Fosforilación oxidativa

FOSFORILACIÓN OXIDATIVA

- La fosforilación oxidativa se define como la formación de ATP generada por la transferencia de electrones. Todas las rutas catabólicas, en los organismos aerobios, convergen para permitir el flujo de electrones hasta el oxígeno, produciendo energía para la generación de ATP constituyendo la etapa final del catabolismo de todas las biomoléculas.

- Proceso por el que se forma ATP como resultado de la transferencia de electrones desde el NADH o del FADH2 al O2 a través de una serie de transportadores electrónicos. 

- Se define "fosforilación" como la síntesis de ATP a partir de ADP y fosfato.
- La fosforilación oxidativa es la transferencia de electrones de los equivalentes reducidos NADH, NADPH, FADH, obtenidos en la glucólisis y en el Ciclo de Krebs hasta el oxígeno molecular, acoplado con la síntesis de ATP.
- Proceso metabólico está formado por un conjunto de enzimas complejas que catalizan varias reacciones de óxido-reducción, donde el oxígeno es el aceptor final de electrones y donde se forma finalmente agua. 
- Comienza con la entrada de e en la cadena respiratoria.
- De una molécula de glucosa se obtienen 38 moléculas de ATP mediante la fosforilación oxidativa. 

- Hay 2 mecanismos diferentes de fosforilación: 

1. A nivel de sustrato: En los que una molécula fosforilada cede su fosfato al ADP.
2. Quimiósmoticos: En los que la síntesis de ATP está acoplada al movimiento exergónico de hidrogeniones a favor de su potencial electroquímico.

- Fosforilación = Adición de un grupo fosfato o Pi (fósforo inorgánico) a una molécula orgánica.

- Fosforilación oxidativa = Donde el Pi proviene de reacciones redox como ocurre en la respiración celular aerobia y anaerobia. 

Cadena respiratoria

La cadena respiratoria está formada por 2 procesos:

• El transporte de electrones, que se Lleva a cabo en la cadena transportadora de electrones (proceso exergónico que genera un gradiente de protones).
• El mecanismo de la fosforilación oxidativa proceso endergónico acoplado al anterior

Dicho acoplamiento energético ocurre, como ya conocemos, en la membrana interna de la mitocondria.

Reacciones de óxido-reducción

Estas reacciones tienen lugar cuando hay una transferencia de electrones desde un dador, denominado reductor hasta un aceptor que se denomina oxidante. 

Dador electrónico (reductor) <--> electrón + aceptor electrónico (oxidante)

Los elementos que participan en estas reacciones pueden encontrarse en dos formas: oxidada y reducida formando un par redox conjugado. 

Forma oxidada + electrón <--> Forma reducida

¿Dónde ocurre?

Membrana interna mitocondrial

Eponimo

• Peter Mitchell
• Teoría quimiósmotica
• 1961

En 1961 Peter Mitchell propuso la hipótesis quimiósmotica en la cual propuso que el intermediario energético necesario para la formación del ATP (o Fosforilación del ADP), era una diferencia en la concentración de protones a través de la membrana. Gracias a estas observaciones Mitchell recibió en premio Nobel de Química en 1978. Murió al final de la década de los 80's. 

Precursores

• NADH
• FADH
• Complejos I ,II, III, IV y V

Cadena transportadora de electrones 

- Es un sistema de transferencia de hidrógenos y electrones catalizada por proteínas enzimáticas ordenadas en forma secuencial en la membrana mitocondrial interna. Donde la energía libre necesaria para generar ATP se extrae de la oxidación del NADH y del NADH2   mediante una sucesión de cuatro complejos proteicos a través de los cuales pasan los electrones. 

Complejo I (NADH-Deshidrogenasa o NADH coenzima Q reductasa). Es el más grande y contiene, a su vez, 3 subfracciones. Una es insoluble en agua, la llamada HP, a la que quedan asociados los fosfolípidos que forman parte de este complejo I. Ninguna de sus proteínas es catalítica. Las otras 2 subfracciones, la FP y la IP, son solubles en agua. La FP es la que contiene la flavoproteína catalítica. Las 3 subfracciones contienen las diferentes proteínas Fe-S. La función del complejo les la de oxidar al NADH y reducir la Co Q.

