7.3: Oxidación del piruvato y el Ciclo del Ácido Cítrico

Habilidades para Desarrollar

• Explicar cómo una vía circular, como el ciclo del ácido cítrico, difiere fundamentalmente de una vía lineal, como la glucólisis
• Describir cómo se prepara el piruvato, producto de la glucólisis, para ingresar al ciclo del ácido cítrico

Si hay oxígeno disponible, la respiración aeróbica seguirá adelante. En las células eucariotas, las moléculas de piruvato producidas al final de la glucólisis son transportadas a las mitocondrias, que son los sitios de respiración celular. Allí, el piruvato se transformará en un grupo acetilo que será recogido y activado por un compuesto portador llamado coenzima A (CoA). El compuesto resultante se llama acetil CoA. El CoA está hecho de vitamina B5, ácido pantoténico. El acetil CoA puede ser utilizado de diversas maneras por la célula, pero su función principal es entregar el grupo acetilo derivado del piruvato a la siguiente etapa de la vía en el catabolismo de la glucosa.

Desglose de piruvato

Para que el piruvato, producto de la glucólisis, ingrese a la siguiente vía, debe sufrir varios cambios. La conversión es un proceso de tres pasos (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Paso 1. Un grupo carboxilo se elimina del piruvato, liberando una molécula de dióxido de carbono en el medio circundante. El resultado de esta etapa es un grupo hidroxietilo de dos carbonos unido a la enzima (piruvato deshidrogenasa). Este es el primero de los seis carbonos de la molécula de glucosa original que se eliminará. Este paso avanza dos veces (recuerde: hay dos moléculas de piruvato producidas al final de la glucolsis) por cada molécula de glucosa metabolizada; así, dos de los seis carbonos se habrán eliminado al final de ambos pasos.

Paso 2. El grupo hidroxietilo se oxida a un grupo acetilo, y los electrones son captados por NAD ⁺, formando NADH. Los electrones de alta energía del NADH serán utilizados posteriormente para generar ATP.

Paso 3. El grupo acetilo unido a enzima se transfiere a CoA, produciendo una molécula de acetil CoA.

Figura\(\PageIndex{1}\): Al ingresar a la matriz mitocondrial, un complejo multienzimático convierte el piruvato en acetil CoA. En el proceso, se libera dióxido de carbono y se forma una molécula de NADH.

Obsérvese que durante la segunda etapa del metabolismo de la glucosa, cada vez que se elimina un átomo de carbono, se une a dos átomos de oxígeno, produciendo dióxido de carbono, uno de los principales productos finales de la respiración celular.

Acetílico CoA a CO ₂

En presencia de oxígeno, el acetil CoA entrega su grupo acetilo a una molécula de cuatro carbonos, el oxaloacetato, para formar citrato, una molécula de seis carbonos con tres grupos carboxilo; esta vía cosechará el resto de la energía extraíble de lo que comenzó como una molécula de glucosa. Esta vía única se llama con diferentes nombres: el ciclo del ácido cítrico (para el primer intermedio formado, ácido cítrico o citrato, cuando el acetato se une al oxaloacetato), el ciclo de TCA (ya que el ácido cítrico o citrato e isocitrato son ácidos tricarboxílicos) y el ciclo de Krebs , después de Hans Krebs, quien identificó por primera vez los pasos en el camino en la década de 1930 en los músculos del vuelo de las palomas.

Ciclo de ácido cítrico

Al igual que la conversión del piruvato en acetil CoA, el ciclo del ácido cítrico se lleva a cabo 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, la cual está incrustada en la membrana interna de la mitocondria. A diferencia de la glucólisis, el ciclo del ácido cítrico es un ciclo 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 redox, deshidratación, hidratación y descarboxilación que producen dos moléculas de dióxido de carbono, una GTP/ATP, y formas reducidas de NADH y FADH ₂ (Figura\(\PageIndex{2}\)). Esto se considera una vía aeróbica porque el NADH y el FADH ₂ producidos deben transferir sus electrones a la siguiente vía en el sistema, que utilizará oxígeno. Si no se produce esta transferencia, tampoco se producen las etapas de oxidación del ciclo del ácido cítrico. Tenga en cuenta que el ciclo del ácido cítrico produce muy poco ATP directamente y no consume oxígeno directamente.

Figura\(\PageIndex{2}\): En el ciclo del ácido cítrico, el grupo acetilo del 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 etapas, el citrato se oxida, liberando dos moléculas de dióxido de carbono por cada grupo acetilo alimentado al ciclo. En el proceso, tres moléculas ^NAD+ se reducen a NADH, una molécula de FAD se reduce a FADH ₂ 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 transcurre continuamente en presencia de suficientes reactivos. (crédito: modificación de obra por “Yikrazuul” /Wikimedia Commons)

Pasos en el Ciclo del Ácido Cítrico

Paso 1. Previo al inicio de la primera etapa, se produce una fase de transición durante la cual el ácido pirúvico se convierte en acetil CoA. Entonces, comienza el primer paso del ciclo: Esta es una etapa de condensación, combinando el grupo acetilo de dos carbonos con una molécula de oxaloacetato de cuatro carbonos para formar una molécula de citrato de seis carbonos. CoA se une a un grupo sulfhidrilo (-SH) y se difunde para eventualmente combinarse con otro grupo acetilo. Este paso es irreversible porque es altamente exergónico. La velocidad de esta reacción es controlada por 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. En la etapa dos, el citrato pierde una molécula de agua y gana otra a medida que el citrato se convierte en su isómero, el isocitrato.

