Definición
El ciclo de Krebs es la primera etapa de la respiración celular, y se produce en las células aeróbicas, es decir, las que utilizan oxígeno para sobrevivir. Esta vía metabólica se lleva a cabo dentro de la matriz de las mitocondrias de todas las células eucariotas, y en citoplasma celular de las procariotas.
Funciones del ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs es un eslabón en una cadena de reacciones mucho más amplia que compone el proceso de la respiración celular. Se lleva a cabo con la finalidad principal de generar grandes cantidades de energía química en forma de moléculas de ATP, que las células pueden utilizar en un sinfín de otras reacciones que las requieren. En el proceso, moléculas carbonadas son degradadas (oxidadas) hasta formar dióxido de carbono, agua y energía. Por esta razón, se puede decir que el ciclo de Krebs es una vía catabólica.
Sin embargo, el ciclo de Krebs también proporciona precursores que se necesitan para la síntesis de otras moléculas como algunos aminoácidos y los ácidos nucléicos, por lo que se considera que también es una vía anabólica. Como es una vía anabólica y catabólica al mismo tiempo, se la llama ‘’vía anfibólica’’.
La materia prima de la respiración celular (y del ciclo de Krebs) es la molécula de acetil-coenzima A (acetil-CoA), que se forma a partir del piruvato o ácido pirúvico, o bien a partir de aminoácidos y ácidos grasos. El piruvato proviene del proceso de la glucólisis que se lleva a cabo en el citoplasma celular, y utiliza a la molécula de glucosa como materia prima.
Durante el ciclo de Krebs se forman algunas moléculas de GTP (equivalentes al ATP), y las coenzimas NAD+ y FAD van captando electrones y protones (transformándose en NADH y FADH2), para luego cederlos en la etapa final de la respiración celular (la cadena de transporte de electrones), dando como resultado la producción de más moléculas de ATP (a partir de fosfato y ADP) a través de la fosforilación oxidativa.
Así, las células pueden obtener cantidades considerables de energía química (en forma de ATP) a partir de la oxidación de moléculas orgánicas.
Etapas del ciclo de Krebs
El ciclo de Krebs, como indica su nombre, es un ciclo. Por lo tanto, una misma molécula representa el producto inicial y final del proceso. Esta molécula es el oxalacetato o ácido oxalacético, formada por cuatro carbonos.
Son ocho las etapas que conforman al ciclo de Krebs, que pueden subividirse en dos fases. La primera fase comprende la degeneración del oxalacetato (etapas 1 a 4) y la segunda su regeneración (etapas 5 a 8). Detallamos las ocho etapas del ciclo de Krebs a continuación:
– Etapa 1 (Formación de citrato): En la primera etapa se unen el oxalacetato (de cuatro carbonos) con el acetil-CoA (de dos carbonos) en una reacción irreversible llevada a cabo por la enzima citrato sintasa. El producto de esta reacción es el citrato, que contiene seis carbonos en su estructura. Además, se utiliza molécula de agua (H2O) y se recicla la coenzima A (CoA-SH) que puede ser utilizada nuevamente para formar otra molécula de acetil-CoA a partir de piruvato.
– Etapa 2 (Isomerización del citrato): En la segunda etapa, el citrato formado en la etapa anterior cambia la disposición de sus átomos, es decir, se forma una nueva molécula que tiene la misma composición atómica que la inicial, pero con una estructura y disposición diferente. A este tipo de reacción se la denomina ‘’isomerización’’. En este caso, el citrato se transforma primero en cis-aconitato, y luego en isocitrato. La enzima que lleva a cabo esta reacción reversible es la aconitasa. Si bien la reacción es reversible, dentro de la célula el consumo rápido de isocitrato hace que tienda a esa dirección.