- Cuando el complejo I  recibe los electrones del NADH, 4 protones son expulsados al espacio intermembranal y los transfiere a la coenzima Q.

- Requiere de componentes intermediarios, como el flavin-mononucleotido (FMN), los centros Fe-S, y la ubiquinona (CoQ), los cuales acarrean los electrones a través de el complejo. 

Complejo II (Succinato-deshidrogenasa o succinato-coenzima Q reductasa). Contiene la enzima dimérica del ciclo del ácido cítrico succinato deshidrogenasa y otras tres subunidades hidrofobicas pequeñas, pasa los electrones del succinato deshidrogenasa a CoQ.

• Recibe los electrones de moléculas con potencial redox mayor que el NADH, como ejemplo el succinato, y los transporta a la coenzima Q.
• El FADH2 proviene de la beta oxidación de los lípidos o de la glucólisis puede transmitir sus electrones a la UQ a través de enzimas, sin necesidad de utilizar el complejo II.
• Contiene FAD y 2 centros Fe-S.

Complejo III (Q-Citocromo c oxidoreductasa).  Este complejo pasa los electrones de Co Q reducido al Citocromo C.

Se da por dos pasos, llamados Ciclo Q.

PRIMER PASO:

La enzima se une a tres sustratos. 

Los dos protones liberados de QH2 pasan al espacio intermembranal. 

El tercer sustrato es la Q, la cual acepta el segundo electrón.

SEGUNDO PASO:

1. Una segunda molécula de QH2 es unida y de nuevo pasa su primer electrón al aceptor citocromo c. 

2. El QH2 es liberado de la enzima.

3. Hay una transferencia neta de electrones a través de la membrana.

Complejo IV (citocromo c oxidasa). Cataliza las oxidaciones, con un electrón de cuatro moléculas consecutivas de citocromo c reducido y la reducción concomitante , con cuatro electrones , de una molécula de O2.

• Transfiere lo electrones del citocromo c y los utiliza para formar moléculas de agua a partir de oxigeno.
• Contiene cobre y citocromos con centros de hierro los cuales transfieren electrones a una molécula de oxigeno.

Complejo V (ATP sintasa o ATP sintetasa). Complejo enzimático de la membrana interna de la mitocondria, a través del cual fluyen los protones a favor del gradiente establecido en la primera etapa del acoplamiento quimiosmótico; el sitio de formación de ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico durante la fosforilación oxidativa.

El complejo ATP sintetasa es una enzima encargada de sintetizar Adenosina Trifosfato (ATP) a partir de ADP y un grupo fosfato, merced a la energía suministrada por un flujo de protones, de acuerdo con la hipótesis quimiosmótica de Mitchell. La ATP sintetasa se puede imaginar como un motor molecular que produce una gran cantidad de ATP cuando los protones fluyen a través de ella. La tasa de síntesis es grande, el organismo humano en fase de reposo puede formar unas 1021 moléculas de ATP por segundo.

Situada en la membrana interna de la mitocondria, se han asociado a este complejo V,  2 funciones, ambas debidas a la actividad reversible de la enzima:

1. La síntesis de ATP, acoplada a la energía que brinda el gradiente de protones, y que se forma durante el transporte de electrones.

2. La hidrólisis de ATP, al acoplarse a la traslocación de protones de la matriz al citosol, con el paso de los cationes como el K', Na*, Ca".

El complejo V lo forman 3 porciones: la cabeza, la base y el cuello.

La cabeza, actualmente conocida como subunidad F1, en ellas se localiza la actividad de síntesis de ATP. Están unidas por unos tallos, el cuello, a la membrana, donde se encuentra la tercera parte que se corresponde con la base. Esta ultima es la subunidad F0, también conocida como el canal de protones, por donde estos pasan al disiparse el gradiente durante el mecanismo de formación del ATP.

