CAPÍTULO 16: El ciclo del ácido cítrico: la vía central del metabolismo de carbohidratos, lípidos y aminoácidos

El ciclo del ácido cítrico (ciclo de Krebs, ciclo del ácido tricarboxílico) es una secuencia de reacciones en las mitocondrias que oxidan la porción acetilo de la acetil-CoA, y reducen coenzimas que se reoxidan por medio de la cadena de transporte de electrones (capítulo 13), enlazada a la formación de ATP.

El ciclo del ácido cítrico es la vía común final para la oxidación de carbohidratos, lípidos y proteínas porque la glucosa, los ácidos grasos y casi todos los aminoácidos se metabolizan hacia acetil-CoA o intermediarios del ciclo. También tiene una función fundamental en la gluconeogénesis, lipogénesis e interconversión de aminoácidos. Muchos de estos procesos ocurren en casi todos los tejidos, pero el hígado es el único tejido en el cual todos suceden en un grado significativo. En consecuencia, hay profundas repercusiones cuando, por ejemplo, grandes números de células hepáticas quedan dañadas, como en la hepatitis aguda, o reemplazadas por tejido conjuntivo (como en la cirrosis). Los pocos defectos genéticos de las enzimas del ciclo del ácido cítrico que se han informado se relacionan con daño neurológico grave como resultado de alteración muy considerable de la formación de ATP en el sistema nervioso central.

La hiperamonemia, como ocurre en la enfermedad hepática avanzada, lleva a pérdida del conocimiento, coma y convulsiones como resultado de actividad alterada del ciclo del ácido cítrico, lo que lleva a formación reducida de ATP. El amoníaco disminuye intermediarios del ciclo del ácido cítrico (al retirar el α-cetoglutarato para la formación de glutamato y glutamina), e inhibe también la descarboxilación oxidativa del α-cetoglutarato.

El ciclo empieza con la reacción entre la porción acetilo de la acetil-CoA y el ácido dicarboxílico de cuatro carbonos oxaloacetato, lo que forma un ácido tricarboxílico de seis carbonos, el citrato. En las reacciones subsiguientes, se liberan dos moléculas de CO₂, y se regenera el oxaloacetato (figura 16-1). Sólo se requiere una pequeña cantidad de oxaloacetato para la oxidación de una gran cantidad de acetil-CoA; puede considerarse que desempeña una función catalítica, ya que es regenerada al final del ciclo.

El ciclo del ácido cítrico proporciona la principal vía para la formación de ATP enlazada a la oxidación de combustibles metabólicos. Durante la oxidación de acetil-CoA, las coenzimas se reducen y después se reoxidan en la cadena respiratoria, enlazadas a la formación de ATP (fosforilación oxidativa, figura 16-2; capítulo 13). Este proceso es aerobio; requiere oxígeno como el oxidante final de las coenzimas reducidas. Las enzimas del ciclo del ácido cítrico están ubicadas en la matriz mitocondrial, libres o fijas a la membrana mitocondrial interna y la membrana de las crestas, donde también se encuentran las enzimas y coenzimas de la cadena respiratoria (capítulo 13).

La reacción inicial entre la acetil-CoA y el oxaloacetato para formar citrato está catalizada por la citrato sintasa, que forma un enlace de carbono-carbono entre el carbono metilo de la acetil-CoA y el carbono carbonilo del oxaloacetato (figura 16-3). El enlace tioéster de la citril-CoA resultante se hidroliza, lo que libera citrato y CoASH —una reacción exotérmica—.

La enzima aconitasa (aconitato hidratasa) isomeriza el citrato hacia isocitrato; la reacción ocurre en dos pasos: deshidratación hacia cis-aconitato, y rehidratación hacia isocitrato. Aun cuando el citrato es una molécula simétrica, con la aconitasa reacciona de manera asimétrica, de modo que los dos átomos de carbono que se pierden en reacciones subsiguientes del ciclo no son los que se añadieron provenientes de la acetil-CoA. Tal conducta asimétrica depende de canalización: transferencia del producto de la citrato sintasa de manera directa hacia el sitio activo de la aconitasa, sin entrar en solución libre. Esto proporciona integración de la actividad del ciclo del ácido cítrico y el suministro de citrato en el citosol como una fuente de acetil-CoA para la síntesis de ácido graso. El citrato sólo está disponible en solución libre para ser transportado desde las mitocondrias hacia el citosol para la síntesis de ácidos grasos cuando la aconitasa es inhibida por la acumulación de su producto, el isocitrato.

