El ciclo del ácido tricarboxílico (abreviado CTK , ciclo de Krebs , ciclo del citrato , ciclo del ácido cítrico [1] [2] ) es la parte central de la vía general del catabolismo , un proceso bioquímico cíclico durante el cual los residuos de acetilo (CH 3 CO-) se oxidan a dióxido de carbono (CO 2 ). En este caso, se forman 2 moléculas de CO 2 , 3 NADH , 1 FAD H 2 y 1 GTP en un ciclo (oATP ) [3] . Los electrones ubicados en NADH y FADH 2 se transfieren posteriormente a la cadena respiratoria [2] , donde se forma ATP durante las reacciones de fosforilación oxidativa .
El ciclo del ácido tricarboxílico es un paso clave en la respiración de todas las células que utilizan oxígeno , el punto de intersección de muchas vías metabólicas en el cuerpo , un paso intermedio entre la glucólisis y la cadena de transporte de electrones . Además de un importante papel energético, el ciclo también cumple una importante función plástica , es decir, es una importante fuente de moléculas precursoras, de las cuales, en el transcurso de otras transformaciones bioquímicas, se obtienen compuestos tan importantes para la vida celular como los aminoácidos , se sintetizan carbohidratos , ácidos grasos , etc. [4]
El ciclo de conversión del ácido cítrico en las células vivas (es decir, el ciclo del ácido tricarboxílico) fue descubierto y estudiado por el bioquímico alemán Hans Krebs , por este trabajo él (junto con F. Lipman ) fue galardonado con el Premio Nobel (1953) [1] .
En los eucariotas, todas las reacciones del ciclo de Krebs tienen lugar dentro de la mitocondria , y en la mayoría de las bacterias , las reacciones del ciclo tienen lugar en el citosol [5] .
Al comienzo del ciclo del ácido tricarboxílico , la acetil-coenzima A (acetil-CoA) cede su grupo acetilo a un compuesto de cuatro carbonos: oxaloacetato (ácido oxaloacético ) y se forma citrato de seis carbonos (ácido cítrico). El acetil-CoA es un producto de oxidación de compuestos como la glucosa , los aminoácidos y los ácidos grasos [6] . Luego, el citrato se isomeriza a isocitrato (ácido isocítrico), que luego se deshidrogena y descarboxila a un ácido de cinco carbonos , α-cetoglutarato . El α-cetoglutarato se descarboxila nuevamente, convirtiéndose en succinato de cuatro carbonos (ácido succínico). Luego, el succinato se convierte enzimáticamente en tres pasos en oxalacetato de cuatro carbonos, que está listo para reaccionar con la nueva molécula de acetil-CoA. En cada vuelta del ciclo, un grupo acetilo (es decir, dos átomos de carbono ) entra en el ciclo en forma de acetil-CoA, y dos átomos de carbono salen del ciclo en forma de dos moléculas de CO 2 ; una molécula de oxalacetato se usa para formar citrato y otra se regenera posteriormente. El oxaloacetato no sale del ciclo y, en teoría, una molécula de oxaloacetato puede unirse a un número ilimitado de grupos acetilo y, de hecho, el oxaloacetato está presente en las células en concentraciones muy bajas. Cuatro de las ocho etapas del ciclo son procesos oxidativos, la energía de oxidación liberada durante estos procesos se almacena efectivamente en forma de coenzimas reducidas NADH y FADH 2 [5] .
Aunque el ciclo de los ácidos tricarboxílicos es fundamental para el metabolismo energético , su función no se limita a la obtención y almacenamiento de energía. Los intermedios de anillos de cuatro y cinco carbonos sirven como precursores para la síntesis de muchos compuestos. Para reponer estos compuestos intermedios que han salido del ciclo, existen reacciones anapleróticas especiales en la célula [5] .
Como se mencionó anteriormente, todas las reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico ocurren en las mitocondrias, y la cadena respiratoria se encuentra en las mitocondrias (en la membrana interna ). En la mayoría de las bacterias, las enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico se encuentran en el citosol y la membrana plasmática realiza funciones similares a las de la membrana interna de las mitocondrias [5] .
El ciclo del ácido tricarboxílico incluye 8 etapas principales, que se analizan en detalle a continuación.
La primera reacción del ciclo es la condensación irreversible de acetil-CoA con oxaloacetato para formar citrato , catalizada por la enzima citrato sintasa (reacción 1 en el esquema general):
En esta reacción, el grupo metilo en el grupo acetilo del acetil-CoA se agrega al grupo carbonilo (segundo átomo de carbono, átomo C2) del oxaloacetato . Durante esta reacción, se forma un compuesto intermedio en el centro activo de la enzima: citroil-CoA . Se hidroliza rápidamente y se escinde en CoA y citrato libres, que se eliminan del sitio activo de la enzima . La hidrólisis de este intermedio de tioéter de alta energía hace que esta reacción sea altamente exergónica . Es necesario un gran cambio negativo en la energía libre estándar de la reacción de la citrato sintasa para el control del ciclo, ya que, como se indicó anteriormente, la concentración normal de oxalacetato en la célula es muy baja. La CoA liberada durante esta reacción participa además en la descarboxilación oxidativa de la siguiente molécula de piruvato por el complejo piruvato deshidrogenasa [7] .