1. Unidad catalitica F1 = Contiene los sitios de fijación de ATP y ADP e interviene en las reacciones catalíticas de ATP. Compuesta por 5 subunidades distintas α, β, δ, ε, γ.  
2. Unidad bombeadora de H+ o F0 = Segmento hidrofobico que atraviesa la membrana interna mitocondrial. Formado por 10 a 14 subunidades de c,  dos subunidades de b y una subunidad en la periferia del anillo. 

- La ATP sintasa no precisa del gradiente de protones para generar ATP. 

- El movimiento de protones a través de ATP sintasa es necesario para la liberación del ATP de F1. 

- Se propone que la energía liberada durante el movimiento de protones a través de la membrana, produce un cambio confomacional de la ATP sintasa, que da lugar a la liberación del ATP unido fuertemente a la subunidad β.

- La interconversión entre las 3 formas puede ser dirigida mediante la rotación de y. Por cada rotación de 120º de y se da la liberación de ATP y la unión de un nuevo ADP+Pi.

- La rotación de y es producida por el paso de protones a través de la subunidad a, que produce una rotación del anillo de subunidades c. 

- Mecanismo de rotación del anillo c: Cada protón entra por el semiconducto citosólico, sigue una vuelta completa por el anillo c y sale por el otro semiconducto hacia la matriz. 

Inhibidores

• Barbitúricos: Amobarbital, inhiben el transporte de electrones por medio del complejo I.
• Antimicina y Dimercaprol: inhiben la cadena respiratoria en el  complejo III. 
• Monoxido de carbono y cianuro: inhiben el complejo IV, y en consecuencia pueden detener por completo la respiración.
• Malonato: inhibidor competitivo del complejo II.
• Atractilosido: inhibe la Fosforilación oxidativa mediante la inhibición del transportador de ADP hacia dentro de la mitocondria, y de ATP hacia afuera de ella.
• Oligomicina: bloquea por completo la oxidación y Fosforilación al bloquear el flujo de protones por medio de la ATP sintasa.

Regulación de la Fosforilación Oxidativa

La velocidad con que se desarrolla la fosforilación oxidativa está marcada por las necesidades energéticas de la célula. Para que el proceso se realice de forma correcta se requiere un aporte de sustratos como NADH (o FADH2), O2, ADP y Pi siendo el más importante el ADP. La concentración intracelular de este metabolito es una medida de las necesidades de energía metabólica, y, por lo tanto, va a fijar la velocidad a la que ha de desarrollarse la fosforilación oxidativa. Esta regulación por ADP se denomina control respiratorio, ya que el consumo de O2 por parte de la mitocondria, es dependiente de la cantidad de ADP presente. Según la actividad celular desarrollada, se producirá un consumo mayor o menor de ATP, generándose cantidades variables de ADP. Una concentración elevada de ADP causará un incremento en la velocidad de la respiración celular o fosforilación oxidativa, intentando de manera continua reequilibrar la relación ATP/ADP, o expresado bajo otros términos, la síntesis de ATP se realiza según va siendo requerido por las necesidades celulares. Todas las rutas catabólicas estudiadas tienen una regulación acoplada a la fosforilación oxidativa, que se realiza a través de la carga energética; de tal manera, que hay un engranaje correcto y equilibrado entre todos los procesos productores de energía con el consumo de la misma.

Productos del metabolismo

- 38 moléculas de ATP

Ciclos metabólicos con los que se relaciona:

• Glucólisis
• Descarboxilación del piruvato
• Ciclo de Krebs

Patología:

- Neuropatía óptica hereditaria de Leber (LHON):

• Rara enfermedad génetica transmitida por la madre.
• La causan mutaciones en el DNA.
• Afecta el SNC, incluidos nervios ópticos, causando pérdida de visión bilateral; se manifiesta tempranamente al inicio de la adolescencia. 
• Signos: Inflamación de la papila óptica, tortuosidad vascular, telangiectasias peripapilares, microangiopatía y escotomas centrales en estudio del campo visual. 

