Ciclo del Ácido Cítrico (Krebs): Respiración Celular en Biología

Respiración Celular y Ciclo del Ácido Cítrico

Tras la glucólisis se obtiene piruvato, no es la forma más reducida de la glucosa, se puede obtener más energía. Se da la oxidación completa por el ciclo del ácido cítrico para obtener CO2 + H2O (forma más oxidada)

H H COH HO Ħ H HO OH H OH Oxidación completa (+ 6 O2) AG'º = - 2,840 KJ/mol 6 CO2 + 6 H2O

Solo funciona en presencia de oxígeno, se necesitan 6 O2 -> respiramos para que se de el ciclo del ácido cítrico, expulsamos CO2 que es el producto del ciclo

Proceso de Respiración Celular

Respiración celular: Proceso que consume O2 y produce CO2 Termodinámicamente favorable -> produce grandes cantidades de ATP

Tiene las siguientes etapas:

• Producción de acetil-CoA (acetato activado): Es una molécula clave, casi todos los nutrientes (aminoácidos, lípidos) convergen en esta molécula. Sale un C en forma de CO2 Se genera ATP y se conserva la energía de oxidación en forma de NADH y FADH2
• Oxidación completa del acetil-CoA: El acetil-CoA entra en el ciclo del ácido cítrico, salen dos átomos de C como CO2 además de agua (H2O) La energía se conserva en forma de cofactores reducidos GTP, NADH y FADH2
• Transferencia de electrones y fosforilación oxidativa La mayor parte de la energía de oxidación de las moléculas se conserva en forma de cofactores reducidos -> hay que transformarlo en ATP Ceden los e a la cadena transportadora de electrones y dicha energía liberada es suficiente para generar ATP. El aceptor final de los e es el oxígeno que se reduce a agua

El objetivo de la respiración celular es producir grandes cantidades de ATP a partir de los nutrientes.

Ciclo del Ácido Cítrico

Ciclo del ácido cítrico: El ciclo ácido cítrico ocurre en la mitocondria -> en la matriz mitocondrial

Entrada de Piruvato en la Mitocondria

Piruvato entra en la mitocondria: El piruvato se produce en el citoplasma, tiene que entrar. Las membranas de la mitocondria tienen propiedades distintas

• Externa: muchos poros poco selectivos que permiten el paso de compuestos (piruvato entra con facilidad)
• Interna: muy impermeable, pocas moléculas pueden entrar, para ello necesitan un transportador específico
  • Piruvato tiene transportador y puede entrar
  • Acetil-CoA no puede salir -> se tiene que procesar en el interior de la mitocondria

Formación de Acetil-CoA

Formación de acetil-CoA El producto es acetil-CoA -> se produce un enlace con alta energía de hidrólisis gracias al CoA, cuando el CoA está unido a la molécula, queda activada, le da una gran energía de enlace

CO2 O O- NAD TPP lipoate, NADH FAD S-CoA 1 C C=0 complejo de la piruvato deshidrogenasa CH3 CH3 Piruvato CoA-SH + C Acetil-CoA AG'º = - 33.4 KJ/molLa energía liberada se conserva en forma de cofactores reducidos de NADH y del enlace CoA

La reacción se da en varios pasos, por ello necesita un complejo multienzimático -> complejo de la piruvato deshidrogenasa. Da dos tipos de reacciones:

• Oxido-reducción -> piruvato se oxida y NAD+ es el aceptor final de e"
• Descarboxilación -> se elimina el carboxilo y da CO2, nos queda una molécula de 2C

Complejo de la Piruvato Deshidrogenasa

Complejo de la piruvato deshidrogenasa: Enzimas y cofactores:

• Piruvato deshidrogenasa (E1) ->tiamina pirofosfato (TPP)
• Dihidrolipoil acetiltransferasa (E2) -> lipoato o ácido lipoico
• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) -> coenzima A, FAD, NAD+

Cofactores del Complejo

Cofactores: TPP (tiamina pirofosfato): transporta grupos acetaldehído

• Grupo prostético (E1) -> molécula covalentemente unida a una enzima
• Transportador de residuos acetilo
• Vitamina B1 -> tiamina

Acido lipoico:

• Grupo prostético E2
• Transportador de residuos acetilo y reacciones redox -> tiene dos grupos tiol (-SH) Hay transferencia de electrones
• Actúa como brazo basculante: se puede orientar en distintos sentidos.