El veneno fluoroacetato se encuentra en algunos vegetales y su consumo puede ser mortal para animales que pastan. Algunos compuestos fluorados que se usan como agentes anticáncer y como sustancias químicas industriales (incluso plaguicidas) se metabolizan hacia fluoroacetato. El veneno fluoroacetato es tóxico porque la fluoroacetil-CoA se condensa con oxaloacetato para formar fluorocitrato, que inhibe la aconitasa, lo que hace que se acumule citrato.

El isocitrato pasa por deshidrogenación catalizada por la isocitrato deshidrogenasa para formar, en un inicio, oxalosuccinato, que permanece unido a enzima y pasa por descarboxilación hacia α-cetoglutarato. La descarboxilación requiere iones Mg²⁺ o Mn²⁺. La isocitrato deshidrogenasa tiene tres isoenzimas. Una, que usa NAD⁺, sólo se encuentra en mitocondrias; las otras dos usan NADP⁺ y se ubican en las mitocondrias y en el citosol. La oxidación del isocitrato enlazada a la cadena respiratoria procede casi por completo por medio de la enzima dependiente de NAD⁺.

El α-cetoglutarato pasa por descarboxilación oxidativa en una reacción catalizada por un complejo de múltiples enzimas similar al involucrado en la descarboxilación oxidativa del piruvato (figura 17-5). El complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa requiere los mismos cofactores que el complejo de piruvato deshidrogenasa —difosfato de tiamina, lipoato, NAD⁺, FAD y CoA— y origina la formación de succinil-CoA. El equilibrio de esta reacción favorece a tal grado la formación de succinil-CoA, que debe considerarse unidireccional desde el punto de vista fisiológico. Como sucede con la oxidación del piruvato (capítulo 17), la arsenita inhibe la reacción, lo que hace que se acumule el sustrato, α-cetoglutarato. Altas concentraciones de amoniaco inhiben la deshidrogenasa de α-cetoglutarato.

La succinil-CoA se convierte en succinato mediante la enzima succinato tiocinasa (succinil-CoA sintetasa); se trata del único ejemplo en el ciclo del ácido cítrico de fosforilación en el ámbito de sustrato. Los tejidos en los cuales ocurre gluconeogénesis (el hígado y los riñones) contienen dos isoenzimas de succinato tiocinasa, una específica para difosfato de guanosina (guanosín difosfato; GDP) y la otra para ADP. El trifosfato de guanosina (guanosín trifosfato; GTP) formado se usa para la descarboxilación de oxaloacetato hacia fosfoenolpiruvato en la gluconeogénesis, y proporciona un enlace regulador entre la actividad del ciclo del ácido cítrico y el retiro de oxaloacetato para la gluconeogénesis. Los tejidos no gluconeogénicos sólo tienen la isoenzima que usa ADP.

Cuando los cuerpos cetónicos se están metabolizando en tejidos extrahepáticos, hay una reacción alternativa catalizada por la succinil-CoA-acetoacetato-CoA transferasa (tioforasa), que comprende transferencia de CoA desde la succinil-CoA hacia el acetoacetato, lo que forma acetoacetil-CoA y succinato (capítulo 22).

El metabolismo anterógrado de succinato, que lleva a la regeneración de oxaloacetato, es la misma secuencia de reacciones químicas que ocurre en la β-oxidación de ácidos grasos: deshidrogenación para formar un doble enlace de carbono-carbono, adición de agua para formar un grupo hidroxilo, y deshidrogenación adicional para dar el grupo oxo del oxaloacetato.