Cadena transportadora de electrones

CADENA DE TRANSPORTE DE ELECTRONES 

Conceptos básicos: 

1. Las reacciones productoras de energía son procesos de óxido-reducción.

2. Un compuesto se oxida cuando pierde electrones.

3.El aceptor final de los electrones liberados durante los procesos de oxidación 

biológicos es el oxígeno.

4. La transferencia de electrones desde los compuestos oxidados al oxígeno

produce energía.

5. Esta energía se utiliza para la síntesis de ATP.

- Conjunto de complejos enzimáticos embebidos en la membrana mitocondrial que oxidan NADH y FADH2 generandose un gradiente de protones. 

- Consiste en una serie de transportadores electronicos, la mayoría proteínas integrales de membrana, con grupos prosteticos capaces de aceptar y ceder 1 o 2 electrones. 

- Cada componente de la cadena puede aceptar electrones del transportador precedente y transferirlos al siguiente en una secuencia específica. 

- Ubiquinona (Q) y citocromo c sirven de puentes móviles entre los diferentes complejos proteicos de la cadena de transporte electrónico. 

- El complejo IV reduce O2 a H2O. 

- El flujo de electrones a través de los componentes de la cadena se realiza en orden de potencial de reducción creciente. 

• NADH = agente reductor fuerte 
• O2 = aceptador final de los electrones.

4 complejos están unidos a la membrana mitocondrial interna: 

1. Complejo I: NADH deshidrogenasa. 
2. Complejo II: Succinato deshidrogenasa o Ubiquinona.
3. Complejo III: Complejo Citocromo b-c1 o Citocromo reductasa.
4. Complejo IV: Citocromo C-Oxidasa.

Transportadores implicados en la cadena transportadora de electrones: 

• Ubiquinona (UQ, Q o CoQ): En las células, al ser un lípido, se encuentra distribuido en todas las membranas celulares llevando a cabo diversas funciones relacionadas con su capacidad redox. Entre sus funciones se puede destacar el papel que tiene como transportador de electrones de la cadena. 
• Citocromo (c): Es una proteína pequeña, que funciona como transportador electrónico mitocondrial entre los complejos respiratorios III y IV. Se trata de una proteína monomérica. El compleho III o Complejo citocromo obtiene 2 electrones desde QH2, y se los transfuere a 2 moléculas de citocromo c. 
• Flavina mononucleotido (FMN): Presente en flavoproteínas. Sus reacciones de transferencia de electrones están acopladas a la unión o liberación de protones. También al poder existir en forma de simiquinona, transportar tanto un electrón como un par.
• Centros Fe-S: Fe está presente no en forma de hemo (como en los citocromos) sino en asociación con átomos de azufre de residuos de Cys de la proteína transportadora, o con los 2 al mismo tiempo. 

1) El complejo I capta 2 electrones del NADH y los tranfiere a un transportador liposoluble denominado ubiquinona (UQ).

- Punto de entrada de los electrones del NADH

- Enzima enorme (880 Kd). 34 cadena polipeptidicas, codificadas tanto por genoma mitocondrial como por genoma nuclear. 

- Estructra en forma de L: Brazo horizontal anclado en la membrana interna / Brazo vertical en la matriz mitocondrial. 

2) El complejo II dona electrones a la ubiquinona desde el succinato.

- Complejo proteíco más pequeño que el Complejo I: dos tipos de grupos prosteticos y al menos 4 proteínas diferentes incluyendo: 

• 2 proteínas Fe-S
• Succinato deshidrogenasa (CDK), posee FAD unido covalentemente. 

- No se produce transporte de H.

- De manera análoga, Glicerol fosfato deshidrogenasa y Acil CoA deshidrogenasa de ácidos grasos transfieren sus electrones de alta energía del FADH2 a Q para formar QH2.

3) El complejo III obtiene 2 electrones desde QH2 y se los transfiere a 2 moléculas de citocromo c.

- Segunda bomba de H+ de la cadena de transporte. 

- Dimero donde cada monómero esta formado por 11 subunidades.

- En su estructura podemos encontrar: 

• 2 citocromos: Citocromo B (contiene 2 grupos hemo tipo b; bL (baja afinidad) y bH (alta afinidad). Citocromo C.

