Unidad “V”

Ácido cítrico

Resumen

El ciclo de ácido cítrico, es la ruta oxidativa central de la respiración, el proceso mediante el cual se catabolizan todos los combustibles metabólicos (hidratos de carbono, lípidos y proteínas), en los organismos y tejidos aerobios.

Este proceso fue descubierto por Hans Adolf Krebs y por Fritz Albert Ligmann. Dicho proceso se da en la mitocondria (todas las células que contienen mitocondrias excepto eritrocitos, retina etc.).

En cuanto a su función catabólica se encuentra la oxidación de glúcidos, ácidos grasos y proteínas para generar energía; mientras que en la ruta anabólica se encuentra generar algunos intermediarios que son precursores biosintéticos.

Etapas de la respiración

La oxidación metabólica de los sustratos orgánicos se considera como un proceso de tres etapas.

Etapa 1: El carbono de los combustibles metabólicos se incorpora en la generación de un fragmento activado de dos carbonos, el grupo acetilo del acetil-coenzima A o acetil-CoA.

Etapa 2: Es la oxidación de esos dos átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico, produciendo CO2, transportadores electrónicos reducidos y una pequeña cantidad de ATP.

Etapa 3: Es el transporte electrónico y la fosforilación oxidativa, en donde los transportadores electrónicos reducidos que se generan en el ciclo del ácido cítrico vuelven a oxidarse, aportando energía para la síntesis de más ATP.

Conversión de piruvato a acetil CoA: Sistema piruvato deshidrogenasa.

La conversión de piruvato en acetil-CoA, catalizada por la piruvato deshidrogenasa, es una descarboxilación oxidativa, en la que el grupo carboxilo del piruvato se pierde como CO2, mientras que los dos carbonos restantes forman la porción acetilo del acetil-CoA.

El complejo multienzimático piruvato deshidrogenasa está compuesto por tres enzimas:

Piruvato deshidrogenasa (E1) Dihidrolipoamida transacetilasa (E2) Dihidrolipoamida deshidrogenasa (E3)

Y participan 5 coenzimas:

Pirofosfato de tiamina (TPP) - (E1) Acido lipoico (lipoamida) - (E2) Dinucleótido de flavina y adenina (FAD) - (E3) Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) Coenzima A (CoA)

Reacción del piruvato con el complejo enzimático piruvato deshidrogenasa

La importancia que tiene la fase de oxidación de acetil-CoA es obtener electrones de alta energía que pasarán a la cadena de transporte de electrones y fosforilación oxidativa para producir ATP.

Reacciones del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico tiene dos fases diferenciadas. La primera fase (reacciones 1 a 4) se emplea fundamentalmente para oxidar los dos carbonos a CO2, mientras que la segunda fase (reacciones 5 a 8) sirve fundamentalmente para generar el oxalacetato.

Diagrama del ciclo del ácido cítrico

Reacción 1 (Condensación)

La reacción ocurre a través de un intermediario citril-CoA, molécula no estable: desplaza el equilibrio a la formación de citrato.

Reacción 2 (Deshidratación e hidratación)

El citrato (alcohol terciario) necesita ser isomerizado a isocitrato (alcohol secundario) para su posterior oxidación. No es una etapa reguladora del ciclo.

Reacción 3 (Descarbolixación oxidativa)

Reacción muy desplazada del equilibrio: etapa reguladora del ciclo. La enzima isocitrato deshidrogenasa depende del NAD+ obteniendo NADH.

Reacción 4 (Descarbolixación oxidativa)

Formación de un enlace tioester rico en energía. El complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa es semejante a piruvato descarboxilasa: 3 actividades enzimáticas análogas y las mismas 5 coenzimas: pirofosfato de tiamina (TTP), NAD+, FAD, ácido lipoico y CoASH.

Reacción 5 (Fosforilación a nivel sustrato)

El enlace rico enérgicamente del succinil-CoA es aprovechado para generar GTP. Obtener es equivalente a obtener ATP ya que:

Nucleótido difosfoquinasa

ADP + GTP ATP + GDP

Reacción 6 (Deshidrogenación)

Oxidación menos energética: se usa FAD+ como aceptor de electrones (obteniendo FADH2) en lugar de NAD+.

Reacción estereoespecifica: solo se forma el isómero trans (fumarato) y no el cis (malonato).

Reacción 7 (Hidratación)

La fumarasa es también estereoespecifica, solo forma el isómero L del malato.

Reacción 8 (Deshidrogenación)

Aunque la reacción es endergonica, la reacción avanza dado que oxalacetato y NADH son utilizados de nuevo por el ciclo y por la cadena de transporte electrónico.

