Ciclo de Krebs

Ciclo de Krebs
(Ciclo del ácido cítrico)
Dr. Juan Pablo Damián
Área de Bioquímica
Facultad de Veterinaria, Montevideo, Uruguay. UdelaR
Hans Adolf Krebs
Alemania
En 1932, se traslada a la
Universidad de Friburgo, y en
conjunto con el bioquímico
Kurt Henseleit,
descubre las reacciones involucradas en el
ciclo de la úrea
Inglaterra
Urea synthesis in mammalian liver
[5]
, Krebs, H.A.
1943 . Nature 151 (3818), pp. 23
Premio Nobel de Fisiología y Medicina,
1953
Krebs y Lipmann
THE INTERMEDIATE METABOLISM OF CARBOHYDRATES
Krebs, H.A. 1937 The Lancet 230 (5952), pp. 736-738
Objetivos:
Comprender la importancia del Ciclo de Krebs en el
metabolismo.
Conocer las reacciones del Ciclo de Krebs y su
regulación.
1) Introducción
- Fuentes de acetato.
- Ubicación del ciclo en el mapa metabólico y en la célula.
- Condiciones energéticas
2) Reacciones del ciclo
3) Balance global
4) Regulación
5) Funciones anabólicas
6) Reacciones anapleróticas
Ubicación del Ciclo de Krebs
en la respiración celular
1) Producción de
Acetil-CoA
2) Oxidación de
Acetil-CoA
3) Transferencia ey fosforilación oxidativa
Modificado Fig. 16-1
de Lehninger
¿En que ruta se oxida Acetil-CoA?
Ciclo de Krebs (ciclo del ácido cítrico) es una ruta cíclica
constituida por una secuencia de 8 reacciones.
La entrada de casi todos los “combustible” al Ciclo de
Krebs es como Acetil-CoA (grupo acetilo activado).
Acetil-CoA:
O
CH3-C-S-CoA
O
CH3-C-S-CoA
que es el Acetil-CoA?
1) producto de la degradación de los carbohidratos, lípidos
y aminoácidos.
2) compuesto de “alta energía”, ∆G’o = -31.5 kJ/mol
(hidrólisis del enlace tioester, más exergónica que la del
ATP que es -30.5 KJ/mol).
3) Es el principal combustible del ciclo de Krebs.
Es en la mitocondria donde se realizan todas las
reacciones del Ciclo de Krebs
¿Donde se realiza el ciclo de Krebs?
Lehninger (1917-1986)
Fases o Etapas de la respiración
Mitocondria
Ciclo de Krebs
Ciclo de Krebs (ciclo del ácido
cítrico):
es una ruta cíclica constituida por
una secuencia de 8 reacciones,
mediante el cual se oxida el
AcetilCoA y se conserva la energía
de oxidación en forma de coenzimas
reducidos.
Ciclo de Krebs
Localización: mitocondria
1948 - Kennedy & Lehninger;
Todas las reacciones del ciclo de Krebs se ubican en la mitocondria
Donde se producen la mayor parte de las reacciones oxidativas que liberan
energía y se acoplan a la síntesis de ATP.
Membrana externa
Lehninger (1917-1986)
Membrana externa
Cara externa
Citosol
Membrana interna
Crestas
Membrana Cara
externa
interna
AG a AcetilCoA
Degradación Ox de aas
Membrana interna
Cara externa
Membrana interna
Cte- y FOx
Cara interna
Matriz
Matriz
Complejo de la Piruvato Deshidrogenasa
Enzimas del Ciclo de Krebs
(7 matriz y 1 membrana interna)
Membrana externa
mitocondria
Membrana interna
Matriz
Es en la mitocondria donde se realizan todas las
reacciones del Ciclo de Krebs
EN LA MITOCONDRIA, ¿DONDE
SE LOCALIZAN LAS
1948 - Kennedy & Lehninger
ENZIMAS DEL CICLO DE KREBS?
Lehninger (1917-1986)
1 en membrana mitocondrial interna
7 en matriz mitocondrial
Complejo Piruvato Deshidrogena
también en matriz mitocondrial
Reacciones
del Ciclo de
Krebs
Panorámica del ciclo de Krebs
COOO
oxalacetato
C
CH2
CH3 C
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
C
H
COO-
Deshidrogenación
SCoA Acetil CoA
O-
COO-
H
CH2
Isomerización
COO
-
HO
C ―H
Hidratación
CH
HO
C
COOCOO-
H
Descarboxilación
Oxidativa
HC ―H
COO
H
COO-
-
COOCH
Fosforilación a
nivel de sustrato
COO-
CH
COO
-
CH2
CH2
CH2
Deshidrogenación COO-
COO-
CH2
COO-
C
CH2
O
CH2
C
CO2
SCoA
O
COO-
Descarboxilación
oxidativa
CO2
Acetil CoA
CH3 C
S-CoA
Condensación
H2O
CoA-SH
O
Oxalacetato
Grupo carbonílico C2
O
C
CH2
COOCOO-
Citrato sintasa
1
HO
∆G’o = -32.2 kJ/mol
CH2
C
CH2
O
C
O-
COO-
Citrato
COO-
Enzima homodiméricacada subunidad tiene 2 dominios, Grande y rígido
Y otro pequeño y flexible, el sitio activo se sitúa entre los dos.
