Ciclo de Krebs

Presentación del Ciclo del Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs)

El ciclo del ácido cítrico, también conocido como ciclo de Krebs, es la vía metabólica final y común para la oxidación de moléculas con potencial energético. Este proceso bioquímico también es utilizado como fuente para la síntesis de biomoléculas importantes en el organismo, tales como proteínas y bases de nucleótidos. El ciclo del ácido cítrico funciona como una vía central de liberación de energía donde ocurre la oxidación completa de unidades de dos carbonos, conocidas como acetil CoA (acetil coenzima A), producidas a partir del metabolismo de los hidratos de carbono, aminoácidos y ácidos grasos. La mayoría de las moléculas entra en el ciclo de Krebs en forma de acetil CoA, sin embargo, otras moléculas pueden adherir a la vía como intermediarios del ciclo. De esta forma y puesto que varios intermediarios son utilizados para procesos de biosíntesis mientras que otras moléculas también entran en el ciclo en la forma de intermediarios, se dice que el ciclo del ácido cítrico es anfibólico.

La glucólisis y el ciclo del ácido cítrico están interconectados a través del piruvato. Éste sufre un proceso de descarboxilación oxidativa, catalizado por el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa, que resulta en la formación de acetil CoA así como en una molécula de NADH. Esta reacción es irreversible y funciona como un punto de regulación importante en la actividad del ciclo. En total, el ciclo de ácido cítrico es formado por un conjunto de ocho reacciones que transcurren a nivel mitocondrial. Todas las enzimas que catalizan las reacciones del ciclo se encuentran localizadas en la matriz mitocondrial a excepción de una, el succinato deshidrogenasa, que se encuentra situado en el interior de la membrana plasmática. Las ocho reacciones que integran el ciclo del ácido cítrico están representadas en la tabla 1.

Tabla 1- Ciclo del ácido cítrico: reacciones, enzimas y tipos de reacciones.

El ciclo del ácido cítrico puede ser resumido a través de la siguiente reacción global:

Acetil CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O  →   2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 H+ + CoA De una forma generalizada, el balance final del conjunto de las reacciones del ciclo del ácido cítrico supone:

– la oxidación total de una molécula de acetil CoA;

– la reducción de tres moléculas de NAD+ a NADH;

– la liberación de dos moléculas de CO2 ;

– el consumo de dos moléculas de H2O;

– la fosforilación de una molécula con elevado potencial de transferencia de fosfato: GDP formando GTP.

Todas las reacciones del ciclo del ácido cítrico son reversibles a excepción de la primera etapa. La segunda etapa del ciclo, que corresponde a la isomerización del citrato a isocitrato, es un proceso subdividido en dos reacciones catalizadas por la enzima aconitasa (reacciones de deshidratación e hidratación, respectivamente):

Citrato + H2O ↔ cis-aconitato

cis-Aconitato ↔ isocitrato + H2O

El complejo enzimático α- cetoglutarato deshidrogenasa es constituido por un conjunto de tres tipos de enzimas, a semejanza del complejo del piruvato deshidrogenasa, y ambas catalizan la oxidación de un cetoácido, que resulta en la formación de un enlace tioéster con la CoA, compuesto con elevado potencial de transferencia. La quinta etapa del ciclo, que corresponde a conversión de succinil-CoA a succinato, es la única reacción del ciclo que supone una fosforilación a nivel del sustrato. Durante esta etapa, un enlace fosfato de elevada energía es producida a partir del clivaje del enlace tioéster de la succinil-CoA llevando a la fosforilación del GDP en GTP. El succinato deshidrogenasa, responsable por la formación de fumarato en la sexta etapa, está directamente enlazado a la enzima, al contrario del NADH formado en otras reacciones de oxidación reducción.

Como en cualquier vía metabólica, el ciclo del ácido cítrico contiene varios puntos de regulación que desempeñan un papel fundamental en el control de la actividad del ciclo. Los puntos de regulación están generalmente asociados a la inhibición o activación de determinadas enzimas como es el caso de la citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa, α-cetoglutarato deshidrogenasa y succinato deshidrogenasa, siendo las dos primeras consideradas como puntos de regulación primarios. La cintrato sintasa cataliza la primera etapa que corresponde a la única reacción irreversible del ciclo, lo que la convierte en un importante punto de regulación. La actividad de la enzima citrato sintasa es inhibida por niveles elevados de succinil CoA y cuando la razón NAD+/NADH es reducida. Por otro lado, la isocitrato deshidrogenasa es activada por niveles elevados de ADP y NAD+, mientras que niveles elevados de ATP y NADH inhiben la actividad de la enzima. La existencia de una alta carga energética así como la presencia de NADH y succinil-CoA son responsables por la inhibición del complejo enzimático α-cetoglutarato  deshidrogenasa. Sin embargo el oxalocetato induce la inhibición de la actividad enzimática de la succinato deshidrogenasa. En la última etapa del ciclo, la oxidación del malato aumenta con el consumo de sus productos de reacción: el oxaloacetato es consumido por el succinil-CoA y NADH a través de la cadena transportadora de electrones.

En total, cada ciclo completo produce una molécula de GTP, tres moléculas de NADH y una molécula de FADH2. El ciclo del ácido cítrico es un proceso exergónico puesto que una vez que la oxidación completa de una molécula de acetil CoA en cada ciclo resulta, como balance final, en la liberación de energía, puesto que la variación de energía libre total es negativa (ΔGº ₌ -60 KJ/mol ). La velocidad de actividad del ciclo es controlada por la necesidad de ATP en las células. De acuerdo con el estado de energía existente en las mitocondrias, la tasa de consumo de acetil CoA varía. El estado energético de las mitocondrias puede ser determinado por las concentraciones de NADH, NAD+, ATP y AMP. En un estado energético elevado, las concentraciones de NADH y ATP son altas mientras que las de NAD+ y AMP se encuentran bajas y viceversa en una situación de baja energía. El ciclo del ácido cítrico es realizado bajo condiciones aerobias ya que necesita de NADH y FADH2  para su funcionamiento. De este modo, para que pueda existir un nuevo ciclo de oxidación de acetil CoA, es necesario que los mismos sean reoxidados en la cadena transportadora de electrones.