La citrato sintasa se cristalizó y se analizó por difracción de rayos X en presencia y ausencia de su sustrato e inhibidores . Cada subunidad de esta enzima homodimérica es un solo polipéptido con dos dominios , uno de los cuales es grande y rígido, y el otro es más pequeño y más plástico; entre estos dominios se encuentra el sitio activo de la enzima. El oxaloacetato, el primero de los sustratos de unión a citrato sintasa, induce cambios conformacionales significativos en el dominio plástico, creando un sitio de unión para la segunda molécula de sustrato, acetil-CoA (ver a la derecha). Cuando se forma citroil-CoA en el sitio activo de la enzima, se produce un segundo cambio conformacional en la enzima debido a la hidrólisis del tioéster para liberar CoA. Estos cambios conformacionales, provocados primero por la unión al sustrato y luego al intermedio, evitan la escisión prematura e improductiva del enlace tioéter en la acetil-CoA. Los estudios cinéticos de la citrato sintasa confirman el mecanismo de funcionamiento de dos sustratos descrito anteriormente. La reacción de la citrato sintasa anterior es una condensación aldólica [8] [9] (sin embargo, algunos autores la consideran una condensación de Claisen [7] ). A continuación se muestra el mecanismo de la reacción de la citrato sintasa:
La enzima aconitasa (más precisamente, aconitato hidratasa) cataliza la isomerización reversible de citrato a isocitrato mediante la formación de un compuesto intermedio, el cis-aconitato de ácido tricarboxílico , que normalmente no abandona el centro activo. La aconitasa añade agua al doble enlace del cis -aconitato asociado a su centro activo de dos formas distintas: por una de ellas se forma citrato, por la otra se forma isocitrato (reacciones 2 y 3 en general esquema) [7] :
Aunque la mezcla de equilibrio a pH 7,4 y 25 ° C contiene menos del 10 % de isocitrato, la reacción se desplaza hacia la derecha en la celda, ya que el isocitrato pasa rápidamente a la siguiente etapa del ciclo y su concentración disminuye. La aconitasa contiene un grupo de hierro y azufre , que sirve tanto para unir el sustrato en el sitio activo como para hidratar o deshidratar catalíticamente. En las células que no contienen suficiente hierro , la aconitasa pierde su grupo de hierro y azufre y adquiere un papel regulador en el metabolismo del hierro (ver IRE (biología) para más detalles ). Por lo tanto, la aconitasa es una de las muchas enzimas con dos funciones distintas [10] .
A continuación se muestra un diagrama que ilustra cómo el grupo de hierro-azufre de aconitasa se une al isocitrato y lo convierte en cis -aconitato:
En el siguiente paso, la enzima isocitrato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación oxidativa isocitrato para formar α-cetoglutarato (oxoglutarato). El ion Mn 2+ (o Mg 2+ ) [11] en el sitio activo de la enzima interactúa con el grupo carbonilo del intermedio oxalosuccinato , que se forma rápidamente, pero no abandona el sitio activo hasta que se descarboxila y convertido en α-cetoglutarato [10] .
Estas transformaciones se discuten en detalle a continuación (reacciones 4 y 5 en el esquema general):
Se han encontrado dos formas diferentes (isozimas) de isocitrato deshidrogenasa en las células. Para el funcionamiento de uno de ellos se necesita NAD + , para el otro NADP + (además, la actividad de este último requiere del ion Mg 2+ , y no del Mn 2+ [11] ). Las reacciones que llevan a cabo son por lo demás idénticas. En eucariotas, la isoenzima dependiente de NAD se localiza en la matriz mitocondrial y participa en el ciclo del ácido tricarboxílico. La función principal de la isoenzima dependiente de NADP, que se produce tanto en la matriz mitocondrial como en el citosol, puede ser la formación de NADPH , que es necesaria para los procesos anabólicos restauradores [13] .
En la siguiente etapa del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, también ocurre la descarboxilación oxidativa, en la que el α-cetoglutarato se convierte en succinil-CoA y CO 2 bajo la acción del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa ; NAD + actúa como aceptor de electrones , mientras que CoA funciona como portador del grupo succinilo. La energía de oxidación del α-cetoglutarato se almacena durante la formación de un enlace tioéter en succinil-CoA [13] (reacción 6 en el esquema general):
Esta reacción es casi idéntica a la reacción de la piruvato deshidrogenasa de la descarboxilación oxidativa del piruvato, y el complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa es muy parecido al complejo piruvato deshidrogenasa (PDC) en estructura y función. Incluye 3 enzimas homólogas a las enzimas E 1 , E 2 y E 3 MPC, y sus cofactores son también pirofosfato de tiamina , lipoato , FAD, NAD y coenzima A. Sin duda, ambos complejos tienen un ancestro evolutivo común. Aunque las enzimas E 1 de ambos complejos son estructuralmente similares, sus secuencias de aminoácidos difieren y, por supuesto, son específicas para diferentes sustratos: la E 1 del complejo PDC se une al piruvato y la E 1 del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa se une al α-cetoglutarato. Las enzimas E 2 de ambos complejos también son muy similares y ambas se unen covalentemente al lipoato. Las subunidades E 3 de ambos complejos son idénticas [14] .
