Bioquímica. Las bases moleculares de la vida, 5e

CAPÍTULO 9: Metabolismo aerobio I: ciclo del ácido cítrico

INTRODUCCIÓN

Células aerobias En las células aerobias la mayor parte de la energía se genera dentro de las mitocondrias. El dioxígeno (O₂) es el aceptor electrónico final en la oxidación de las moléculas de nutrientes.

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Sinopsis

LOS ORGANISMOS AEROBIOS MODERNOS TRASLADAN LA ENERGÍA DE LOS ENLACES QUÍMICOS EN LAS MOLÉCULAS DEL ALIMENTO A LA ENERGÍA DEL ENLACE del ATP y para eso utilizan el oxígeno como aceptor terminal de los electrones extraídos de las moléculas de alimento. La capacidad para usar oxígeno en la oxidación de nutrientes como la glucosa y ácidos grasos produce una cantidad de energía mucho mayor que la fermentación.

La liberación de oxígeno por acción de las cianobacterias comenzó hace cerca de 2 300 millones de años. Aún así, muchos datos geoquímicos indican que el oxígeno no empezó a acumularse en la atmósfera durante varios cientos de millones de años. En este enorme intervalo temporal, el potente agente oxidante O₂ reaccionó con iones y moléculas reducidas, lo que comenzó la transición gradual de un ambiente reductor a uno oxidante. Estas reacciones incluyen la síntesis de nitrógeno molecular a partir de amoniaco (4 NH₃ + 3 O₂ → 2 N₂ + 6 H₂O) y la conversión de iones metálicos hidrosolubles en óxidos metálicos insolubles. Por ejemplo, la reacción de oxígeno con la gran cantidad de Fe²⁺ en el océano primitivo condujo a la formación de los depósitos de hierro en banda. Conforme empezó a acumularse el oxígeno atmosférico hace 2 000 millones de años, los organismos existentes se enfrentaron a un problema muy grave: iones tóxicos de oxígeno y peróxidos, referidos como especies reactivas de oxígeno (ROS, reactive oxygen species). Las ROS reaccionan con las biomoléculas y las dañan o destruyen. Por consiguiente, la exposición a O₂ actuó como una intensa presión de selección. Las especies que existieron en este periodo evolucionaron mediante la adaptación al oxígeno o se extinguieron. Los organismos modernos se clasifican con base en las estrategias que usan para enfrentar las ROS o usar el O₂ en la generación de energía:

Los anaerobios obligados son organismos que sólo crecen en ausencia de oxígeno (es decir, viven en ambientes con bajo contenido de oxígeno como la tierra). Utilizan procesos fermentadores para satisfacer sus necesidades energéticas.
Los anaerobios tolerantes al aire, que dependen también de la fermentación para sus necesidades energéticas, poseen enzimas destoxificantes y moléculas antioxidantes que les protegen de los productos tóxicos del oxígeno.
Los anaerobios facultativos poseen los mecanismos necesarios para eliminar a los metabolitos del oxígeno y también pueden generar energía utilizando el oxígeno como aceptor electrónico cuando se encuentra presente el gas.
Los aerobios obligados dependen en gran medida del oxígeno para producir energía. Se protegen a sí mismos de las consecuencias potencialmente peligrosas de la exposición al oxígeno con mecanismos complejos formados por enzimas y por moléculas antioxidantes.

El metabolismo aerobio consiste en los siguientes procesos bioquímicos: el ciclo del ácido cítrico, la vía de transporte de electrones y la fosforilación oxidativa (fig. 9.1). En los organismos eucariotas estos procesos suceden dentro de las mitocondrias (fig. 9.2). El ciclo del ácido cítrico es una vía metabólica en la que fragmentos de dos carbonos procedentes de las moléculas orgánicas combustibles se oxidan para formar CO₂ (dióxido de carbono), y las coenzimas NAD⁺ (dinucleótido de nicotinamida y adenina), y FAD (dinucleótido de flavina y adenina) se reducen para formar NADH (dinucleótido de nicotinamida y adenina en su forma reducida) y FADH₂ (dinucleótido de flavina y adenina reducido). La vía de transporte electrónico, que también se denomina cadena de transporte electrónico (ETC), es un mecanismo mediante el cual los electrones se transfieren del NADH y FADH₂ a una serie de transportadores de electrones que se reducen y luego se oxidan en secuencia. El aceptor final es el oxígeno. En la fosforilación oxidativa, la energía liberada por el transporte de electrones se captura en forma de un gradiente de protones que impulsa la síntesis de ATP, la moneda energética de los organismos vivos.

FIGURA 9.1

Panorama general del metabolismo aeróbico

En el metabolismo aeróbico moléculas nutritivas como la glucosa, los ácidos grasos y algunos aminoácidos se degradan para formar acetil-CoA, que ingresa en el ciclo del ácido cítrico. Los transportadores de electrones (e⁻), producidos por la degradación de la glucosa y de los ácidos grasos y por varias reacciones de dicho proceso, donan electrones a la cadena de transporte electrónico mediante el NADH y el FADH₂. La energía capturada por la cadena de transporte electrónico se usa entonces para sintetizar ATP en un proceso denominado fosforilación oxidativa. Obsérvese que el O₂, el aceptor final de electrones en el metabolismo aeróbico, se combina con protones para formar moléculas de agua.