- Mecanismo de Ciclo-Q: Los electrones pasan al citocromo c, proteína soluble presente en el espacio intramembranal; se asocia mediante interacciones electrostáticas con la parte exterior de la membrana interna de la mitocondria. 

- Después de aceptar un electrón procedente del complejo III el citocromo c difunde hacia el complejo IV. 

4) El complejo IV capta 4 electrones de las 4 moléculas de citocromo c y se transfieren al oxígeno (O2), para producir 2 moléculas de agua. 

- Etapa final de la cadena

Ciclo de Krebs

CICLO DE KREBS

1. DEFINICIÓN DEL CICLO METABOLICO:

• Es una sucesión de reacciones químicas que forman parte de la respiración celular en todas las células aeróbicas (células en presencia de O), menos en glóbulos rojos ya que no tienen mitocondria.
• En organismos aeróbicos, el ciclo de Krebs es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, liberando energía en forma utilizable (poder reductor y GTP).
• Ruta metabólica anfibólica (participa tanto en procesos anabólicos como catabólicos).
• Función:

- Catabólica: Oxidación de glúcidos, ácidos grasos y proteínas para generar energía.
- Anabólica: Algunos intermediarios son precursores biosínteticos.

2. LUGAR CELULAR Y TEJIDOS DONDE SE REALIZA:

• Se lleva a cabo en la matriz mitocondrial.
• Todas las células con mitocondrias (excepciones: eritrocitos, retina...)
• Prolifera en tejido cardíaco y hepático. 

3. PRECURSORES NECESARIOS PARA EL METABOLISMO:

• 1 molécula de Acetil CoA. 2 moléculas de Piruvato provenientes de la glucólisis (entra 1 en cada ciclo).
• NAD
• FAD 
• 3 moléculas de H2O

4. CICLO METABOLICO COMPLETO:

Complejo Piruvato Deshidrogenasa (PDH):

·      Descarboxilación oxidativa del piruvato (un a-cetoácido).

·      Irreversible

·      Ocurre en la mitocondria

·      Regulación alostérica y por modificación covalente

·      Conversión del piruvato en acetil-CoA

·      El grupo carboxilo del piruvato se libera como CO2, mientras que los 2 carbonos restantes forman la porción acetilo de la acetil-CoA

·      Comporta la generación de un transportador electrónico reducido (NADH), la descarboxilación del piruvato y la activación metabólica de los 2 carbonos restantes del piruvato.

·      Reacción de 5 pasos

·      Intervienen en ella 3 enzimas:

-       E1 = Piruvato deshidrogenasa (TPP)

-       E2 = Dihidrolipoamida transacetilasa (lipoato, CoA)

-       E3 = Dihidrolipoamida deshidrogenasa (FAD, NAD)

* Las 3 enzimas se ensamblan en un complejo multienzimático muy organizado denominado complejo piruvato deshidrogenasa.

·      Intervienen en ella 5 coenzimas:

-       Pirofosfato de tiamina (TPP)

-       Ácido lipoico

-       Coenzima A (Vitamina B3, niacina)

-       Dinucleótido de flavina y adenina (FAD, Vitamina B2; riboflavina)

-       NAD (Vitamina B3, niacina)

Reacciones propias del ciclo:

Reacción 1: Condensación del oxalacetato con la acetil CoA.

La enzima citrato sintasa condensa a la acetil-CoA (2C) con el oxalacetato (4C) para dar una molécula de citrato (6C). Como consecuencia de esta condensación se libera la coenzima A (HSCoA). La reacción es fuertemente exergónica: es irreversible.

-       La Acetil CoA transfiere un grupo acetilo de 2C para el oxalacetato de 4C. Esto forma la molécula de citrato de 6C.

-       Subreacción 1.1: El ácido citrico pierde H2O y forma el aconitato.

-       Enzima: Citrato sintasa

Reacción 2: isomerización del citrato a isocitrato

La isomerización del citrato en isocitrato ocurre por dos reacciones, que se resumen en una.

-       La enzima aconitasa recoge el agua y con esto el citrato se reorganiza para formar isocitrato (6C).