La primera reacción de deshidrogenación, que forma fumarato, es catalizada por la succinato deshidrogenasa, que está unida a la superficie interna de la membrana mitocondrial interna. La enzima contiene FAD y proteína hierro-azufre (Fe:S), y reduce de manera directa la ubiquinona en la cadena de transporte de electrones. La fumarasa (fumarato hidratasa) cataliza la adición de agua a través del doble enlace del fumarato, lo que produce malato. La malato deshidrogenasa convierte a este último en oxaloacetato, una reacción que requiere NAD⁺. Aunque el equilibrio de esta reacción favorece con fuerza al malato, el flujo neto es hacia el oxaloacetato debido a la eliminación continua de este último (para formar citrato, como un sustrato para la gluconeogénesis, o para pasar por transaminación hacia aspartato), y a la reoxidación continua de NADH.

Como resultado de oxidaciones catalizadas por las deshidrogenasas del ciclo del ácido cítrico, se producen tres moléculas de NADH y una de FADH₂ por cada molécula de acetil-CoA catabolizada en una vuelta del ciclo. Estos equivalentes reductores se transfieren hacia la cadena respiratoria (figura 13-3), donde la reoxigenación de cada NADH origina la formación de ~2.5 ATP, y de FADH₂, ~1.5 ATP. Además, 1 ATP (o GTP) se forma mediante fosforilación en el ámbito de sustrato catalizada por la succinato tiocinasa.

Cuatro de las vitaminas B (capítulo 44) son esenciales en el ciclo del ácido cítrico y, por ende, en el metabolismo productor de energía: la riboflavina, en forma de flavina adenina dinucleótido (FAD), un cofactor para la succinato deshidrogenasa; niacina, en forma de nicotinamida adenina dinucleótido (NAD), el aceptor de electrón para la isocitrato deshidrogenasa, α-cetoglutarato deshidrogenasa, y malato deshidrogenasa; tiamina (vitamina B₁), como difosfato de tiamina, la coenzima para la descarboxilación en la reacción de α-cetoglutarato deshidrogenasa, y ácido pantoténico, como parte de la coenzima A, el cofactor fijo a residuos ácido carboxílicos “activos” como acetil-CoA y succinil-CoA.

El ciclo del ácido cítrico no sólo es una vía para la oxidación de unidades de dos carbonos, sino que también es una vía importante para la interconversión de metabolitos que surgen por transaminación y desaminación de aminoácidos (capítulos 28 y 29), y proporciona los sustratos para la síntesis de aminoácidos mediante transaminación (capítulo 27), así como para gluconeogénesis (capítulo 20) y síntesis de ácidos grasos (capítulo 23). Dado que funciona en procesos tanto oxidativos como sintéticos, es anfibólico (figura 16-4).

El ciclo del ácido cítrico participa en la gluconeogénesis, transaminación y desaminación

Todos los intermediarios del ciclo son en potencia glucogénicos, porque pueden dar lugar a oxaloacetato y, por ende, a producción neta de glucosa (en hígado y riñones, los órganos que llevan a cabo la gluconeogénesis; capítulo 19). La enzima clave que cataliza la transferencia neta hacia afuera del ciclo hacia la gluconeogénesis es la fosfoenolpiruvato carboxicinasa, la cual cataliza la descarboxilación de oxaloacetato hacia fosfoenolpiruvato; el GTP actúa como el donador de fosfato (figura 19-1). El GTP que se requiere para esta reacción es proporcionado (en el hígado y los riñones) por la isoenzima dependiente de GDP de la succinato tirosinasa. Esto asegura que el oxaloacetato no se retire del ciclo para gluconeogénesis si esto llevaría a la disminución de intermediarios del ciclo del ácido cítrico y, por ende, generación reducida de ATP.