Unión al OA
Forma abierta
Forma cerrada
Citrato sintasa: se cristalizo y se dedujo su estructura
por difracción con rayos X
Forma
abierta
1er sustrato
Forma
cerrada
Cada subunidad: dos dominios 1 rígido y otro
mas pequeño flexible, SA situado entre los dos
Unión de OA induce cambio conformación en el flexible,
aparición de sitio de unión para Acetil coA
El oxalacetato, primer sustrato que se une al
enzima, induce un cambio conformacional en el
dominio flexible, que provoca la aparición de un sitio
de unión para el segundo sustrato, el acetil-CoA.
El AcetilCoA al perder o ceder un protón al Asp 375 se
Convierte en un intermediario enolato, este interm. se
estabiliza por formación de puentes de hidrógeno con
la His274.
El enolato se reordena para atacar el carbono
carbonílico del oxalacetato, la Hist 320 actúa como
Un ácido gral.
La condensación restante genera citril-CoA
Se forma “citril-CoA” (intermediario) cuya hidrolisis
hace que la reacción sea muy exergonica.
El tioéster se hidroliza a continuación, regenerando CoA-SH y produciendo citrato.
3 cadenas laterales se
orientan p/catalisis
unión tioéster del Acetil-CoA
activa los H metilicos y Asp
capta protón del grupo metilo
dando un intermediario
Enolato estabilizado por
puentes de H y/o
protonización de His
flechas=movimiento de e-
El enolato se reordena y ataca el
C carbonilo del oxalacetato con
la His en posición de captar el
protón que había cedido (His
actúa como un ácido general) La
condensación resultante genera
citril CoA
Hidrólisis del
tioéster
regenerando CoASH y dando citrato
Acetil CoA
CH3 C
S-CoA
H2O
CoA-SH
O
Oxalacetato
(OA)
O
C
CH2
COOCOO-
Citrato sintasa
1
HO
∆G’o = -32.2 kJ/mol
CH2
C
CH2
C
O
O-
COO-
Citrato
COO-
Unión de OA induce cambio conformacional, provoca aparición del sitio de
unión para acetil-CoA. Se Unión
formaal“citril-CoA”
(intermediario) cuya hidrolisis
OA
hace que la reaccion sea muy exergonica.
Reacción fundamental para el funcionamiento global del ciclo debido
a la baja concentración de oxalacetato (<10-6M).
1) Condensación de OA (4 C) y acetil-CoA (2 C) para dar citrato (6 C).
Panorámica del ciclo de Krebs
COOO
oxalacetato
C
CH2
COO-
CH3 C
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
H
C
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
Aconitasa (aconitato hidratasa)
H
CH
HO
C
H
COOCOOCOO-
Isocitrato
2
Isomerización
H2O
CH2 C
O
CH2
O-
HO
C
COO-
C
H
C
COO-
C
H
Citrato
aconitasa
CH2
COO-
H
CH
COO-
HO
C
COOCOO-
COO-
H
aconitasa
cis-Aconitato
COO-
H
Isocitrato
∆G’o = 13.3 kJ/mol
La aconitasa hidratasa cataliza la transformación reversible del citrato en
isocitrato a través de la formación intermedia de ác tricarboxílico cis-aconitato.
Que normalmente no se disocia del centro activo
Aconitasa cambia OH del C2 al C3 (se forma el intermediario
“Cis-aconitato”que no se desprende de la enzima).
En la célula la reacción transcurre a la derecha gracias a la rapidez del
consumo de isocitrato en el siguiente paso del ciclo, entonces disminuye su
concentración
2
Isomerización
H2O
CH2 C
O
CH2
O-
HO
C
COO-
C
H
C
COO-
C
H
Citrato
aconitasa
COOCOO-
H
aconitasa
cis-Aconitato
∆G’o = 13.3 kJ/mol
La aconitasa contiene un
Centro ferro-sulfurado que
actúa como centro de
fijación de sustratos en el centro
activo, catalítico y como en la
adición o eliminación de agua.
CH2
COO-
H
CH
COO-
HO
C
COO-
COO-
H
Isocitrato
Aconitasa
Centro ferro-sulfurado
3 Residuos de Cys
unidos a Fe, 1 al
carboxilo (también
interactúa con OH)
del citrato
Residuo básico de E
colabora (posiciona
Citrato en sitio activo)
Panorámica del ciclo de Krebs
COOO
oxalacetato
C
CH2
COO-
CH3 C
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
H
C
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
H
CH
HO
C
COOCOOCOO-
Isocitrato
H
NAD+
Descarboxilación
Oxidativa
CH2 COO-
Isocitrato deshidrogenasa
3) Descarboxilacion oxidativa
se oxida el isocitrato y se reduce el NAD+,
un grupo carboxilo sale como CO2.