Paso 3. En el paso tres, el isocitrato se oxida, produciendo una molécula de cinco carbonos, α-cetoglutarato, junto con una molécula de CO ₂ y dos electrones, que reducen NAD ⁺ a NADH. Este paso también está regulado por retroalimentación negativa de ATP y NADH, y un efecto positivo de ADP.

Pasos 3 y 4. Los pasos tres y cuatro son etapas de oxidación y descarboxilación, que liberan electrones que reducen NAD ⁺ a NADH y liberan grupos carboxilo que forman moléculas de CO ₂. α-cetoglutarato es el producto de la etapa tres, y un grupo succinilo es el producto de la etapa cuatro. CoA se une al grupo succinilo para formar succinilCoA. La enzima que cataliza la etapa cuatro está regulada por la inhibición por retroalimentación de ATP, succinilCoA y NADH.

Paso 5. En la etapa cinco, se sustituye un grupo fosfato 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 trifosfato de guanina (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 tejidos que tienen un alto 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 seis es un proceso de deshidratación que convierte el succinato en fumarato. Dos átomos de hidrógeno se transfieren a FAD, produciendo FADH ₂. 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. Se agrega agua al fumarato durante la etapa siete y se produce malato. El último paso en el ciclo del ácido cítrico regenera el oxaloacetato oxidando malato. Otra molécula de NADH se produce en el proceso.

Enlace al aprendizaje

Haga clic en cada paso del ciclo del ácido cítrico aquí.

Productos del Ciclo del Ácido Cítrico

Dos átomos de carbono entran en el ciclo del ácido cítrico de cada grupo acetilo, representando cuatro de los seis carbonos de una molécula de glucosa. Dos moléculas de dióxido de carbono se liberan en cada giro del ciclo; sin embargo, estas no necesariamente contienen los átomos de carbono agregados más recientemente. Los dos átomos de carbono de acetilo eventualmente se liberarán en giros posteriores del ciclo; así, los seis átomos de carbono de la molécula de glucosa original finalmente se incorporan al dióxido de carbono. Cada giro del ciclo forma tres moléculas NADH y una molécula FADH ₂. Estos portadores se conectarán con la última porción de la respiración aeróbica para producir moléculas de ATP. También se realiza un GTP o ATP en cada ciclo. Varios de los compuestos intermedios en el ciclo del ácido cítrico pueden ser utilizados en la síntesis de aminoácidos no esenciales; por lo tanto, el ciclo es anfibólico (tanto catabólico como anabólico).

Resumen

En presencia de oxígeno, el piruvato se transforma en un grupo acetilo unido a una molécula portadora de la coenzima A. El acetil CoA resultante puede entrar en varias vías, pero la mayoría de las veces, el grupo acetilo se suministra al ciclo del ácido cítrico para un mayor catabolismo. Durante la conversión del piruvato en el grupo acetilo, se eliminan una molécula de dióxido de carbono y dos electrones de alta energía. El dióxido de carbono representa dos (conversión de dos moléculas de piruvato) de los seis carbonos de la molécula de glucosa original. Los electrones son captados por NAD ⁺, y el NADH lleva los electrones a una vía posterior para la producción de ATP. En este punto, la molécula de glucosa que originalmente ingresó a la respiración celular se ha oxidado por completo. La energía potencial química almacenada dentro de la molécula de glucosa se ha transferido a portadores de electrones o se ha utilizado para sintetizar algunos ATP.

El ciclo del ácido cítrico es una serie de reacciones redox y de descarboxilación que eliminan electrones de alta energía y dióxido de carbono. Los electrones almacenados temporalmente en moléculas de NADH y FADH ₂ se utilizan para generar ATP en una vía posterior. Una molécula de GTP o ATP se produce por fosforilación a nivel de sustrato en cada giro del ciclo. No hay comparación de la vía cíclica con una lineal.

Glosario

acetil CoA

combinación de un grupo acetilo derivado del ácido pirúvico y la coenzima A, que está hecha de ácido pantoténico (una vitamina del grupo B)

ciclo del ácido cítrico

(también, ciclo de Krebs) serie de reacciones químicas catalizadas por enzimas de importancia central en todas las células vivas

Ciclo de Krebs

(también, ciclo del ácido cítrico) nombre alternativo para el ciclo del ácido cítrico, llamado así por Hans Krebs quien identificó por primera vez los pasos en la vía en la década de 1930 en los músculos del vuelo de las palomas; ver ciclo del ácido cítrico

Ciclo de TCA

(también, ciclo del ácido cítrico) nombre alternativo para el ciclo del ácido cítrico, llamado así por el nombre del grupo para ácido cítrico, ácido tricarboxílico (TCA); ver ciclo del ácido cítrico