15.2: El Ciclo del Ácido Cítrico

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Resultados de aprendizaje

Describir el ciclo del ácido cítrico (Ciclo Krebs).
Nombrar los productos del ciclo del ácido cítrico.
Identificar las moléculas portadoras de energía producidas en el ciclo del ácido cítrico.
Describir lo que le sucede al piruvato antes de que entre en el ciclo del ácido cítrico.

Respiración aeróbica

Tentadoras pistas (gases volcánicos, vastos sedimentos de mineral de hierro y burbujas de aire antiguo atrapadas en ámbar) sugieren cambios dramáticos durante la historia de la atmósfera terrestre. Correlacionar estas pistas con el registro fósil lleva a dos conclusiones principales: que la vida temprana evolucionó en ausencia de oxígeno, y que el oxígeno apareció por primera vez entre 2 y 3 mil millones de años atrás (ver figura abajo) debido a la fotosíntesis de la bacteria verde-azul, cianobacterias. La química de la respiración celular refleja esta historia. Su primera etapa, la glucólisis, es universal y no utiliza oxígeno.

Absolutamente dependientes del gas oxígeno, nos resulta difícil imaginar que su aparición debe haber sido desastrosa para los organismos anaerobios que evolucionaron en su ausencia. Pero el oxígeno es altamente reactivo, y al principio, su efecto sobre la evolución fue tan negativo que algunos han nombrado a este periodo la “catástrofe del oxígeno”. Sin embargo, a medida que el oxígeno gradualmente formó una capa protectora de ozono, la vida rebotó. Después de que los primeros organismos evolucionaron para utilizar el oxígeno en su beneficio, la diversidad de organismos aeróbicos explotó. Según la Teoría de la Endosimbiosis, la envolvimiento de algunas de estas bacterias aeróbicas condujo a células eucariotas con mitocondrias, y siguió la multicelularidad, la evolución de los organismos eucariotas multicelulares. Hoy, vivimos en una atmósfera que es\(21\%\) oxígeno, y la mayor parte de la vida sigue a la glucólisis con las dos últimas, etapas aeróbicas de respiración celular.

Recordemos el propósito de la respiración celular: liberar energía de la glucosa para hacer ATP, la molécula universal de energía para el trabajo celular. La siguiente ecuación describe el proceso general, aunque resume muchas reacciones químicas individuales.

\[\ce{6O2} + \underbrace{\ce{C6H12O6}}_{\text{stored chemical} \\ \text{energy, deliverable}} + \ce{398P_i} \ce{->[\text{mitochondia}]} \ce{38 ATP} + \ce{6O2} + \ce{6H2O}\]

Una vez más, la primera etapa de este proceso, la glucólisis, es antigua, universal y anaeróbica. En el citoplasma de la mayoría de las células, la glucólisis rompe cada molécula de glucosa de 6 carbonos en dos moléculas de piruvato de 3 carbonos. La energía química, que había sido almacenada en los enlaces ahora rotos, se transfiere a 2 moléculas de ATP y 2 NADH.

El destino del piruvato depende de la especie y de la presencia o ausencia de oxígeno. Si el oxígeno está presente para impulsar la reacción posterior, el piruvato ingresa a las mitocondrias, donde el ciclo del ácido cítrico (también conocido como el Ciclo de Krebs) (Etapa 2) y la cadena de transporte de electrones (Etapa 3) lo descomponen y lo oxidan completamente a\(\ce{CO_2}\) y\(\ce{H_2O}\). La energía liberada construye muchas más moléculas de ATP, aunque por supuesto algunas se pierden como calor. Exploremos los detalles de cómo las mitocondrias usan oxígeno para producir más ATP a partir de la glucosa mediante la respiración aeróbica.

El ciclo del ácido cítrico: captura de energía del piruvato

La respiración aeróbica comienza con la entrada del producto de la glucólisis, piruvato, en las mitocondrias. Por cada molécula inicial de glucosa, dos moléculas de piruvato entrarán en las mitocondrias. El piruvato, sin embargo, no es la molécula que entra en el ciclo del ácido cítrico. Antes de ingresar a este ciclo, el piruvato debe convertirse en una unidad de 2-carbono-acetil-CoEnzyMEA (acetil-CoA).