CO2
CH2
C
O
COO-
α-cetoglutarato
3. Oxidación del isocitrato a -cetoglutarato y CO2
Descarboxilación oxidativa del isocitrato
NADH + H+
NAD
+
CH2
COO-
H
CH
COO-
HO
C
H
CH2
H C
1
C
OO
Isocitrato
C
C
O
CO2
intermediario enol
CH2
COO-
O
Mn2+
H+
H C
COO-
2
O-
C
C
O
Oxalosuccinato
CH2
COO-
O-
Mn2+
H C
3
C
C
O-
O
COO-
H
OO-
-cetoglutarato
∆G’o = -20,9 kJ/mol
Oxidación
Transferencia de
Ion hidruro
Isocitrato
deshigrogenasa
Eliminación
Reordenamiento
de e- pordel
2+
Mnintermediario
unido facilita
enol genera
descarboxilación
α-cetoglutarato
Existen dos formas diferentes de isocitrato deshidrogenasa:
• NAD dependiente (matriz mitocondrial)
• NADP dependiente (matriz mitocondrial y citosol)
Panorámica del ciclo de Krebs
COOO
oxalacetato
C
CH2
COO-
CH3 C
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
C
H
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
H
CH
HO
C
COOCOOCOO-
Isocitrato
H
Descarboxilación
Oxidativa
CO2
CH2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
C
4
CH2
CH2
C
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
4. Oxidación de -cetoglutarato a succinil-CoA y CO2
Descarboxilación oxidativa del -cetoglutarato
CoA-SH
CH2
H C
C
C
O
NAD
+
NADH + H+
COO-
CH2
H
H C
O-
C
O-
-cetoglutarato
COO-
H
S-CoA
+
CO2
O
∆G’o = -33.5 kJ/mol
Succinil-CoA
Complejo multienzimático de la “α-cetoglutarato deshidrogenasa”
Posee 3 enzimas homólogos a (E1, E2, E3) de la piruvato desh
5 Cofactores (TPP, lipoato, FAD, CoA y NAD)
Paso 4: Descarboxilación oxidativa
El complejo de la α-cetoglutarato
deshidrogenasa es muy parecido al
complejo piruvato deshidrogenasa,
tanto en estructura como en función
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
C
oxalacetato
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
C
H
COO-
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
H
CH
HO
C
COOCOOCOO-
Isocitrato
H
Descarboxilación
Oxidativa
Fosforilación a
nivel de sustrato
Succinil-CoA sintetasa
Succinato
CH2
CH2
COO-
C
4
CH2
5
GDP
CH2
C
CH2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CO2
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
5. Conversión del Succinil-CoA e Succinato
Fosforilación a nivel de sustrato
GDP + Pi
CH2
H C
C
GTP
COO-
COO-
H
H C
S-CoA
O
Succinil-CoA
CoA-SH
C
∆G’o = -2,9 kJ/mol
Succinil-CoA
sintetasa
H
H2
COO-
Succinato
La formación acoplada de GTP (o ATP) a
expensas de la energía liberada por la
decarboxilación oxidativa del
α-ceto ceto-glutarato glutarato es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato
5. Conversión del Succinil-CoA en Succinato
GDP + Pi
CH2
H C
C
GTP
COO-
COO-
H
H C
S-CoA
O
Succinil-CoA
CoA-SH
C
∆G’o = -2,9 kJ/mol
Succinil-CoA
sintetasa
H
H2
COO-
Succinato
El succinil-CoA tiene un enlace tioéster con una energía libre de estándar de
Hidrólisis que es altamente negativa (∆G’o = -36 kJ/mol). La energía liberada en
La rotura de este enlace se utiliza para promover la síntesis de un enlace
Fosfoanhídrido del GTP o del ATP con una variación neta de ∆G’o = -2,9 kJ/mol
La formación acoplada de GTP (o ATP) a
expensas de la energía liberada por la
decarboxilación oxidativa del
α-ceto ceto-glutarato glutarato es otro ejemplo de fosforilación a nivel del sustrato
Succinil-CoA sintetasa
En tres pasos:
1)El sucinil-CoA se une al enzima, y un grupo fosforilo
sustituye al CoA del succinil-CoA, y se forma
un acil fosfato de alta energía.
2)El succinil fosfato dona el grupo fosforilo a un residuo
de His del enzima, y se forma un fosfohistidil enzima de
elevada energía
2)El grupo fosforilo es transferido desde el res His al
fosfato terminal de GDP formando GTP.
5. Conversión del Succinil-CoA e Succinato
Fosforilación a nivel de sustrato
GDP + Pi
CH2
H C
C
GTP
CoA-SH
COO-
COO-
H
H C
S-CoA
O
Succinil-CoA
C
∆G’o = -2,9 kJ/mol
Succinil-CoA
sintetasa
H
H2
COO-
Succinato
Nucleosido difosfatasa quinasa
GTP + ADP
GDP + ATP ΔG´°= 0 kJ/mo
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
O
C COOCondensación HO
C
H
COO-
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
H
CH
HO
C
COOCOOCOO-
Isocitrato
H
Succinato deshidrogenasa
membrana mitocondrial interna
6) Oxido-reducción.