La succinil-CoA, como la acetil-CoA, contiene un enlace tioéter con una gran energía libre de hidrólisis estándar negativa (ΔG'о ≈ −36 kJ/mol). En la siguiente etapa del ciclo del ácido tricarboxílico, la energía liberada durante la escisión del enlace tioéter se usa para formar el enlace fosfoanhídrido en GTP o ATP, mientras que la succinil-CoA se convierte en succinato [14] (reacción 6 en el esquema general):
Esta reacción reversible es catalizada por la enzima succinil-CoA sintetasa (succiniltiocinasa); ambos nombres de esta enzima implican que el nucleósido trifosfato está involucrado en esta reacción [14] .
Esta reacción de almacenamiento de energía incluye pasos intermedios en los que la propia molécula de enzima se fosforila en el residuo de histidina en el sitio activo. Este grupo fosforilo, que tiene un alto potencial de transferencia, se transfiere a ADP o GDP para formar ATP o GTP, respectivamente. Las células animales tienen dos isoenzimas de succinil-CoA sintetasa, una de las cuales es específica de ADP y la otra de GDP. La succinil-CoA sintetasa consta de dos subunidades: la subunidad α (M r = 32 000) contiene un residuo de histidina fosforilada (His 246 ) y un sitio de unión a CoA, y la subunidad β (M r = 42 000) proporciona especificidad de unión a ADP o PIB. El sitio activo se encuentra en el espacio entre las subunidades. La estructura cristalina de la succinil-CoA sintetasa contiene dos "power helices" ( hélices de potencia en inglés ), una en cada subunidad, y estas espirales están orientadas de tal manera que sus momentos dipolares eléctricos cambian cargas parcialmente positivas a un fosfato de histidina cargado negativamente ( P-Su ); debido a esto, la forma fosforilada intermedia de la enzima se estabiliza [15] . El siguiente es un esquema de reacción catalizado por la succinil-CoA sintetasa:
La formación de ATP (o GTP) a partir de la energía almacenada durante la descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato es una reacción de fosforilación del sustrato , al igual que la síntesis de ATP durante la glucólisis , catalizada por la gliceraldehído-3-fosfato deshidrogenasa y la piruvato quinasa . El GTP sintetizado por la succinil-CoA sintetasa puede donar su grupo fosforilo terminal al ADP para formar ATP en una reacción reversible catalizada por la nucleósido difosfato quinasa :
GTP + ADP → PIB + ATP, ΔG′ o = 0 kJ/mol.Así, el resultado final de la actividad de cualquier isoenzima de la succinil-CoA sintetasa es el almacenamiento de energía en forma de ATP. El cambio en la energía de Gibbs en la reacción del nucleósido difosfato quinasa es cero, y ATP y GTP son energéticamente equivalentes entre sí [16] .
El succinato formado a partir de succinil-CoA se oxida a fumarato bajo la acción de la flavoproteína succinato deshidrogenasa [17] (reacción 8 en el esquema general):
En los eucariotas, la succinato deshidrogenasa está estrechamente unida a la membrana interna mitocondrial ; en las bacterias, se encuentra en la membrana plasmática. Esta enzima contiene 3 grupos diferentes de hierro y azufre y una molécula de FAD unida covalentemente, que es el grupo prostético de la enzima. Los electrones del succinato pasan a través de FAD y grupos de hierro y azufre, y luego, como transportadores de electrones, ingresan a la cadena de transporte de electrones respiratorios ubicada en la membrana mitocondrial interna (membrana plasmática en bacterias). FAD se reduce a FADH 2 , pero la ubiquinona es un aceptor de electrones adicional [2] . La transferencia de electrones desde el succinato a través de estos transportadores hasta el aceptor final de electrones, el oxígeno , está asociada con la síntesis de ATP y se forman 1,5 moléculas de ATP por par de electrones. El malonato , normalmente ausente en las células, es un fuerte inhibidor competitivo de la succinato deshidrogenasa, y la adición de este compuesto a las mitocondrias bloquea la actividad del ciclo del ácido tricarboxílico [17] .
La hidratación reversible del fumarato para formar L - malato es catalizada por la enzima fumarasa (más precisamente, fumarato hidratasa ). El producto de transición de esta reacción es un carbanión [17] (reacción 9 en el esquema general):
El mecanismo de la reacción de la fumarasa se presenta con más detalle a continuación:
La fumarasa es una enzima estereoespecífica : cataliza la hidratación del doble enlace en el fumarato (el isómero trans ), pero no en el maleato ( el isómero cis del fumarato). La fumarasa también exhibe estereoespecificidad en la reacción inversa: el D-malato no puede servir como sustrato para ella [17] .