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FIGURA 9.2

Metabolismo aerobio en las mitocondrias

En las células eucariotas, el metabolismo aerobio ocurre dentro de la mitocondria. La acetil-CoA, el producto de la oxidación del piruvato, de los ácidos grasos y de determinados aminoácidos (que no se muestran), se oxida por medio de las reacciones del ciclo del ácido cítrico dentro de la matriz mitocondrial. Los productos principales del ciclo son las coenzimas reducidas NADH y FADH₂ y el CO₂. Los electrones de energía elevada del NADH y del FADH₂ se ceden a continuación a la cadena de transporte electrónico (ETC), un conjunto de transportadores de electrones de la membrana interna. El aceptor electrónico terminal de la ETC es el O₂. La energía que deriva del mecanismo de transporte electrónico impulsa la síntesis de ATP al crear un gradiente de protones a través de la membrana interna. La gran superficie plegada de la membrana interna está tachonada por complejos ETC, numerosos tipos de proteínas transportadoras y la ATP sintasa, el complejo enzimático causal de la síntesis de ATP.

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Este capítulo inicia con una revisión de las reacciones de oxidación-reducción y de la relación entre el flujo electrónico y la transducción de energía. Después se presenta una descripción detallada del ciclo del ácido cítrico, la vía central del metabolismo aerobio, y de sus funciones en la generación de energía y en la biosíntesis. En el capítulo 10 continúa la revisión del metabolismo aerobio con la descripción del transporte electrónico y de la fosforilación oxidativa, medios con los que los organismos aerobios utilizan el oxígeno para generar cantidades significativas de ATP. Finaliza con una revisión del estrés oxidativo, un conjunto de reacciones en las que los metabolitos tóxicos del oxígeno dañan la célula. También se describen los principales mecanismos que los seres vivos utilizan para protegerse del estrés oxidativo.

9.1 REACCIONES DE OXIDACIÓN-REDUCCIÓN

Escuchar

En los seres vivos, tanto los procesos que capturan energía como los que la liberan constan en gran medida de reacciones redox. Recuerde que las reacciones redox se producen cuando se transfieren electrones de un donador electrónico (reductor) a un aceptor electrónico (oxidante). En algunas reacciones redox sólo se transfieren electrones. Por ejemplo, en la reacción

{Cu}^{+} + {Fe}^{3+} ⇌ {Cu}^{2+} + {Fe}^{2+}

se transfiere un electrón del Cu⁺ al Fe³⁺. El Cu⁺, el agente reductor, se oxida para formar Cu²⁺. Mientras tanto, el Fe³⁺ se reduce a Fe²⁺. Sin embargo, en muchas reacciones se transfieren electrones y protones. Por ejemplo, la reacción catalizada por la deshidrogenasa de lactato comienza con la transferencia de un ion hidruro, esto es, un núcleo de hidrógeno y dos electrones de NADH a piruvato. Se obtiene un protón (H⁺) del ambiente (fig. 9.3) para formar los productos finales lactato y NAD⁺.

FIGURA 9.3

Reducción del piruvato mediante el NADH

En esta reacción redox se transfiere un ion hidruro (H:⁻) del NADH al piruvato y el producto es protonado por el medio circundante para formar lactato.

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Las reacciones redox se entienden mejor si se separan en dos semirreacciones. Por ejemplo, en la reacción entre el cobre y el hierro, el ion Cu⁺ pierde un electrón para convertirse en Cu²⁺:

{Cu}^{+} ⇌ {Cu}^{2+} + e^{-}

Esta ecuación indica que el Cu⁺ es el donador del electrón. (Juntos, el Cu⁺ y el Cu²⁺ constituyen un par redox conjugado.) Al perder el Cu⁺ un electrón, el Fe³⁺ gana un electrón para formar Fe²⁺:

{Fe}^{3+} + e^{-} ⇌ {Fe}^{2+}

En esta semirreacción, el Fe³⁺ es un aceptor de electrones. La separación de las reacciones redox resalta que los electrones siempre son los intermediarios comunes entre las semirreacciones.

Los constituyentes de las semirreacciones pueden observarse en una celda electroquímica (fig. 9.4). Cada semirreacción ocurre en un contenedor individual o media celda. El movimiento de electrones que se genera en la media celda que experimenta la oxidación (p. ej., Cu⁺ → Cu²⁺ + e⁻) genera un voltaje (o diferencia de potencial) entre las dos medias celdas. El signo del voltaje (que se mide con un voltímetro) es positivo o negativo según la dirección del flujo de electrones. La magnitud de la diferencia de potencial es una medida de la energía que impulsa la reacción.

FIGURA 9.4

Celda electroquímica

Los electrones fluyen de la media celda con Cu²⁺/Cu⁺ (cátodo) a través del voltímetro hacia la media celda con Fe³⁺/Fe²⁺ (ánodo). El puente salino que contiene KCl completa el circuito eléctrico. El voltímetro mide el potencial eléctrico, que impulsa los electrones desde una media celda a la otra.

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La tendencia de una sustancia específica a ganar electrones se denomina potencial de reducción. El potencial de reducción estándar de una sustancia se mide en una celda galvánica respecto a un electrodo de hidrógeno estándar. Una celda estándar tiene todos los solutos a una concentración 1.0 M, todos los gases a 1 atm de presión, y a una temperatura de 25°C. El potencial de reducción para la semirreacción 2H⁺ + 2e⁻ → H₂(g) contra el electrodo de hidrógeno estándar se fija en 0.00 V.