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
Fumarato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Descarboxilación
Oxidativa
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
6. Oxidación del Succinato a Fumarato
FAD
FADH2
COO-
COO-
C
H2
C
C
H2
COO-
Succinato
Succinato
deshidrogenasa
∆G’o = 0 kJ/mol
H
H C
COO-
Fumarato
6. Oxidación del Succinato a Fumarato
FAD
FADH2
COO-
COO-
C
H2
C
C
H2
COO-
Succinato
deshidrogenasa
Succinato
∆G’o = 0 kJ/mol
Membrana externa
Cara externa
Citosol
Cara interna
Cara externa
Cara interna
Matriz
H
H C
COO-
Fumarato
Complejo II: Succinato Deshidrogenasa
Ciclo de Krebs
Complejo II: Succinato Deshidrogenasa
FADH2 + Q  FAD + QH2
Succinato
Fumarato
6. Oxidación del Succinato a Fumarato
FAD
FADH2
COO-
CH2
C
H2
C
C
H2
COO-
Succinato
Succinato
deshidrogenasa
COO-
H
H C
COO-
Fumarato
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
C COOCondensación HO
CH2
C
H
COOCOO-
O
O-
Citrato
COO-
H
CH2
Isomerización
Malonato (análogo succinato)
inhibidor competitivo
H
CH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
H
COO-
Succinato deshidrogenasa
CH
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Descarboxilación
Oxidativa
Fosforilación a
nivel de sustrato
COO-
Fumarato
COO-
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
O
COOO
oxalacetato
SCoA Acetil CoA
C
CH2 C
O
C COOCondensación HO
CH2
C
H
COO-
O-
COO-
H
Fumarasa (fumarato hidratasa),
estereoespecífica
COO
L-Malato
C ―H
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Fumarato
CH
Descarboxilación
Oxidativa
-
7
Hidratación
H
COO-
H
HC ―H
COO
CH2
Isomerización
-
HO
Citrato
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
7. Hidratación del Fumarato a Malato.
COOC
H
H2O
H C
COOHO C
H
H C H
COO-
Fumarasa
Fumarato
COO-
L-Malato
∆G’o = -3,8 kJ/mol
Cataliza la hidratación del doble enlace en trans del fumarato
Esta enzima es específica
para el fumarato y el L-malato
Trans
Cis
7. Hidratación del Fumarato a Malato.
COOC
COO-
H2O
H
HO C
H C
H
H C H
COO-
Fumarasa
COO-
Fumarato
L-Malato
∆G’o = -3,8 kJ/mol
COOC
H
OH-
HO C
H C
COO-
Fumarato
COO-
Fumarasa
H+
H
COOHO C
H
H C H
H C
COO-
COO-
Estado de transición
carbanión
L-Malato
Esta enzima es específica
para el fumarato y el L-malato
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
NAD+
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
C COOCondensación HO
C
H
COO-
Deshidrogenación
O
O-
COO-
H
8
COO
L-Malato
C ―H
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Fumarato
CH
Descarboxilación
Oxidativa
-
7
Hidratación
H
COO-
H
HC ―H
COO
CH2
Isomerización
-
HO
Citrato
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
8. Oxidación del malato a oxalacetato
NAD+
NADH + H+
COO-
COOH
O
C
H C H
H
C
HO C
COO-
L-Malato
L- Malato deshidrogenasa
H
COO-
Oxalacetato
∆G’o = 29,7 kJ/mol
El Oxalacetato es eliminado continuamente por la reacción altamente
exergónica de la citrato sintasa. Esto mantiene la concentración de
oxalacetato relativamente baja <106M, lo que empuja la reacción de la
malato deshidrogenasa hacia la formación de oxalacetato
1 sola molécula de Oxalacetato es usada para
catalizar un gran número de Acetil CoA
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
O
COOO
oxalacetato
NAD+
C
CH2
COO-
Deshidrogenación
∆G’o = 29,7 kJ/mol
SCoA Acetil CoA
CH2 C
O
C COOCondensación HO
O-
Citrato
∆G’o = -32.2 kJ/mol H C COO
H
CH2
Isomerización
8
COO
-
H
CH
HO
C
COOCOOCOO-
• equilibrio
HO C ―H de reacción desplazado a la formación de malato
Isocitrato
H
-6
• [oxalacetato]
(<10
M) si es utilizado continuamente (citrato sintasa)
HC ―H
CO2
L-Malato
Descarboxilación
• empuja- la reacción a la formación de oxalacetato
COO
Oxidativa
7
Hidratación
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
Fumarato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
C
4
CH2
5
GDP
CH2
C
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
CH2
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
Objetivos:
Comprender la importancia del Ciclo de Krebs en el
metabolismo.
Conocer las reacciones del Ciclo de Krebs y su
regulación.
1) Introducción
- Fuentes de acetato.
- Ubicación del ciclo en el mapa metabólico y en la célula.