En la última reacción del ciclo del ácido tricarboxílico, la enzima L - malato deshidrogenasa dependiente de NAD cataliza la oxidación de L-malato a oxaloacetato [17] (reacción 10 en el esquema general):
En condiciones termodinámicas estándar, el equilibrio de esta reacción se desplaza fuertemente hacia la izquierda; sin embargo, en una célula viva, el oxalacetato está constantemente involucrado en la reacción de citrato sintasa altamente exergónica (etapa 1). Esto mantiene una concentración extremadamente baja de oxaloacetato en la célula (< 10 −6 M), por lo que el equilibrio de la reacción de la malato deshidrogenasa se desplaza hacia la derecha [17] .
Aunque las enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico generalmente se describen como componentes solubles de la matriz mitocondrial (excepto la succinato deshidrogenasa unida a la membrana), existe una evidencia creciente de que estas enzimas existen como complejos multienzimáticos dentro de las mitocondrias . Las enzimas del ciclo se aislaron con éxito de extractos de células destruidas, sin embargo, los complejos multiproteicos formados debido a interacciones no covalentes de una proteína con otra, o con el componente estructural de la célula ( membrana , microtúbulo , microfilamento ) fueron destruidos. Sin embargo, cuando se prepara un extracto celular, el contenido de las células, incluidas las enzimas, se diluye 100 o 1000 veces [18] .
Varias pruebas sugieren que en las células, los complejos multienzimáticos proporcionan una transición eficiente de los productos de reacción de una enzima a la siguiente enzima de la ruta. Estos complejos se denominan metabolonas . Se han aislado varias enzimas del ciclo del ácido tricarboxílico como parte de complejos supramoleculares o se han encontrado asociadas con la membrana interna mitocondrial, o se ha demostrado que tienen velocidades de difusión más lentas que las proteínas individuales en solución. Esto proporciona una fuerte evidencia del intercambio de sustratos entre complejos multienzimáticos y en otras vías metabólicas, y muchas enzimas que se pensaba que eran "solubles" en realidad forman complejos altamente organizados que intercambian intermediarios [18] .
Las reacciones que constituyen una vuelta del ciclo del ácido tricarboxílico se consideraron anteriormente. El grupo acetilo de dos carbonos entra en el ciclo combinándose con oxaloacetato. Dos átomos de carbono salen del ciclo en forma de dos moléculas de CO 2 formadas durante la oxidación de isocitrato y α-cetoglutarato. La energía liberada durante estas reacciones de oxidación se almacena en forma de tres moléculas de NADH reducidas, una molécula de FADH 2 y una molécula de ATP o GTP. Al final del ciclo, la molécula de oxalacetato se regenera. Vale la pena señalar que los dos átomos de carbono que salen del ciclo en forma de dos moléculas de CO2 son diferentes de los dos átomos de carbono que entraron al ciclo (en este turno) como un grupo acetilo. Los átomos de carbono traídos por el grupo acetilo pueden abandonar el ciclo en forma de CO 2 solo en vueltas posteriores del ciclo [3] .
Aunque el ciclo del ácido cítrico produce solo una molécula de ATP por revolución directamente (cuando la succinil-CoA se convierte en succinato), las cuatro reacciones oxidativas del ciclo proporcionan a la cadena respiratoria una cantidad significativa de electrones suministrados por NADH y FADH 2 y, por lo tanto, proporcionar una cantidad significativa de ATP durante la fosforilación oxidativa [3] .
Durante la glucólisis, una molécula de glucosa produce dos moléculas de piruvato, 2 ATP y 2 NADH. Durante la fosforilación oxidativa, una transición de dos electrones de NADH a O 2 produce 2,5 ATP, y una transición de dos electrones de FADH 2 a O 2 produce 1,5 ATP. Cuando ambas moléculas de piruvato son oxidadas a 6 CO 2 por el complejo piruvato deshidrogenasa y durante el ciclo del ácido tricarboxílico, y los electrones son transferidos al O 2 durante la fosforilación oxidativa, el rendimiento total de ATP es de 32 moléculas por molécula de glucosa [3] :
| Reacción | Salida de ATP o coenzimas reducidas | Producción total de ATP |
|---|---|---|
| glucosa → glucosa-6-fosfato | −1 ATP | −1 |
| fructosa 6-fosfato → fructosa 1,6-bisfosfato | −1 ATP | −1 |
| 2 gliceraldehído-3-fosfato → 2 1,3-bisfosfoglicerato | 2 NADH | 3 o 5 |
| 2 1,3-bisfosfoglicerato → 2 3-fosfoglicerato | 2 ATP | 2 |
| 2 fosfoenolpiruvato → 2 piruvato | 2 ATP | 2 |
| 2 piruvato → 2 acetil-CoA | 2 NADH | 5 |
| 2 isocitrato → 2 α-cetoglutarato | 2 NADH | 5 |
| 2 α-cetoglutarato → 2 succinil-CoA | 2 NADH | 5 |
| 2 succinil-CoA → 2 succinato | 2 ATP (o 2 GTP) | 2 |
| 2 succinato → 2 fumarato | 2 FADH 2 | 3 |
| 2 malato → 2 oxaloacetato | 2 NADH | 5 |
| totales : 30-32 |
32 moléculas de ATP equivalen a 32 × 30,5 kJ/mol = 976 kJ/mol, que es el 34% del máximo teórico para la oxidación completa de la glucosa - 2.840 kJ/mol. Estos cálculos se realizaron teniendo en cuenta los valores estándar de los cambios de energía libre, sin embargo, si tenemos en cuenta la necesidad real de la celda en energía libre contenida en ATP, entonces la eficiencia del proceso de oxidación se acerca al 65% del teórico. máximo [19] .
