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PBL ciclos de Krebs

Andrea Ruiz Kevin Mejia

Raúl Torres

1. Aspectos históricos de los estudios científicos de Sir Hans Krebs. 1.1. Mar Quesada Molina, alumna de la asignatura Bioquímica Metabólica de la antigua Licenciatura en Biología en el curso 2011-2012 escribió como trabajo voluntario para dicha asignatura el texto "Hans Krebs y el descubrimiento del ciclo que lleva su nombre", que posteriormente fue incluido en el número monográfico de la revista Encuentros en la Biología dedicado a la experiencia "La bicicleta de Krebs" (Quesada. Encuentros en la Biología 7 (148): 85-93). i) Leed ese texto y a partir de él elaborad una tabla resumen con los hitos más destacado.

En 1920, Hans Krebs consiguió su primer trabajo haciendo tinciones histológicas en la Universidad de Freiburg. Obtuvo su primera publicación. También, recibió clases de Franz Knoop donde tuvo su primer contacto con los intermediarios metabólicos. Le surgió su primer trabajo remunerado durante 4 años en el laboratorio de Otto Warburg. Estudió el espectro de absorción de las “enzimas respiratorias” (citocromos), la inhibición de la respiración celular por CO (monóxido de carbono), y demostró que hay trazas de cobre en el suero sanguíneo, y que las concentraciones del mismo variaban con algunas patologías. Publicó 16 “papers”. En 1932, Hans Krebs descubrió el ciclo de la Urea, gracias al estudio de la formación de urea en el hígado en el hospital de Freiburg. Emigró a Inglaterra, y aceptó quedarse en la Universidad de Sheffield. Se estableció el primer Departamento de Bioquímica. Fue allí donde Hans Krebs publicó el ciclo del Ácido Cítrico (1937).

ii) Enumerad todos los científicos citados en el texto. Franz Knoop, Otto Warburg, el matrimonio Cori, Leonor Michaelis, Ludwig Aschoff, Albert Einstein, Dorothy Needham , Eric y Barbara Holmes, Malcolm Dixon, Rob Hill, Bill Price, Bruno Mendel, Norman Edson, Lavoisier, Albert Szent-Györgyi, von Martius, Thunberg, Quastel, Lipmann, Lynen. iii) Indagad en sus respectivos legados científicos y elaborad un breve "diccionario biográfico" en el que, por orden alfabético de apellidos, dediquéis una entrada a cada uno de ellos, resaltando los principales datos de sus vidas científicas. Aschoff, Ludwig: Médico y patólogo alemán, cuyo trabajo fue fundamental en el área de la patología de las enfermedades reumáticas. Cori: El matrimonio Cori recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina (1947) por descubrir el mecanismo mediante el cual el glucógeno se convierte en ácido láctico en el tejido muscular y luego es resintetizado en el cuerpo y almacenado como fuente de energía. Dixon, Malcolm: Bioquímico británico que se encargó de estudiar la purificación de enzimas y la cinética de las enzimas de la reacciones catalíticas.