- Condiciones energéticas
2) Reacciones del ciclo
3) Balance global
4) Regulación
5) Funciones anabólicas
6) Reacciones anapleróticas
proteínas
aminoácidos
Descarboxilación oxidativa
del Piruvato
glucógeno triacilglicéridos
glucosa
ácidos grasos
piruvato
Acetil CoA
44C
6CC+2C
1 sola molécula de
Oxalacetato es usada
para catalizar un gran
número de Acetil-CoA
Ciclo de Krebs
CO2
CO2
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
NAD+
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
C COOCondensación HO
C
H
COO-
Deshidrogenación
O
O-
COO-
H
8
COO
L-Malato
C ―H
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Fumarato
CH
Descarboxilación
Oxidativa
-
7
Hidratación
H
COO-
H
HC ―H
COO
CH2
Isomerización
-
HO
Citrato
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
NAD+
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
C COOCondensación HO
C
H
COO-
Deshidrogenación
O
O-
COO-
H
8
COO
L-Malato
C ―H
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Fumarato
CH
Descarboxilación
Oxidativa
-
7
Hidratación
H
COO-
H
HC ―H
COO
CH2
Isomerización
-
HO
Citrato
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
Balance global
del Ciclo de Krebs
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
COOO
oxalacetato
NAD+
C
CH2
SCoA Acetil CoA
O
CH2 C
C COOCondensación HO
C
H
COO-
Deshidrogenación
O
O-
COO-
H
8
COO
L-Malato
C ―H
Fosforilación a
nivel de sustrato
COOCH
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
COO
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
4
GDP
CH2
C
CH2
C
CH2
5
CO2
COO
-
NAD+
CH2
COO-
COO-
CH
Fumarato
CH
Descarboxilación
Oxidativa
-
7
Hidratación
H
COO-
H
HC ―H
COO
CH2
Isomerización
-
HO
Citrato
SCoA
O
O
COO-
α-cetoglutarato
CoA-SH NAD+
Succinil-CoA
CO2
Ecuaciones igualadas para cada reacción del Ciclo de Krebs
Entradas
salidas
1) Oxalacetato + Acetil-CoA +
H2O
Citrato + CoA
2) Citrato + H2O
Isocitrato + H2O
3) Isocitrato + NAD+
α-cetoglutarato + NADH + H+ + CO2
4) α-cetoglutarato
+ NAD+ + CoA
Succinil-CoA + CO2
5) Succinil-CoA + GDP + Pi
Succinato + GTP + CoA
6) Succinato + FAD
Fumarato + FADH2
7) Fumarato + H2O
L-malato
8) L-malato + NAD+
Oxalacetato + NADH + H+
+ NADH + H+
Ecuaciones igualadas para cada reacción del Ciclo de Krebs
Entradas
salidas
1) Oxalacetato + Acetil-CoA +
H2O
Citrato + CoA
2) Citrato + H2O
Isocitrato + H2O
3) Isocitrato + NAD+
α-cetoglutarato + NADH + H+ + CO2
4) α-cetoglutarato
+ NAD+ + CoA
Succinil-CoA + CO2
5) Succinil-CoA + GDP + Pi
Succinato + GTP + CoA
+ NADH + H+
+
6) Succinato
+ FAD
Fumarato
+ FADH
Entradas:
Acetil-CoA
+ 3 NAD
+ FAD
+ GDP
+ Pi + 2 H2O
2
7) Fumarato
+ H2O + 3 H+ + FADH2
L-malato+ 2 CO2 + GTP + CoA
Salidas:
3 NADH
8) L-malato + NAD+
Oxalacetato + NADH + H+
Acetil CoA (2 C)
Oxalacetato
(4 C)
Citrato (6 C)
NADH +H+
NAD+
L-Malato (4 C)
Balance Global
Isocitrato (6 C)
Acetil CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H2O
NAD+
CoA + 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + GTP
H2O
Energía
NADH +H+
3 NADH + FADH2 + GTP
CO2
FADH2
Fumarato (4 C)
-cetoglutarato
(5 C)
FAD
GTP
GDP + Pi
Succinato (4 C)
CoASH
Succinil CoA (4 C)
NAD+
CoASH
NADH +H+
CO2
Panorámica del ciclo de Krebs
CH3 C
O
COOO
oxalacetato
SCoA Acetil CoA
CH2 C
C
CH2
COO-
O
O-
HO
C
COO-
H
C
COO-
Citrato
H
CH2
8
Destino de los Carbonos
del Acetil CoA
COO
-
HO
L-Malato
C ―H
HC ―H
COO
7
CH
Fumarato
COO
HO
C
COOCOO-
Isocitrato
CO2
CH2
COO-
CH2
COOCOO-
COO-
CH
CH
H
Los 2 C del Acetil CoA salen
en una vuelta del ciclo?
-
H
COO-
6
-
Succinato
CH2
CH2
COO-
C
4
CH2
5
O
CH2
C
COO-
α-cetoglutarato
CO2
SCoA
O
Succinil-CoA
Respiración celular
2) Oxidación de
Acetil-CoA
produce
NADH FADH2
¿Donde se reoxidan?
Cadena de transporte de e-
3) Transferencia ey fosforilación oxidativa
produce
ATP
Modificado Fig. 16-1 de Lehninger
Modelo quimiosmótico: e- del NADH, FADH2 y otros
sustratos oxidables se reoxidan en la CT e-
e-
e-
Rendimiento energético en cada vuelta
del Cilo de Krebs
3 NADH + 1 FADH2 +1 GTP
3 x 2.5 ATP + 1 x 1.5 ATP +1 ATP
10 ATP
En la Fosforilación Oxidativa:
1 NADH
2,5 ATP
1 FADH2
1,5 ATP
Reducción de CoE y formación de ATP en oxidación aeróbica de la
glucosa (glucólisis, descarboxilación oxidativa del pir., CK, Cte y FO)
Reacción
ATP/Co E
ATP
Glucosa a G-6-P
- 1 ATP
-1
F-6-P a F1,6BP
- 1 ATP
-1
2 NADH
5 (3)
