Ciclo de Krebs, parte 3 y cadena transportadora de electrones

En el artículo anterior, hablamos del carácter anfibólico del ciclo de Krebs mencionando las otras posibles vías de entrada para la oxidación neta total de los átomos de carbono y la obtención de coenzimas reducidas.

Ahora veremos las rutas de relleno del ciclo y el destino de las coenzimas reducidas para su reoxidación y producción de ATP.

El carácter anfibólico del ciclo obliga a que haya rutas anapleróticas (o de relleno) para la producción neta de precursores, con objeto de que el ciclo no se detenga ya que siempre debe haber una actividad basal.
Existen dos tipos de rutas de relleno para el ciclo: por carboxilaciones del pirúvico y por el ciclo del ácido glioxílico. Esta segunda ruta no se lleva a cabo en humanos, sino en los glioxisomas de células vegetales.

CARBOXILACIONES DEL PIRÚVICO:
PIRÚVICO CARBOXILASA
Las llevan a cabo las carboxilasas, la enzima se une a la biotina (una vitamina) covalentemente por sus restos de lisina (aminoácido). Esta unión por la lisina actúa como una especie de brazo: la biotina por una parte se carboxila (-COO) y por el lado de la enzima, se une el sustrato para que finalmente el grupo carboxilo sea transferido al sustrato.
Como podemos ver en la imagen, hay un gasto de ATP cuando se carboxila la biotina (entra un CO2), se da el desplazamiento y finalmente se carboxila el sustrato.

Cuando el pirúvico sufre una carboxilación, se transforma en oxalacético que como vimos anteriormente, es un componente fundamental en el ciclo. Hemos pasado de una molécula compuesta por tres carbonos (pirúvico) a una por cuatro (oxalacético); y por tanto, podemos hablar de una producción neta de un intermediario del ciclo.

Éste oxalacético es el que se une por condensación al AcCoA y permite que el ciclo continúe.
Cuando se está formando AcCoA, ésta molécula debe ir finalmente al ciclo para oxidarse completamente. En el caso de que la actividad basal del ciclo empiece a bajar, la AcCoA no podrá entrar; así que la misma AcCoA actuará como un activador alostérico de la pirúvico carboxilasa. Esto significa, que ante la acumulación de AcCoA, la pirúvico carboxilasa empezará a ser muy activa para rellenar el ciclo con intermediarios y así la AcCoA pueda entrar y sufrir posteriormente la oxidación completa de sus átomos de carbono.

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Figura 1: Estructura de la pirúvico carboxilasa. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

ENZIMA MÁLICA
Esta enzima funciona mediante una carboxilación (CO2) y reducción usando como coenzima el NADP+.

Hay dos isoenzimas: la citosólica y la mitocondrial. Esto quiere decir que son dos enzimas que catalizan la misma reacción aunque en este caso una actúa en sentido opuesto a la otra.
La enzima málica mitocondrial provoca la transformación de pirúvico a málico (intermediario del ciclo) utilizando CO2 y oxidando NADPH. La isoenzima citosólica funciona básicamente en el otro sentido dando como resultado la obtención de NADPH y protones.

Como mencionamos antes, al ser el ciclo de Krebs una ruta productora de coenzimas reducidas, el tiempo que tardan en reoxidarse determinará la velocidad del ciclo. Si se empieza a acumular NADH, significa que no hay tiempo suficiente para reoxidar las coenzimas reducidas; y por tanto, se inhibe la isocítrico deshidrogenasa (encargada de la transformación de isocitrato a alfa-cetoglutárico). Cuando se inhibe, se acumula ácido cítrico y éste va a la biosíntesis de moléculas de reserva: los ácidos grasos. Por tanto, cuando se satura la ruta de degradación, interesa empezar la biosíntesis de moléculas de almacén ya que la célula está satisfecha de energía.
Esto explica también por qué ante el consumo excesivo de hidratos de carbono, el cuerpo tiende a engordar.

CADENA TRANSPORTADORA DE ELECTRONES:

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Figura 2: Cadena transportadora de electrones. Lehninger Principles of Biochemistry. Sixth Edition, 2013. Freeman and Company.

Tiene como finalidad la reoxidación de las coenzimas reducidas y la reducción del aceptor final de electrones (el oxígeno O2 en caso de organismos aerobios).
También tiene como finalidad la utilización de la energía libre de las reacciones de oxidación/reducción en la creación de un potencial electroquímico (diferencia de gradientes de concentración de protones) para obtener ATP, generar calor, etc.

En condiciones aeróbicas (presencia de oxígeno) el aceptor final de electrones es el O2, ya que las coenzimas deben reoxidarse para volver a ser utilizadas en el ciclo de Krebs. En condiciones anaeróbicas (ausencia de oxígeno) se utilizan otros aceptores de electrones para la reoxidación de las coenzimas reducidas. Veremos posteriormente por qué la respiración aeróbica es más efectiva que la anaeróbica y eso explicar el por qué ha sido el mecanismo que se ha seleccionado a lo largo de la evolución frente a otro tipo de respiración.

