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+
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 acetilCoA, 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.
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.
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.
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.
La ruptura del enlace tioéster de energía elevada de la succinilCoA 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.
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.
El fumarato se convierte en L-malato en una hidratación
estereoespecífica reversible catalizada por la fumarasa (que también se
denomina fumarato hidratasa)
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.
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.
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 acetilCoA, 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, αcetoglutarato y oxalacetato, a partir de los aminoácidos glutamato y
aspartato, respectivamente, mediante reacciones de transaminación.
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.
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