Ciclo de Krebs: características de esta ruta metabólica

Nuestras células son verdaderas industrias energéticas. En su interior suceden todo tipo de reacciones bioquímicas que van destinadas a mantener un correcto equilibrio entre energía y materia. Esto significa que, por un lado, tienen que conseguir la energía necesaria para mantenerse funcionales a nivel fisiológico pero, por otro lado, consumirla para fabricar moléculas que constituyan nuestros órganos y tejidos.

Cualquier ser vivo (nosotros incluidos, evidentemente) es una “fábrica” de reacciones químicas enfocadas en mantener un correcto equilibrio entre el consumo y obtención tanto de energía como de materia. Y esto se consigue rompiendo moléculas (que proceden de los alimentos que comemos), liberando así energía; pero también consumiendo esta energía para mantenernos en un buen estado fisiológico y anatómico.

Este delicado equilibrio se denomina metabolismo. En nuestras células se realizan muchas rutas metabólicas distintas, estando todas relacionadas entre ellas pero cada una de ellas con un propósito específico.

En el artículo de hoy nos centraremos en el ciclo de Krebs, una ruta metabólica anfibólica (después veremos qué significa esto) que constituye uno de los procesos bioquímicos principales de la respiración celular, siendo así una de las rutas más importantes de nuestro organismo para obtener energía.

¿Qué es una ruta metabólica?

La bioquímica y especialmente todo lo relativo a metabolismo celular se encuentra entre los ámbitos más complejos de la biología, pues las rutas metabólicas son fenómenos complicados de estudiar. De todos modos, antes de detallar qué es el ciclo de Krebs, debemos entender, aunque sea de forma muy sintetizada, qué es una ruta metabólica.

A grandes rasgos, una ruta metabólica es un proceso bioquímico, es decir, una reacción química que tiene lugar en el interior de una célula y en la que se produce, a través de moléculas que lo catalizan (aceleran), la conversión de unas moléculas en otras. En otras palabras, una ruta metabólica es una reacción bioquímica en la que una molécula A se convierte en una molécula B.

Estas rutas metabólicas tienen la función de mantener el equilibrio entre la energía que se obtiene y la que se consume. Y esto es posible por las propiedades químicas de cualquier molécula. Y es que si la molécula B es más compleja que la A, para generarla será necesario consumir energía. Pero si la B es más sencilla que la A, este proceso de “romperse” liberará energía.

Y sin intención de hacer una clase de bioquímica pura, vamos a explicar en qué consisten las rutas metabólicas de forma general. Luego ya veremos para el caso concreto del ciclo de Krebs, pero lo cierto es que, incluso con sus diferencias, todas comparten aspectos en común.

Para comprender qué es una ruta metabólica, debemos ir presentando los siguientes conceptos: célula, metabolito, enzima, energía y materia. El primero de ellos, la célula, es algo muy sencillo. Simplemente es para recordar que todas las rutas metabólicas tienen lugar en el interior de estas y, dependiendo de la ruta en cuestión, en un sitio concreto de la célula. El ciclo de Krebs, por ejemplo, ocurre en las mitocondrias, pero hay otras que lo hacen en el citoplasma, en el núcleo o en otros orgánulos.

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Y es en el interior de estas células donde están unas moléculas muy importantes que hacen posible que las rutas metabólicas sucedan a una velocidad correcta y con una buena eficiencia: las enzimas. Estas enzimas son moléculas que aceleran la conversión de un metabolito (ahora veremos qué son) a otro. Intentar que las rutas metabólicas fueran eficientes y la conversión se diera en el orden correcto pero sin enzimas, sería como intentar encender un petardo sin fuego.

Y aquí entran los siguientes protagonistas: los metabolitos. Por metabolito entendemos cualquier molécula o sustancia química generada durante el metabolismo celular. Hay veces en las que solo hay dos: uno de origen (metabolito A) y un producto final (metabolito B). Pero lo más común es que haya varios metabolitos intermedios.

Y de la conversión de unos metabolitos a otros (a través de la acción de las enzimas), llegamos a los dos últimos conceptos: energía y materia. Y es que en función de si el metabolito inicial es más complejo o más sencillo que el final, la ruta metabólica habrá consumido o habrá generado energía, respectivamente.

Energía y materia deben analizarse juntas, pues, como hemos dicho, el metabolismo es un equilibrio entre ambos conceptos. La materia es la sustancia orgánica que conforma nuestros órganos y tejidos, mientras que la energía es la fuerza que da combustible a las células.

Están estrechamente relacionadas porque para conseguir energía hay que consumir materia (a través de la nutrición), pero para generar materia también hay que consumir energía. Cada ruta metabólica desempeña un rol en este “baile” entre energía y materia.

Anabolismo, catabolismo y anfibolismo

En este sentido, existen tres tipos de rutas metabólicas, en función de si su objetivo es generar energía o consumirla. Las rutas catabólicas son aquellas en las que la materia orgánica se degrada en moléculas más sencillas. Por lo tanto, como el metabolito B es más sencillo que el A, se libera energía en forma de ATP.

El concepto de ATP es muy importante en bioquímica, pues es la forma más pura de energía a nivel celular. Todas las reacciones metabólicas de consumo de materia culminan con la obtención de moléculas de ATP, las cuales “almacenan” energía y serán utilizadas posteriormente por la célula para alimentar al siguiente tipo de rutas metabólicas.

Estas son las rutas anabólicas, las cuales son reacciones bioquímicas de síntesis de materia orgánica en la que, partiendo de unas moléculas sencillas, se “fabrican” otras de más complejas. Como el metabolito B es más complejo que el A, tiene que consumirse energía, la cual está en forma de ATP.

