Respiración celular: Reacción de enlace y Ciclo de Krebs - Hoja de ejercicios.pdf
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El documento detalla el ciclo de Krebs, un proceso metabólico crucial para la respiración celular, definiendo la conversión del piruvato en acetil-CoA y la producción de ATP y NADH. Presenta las fases del ciclo: isomerización, descarboxilación y restitución, y discute la importancia del ácido pantoténico y la coenzima Q en estas reacciones. También aborda efectos tóxicos como el de fluoroacetato sódico en el ciclo, y la relevancia en diagnósticos de trastornos mitocondriales.
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- 1. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 1 Ciclo de Krebs IDEAS PARA DESARROLLAR: 1. La respiración aerobia es un proceso oxidativo. 2. El piruvato que se forma en la glucólisis entra a la matriz mitocondrial y libera una molécula de dióxido de carbono y produciendo una molécula de la nicotinamida adenina dinucleótido- reducida (NADH2) por cada piruvato y una molécula con dos carbonos. 3. Los hidrógenos son atrapados por acarreadores especializados la nicotinamida adenina dinucleótido-oxidada (NAD+) y la coenzima Q. 4. En el ciclo de Krebs, los dos carbonos restantes del piruvato original son eliminados como dióxido de carbono y se produce ATP. 5. La mayoría de las reacciones del ciclo de Krebs restituyen el oxalacetato, necesario para iniciar el ciclo de Krebs, a partir del succinato, el compuesto producido tras remover el tercer carbono del piruvato. Reacción de enlace La reacción de enlace permite que el piruvato producido por la glucólisis ingrese a la mitocondria y sea utilizado en el ciclo de Krebs; para que la reacción sea catalizada es necesaria la presencia del cofactor coenzima A. La coenzima A es un derivado del ácido pantoténico (vitamina B5) que se obtiene a través de la dieta; fuentes de ácido pantoténico incluyen la carne, los lácteos, los huevos, las papas, los jitomates, las semillas de girasol, el aguacate y la avena. A partir de los 14 años, los humanos requerimos alrededor de 5 mg de ácido pantoténico por día, por lo que se considera un nutriente esencial. La reacción de enlace tiene tres fases que empiezan cuando el piruvato entra a la mitocondria: 1) el piruvato es descarboxilado, perdiendo un átomo de carbono, 2) el compuesto de dos carbonos pierde hidrógenos para formar un grupo acetilo mediante una reacción redox que produce NADH2, y 3) el compuesto acetilo se une a la coenzima A formando acetil-CoA. Las tres enzimas están químicamente unidas en un complejo llamado piruvato deshidrogenasa. La siguiente imagen ilustra esta reacción y la estructura química de los compuestos involucrados.
- 2. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 2 1. Con base en la información anterior y tu conocimiento sobre la glucólisis, deduce la respuesta a las siguientes preguntas: a) ¿Cuántas veces ocurre la reacción de enlace por cada molécula de glucosa? b) ¿Cómo es el ácido pirúvico diferente del piruvato? c) ¿Qué grupo funcional le da al ácido pantoténico su carácter ácido? d) Explica por qué es posible obtener vitamina B5 de fuentes animales y vegetales. e) La reacción oxida piruvato en dióxido de carbono (CO2) y dos átomos de hidrógeno ¿por qué el producto de esta reacción no es ácido metanoico (HCOOH)? 2. ¿Qué le sucede al dióxido de carbono removido por la piruvato descarboxilasa? Ciclo de Krebs: primera fase (isomerización) El ciclo de Krebs fue descubierto en 1937 por el biólogo alemán-británico Hans Adolf Krebs (1900- 1981) en la Universidad de Sheffield, Inglaterra. Los compuestos del ciclo de Krebs fueron descubiertos durante la década de 1930 por el bioquímico húngaro Albert Szent-Györgyi (1893- 1986), por lo que a veces este ciclo también es conocido como ciclo de Szent-Györgyi-Krebs. A esta ruta metabólica también se le conoce como el ciclo del ácido cítrico o el ciclo de los ácidos tricarboxílicos, ya que el ciclo comienza con ácidos que poseen tres grupos carboxilo, de los que el ácido cítrico es el primero. La primera reacción del ciclo de Krebs es la combinación de un ácido dicarboxílico con cuatro carbonos (oxalacetato) y el acetil, con dos carbonos, para formar ácido cítrico, un compuesto con seis carbonos y tres grupos carboxilo. Esta primera reacción es catalizada por la citrato sintasa, que libera la coenzima A para ser reutilizada en la reacción de enlace. Posteriormente, los carbonos de ácido cítrico son reorganizados para aislar dos grupos carboxilo en cada extremo de la molécula; estas reacciones de isomerización son catalizadas por la misma enzima, la aconitasa, y genera dos isómeros de ácido cítrico: el cis-aconitato y el isocitrato. En el siguiente diagrama, los compuestos están ilustrados en sus formas aniónicas (con terminación -ato), ya que dentro de la mitocondria los ácidos se disocian.
