El ciclo de Krebs hecho fácil

El ciclo de Krebs, nombrado después de 1953 ganador del premio Nobel y fisiólogo Hans Krebs, es una serie de reacciones metabólicas que tienen lugar en las mitocondrias de las células eucariotas . En pocas palabras, esto significa que las bacterias no tienen la maquinaria celular para el ciclo de Krebs, por lo que se limita a las 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, proteínas y grasas de la dieta tienen componentes que también pueden metabolizarse a la glucosa. 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 ingresa en la ruta de la respiración aeróbica (el resultado habitual) o en la ruta de la fermentación del lactato (utilizada en episodios de ejercicio de alta intensidad o privación de oxígeno) antes de que finalmente permita la producción de atp y la liberación de dióxido de carbono ( Co ₂ ) y agua (h ₂ o) como subproductos.

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 funciona para sintetizar continuamente una sustancia llamada oxaloacetato para mantener el ciclo, aunque Ya veremos, esta no es realmente la "misión" del ciclo. El ciclo de Krebs también proporciona otros beneficios. Debido a que incluye unas ocho reacciones (y, en consecuencia, nueve enzimas) que involucran nueve moléculas distintas, es útil desarrollar herramientas para mantener los puntos importantes del ciclo directamente en su mente.

La glucosa es un azúcar de seis carbonos (hexosa) que, en la naturaleza, suele tener forma de anillo. como todos los monosacáridos (monómeros de azúcar), consiste en carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción de 1-2-1, con una fórmula de c ₆ h ₁₂ o ₆ . Es uno de los productos finales del metabolismo de las proteínas, los carbohidratos y los ácidos grasos y sirve como combustible en todo tipo de organismos, desde bacterias unicelulares hasta seres humanos y animales más grandes.

La glucólisis es anaeróbica en el sentido estricto de "sin oxígeno". es decir, las reacciones proceden si o ₂ está presente en las células o no. tenga cuidado de distinguir esto del "oxígeno no debe estar presente", aunque este es el caso de algunas bacterias que en realidad son eliminadas por el oxígeno y que se conocen como anaerobios obligados.

En las reacciones de la glucólisis, la glucosa de seis carbonos se fosforila inicialmente, es decir, tiene un grupo de fosfato adjunto. La molécula resultante es una forma fosforilada de fructosa (azúcar de fruta). esta molécula es luego fosforilada 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 se convierte luego en dos moléculas de tres carbonos, que se convierten rápidamente en piruvato. en el proceso, en el procesamiento de ambas moléculas, 4 atp se producen con la ayuda de dos moléculas de nad + (dinucleótido de adenina nicotinamida) que se convierten en dos moléculas de nadh. así, por cada molécula de glucosa que entra en la glucólisis, se producen una red de dos atp, dos piruvato y 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 procariotas, la glucólisis y la fermentación satisfacen casi todas las necesidades energéticas de una sola célula, aunque algunos de estos organismos han desarrollado cadenas de transporte de electrones que les permiten utilizar oxígeno para liberar atp de los metabolitos (productos) de la glucólisis . En los procariotas, así como en todos los eucariotas, excepto en la levadura, si no hay oxígeno disponible o si las necesidades de energía de la célula no pueden satisfacerse por completo mediante la respiración aeróbica, el piruvato se convierte en ácido láctico a través de la fermentación bajo la influencia de la enzima lactato deshidrogenasa. .

El piruvato destinado al ciclo de krebs se mueve desde el citoplasma a través de la membrana de los orgánulos celulares (componentes funcionales en el citoplasma) llamados mitocondrias . Una vez en la matriz mitocondrial, que es un tipo de citoplasma para las mitocondrias, se convierte bajo la influencia de la enzima piruvato deshidrogenasa en 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 utilizar un diagrama que detalle el ciclo de krebs, ya que es la única forma de seguirlo de manera significativa; Vea los recursos para un ejemplo.