En bioquímica, la semirreacción de referencia es:

2 H^{+} + 2 e^{-} ⇌ H^{2}

\begin{matrix} cuando pH & = & 7 \\ temperatura & = & 25 ° C \\ presión & = & 1 atm \end{matrix}

En estas condiciones el potencial de reducción del electrodo de hidrógeno es −0.42 V cuando se mide frente al electrodo de hidrógeno estándar en el que la concentración del ion hidrógeno es 1 M. Las sustancias con potenciales de reducción menores de −0.42 V (p. ej., aquellas con valores más negativos) tienen una afinidad menor por los electrones que el H⁺. Las sustancias con potenciales de reducción mayores (p. ej., aquellas con valores más positivos) tienen una afinidad mayor por los electrones (cuadro 9.1). El pH en el electrodo de análisis es 7.0 para cada una de las semirreacciones redox y el pH del electrodo estándar de referencia es 0 o la [H⁺] es 1.0 M.

CUADRO 9.1

Potenciales de reducción estándar*

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CUADRO 9.1

Potenciales de reducción estándar*

Semirreacción redox

Potenciales de reducción estándar (E°′) (V)

2H⁺ + 2e⁻ → H₂

−0.42

α-cetoglutarato + CO₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → isocitrato

−0.38

NADP⁺ + H⁺ + 2e⁻ → NADPH

−0.324

NAD⁺ + H⁺ + 2e⁻ → NADH

−0.32

S + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂S

−0.23

FAD + 2H⁺ + 2e⁻ → FADH₂

−0.22

Acetaldehído + 2H⁺ + 2e⁻ → etanol

−0.20

Piruvato + 2H⁺ + 2e⁻ → lactato

−0.19

Oxaloacetato + 2H⁺ + 2e⁻ → malato

−0.166

Cu²⁺ + e⁻ → Cu⁺

+0.16

Fumarato + 2H⁺ + 2e⁻ → succinato

+0.031

Citocromo b (Fe³⁺) + e⁻ → citocromo b (Fe²⁺)

+0.075

Citocromo c₁ (Fe³⁺) + e⁻ → citocromo c₁ (Fe²⁺)

+0.22

Citocromo c (Fe³⁺) + e⁻ → citocromo c (Fe²⁺)

+0.235

Citocromo a (Fe³⁺) + e⁻ → citocromo a (Fe²⁺)

+0.29

NO₃⁻ + 2H⁺ + 2e⁻ → NO₂⁻ + H₂O

+0.42

NO₂⁻ + 8H⁺ + 6e⁻ → NH₄⁺ + 2H₂O

+0.44

Fe³⁺ + e⁻ → Fe²⁺

+0.77

½O₂ + 2H⁺ + 2e⁻ → H₂O

+0.82

* Por convención, las reacciones redox se escriben con el agente reductor a la derecha del agente oxidante y el número de electrones que se transfieren. En este cuadro los pares redox se dan en orden creciente de acuerdo con los valores de E°′. Entre más negativo sea el valor de E°′ de un par redox, menor será la afinidad del componente oxidado por los electrones. Entre más positivo sea el valor de E°′ mayor será la afinidad del componente oxidado del par redox por los electrones. En condiciones adecuadas, una semirreacción redox reduce cualquiera de las semirreacciones que se encuentran por debajo en el cuadro.

Una sustancia con un potencial de reducción más negativo (menos positivo) recibe electrones de una sustancia con potencial de reducción más positivo, y el potencial global de celda (ΔE°′) será positivo. La relación entre ΔE°′ y ΔG°′ es

Δ G^{°'} = - n F Δ E^{°'}

\begin{matrix} donde Δ G °' & = & el estándar de energía libre a un pH dado \\ n & = & número de electrones que se transfieren \\ F & = & constante de Faraday (96 485 J / V \cdot mol) \\ Δ E °' & = & diferencia del potencial de reducción entre el donador de electrones \\ y el aceptor de electrones en condiciones estándar. \end{matrix}

Los seres vivos utilizan coenzimas redox como portadores de electrones de alta energía. A continuación se describen los ejemplos más prominentes.

Coenzimas redox

Las formas de coenzima de las vitaminas ácido nicotínico y riboflavina son portadores universales de electrones. Sus propiedades estructurales y funcionales son las siguientes.

ÁCIDO NICOTÍNICO Existen dos formas coenzimáticas del ácido nicotínico: dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD) y fosfato de dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADP). Estas coenzimas existen en formas oxidadas (NAD⁺ y NADP⁺) y reducidas (NADH y NADPH). Las estructuras de NAD⁺ y NADP⁺ contienen adenosina y el derivado ribosilo N de la nicotinamida, que están unidos entre sí por un grupo pirofosfato (fig. 9.5a). El NADP⁺ tiene un fosfato adicional unido al grupo OH 2′ de la adenosina. (Los átomos del anillo del azúcar en un nucleótido se designan con un símbolo “prima” para distinguirlos de los átomos de la base.) Tanto el NAD⁺ como el NADP⁺ portan electrones para varias enzimas en un grupo conocido como deshidrogenasas. (Las deshidrogenasas catalizan reacciones de transferencia de hidruro. Muchas de ellas que catalizan reacciones implicadas en la generación de energía utilizan la coenzima NADH. Las enzimas que requieren NADPH suelen catalizar reacciones biosintéticas. Un pequeño número de deshidrogenasas pueden usar NADH o NADPH.)