La transferencia neta hacia el ciclo ocurre como resultado de varias reacciones. Entre las más importantes de esas reacciones anapleróticas, está la formación de oxaloacetato mediante la carboxilación de piruvato, catalizada por la piruvato carboxilasa (figura 16-4). Esta reacción es importante para mantener una concentración adecuada de oxaloacetato para la reacción de condensación con acetil-CoA. Si esta última se acumula, actúa como activador alostérico de la piruvato carboxilasa y como inhibidor de la piruvato deshidrogenasa, lo que asegura un aporte de oxaloacetato. El lactato, un importante sustrato para la gluconeogénesis, entra al ciclo por medio de oxidación hacia piruvato y después carboxilación hacia oxaloacetato. El glutamato y la glutamina son sustratos anapleróticos importantes porque dan α-cetoglutarato como resultado de las reacciones catalizadas por la glutaminasa y la glutamato deshidrogenasa. La transaminación de aspartato lleva directamente a la formación de oxaloacetato, y diversos compuestos que son metabolizados para dar propionil CoA, que puede ser carboxilada e isomerizada a succinil CoA, también son sustratos anapleróticos importantes.

Las reacciones de aminotransferasa (transaminasa) forman piruvato a partir de alanina, oxaloacetato a partir de aspartato, y α-cetoglutarato a partir de glutamato. Dado que estas reacciones son reversibles, el ciclo también sirve como una fuente de esqueletos de carbono para la síntesis de estos aminoácidos. Otros aminoácidos contribuyen a la gluconeogénesis porque sus esqueletos de carbono dan origen a intermediarios del ciclo del ácido cítrico. La alanina, cisteína, glicina, hidroxiprolina, serina, treonina y triptófano dan piruvato; la arginina, histidina, glutamina y prolina dan α-cetoglutarato; la isoleucina, metionina y valina dan succinil-CoA; la tirosina y fenilalanina dan fumarato (figura 16-4).

El ciclo del ácido cítrico en sí no proporciona una vía para la oxidación completa de esqueletos de carbono de aminoácidos que dan lugar a intermediarios como α-cetoglutarato, succinil-CoA, fumarato y oxaloacetato, porque esto da lugar a un incremento de la cantidad de oxaloacetato. Para que ocurra oxidación completa, el oxaloacetato debe pasar por fosforilación y carboxilación a fosfoenolpiruvato (a expensas de GTP) y después por desfosforilación hacia piruvato (catalizada por la piruvato cinasa) y descarboxilación oxidativa hacia acetil CoA (catalizada por la piruvato deshidrogenasa).

En rumiantes, cuyo principal combustible metabólico son los ácidos grasos de cadena corta formados mediante fermentación bacteriana, tiene especial importancia la conversión de propionato, el principal producto glucogénico de la fermentación en el rumen, en succinil-CoA por medio de la vía de la metilmalonil-CoA (figura 19-2).

El ciclo del ácido cítrico participa en la síntesis de ácidos grasos

La acetil-CoA, formada a partir del piruvato mediante la acción de la piruvato deshidrogenasa, es el principal sustrato para la síntesis de ácidos grasos de cadena larga en no rumiantes (figura 16-5). (En rumiantes, la acetil-CoA se deriva de manera directa del acetato). La piruvato deshidrogenasa es una enzima mitocondrial, y la síntesis de ácidos grasos es una vía citosólica; la membrana mitocondrial es impermeable a acetil-CoA; a fin de que el acetil-CoA esté disponible en el citosol, el citrato es transportado de la mitocondria al citosol y entonces es dividido en una reacción catalizada por la ATP-citrato liasa (figura 16-5). El citrato sólo está disponible para transporte hacia afuera de la mitocondria cuando la aconitasa es inhibida por su producto y, por ende, saturada con su sustrato, de modo que el citrato no puede canalizarse directamente desde la citrato sintasa hacia la aconitasa. Esto asegura que el citrato se use para la síntesis de ácidos grasos sólo cuando hay una cantidad adecuada para asegurar actividad continua del ciclo.

El oxaloacetato liberado por la citrato liasa no puede volver a entrar a la mitocondria, sino que es reducido a malato, a expensas de NADH, y el malato pasa por descarboxilación oxidativa hacia piruvato, lo cual reduce el NADP⁺ a NADPH. Esta reacción, catalizada por la enzima málica, es la fuente de la mitad del NADPH que se requiere para la síntesis de ácidos grasos (el resto es proporcionado por la vía de la pentosa fosfato, capítulo 20). El piruvato entra a la mitocondria, y es carboxilado a oxaloacetato por la piruvato carboxilasa, una reacción dependiente de ATP en la cual la coenzima es la vitamina biotina.

