Contenido
- Glucólisis: preparando el escenario
- El ciclo de Krebs: resumen de la cápsula
- Profundizando en las reacciones del ciclo de Krebs
- Una mnemotécnica para estudiantes
El ciclo de Krebs, llamado así por el fisiólogo y ganador del Premio Nobel de 1953 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 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 adenosina trifosfato 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, las proteínas y las grasas de la dieta tienen componentes que también pueden metabolizarse a glucosa. Cuando una molécula de glucosa entra en una célula, se descompone en el citoplasma en piruvato.
Lo que sucede después depende de si el piruvato ingresa a la ruta de respiración aeróbica (el resultado habitual) o la ruta de fermentación de 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 CO2) y agua (H2O) 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 opera para sintetizar continuamente una sustancia llamada oxaloacetato para mantener el ciclo, aunque, como usted mira, esto no es realmente la "misión" de los ciclos. 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.
Glucólisis: preparando el escenario
La glucosa es un azúcar de seis carbonos (hexosa) que en la naturaleza generalmente tiene la forma de un anillo. Como todos los monosacáridos (monómeros de azúcar), consiste en carbono, hidrógeno y oxígeno en una proporción 1-2-1, con una fórmula de C6H12O6. Es uno de los productos finales del metabolismo de proteínas, carbohidratos y 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 O2 está presente en las células o no. Tenga cuidado de distinguir esto del "oxígeno no debe ser presente ", aunque este es el caso de algunas bacterias que en realidad son eliminadas por el oxígeno y se conocen como anaerobios obligados.
En las reacciones de la glucólisis, la glucosa de seis carbonos se fosforila inicialmente, es decir, se le agrega un grupo fosfato. La molécula resultante es una forma fosforilada de fructosa (azúcar de fruta). Esta molécula se fosforila por segunda vez. Cada una de estas fosforilaciones requiere una molécula de ATP, que se convierten en difosfato de adenosina o ADP. La molécula de seis carbonos se convierte en dos moléculas de tres carbonos, que se convierten rápidamente en piruvato. En el camino, en el procesamiento de ambas moléculas, se producen 4 ATP con la ayuda de dos moléculas de NAD + (dinucleótido de nicotinamida y adenina) que se convierten en dos moléculas de NADH. Así, por cada molécula de glucosa que ingresa a la glucólisis, se produce una red de dos ATP, dos piruvatos y dos NADH, mientras que se consumen dos NAD +.
El ciclo de Krebs: resumen de la cápsula
Como se señaló anteriormente, el destino del piruvato depende de las demandas metabólicas y del medio ambiente del organismo en cuestión. En los procariotas, la glucólisis más la fermentación proporciona casi todas las necesidades de energía de las células individuales, aunque algunos de estos organismos han evolucionado. cadenas de transporte de electrones que les permite utilizar oxígeno para liberar ATP de los metabolitos (productos) de la glucólisis. En los procariotas, así como en todos los eucariotas, excepto la levadura, si no hay oxígeno disponible o si las necesidades de energía de las células no se pueden satisfacer por completo mediante la respiración aeróbica, el piruvato se convierte en ácido láctico mediante fermentación bajo la influencia de la enzima lactato deshidrogenasa o LDH .
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 una especie de citoplasma para las propias 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 aprovechar un diagrama que detalla el ciclo de Krebs, ya que es la única forma de seguirlo de manera significativa; ver los recursos para un ejemplo.
La razón por la cual el ciclo de Krebs se nombra como tal es porque uno de sus principales productos, el oxaloacetato, también es un reactivo. Es decir, cuando el acetil CoA de dos carbonos creado a partir del piruvato ingresa al ciclo "aguas arriba", reacciona con el 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 le da el nombre de "ácido tricarboxílico" a este ciclo. La síntesis es impulsada por la adición de una molécula de agua, haciendo de esta una reacción de condensación, y la pérdida de la porción de la coenzima A de acetil CoA.
Luego, el citrato se reorganiza en una molécula con los mismos átomos en una disposición diferente, lo que se denomina adecuadamente isocitrato. Esta molécula luego emite un CO2 para convertirse en el compuesto de cinco carbonos α-cetoglutarato, y en el siguiente paso ocurre lo mismo, con α-cetoglutarato perdiendo un CO2 mientras 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 desprotonada de cuatro carbonos: fumarato, malato y finalmente oxaloacetato.
