mediante un reacción que requiere FAD como
cofactor, el cual será convertido a FADH 2.
Enseguida la forma reducida del FAD, FADH 2, es
reoxidada por una reacción ligada a NAD + ,
produciéndose NADH.
La dihidrolipoil deshidrogenasa es la parte más
sencilla del complejo enzimático y está formada por
12 subunidades tanto en procariotas como en
eucariotas

Por anaplerosis.- La mayor parte del piruvato se oxida a
acetil-CoA, pero una cierta cantidad se convierte en
oxalacetato (proceso anaplerótico), permitiendo que la
acetil-CoA se combine con este último para que el ciclo
de Krebs funcione adecuadamente.
Por inhibición competitiva.- Tanto la acetil-CoA como el
NADH son inhibidores competitivos; de esta manera,
cuando el aporte de acetil-CoA es suficiente a expensas
de los ácidos grasos, la enzima es inhibida, evitando así
el desperdicio innecesario de piruvato derivado de la
glucosa.

REGULACIÓN 2
Por el proceso de fosforilación defosforilación.- Existen dos
formas interconvertibles de la piruvato deshidrogenasa:
una, fosforilada, o forma inactiva, la otra desfosforilada, es la
forma activa.
La intervonversión es catalizada por dos enzimas: la
piruvato deshidrogenasa cinasa, que requiere ATP, y la
piruvato deshidrogenasa fosfatasa.
Ambas enzimas forman parte del complejo, asociadas a la
dihidrolipoil transacetilasa.
La principal función reguladora es ejercida por la cinasa que
al fosforilar la piruvato deshidrogenasa la convierte en su
forma inactiva; esto ocurre cuando hay exceso de ATP en la
célula.
Cabe destacar el papel estimulador que ejercen sobre la
cinasa la acetil-CoA y el NADH, y el papel inhibidor del
piruvato y el ADP.

REGULACIÓN 3
Por actividad endócrina.- La actividad del
complejo piruvato deshidrogenasa también
es regulada por algunas hormonas.
De entre ellas cabe destacar la insulina que
incrementa la forma activa (desfosforilada)
en tejido adiposo;
Las catecolaminas como la adrenalina
pueden activar la piruvato deshidrogenasa en
el tejido cardiaco.

Piruvato deshidrogenasa
Localización
En las células eucariotas la descarboxilación del
piruvato para producir Acetil-CoA, se realiza dentro de
las mitocondrias. Esto requiere que el piruvato sea
transportado a través de la membrana mitocondrial
La difusión pasiva del piruvato al interior de la
mitocondria es imposible porque el piruvato lleva una
carga negativa.
En consecuencia se sabe que el transporte del
piruvato se hace por medio de una proteína
transportadora y requiere el gasto de energía.

Piruvato deshidrogenasa
Localización
Una vez dentro de la mitocondria el piruvato es
rápidamente descarboxilado y convertido en Acetil-
CoA. Esta reacción es irreversible y atrapa la Acetil-
CoA en el interior de la mitocondria.
La Acetil-CoA puede ser transportada fuera de la
matriz mitocondrial utilizando el llamado “desvío”
(Shuttle) del citrato
El CO2 es pequeño y apolar y difunde fácilmente
fuera de la mitocondria.
En los procariotas, que no tienen mitocondrias, esta
descarboxilación se realiza en el citosol, o no se
realiza.

Para recordar la secuencia en el
Ciclo de Krebs, recordemos que
está formado por tres fases:
a) Componentes de 6 átomos
de carbono (en verde)
b) Componentes de 5 átomos
de carbono (en purpura)
c) Componentes de 4 átomos
de carbono (en azul)

1. Citrato Sintetasa
2. Aconitasa
3. Isocitrato Deshidrogenasa
4. α-cetoglutarato Deshidrogenasa
5. Succinil-CoA Sintetasa
6. Succinato Deshidrogenasa
7. Fumarasa
8. Malico Deshidrogenasa

Es una serie de reacciones enzimáticas cuya actividad es de
importancia central para todas las células vivas que utilizan
oxígeno durante el proceso de respiración celular.
Constituye una vía Anfibólica, es decir: contribuye tanto al
catabolismo, como al anabolismo celular.
Culmina la utilización aeróbica de la glucosa convirtiéndola
finalmente en CO 2 y H 2 O, utilizando oxígeno como parte de la
respiración celular.
Proporciona muchos precursores para producir algunas
moléculas fundamentales para la célula, entre ellas el
cetoglutarato y el oxalacetato precursores de algunos
aminoácidos.
El ciclo de Krebs ocurre en las mitocondrias de las células
eucariotas y en el citoplasma de las células procariotas.
Los componentes y reacciones del ciclo del ácido cítrico fueron
establecidos por Albert Szent-Györgyi y Hans Krebs.