-       Enzima: Aconitasa

Reacción 3: oxidación y decarboxilación del isocitrato

El isocitrato es sustrato de la isocitrato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor un NAD, que forma parte de la cadena respiratoria. En la reacción 3 se resumen dos reacciones a partir de las cuales el isocitrato forma α-cetoglutarato (5C). Para lograr ese producto ocurre una decarboxilación, es decir la liberación de una molécula de CO2, y la reducción de un NAD que permite la formación de 3 ATP.

-       La enzima deshidrogenasa mitocondrial depende de la presencia de NAD y de Mn o Mg. Primero es catalizada la oxidación del isocitrato a oxalsuccinato, lo que produce una molécula de NADH a partir de NAD.

-       Subreacción 3.1: Después se produce una descarboxilación, es decir, la salida de una molécula de CO2, que conduce a la formación de alfa-cetoglutarato de 5C, caracterizado por 2 carboxilos en las extremidades y una cetona en posición alfa con respecto de uno de los 2 grupos carboxilo.

-       Enzima: Isocitrato deshidrogenasa

Reacción 4: el α-cetoglutarato se transforma en succinil-CoA

Este paso implica la segunda decarboxilación oxidativa, catalizada por la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que lleva a la formación de succinil-CoA (4C). El NAD es la coenzima de la deshidrogenasa, de manera que se formarán 3 ATP como consecuencia de la actividad de cadena respiratoria.

-       Consiste en la unión de una CoA con el alfa-cetoglutarato, que lleva a la formación de Succinil CoA.

-       Enzima: Alfa-cetoglutarato deshidrogenasa

Reacción 5: la succinil-CoA rinde succinato y GTP

La succinil-CoA, es un tioéster de alta energía con un ∆G°′ de hidrólisis de -33.5 KJ.mol-1 aproximadamente. La energía liberada por la ruptura de ese enlace se utiliza para generar un enlace fosfoanhidro entre un fosfato y un GDP para dar 1 GTP por fosforilación a nivel de sustrato. En la reacción se libera HSCoA. El GTP se puede convertir en ATP según la siguiente reacción:

GTP + ADP GDP + ATP ∆G°′ = 0 KJ.mol- 1

-       La CoA se retira del Succinil-CoA lo que produce el succinato.

-       Enzima: Succinil-CoA sintetasa

Reacción 6: el succinato se transforma en fumarato

El succinato es oxidado a fumarato por la succinato deshidrogenasa, enzima que tiene como cofactor al FAD: se producen 2ATP en la cadena respiratoria. La enzima usa FAD porque la energía asociada a la reacción no es suficiente para reducir al NAD.

-       Mediante la oxidación del succinato al encontrarse con una molécula de FAD se forma el fumarato y un nuevo compuesto que es el FADH2.

-       Enzima: Succinato deshidrogenasa

Reacción 7: el fumarato se hidrata y genera malato

La fumarasa cataliza la adición de agua, es decir la hidratación del fumarato. El producto de la reacción es el malato.

-       El fumarato reacciona con el agua mediante la enzima fumarasa formando el malato.

-       Enzima: Fumarasa

Reacción 8: el malato se oxida a oxalacetato

Dada la naturaleza cíclica de la vía, las reacciones en su conjunto conducen a la regeneración del oxalacetato. La malato deshidrogenasa cataliza la oxidación del malato a oxalacetato, con la reducción de un NAD: se forman 3 ATP en la cadena respiratoria.

-       En esta última reacción el malato se oxida al encontrarse con un NAD formando el oxalacetato y un NADH.

-       Enzima: Malato deshidrogenasa

5. DIFERENCIAR LAS REACCIONES QUE PARTICIPAN:

Rutas anapleroticas (aquellas que permiten reponer intermediarios del ciclo de Krebs que han sido sustraídos por otras rutas biosínteticas. Mantienen un equilibrio de las concenctraciones intramitocondriales de los intermediarios del ciclo).