FIGURA 9.5

Dinucleótido de nicotinamida y adenina (NAD)

(a) Nicotinamida y NAD(P)⁺. (b) Reducción reversible de NAD⁺ a NADH. Para simplificar la ecuación, sólo se muestra el anillo de la nicotinamida. El resto de la molécula se representa con la letra R.

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La deshidrogenasa alcohólica cataliza la oxidación reversible del etanol para formar acetaldehído:

Durante esta reacción el NAD⁺ acepta un ion hidruro del etanol, la molécula sustrato que sufre la oxidación. El producto se desprotona para formar la molécula de acetaldehído. La reducción reversible de NAD⁺ se ilustra en la figura 9.5b.

En la mayoría de las reacciones catalizadas por deshidrogenasas, el NAD⁺ (o el NADP⁺) se une sólo de manera transitoria a la enzima. Después de que la versión reducida de la coenzima se libera de la enzima, dona el ion hidruro a otra molécula (llamada aceptor de electrones) con potencial de reducción más positivo que el del NADH.

RIBOFLAVINA La riboflavina (vitamina B₂) es un componente de dos coenzimas: mononucleótido de flavina (FMN) y dinucleótido de flavina y adenina (FAD) (fig. 9.6). Los FMN y FAD funcionan como grupos prostéticos estrechamente unidos en una clase de enzimas conocidas como flavoproteínas. Éstas son un grupo diverso de catalizadores; funcionan como deshidrogenasas, oxidasas e hidroxilasas. Estas enzimas, utilizan el grupo isoaloxacina del FAD o del FMN como donador o aceptor de dos átomos de hidrógeno. El FMN tiene un cometido fundamental en la conexión entre las reacciones de transferencia de dos electrones en la matriz mitocondrial y las reacciones de transferencia de un electrón de la cadena de transporte electrónico, puesto que puede transferir un átomo de hidrógeno a la vez. La succinato deshidrogenasa es un ejemplo notable de una flavoproteína. Cataliza la oxidación del succinato para formar fumarato, una reacción importante en el ciclo del ácido cítrico.

FIGURA 9.6

Coenzimas de flavina

(a) La vitamina riboflavina consiste en un sistema anular de isoaloxazina vinculado con ribotol (un alcohol formado por la reducción del grupo carbonilo con CH₂OH). (b) FAD y FMN. (c) Reducción reversible de coenzimas de flavina: para simplificar la ecuación, sólo se muestra el sistema anular de la isoaloxacina. El resto de la coenzima se representa con la letra R.

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PREGUNTA 9.1

Utilice el cuadro 9.1 para determinar cuál de las siguientes reacciones procede tal como está escrita:

\begin{matrix} {CH}_{3} {CH}_{2} OH + 2 cit b ({Fe}^{3+}) \to {CH}_{3} CHO + 2 cit b ({Fe}^{2+}) + 2 H^{+} \\ {NO}_{2}^{-} + H_{2} O + 2 cit b ({Fe}^{3+}) \to 2 cit b ({Fe}^{2+}) + {NO}_{3}^{-} + 2 H^{+} \end{matrix}

PREGUNTA 9.2

¿Cuáles de las siguientes reacciones son redox? Para cada reacción redox identifique el oxidante y el reductor.

$Glucosa + ATP \to glucosa-1-fosfato + ADP$
$Lactato + {NAD}^{+} \to piruvato + NADH + H^{+}$
${NO}_{2}^{-} + 8 H^{+} + 6 cit b ({Fe}^{2 +}) \to {NH}_{4}^{+} + 2 H_{2} O + 6 cit b ({Fe}_{3}^{+})$
${CH}_{3} CHO + NADH + H^{+} \to {CH}_{3} {CH}_{2} OH + {NAD}^{+}$

PROBLEMA 9.1

Utilice los siguientes potenciales de media celda para calcular: (a) el potencial global de celda y (b) ΔG°′.

Succinato + ½ O_{2} \to fumarato + H_{2} O

Las semirreacciones son

\begin{matrix} Succinato \to fumarato + 2 H^{+} + 2 e^{-} & (E °' = - 0.031 V) \\ \frac{1}{2} O_{2} + 2 H^{+} + 2 e^{-} \to H_{2} O & (E °' = + 0.82 V) \end{matrix}

Solución

Se escribe la reacción del fumarato como una oxidación (menor potencial de reducción), se balancea si el número de electrones transferidos difiere entre las dos semirreacciones (no es necesario en este caso), y se suman las dos reacciones para obtener la reacción neta.

Succinato + ½ O_{2} \to fumarato + H_{2} O

El potencial global se define por la relación
$\begin{matrix} Δ E °' & = & Δ E °' (aceptor de electrones) - E °' (donador de electrones) \\ Δ E °' & = & (+ 0.82 V) - (- 0.031 V) \\ Δ E °' & = & + 0.85 V \end{matrix}$
Se utiliza la fórmula para encontrar ΔG°′.
$\begin{matrix} Δ G °' & = & n F Δ E °' \\ = & - (2) (96.5 kJ / V \cdot mol) (0.85 V) \\ = & - 164.05 kJ / mol \\ = & - 164 kJ / mol \end{matrix}$

PREGUNTA 9.3

Dado que las reacciones redox tienen una función importante en los procesos vitales, los bioquímicos necesitan determinar el estado de oxidación de los átomos de una molécula. En uno de los métodos el estado de oxidación de un átomo se determina asignando números a los átomos de carbono según el tipo de grupos unidos a ellos. Por ejemplo, a un enlace con un hidrógeno se le asigna el valor −1. Un enlace con otro átomo de carbono vale 0, y un enlace con un átomo electronegativo, como el oxígeno o el nitrógeno, tiene un valor de +1. Los valores de un átomo de carbono en una molécula pueden variar de −4 (p. ej., CH₄) a +4 (CO₂). Observe que el metano es una molécula de alta energía y el dióxido de carbono es una molécula de baja energía. Al cambiar el estado de oxidación del carbono de −4 (metano) a +4 (dióxido de carbono) se libera una gran cantidad de energía. Este proceso es, por lo tanto, muy exotérmico.