Las moléculas centrales del ciclo de Krebs, entonces, en orden, son
Esto omite los nombres de las enzimas y varios reactivos críticos, entre ellos NAD + / NADH, el par de moléculas similares FAD / FADH2 (flavina adenina dinucleótido) y CO2.
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 CO2 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 conjunto y examinando solo estos reactivos y productos de dos, cuatro, cinco y seis carbonos, no es De inmediato queda claro por qué las células se involucrarían en algo parecido a una rueda de la fortuna bioquímica, con diferentes pasajeros de la misma población cargados dentro y fuera del volante, pero nada cambia al final del día, excepto por un gran número de vueltas del volante.
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, el FAD recolecta dos protones. Piense en los protones, debido a su efecto sobre las cargas positivas y negativas, como pares de electrones. Desde este punto de vista, el punto del ciclo es la acumulación de pares de electrones de alta energía de pequeñas moléculas de carbono.
Profundizando en las reacciones del ciclo de Krebs
Puede notar que faltan dos moléculas críticas que se espera que estén presentes en la respiración aeróbica del ciclo de Krebs: Oxígeno (O2) y ATP, la forma de energía empleada directamente por las células y los tejidos para llevar a cabo trabajos como el crecimiento, la reparación, etc. Nuevamente, esto se debe a que el ciclo de Krebs es un conjunto de tablas para las reacciones en cadena de transporte de electrones que ocurren cerca, en la membrana mitocondrial en lugar de en la matriz mitocondrial. Los electrones recolectados por los nucleótidos (NAD + y FAD) en el ciclo se usan "aguas abajo" cuando son aceptados por los átomos de oxígeno en la cadena de transporte. En efecto, el ciclo de Krebs elimina material valioso en una cinta transportadora circular aparentemente poco notable y los exporta a un centro de procesamiento cercano donde está trabajando el equipo de producción real.
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 intermedias en el ciclo de Krebs, pueden servir como reactivos en reacciones no relacionadas .
Como referencia, NAD acepta un protón en los Pasos 3, 4 y 8, y en los primeros dos de estos CO2 es arrojado; una molécula de trifosfato de guanosina (GTP) se produce a partir del PIB en el Paso 5; y FAD acepta dos protones en el Paso 6. En el paso 1, CoA "se va", pero "regresa" en el Paso 4. De hecho, solo el Paso 2, la reordenación del citrato en isocitrato, es "silencioso" fuera de las moléculas de carbono en la reacción.
Una mnemotécnica para estudiantes
Debido a la importancia del ciclo de Krebs en la bioquímica y la fisiología humana, los estudiantes, profesores y otros han ideado una serie de mnemotecnias, o formas de recordar nombres, para ayudar a recordar los pasos y reactivos en el ciclo de Krebs. Si solo se desea recordar los reactivos, intermedios y productos de carbono, es posible trabajar desde 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 concisa a partir de estas letras, con las primeras letras de las moléculas que sirven como las primeras letras en las palabras de la frase.
Una forma más sofisticada de hacerlo es utilizar un mnemónico que le permita realizar un seguimiento de la cantidad de átomos de carbono en cada paso, lo que le permitirá internalizar mejor lo que sucede 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 correspondientemente para palabras y moléculas más pequeñas, puede producir un esquema que sea útil como dispositivo de memoria y rico en información. Un colaborador del "Journal of Chemical Education" propuso la siguiente idea:
Aquí, verá una palabra de seis letras formada por una palabra (o grupo) de dos letras y una palabra de cuatro letras. Cada uno de los siguientes tres pasos incluye una sola sustitución de letras sin pérdida de letras (o "carbono"). Los siguientes dos pasos implican la pérdida de una letra (o, de nuevo, "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.
Además de estos dispositivos específicos, puede ser beneficioso dibujar una célula completa o una porción de una célula que rodea una mitocondria, y esbozar las reacciones de la glucólisis con todo el detalle que desee en la parte del citoplasma y el ciclo de Krebs en la mitocondria. parte de la matriz. En este boceto, mostrarías que el piruvato se transporta al interior de las mitocondrias, pero también puedes dibujar una flecha que conduce a la fermentación, que también ocurre en el citoplasma.