La razón por la cual el ciclo de Krebs se denomina como tal es que uno de sus productos principales, el oxaloacetato, también es un reactivo. es decir, cuando el acetil coa de dos carbonos creado a partir del piruvato entra en el ciclo "aguas arriba", reacciona con 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 presta el nombre de "ácido tricarboxílico" a este ciclo. La síntesis es impulsada por la adición de una molécula de agua, lo que hace que esta sea una reacción de condensación, y la pérdida de la coenzima una porción de acetil coa.

el citrato se reorganiza en una molécula con los mismos átomos en una disposición diferente, que se denomina adecuadamente isocitrato. esta molécula luego emite un co ₂ para convertirse en el compuesto de cinco carbonos α-cetoglutarato, y en el siguiente paso ocurre lo mismo, con el α-cetoglutarato perdiendo un co ₂ mientras se 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 deprotonados 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. succinate
   
7. fumarato
   
8. malato
   
9. oxaloacetato
   

esto omite los nombres de las enzimas y varios co-reactivos críticos, entre ellos nad + / nadh, el par de moléculas similares fad / fadh ₂ ( dininucleótido _de adenina de flavina) y co ₂ .

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 co ₂ 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). Observando el proceso en su totalidad y examinando solo estos reactivos y productos de dos, cuatro, cinco y seis carbonos, no es De inmediato, se explica por qué las células se involucran en algo parecido a una noria bioquímica, con diferentes pilotos de la misma población que se cargan dentro y fuera de la rueda, pero nada cambia al final del día, excepto por un gran número de giros de la rueda.

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

es posible que note que en el ciclo de Krebs faltan dos moléculas críticas que se espera que estén presentes en la respiración aeróbica: oxígeno (o ₂ ) y atp, la forma de energía empleada directamente por las células y los tejidos para realizar trabajos como el crecimiento, la reparación y demás. en. De nuevo, esto se debe a que el ciclo de Krebs es un marcador de tabla para las reacciones de la cadena de transporte de electrones que ocurren cerca, en la membrana mitocondrial en lugar de en la matriz mitocondrial. los electrones recogidos por los nucleótidos (nad + y la moda) en el ciclo se utilizan "aguas abajo" cuando son aceptados por los átomos de oxígeno en la cadena de transporte. El ciclo de Krebs, en efecto, elimina material valioso en una cinta transportadora circular aparentemente normal y los exporta a un centro de procesamiento cercano donde trabaja el verdadero equipo de producción.

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 en quizás tres o cuatro?) generan moléculas que, aunque son intermedias en el ciclo de Krebs, pueden servir como reactivos en reacciones no relacionadas .

Para referencia, nad acepta un protón en los pasos 3, 4 y 8, y en los primeros dos de estos co ₂ se elimina; una molécula de trifosfato de guanosina (gtp) se produce a partir de gdp en el paso 5; y la moda acepta dos protones en el paso 6. En el paso 1, coa "deja", 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 desarrollado una serie de mnemotécnicas, o formas de recordar nombres, para ayudar a recordar los pasos y reactivos en el ciclo de Krebs. si solo desea recordar los reactivos de carbono, productos 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 pequeña "c"). puede crear una frase personalizada a partir de estas letras, con las primeras letras de las moléculas como las primeras letras en las palabras de la frase.

una forma más sofisticada de hacer esto es usar una mnemotécnica que le permita realizar un seguimiento de la cantidad de átomos de carbono en cada paso, lo que le permitirá internalizar mejor lo que está sucediendo desde un punto de vista bioquímico en todo momento. 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 y rico en información. un colaborador de la "revista de educación química" propuso la siguiente idea :

1. soltero
   
2. hormigueo
   
3. enredo 
   
4. mutilar
   
5. sarna
   
6. melena
   
7. cuerdo
   
8. cantó
   
9. canta
   

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 "carbono"). los dos pasos siguientes implican la pérdida de una letra (o, nuevamente, "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 ser beneficioso dibujarse una célula completa o parte de una célula que rodea a una mitocondria, y dibujar las reacciones de la glucólisis con todos los detalles que desee en la parte del citoplasma y el ciclo de Krebs en la mitocondria. parte de la matriz. En este croquis, mostraría que el piruvato se transportaba hacia el interior de las mitocondrias, pero también podía dibujar una flecha que conducía a la fermentación, que también se produce en el citoplasma.