El ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es una ruta metabólica que forma parte de la respiración celular en todas las células aerobias y en la que se libera energía a través de la oxidación del acetil-CoA derivado de carbohidratos, lípidos y proteínas en dióxido de carbono y energía química en forma de ATP, NADH y FADH₂.

Se llama así en honor a su descubridor, el alemán Hans Adolf Krebs, quien obtuvo el Premio Nobel de Medicina en 1953; también es llamado ciclo del ácido cítrico, en referencia a la primera molécula que se forma en las reacciones del ciclo, el citrato (en su forma protonada, ácido cítrico), o ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA), por los tres grupos carboxílicos de los primeros dos intermediarios.

En la célula eucariota, el ciclo de Krebs se realiza en la matriz mitocondrial. Por ello, las células que no tienen mitocondrias, como los glóbulos rojos, no pueden realizar el ciclo de Krebs o la fosforilación oxidativa, por lo que la energía de que disponen es básicamente la obtenida en la glucólisis.

En cada vuelta del ciclo, el acetil-CoA obtenido en etapas anteriores de la respiración celular o mediante rutas catabólicas de degradación de ácidos grasos o aminoácidos es oxidado completamente, obteniendose energía en forma de trifosfato de guanosina (GTP) mediante una fosforilación a nivel de sustrato, y coenzimas reducidas, tres moléculas de NADH y una molécula de FADH₂. Ya que después de la glucólisis y de la descarboxilación oxidativa del piruvato se producen dos moléculas de acetil-CoA, el ciclo debe transcurrir dos veces. Además, los intermediarios de este ciclo resultan ser moléculas que desepeñan papeles muy importantes dentro de la célula y que permiten interconectar las principales rutas tanto catabólicas como anabólicas de los hidratos de carbono, los lípidos y los aminoácidos. Se trata pues de una ruta anfibólica.

Los acarreadores de electrones reducidos NADH y FADH₂ generados en el ciclo de Krebs pasarán sus electrones a la cadena de transporte de electrones y, mediante fosforilación oxidativa, generarán la mayor parte del ATP producido en la respiración celular.

Reacciones del ciclo de Krebs

El ciclo del ácido cítrico es un circuito cerrado de ocho etapas principales en el que la última parte de la vía regenera la molécula utilizada en el primer paso. Sus reacciones son las siguientes:

1. El ciclo comienza con la incorporación de una molécula de acetil-CoA (compuesto de dos átomos de carbono) que se une al oxalacetato (compuesto de cuatro átomos de carbono), formando el ácido cítrico o citrato (compuesto de seis átomos de carbono), y liberándose la molécula de coenzima A.
   
   
2. Mediante una reacción de isomerización, el citrato se transforma en isocitrato la variar la posición del grupo OH del cabono 2 al carbono 3. La reacción está mediada por una aconitasa.
   
   
3. El isocitrato sufre la primera descarboxilación oxidativa del ciclo. El isocitrato pierde un carbono en forma de CO₂, se oxida formándose NADH + H⁺ y se transforma en α-cetoglutarato (compuesto de cinco átomos de carbono). La enzima que cataliza este paso, la isocitrato deshidrogenasa, es un importante regulador de la velocidad del ciclo del ácido cítrico.
   
   
4. A continuación tiene lugar la segunda descarboxilación. El α-cetoglutarato pierde un átomo de carbono en forma de CO₂, se oxida formándose NADH + H⁺ y la molécula resultante se une al coenzima A formándose succinil-CoA (compuesto de cuatro átomos de carbono). La enzima que cataliza este paso, la α-cetoglutarato deshidrogenasa, también es importante en la regulación del ciclo del ácido cítrico.
   
   
5. En esta etapa se genera energía mediante una fosforilación a nivel de sustrato. Una molécula de GTP se forma como consecuencia de la liberación de energía generada por la ruptura del enlace entre el succinil y el coenzima A, originandose succinato. En las plantas se obtiene ATP en lugar de GTP. La reacción está catalizada por la succinil CoA sintetasa.
   
   
6. El succinato se oxida a fumarato mediante una reacción de deshidrogenación. El hidrógeno que se elimina sirve para la síntesis de una molécula de FADH₂. La enzima que interviene es la succinato deshidrogenasa, que se encuentra incrustada en la membrana interna de la mitocondria, por lo que el FADH₂v puede transferir sus electrones directamente a la cadena de transporte de electrones.
   
   
7. El doble enlace del fumarato se hidrata con una molécula de agua y se forma malato por la acción de la fumarato hidratasa.
   
   
8. Por último, el malato se oxida mediante una deshidrogenación a oxalacetato, de tal forma que el grupo alcohol del malato pasa a grupo cetona en el oxalacetato; está catalizada por la malato deshidrogenasa. A su vez, se forma una molécula de NADH + H⁺. Así, se vuelve a generar oxalacetato para que una nueva molécula de acetil-CoA inicie el ciclo de nuevo.
   

Reacciones del ciclo de Krebs

Productos y balance del ciclo de Krebs

Resumiendo las reacciones anteriores, en una sola vuelta del ciclo:

• Entran dos carbonos del acetil-CoA y se liberan dos moléculas de CO₂.
• Se generan tres moléculas de NADH y una de FADH₂.
• Se produce una molécula de ATP o GTP.

Acetil-CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + P_i + 2 H₂O → CoA-SH + 3 (NADH + H⁺) + FADH₂ + GTP + 2 CO₂

Hay que tener en cuenta que estas cifras son para una vuelta del ciclo, que corresponde a una molécula de acetil-CoA. Cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis produce dos moléculas de acetil-CoA, por lo que debemos multiplicar estas cifras por 2 si deseamos conocer el rendimiento por glucosa.

En cada vuelta del ciclo de Krebs entran dos carbonos (del acetil-CoA) al ciclo del ácido cítrico y se liberan dos moléculas de CO₂. Sin embargo, las moléculas de dióxido de carbono no contienen carbonos del acetil-CoA que acaba de entrar al ciclo. En su lugar, los carbonos del acetil-CoA se incorporan inicialmente a los intermediarios del ciclo y se liberan como dióxido de carbono hasta en ciclos posteriores. Después de suficientes vueltas, todos los carbonos del grupo acetilo del acetil-CoA se liberan como dióxido de carbono.

Vías que convergen en el ciclo de Krebs

El Ciclo de Krebs es una vía metabólica central en la que convergen otras, tanto anabólicas como catabólicas. Ingresan al ciclo por procedentes de diferentes metabolitos:

• Acetil-CoA: desde glucólisis, oxidación de ácidos grasos, producción de colágeno.
• Malato: desde la gluconeogénesis (por acción de la enzima málica o malato deshidrogenasa dependiente de NADP⁺; esta enzima convierte el piruvato en malato empleando NADPH, CO₂ y H₂O).
• Oxalacetato: por oxidación y biosíntesis de aminoácidos.
• Fumarato: degradación de aspartato, fenilalanina y tirosina.
• Succinil-CoA: por biosíntesis de porfirina, degradación de valina isoleucina y metionina y oxidación de ácidos grasos.
• Α-cetoglutarato: oxidación y biosíntesis de aminoácidos.
• Citrato: por biosíntesis de ácidos grasos y colesterol.
• NADH y FADH: desde la fosforilación oxidativa y cadena de transporte electrónico.