– Etapa 3 (Formación de CO2 y α-cetoglutarato): Luego, a través de una reacción irreversible, el isocitrato generado en la etapa anterior es transformado en α-cetoglutarato. En el proceso, se libera una molécula de CO2, un protón (H+) y una molécula de NAD+ se reduce a NADH. La enzima responsable de esta etapa es la isocitrato deshidrogenasa.
– Etapa 4 (Formación de CO2 y succinil-CoA): En esta cuarta reacción, se agrega una coenzima A (CoA) al α-cetoglutarato, que se transforma en succinil-CoA. Para que esto pueda llevarse a cabo, una molécula de NAD+ se reduce formando NADH y se libera una molécula de CO2. Se trata de una reacción irreversible orquestada por un complejo enzimático denominado ‘’complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa’’.
– Etapa 5 (Formación de succinato): Se trata de una reacción reversible en la que se produce una fosforilación a nivel de sustrato, es decir, una molécula de GDP se une a un grupo fosfato y da como resultado una molécula de GTP portadora de energía (que en genera cede su grupo fosfato a un ADP para dar ATP). La energía necesaria para que dicha reacción se produzca proviene de la rotura del enlace del succinil-CoA, liberándose el CoA-SH de la molécula, que se transforma en succinato. La enzima encargada de esta etapa es la succinil-CoA sintetasa.
– Etapa 6 (Formación de fumarato): En la etapa 6 se produce una deshidrogenación de la molécula succinato. Los dos hidrógenos separados de dicha molécula pasan a formar parte de una coenzima FAD, que se reduce a FADH2. Así, el succinato, con dos hidrógenos menos, se convierte en fumarato. Esta reacción es reversible, y la enzima que la lleva a cabo es la succinato deshidrogenasa. En eucariotas, esta enzima tiene la particularidad de estar unida a la membrana mitocondrial, siendo así un nexo entre el ciclo de Krebs y el siguiente paso de la respiración celular (la cadena de transporte de electrones).
– Etapa 7 (Formación de malato): Se adiciona al fumarato una molécula de agua, produciendo la hidratación de un doble enlace carbono-carbono. El resultado es una molécula de malato. La enzima que lleva a cabo esta reacción reversible se denomina ‘’fumarasa’’.
– Etapa 8 (Regeneración del oxalacetato): Dado que se trata de la última etapa del ciclo, el resultado consiste en la regeneración del elemento inicial del mismo, el oxalacetato. Para esto, la enzima malato deshidrogenasa produce una deshidrogenación del malato, que se convierte en oxalacetato. En el proceso, los hidrógenos liberados se unen a un NAD+, liberando una molécula de NADH y un protón (H+). La reacción de la etapa 8 es reversible. En condiciones normales tendría su equilibrio desplazado hacia la formación de malato a partir del oxalacetato, pero en las condiciones celulares ocurre lo contrario porque el oxalacetato se utiliza continuamente en la reacción de la etapa 1.
El ciclo de Krebs paso a paso en video
Fórmula general y resultados netos del ciclo de Krebs
La fórmula general del ciclo de Krebs se puede representar de la siguiente manera:
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Oxalacetato + 2 CO2 + CoA + GTP + 3 NADH + FADH2 + 3 H+ + H2O
Considerando que se necesitan dos vueltas del ciclo de Krebs para completar la degradación de una molécula de glucosa (ya que cada una de ellas produce dos moléculas de acetil-CoA que dan inicio al ciclo), se puede decir que el rendimiento general del ciclo de Krebs incluye dos moléculas de ATP, seis moléculas de NADH, 2 moléculas de FADH2 y cuatro moléculas CO2.
Las moléculas de NADH y FADH2 formadas en el ciclo de Krebs serán las que aporten sus electrones para el siguiente paso del proceso de respiración celular, en la cadena de transporte de electrones.
Autora
Escrito por Tatiana Bengochea para la Edición #126 de Enciclopedia Asigna, en 07/2023. Tatiana es Lic. en Ciencias Biológicas y Prof. en Biología. Graduada en la UBA, Arg.