Ciclo del Ácido Cítrico Zavaleta González Nadia Esther

El ciclo del ácido cítrico es una ruta metabólica en la que los fragmentos de dos carbonos procedentes de las moléculas orgánicas combustibles se oxidan para formar CO2 y las coenzimas NAD+ y FAD se reducen para formar NADH y FADH2 . Por lo tanto éste ciclo es un conjunto de reacciones bioquímicas que utilizan los organismos aerobios para liberar la energía química almacenada en el grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA.

La reacción neta del ciclo del ácido cítrico es: Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2 H20 2 CO2 + 3 NADH + FADH2 + CoASH + GTP + 3 H+

Reacciones del Ciclo del Ácido Cítrico El ciclo del ácido cítrico está formado por ocho reacciones que tienen lugar en dos fases: El grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA entra en el ciclo al reaccionar con el compuesto de cuatro carbonos oxacelato. A continuación se liberan dos moléculas de CO2. El oxacelato se regenera de forma que pueda reaccionar con otra acetil-CoA.

Fase 1

1. Introducción de dos carbonos como acetil-CoA. El ciclo del ácido cítrico comienza con la condensación de la acetil-CoA con el oxalacetato para formar citrato. En esta reacción la enzima separa un protón del grupo metilo de la acetil-CoA, convirtiéndola de esta manera en un carbanión. El carbanión metilo nucleófilo a continuación ataca al carbono carbonílico del oxalacetato. El producto, la citroil-CoA, se hidroliza rápidamente para formar citrato y CoASH.

2. El citrato se isomeriza para formar un alcohol secundario que puede oxidarse fácilmente. En la reacción siguiente del ciclo, el citrato, que contiene un alcohol terciario, se convierte de forma reversible en isocitrato por la aconitasa. Durante esta reacción de isomerización, se forma por deshidratación un intermediario denominado cis-aconitato. El doble enlace carbono-carbono del cis-aconitato se rehidrata a continuación para formar el alcohol secundario más reactivo, isocitrato.

3. El isocitrato se oxida para formar NADH y CO2. La descarboxilación oxidativa del isocitrato, que cataliza la isocitrato deshidrogenasa, se produce en dos pasos. En el primero, el isocitrato se oxida para formar oxalsuccinato, un intermediario transitorio: La descarboxilación inmediata del oxalsuccinato da lugar a la formación de α-cetoglutarato, un α-cetoácido.

4. El α-cetoglutarato se oxida para formar una segunda molécula de NADH y de CO2. La conversión del α-cetoglutarato en succinil-CoA está catalizada por las actividades enzimáticas del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: α-cetoglutarato deshidrogenasa, dihidrolipoil transsuccinilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa.

Fase 2

5. La ruptura de la succinil-CoA está acoplada a una fosforilación a nivel de sustrato. La ruptura del enlace tioéster de energía elevada de la succinil-CoA para formar succinato, que cataliza la succinato tioquinasa, está acoplada en los mamíferos a la fosforilación a nivel de sustrato del GDP. En otros organismos, se fosforila el ADP.

6. La molécula de cuatro carbonos succinato se oxida para formar fumarato y FADH2. La succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación del succinato para formar fumarato. La succinato deshidrogenasa es una flavoproteína que emplea el FAD para impulsar la oxidación del succinato a fumarato. Éste se activa por concentraciones elevadas de succinato, ATP y Pi, y se inhibe por el oxalacetato.

7. Hidratación del fumarato. El fumarato se convierte en L-malato en una hidratación estereoespecífica reversible catalizada por la fumarasa (que también se denomina fumarato hidratasa)

8. El malato se oxida para formar oxalacetato y un tercer NADH. Finalmente, el oxalacetato se regenera con la oxidación del L-malato. La malato deshidrogenasa utiliza como agente oxidante el NAD+ en una reacción muy endergónica. La reacción es empujada hasta que se completa debido a la eliminación del oxalacetato en la siguiente vuelta del ciclo.