La regulación del ciclo del ácido cítrico depende principalmente de un aporte de cofactores oxidados

En casi todos los tejidos, donde la función primaria del ciclo del ácido cítrico yace en el metabolismo productor de energía, el control respiratorio por medio de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa regula la actividad del ciclo del ácido cítrico (capítulo 13). De este modo, la actividad es inmediatamente dependiente del aporte de NAD⁺ que, a su vez, debido al estrecho acoplamiento entre la oxidación y fosforilación, depende de la disponibilidad de ADP y, por ende, finalmente del índice de utilización de ATP en trabajo químico y físico. Además, enzimas individuales del ciclo están reguladas. Los sitios más probables para regulación son las reacciones no de equilibrio catalizadas por la piruvato deshidrogenasa, citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa y α-cetoglutarato deshidrogenasa. Las deshidrogenasas son activadas por Ca²⁺, que aumenta de concentración durante la contracción muscular y secreción por otros tejidos, cuando hay aumento de la demanda de energía. En un tejido como el cerebro, que depende en su mayor parte de carbohidratos para el aporte de acetil-CoA, el control del ciclo del ácido cítrico puede ocurrir en la piruvato deshidrogenasa. Varias enzimas se encargan de la situación en cuanto a energía, como se demuestra por las proporciones [ATP]/[ADP] y [NADH]/[NAD⁺]. De este modo, hay inhibición alostérica de la citrato sintasa por el ATP y acil-CoA grasa de cadena larga. La activación alostérica de la isocitrato deshidrogenasa dependiente de NAD, mitocondrial, por ADP, es contrarrestada por ATP y NADH. El complejo de α-cetoglutarato deshidrogenasa está regulado de la misma manera que la piruvato deshidrogenasa (figura 17-6). La succinato deshidrogenasa es inhibida por el oxaloacetato, y la disponibilidad de este último, según se controla por la malato deshidrogenasa, depende de la proporción [NADH]/[NAD⁺]. Dado que la K_m para oxaloacetato de la citrato sintasa es del mismo orden de magnitud que la concentración intramitocondrial, es probable que la concentración de oxaloacetato controle el índice de formación de citrato.

La hiperamonemia, como ocurre en la enfermedad hepática avanzada y en varias enfermedades genéticas (raras) del metabolismo de aminoácidos, lleva a pérdida del conocimiento, coma y convulsiones, y puede ser mortal. Esto se debe mayormente al retiro de α-cetoglutarato para formar glutamato (lo cual es catalizado por la glutamato deshidrogenasa) y después glutamina (lo cual es catalizado por la glutamina sintetasa), lo que da pie a concentraciones reducidas de todos los intermediarios del ciclo del ácido cítrico y, por ende, menor generación de ATP. El equilibrio de la glutamato deshidrogenasa está finamente establecido, y la dirección de la reacción depende de la proporción de NAD⁺:NADH y la concentración de iones amonio. Además, el amoníaco inhibe la α-cetoglutarato deshidrogenasa, y posiblemente también la piruvato deshidrogenasa.

• El ciclo del ácido cítrico es la vía final para la oxidación de carbohidratos, lípidos y proteínas. Su metabolito terminal común, la acetil-CoA, reacciona con el oxaloacetato para formar citrato. Mediante una serie de deshidrogenaciones y descarboxilaciones, el citrato es degradado, lo que reduce coenzimas, libera dos CO₂ y regenera oxaloacetato.

• Las coenzimas reducidas se oxidan mediante la cadena respiratoria enlazada a la formación de ATP. De este modo, el ciclo es la principal vía para la formación de ATP, y está ubicado en la matriz de mitocondrias adyacente a las enzimas de la cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa.

• El ciclo del ácido cítrico es anfibólico, puesto que además de oxidación, es importante en el suministro de esqueletos de carbono para la gluconeogénesis, la síntesis de ácidos grasos y la interconversión de aminoácidos.