Estequiometria del ciclo del ácido cítrico y balance energético

Por cada acetil-CoA que entra en el ciclo:

Se liberan dos moléculas de CO2

Se obtienen 3 moléculas de NADH y una de FADH2

Se fosforila una molécula de GDP (o ADP) Se regenera la molécula aceptora inicial (oxalacetato)

Regulación del ciclo del ácido cítrico

Punto de regulación

Enzima Inhibidor Activador

1Complejo Piruvato Deshidrogenasa

ATP, acetil-CoA, NADH y ácidos

grasos

AMP, CoA, NAD+, Ca+2

2 Citrato Sintasa NADH, succinil-CoA, citrato y ATP

ADP

3 Isocitrato Deshidrogenasa

ATP ADP y Ca+2

Complejo α- Succinil-CoA y Ca+2

4 Cetoglutarato Deshidrogenasa

NADH

Carácter anfibólico del ciclo

El ciclo del ácido cítrico interviene no solo en procesos catabólicos, sino que además es la fuente de precursores que son utilizados para diversas reacciones de biosíntesis. Las reacciones de este tipo son importantes tanto en el catabolismo como en el anabolismo celular: esta dualidad de funciones se resume diciendo que el ciclo del ácido cítrico es anfibólico.

Los procesos anabólicos se desarrollan en el citoplasma, por lo que los precursores procedentes del ciclo del ácido cítrico tienen que ser exportados gracias a transportadores específicos. Algunos de estos precursores y los procesos en los que interviene son:

Oxalacetato: Es precursor de la síntesis de glucosa (gluconeogénesis), síntesis de aspartato, aminoácidos, purinas y pirimidinas.

Citrato: Precursor para la biosíntesis de ácidos grasos y esteroides. α-cetoglutárato: Precursor de la síntesis de aminoácidos no esenciales. Succinil-CoA: Síntesis de porfirinas y clorofila.

Reacciones anapleroticas

Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico son repuestos mediante reacciones anapleroticas.

Ciclo del glioxilato

El ciclo del glioxilato permite a las plantas y a las bacterias llevar a cabo la conversión neta de las grasas en hidratos de carbono, evitando las reacciones de generación de CO2 del ciclo del ácido cítrico.

Es una variante anabólica del ciclo de Krebs que convierte 2 unidades de acetil-CoA en una molécula de succinato. La ruta evita las reacciones en las que se pierde carbono durante el ciclo del ácido cítrico.

El segundo mol de acetil-CoA se introduce durante este cortocircuito.

Requerido por bacterias aeróbicas para su crecimiento a partir de ácidos grasos y acetato. Presente en plantas y protozoarios; ausente en animales y se lleva a cabo en los glioxisomas.

Esquema del ciclo del glioxilato

Reacciones del ciclo del glioxilato

No. Reacci

ón

Reactivo(s) Producto Enzima Compuesto(s) de

inversión

Productos secundari

os1 Acetil-CoA

+Oxalacetato

Citrato Citrato sintasa CoASH

2 Citrato Isocitrato Aconitasa H2O H2O3 Isocitrato Glioxilato Isocitrato liasa

(enzima exclusiva)

Succinato

4 Glioxilato Malato Malato sintasa (enzima

Acetil-CoA+

CoASH

exclusiva) H2O

5 Malato OxalacetatoMalato

deshidrogenasa (enzima malica)

NAD+ NADH

El ciclo del glioxilato y su relación con el ciclo del ácido cítrico

La relación que existe entre estos dos ciclos es que ambos tienen en común 3 reacciones catalizadas por las mismas enzimas (citrato sintasa, Aconitasa y malato deshidrogenasa o enzima málica) y ambos inician por medio del

oxalacetato y el acetil-CoA, pero difieren al momento de la reacción del isocitrato; la diferencia resulta en que el ciclo del glioxilato por darse en las plantas eliminan los átomos de carbono por medio de la liberación de succinato mientras que en ciclo del ácido cítrico la eliminación de estos atomos se da por medio de descarboxilaciones oxidativas en forma de CO2. Finalmente cabe destacar que otra gran diferencia entre estos dos ciclos es que en el ciclo del glioxilato permite la síntesis de azucares a partir de acidos grasos y en el ciclo de ácido cítrico no es posible.

Reacción neta

2 Acetil-CoA + NAD+ + 2 H2O Succinato + NADH + 3H+ + 2 CoASH

Importancia del ciclo del glioxilato

Produce glucosa partiendo de acetato, permitiendo a las células crecer en ambientes mínimos (Formación de glucosa a partir de grasas).

Importante en semillas para almacenar más cantidad de energía, en forma de grasas en lugar de hidratos de carbono.