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SECCIÓN II El metabolismo metabolismo celular celular INTRODUCCIÓN Las rutas centrales del metabolismo intermediario, ciclo de Krebs y caden...

SECCIÓN II El metabolismo metabolismo celular celular INTRODUCCIÓN Las rutas centrales del metabolismo intermediario, ciclo de Krebs y cadena trans‑ portadora de electrones, están estrechamente relacionadas con el desarrollo evolu‑ tivo desde los organismos anaerobios a los organismos aerobios. En las condiciones del caldo de cultivo primigenio, donde surgió la vida, la escasa presencia inicial de oxígeno determinó la aparición de una serie de organismos que realizaban sus reacciones vitales sin la presencia de este compuesto oxidante. El incremento de determinados organismos que producían oxígeno como producto de desecho de sus actividades metabólicas cambió estas condiciones, pasando a un medio en el cual la presencia del oxígeno fue relativamente importante. En consecuencia, algunos organismos se adaptaron a la presencia del oxígeno, los llamados anaerobios faculta‑ tivos, que, posteriormente, evolucionaron dando origen a los organismos aerobios. El oxígeno es un compuesto altamente oxidante que, de no ser aprovechado por los seres vivos adecuadamente, y de no tener éstos los mecanismos antioxi‑ dantes apropiados, puede producir la muerte de un organismo o célula con rela‑ ¿Qué papel tiene el O2 en el metabolismo intermediario? tiva facilidad. Simultáneamente, el hecho de poder utilizar el oxígeno como aceptor de electrones lleva a la oxidación de las biomoléculas hasta dar dióxido de carbono y agua, lo que permite producir mucha más energía a partir de cada átomo de carbono, con un mayor rendimiento energético, confiriendo una ven‑ u VÍDEO 12-1 taja evolutiva importante a aquellas células capaces de aprovechar el oxígeno. Metabolismo oxidativo. El metabolismo oxidativo de las principales biomoléculas, hidratos de carbono, ácidos grasos y aminoácidos, habitualmente se divide en tres etapas (Fig. 12-1): Figura 12‑1. Etapas del metabolismo oxida‑ tivo y catabolismo. 274  Rutas centrales del metabolismo intermediario 12 En la primera etapa, las macromoléculas son fragmentadas en molécu‑‑ las más pequeñas, normalmente moléculas sillares, que posteriormente son degradas a moléculas de acetil-CoA, de dos carbonos. En esta fase se incluyen las vías catabólicas de aminoácidos (desaminación oxidati‑‑ va), la b ‑oxidación de ácidos grasos y la glucólisis en el caso de los mo‑‑ nosacáridos. En una segunda etapa se encuentra el ciclo de Krebs, que implica la oxi‑ dación de los átomos de carbono del acetil‑CoA hasta moléculas de CO2, liberando energía en forma de nucleótidos trifosfato (GTP) y en forma de poder reductor (FADH2 y NADH + H ). En la tercera etapa se ubica la cadena transportadora de electrones y la fosforilación oxidativa,, en la cual el poder reductor generado en el ciclo de Krebs se emplea para la síntesis de ATP, moneda de intercambio ener‑ gético de la célula, y para regenerar las moléculas de NAD. Estas últimas etapas, el ciclo de Krebs, la cadena transportadora de energía y la fosforilación oxidativa, son las rutas objeto de estudio del presente tema. Son rutas muy importantes en la producción de energía dentro de la célula, si bien, como se verá más adelante, también desempeñan un papel crucial como cone‑ xión entre las distintas rutas metabólicas. EL CICLO DE KREBS Aspectos generales del ciclo de los ácidos tricarboxílicos El ciclo de Krebs, llamado así gracias a su descubridor Hans Adolf Krebs (1937), también se denomina ci ciclo clo del del ácido ácido cítr cítrico o ci ico ciclo clo de de los áci ácidos dos tric tricarb arboxí oxíli li-- cos.. Es una ruta metabólica que forma parte de lo que se conoce como la respi‑ ración celular típica de los organismos aeróbicos. El ciclo de Krebs, como se ha comentado anteriormente, es parte de la vía catabólica que realiza la oxidación de las moléculas de acetil‑CoA provenientes de monosacáridos, ácidos grasos y aminoácidos hasta producir CO2, libe libera rando ndo gran gran cant cantida idad d de ener energía gía quím química ica,, sobre todo en forma de poder reductor que, gracias a la cadena transportadora de electrones y de la fosforilación oxidativa, será utilizada en la síntesis de ATP. El acetil‑CoA suele venir de la b ‑oxidación de los ácidos grasos o del piruvato, a tra‑ vés de la descarboxilación oxidativa. El piruvato suele originarse como producto C O N C E P TO S C L AV E de la glucólisis, o bien como consecuencia de la actuación de las transaminasas El ciclo de Krebs, la cadena trans- (véanse capítulos 11 y 