En la cadena transportadora de electrones participan varios complejos multiprotéicos de composición muy compleja que no veremos en este nivel.
Algunos complejos se encargan del bombeo de protones al espacio intermembrana de la mitocondria, otros componentes de la cadena se encargan de transportar los electrones desde un nivel menos energético a otro más alto.

Complejo I: Los electrones del NADH se ceden a este complejo y luego a la CoQ, se bombean 4 protones al espacio intermebrana.
Complejo II: los electrones del FADH2 se ceden a la Coenzima Q (CoQ).
CoQ: cede los electrones al complejo III.
Complejo III: cede los electrones al citocromo C y bombea 4 protones al espacio intermembrana.
Citocromo C: cede los electrones al complejo IV.
Complejo IV: cede los electrones al aceptor final que es el oxígeno y forma H2O. También bombea 2 protones al espacio intermembrana.

Finalmente, hablado de los potenciales redox:
Cuando hay un paso de electrones desde el NADH a la CoQ, la diferencia de potencial es tal que se libera energía libre suficiente para formar un ATP. Pasa lo mismo con la diferencia de potenciales entre la CoQ y el Cit-C y para la diferencia de potenciales entre el Cit-C y el oxígeno (aceptor final de electrones).

Por tanto, podemos resumir en este proceso que como el NADH pasa desde el complejo I hasta el IV, podemos obtener 3 ATP por coenzima reducida.
Para el FADH2, sólo podemos contar que ha pasado desde el complejo II y por tanto, podemos definir que únicamente se obtiene la diferencia de potencial tal que se libera energía libre para obtener 2 ATP en el paso de toda la cadena transportadora.
Debemos recalcar que estas cifras no son absolutas, en realidad no se tiene por completo 3 ATP por NADH o 2 por FADH2, pero para simplificar los cálculos lo consideraremos así a nivel bioquímico.

¿Qué pasa con los protones del espacio intermembrana?
Este gradiente tiene un componente de diferencia de concentración (cantidad de H+) y de carga (cargas positivas por protones); y por tanto, se puede hablar de un gradiente electroquímico.

Como consecuencia del transporte electrónico, el espacio intermembrana se hace positivo con respecto a la matriz mitocondrial y también posee un pH más ácido. Por ser este gradiente inestable, al deshacerse servirá para la síntesis de ATP por la bomba ATPasa.

Esta bomba es relativamente compleja y no entraremos en detalles para describirla, únicamente mencionaremos que se trata de un complejo multiprotéico que si rota hacia una dirección, forma ATP mediante el paso de protones desde el espacio intermembrana a la matriz mitocondrial; en cambio, si rota en sentido opuesto, bombea protones desde la matriz al espacio intermembrana y gasta ATP.

La reacción es la siguiente bombeando protones desde el espacio intermembrana a la matriz: ADP + Pi → ATP
Finalmente, por una molécula de AcCoA que entra en el ciclo se obtienen 12 ATP:
3 NADH = 9 ATP
1 FADH2 = 2 ATP
1 ATP

Existen fenómenos en la naturaleza en el que este transporte electrónico está desacoplado; esto quiere decir, que la fosforilación oxidativa (formación de ATP por la ATPasa) no está acoplado con el transporte electrónico a través de los complejos.
En estos casos, la membrana interna mitocondrial se ha hecho permeable a los protones y por tanto, suelen entrar por un poro y se disipa esa energía en forma de calor sin obtener síntesis de ATP.

Esto se puede ver en el tejido adiposo pardo, abundante en el cuerpo del recién nacido y en los animales hibernantes. Este tejido está especializado en romper el factor de acoplamiento de la cadena de electrones para la producción de calor, así los animales hibernantes reanudan su actividad metabólica basal aumentando la temperatura de su cuerpo después de pasar una temporada de frío intenso.

Se conocen casos de fármacos que se han utilizado como adelgazantes que funcionan rompiendo el factor de acoplamiento para quemar grasas por calor. Desgraciadamente, hay casos documentados de mortalidad por hipertermia ante el uso de estos fármacos y ha sido motivo suficiente para la prohibición de su venta.

En el siguiente artículo hablaremos sobre la glicolisis y el metabolismo fermentativo.

REFERENCIAS:
Alberts, Johnosn, Lewis, Raff, Roberts, Walter. Molecular Biology of the Cell. 2002.
Lodish, Berk, Kaiser, Krieger, Scott, Bretscher, Ploegh, Matsudaira. Molecular Cell Biology. 6th edition, 2008.
C. Branden, J. Tooze. Introduction to Protein Structure. 2nd edition, 1999, Garland Ed.
D. L. Nelson, M. M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry. 5th edition, 2008. Ed. Freeman; 570-576, 615-646.
Voet, Voet. Bioquímica 3rd edition, 2006. Ed. Médica Panamericana; 565-600, 795-876.

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