6. TIPOS DE REGULACION DEL CICLO Y QUIENES SON LAS ENZIMAS REGULADORAS DEL MISMO:

La regulación del ciclo hace posible la producción de moléculas de acuerdo a las necesidades celulares, y asegura que no ocurra sobre o sub producción en un momento dado. La regulación del ciclo se da en diferentes puntos, porque puede alimentarse o ser abastecido a través de cualquiera de sus intermediarios. La regulación es compleja en comparación con la de vías catabólicas como la glucólisis, y se considerarán situaciones de regulación relacionadas al estado energético celular.

•      La regulación de las enzimas es por modulación alostérica, por modificación covalente y por acumulación de productos. La “lógica” de la regulación se rige principalmente por la relación ATP/ADP y NADH.H/NAD, así como por las concentraciones de algunos intermediarios del ciclo.

•      Las relaciones entre ATP/ADP y NADH.H/NAD están relacionadas entre sí a través de la fosforilación oxidativa que ocurre en la cadena respiratoria, y ambas son señales del estado energético de la célula.

Los sitios primarios de control son las enzimas alostéricas: la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa. 

La isocitrato deshidrogenasa es estimulada alostéricamente por la presencia de ADP, que aumenta la afinidad de la enzima por el sustrato. Las uniones de isocitrato, de NAD+, de Mg²⁺, y de ADP, a la enzima son mutuamente cooperativas en sentido activador. Por contra, el NADH inhibe la enzima por el desplazamiento directo de NAD+. El mismo ATP tiene efecto inhibitorio.

El segundo sitio del control del ciclo de Krebs está cerca de la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Algunos aspectos del control de esta enzima son parecidos a los del complejo enzimático de la piruvato deshidrogenasa, como puede esperarse dada la extrema homología entre las dos enzimas. La α-cetoglutarato deshidrogenasa es inhibida por el succinil-CoA y el NADH, es decir, los productos de la reacción que cataliza. La α-cetoglutarato deshidrogenasa puede ser también inhibida genéricamente por un alto nivel energético presente en la célula. Esto significa que, en presencia de altos niveles de ATP, la célula es capaz de reducir la eficiencia del proceso de producción de energía. 

En muchas bacterias, también se controla la entrada en el ciclo de las moléculas con dos átomos de carbono. En ellos, la síntesis de citrato, oxalacetato y acetil-CoA es la sede de una importante regulación. EL ATP, en efecto, es un inhibidor alostérico de la citrato sintasa. El efecto concreto del ATP es aumentar la KM de la enzima por el acetil CoA. De este modo, cuanto más ATP está presente en la célula menos Acetil-CoA se introduce en el ciclo.

7. PRODUCTOS DEL METABOLISMO:

·      1 ciclo de Krebs completo produce; 1 GTP (1 ATP), 3 NADH, 1 FADH2 y 2 CO2.

·      Considerando que en el proceso de glicólisis se producen 2 moléculas de piruvato por molécula de glucosa, el ciclo de Krebs produce por cada molécula de glucosa; 2 GTP (2 ATP), 6 NADH, 2 FADH2 y 4 CO2.

·      8 electrones que pasarán a la cadena de transporte electrónico.

8. EPONIMO DEL CICLO METABOLICO:

·      Hans Krebs.

·      1937; Propuso que los combustibles orgánicos (piruvato) se oxidan a través de una ruta cíclica.

·      Premio nobel de medicina en 1953 compartido con Fritz Lipmann (descubridor de la coenzima A).

·      Postuló que los hidratos de carbono entran en el ciclo a través del piruvato, que reacciona con el oxalacetato para dar citrato y CO2. Actualmente sabemos que el piruvato debe oxidarse primero (liberando CO2) y que la acetil-CoA es la molécula que reacciona posteriormente con el oxalacetato para formar citrato. Conocemos también un derivado con CoA del succinato, la succinil-CoA. El reconocimiento de estos intermediarios activados del ciclo debía esperar al descubrimiento de la coenzima A por Fritz Lipmann en 1947. Excepto por estos cambios, la ruta propuesta por Krebs es correcta.