14). Aparte de este papel catabólico, el ciclo de Krebs tam‑ portadora de energía y la fosforila- bién presenta una parte anabólica, ya que proporciona precursores para muchas ción oxidativa son rutas clave en la rutas biosintéticas de diferentes biomoléculas como, por ejemplo, la biosíntesis producción de energía dentro de de aminoácidos, aunque también suministra intermediarios para la biosíntesis de la célula. ácidos grasos o azúcares. Por ello, se considera como una vía anfibólica, es decir, catabólica y anabólica al mismo tiempo. El ciclo de Krebs tamb también ién se co- El hecho de que varios intermediarios del ciclo de Krebs sean la base para noce como ciclo del ácido cítrico formar diversas biomoléculas tiene un papel importantísimo a nivel celular, ya o de los ácidos tricarboxílicos. que permite interconectar las principales rutas metabólicas de los hidratos de El ciclo de Krebs desempeña un carbono, de los lípidos y de los aminoácidos; de tal forma que un tipo de bio‑ papel crucial como nexo entre las molécula puede servir de precursor para otros tipos de biomoléculas, lo cual su‑ distintas rutas metabólicas. pone optimizar los recursos disponibles por la célula y depender en menor me‑ El ciclo de Krebs, a través de sus dida de los aportes exógenos, procedentes principalmente de la dieta (Fig. 12-2). intermediarios,, pro propo porc rcio iona na pr pre e- El ciclo de Krebs tiene lugar en la matriz mitocondrial de las células eucario‑ cursores para muchas rutas bio-- tas. Por ello, determinados tipos celulares carentes de mitocondrias, como pue‑ sintéticas. den ser los glóbulos rojos, no pueden realizar el ciclo de Krebs ni la cadena El ciclo de Krebs se considera an‑ transportadora de electrones, y dependen, casi exclusivamente, de la energía fibólico y ti tien ene e lu luga garr en la ma matr triz iz formada en la glucólisis para cubrir sus necesidades energéticas, lo cual implica mitocondrial. una mayor dependencia de los niveles de glucosa. 275  SECCIÓN II El metabolismo metabolismo celular celular Figura 12‑2. Carácter anfi anfibólico bólico del ciclo de Krebs. (a) Papel catabólico, obtención de GTP y poder reductor (NADH + H+ y FADH2). (b) Papel anabólico, suministro de interme- diarios para la síntesis de azúcares, lípidos y aminoácidos. Reacciones del ciclo de Krebs Una visión general del ciclo de Krebs muestra una secuencia de reacciones que oxidan los dos átomos de carbono de una molécula de acetil‑CoA hasta rendir CO2. El ciclo de Krebs, o ciclo del ácido cítrico, implica una serie de pasos enzi‑ máticos que están representados detalladamente en la figura 12-3: 1. Condensación entre una molécula de acetil‑CoA (de dos carbonos) y una molécula de oxalacetato (de cuatro carbonos). Esta reacción es una con‑ densación aldólica a la que sigue una hidrólisis que libera la coenzima A libre. Dicha reacción está catalizada por la citrato sintasa, dando como producto final el citrato (de seis carbonos), uno de los compuestos que da nombre al ciclo. Es un paso irreversible. 2. Transformación del citrato en isocitrato. Con esta reacción que sucede en dos pasos, una deshidratación seguida de una hidratación, se pasa de un sustrato con un alcohol terciario a una molécula con un alcohol secunda‑ rio que resulta más fácilmente oxidable. Esta reacción se lleva a cabo por la aconitasa, formando un intermediario conocido como cis‑aconitato. 3. Primera descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del isocitrato (de seis carbonos) a a‑cetoglutarato (de cinco carbonos), reac‑ ción que conlleva la reducción de una molécula de NAD a NADH + H y la eliminación de un átomo de carbono en forma de CO2. Esta reacción la cataliza la isocitrato deshidrogenasa y es la primera etapa en la que se 276  Rutas centrales del metabolismo intermediario 12 condensación adolica 3 3 produce NADH + H , y también la primera en la que se genera CO2. Es Es Figura 12-3. Reacciones del ciclo de Krebs. un paso irreversible. 4. Segunda descarboxilación oxidativa. Se produce la transformación del a-cetoglutarato (de cinco carbonos) a succinil-CoA (de cuatro carbonos), reacción que conlleva igualmente la generación de NADH + H y la eli- minación de un átomo de carbono. La reacción la efectúa el complejo ACTIVIDAD INTERACTIVA 12-1 multienzimático a -cetoglutarato deshidrogenasa, que es bastante similar en su composición y actuación al complejo enzimático de la piruvato des- Analizar las reacciones del ciclo y con- hidrogenasa. Como resultado, se obtiene, además del succinil-CoA, la testar las siguientes preguntas: reducción de una segunda molécula de NAD a NADH + H y la genera- 1. ¿Es posible sintetizar oxalacetato a ción de una segunda molécula de CO2. Hasta este momento, ya se han partir de acetil-CoA? En caso afirma- producido dos moléculas de CO2, por lo que se ha completado la oxida- tivo indicar las reacciones utilizadas. ción neta del grupo acetilo. La reacción es un paso irreversible. 