El etanol se degrada en el hígado mediante una serie de reacciones redox. Identifique el estado de oxidación del átomo de carbono que se indica en cada molécula de la siguiente secuencia de reacción:

PREGUNTA 9.4

Cuando el CO₂ se incorpora en moléculas orgánicas durante la fotosíntesis, ¿se oxida o se reduce?

Metabolismo aerobio

La mayor parte de la energía libre de las células aerobias se captura por la cadena de transporte electrónico (ETC) mitocondrial. Durante este proceso, los electrones se transfieren desde un par redox con un potencial de reducción más negativo (NADH/NAD⁺) a aquellos con potenciales de reducción más positivos. El último componente del sistema es el par H₂O/½O₂:

½ O_{2} + NADH + H^{+} \to H_{2} O + {NAD}^{+}

La energía libre que se desprende al pasar el par de electrones del NADH al O₂ en condiciones estándar se calcula de la siguiente forma:

\begin{matrix} Δ G °' & = & - n F Δ E °' \\ = & - 2 (96.5 kJ / V \cdot mol) [0.815 - (- 0.32)] \\ = & - 220 kJ / mol \end{matrix}

Una porción significativa de la energía libre que se genera al moverse los electrones del NADH al O₂ en la cadena de transporte electrónico se utiliza para sintetizar ATP.

Es importante resaltar que en varios procesos metabólicos, los electrones se mueven desde pares redox con potenciales de reducción más positivos hasta aquellos con potenciales de reducción más negativos. Evidentemente se requiere energía. El ejemplo más destacado de este fenómeno es la fotosíntesis (cap. 13). Los organismos fotosintetizadores utilizan la energía lumínica capturada para impulsar los electrones de los donadores electrónicos, como el agua, a los aceptores electrónicos con potenciales de reducción más negativos (fig. 9.7). Los electrones energizados regresan al final a los aceptores con potenciales de reducción más positivos, proporcionando de esta manera energía para la síntesis de ATP y la reducción del CO₂ para formar carbohidratos.

FIGURA 9.7

Flujo electrónico y energía

El flujo electrónico puede utilizarse para generar y capturar energía en la respiración aerobia. La energía también puede utilizarse para impulsar el flujo electrónico en la fotosíntesis. Nótese que la energía capturada por la fotosíntesis en los enlaces químicos de los azúcares y otras biomoléculas se libera por la respiración aerobia y se utiliza para sintetizar ATP.

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En la sección 9.2 se contempla el ciclo del ácido cítrico. En esta vía, que es la primera fase del metabolismo aerobio, la energía liberada por la oxidación de fragmentos de dos carbonos procedentes de la glucosa, de los ácidos grasos y de algunos aminoácidos se convierte en las coenzimas reducidas NADH y FADH₂.

CONCEPTOS CLAVE

En los seres vivos, los procesos que capturan energía y los que la liberan constan principalmente de reacciones redox.
En las reacciones redox los electrones se mueven entre un donador y un aceptor electrónicos.
En muchas reacciones se transfieren electrones y protones.
En los sistemas biológicos, la mayoría de las reacciones redox implican la transferencia de iones hidruro (NADH/NAD⁺) o de átomos de hidrógeno (FADH₂/FAD).

9.2 CICLO DEL ÁCIDO CÍTRICO

Escuchar

El ciclo del ácido cítrico (fig. 9.8) es un conjunto de reacciones bioquímicas que utilizan los organismos aerobios para liberar la energía química almacenada en el grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA. Ésta se encuentra formada por un grupo acetilo que procede de la degradación de los carbohidratos, de los lípidos y de algunos aminoácidos, que está unido a la molécula transportadora de acilo coenzima A (fig. 9.9). La acetil-CoA se sintetiza a partir de piruvato (un producto parcialmente oxidado de la degradación de los azúcares y de determinados aminoácidos) en una serie de reacciones. La acetil-CoA también es el producto del catabolismo de los ácidos grasos (que se describe en el cap. 11) y de determinadas reacciones del metabolismo de los aminoácidos (cap. 15). En el ciclo del ácido cítrico, los átomos de carbono se oxidan a CO₂ y los electrones se transfieren al NAD⁺ y al FAD.

FIGURA 9.8

Ciclo del ácido cítrico

En cada vuelta del ciclo entra la acetil-CoA procedente de la vía glucolítica o del catabolismo de los ácidos grasos y salen dos moléculas de carbono totalmente oxidadas en forma de CO₂. Se reducen tres moléculas de NAD⁺ y una molécula de FAD. Se genera una molécula de GTP (interconvertible con el ATP) en una reacción de fosforilación en el nivel del sustrato.