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Edson, Norman: Profesor de bioquímica que hizo contribuciones a la comprensión del metabolismo de los cuerpos cetónicos en mamíferos y aves, vías metabólicas de las micobacterias y reglas de especificidad para las poliol deshidrogenasas. Einstein, Albert: Físico más importante del siglo XX. En 1921, obtuvo el Premio Nobel de Física por sus explicaciones sobre el efecto fotoeléctrico y sus contribuciones a la física cuántica. También, destaca por su famosa Teoría de la Relatividad General. Hill, Rob: Bioquímico británico especializado en plantas que demostró la reacción de Hill de la fotosíntesis a raíz de la generación de oxígeno durante la fase luminosa de la misma. También, hizo aportaciones al desarrollo del esquema en Z de la fotosíntesis. Holmes: Químicos británicos que desarrollaron resinas de intercambio iónico en 1935. Knoop, Franz: Bioquímico alemán mundialmente conocido por su descubrimiento de la beta oxidación de los ácidos grasos en el año 1905. Lavoisier, Antoine: Químico, biólogo y economista francés. Es considerado como el padre de la Química Moderna, por sus aportaciones sobre la oxidación de los cuerpos, el fenómeno de la respiración animal, la Ley de Conservación de Masas, la teoría calórica, la combustión y el proceso de la fotosíntesis. Lipmann, Fritz Albert: Bioquímico germano-estadounidense, codescubridor de la coenzima A. Fue galardonado, junto con Hans Krebs, con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en el año 1953. Lynen, Feodor: Catedrático de Bioquímica en la Universidad de Múnich. Averiguó que el acetato sirve como unión entre las grasas y el colesterol. En el año 1964, junto con Bloch, le fue otorgado el Premio Nobel de Fisiología o Medicina, por sus descubrimientos acerca del mecanismo y regulación del metabolismo del colesterol y los ácidos grasos. Mendel, Bruno: Médico y bioquímico germano-estadounidense. Conocido por sus investigaciones sobre colinesterasas y reconoció que éstas se descomponen en acetilcolinesterasa y pseudocolinesterasa. También se dio cuenta de que los organofosforados inhiben la acetilcolinesterasa orgánica y otras esterasas, lo que hizo que fuera interesante como un remedio para el cáncer y la tuberculosis.

Michalis, Leonor: Bioquímico y médico alemán conocido por sus investigaciones en la cinética enzimática y por la formulación, junto con Maude Menten, del famoso modelo cinético de MichaelisMenten. Needham, Dorothy: Bioquímica inglesa conocida por sus trabajos en la bioquímica del músculo. Price, Bill: Físico británico. Su trabajo fue importante para identificar la estructura de los puentes de hidrógeno de los pares de bases del ADN.

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Quastel, Juda Hirsch: Fue un bioquímico británico-canadiense que fue pionero en diversas investigaciones sobre neuroquímica, metabolismo del suelo, metabolismo celular y cáncer. Szent-Györgyi, Albert: Fue un fisiólogo húngaro. En 1937, recibió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina por sus descubrimientos sobre los procesos de combustión biológica, en especial los referidos a la vitamina C y la catálisis del ácido fumárico.

Thunberg: Importante bioquímico que propuso la reacción de oxidación y condensación de dos moléculas de acetato para formar succinato. von Martius, Carl Friedrich Philipp: Fue un médico y botánico alemán que realizó numerosos estudios en Brasil (aportes al conocimiento de las palmeras). Su trabajo se focalizó en establecer las etapas, es decir, los intermediarios de la oxidación del ácido cítrico.

1.2. Krebs compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicin a con uno de los otros científicos mencionados en el trabajo de Mar Quesada. Consulta el espacio web oficial de los premios Nobel (URL: nobelprize.org) para identificar el año de concesión y la justificación usada por el comité en el anuncio oficial de dicho premio Nobel para cada uno de los dos galardonados. En 1953, dos personas compartieron el Premio Nobel de Fisiología o Medicina: Hans Adolf Krebs: por su descubrimiento del ciclo del ácido cítrico Fritz Albert Lipmann: por el descubrimiento del coenzima A y su importancia en el metabolismo intermediario.

1.3. En el mismo espacio web de los premios Nobel puedes acceder a la presentación que del premio hizo en la ceremonia de entrega el profesor E. Hammarsten. A partir de la información aportada por esa presentación, escribe un breve resumen de los méritos científicos de los premiados. Krebs descubrió cómo esas pequeñas reacciones individuales del catabolismo estaban relacionadas entre sí en un proceso cíclico llamado ciclo de Krebs. Brindó una comprensión clara del principio esencial de cómo se utiliza la energía liberada para los procesos de construcción que tienen lugar dentro de la célula. El ciclo de Krebs explica dos procesos simultáneos: las reacciones de degradación que producen energía y los procesos de construcción que consumen energía. Esto está en consonancia con el principio mencionado anteriormente de un equilibrio entre estos dos tipos de reacciones celulares. Por otra parte, Lippman descubrió la naturaleza del compuesto de 2 C que deriva de los productos alimenticios y se introduce en el ciclo de Krebs. Fue el descubridor de la coenzima A y su importancia

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en el metabolismo intermediario. Además, junto con otros compañeros, descubrió que otros ácidos, además del ácido acético, se activan por la coenzima A unida a otras proteínas enzimáticas. Todo eso hizo que estos dos científicos fueran otorgados con el Premio Nobel de Fisiología o Medicina en el año 1953.