| Escenario | una | 2 | 3 | cuatro | 5 | 6 | 7 | ocho |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| ΔG'°, kJ/mol | -32.2 | 13.3 | -7.1 | -33.5 | -2.9 | 0 | -3.8 | 29.7 |
La regulación de las enzimas de la ruta metabólica se puede realizar con la ayuda de efectores alostéricos y modificaciones covalentes, manteniendo constante la concentración de productos intermedios y finales en la célula y evitando su formación excesiva. La transición de los átomos de carbono del piruvato al ciclo del ácido tricarboxílico está finamente regulada en dos niveles: la conversión del piruvato en acetil-CoA, el compuesto inicial del ciclo (reacción de la piruvato deshidrogenasa), y la entrada del acetato activo en el ciclo ( reacción de la citrato sintasa). La acetil-CoA se forma no solo por el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH), sino también por la oxidación de ácidos grasos (β-oxidación) y algunos aminoácidos, por lo que el control de estas vías también es importante para la regulación de la oxidación del piruvato y la ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Además, el ciclo está regulado por reacciones de isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa. A continuación consideraremos la regulación del propio ciclo del ácido tricarboxílico [20] ; para la regulación de la descarboxilación oxidativa del piruvato, consulte el artículo Descarboxilación oxidativa del piruvato .
Por lo tanto, la entrada de metabolitos en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos está estrictamente regulada. La ingesta de metabolitos está determinada por tres factores: la disponibilidad del sustrato, la supresión de los productos acumulados y la supresión de la retroalimentación alostérica de las enzimas que catalizan las etapas iniciales del ciclo [21] .
Cada uno de los tres pasos exergónicos del ciclo (los pasos catalizados por la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa) bajo ciertas condiciones pueden volverse limitantes de la velocidad . La disponibilidad de sustratos para la citrato sintasa (acetil-CoA y oxaloacetato) varía según el estado de la célula y, a veces, inhibe la tasa de formación de citrato. El NADH, el producto de oxidación del isocitrato y el α-cetoglutarato, se acumula bajo ciertas condiciones, y en una proporción alta de [NADH]/[NAD + ], ambas reacciones de deshidrogenasa se suprimen gravemente. De manera similar, en la célula, la reacción de la malato deshidrogenasa está en estricto equilibrio (es decir, está limitada por el sustrato), y con un valor alto de la relación [NADH]/[NAD + ] y una concentración baja de oxaloacetato, la La primera etapa del ciclo se ralentiza. La acumulación de productos limita las tres etapas limitantes del ciclo: la succinil-CoA inhibe la α-cetoglutarato deshidrogenasa (así como la citrato sintasa); el citrato bloquea la citrato sintasa; el producto final, ATP, inhibe la citrato sintasa y la isocitrato deshidrogenasa. El ADP, un activador alostérico de la citrato sintasa, reduce el efecto inhibitorio del ATP sobre esta enzima. Los iones Ca 2+ en el tejido muscular de los vertebrados , que sirven como señal para la contracción y acompañan un aumento en la necesidad de ATP, activan la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa, así como el complejo piruvato deshidrogenasa (PDH). Por lo tanto, la concentración de sustratos e intermedios en el ciclo del ácido tricarboxílico determina un flujo de carbono a través de él, en el que las concentraciones de ATP y NADH formadas serán óptimas [22] .
Normalmente, las tasas de glucólisis y el ciclo del ácido tricarboxílico están estrechamente relacionados, de modo que solo una cantidad de glucosa se convierte en piruvato que proporciona al ciclo una cantidad suficiente de "combustible": los grupos acetilo de acetil-CoA. Las concentraciones de piruvato, lactato y acetil-CoA normalmente se mantienen constantes. La tasa de glucólisis está relacionada con la tasa del ciclo del ácido cítrico no solo a través de la inhibición de la glucólisis por los altos niveles de ATP y NADH, que es característico tanto de la glucólisis como del paso respiratorio de la oxidación de la glucosa, sino también por la concentración de citrato. El citrato, el primer producto del ciclo del ácido tricarboxílico, es un importante inhibidor alostérico de la fosfofructoquinasa-1 , una enzima glucolítica [18] .
