El ciclo de Krebs simplificado

El ciclo de Krebs, que lleva el nombre del ganador del Premio Nobel de 1953 y fisiólogo Hans Krebs, es una serie de reacciones metabólicas que tienen lugar en el mitocondrias de células eucariotas. Dicho de manera más simple, esto significa que las bacterias no tienen la maquinaria celular para el ciclo de Krebs, por lo que se limita a plantas, animales y hongos.

La glucosa es la molécula que, en última instancia, es metabolizada por los seres vivos para obtener energía, en forma de trifosfato de adenosina o ATP. La glucosa se puede almacenar en el cuerpo en numerosas formas; El glucógeno es poco más que una larga cadena de moléculas de glucosa que se almacena en las células musculares y hepáticas. mientras que los carbohidratos, las proteínas y las grasas de la dieta tienen componentes que pueden metabolizarse a glucosa como bien. Cuando una molécula de glucosa ingresa a una célula, se descompone en el citoplasma en piruvato.

Lo que sucede a continuación depende de si el piruvato entra en la vía de respiración aeróbica (el resultado habitual) o en la vía de fermentación del lactato. (utilizado en episodios de ejercicio de alta intensidad o privación de oxígeno) antes de que finalmente permita la producción de ATP y la liberación de carbono dióxido (CO

El ciclo de Krebs, también llamado ciclo del ácido cítrico o ciclo del ácido tricarboxílico (TCA), es el primer paso en la vía aeróbica y opera para sintetizar continuamente suficiente de una sustancia llamada oxaloacetato para mantener el ciclo en marcha, aunque, como verá, esta no es realmente la "misión" del ciclo. El ciclo de Krebs aporta otros beneficios como bien. Porque incluye unas ocho reacciones (y, en consecuencia, nueve enzimas) que implican nueve distintas moléculas, es útil desarrollar herramientas para mantener los puntos importantes del ciclo rectos en su mente.

La glucosa es un azúcar de seis carbonos (hexosa) que, en la naturaleza, suele presentarse en forma de anillo. Como todos los monosacáridos (monómeros de azúcar), se compone de carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1-2-1, con una fórmula de C₆H₁₂O₆. Es uno de los productos finales del metabolismo de proteínas, carbohidratos y ácidos grasos y sirve como combustible en todo tipo de organismo, desde bacterias unicelulares hasta seres humanos y animales más grandes.

Glucólisis es anaeróbico en el sentido estricto de "sin oxígeno". Es decir, las reacciones proceden si O₂ está presente en las células o no. Tenga cuidado de distinguir esto de "oxígeno no debe ser presente ", aunque este es el caso de algunas bacterias que en realidad mueren con el oxígeno y se conocen como anaerobios obligados.

En las reacciones de la glucólisis, la glucosa de seis carbonos se fosforila inicialmente, es decir, se le añade un grupo fosfato. La molécula resultante es una forma fosforilada de fructosa (azúcar de fruta). A continuación, esta molécula se fosforila por segunda vez. Cada una de estas fosforilaciones requiere una molécula de ATP, las cuales se convierten en difosfato de adenosina o ADP. La molécula de seis carbonos luego se convierte en dos moléculas de tres carbonos, que se convierten rápidamente en piruvato. En el camino, en el procesamiento de ambas moléculas, se producen 4 ATP con la ayuda de dos moléculas de NAD + (dinucleótido de nicotinamida y adenina) que se convierten en dos moléculas de NADH. Así, por cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis, una red de dos ATP, dos piruvato y se producen dos NADH, mientras que se consumen dos NAD +.

Como se señaló anteriormente, el destino del piruvato depende de las demandas metabólicas y del entorno del organismo en cuestión. En los procariotas, la glucólisis más la fermentación proporciona casi todas las necesidades energéticas de una sola célula, aunque algunos de estos organismos han evolucionado. cadenas de transporte de electrones que les permitan hacer uso de oxígeno para liberar ATP de los metabolitos (productos) de la glucólisis. Tanto en procariotas como en todos los eucariotas excepto en levaduras, si no hay oxígeno disponible o si las necesidades energéticas de la célula no pueden satisfacerse por completo. a través de la respiración aeróbica, el piruvato se convierte en ácido láctico por fermentación bajo la influencia de la enzima lactato deshidrogenasa, o LDH.