Coenzima A:

• Es una coenzima
• Contiene adenina, ribosa y grupos fosfato
• Transportador de residuos acetilo
• El grupo tiol es el más importante -> se une a partir de este grupo
• El enlace tiene gran energía de hidrólisis -> se encuentra activado

FAD:

• Grupo prostetico E3 -> siempre va a estar unido covalentemente a la deshidrogenasa Transportador de electrones (2) en forma de átomos de hidrógeno

NAD+:

• Coenzima E3
• Transportador de electrones

Reacción Catalizada por el Complejo de la Piruvato Quinasa

Reacción catalizada por el complejo de la piruvato quinasa: 1. Descarboxilación del piruvato La primera reacción que tiene lugar está catalizada por la E1 Se produce la descarboxilación del piruvato y su unión a la TPP (tiamina pirofosfato) La energía liberada en esta reacción se utiliza en el enlace entre el átomo de C y la TPP 2. Oxidación del aldehído a carboxilo El átomo de C se oxida y se transfiere al ácido lipoico que se reduce

Lip Lip E1 CH- -coo- S S S Pyruvate HỌ 2H* CH3-C-H S TPP FAD CO2 E2 E, E3 1 TPP FAD E E1 Es CH3-C S O HS S 1 S NADH + H* TPP FAD NAD 6 E2 E1 E3 TPP FADH2 S HS E, S HS S O HS 5 3 TPF FAD TPF FAD EI Es 4 EI Es Acetyl-CoA 0 CH3-C-S-CoA E2 2 E2 CH3-C-S CoA-SH E2 E2 0=0 S S H'

• 3. Transferencia del residuo acetilo Actúa la E2 y transfiere la molécula de ácido lipoico a otra molécula de ácido lipoico de manera que una se oxida y otra se reduce
• 4. Formación del acetil-CoA Se forman grupos sulfhidrilos con mucha energía de enlace en su unión con el carbono Acetato se transfiere al grupo tiol del CoA
• 5. Oxidación del ácido lipoico Se oxida el ácido lipoico, cede electrones y se reduce el FAD a FADH2
• 6. Oxidación del FAD que acepta los electrones Esta FAD unida covalentemente, tiene que volver a esa forma, hay que oxidar FADH2 Se genera acetil-CoA (ácido graso de 2C) y poder reductor en forma de NADH

Regulación del Complejo Piruvato Deshidrogenasa

Regulación del complejo: [NADH] [ATP] [Acetil-CoA] [NAD+] [ADP] [CoA-SH] La cantidad total no cambia, lo que cambia es la cantidad que hay de cada uno Regulación dentro de la mitocondria -> por regulación alostérica y por fosforilación

Regulación Alostérica

Regulación alostérica:

• Inhibidores: ATP, Acetil-CoA, NADH -> indican elevada carga energetica, frenan la reacción Desactivan quinasa
• Activadores: AMP, CoA (libre), NAD+ -> indican necesidad de energía, aceleran la reacción

Regulación por Modificación Covalente

Regulación por modificación covalente (fosforilación): Los reguladores alostéricos se unen a una kinasa y la activan o inhiben -> cuando está activa, fosforila la subunidad E1 y la actividad se frena

Ciclo del Ácido Cítrico: Pasos Detallados

Ciclo del ácido cítrico:

Acetil-CoA 1 Citrato Oxaloacetato Isocitrato NADH Citric acid cycle CO2 1 NADH Malato a-cetoglutarato 1 Fumarato CO2 NADH FADH2 Succinil-COA Succinato C GTP (ATP)

Ruta cíclica -> algunos intermediarios salen para las reacciones de biosíntesis Anfibólica: para oxidar y para generar moléculas para la síntesis de otras moléculas celulares Acetato se oxida a CO2 Se generan cofactores reducidos -> NADH y FADH2 (gran cantidad de poder reductor) Se obtiene mucha energía Para que acetil-CoA entre en el ciclo se necesita una molécula de oxalacetato

• Primera parte: obtención de ATP
• Segunda parte: succinato de lugar a oxalacetato para que siga al ciclo

Por la carga energética

1. Condensación de Acetil-CoA con Oxalacetato

1. Condensación del acetil-CoA con el oxalacetato: En la matriz mitocondrial. Acetil CoA está activado -> se condensa con una molécula de oxalacetato para poder entrar en la mitocondria mediante la enzima citrato sintasa Se forma un nuevo enlace, necesita energía -> la aporta la hidrólisis del CoA Reacción irreversible, se obtiene citrato (6C).