LOCALIZACIÓN
Los componentes del ciclo se encuentran en las
mitocondrias.
Sin embargo algunas enzimas y metabolitos
también se encuentran en el citosol
(extramitocondrial).
Dentro de las mitocondrias, las enzimas se
localizan en la membrana interna y en la matriz
mitocondrial, y próximas al sitio donde radican las
de la cadena respiratoria.
Esta proximidad facilita el adecuado
acoplamiento de ambos procesos.

El ciclo de Krebs
como vía anabólica

En los organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es el anillo de
conjunción de las rutas metabólicas responsables del
catabolismo y degradación de los carbohidratos, las grasas
y las proteínas convirtiéndolos finalmente en CO 2 y H 2 O.
El Ciclo de Krebs, ligado al proceso de fosforilación
oxidativa, constituye el proceso donde se produce la mayor
cantidad de energía que finalmente puede ocupar la célula
para el resto de sus funciones y metabolismo.
La acetil-CoA constituye el principal sustrato del ciclo.
Su inicio consiste en la condensación de acetil-CoA con
oxalacetato, generándose ácido cítrico. De aquí uno de los
nombres que ha recibido esta vía enzimática.

“Glorieta Bioquímica"
Una vía metabólica es anfibólica cuando puede
funcionar tanto en sentido catabólico como en
sentido anabólico.
Desde este punto de vista nos parece muy adecuado
el considerar al ciclo de Krebs como una “Glorieta
Bioquímica", ya que presenta diversos puntos de
entrada y de salida que facilitan el que el material
que llega, sea de fuentes hidrocarbonadas o de otras
fuentes, pueda abandonarlo para formar grasa,
sintetizar amino ácidos o regenerar carbohidratos
(gluconeogénesis) para su almacenamiento o
utilización en otras vías o en otros destinos.

CoA

Citrato Sintetasa
La reacción inicial del Ciclo de Krebs, es la
condensación de la acetil-CoA con oxalacetato
(último producto del ciclo) para producir el primero
de los ácidos tricarboxílicos que participan en el Ciclo
y por los cuales lleva uno de sus nombres, Ciclo de
los ácidos tricarboxílicos (TCA).
Esta reacción de condensación es catalizada por la
enzima Citrato Sintetasa (también llamada enzima
condensante de Ochoa).
El citrato producido por la enzima, es capaz de
inhibir competitivamente la actividad de la enzima.
La reacción supone la hidrólisis del enlace tioéster de
la acetil-CoA. Esta reacción es sumamente
exoergónica (ΔG'°=-31.4 kJ/mol), motivo por el
cual este paso es irreversible.

Condensación de la Acetil-CoA con Oxalacetato
Se inicia el Ciclo de Krebs

Aconitasa
El citrato es convertido en isocitrato por medio de la
enzima aconitasa (aconitato hidratasa).
La reacción tiene lugar en dos pasos:
deshidratación hasta cis-aconitato (el cual permanece unido a la
enzima) y
rehidratación hasta isocitrato
Las concentraciones (en condiciones estándar) de citrato
(91%), del intermediario cis-aconitato (3%) y de isocitrato
(6%), conducen la reacción hacia la producción de
isocitrato.
Además, el consumo de isocitrato y la producción continua
de citrato in vivo, por ley de acción de masas, hace que la
reacción esté desplazada hacia la conversión citrato-
isocitrato.
La aconitasa reacciona en forma asimétrica, actuando sobre
la parte del citrato que deriva del oxalacetato.

Isocitrato Deshidrogenasa
El isocitrato es oxidado por deshidrogenación, en una
reacción catalizada por la enzima isocitrato deshidrogenasa.
La enzima requiere NAD + y Mg ++ .
La reacción se lleva a cabo en dos pasos:
1. Deshidrogenación, en la que se forma oxalosuccinato que
permanece unido a la enzima, y
2. Descarboxilación para formar el α-cetoglutarato.
En esta reacción irreversible se produce CO 2 y el primer
NADH + H + del ciclo.
El citosol posee también una isocitrato deshidrogenasa
pero esta isozima requiere NADP + como coenzima, a
diferencia de la enzima mitocondrial que participa en el
ciclo de Krebs, la cual requiere NAD + .

El isocitrato es oxidado por
deshidrogenación, en una
reacción catalizada por la enzima
Isocitrato Deshidrogenasa.
La enzima requiere NAD + y Mg ++ . Este último facilita la
liberación de CO 2
La reacción se lleva a cabo en dos pasos:
1. Deshidrogenación, en la que se forma oxalosuccinato que
permanece unido a la enzima, y
2. Descarboxilación para formar el α-cetoglutarato.

α-Cetoglutarato Deshidrogenasa
El ciclo prosigue mediante la actividad de la enzima
α-cetoglutarato deshidrogenasa, la cual convierte el
α-cetoglutarato (o 2-oxo-glutarato) en succinil-CoA.
La α-cetoglutarato deshidrogenasa es un complejo
multienzimático, cuya acción es análoga a la
piruvato deshidrogenasa y utiliza los mismos
cofactores: pirofosfato de tiamina (TPP), ácido
lipoico, NAD + , FAD y coenzima A.
La reacción es prácticamente irreversible y en ella se
forma el segundo CO 2, que proviene del oxalacetato.
Para que la acetil-CoA convierta en CO 2 su radical
acetato, el ciclo ha de dar dos vueltas.