2 ATP
2
2 ATP
2
2 NADH
5
2 NADH
5
2 NADH
5
2 ATP (2GTP)
2
2 FADH2
3
2 NADH
5
2) GAP a 2) 1,3BPG
2) 1,3BPG a 2) 3PG
Glucólisis
5 o 7 ATP
2) Fosfoenolpiruvato a 2) piruvato
2) Piruvato a 2) acetil-CoA
2) Isocitrato a 2) α-cetoglutarato
2) α-cetoglutarato a 2) succinil-CoA
2) succinil-CoA a 2) succinato
2) Succinato a 2) fumarato
2) Malato a 2) oxalacetato
PDH
10
ATP/vuelta
C. K.
X 2=
20 ATP
Total
30-32
Fases o Etapas de la respiración
Mitocondria
Sin Oxígeno, el piruvato no entra en la mitocondria
Oxidándose de forma incompleta a lactato.
ATP ATP
Lactato
Fases o Etapas de la respiración
En presencia de Oxígeno….
ATP
ATPATP
ATP
ATP ATP ATP
ATP ATP ATP ATP
ATP
ATP
ATP
ATPATP ATPATPATP ATP ATPATP
ATP ATP
ATPATP
ATP
ATP ATP ATP
ATPATP ATP
Partiendo de glucosa se generan 32-30 ATP
¿Qué porcentaje de la “energía de la glucosa” se conserva en
forma de ATP?
Datos: glucosa a CO2 y H2O en calorímetro
∆G’o = - 2840 kJ/mol
Hidrólisis de ATP a ADP + Pi ∆G’o = - 30.5 kJ/mol
Síntesis de 1 ATP ….. 30.5 kJ/mol
32 ATP …… X = 976 kJ/mol
2840 kJ/mol ….. 100%
976 kJ/mol …... X = 34 %
energía de oxidaciones de C K
se34conserva
eficientemente!!
% en condiciones
estándar
 65 % en condiciones fisiológicas
Regulación
del Ciclo de Krebs
Variaciones de energía libre (kJ/mol)
en condiciones estándar y fisiológicas de las reacciones
del Ciclo de Krebs
Enzima
∆G’o
∆G’
1
citrato sintasa
-31.5
negativo
2
aconitasa
+5
3
isocitrato deshidrogenasa
-21
0
negativo
4
complejo α-cetoglutarato
deshidrogenasa
-33
negativo
5
succinil-CoA sintetasa
-2.1
0
6
succinato dehidrogenasa
+6
0
7
fumarasa
-3.4
0
8
malato deshidrogenasa
+29.7
0
Reacciones 1, 3 y 4 son irreversibles
reacciones de control del flujo
Acetil CoA (2 C)
1
Citrato Sintasa
Oxalacetato
(4 C)
Malato
Deshidrogenasa
Citrato (6 C)
2
8
Aconitasa
NADH
Isocitrato (6 C)
∆G’ negativo
L-Malato (4 C)
Reacciones alejadas del equilibrio
3 reacciones irreversibles
Fumarasa
7
5 reacciones reversibles
3
-cetoglutarato
(5 C)
GTP
Fumarato (4 C)
4
6
Succinato (4 C)
5
Succinil CoA Sintetasa
CO2
Isocitrato
desidrogenasa
NADH
FADH2
Succinato
Deshidrogenasa
NADH
CO2
Complejo de la
Cetoglutarato
deshidrogenasa
Succinil CoA (4 C)
Regulación estricta pero sencilla
• Consumo de O2
• reoxidación del NADH están acopladas
• producción de ATP
Mecanismo de regulación por retroalimentación que
coordina producción de NADH con consumo energético.
• Regulación por:
- disponibilidad de sustrato Acetil-CoA y oxalacetato
- inhibición por producto
NADH
- inhibición competitiva por intermediarios del ciclo
Citrato, succinil-CoA, ATP
[acetil-Coa] y [oxalacetato] normalmente
no saturan la citrato sintasa
Reacción 1, E Citrato sintasa:
inhibida por: alta [NADH], [ATP], [citrato], [succinil-CoA]
inhibidores competitivos: citrato de oxalacetato
succinil-CoA de CoA
aumenta actividad por: [acetil-CoA] y [ oxalacetato]
(sustratos, no saturan E)
Reacción 3, E Isocitrato deshidrogenasa:
inhibida por: alta [NADH], [ATP] (- producto)
activada por: alta [ADP], [Ca2+]
Reacción 4, E Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa
inhibida por: alta [NADH] y [succinil-CoA] (- producto)
activada por: alta [ADP], [Ca2+].
Estas enzimas constituyen puntos en los
que se regula el flujo a través del ciclo
Regulación
covalente
Protein
Protein
kinasa
kinasa
P
I
OH
I
E1 E2 E3
E1 IIE2 E3
II
Protein
Protein
fosfatasa
fosfatasa
Inactiva E1
Activa E1
Regulación
Piruvato
alostérica
CoA,NAD+, AMP, Ca2+
Complejo de la
Piruvato
ATP
Deshidrogenasa
NADH, Acetil CoA
NADH, ATP,
Acetil CoA
Succinil CoA,
citrato
ADP, Acetil CoA,
Oxalacetato Citrato sintasa Citrato
Oxalacetato
Isocitrato
ATP,
NADH
L-Malato
NADH
Fumarato
FADH2
Succinato
ADP, Ca2+
Isocitrato
deshidrogenasa
-cetoglutarato
Succinil CoA,
NADH
cetoglutarato
2+
ADP,
Ca
GTP
deshidrogenasa
Succinil
CoA
Canalización de sustratos contribuye a la catálisis
En C de K
Puede darse
canalización
de sustratos
Elevada concentración de
E favorece su asociación
Extracto de células rotas la
dilución en buffer disminuye
la 100 a 1000 veces
Por que es tan complicada la oxidación del Acetato a CO 2?