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FIGURA 9.9

Coenzima A

En la coenzima A un fosfato 3′ derivado del ADP está unido al ácido pantoténico a través de un enlace éster fosfato. El grupo β-mercaptoetilamina de la coenzima A está unido al ácido pantoténico por un enlace amida. La coenzima A es un transportador de grupos acilo cuyo tamaño va desde un grupo acetilo hasta ácidos grasos de cadena larga. Debido a que el grupo SH reactivo forma un enlace tioéster con los grupos acilo, la coenzima A suele abreviarse como CoASH. Nótese que el azufre es un mejor grupo donador que el oxígeno. Por consiguiente, el enlace carbono-azufre de un tioéster es un enlace de alta energía, más fácil de dividir que el enlace carbono-oxígeno de un éster.

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En la primera reacción del ciclo del ácido cítrico, un grupo acetilo de dos carbonos se condensa con una molécula de cuatro carbonos (oxaloacetato) para formar una molécula de seis carbonos (citrato). Durante las siete reacciones siguientes, en las que se producen dos moléculas de CO₂ y se eliminan cuatro pares de electrones de compuestos carbonados, el citrato se convierte de nuevo en oxaloacetato. Durante un paso del ciclo, se produce la molécula de alta energía trifosfato de guanosina (GTP) durante una fosforilación en el nivel del sustrato. La reacción neta del ciclo del ácido cítrico es:

\begin{matrix} Acetil-CoA + 3 {NAD}^{+} + FAD + GDP + P_{i} + 2 H_{2} O \to \\ 2 {CO}_{2} + 3 NADH + {FADH}_{2} + CoASH + GTP + 2 H^{+} \end{matrix}

El ciclo del ácido cítrico tiene otra función importante en el metabolismo, además de su función en la producción de energía. Los intermediarios del ciclo son sustratos de diversas reacciones de biosíntesis. En el cuadro 9.2 se resumen las funciones de las coenzimas en el ciclo del ácido cítrico.

CUADRO 9.2

Resumen de las coenzimas del ciclo del ácido cítrico

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CUADRO 9.2

Resumen de las coenzimas del ciclo del ácido cítrico

Coenzima

Funciones

Pirofosfato de tiamina (TPP)

Descarboxilación y transferencia de grupos aldehído

Ácido lipoico

Transportador de grupos hidrógeno o acetilo

NADH

Transportador electrónico

FADH₂

Transportador electrónico

Coenzima A (CoASH)

Transportador de grupos acetilo

Conversión del piruvato en acetil-CoA

Tras su transporte a la matriz mitocondrial, el piruvato se convierte en acetil-CoA mediante una serie de reacciones catalizadas por las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa. La reacción neta, una descarboxilación oxidativa, es la siguiente:

Piruvato + {NAD}^{+} + CoASH \to Acetil-CoA + NADH + {CO}_{2} + H^{+}

A pesar de la simplicidad aparente de esta reacción muy exergónica (ΔG°′ = −33.5 kJ/mol), su mecanismo es uno de los más complejos que se conocen. El complejo piruvato deshidrogenasa es una estructura multienzimática grande que contiene tres actividades enzimáticas: piruvato deshidrogenasa (E₁), conocida también como piruvato descarboxilasa, dihidrolipoil transacetilasa (E₂) y dihidrolipoil deshidrogenasa (E₃). Cada actividad enzimática está presente en múltiples copias. En el cuadro 9.3 se resume el número de copias de cada enzima y las coenzimas que requiere el complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli.

CUADRO 9.3

Complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli

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CUADRO 9.3

Complejo piruvato deshidrogenasa de E. coli

Actividad enzimática

Función

Núm. de copias por complejo*

Coenzimas

Piruvato deshidrogenasa (E₁)

Descarboxila al piruvato

24 (20-30)

TPP

Dihidrolipoil transacetilasa (E₂)

Cataliza la transferencia del grupo acetilo a la CoASH

24 (60)

Ácido lipoico, CoASH

Dihidrolipoil deshidrogenasa (E₃)

Oxida de nuevo a la dihidrolipoamida

12 (20-30)

NAD⁺, FAD

* En paréntesis se presenta el número de moléculas de cada actividad enzimática que se encuentra en la piruvato deshidrogenasa de los mamíferos.

En el primer paso, la piruvato deshidrogenasa cataliza la descarboxilación del piruvato. Se forma un nucleófilo cuando un residuo básico de la enzima extrae un protón del anillo de tiazol del pirofosfato de tiamina (TPP). (El TPP es la forma coenzimática de la tiamina, también llamado vitamina B₁.) Se forma el intermediario, hidroxietil-TPP (HETPP), tras el ataque del anillo nucleófilo de tiazol al grupo carbonilo del piruvato con la pérdida resultante de CO₂ (fig. 9.10).

FIGURA 9.10

Reacciones catalizadas por el complejo piruvato deshidrogenasa

La piruvato carboxilasa, que contiene TPP, cataliza la formación de HETPP. (1) TPP actúa sobre el piruvato para producir un intermediario reactivo que (2) se descarboxila para producir HETPP. La dihidrolipoil transacetilasa utiliza el ácido lipoico como cofactor para convertir el grupo hidroxietilo de HETPP en acetil-CoA. En el paso (3), un carbanión estabilizado por resonancia ataca la lipoamida oxidada de dihidrolipoil transacetilasa. (4) La enzima convierte el grupo hidroxietilo en un grupo acetilo. Nótese que el grupo acetilo está unido con lipoamida mediante un enlace tiol éster. (5) El ataque nucleofílico de CoASH sobre el carbono carbonilo del grupo acetilo produce acetil-CoA y dihidrolipoamida. En el paso (6), la dihidrolipoil deshidrogenasa oxida de nuevo la lipoamida reducida. El FAD se regenera cuando FADH₂ dona un ion hidruro a NAD⁺. (Refiérase a la fig. 9.11 para conocer la estructura de la lipoamida.)