El proceso cíclico de ocho pasos de oxidación de un grupo acetilo de dos carbonos simple a CO 2 puede parecer innecesariamente complicado y no cumple con el principio biológico de máxima economía . Sin embargo, el papel del ciclo de los ácidos tricarboxílicos no se limita a la oxidación del ion acetato (y por lo tanto, carbohidratos, ácidos grasos y algunos aminoácidos, durante cuya oxidación se forma). Esta vía forma el núcleo del metabolismo de los intermediarios. Los productos finales de cuatro y cinco carbonos de muchos procesos catabólicos ingresan al ciclo en pasos intermedios. El oxaloacetato y el α-cetoglutarato, por ejemplo, son productos del catabolismo de los ácidos aspártico y glutámico , que se forman durante la descomposición de las proteínas. Muchos intermediarios del ciclo están involucrados en algunos procesos metabólicos y sirven como precursores en muchos procesos anabólicos. Por lo tanto, el ciclo del ácido tricarboxílico es una vía anfibólica que vincula procesos catabólicos y anabólicos [23] .
El piruvato es un producto de la oxidación de carbohidratos. Además, el piruvato se convierte en acetil-CoA y participa en el ciclo del ácido tricarboxílico. Además, la acetil-CoA también es un producto de la oxidación de los ácidos grasos, por lo que el ciclo de los ácidos tricarboxílicos también está implicado en el catabolismo de las grasas [24] . Vale la pena señalar que el piruvato puede participar en el ciclo del ácido tricarboxílico sin convertirse en acetil-CoA, sino convirtiéndose en malato bajo la acción de una enzima málica [25] .
A partir del α-cetoglutarato, formado en el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, se sintetizan los aminoácidos glutamina , glutamato, prolina y arginina . Succinil-CoA actúa como precursor en la síntesis de porfirinas y hemo . El citrato participa en la síntesis de ácidos grasos y esteroles (la acetil-CoA se forma a partir del citrato, además, actúa como regulador [26] ). El malato se puede transportar desde la mitocondria al citoplasma, donde se convierte reversiblemente en oxalacetato. El oxaloacetato resultante puede servir como precursor para la síntesis de los aminoácidos aspartato, asparagina , metionina , treonina e isoleucina , así como de pirimidinas . También se puede convertir en fosfoenolpiruvato a expensas de GTP, y el fosfoenolpiruvato (PEP) puede servir como precursor en la biosíntesis de fenilalanina , tirosina , triptófano , serina , glicina y cisteína . El piruvato, producido a partir de la PEP durante la glucólisis, puede convertirse en un precursor de la alanina , la leucina y la valina , y también puede participar en la gluconeogénesis [24] [25] .
Los intermedios del ciclo de los ácidos tricarboxílicos que han salido del ciclo y están involucrados en la síntesis de varios compuestos son reemplazados por reacciones anapleróticas especiales . En condiciones normales, las reacciones en las que los intermedios del ciclo intervienen en otras rutas metabólicas y las reacciones que reemplazan su salida están en equilibrio dinámico, por lo que la concentración de intermedios del ciclo del ácido cítrico se mantiene constante [25] .
La siguiente tabla muestra las reacciones anapleróticas más importantes [25] :
| Reacción | Enzima | tejido/organismo |
|---|---|---|
| piruvato + HCO 3 − + ATP ⇌ oxaloacetato + ADP + F n | piruvato carboxilasa | hígado , riñones |
| fosfoenolpiruvato + CO 2 + GDP ⇌ oxaloacetato + GTP | fosfoenolpiruvato carboxiquinasa | corazón , músculos esqueléticos |
| fosfoenolpiruvato + HCO 3 − ⇌ oxaloacetato + F n | fosfoenolpiruvato carboxilasa | plantas superiores , levaduras , bacterias |
| piruvato + HCO 3 − + NAD(P)H ⇌ malato + NAD(P) + | malik-enzima | Ampliamente distribuido entre eucariotas y bacterias. |
En el hígado y el riñón de los mamíferos, la reacción anaplerótica más importante es la carboxilación reversible del piruvato para formar oxaloacetato, catalizada por la enzima piruvato carboxilasa . Cuando hay una disminución en el oxaloacetato u otros intermediarios en el ciclo del citrato, el piruvato se carboxila para formar oxaloacetato adicional. La adición enzimática de un grupo carboxilo al piruvato requiere energía, que se obtiene del ATP: la energía libre necesaria para añadir un grupo carboxilo al piruvato es casi igual a la energía libre que se puede obtener del ATP. La piruvato carboxilasa es una enzima reguladora y se inactiva en ausencia de acetil-CoA, un modulador alostérico positivo. Cuando el acetil-CoA, el "combustible" del ciclo de los ácidos tricarboxílicos, está presente en exceso, estimula la reacción de la piruvato carboxilasa y, por lo tanto, promueve la formación de oxaloacetato, que, a su vez, permite involucrar más acetil-CoA en el ciclo del ácido tricarboxílico. ciclo de los ácidos tricarboxílicos. Para la realización de la reacción de la piruvato carboxilasa se requiere de la vitamina biotina , que actúa como grupo prostético de la enzima que transporta el CO 2 . La biotina debe estar presente en la dieta humana, se encuentra en muchos alimentos y es sintetizada por las bacterias intestinales [27] .