• Ciclo de Krebs es el núcleo del metabolismo intermediario.
• Productos de muchos procesos catabólicos alimentan el
Ciclo.
• Intermediarios del ciclo son utilizados como precursores
en distintas vías metabólicas!!!!
No representa la vía más corta de Acetato a CO2 pero es la que a
través del tiempo ha conferido mayores ventajas selectivas.
Ciclo de Krebs
• Involucra procesos de degradación y conservación de
energía (catabolismo)
• Intermediarios del ciclo solo se requieren en
concentraciones catalíticas para mantener la función
degradativa del Ciclo
Sin embargo…
• Varias vías biosintéticas utilizan intermediarios del ciclo
como material de inicio en la biosíntesis (anabolismo)
tiene funciones catabólicas y anabólicas
Vía Anfibólica
Ciclo de Krebs
Las reacciones que utilizan (“agotan”) intermediarios del
ciclo se denominan catapletoricas (del griego “cata” =
descendente “pletorikos”= llenar)
• Gluconeogénesis (OA):
biosíntesis de glucosa implica la conversión de OA en malato o
aspartato para transportarse al citosol
Citrato liasa
• Biosíntesis de amino ácidos (α-cetoglutarato y OA):
son iniciadores de la síntesis, desaminación de
α-cetoglutarato+NADH+H + +NH4+
Glu deshidrogenasa
OA + Ala
Glu+NAD + +H2O
Asp. + Piruvato
transaminación
• Biosíntesis de porfirinas (succinil-CoA):
succinil-CoA es intermediario en síntesis del anillo de
porfirina de los grupos hemo, importantes en transporte
de O2 y electrones
Los intermediarios que “salen” del ciclo de
Krebs, se deben reponer!!!!
Las reacciones que reponen intermediarios del
ciclo se denominan anapleróticas
Reacciones Anapleróticas
Reacción
Tejido/organismo
Piruvato carboxilasa Hígado, Riñon
Entrada Propionato
Hígado (rumiantes)
PEP Carboxiquinasa
Corazón, Músc. esquelético
Enzima Málico
Todos,hepatocitos, adipocitos
ATP
HCO3+
ADP Pi
4 subunidades idénticas
Cada una tiene Biotina (vit)
como grupo prostético
Biotina: transportador
especializado de grupos
monocarbonados en su
forma más oxidada
La PC tiene 4 subunidades
idénticas, cada una tiene una
molécula de biotina unida
covalentemente a través de un
enlace amida al grupo e-amino
de un residuo específio de Lys
en el sitio activo del enzima.
Bicarbonato es
activado por ATP
formando
Carboxifosfato
Anclaje de Biotina a E
biotina (grupo prostetico de la E, transporta CO2)
Los grupos carboxilo son
activados en una reacción que
rompe el ATP y une CO2 (del
bicarbonato) a la biotina ligada al
enzima
La carboxilación del piruvato tiene lugar en
dos pasos: 1) un grupo carboxilo
proveniente del bicarbonato se une a la
biotina
Este CO2 (activado) se transfiere
entonces al aceptor (piruvato) en
un a reacción de carboxilación.
Y 2) a continuación el grupo carboxilo se
transfiere al piruvato para formar
oxalacetato. Estos dos pasos tienen lugar
en sitios activos diferentes.
.
Se formar oxalacetato.
Glucosa
Neoglucogénesis
Glucosa
RUMEN
Glucólisis
Piruvato
Lactato deshidrogenasa
Lactato
Lactil-CoA
Propionato
Acrilil-CoA
Otros
tejidos
sangre
Hígado
Propionil-CoA
Propionato
CoASH
Glucosa
Vía malato
ATP
Propionil-CoA
ATP
CO2
2
AMP
C.K.
fumarato
succinato
sangre
1
Tiocianasa, o Acil-CoA sintetasa
2
Propionil-CoA carboxilasa
-Metilmalonil-CoA
3
Metilmalonil-CoA racemasa Reorganización
4
4
Metilmalonil-CoA mutasa
D-Metilmalonil-CoA
oxalacetato
malato
Propionato
AMP
1
oxalacetato
3
Succinil-CoA
L-Malato
Todos,hepatocitos, adipocitos
TAG
AG
CH3 C
COOO
Oxalacetato
SCoA
O
C
CH2
CH2 C
O
OH
C
COO-
H
C
COO-
COO-
OCitrato
H
CH2
COOHO
Ciclo de Krebs
C ―H
H
CH
HO
C
COO
COO-
CO2
-
CH2
CH
COOFumarato
COO-
CH2
COOCH
Isocitrato
COO-
H
HC ―H
L-Malato
COO-
COOCH2
COO-
C
CH2
O
COO-cetoglutarato
CH2
CH2
C
COO
-
Succinato
SCoA
O
Succinil CoA
CO2
Si el Acetil CoA no es
utilizado en el ciclo de Krebs
Gotas de lípidos
Ácidos grasos
Hepatocito
Acetoacetato
Β-hidroxibutirato
Acetona
Exportados
Alta [CC] en:
Fuente
de energía:
Inanición
Corazón
Diabetes
esquelético
Oveja gestación
múltiple
Formación de cuerposMúsculo
Riñón
Vaca posparto
cetónicos
cerebro
(gran demanda
Acetil-CoA
energética)
Oxalacetato
C de Krebs
Glucosa
Exportada: combustible para
cerebro y otros tejidos
Glucosa
G6Pasa
Glicerol
AG
Glucosa-6-P
Fructuosa-6-P
F16Pasa
TAG
Fructuosa -1,6-BP
DHAP
Gliceraldehído-3-P
1,3-B-P
Lactato
Propionato
Intermediarios
del C. K.