1.4. Igualmente, puedes acceder a las Nobel Lecture impartidas por los dos premiados. i) De la conferencia de Krebs, comenta y explica la información aportada por la Tabla 1 y la aportada por la Figura 2.

En la primera tabla, se observan los efectos catalíticos de la fumarata en la respiración en el músculo del pecho de una paloma picada. Estos trabajadores demostraron que cantidades muy pequeñas de la los ácidos son suficientes para efectuar un aumento de la respiración, y que el aumento es un múltiplo de la cantidad de oxígeno necesaria para la oxidación de las sustancias agregadas. Por lo tanto, no quedó ninguna duda de que los ácidos pueden actuar como catalizadores en la respiración.

En esta figura, se representa el ciclo original del ácido cítrico. De acuerdo con este esquema, el piruvato o un derivado del piruvato se condensa con oxalacetato para formar citrato. Mediante una secuencia de reacciones en la que los ácidos cis-aconitato, isocitrato, α-cetoglutárico, succínico, fumárico, málico y oxaloacético son intermediarios, se oxida un ácido acético equivalente y se regenera el ácido oxaloacético requerido para la reacción de condensación. El concepto explica la acción catalítica de los ácidos di- o tricarboxílicos, la oxidabilidad de estos ácidos en los tejidos que

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oxidan los carbohidratos, y la similitud de las características de la oxidación de estas sustancias y de las respiraciones principales ya observadas por Batelli y Stem en 1910. El esquema describe en detalle el destino de los átomos de carbono del sustrato y las etapas donde se elimina el hidrógeno y se libera el CO2.

ii) En la conferencia de Krebs se menciona un artículo de Severo Ochoa. Identifícalo, búscalo, pon su cita completa y añade en un apéndice el artículo de Ochoa descargado de su fuente. ¿Por qué Krebs menciona este artículo? ¿Qué aporta el mismo a la historia del ciclo de Krebs? S. Ochoa, J. Biol. Chem., 174 (1948) 115. Biosynthesis of tricarboxylic acids by carbon dioxide fixation; the preparation and properties of oxalosuccinic acid.

Krebs menciona este artículo porque necesitaba explicar los intermediarios metabólicos que ya habían sido identificados, para poder terminar de explicar el ciclo de Krebs. En 1948, Ochoa y Lynen (éste último de manera independiente) finalmente establecieron el ácido oxalosuccínico como un intermediario, como ya postulaban Martius y Knoop. Demostraron la presencia de una descarboxilasa específica que convierte el oxalosuccinato en α-cetoglutarato. Un logro muy importante fue la identificación del derivado de piruvato que se condensa con oxalacetato para formar citrato. Gracias al trabajo de Lipmann, Stem y Ochoa y Lynen, ahora se sabe que es acetil coenzima A.

iii) Explica los resultados que se muestran en las Tablas y Figuras de la Nobel Lecture impartida por el otro premiado. Resume en menos de 600 palabras los contenidos de esta segunda conferencia.