Las otras reacciones anapleróticas enumeradas en la tabla anterior también se controlan para proporcionar una concentración suficiente de intermediarios para el funcionamiento del ciclo del ácido tricarboxílico. Por ejemplo, la fosfoenolpiruvato carboxilasa es activada por la fructosa-1,6-bisfosfato, un intermediario de la glucólisis que se acumula en condiciones de exceso de ácido pirúvico [27] .
En plantas y bacterias, durante el ciclo del glioxilato , la acetil-CoA se puede convertir en succinato. Por lo tanto, estos organismos pueden llevar a cabo una degradación anaplerótica de las grasas neutras (para obtener más detalles sobre el ciclo del glioxilato, consulte a continuación) [4] .
Hay otras formas anapleróticas. Los aminoácidos histidina, prolina, arginina, glutamina y glutamato se pueden convertir en α-cetoglutarato y restaurar su concentración; isoleucina, valina, metionina, triptófano - en succinil-CoA, aspartato, fenilalanina y tirosina - en fumarato; aspartato y aspragina a oxalacetato. Los aminoácidos alanina, serina, treonina, cisteína y glicina se pueden convertir en piruvato, que es necesario para el ciclo del ácido tricarboxílico [24] .
Como se mencionó anteriormente, existe un ciclo incompleto de ácidos tricarboxílicos en algunos organismos anaeróbicos . Para ellos no sirve para obtener energía, sino para obtener precursores para procesos biosintéticos. Estos organismos utilizan las tres primeras reacciones del ciclo para producir α-cetoglutarato, sin embargo, al carecer de α-cetoglutarato deshidrogenasa, no pueden realizar todas las transformaciones del ciclo. Sin embargo, tienen 4 enzimas que catalizan la conversión secuencial de oxaloacetato a succinil-CoA, por lo que pueden formar malato, fumarato, succinato y succinil-CoA a partir de oxaloacetato en reacciones que son inversas a las reacciones "normales" (oxidativas) de el ciclo. Esta vía es una fermentación , durante la cual el NADH, formado durante la oxidación del isocitrato , se convierte en NAD + por la reducción del oxaloacetato a succinato [23] .
En las plantas , algunos invertebrados y algunos microorganismos (p. ej., levadura, Escherichia coli ), la acetil-CoA se convierte en succinato a través del ciclo del glioxilato , estrechamente relacionado con el ciclo del ácido tricarboxílico. La ecuación general para el ciclo del glioxilato se ve así:
2 acetil-CoA + NAD + + 2H 2 O → succinato + 2CoA + NADH + H +El succinato resultante está más involucrado en procesos biosintéticos. En las plantas, el ciclo del glioxilato se localiza en orgánulos especiales , los glioxisomas [28] [4] .
Algunas bacterias son capaces de realizar el ciclo inverso de los ácidos tricarboxílicos . Durante este proceso, las reacciones del ciclo de los ácidos tricarboxílicos se realizan en sentido contrario: donde los átomos de carbono entran en el ciclo en forma de acetil-CoA y posteriormente se oxidan a CO 2 , en el ciclo inverso, por el contrario, el acetil -CoA se libera. Para su implementación se necesitan donantes de electrones, y para estos fines las bacterias utilizan hidrógeno , sulfuros o tiosulfatos . Las enzimas de ciclo inverso distintas de las correspondientes enzimas de ciclo directo incluyen ATP-citrato liasa , 2-oxoglutarato: ferredoxinoxireductasa , piruvato sintasa . El ciclo inverso de los ácidos tricarboxílicos se considera una alternativa a la fotosíntesis a través de la formación de carbohidratos [29] .
El ciclo del ácido tricarboxílico es una vía común para la oxidación de los grupos acetilo, a la que se reducen prácticamente todas las vías metabólicas de los organismos vivos. No es en absoluto la ruta más corta para la oxidación del acetato a CO 2 , pero la selección natural ha descubierto que tiene las mayores ventajas. Los primeros anaerobios pueden haber utilizado algunas de las reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico en procesos biosintéticos lineales. De hecho, algunos microorganismos anaerobios modernos utilizan un ciclo incompleto de ácidos tricarboxílicos, no como fuente de energía, sino como fuente de precursores para procesos biosintéticos (para más detalles, consulte la sección Modificaciones ). Junto con la evolución de las cianobacterias , que forman O 2 a partir del agua, la atmósfera terrestre se volvió aeróbica y, bajo la influencia de la selección natural , se desarrolló un metabolismo aeróbico en los organismos, mucho más eficiente que la fermentación anaeróbica [23] .
Cuando se interrumpen los mecanismos reguladores de vías como el ciclo del ácido tricarboxílico, pueden producirse enfermedades graves. Las enzimas del ciclo están codificadas por genes de mantenimiento , y la ausencia de copias funcionales de estos genes puede explicarse por la presencia de características específicas del tejido del ciclo [30] . Entre los seres humanos , las mutaciones que afectan a los genes de las enzimas del ciclo son muy raras, pero las que ocurren son perjudiciales.