Y por último están las rutas anfibólicas, las cuales son, como se puede deducir de su nombre, reacciones bioquímicas mixtas, con algunas fases propias del catabolismo y otras del anabolismo. En este sentido, las rutas anfibólicas son aquellas que culminan con la obtención de ATP pero también con la de precursores para posibilitar la síntesis de metabolitos complejos en otras rutas. Y ahora veremos la ruta anfibólica por excelencia: el ciclo de Krebs.

¿Cuál es la finalidad del ciclo de Krebs?

El ciclo de Krebs, también conocido como ciclo del ácido cítrico o ciclo tricarboxílico (TCA), es una de las rutas metabólicas más importantes en los seres vivos, pues unifica en una sola reacción bioquímica el metabolismo de las principales moléculas orgánicas: carbohidratos, ácidos grasos y proteínas.

Esto hace que sea también una de las más complejas, pero suele resumirse en que es la ruta metabólica que permite “respirar” a las células, es decir, es el componente principal (o uno de los más importantes) de la respiración celular.

Esta reacción bioquímica es, a grandes rasgos, la ruta metabólica que permite a todos los seres vivos (hay muy pocas excepciones) convertir la materia orgánica procedente de los alimentos en energía utilizable para mantener estables todos los procesos biológicos.

En este sentido, podría parecer que el ciclo de Krebs es el claro ejemplo de ruta catabólica, pero no. Es anfibólica. Y lo es porque, al terminar el ciclo en el que intervienen más de 10 metabolitos intermedios, la ruta culmina con la liberación de energía en forma de ATP (parte catabólica) pero también con la síntesis de precursores para otras rutas metabólicas que sí que van destinadas a la obtención de moléculas orgánicas complejas (parte anabólica).

Por lo tanto, la finalidad del ciclo de Krebs es tanto darle energía a la célula para que se mantenga viva y desarrolle sus funciones vitales (ya sea una neurona, una célula muscular, una célula de la epidermis, una célula cardíaca o una célula del intestino delgado) como dar a las rutas anabólicas los ingredientes necesarios para que puedan sintetizar moléculas orgánicas complejas y así asegurar la integridad celular, la división de las células y también la reparación y regeneración de nuestros órganos y tejidos.

Un resumen del ciclo de Krebs

Como hemos dicho, el ciclo de Krebs es una ruta metabólica muy compleja en la que intervienen muchos metabolitos intermedios y muchas enzimas distintas. De todos modos, intentaremos simplificarlo al máximo para que sea fácilmente comprensible.

Lo primero es dejar claro que esta ruta metabólica tiene lugar en el interior de las mitocondrias, los orgánulos celulares que, “flotando” en el citoplasma, albergan la mayoría de reacciones de obtención de ATP (energía) a partir de los hidratos de carbono y los ácidos grasos. En las células eucariotas, es decir, las de los animales, las plantas y los hongos, el ciclo de Krebs tiene lugar en estas mitocondrias, pero en las procariotas (bacterias y arqueas) sucede en el propio citoplasma.

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Ahora que ya está clara la finalidad y dónde tiene lugar, empecemos a analizarlo desde el principio. El paso previo al ciclo de Krebs es la degradación (por parte de otras rutas metabólicas) de los alimentos que consumimos, es decir, hidratos de carbono, lípidos (ácidos grasos) y proteínas, en unas pequeñas unidades o moléculas conocidas como grupos acetilo.

Una vez obtenido el acetilo, empieza el ciclo de Krebs. Esta molécula de acetilo se une a una enzima conocida como coenzima A, para formar un complejo que se conoce como acetil Co A, el cual tiene las propiedades químicas necesarias para unirse a una molécula de oxalacetato para formar así el ácido cítrico, que es el primer metabolito de la ruta. De ahí que también se conozca como ciclo del ácido cítrico.

Este ácido cítrico va convirtiéndose sucesivamente en distintos metabolitos intermedios. Cada conversión está mediada por una enzima distinta, pero lo importante es tener en cuenta que el hecho de que cada vez sean moléculas estructuralmente más sencillas implica que con cada paso, se tienen que perder átomos de carbono. De este modo, el esqueleto de los metabolitos (hecho en gran parte de carbono, como cualquier molécula de naturaleza orgánica) cada vez es más simple.

Pero los átomos de carbono no pueden liberarse así como así. Por ello, en el ciclo de Krebs, cada átomo de carbono que “sale” se une a dos átomos de oxígeno, dando lugar al CO2, también conocido como dióxido de carbono. Cuando exhalamos liberamos este gas única y exclusivamente porque nuestras células están haciendo el ciclo de Krebs y tienen que desprenderse de algún modo de los átomos de carbono que se generan.

Durante este proceso de conversión de metabolitos, también se liberan electrones, los cuales viajan a través de una serie de moléculas que pasan por distintos cambios químicos que culminan con la formación de ATP, que, como hemos dicho, es el combustible de la célula.

Al final del ciclo se regenera el oxalacetato para volver a empezar y por cada molécula de acetilo, se han obtenido 4 de ATP, un muy buen rendimiento energético. Además, muchos de los metabolitos intermedios del ciclo se utilizan como precursores de las rutas anabólicas, pues son los “materiales de construcción” perfectos para sintetizar aminoácidos, hidratos de carbono, ácidos grasos, proteínas y otras moléculas complejas.

Esta es la razón por la que decimos que el ciclo de Krebs es uno de los pilares de nuestro metabolismo, pues nos permite “respirar” y obtener energía pero también da las bases para que las otras rutas metabólicas construyan materia orgánica.

Referencias bibliográficas

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• Vasudevan, D., Sreekumari, S., Vaidyanathan, K. (2017) “Citric Acid Cycle”. Textbook of Biochemistry for Medical Students.