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En 1929, Lipmann se unió al laboratorio de Albert Fischer, donde trabajó en el uso del metabolismo como un método para medir el crecimiento celular. Cuando regresó al laboratorio de Fischer en Copenhague, Lipmann se interesó en el metabolismo de los fibroblastos, lo que le llevó a estudiar el Efecto Pasteur (el efecto inhibidor del oxígeno en el proceso de fermentación). Esto condujo a investigaciones sobre el mecanismo de oxidación del ácido pirúvico porque la etapa de ácido pirúvico es donde la respiración se ramifica a partir de la fermentación. Para estos estudios, Lipmann utilizó una enzima de oxidación del ácido pirúvico de una determinada cepa de Lactobacillus delbrueckii. Notó que la oxidación del ácido pirúvico era completamente dependiente de la presencia de fosfato inorgánico. Sospechando un intermediario rico en energía, Lipmann agregó fosfato radiactivo y ácido adenílico y encontró que la oxidación del piruvato produjo ATP. Luego dedujo que el fosfato de acetilo era el eslabón perdido en la cadena de reacción y mostró que una preparación cruda de fosfato de acetilo podría transferir el fosfato al ácido adenílico. Varios años después, Lipmann identificó definitivamente el acetil fosfato como el producto inicial de la oxidación del ácido pirúvico. Lipmann continuó pensando sobre el papel del fosfato de acetilo en el metabolismo y el hecho de que no solo contenía un radical fosforilo rico en energía sino también un acetilo rico en energía. Esto le llevó a escribir un documento histórico sobre el potencial de grupo y la transferencia de grupos acetilo y fosforilo en los que proponía que el fosfato de acetilo actuaba como donante de acetilo en la biosíntesis de metabolitos esenciales y que el ATP funcionaba como un portador de energía generalizado. En este ensayo, también introdujo el término "enlace de fosfato rico en energía" y el garabato para denotar esta distinción ( ∼P).

1.5. Con ocasión del primer centenario del nacimiento de Hans Krebs, H.L. Kornberg escribió un artículo titulado "Krebs and his trinity of cycles" (Kornberg HL. Nat Rev Mol Cell Biol 1: 225- 228, 2000). En este breve texto, Kornberg repasa tres de los ciclos metabolicos que Krebs caracterizó. Sin embargo, Jack Salway en una breve carta publicada en noviembre de 2018 en TIBS (Salway JG. Trends Biochem Sci 43: 847-849) remarca que a Kornberg se le olvidó mencionar un cuarto ciclo descrito por Krebs. Descarga el artículo de Salway y busca y descarga las referencias 2 a 5 del mismo. Con esta información, elabora un ensayo que resuma la forma en que Krebs y sus colaboradores describe cada uno de los cuatro ciclos de Krebs.

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Ciclo de la Urea: Mientras trabajaba en la Clínica Médica de la Universidad de Friburgo, Krebs conoció a Kurt Henseleit, con quien investigó el proceso químico de formación de urea. En 1904, dos alemanes A. Kossel y HD Dakin habían demostrado que la arginina se puede hidrolizar por la enzima arginasa para formar ornitina y urea en la reacción inorgánica. Según esta reacción, Krebs y Henseleit postularon que en células vivas, podría ocurrir una reacción similar, y que la ornitina y la citrulina podrían ser las reacciones intermedias. Krebs comenzó a trabajar en el posible método para la síntesis de arginina. Usando su manómetro Warburg, mezcló una rodaja de hígado con ornitina purificada y citrulina. Encontró que la citrulina actuaba como un catalizador en las reacciones metabólicas de la urea del amoníaco y el dióxido de carbono. Él y Henseleit publicaron su descubrimiento en 1932. Así se estableció el ciclo de la urea (o "ciclo de ornitina"), y fue el primer ciclo metabólico descubierto. Ciclo de los Ácidos Tricarboxílicos (ciclo de Krebs): En la Universidad de Sheffield, Krebs y William Johnson investigaron la respiración celular mediante la cual se consumía oxígeno para producir energía a partir de la descomposición de la glucosa. Krebs había sugerido anteriormente a Warburg mientras trabajaban juntos en Alemania que con un manómetro podría ser posible detectar el consumo de oxígeno e identificar la reacción química en el metabolismo de la glucosa. Warburg había rechazado rotundamente la idea. En Sheffield, Krebs trabajó enérgicamente para identificar una posible reacción química y propuso numerosas vías hipotéticas. Usando el manómetro él probó esas hipótesis una por una. Una hipótesis que involucra succinato, fumarato y malato.demostró ser útil porque todas estas moléculas aumentaron el consumo de oxígeno en el músculo pectoral de la paloma. En 1937, los bioquímicos alemanes Franz Koop y Carl Martinus demostraron una serie de reacciones con citrato que producía oxaloacetato. Krebs se dio cuenta de que estas moléculas podrían ser los intermedios faltantes para tal reacción. Después de cuatro meses de trabajos experimentales para llenar los vacíos, Krebs y Johnson lograron establecer la secuencia del ciclo químico, que denominaron " ciclo del ácido cítrico ". También se conoce como el "ciclo de Krebs" o "ciclo del ácido tricarboxílico (TCA)". Krebs envió un breve relato manuscrito del descubrimiento a Nature el 10 de junio de 1937. El 14 de junio recibió una carta de rechazo del editor, diciendo que la revista "ya tenía suficientes letras para llenar las columnas de correspondencia durante siete u ocho semanas", y alentó Krebs debe "enviarlo para su publicación anticipada a otra publicación periódica". Krebs preparó de inmediato una versión más larga titulada "El papel del ácido cítrico en el metabolismo intermedio en tejidos animales", que envió a la revista holandesa Enzymologia después de dos semanas y se publicó en dos meses. Fue seguido por una serie de artículos en diferentes revistas. Ciclo del Glioxilato: Krebs continuó agregando más detalles a su ciclo de ácido cítrico. El descubrimiento de la acetil-CoA en 1947 por Fritz Albert Lipmann fue otra contribución importante. Sin embargo, este nuevo descubrimiento plantea un problema en su reacción clásica. En 1957, junto