Los defectos en el gen de la fumarasa provocan tumores del músculo liso ( leiomiomas ) y riñones ; las mutaciones en la succinato deshidrogenasa causan cáncer suprarrenal ( feocromocitoma ). Los cultivos celulares con dichas mutaciones acumulan fumarato ( en el caso de mutaciones en fumarasa) y, en menor medida, succinato (en el caso de mutaciones en succinato deshidrogenasa), y esta acumulación activa el factor de transcripción inducido por hipoxia HIF-1α . El desarrollo de cáncer puede ser consecuencia del estado de pseudohipoxia. En células con estas mutaciones, hay una expresión aumentada de genes normalmente regulados por HIF-1α. Estas consecuencias de las mutaciones en los genes de la fumarasa y la succinato deshidrogenasa permiten clasificarlos como supresores de tumores [31] .
Se ha demostrado la relación entre los defectos de fumarasa y los trastornos del sistema nervioso [32] .
Las mutaciones que alteran la actividad de la α-cetoglutarato deshidrogenasa conducen a la acumulación de productos de degradación de aminoácidos en la orina, lo que hace que la orina huela a jarabe de arce . Esta enfermedad se llama leucinosis ( Eng. Maple Jarabe Urinary Disease ) [33] .
Varios compuestos y reacciones del ciclo del ácido tricarboxílico fueron descubiertos en 1930 por Albert Szent-Györgyi , en particular, estableció el papel del fumarato, un componente clave del ciclo. Por sus descubrimientos, Szent-Györgyi recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en 1937 [34] . La secuencia completa de reacciones y compuestos formados fue establecida en 1937 por Hans Adolf Krebs, por lo que recibió el Premio Nobel en 1953 (junto con F. Lipman) [35] (en su honor el ciclo de los ácidos tricarboxílicos recibió uno de sus nombres) . En 1948, E. Kennedy y Albert Lehninger establecieron que en los eucariotas todas las reacciones del ciclo ocurren en las mitocondrias [5] .
Cuando el isótopo pesado de carbono 13 C y los isótopos radiactivos 11 C y 14 C estuvieron disponibles hace unos 60 años , se utilizaron para rastrear la ruta de los átomos de carbono en el ciclo del ácido tricarboxílico. Uno de estos experimentos dio resultados muy inesperados. Se combinó acetato marcado con hidroxilo con oxaloacetato no marcado para formar citrato marcado. Dado que el citrato es una molécula simétrica, se supuso que se convertiría en α-cetoglutarato, entre los cuales habría moléculas marcadas en diferentes átomos de carbono. Sin embargo, solo se había aislado de las células un "tipo" de moléculas de α-cetoglutarato, y los investigadores concluyeron que el citrato y cualquier otra molécula simétrica no podían ser un intermediario en el camino del acetato al α-cetoglutarato; propusieron que la condensación de acetato y oxaloacetato producía un ácido tricarboxílico asimétrico, como el cis -aconitato o el isocitrato . En 1948, Alexander Ogston estableció la proquiralidad del citrato (la tendencia a las reacciones asimétricas en ausencia de un centro quiral ), explicando así los resultados de los experimentos y confirmando que es el citrato el que se forma en la primera etapa del ciclo [36] .
Para una memorización más fácil de los ácidos involucrados en el ciclo de Krebs, hay una regla mnemotécnica :
Una Piña Entera Y Una Rebanada De Soufflé Hoy En Realidad Mi Almuerzo , que corresponde a la serie - citrato, cis -aconitato, isocitrato, alfa-cetoglutarato, succinil-CoA, succinato, fumarato, malato, oxaloacetato.
También está el siguiente poema mnemotécnico (su autor es asistente del Departamento de Bioquímica de KSMU E. V. Parshkova [37] ):
Lucio en limo de acetil limón , Pero el narciso con un caballo tenía miedo. Él es isolimon sobre él, pero Alfa-cetoglutar als. coenzima succinil xia , Ámbar ils fumar huevo, Apple ek guardado para el invierno, Dio la vuelta al lucio , oh otra vez.(ácido oxaloacético, ácido cítrico, ácido cis -aconítico, ácido isocitrico, ácido α-cetoglutárico, succinil-KoA, ácido succínico, ácido fumárico, ácido málico, ácido oxaloacético).
Otra versión del poema:
El lucio se comió el acetato, resulta citrato a través de cis -aconitate será isocitrato dando hidrógenos SOBRE, pierde CO2 extremadamente feliz por eso alfa-cetoglutarato oxidación que viene: NAD robará hidrógeno B1 y lipoato con coenzima A a toda prisa, toma CO2 y la energía es apenas apareció en succinilo inmediatamente nació gtf y quedó succinato. así llegó al FAD, que necesita hidrogeno hidrógenos perdidos, se convirtió en un fumarato. fumarato bebió agua, y se convirtió en malato aquí vine a malate NAD, hidrógenos comprados El lucio reapareció y en silencio se escondió Custodiando el acetato...