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CONCEPTO CLAVE

El piruvato se convierte en acetil-CoA por medio de las enzimas del complejo piruvato deshidrogenasa. Las coenzimas que se requieren son TPP, FAD, NAD⁺, coenzima A y ácido lipoico.

En los siguientes pasos, el grupo hidroxietilo del HETPP se convierte en acetil-CoA por dihidrolipoil transacetilasa. El ácido lipoico (fig. 9.11), una coenzima de transferencia de acilos que contiene dos grupos tiol que pueden oxidarse de manera reversible, tiene una función esencial en esta transformación. El ácido lipoico está unido a la enzima a través de un enlace amida con el grupo amino ε de un residuo de lisina. Reacciona con el HETPP para formar un ácido lipoico acetilado y TPP libre. El grupo acetilo se transfiere a continuación al grupo sulfhidrilo de la coenzima A. Después, el ácido lipoico reducido se oxida de nuevo por la dihidrolipoil deshidrogenasa. El FADH₂ se vuelve a oxidar mediante el NAD⁺ (con su potencial de reducción más negativo) para formar el FAD que se requiere para la oxidación del siguiente residuo de ácido lipoico reducido. El NADH móvil puede entregar sus electrones a la ETC y es sustituido en la enzima por otra molécula de NAD⁺ para que el ciclo pueda comenzar de nuevo.

FIGURA 9.11

Lipoamida

El ácido lipoico está unido de forma covalente a la enzima a través de un enlace amida con el grupo ε-amino de un residuo de lisina.

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PDHC está bajo un control estricto por su función central en el metabolismo energético, en particular en la vinculación de la glucólisis con el ciclo del ácido cítrico. Su actividad está controlada sobre todo por efectores alostéricos y modificación covalente. El NAD⁺, la CoASH y el AMP activan de manera alostérica al complejo enzimático. Las concentraciones elevadas de ATP y los productos de la reacción acetil-CoA y NADH lo inhiben. En los mamíferos, el acetil-CoA y NADH también activan una cinasa que convierte el complejo piruvato deshidrogenasa activo en su forma fosforilada inactiva. Las concentraciones altas de los sustratos piruvato, CoASH y NAD⁺ inhiben la actividad de la cinasa. El complejo piruvato deshidrogenasa se reactiva mediante una reacción de desfosforilación catalizada por la fosfoproteína fosfatasa piruvato deshidrogenasa fosfatasa (PDP). La PDP se activa cuando la concentración mitocondrial de ATP es baja, también se activa por el Ca²⁺ y la insulina.

Reacciones del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico está formado por ocho reacciones que ocurren en dos fases:

El grupo acetilo de dos carbonos de la acetil-CoA entra al ciclo al reaccionar con el compuesto de cuatro carbonos oxaloacetato y después se liberan dos moléculas de CO₂ (reacciones 1-4).
El oxaloacetato se regenera de forma que pueda reaccionar con otra acetil-CoA (reacciones 5-8).

Las enzimas que catalizan estas reacciones se relacionan mediante interacciones no covalentes en metabolomas, complejos multienzimáticos que aseguran la dirección del producto de cada reacción a la siguiente enzima de la vía.

Las reacciones del ciclo del ácido cítrico son las siguientes:

Introducción de dos carbonos como acetil-CoA. El ciclo del ácido cítrico comienza con la condensación de la acetil-CoA con el oxaloacetato para formar citrato:

Observe que esta reacción es una condensación aldólica. En esta reacción (fig. 9.12) la enzima remueve un protón del grupo metilo de la acetil-CoA, convirtiéndola de esta manera en un enol. Éste a continuación ataca al carbono carbonilo del oxaloacetato. El producto, la citroil-CoA, se hidroliza rápidamente para formar citrato y CoASH. Debido a la hidrólisis del enlace tioéster de alta energía, la variación de energía libre estándar global resulta igual a −33.5 kJ/mol y la formación de citrato es muy exergónica.
El citrato se isomeriza para formar un alcohol secundario que puede oxidarse con facilidad. En la reacción siguiente del ciclo el citrato, que contiene un alcohol terciario, se convierte de forma reversible en isocitrato por medio de 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. Aunque el cambio de energía libre estándar de la isomerización del citrato es positiva (ΔG°′ = 13.3 kJ), la reacción es impulsada por la rápida eliminación del isocitrato a través de la siguiente reacción.
El isocitrato se oxida para formar NADH y CO2. La descarboxilación oxidativa del isocitrato, que cataliza la isocitrato deshidrogenasa, ocurre en tres pasos. Primero, el isocitrato se oxida para formar un intermediario transitorio que contiene un grupo cetona llamado oxalosuccinato. Un cofactor manganeso (Mn²⁺) facilita la polarización del grupo cetona recién formado. La descarboxilación inmediata del oxalosuccinato resulta en la formación de α-cetoglutarato, un α-cetoácido.

