Ciclo del ácido cítrico
El ciclo del ácido cítrico es una serie de reacciones que produce dos moléculas de dióxido de carbono, un GTP/ATP, y formas reducidas de NADH y FADH2.
Objetivos de aprendizaje
Enumerar los pasos del ciclo de Krebs (o del ácido cítrico)
Puntos clave
Puntos clave
- La molécula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, que inició el ciclo se regenera tras los ocho pasos del ciclo del ácido cítrico.
- Los ocho pasos del ciclo del ácido cítrico son una serie de reacciones de redox, deshidratación, hidratación y descarboxilación.
- Cada vuelta del ciclo forma un GTP o ATP, así como tres moléculas de NADH y una molécula de FADH2, que se utilizarán en otros pasos de la respiración celular para producir ATP para la célula.
Términos clave
- ciclo del ácido cítrico: una serie de reacciones químicas utilizadas por todos los organismos aeróbicos para generar energía a través de la oxidación del acetato derivado de los carbohidratos, las grasas y las proteínas en dióxido de carbono
- ciclo de Krebs: una serie de reacciones enzimáticas que se producen en todos los organismos aeróbicos; implica el metabolismo oxidativo de las unidades de acetilo y sirve como principal fuente de energía celular
- mitocondrias: en biología celular, una mitocondria (plural mitocondrias) es un orgánulo encerrado en una membrana, a menudo descrito como «centrales eléctricas celulares» porque generan la mayor parte del ATP
Ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs)
Al igual que la conversión de piruvato en acetil CoA, el ciclo del ácido cítrico tiene lugar en la matriz de las mitocondrias. Casi todas las enzimas del ciclo del ácido cítrico son solubles, con la única excepción de la enzima succinato deshidrogenasa, que está incrustada en la membrana interna de la mitocondria. A diferencia de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico es un bucle cerrado: la última parte de la vía regenera el compuesto utilizado en el primer paso. Los ocho pasos del ciclo son una serie de reacciones de redox, deshidratación, hidratación y descarboxilación que producen dos moléculas de dióxido de carbono, un GTP/ATP y formas reducidas de NADH y FADH2. Esto se considera una vía aeróbica porque el NADH y el FADH2 producidos deben transferir sus electrones a la siguiente vía del sistema, que utilizará oxígeno. Si esta transferencia no ocurre, los pasos de oxidación del ciclo del ácido cítrico tampoco ocurren. Nótese que el ciclo del ácido cítrico produce muy poco ATP directamente y no consume directamente oxígeno.
El ciclo del ácido cítrico: En el ciclo del ácido cítrico, el grupo acetilo de la acetil CoA se une a una molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos para formar una molécula de citrato de seis carbonos. A través de una serie de pasos, el citrato se oxida, liberando dos moléculas de dióxido de carbono por cada grupo acetilo introducido en el ciclo. En el proceso, tres moléculas de NAD+ se reducen a NADH, una molécula de FAD se reduce a FADH2 y se produce un ATP o GTP (dependiendo del tipo de célula) (por fosforilación a nivel de sustrato). Debido a que el producto final del ciclo del ácido cítrico es también el primer reactivo, el ciclo se ejecuta continuamente en presencia de suficientes reactivos.
Pasos del ciclo del ácido cítrico
Paso 1. El primer paso es una etapa de condensación, que combina el grupo acetilo de dos carbonos (del acetil CoA) con una molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos para formar una molécula de citrato de seis carbonos. El CoA se une a un grupo sulfhidrilo (-SH) y se aleja para combinarse finalmente con otro grupo acetilo. Este paso es irreversible porque es altamente exergónico. La velocidad de esta reacción está controlada por la retroalimentación negativa y la cantidad de ATP disponible. Si los niveles de ATP aumentan, la velocidad de esta reacción disminuye. Si el ATP es escaso, la tasa aumenta.
Paso 2. El citrato pierde una molécula de agua y gana otra al convertirse el citrato en su isómero, el isocitrato.
Pasos 3 y 4. En el tercer paso, el isocitrato se oxida, produciendo una molécula de cinco carbonos, α-cetoglutarato, junto con una molécula de CO2 y dos electrones, que reducen el NAD+ a NADH. Este paso también está regulado por la retroalimentación negativa del ATP y el NADH y por un efecto positivo del ADP. Los pasos tres y cuatro son pasos de oxidación y descarboxilación, que liberan electrones que reducen el NAD+ a NADH y liberan grupos carboxilo que forman moléculas de CO2. El α-cetoglutarato es el producto del paso tres, y un grupo succinilo es el producto del paso cuatro. La CoA se une al grupo succinilo para formar succinil CoA. La enzima que cataliza el paso cuatro está regulada por la inhibición de retroalimentación de ATP, succinil CoA y NADH.
Paso 5. Un grupo fosfato es sustituido por la coenzima A, y se forma un enlace de alta energía. Esta energía se utiliza en la fosforilación a nivel de sustrato (durante la conversión del grupo succinilo en succinato) para formar guanina trifosfato (GTP) o ATP. Existen dos formas de la enzima, llamadas isoenzimas, para este paso, dependiendo del tipo de tejido animal en el que se encuentren. Una forma se encuentra en los tejidos que utilizan grandes cantidades de ATP, como el corazón y el músculo esquelético. Esta forma produce ATP. La segunda forma de la enzima se encuentra en los tejidos que tienen un gran número de vías anabólicas, como el hígado. Esta forma produce GTP. El GTP es energéticamente equivalente al ATP; sin embargo, su uso es más restringido. En particular, la síntesis de proteínas utiliza principalmente GTP.
Paso 6. El paso 6 es un proceso de deshidratación que convierte el succinato en fumarato. Se transfieren dos átomos de hidrógeno al FAD, produciendo FADH2. La energía contenida en los electrones de estos átomos es insuficiente para reducir el NAD+ pero adecuada para reducir el FAD. A diferencia del NADH, este portador permanece unido a la enzima y transfiere los electrones a la cadena de transporte de electrones directamente. Este proceso es posible gracias a la localización de la enzima que cataliza este paso dentro de la membrana interna de la mitocondria.
Paso 7. Durante el séptimo paso se añade agua al fumarato y se produce malato. El último paso del ciclo del ácido cítrico regenera el oxaloacetato mediante la oxidación del malato. Se produce otra molécula de NADH.
Productos del ciclo del ácido cítrico
Dos átomos de carbono entran en el ciclo del ácido cítrico desde cada grupo acetilo, lo que representa cuatro de los seis carbonos de una molécula de glucosa. En cada vuelta del ciclo se liberan dos moléculas de dióxido de carbono; sin embargo, éstas no contienen necesariamente los átomos de carbono añadidos más recientemente. Los dos átomos de carbono de acetilo se liberarán en las últimas vueltas del ciclo; así, los seis átomos de carbono de la molécula de glucosa original se incorporan finalmente al dióxido de carbono. Cada vuelta del ciclo forma tres moléculas de NADH y una de FADH2. Estos portadores se conectarán con la última parte de la respiración aeróbica para producir moléculas de ATP. También se produce un GTP o ATP en cada ciclo. Varios de los compuestos intermedios del ciclo del ácido cítrico pueden utilizarse para sintetizar aminoácidos no esenciales; por lo tanto, el ciclo es anfibólico (tanto catabólico como anabólico).