2. Si en un tubo de ensayo disponemos 5. Fosforilación a nivel de sustrato. En esta reacción se acopla la ruptura de todas las enzimas del ciclo, coen- zimas oxidadas (NAD+ y FAD), GDP, del enlace de alta energía del succinil-CoA con la síntesis de una molécula fosfato y acetil-CoA, todos ellos a una GTP, a partir de GDP y Pi (en algunos organismos se fosforila el ADP concentración de 1 mM, y una concen- dando ATP) liberando succinato y coenzima A libre. Esta reacción la lle- tración de oxalacetato de 1 µM, ¿cuán- va a cabo la enzima succinil-CoA sintetasa. tas moléculas de acetil-CoA podrían 6. Oxidación del succinato a fumarato, por acción de la succinato deshi- oxidar? ¿Cómo sería el rendimiento? drogenasa. Es una reacción de deshidrogenación, en la cual se produce la 3. Si a continuación en el tubo de ensa- oxidación del enlace sencillo situado en el centro de la molécula de succi- yo añadimos oxalacetato hasta una concentración de 1 mM, ¿cómo cam- nato, dando lugar a un doble enlace trans. El hidrógeno eliminado se bia el rendimiento? acopla a la síntesis de una molécula de FADH2, a partir de FAD. 277  SECCIÓN II El metabolismo metabolismo celular celular 7. Hidratación del doble enlace del fumarato, originando una molécula de C O N C E P TO S C L AV E L‑malato. La enzima que cataliza esta reacción es la fumarasa. La deg degrrad adaaci cióón de una mol oléécu cu-- 8. Oxidación del L-malato a oxalacetato, gracias a la enzima malato deshi‑ la de acetil‑CoA en el ciclo de drogenasa, que oxida el grupo alcohol secundario del malato a la corres‑ Krebs origina tres moléculas de pondiente cetona. Esta reacción conlleva la reducción de una tercera NADH + H+, una molécula de FADH2 molécula de NAD a NADH + H , la tercera que se obtiene en el ciclo. y una molécula de GTP. Con esta ultima reacción de oxidación se regenera el oxalacetato que se utilizará, junto con una nueva molécula de acetil‑CoA, en la generación La estereoespecificidad es muy del citrato, al principio de un nuevo ciclo. importante en el ciclo de Krebs. En el cic ciclo lo de Kr Krebs ebs se re reali aliza za la Las últimas reacciones a partir de la formación del succinato suponen la pre‑ oxidación de las moléculas de ace- paración de otra vuelta del ciclo mediante la regeneración del oxalacetato nece‑ til-CoA hasta producir CO2, gene- sario para la primera reacción. De esta forma se puede oxidar un número ilimi‑ rando gran cantidad de energía energía.. tado de grupos acetilo con la mediación de una sola molécula de oxalacetato, ya El NADH + H+ y el FADH2 se emplean que ésta se regenera en cada vuelta del ciclo (Fig. 12-4). También hay que des‑ en la cadena transportadora de tacar que, en numerosas enzimas del ciclo de Krebs, la estereoespecifidad tiene electrones para generar energía. un papel clave a la hora de determinar la actuación catalítica de las mismas. Esto sucede, sobre todo, en las enzimas aconitasa, isocitrato deshidrogenasa, succina‑ to deshidrogenasa, fumarasa y malato deshidrogenasa. La oxidación completa de los grupos acetilo sigue entonces el siguiente balance: Acetil‑CoA + 3 NAD + FAD + GDP + Pi + 2 H2O  2 CO2 + 3 NADH + 3 H+ + FADH2 + GTP + CoA‑SH El NADH + H y el FADH2, que son productos clave del ciclo, se van a reoxidar rápidamente a través de la cadena de transporte electrónico y la fosfori‑ lación oxidativa, siendo el aceptor final de los electrones el oxígeno. De esta forma se completa la degradación de los metabolitos celulares, maximizando la obtención de energía mediante la síntesis de nuevas moléculas de ATP. El GTP se puede utilizar como fuente de energía en determinadas reacciones, o bien se puede aprovechar para sintetizar ATP a través de la siguiente reacción catalizada por la nucleósido difosfoquinasa: GTP + ADP  GDP + ATP. Acetil-CoA 2C 4C 1 6C Si una molécula de acetil-CoA con sus NADH 8 2 átomos de C marcados radiactivamente con C14 entrara en el ciclo, ¿en qué mo- 4C 6C lécula quedaría marcada? ¿Qué interme- diarios del ciclo no llegarían a contener 7 3 C14 en ningún momento? 4C NADH 6 5C Figura 12‑4. Esquema del ciclo de Krebs 4 según el rendimiento de moléculas de CO2, 5 poder reductor y energía. Se hace referen- FADH2 4C 4C cia al número de carbonos de las molécu- NADH las que participan en el ciclo. Los números en azul indican las ocho reacciones enzi- GTP máticas. 278