El piruvato destinado al ciclo de Krebs se mueve desde el citoplasma a través de la membrana de los orgánulos celulares (componentes funcionales del citoplasma) llamados mitocondrias. Una vez en la matriz mitocondrial, que es una especie de citoplasma para las propias mitocondrias, se convierte bajo la influencia de la enzima piruvato deshidrogenasa a un compuesto diferente de tres carbonos llamado acetil coenzima A o acetil CoA. Muchas enzimas pueden seleccionarse de una línea química debido al sufijo "-ase" que comparten.

En este punto, debe aprovechar un diagrama que detalla el ciclo de Krebs, ya que es la única forma de seguirlo de manera significativa; vea los Recursos para ver un ejemplo.

La razón por la que el ciclo de Krebs se denomina así es que uno de sus principales productos, el oxaloacetato, también es un reactivo. Es decir, cuando el acetil CoA de dos carbonos creado a partir del piruvato entra en el ciclo desde "corriente arriba", reacciona con el oxaloacetato, una molécula de cuatro carbonos, y forma citrato, una molécula de seis carbonos. El citrato, una molécula simétrica, incluye tres grupos carboxilo, que tienen la forma (-COOH) en su forma protonada y (-COO-) en su forma no protonada. Es este trío de grupos carboxilo el que da el nombre de "ácido tricarboxílico" a este ciclo. La síntesis es impulsada por la adición de una molécula de agua, lo que la convierte en una reacción de condensación y la pérdida de la porción de coenzima A de acetil CoA.

Luego, el citrato se reorganiza en una molécula con los mismos átomos en una disposición diferente, que se llama correctamente isocitrato. Esta molécula luego emite un CO₂ para convertirse en el compuesto de cinco carbonos α-cetoglutarato, y en el siguiente paso ocurre lo mismo, con el α-cetoglutarato perdiendo un CO₂ mientras recupera una coenzima A para convertirse en succinil CoA. Esta molécula de cuatro carbonos se convierte en succinato con la pérdida de CoA, y posteriormente se reorganiza en una procesión de ácidos desprotonados de cuatro carbonos: fumarato, malato y finalmente oxaloacetato.

Las moléculas centrales del ciclo de Krebs, entonces, en orden, son

1. Acetil CoA
   
2. Citrato
   
3. Isocitrato
   
4. α-cetoglutarato 
   
5. Succinil CoA
   
6. Succionar
   
7. Fumarato
   
8. Malato
   
9. Oxaloacetato
   

Esto omite los nombres de las enzimas y una serie de co-reactantes críticos, entre ellos NAD + / NADH, el par de moléculas similares FAD / FADH.₂ (dinucleótido de flavina y adenina) y CO₂.

Tenga en cuenta que la cantidad de carbono en el mismo punto en cualquier ciclo sigue siendo la misma. El oxaloacetato recoge dos átomos de carbono cuando se combina con acetil CoA, pero estos dos átomos se pierden en la primera mitad del ciclo de Krebs como CO₂ en reacciones sucesivas en las que NAD + también se reduce a NADH. (En química, para simplificar un poco, las reacciones de reducción agregan protones mientras que las reacciones de oxidación los eliminan). Estos reactivos y productos de dos, cuatro, cinco y seis carbonos, no está claro de inmediato por qué las células se involucrarían en algo parecido a un Ferris bioquímico rueda, con diferentes ciclistas de la misma población subidos y bajados del volante, pero nada cambia al final del día, excepto por una gran cantidad de vueltas rueda.

El propósito del ciclo de Krebs es más obvio cuando observa lo que les sucede a los iones de hidrógeno en estas reacciones. En tres puntos diferentes, un NAD + recolecta un protón, y en un punto diferente, FAD recolecta dos protones. Piense en los protones, debido a su efecto sobre las cargas positivas y negativas, como pares de electrones. Desde este punto de vista, el punto del ciclo es la acumulación de pares de electrones de alta energía a partir de pequeñas moléculas de carbono.