- 3. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 3 3. Con base en la información anterior y el diagrama de las reacciones, deduce la respuesta a las siguientes preguntas: a) La citrato sintasa regula el ciclo del Krebs respondiendo a los niveles de ATP ¿qué pasa con el citrato si hay mucho ATP en la mitocondria? b) El fluoroacetato sódico es un compuesto tóxico producido naturalmente por varias especies de plantas, como los guisantes venenosos australianos del género Gastrolobium. El fluoroacetato es muy semejante al acetato que se agrega al acetil-CoA, por lo que la citrata sintasa lo usa para producir fluorocitrato. El fluorocitrato se une a la aconitasa, pero la isomerización no ocurre. i. ¿Qué efecto tiene el fluoroacetato sódico en el ciclo de Krebs? ii. ¿Qué compuesto se acumularía en la sangre de una persona intoxicada con fluoroacetato sódico? c) El fluoroacetato sódico se ha utilizado como veneno para control de pestes desde su descubrimiento en la década de 1940, conocido por su nombre comercial de 1080. i. Dosis no letales de este compuesto dañan a los órganos que tienen una alta demanda energética, como el cerebro y el corazón ¿por qué este compuesto es particularmente dañino para tejidos en estos órganos? ii. La producción de este compuesto ha sido restringido como pesticida en varios países debido al impacto que tiene en mamíferos y aves silvestres puesto que la dosis letal varía mucho entre especies ¿por qué varía tanto la dosis letal entre especies? Ciclo de Krebs: segunda fase (descarboxilación) La siguiente fase del ciclo de Krebs es la remoción de dos carbonos (carboxilos) en forma de dióxido de carbono (descarboxilación). El D-isocitrato (con seis carbonos) es primero oxidado, removiendo núcleos de hidrógeno y colocándolos en un transportador de electrones (NAD+), reduciéndolo (NADH2), y después, el D-isocitrato oxidado pierde el primer carboxilo en forma de dióxido de carbono, produciendo α-cetoglutarato, un compuesto de cinco carbonos. Estas dos reacciones son producidas por la enzima isocitrato deshidrogenasa. El α-cetoglutarato interactúa después con la α-cetoglutarato deshidrogenasa, que cataliza una descarboxilación oxidativa con ayuda del cofactor coenzima A. La isocitrato deshidrogenasa cataliza dos reacciones consecutivas, primero una oxidación (produciendo NADH2) y luego una descarboxilación; mientras que la α-cetoglutarato deshidrogenasa utiliza la coenzima A para remover dióxido de carbono y producir NADH2 de manera simultánea. Flor de guisante de río (Gastrolobium celsianum) nativo de Australia. Tomada por: Danielle Langlois, CC BY-SA 3.0
- 4. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 4 4. Microorganismos procariontes quimioautótrofos que viven en ambientes extremos (altas temperaturas, anaeróbicos o hiper-ácidos) utilizan una ruta metabólica conocida como ciclo de Krebs reverso o reductivo para tomar dióxido de carbono de la atmósfera y producir piruvato. Bacterias verdes del azufre como Chlorobium (filo Chlorobiota, dominio Bacteria) y bacterias reductoras del azufre como Desulfobacter (filo Thermodesulfobacteriota, dominio Bacteria) utilizan casi las mismas enzimas, salvo tres, que el ciclo de Krebs en animales y plantas. a) El ciclo de Krebs reverso se conoce como reductivo, por lo que el ciclo de Krebs aeróbico es oxidativo. i. ¿Qué significa reducción en compuestos orgánicos? ii. ¿Qué significa oxidación en compuestos orgánicos? b) Explica por qué el ciclo de Krebs es oxidativo usando las reacciones del diagrama. La bacteria Desulfobacter hydrogenophilus fue descubierta en 1986 en agua del Río de San Giacomo, Venecia, Italia; esta bacteria depende de ambientes anóxicos, es decir, con baja concentración de oxígeno. Tomada por: Didier Descouens, CC BY-SA 4.0.