3-PG
PEPCK
2-PG
PEP
OXA
Piruvato
aminoácidos
PC
Proteínas
Producto
aminoácidos
cu
s
Mú
to
a
t
c
La
lo
Piruvato
Piruvato
Carboxilasa
Acetil CoA
Aminoácidos
Citrato
Oxalacetato
-cetoglutarato
Glutamato
Aminoácidos
L-Malato
Fumarato
Aminoácidos
Succinil
CoA
Propionato
Aminoácidos
Los aminoácidos estándar entran al ciclo de
Krebs para ser oxidados.
Alanina
Cisteína
Glicina
Serina
Triptófano
Piruvato
Leucina
Isoleucina
Triptófano
Acetil-CoA
Glucosa
Asparagina
Aspartato
Aspartato
Tirosina
Fenilalanina
Acetoacetil-CoA
Fumarato
Ciclo
de
Krebs
Isocitrato
CO2
Succinil-CoA
Metionina
Valina
Treonina
Isoleucina
Citrato
Oxaloacetato
Cuerpos
cetónicos
Leucina
Lisina
Tirosina
Fenilalanina
Triptófano
-Cetoglutarato
CO
2
Glutamato
El ayuno conduce al catabolismo de aminoácidos glucogénicos.
Arginina
Histidina
Glutamina
Prolina
El piruvato para ser oxidado en el ciclo de Krebs.
•Debe ser convertido primero a oxaloacetato.
•Es convertido primero a acetil-CoA por descarboxilación
oxidativa.
•Requiere bajos niveles de NAD porque este compuesto
va inhibir el proceso.
•Es realizado por una enzima que lo convierte a Acetil
CoA
•Requiere solamente TPP como cofactor
•Requiere de un Complejo Multienzimatico ubicado en la
matriz mitocondrial
•Debe ser transportado desde el citosol a la mitocondria
•Requiere el “Complejo de la Piruvato Deshidrogenasa”
que tiene TPP, Lipoato, FAD, NAD y CoA como
cofactores.
•Debe ser descarboxilado en una reacción que en
condiciones fisiológicas es reversible
El ciclo de Krebs:
•produce acetil-CoA
•consume GTP
•produce ATP indirectamente
•es catalizado por un único complejo multienzimático
•se realiza por E mitocondriales y citosolicas
•produce 3 NADH por cada vuelta del ciclo
•Salen 2 CO2 por vuelta del ciclo
•la conversión de succinato a fumarato es la única reacción
catalizada por una enzima unida a la MMI
•Produce un GTP por fosforilación oxidativa
•es inhibido por altas concentraciones de NADH y de ATP
•Solo tiene funciones catabólicas
•Es una vía Anfibólica
•Es estimulado por altas concentraciones de Acetil-CoA,
ADP y OA
El ciclo de Krebs:
•produce intermediarios biosintéticos
•no requiere reposición de los intermediarios biosintéticos
•la conversión de piruvato en oxalacetato es catalizada por
la piruvato deshidrogenasa
•la principal forma de reponer intermediarios es
transaminación de aa
•La piruvato carboxilasa es estimulada por altas
concentraciones de acetil-CoA
•la piruvato carboxilasa no requiere cofactores
Síntesis
El ciclo de Krebs es el centro del metabolismo
• Se realiza en la mitocondria (7 E matriz, 1 MMI).
• Oxida intermediarios para dar coenzimas reducidas
necesarias para la síntesis de ATP.
• Por cada vuelta del ciclo se producen 3 NADH, 1
FADH2 y 1 GTP (ATP) por fosforilación a nível de
sustrato.
• Por cada vuelta del ciclo salen 2 carbonos como
CO2.
• 3 (de 8) reacciones son irreversibles, 3 puntos de
control de flujo a través del ciclo.
Síntesis
El ciclo de Krebs es el centro del metabolismo
• altas [acetil-CoA] y [ oxalacetato] [ADP], [Ca2+] son
estimuladoras del ciclo
• Altas [NADH], [ATP], [citrato], [succinil-CoA] son
inhibidoras del ciclo
• Intermediarios son utilizados en la biosíntesis de
constituyentes vitales para la célula: vía anfibólica.
• Reacciones anapleróticas reponen intermediarios.
• Principal reacción anaplerótica: Piruvato carboxilasa.