Puede notar que en el ciclo de Krebs faltan dos moléculas críticas que se espera estén presentes en la respiración aeróbica: Oxígeno (O₂) y ATP, la forma de energía empleada directamente por las células y los tejidos para realizar trabajos como el crecimiento, la reparación, etc. Nuevamente, esto se debe a que el ciclo de Krebs es un factor determinante para las reacciones en cadena de transporte de electrones que ocurren cerca, en la membrana mitocondrial en lugar de en la matriz mitocondrial. Los electrones recolectados por los nucleótidos (NAD + y FAD) en el ciclo se utilizan "corriente abajo" cuando son aceptados por los átomos de oxígeno en la cadena de transporte. En efecto, el ciclo de Krebs elimina el material valioso en una cinta transportadora circular aparentemente sin complicaciones y lo exporta a un centro de procesamiento cercano donde está trabajando el equipo de producción real.

También tenga en cuenta que las reacciones aparentemente innecesarias en el ciclo de Krebs (después de todo, ¿por qué tomar ocho pasos para lograr lo que podría hacerse? ¿Quizás en tres o cuatro?) generan moléculas que, aunque intermedias en el ciclo de Krebs, pueden servir como reactivos en reacciones.

Como referencia, NAD acepta un protón en los Pasos 3, 4 y 8, y en los dos primeros de estos CO₂ está derramado; se produce una molécula de trifosfato de guanosina (GTP) a partir de GDP en el Paso 5; y FAD acepta dos protones en el Paso 6. En el paso 1, CoA "se va", pero "regresa" en el paso 4. De hecho, solo el Paso 2, el reordenamiento del citrato en isocitrato, es "silencioso" fuera de las moléculas de carbono en la reacción.

Debido a la importancia del ciclo de Krebs en bioquímica y fisiología humana, los estudiantes, profesores y otros han venido con una serie de mnemónicos, o formas de recordar nombres, para ayudar a recordar los pasos y los reactivos en el Krebs ciclo. Si solo se desea recordar los reactivos de carbono, intermedios y productos, es posible trabajar a partir de las primeras letras de los compuestos sucesivos a medida que aparecen (O, Ac, C, I, K, Sc, S, F, M; aquí, observe que la "coenzima A" está representada por una "c" pequeña). Puede crear una frase personalizada concisa a partir de estas letras, con las primeras letras de las moléculas sirviendo como las primeras letras en las palabras de la frase.

Una forma más sofisticada de hacer esto es utilizar un mnemotécnico que le permita realizar un seguimiento de la cantidad de carbono átomos en cada paso, lo que puede permitirle internalizar mejor lo que está sucediendo desde un punto de vista bioquímico. veces. Por ejemplo, si deja que una palabra de seis letras represente el oxaloacetato de seis carbonos y, en consecuencia, para palabras y moléculas más pequeñas, puede producir un esquema que sea útil como dispositivo de memoria e información Rico. Un colaborador del "Journal of Chemical Education" propuso el siguiente idea:

1. Único
   
2. Hormigueo
   
3. Enredo 
   
4. Mutilar
   
5. Sarna
   
6. Melena
   
7. Cuerdo
   
8. Cantó
   
9. Cantar
   

Aquí, verá una palabra de seis letras formada por una palabra de dos letras (o grupo) y una palabra de cuatro letras. Cada uno de los siguientes tres pasos incluye una sustitución de una sola letra sin pérdida de letras (o "carbón"). Cada uno de los dos pasos siguientes implica la pérdida de una letra (o, de nuevo, "carbono"). El resto del esquema conserva el requisito de palabras de cuatro letras de la misma manera que los últimos pasos del ciclo de Krebs incluyen diferentes moléculas de cuatro carbonos estrechamente relacionadas.

Aparte de estos dispositivos específicos, puede que le resulte beneficioso dibujar una celda completa o una parte de una celda que rodee una mitocondria, y dibuje las reacciones de la glucólisis con tanto detalle como desee en la parte del citoplasma y el ciclo de Krebs en el parte de la matriz mitocondrial. En este boceto, mostraría que el piruvato es transportado al interior de las mitocondrias, pero también podría dibujar una flecha que conduce a la fermentación, que también ocurre en el citoplasma.