Ciclo de Krebs: Ruta Metabólica, Reacciones, Balance Energético y Regulación

Ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico, es una ruta común al metabolismo de lípidos, proteínas e hidratos de carbono. Es un ciclo intramitocondrial, común a animales, plantas y diferentes microorganismos.

En las mitocondrias se produce una oxidación aerobia cuyos productos son CO₂, H₂O, equivalentes reductores (NADH y FADH₂) y GTP. Tiene tanto un carácter catabólico como anabólico.

Fases de la respiración celular

1. Oxidación de combustibles orgánicos para formar acetil CoA.
2. Oxidación del acetil CoA en el ciclo del ácido cítrico hasta CO₂, con conservación de energía en NADH y FADH₂.
3. Oxidación de NADH y FADH₂ con reducción del O₂ a H₂O, con producción de energía en forma de ATP.

Reacciones del ciclo de Krebs

Es una serie cíclica de 8 reacciones que oxidan el acetil CoA a CO₂ y forman NADH, FADH₂ y ATP.

1. Condensación

El acetil CoA y el agua se condensan con el oxalacetato para dar lugar a citrato.

2. Deshidratación e hidratación

El citrato sufre una deshidratación por la pérdida de una molécula de agua y posteriormente una hidratación, dando lugar al isocitrato. Ambas reacciones son de doble sentido y están catalizadas por la enzima aconitasa.

3. Descarboxilación oxidativa

El isocitrato pierde una molécula de CO₂ y pasa a α-cetoglutarato. Se necesita una molécula oxidada (NAD⁺) para que se reduzca a NADH + H⁺. La enzima que cataliza la reacción es la isocitrato deshidrogenasa, que necesita Mg²⁺ o Mn²⁺ como cofactor.

4. Descarboxilación oxidativa

El α-cetoglutarato pasa a succinil-CoA. En esta reacción se incorpora una molécula de CoA-SH, se produce CO₂ por descarboxilación oxidativa y se reduce el NAD⁺ a NADH. Participa el complejo de la α-cetoglutarato deshidrogenasa.

5. Fosforilación a nivel de sustrato

Se produce el paso de succinil-CoA a succinato. En este paso se pierde la CoA y, a partir del GDP, se obtiene GTP mediante fosforilación a nivel de sustrato. El GTP dará lugar a ATP. La enzima que cataliza la reacción es la succinil-CoA sintetasa.

6. Deshidrogenación

El paso de succinato a fumarato emplea la enzima succinato deshidrogenasa. Es una reacción bidireccional cuya ΔG° es aproximadamente 0 kcal/mol y utiliza como coenzima el FAD, que pasa a FADH₂.

7. Hidratación

Reacción bidireccional del fumarato con agua para dar malato, catalizada por la enzima fumarasa. Se obtiene L-malato.

8. Deshidrogenación

El L-malato se transforma en oxalacetato por la enzima L-malato deshidrogenasa, ligada a la coenzima NAD⁺, que pasa a NADH. La reacción es reversible y muy endergónica, con ΔG° = +7,1 kcal/mol.

Ecuación global y balance del ciclo de Krebs

Acetil CoA + 3 NAD⁺ + FAD + GDP + Pi + 2 H₂O → 2 CO₂ + CoA + 3 NADH + FADH₂ + GTP

• 1 Acetil CoA → 2 CO₂ + 3 NADH (× 2,5 ATP) + FADH₂ (× 1,5 ATP) + 1 GTP
• 1 Acetil CoA → 7,5 ATP (NADH) + 1,5 ATP (FADH₂) + 1 ATP + 2 CO₂
• 1 Acetil CoA → 10 ATP + 2 CO₂

Destinos de la glucosa y del piruvato

El glucógeno y el almidón, mediante la glucogenólisis, se transforman en glucosa, la cual puede:

• Transformarse en ribosa-5-fosfato por la ruta de las pentosas fosfato.
• Transformarse en 2 piruvato mediante la glucólisis. En este último caso:
  • En condiciones anaerobias, se transforma en 2 etanol + 2 CO₂ o en 2 lactato.
  • En condiciones aerobias, se transforma en 2 acetil CoA y, mediante el ciclo de Krebs, en 6 CO₂ + 6 H₂O.

Asimismo, pueden producirse reacciones inversas, como la gluconeogénesis, en la que el piruvato se convierte en glucosa y esta en glucógeno o almidón.

Balance energético de la oxidación completa de la glucosa

• Glucólisis: glucosa → 2 piruvato + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ → 2 ATP + 2 NADH (× 2,5 ATP) = 7 ATP
• Conexión glucólisis-ciclo de Krebs: piruvato deshidrogenasa: 2 piruvato → 2 acetil CoA + 2 NADH + 2 H⁺ = 5 ATP
• Ciclo de Krebs: 2 acetil CoA → 2 × 10 ATP = 20 ATP

Glucosa → 6 CO₂ + 32 ATP

Regulación de la piruvato deshidrogenasa

El ADP y el piruvato inhiben la piruvato deshidrogenasa quinasa, por lo que la piruvato deshidrogenasa permanece en su forma activa. El NADH y el acetil CoA activan la piruvato deshidrogenasa quinasa, lo que provoca el paso de la piruvato deshidrogenasa de su forma activa a inactiva. El Ca²⁺ activa la piruvato deshidrogenasa fosfatasa, que revierte el efecto de la quinasa, es decir, devuelve la piruvato deshidrogenasa a su forma activa.

Regulación del ciclo de Krebs

La velocidad global del ciclo está controlada por la velocidad de conversión del piruvato en acetil CoA y por el flujo a través de la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Estos flujos dependen principalmente de la acción de sustratos y productos. Los factores que afectan a la velocidad son:

• Disponibilidad de sustrato.
• Inhibición por producto.
• Inhibición alostérica por los pasos posteriores del ciclo.

Los productos finales, ATP y NADH, son inhibidores, mientras que los sustratos NAD⁺ y ADP son estimuladores.

La producción de acetil CoA para el ciclo de Krebs por el complejo de la piruvato deshidrogenasa está inhibida alostéricamente por los metabolitos que indican suficiencia de energía metabólica (ATP, acetil CoA, NADH y ácidos grasos de cadena larga), y estimulada por metabolitos que indican suministro reducido de energía (NAD⁺, AMP, CoA).