·      Fritz Lipmann y Nathan Kaplan (1953) descubrieron la Coenzima A, y el trabajo de Severo Ochoa y Feodor Lynen (1951) demostró que lo que entra en el ciclo de Krebs es el acetil-CoA y no el piruvato o el acetato.

9. CICLOS METABOLICOS CON LOS QUE SE RELACIONA:

El ciclo de Krebs ocupa una posición central en el metabolismo de los seres vivos. Es la ruta oxidativa central de la respiración celular, proceso mediante el cual se catabolizan todos los combustibles metabólicos (hidratos de carbono, lípidos y proteínas), en los organismos y tejidos aerobios.

·      Glucólisis: La glucólisis degrada la glucosa (y otras moléculas de seis átomos de carbono) en piruvato y un α-cetoácido que contiene tres átomos de carbono. En los eucariotas, el piruvato se traslada del citoplasma (sede de la glucólisis) a las mitocondrias, donde pierde un átomo de carbono y se convierte en acetil-CoA mediante la piruvato deshidrogenasa. En el interior de la mitocondria, el acetil-CoA puede entrar en el ciclo de Krebs.

·      Catabolismo de las proteínas: En lo que concierne a las proteínas, son degradadas mediante mecanismos de proteolisis por enzimas proteasas, que las trocean en sus constituyentes fundamentales: los aminoácidos. Algunos aminoácidos pueden constituir una fuente de energía, ya que son convertibles en intermediarios del ciclo mismo, por ejemplo el aspartato, la valina y la isoleucina. Otros, convertibles en moléculas glucídicas, pueden entrar en el ciclo pasando por las rutas catabólicas típicas de los glúcidos, por ejemplo la alanina, convertible en piruvato. 

·      Beta-Oxidación: Proceso catabólico en el que los ácidos grasos sufren remoción de un par de átomos de carbono en cada ciclo de la oxidación hasta que el ácido graso se descompone por completo en forma de moléculas acetil-CoA. Estas pueden ingresar en el ciclo de Krebs, y las coenzimas reducidas NADH y FADH2 sirven como donadores de electrones en la cadena respiratoria. La oxidación beta tiene lugar en la matriz interior de las mitocondrias y se compone de 4 pasos por ciclo.

·      Cadena de transporte de electrones: El ciclo de Krebs siempre es seguido por una fosforilación oxidativa, una cadena de transporte de electrones. Una no tendría sentido sin la otra en cuanto que el ATP y el GTP producidos por el ciclo es escaso y la producción de NADH y FADH2 llevaría a un entorno mitocondrial excesivamente reducido, mientras que la cadena respiratoria por sí sola necesitaría una fuente de cofactores reducida para la oxidación del entorno. Esta respiración celular extrae energía del NADH y FADH2, recreando NAD+ y FAD y permitiendo de tal modo que el ciclo continúe. El ciclo de Krebs no usa oxígeno, que es utilizado en cambio en la fosforilación oxidativa. 

Reacciones en las que intervienen los intermediarios del ciclo:

Los intermediarios del ciclo de Krebs están implicados en numerosas rutas metabólicas. A continuación se enumeran de forma resumida las rutas en las que están implicados los metabolitos del ciclo: 

·      Acetil CoA: beta oxidación; biosíntesis de los ácidos grasos; degradación de la lisina; degradación de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina. 

α-cetoglutarato: biosíntesis de la lisina; metabolismo del ácido ascórbico; metabolismo del glutamato. 

·      Succinil CoA: metabolismo del propanato; degradación de la valina, leucina e isoleucina; metabolismo de la fenilalanina. 

·      Succinato: metabolismo del butanato; metabolismo de la tirosina. 

·      Fumarato: ciclo de la urea; metabolismo de la arginina y la prolina; metabolismo de la tirosina. 

·      Oxalacetato: metabolismo del glioxilato; metabolismo del glutamato y el aspartato; gluconeogénesis.

10. PATOLOGÍAS DE CADA UNA DE ELLAS 

El Ciclo de Krebs no tiene en sí mismo patologías relacionadas pero sí debido a una falta de enzimas que participan en el o de sustratos (intermediarios) necesarios para su correcto funcionamiento.