La conversión de piruvato en acetil-CoA se conoce como la reacción de piruvato deshidrogenasa. Es catalizado por el complejo piruvato deshidrogenasa. Este proceso produce un portador de electrones NADH mientras libera una\(\ce{CO_2}\) molécula. Esta etapa también se conoce como la reacción de enlace o etapa de transición, ya que une la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico. Por supuesto, como dos piruvatos resultan de la glucólisis, se producen dos acetil-CoAs al igual que 2 moléculas de NADH.

Figura\(\PageIndex{2}\): El Ciclo de Krebs completa la descomposición de la glucosa iniciada en la glucólisis. Si hay oxígeno presente, el piruvato ingresa a las mitocondrias y se convierte en acetil-CoA. El acetil-CoA entra en el ciclo combinándolo con oxaloacetato de 4 carbonos. Estudie el diagrama para confirmar que cada giro del ciclo (dos por cada glucosa) almacena energía en 3 NADH\(+ \ce{H^+}\), un FADH\(_2\) y un ATP (de GTP), y libera 2\(\ce{CO_2}\). El ciclo de Krebs también se conoce como el ciclo del ácido cítrico o el ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo de TCA).

Dentro de las mitocondrias, cada piruvato se descompone y se combina con una coenzima conocida como CoA para formar una molécula de 2 carbonos, acetil-CoA, que puede ingresar al Ciclo de Krebs. Un solo átomo de carbono (por piruvato) se “pierde” como dióxido de carbono. La energía liberada en esta descomposición es capturada en dos moléculas de NADH. Ver la figura anterior. Los ácidos grasos también pueden descomponerse en acetil-CoA. Por este medio, los lípidos, como las grasas, pueden ser “quemados” para hacer ATP usando el ciclo del ácido cítrico.
El Ciclo de Krebs (ver figura anterior) comienza combinando cada acetil-CoA con una molécula portadora de cuatro carbonos para hacer una molécula de 6 carbonos de ácido cítrico (o citrato, su forma ionizada).
El ciclo transporta el ácido cítrico a través de una serie de reacciones químicas que gradualmente liberan energía y la capturan en varias moléculas portadoras. Por cada acetil-CoA que entra en el ciclo, 3 NAD\(^+\) se reducen a NADH, una molécula de FAD (otro portador de energía temporal) se reduce a\(FADH_2\), y se produce una molécula de ATP (en realidad un precursor, GTP, trifosfato de guanina). Estudie la figura anterior para ubicar cada uno de estos eventos de captura de energía.
Observe lo que sucede con los átomos de carbono (puntos negros en la figura anterior). Por cada acetil-CoA de 2 carbonos que entra en el ciclo, se liberan dos moléculas de dióxido de carbono, completando la descomposición de la molécula original de glucosa de 6 carbonos. El paso final regenera la molécula original de 4 carbonos que inició el ciclo, para que otro acetil-CoA pueda ingresar al ciclo.

En resumen, el ciclo del ácido cítrico completa la descomposición de la glucosa que comenzó con la glucólisis. Sus reacciones químicas oxidan los seis átomos de carbono originales y capturan la energía liberada en 2 ATP, 6 NADH y 2 FADH\(_2\).\(\ce{CO_2}\) Estos portadores de energía se unen a los 2 ATP y 2 NADH producidos en la glucólisis y los 2 NADH producidos en la conversión de 2 piruvatos en 2 moléculas de acetil-CoA.

Al concluir el ciclo del ácido cítrico, la glucosa está completamente descompuesta, sin embargo, solo se han producido cuatro ATP. Además, aunque se requiere oxígeno para impulsar el ciclo del ácido cítrico, las reacciones químicas del ciclo no consumen por sí mismas\(\ce{O_2}\). La conclusión de la respiración celular, etapa 3, produce la mayor parte del ATP.

Recursos Suplementarios

Ciclo del ácido cítrico (también conocido como ciclo de Krebs): VirtualLabs.stanford.edu/Otro/Biochem/TCA.SWF
Ciclo de Krebs (también conocido como ciclo de ácido cítrico): http://johnkyrk.com/krebs.html

Colaboradores y Atribuciones

CK-12 Foundation by Sharon Bewick, Richard Parsons, Therese Forsythe, Shonna Robinson, and Jean Dupon.
Allison Soult, Ph.D. (Department of Chemistry, University of Kentucky)