CH3-C S-CoA 0= H2O CoA-SH O HO-C-COO- 0=C-COO- citrato sintasa CH2-COO- CH2-COO- Citrato Oxaloacetato AG'º = - 32.2 KJ/mol

Encaje Inducido de la Citrato Sintasa

Encaje inducido de la citrato sintasa: Dos sustratos se unen a la enzima. El centro activo no es perfectamente compatible con las enzimas Primero se une el oxalacetato -> induce un cambio de conformación que permite que se una el acetil-CoA

2. Isomerización

2. Isomerización: Reacción de hidratación-deshidratación -> la aconitasa saca una molécula de agua y mete otra, cambia los OH de los carbonos La estructura tridimensional de estos grupos es diferente -> aconitasa es estereoespecífica: reconoce la estructura tridimensional, no el grupo Se obtiene isocitrato

CH2-COO- CH2-COO- H20 CH2-COO- H20 H - H-C-coo- HO -- C-COO- C-coo- H -- C-COO- aconitasa C-coo- COO H H Isocitrato Citrato cis-aconitato AG'º = 13.3 KJ/mol

3. Descarboxilación Oxidativa del Isocitrato

3. Descarboxilación oxidativa del isocitrato: Isocitrato tiene 3 grupos carboxilo, se debe descarboxilar (oxidativa) Dos reacciones: con la enzima isocitrato deshidrogenasa

• Descarboxilación: el grupo carboxilo unido al C2 se elimina en forma de CO2
• Oxidación: el carbono se oxida -> se obtiene un grupo ceto NAD+ se reduce a NADH (en algún caso puede ser NADP+) Obtenemos a-cetoglutarato

COO" coo" CH2 NAD(P)+ NAD(P)H +H+ CH2 H-C- H-C-H HO-C-H isocitrato deshidrogenasa C=0 O C Isocitrato a-cetoglutarato 1 CO2 CH2-C 1. Acetil-CoA + 1 HO-C-H

4. Descarboxilación Oxidativa del α-Cetoglutarato

4. Descarboxilación oxidativa del a-cetoglutarato: Complejo de la a-cetoglutarato deshidrogenasa (igual que el complejo piruvato deshidrogenasa) Diferencia: el sustrato y las enzimas

• Descarboxilación: un grupo carboxilo se elimina en forma de CO2
• Oxidación: el grupo ceto pasa a carboxilo -> la energía liberada se conserva en forma de poder reductor NADH y forma un enlace con CoA Se libera mucha energía al hidrolizar el enlace. Se obtiene succinil-CoA

CoA-SH CH2-COO- NAD+ CH2-COO- CH2 CH 2 + CO2 C=0 complejo de la a-cetoglutarato deshidrogenasa Ö a-cetoglutarato AG'º = - 33.5 KJ/mol

Complejo de α-Cetoglutarato

Complejo de a-cetoglutarato: Enzimas y coenzimas:

• a-cetoglutarato deshidrogenasa (E1) -> tiamina pirofosfato (TPP)
• Dihidrolipoil succiniltransferasa (E2) -> lipoato y coenzima A
• Dihidrolipoil deshidrogenasa (E3) -> FAD, NAD+

5. Fosforilación a Nivel de Sustrato

5. Fosforilación a nivel de sustrato: Reacción de fosforilación a nivel de sustrato, mediante la enzima succinil-CoA sintetasa El enlace succinil-CoA tiene gran energía de hidrólisis, se da la reacción y se obtiene succinato y GTP. GTP y ATP son interconvertibles mediante la enzima nucleósido difosfato quinasa

CH2-COO- GDP + Pi GTP CA-SH CH2 C-S-CoA CH2 1 succinil-COA sintetasa coo- GTP +ADP - GDP + ATP Succinil-COA Succinato nucleósido difosfato quinasa AG'º = - 2.9 KJ/mol AGº'= 0 KJ/mol Unnumbered 16 p645

6. Oxidación del Succinato

6. Oxidación del succinato: Se genera un doble enlace -> fumarato Succinato deshidrogenasa -> utiliza el FAD como aceptor de electrones (grupo prostético: insoluble en la matriz, unido covalentemente) Catalizado por la succinato deshidrogenasa

COO - FAD FAD H2 H COO- H-C-H H-C-H U "OOC H COO- succinato deshidrogenasa Succinato Fumarato AG"º = 0 KJ/mol COO- CH2 NADH 1 C-S-CoA COO- Succinil-COA