Destino de los átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico

En cada vuelta del ciclo del ácido cítrico entran dos átomos de carbono como grupo acetilo de la acetil-CoA y se liberan dos moléculas de CO2. Los dos átomos de carbono que se liberan en forma de moléculas de CO2 no son los mismos dos carbonos que han entrado en el ciclo, sino que los átomos de carbono liberados proceden del oxalacetato que reaccionó con la acetil-CoA entrante. Los átomos de carbono entrantes consecuentemente forman la mitad del succinato. Debido a la estructura asimétrica del succinato, los átomos de carbono que derivan del grupo acetilo entrante finalmente se distribuyen en todas las moléculas que proceden del succinato. Por consiguiente, los átomos de carbono que entran se liberan como CO2sólo tras dos o más vueltas del ciclo.

Ciclo del ácido cítrico anfibólico

Las rutas anfibólicas pueden actuar como procesos anabólicos o catabólicos. El ciclo el ácido cítrico es obviamente catabólico. dado que los grupos acetilo se oxidan para formar CO2 y la energía se conserva en las moléculas de coenzima reducidas. El ciclo del ácido cítrico es también anabólico, dado que varios intermediarios del ciclo del ácido cítrico son precursores de rutas de biosíntesis. Los procesos anabólicos extraen del ciclo del ácido cítrico moléculas que se requieren para mantener su función en la generación de energía. Varias reacciones, denominadas anapleróticas, lo rellenan. Una de las reacciones anapleróticas más importante es la que cataliza la piruvato carboxilasa. Una concentración elevada de acetil-CoA, un indicador de concentración insuficiente de oxalacetato, activa la piruvato carboxilasa. Como consecuencia, aumenta la concentración de oxalacetato. El exceso de oxalacetato que no se utiliza dentro del ciclo del ácido cítrico se emplea en la gluconeogénesis. Otras reacciones anapleróticas son la síntesis de succinil-CoA a partir de determinados ácidos grasos, y los α-cetoácidos, α-cetoglutarato y oxalacetato, a partir de los aminoácidos glutamato y aspartato, respectivamente, mediante reacciones de transaminación.

Regulación del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico está regulado con precisión de forma que se satisfagan constantemente los requerimientos energéticos y de biosíntesis de la célula. La regulación se consigue principalmente por la modulación de enzimas clave y la disponibilidad de determinados sustratos. Dado su papel destacado en la producción de energía, el ciclo depende también de un aporte continuo de NAD+, FAD Y ADP. La citrato sintasa, la primera enzima del ciclo, cataliza la formación de citrato a partir de acetil-CoA y oxalacetato. Dado que la concentración de acetil-CoA y de oxalacetato son bajas en la mitocondria con relación a la cantidad de la enzima, cualquier aumento de la disponibilidad del sustrato estimula la síntesis de citrato. Las concentraciones elevadas de succinil- CoA (un producto intermediario «lejano» del ciclo) y de citrato inhiben la citrato sintasa actuando como inhibidores alostéricos. Otros reguladores alostéricos de esta reacción son el NADH y el ATP, cuyas concentraciones reflejan el estado energético celular del momento.

La isocitrato deshidrogenasa cataliza la segunda reacción del ciclo muy regulada. Su actividad se estimula por las concentraciones relativamente elevadas de ADP y NAD+ Y se inhibe por el ATP y el NADH. La isocitrato deshidrogenasa está muy regulada debido a su importante papel en el metabolismo del citrato. la conversión de citrato en isocitrato es reversible. Una mezcla de equilibrio de las dos moléculas consta en gran medida de citrato. El transporte del citrato se utiliza para sacar fuera de la mitocondria a la acetil-CoA debido a que la acetil-CoA no puede atravesar la membrana mitocondrial interna. El citrato es un activador alostérico de la primera reacción de la síntesis de los ácidos grasos. La actividad de la α-cetoglutarato deshidrogenasa está estrictamente regulada dado la importancia del α-cetoglutarato en varios procesos metabólicos.

Cuando los almacenes celulares de energía son bajos, la α-cetoglutarato deshidrogenasa se activa y se retiene el α -cetoglutarato dentro del ciclo a expensas de los procesos de biosíntesis. Al aumentar el suministro celular de NADH, la enzima se inhibe, y las moléculas de α -cetoglutarato quedan disponibles para las reacciones de biosíntesis. Las actividades relativas de la piruvato deshidrogenasa y de la piruvato carboxilasa determinan el grado de utilización del piruvato para generar energía y precursores de biosíntesis.