Ciclo de Krebs (ácidos tricarboxílicos): complejo piruvato deshidrogenasa, reacciones anapleróticas

El ciclo de Krebs (ciclo de los ácidos tricarboxílicos, CAT) es la vía común del catabolismo de carbohidratos, grasas y aminoácidos. Ocurre en la matriz mitocondrial. El piruvato procedente de la glucólisis se convierte en acetil-CoA mediante el complejo piruvato deshidrogenasa (PDC; cofactores: tiamina/B1, lipoato, FAD, NAD, CoA — mnemotecnia TPP-Lip-FAD-NAD-CoA). El acetil-CoA se condensa con el OAA → citrato y continúa el ciclo: 1 vuelta = 3 NADH + 1 FADH₂ + 2 CO₂ + 1 GTP → ~10 ATP. Las reacciones anapleróticas (piruvato carboxilasa, aminoácidos) reponen los intermediarios del CAT.

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El lugar de la vía común del catabolismo en el metabolismo

El catabolismo de cualquier biomolécula se divide convencionalmente en la vía específica y la vía común del catabolismo. En la etapa específica, el sustrato (glucosa en la glucólisis, ácidos grasos en la β-oxidación, aminoácidos en la desaminación) se convierte en una de las dos moléculas universales: piruvato o acetil-CoA. El piruvato, a su vez, es capaz de transformarse en acetil-CoA.

La vía común del catabolismo incluye dos fases estrechamente acopladas:

En las reacciones de deshidrogenación del ciclo se produce la transferencia de hidrógenos desde los donantes primarios hasta los secundarios: NAD⁺ y FAD. El NADH y el FADH₂ resultantes se oxidan en la CTE, lo que asegura el rendimiento principal de ATP.

Descarboxilación oxidativa del piruvato

La conversión del piruvato en acetil-CoA es una reacción de enlace clave entre la glucólisis y el ciclo de Krebs. La ecuación global es:

CH₃–CO–COOH + HS-CoA + NAD⁺ → CH₃–CO~S-CoA + CO₂ + NADH + H⁺

La reacción se denomina descarboxilación oxidativa del piruvato: de forma simultánea ocurren la eliminación de CO₂ y la deshidrogenación con la reducción de NAD⁺.

El catalizador es el complejo piruvato deshidrogenasa (PDC), un complejo multienzimático de varias subunidades:

Ciclo de los ácidos tricarboxílicos: reacciones y rendimiento energético

El ciclo comienza con la condensación del oxaloacetato con el acetil-CoA para formar citrato (enzima: citrato sintasa). Una vuelta del ciclo comprende 8 reacciones y conduce a la oxidación completa del residuo acetilo a 2 CO₂.

En una vuelta ocurren:

Rendimiento energético de una vuelta:

Reacciones anapleróticas

Además de su función energética, el ciclo de Krebs desempeña un papel anaplerótico (de relleno) y anfibólico: sus metabolitos sirven como precursores para la biosíntesis.

La reacción anaplerótica clave es la formación de oxaloacetato a partir del piruvato:

piruvato + CO₂ + ATP → oxaloacetato + ADP + Pi

Es catalizada por la enzima piruvato carboxilasa, cuyo cofactor es la biotina (vitamina H). La deficiencia de biotina altera el anaplerosis. Mantener el nivel de oxaloacetato es críticamente importante: ante su escasez, el acetil-CoA no entra en el ciclo y se acumula, lo que conduce a consecuencias patológicas (por ejemplo, cetosis).

Regulación del ciclo de Krebs

La velocidad del ciclo está coordinada con la velocidad de la CTE; a este fenómeno se le denomina control respiratorio. Las señales principales son las proporciones ATP/ADP y NADH/NAD⁺.

Se regulan alostéricamente tres enzimas clave:

Regulación del complejo piruvato deshidrogenasa

El PDC existe en dos formas, cuya transición está asegurada por subunidades reguladoras:

Regulación alostérica de las enzimas reguladoras:

Por lo tanto, ante un exceso energético se inhibe la oxidación del piruvato, mientras que ante un déficit de energía se estimula.

Aspectos clínicos

Los estados en los cuales la síntesis de ATP está disminuida se denominan hipoérgicos. Entre ellos se encuentran:

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