- 5. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 5 Ciclo de Krebs: tercera fase (restitución) Al final de la segunda fase se han removido los tres carbonos del piruvato producido por la glucólisis. Cada glucólisis genera dos piruvatos, por lo que tras dos ciclos de Krebs se remueven los seis carbonos de la glucosa; en la glucosa, los carbonos tienen un estado de oxidación de 0, y tras el ciclo de Krebs, los seis carbonos adquieren un estado de oxidación de +4. Esto es lo que le da a este metabolismo su carácter de oxidativo. Sin embargo, el succinil-CoA, que es un compuesto con cuatro carbonos, no puede reaccionar con el piruvato para formar citrato, por lo que es necesario transformar el succinil-CoA en oxalacetato. Durante esta fase se producen intermediarios a los que se les remueven secuencialmente átomos de hidrógeno (deshidrogenaciones). El primer paso de esta fase de restitución es la remoción de la coenzima A y la producción de succinato; éste es el único paso del ciclo de Krebs que produce energía en forma de ATP de manera directa. La succinil-CoA sintetasa utiliza guanosina difosfato (GDP) y fosfato para remover la coenzima A (reducirla), produciendo guanosina trifosfato (GTP); el GTP producido en la mitocondria se convierte en ATP. Esta primera reacción se conoce como fosforilación a nivel sustrato. La segunda reacción de esta fase es una oxidación (deshidrogenación) del succinato en fumarato, catalizada por la succinato deshidrogenasa y utilizando una ubiquinona (o coenzima Q); en esta reacción, los electrones son transferidos a la coenzima Q y transferidos directamente a la cadena transportadora de electrones. El fumarato es un alqueno, con un doble enlace entre carbonos, por lo que el siguiente paso es una hidratación catalizada por la fumarasa para hidratar el alqueno y producir malato, un alcano. El malato es oxidado una última vez mediante una deshidrogenación catalizada por la malato deshidrogenasa que produce oxalacetato.
- 6. Dr Omar Rafael Regalado Fernández BIOLOGÍA – NIVEL DE EDUCACIÓN MEDIA SUPERIOR BIOLOGÍA MOLECULAR | 6 5. En pacientes en los que se sospecha un trastorno mitocondrial, una biopsia de tejido mínimamente invasiva brinda la mejor oportunidad para examinar la función mitocondrial, congelando la muestra inmediatamente después de la recolección. Además de las mediciones de actividad de enzimas individuales, se analizan la respiración mitocondrial y las tasas de producción de ATP. Esto incluye la medición del consumo de oxígeno mitocondrial en presencia de diferentes sustratos, como el piruvato y el α-cetoglutarato. El análisis puede mostrar niveles elevados de un intermedio del ciclo de Krebs, como el malato y el succinato. Los defectos en la síntesis de ATP mitocondrial pueden conducir a niveles elevados de lactato en la sangre. Fuente: Rodenburg, R. Biochemical diagnosis of mitochondrial disorders. J. Inherit Metab. Dis. (2011) Abril; 34(2):283-292. a) Sugiere qué tejido es la mejor elección para examinar la función mitocondrial en un paciente. b) ¿Qué puede deducirse si el consumo de oxígeno fuera bajo cuando las mitocondrias se colocan en una solución con piruvato, pero alta cuando se coloca en una solución con α- cetoglutarato? c) ¿Qué podría deducirse si hubiera una acumulación de cualquiera de los intermediarios del ciclo de Krebs? d) Explica por qué un trastorno mitocondrial generaría una acumulación de lactato en la sangre. 6. La coenzima Q es un compuesto químico soluble en lípidos que tiene una estructura semejante a las vitaminas y que forma parte de la cadena transportadora de electrones. Se estima que alrededor del 95% de la energía del cuerpo humano se produce mediante la cadena transportadora de electrones. a) ¿En qué órganos del cuerpo se puede esperar una mayor concentración de coenzima Q? b) Con base en las propiedades químicas descritas en el párrafo anterior ¿en qué parte de la mitocondria se encontraría la coenzima Q? c) La coenzima A participa en las primeras dos fases del ciclo de Krebs (isomerización y descarboxilación) mientras que la coenzima Q participa en la fase de restitución. La isomerización y la restitución son parecidas en que ambas reacciones conservan el número de carbonos (seis en la isomerización y cuatro en la restitución) ¿en qué son diferentes la isomerización y la restitución? Los diagramas del ciclo de Krebs han sido modificados y traducidos por el autor a partir de la imagen del Ciclo de Krebs publicada en Wikimedia Commons. CC BY-SA 3.0.