Succinil-CoA
α-Cetoglutarato Deshidrogenasa
la enzima α-cetoglutarato
deshidrogenasa convierte
el α-cetoglutarato (o 2-oxoglutarato)
en succinil-CoA.
La α-cetoglutarato deshidrogenasa es un complejo
multienzimático, cuya acción es análoga a la piruvato
deshidrogenasa y utiliza los mismos cofactores: pirofosfato
de tiamina (TPP), ácido lipoico, NAD + , FAD y coenzima A.
Esta enzima también es un complejo de 3 subunidades y el
mecanismo de la reacción se semejante

Succinil-CoA Sintetasa
El ciclo continúa con la liberación de la CoA y la conversión
de succinil CoA en succinato.
La succinil CoA es un tioéster de alta energía (su ΔG°′ de
hidrólisis está en unos -33.5 kJ mol -1 , parecido al del ATP
que es de -30.5 kJ mol -1 ).
En este punto del ciclo de Krebs se realiza una fosforilación a
nivel del sustrato, y puede generarse ATP.
Sin embargo, la transferencia del enlace de alta energía no
se hace directamente al ADP, sino que se realiza la
fosforilación de GDP (guanosina difosfato) que pasa a GTP
(o de IDP, inosina difosfato, que pasa a ITP).
Ambos nucleótidos pueden ser utilizados para la formación
de ATP por acción de una enzima, la nucleósido difosfato
cinasa o fosfocinasa.

Curiosamente la enzima que cataliza esta reacción es más conocida por
su actividad en sentido inverso, por lo cual se llama succinil-CoA
sintetasa, que por su actividad real, por la cual debe llevar el nombre de
succinato tiocinasa
GTP

Otras Enzimas
Una reacción alternativa en tejidos extra-hepáticos
es la transferencia de la CoA de la succinil-CoA al
acetoacetato, para producir acetoacetil-CoA
Esta reacción, de gran importancia en algunos
estados metabólicos, permite la incorporación de
cuerpos cetónicos al ciclo de Krebs y es catalizada
por la enzima succinil CoA transferasa (o tioforasa).
En el hígado se puede producir la desacilación
directa de la succinil-CoA por la actividad de una
succinil-CoA deacilasa, produciéndose succinato y,
lo que es importante, aumentando los niveles de
CoA libre.

Parte final del ciclo
La parte final del ciclo consiste en la reorganización
de moléculas de cuatro átomos de carbono, hasta la
regeneración del oxalacetato.
Para que esto 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.

Por acción de la succinato deshidrogenasa, el succinato es
deshidrogenado a fumarato,
Esta enzima utiliza FAD como coenzima, el cual en estado
reducido (FADH 2 ) constituye una fuente directa de electrones
para la cadena respiratoria a nivel de la coenzima Q.
Esta es la única enzima del ciclo integrada a la membrana
mitocondrial interna, directamente ligada a la cadena
respiratoria.
Se reúnen así, anatómica y fisiológicamente, el ciclo de Krebs el
transporte de electrones y la fosforilación oxidativa.
fumarato
FADH 2
FAD
Succinato Deshidrogenasa
succinato

H 2 O
L-malato
Málico
Deshidrogenasa
Fumarasa
El fumarato presenta luego una
serie de cambios para regenerar
el oxalacetato, los cuales
comprenden una hidratación
catalizada por la fumarasa
(fumarato hidratasa) para
formar L-malato, el cual luego se
oxida o oxalacetato por medio de
la deshidrogenasa málica y el
NAD + como coenzima.

REGULACIÓN
La regulación del ciclo de Krebs se realiza principalmente por
la disponibilidad de sustrato y por la retro-inhibición por
acumulación de los productos del ciclo
El aumento en la concentración de NADH, inhibe a la piruvato
deshidrogenasa, a la isocitrato deshidrogenasa y a la citrato sintetasa
La acetil-CoA inhibe a la piruvato deshidrogenasa.
La succinil-CoA inhibe a la succinil-CoA sintetasa y a la citrato sintetasa
Aunque los niveles de ATP son consistentemente conservados in vivo y no
cambian más del 10% entre el reposo absoluto y el ejercicio más activo, in
vitro, el ATP es un potente inhibidor alostérico de la citrato sintetasa y de
la α-cetoglutarato deshidrogenasa
El Calcio también funciona como regulador. Activa tres de las
deshidrogenasas que participan en el ciclo: la piruvato deshidrogenasa, la
isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa y por lo
tanto aumenta el flujo continuo a través del ciclo.
Recordemos adem´

La proximidad intracelular física y funcional
del ciclo del ácido cítrico y la cadena
respiratoria, determina que la actividad de
uno dependa de la otra y viceversa.
A su vez, ambas vías metabólicas están
reguladas por las concentraciones relativas
de ATP/ADP y NADH/NAD+.