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con Hans Kornberg, descubrió que había enzimas cruciales adicionales. Uno fue la malato sintasa, que condensa el acetato con glioxilato para formar malato, y el otro es la isocitrato liasa, que proporciona glioxilato para la reacción al escindirlo del isocitrato. Estas dos reacciones no siguieron el ciclo normal del ácido cítrico y, por lo tanto, la ruta se denominó derivación de glioxilato del ciclo del ácido cítrico, pero ahora se conoce como Ciclo de glioxilato. Ciclo del Ácido Úrico: Hay un cuarto ciclo de Krebs que ha sido casi totalmente ignorado por los libros de texto y los bioquímicos. Este es el ciclo del ácido úrico que opera en aves y probablemente en otros animales uricotélicos, como por ejemplo, reptiles terrestres e insectos, de hecho, podría ser tan antiguo como los dinosaurios. El término uricotelismo se utiliza para describir animales que eliminan sus residuos nitrogenados del metabolismo de las proteínas como ácido úrico.

1.6. Busca en las guías de contenidos de la asignatura el contexto en que se explican los distintos ciclos de Krebs. Con toda la información manejada, elabora un breve ensayo sobre las aportaciones del laboratorio de Krebs al conocimiento actual del metabolismo primario. En primer lugar, se va a definir el concepto de “metabolismo primario”. El metabolismo primario hace referencia a todos aquellos procesos que realiza cada planta para poder sobrevivir, y para poder reproducirse y dar lugar a nueva descendencia. Esos procesos que tienen lugar son los siguientes: fotosíntesis, glucólisis, ciclo de Krebs, síntesis de aminoácidos, transaminación, síntesis de proteínas, enzimas y coenzimas, síntesis de compuestos estructurales, replicación del material genético, crecimiento celular, absorción de nutrientes, entre otros muchos más. El metabolismo del Ciclo de Krebs ha sido muy estudiado en plantas desde hace varias años, puesto que se han demostrado distintos modelos de organización metabólica en plantas sometidas a distintas condiciones fisiológicas y ambientales. En el modelo cíclico por análisis cinéticos, se observa como el piruvato citosólico pierde relevancia por la retroalimentación positiva que realiza el malato, que tiende a transformarse en piruvato en el mismo orgánulo mitocondrial mediante la reacción carboxilasa que genera CO2 como residuo. En cambio, en el modelo acíclico se observa que el malato se convierte en citrato, y éste es exportado al citosol. Cuando hay una baja cantidad de ATP, como es el caso de Arabidopsis, tiene lugar un modelo acíclico por una escala genómica donde el piruvato se regenera a través de una ruta citosólica, la cual está ligada con el oxalacetato. Otro gran proceso importante para las plantas es la asimilación de N. En el caso de O.Europaea, el modelo es no cíclico, y se produce cuando el fosfoenolpiruvato se transforma a oxalacetato mediante la reacción de carboxilación....