En los mamíferos existen dos formas de isocitrato deshidrogenasa. La isoenzima que requiere NAD⁺ sólo se encuentra dentro de las mitocondrias. La otra isoenzima, que requiere NADP⁺, se encuentra tanto en la matriz mitocondrial como en el citoplasma. En algunas circunstancias la última enzima se utiliza dentro de ambos compartimentos para generar NADPH, que se requiere en los procesos de biosíntesis. Obsérvese que el NADH producido en la conversión del isocitrato en α-cetoglutarato es el primer enlace entre el ciclo del ácido cítrico y la ETC y la fosforilación oxidativa.
El α-cetoglutarato se oxida para formar una segunda molécula de NADH y una de CO₂. La conversión del α-cetoglutarato en succinil-CoA la catalizan las actividades enzimáticas del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: α-cetoglutarato deshidrogenasa, dihidrolipoil transsuccinilasa y dihidrolipoil deshidrogenasa.

Esta reacción muy exergónica (ΔG°′ = −33.5 kJ/mol), una descarboxilación oxidativa, es análoga a la conversión del piruvato en acetil-CoA, que cataliza la piruvato deshidrogenasa. En ambas reacciones los productos son moléculas de tioéster con energía abundante, acetil-CoA y succinil-CoA. Otras semejanzas entre los dos complejos multienzimáticos son que se requieren los mismos cofactores (TPP, CoASH, ácido lipoico, NAD⁺ y FAD) y que los mismos efectores alostéricos, u otros semejantes, son inhibidores. La succinil-CoA, el NADH, el ATP y el GTP inhiben la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Una diferencia importante entre los dos complejos es que el mecanismo de control del complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa no implica una modificación covalente.
La división de la succinil-CoA está acoplada con una fosforilación en el nivel del sustrato. La rotura del enlace tioéster de alta energía de la succinil-CoA para formar succinato es una reacción reversible catalizada por la succinil-CoA sintetasa (que también recibe el nombre de succinato tiocinasa). En los mamíferos, la reacción está acoplada a la fosforilación en el nivel del sustrato de ADP o GDP. Existen dos formas de succinil-CoA sintetasa; una es específica para el ATP y la otra para el GTP. En muchos tejidos se producen ambas enzimas, aunque sus cantidades relativas varían.

La dirección de la reacción depende de las concentraciones relativas de los nucleósidos difosfatados (ADP, GDP, o ambos) y de los nucleótidos trifosfatados (ATP, GTP, o ambos). El grupo fosforilo del GTP puede donarse a un ADP en una reacción reversible catalizada por la cinasa de nucleósidos difosfatados.
La molécula de cuatro carbonos succinato se oxida para formar fumarato y FADH₂. La succinato deshidrogenasa cataliza la oxidación del succinato para formar fumarato:

De forma diferente a otras enzimas del ciclo del ácido cítrico, la succinato deshidrogenasa no se encuentra dentro de la matriz de la mitocondria, sino que está firmemente unida a su membrana interna. La succinato deshidrogenasa es una flavoproteína que utiliza FAD para impulsar la oxidación del succinato en fumarato porque la oxidación de un alcano requiere un agente oxidante más potente que NAD⁺. La succinato deshidrogenasa está compuesta por cuatro subunidades. ShdA contiene el sitio de unión para succinato y un FAD unido por enlace covalente. ShdB tiene tres cúmulos hierro-azufre que funcionan como portadores de electrones entre FADH₂ y la coenzima Q, un componente del ETC. Las subunidades ShdC y ShdD son moléculas hidrófobas que fijan el complejo enzimático a la membrana interna. El ΔG°′ para la oxidación del succinato es −5.6 kJ/mol. La succinato deshidrogenasa se activa por concentraciones elevadas de succinato, de ATP y de P_i, y la inhiben el oxaloacetato y el malonato, un análogo estructural del succinato cuya acumulación redirige energía a la síntesis de ácidos grasos. Hans Krebs utilizó este inhibidor en sus trabajos pioneros sobre el ciclo del ácido cítrico.
Hidratación del fumarato. El fumarato se convierte en l-malato en una reacción de hidratación estereoespecífica reversible catalizada por la fumarasa (que también se denomina fumarato hidratasa):
El malato se oxida para formar oxaloacetato y un tercer NADH. Finalmente, el oxaloacetato se regenera con la oxidación del l-malato:

La malato deshidrogenasa utiliza como agente oxidante el NAD⁺ en una reacción muy endergónica (ΔG°′ = +29 kJ/mol). La reacción se completa por la eliminación del oxaloacetato en la siguiente vuelta del ciclo.

FIGURA 9.12

Síntesis de citrato

(1) Un grupo carboxilato de cadena lateral de la enzima citrato sintasa extrae un protón del grupo metilo de la acetil-CoA. (2) De manera simultánea, un grupo NH de cadena lateral de un residuo histidina dona un protón al oxígeno carbonilo, con lo que genera un intermediario enol. (3) La misma cadena lateral de histidina desprotona entonces el enol para producir un anión enolato que ataca el carbono carbonilo del oxaloacetato. (4) Entonces el producto, citroil-CoA, se hidroliza en una reacción de sustitución de acilo nucleofílica para generar citrato y CoASH.

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Destino de los átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico

En cada vuelta del ciclo del ácido cítrico entran dos átomos de carbono como el grupo acetilo de la acetil-CoA y se liberan dos moléculas de CO₂. Una revisión cuidadosa de la figura 9.8 revela que 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 oxaloacetato que reaccionó con la acetil-CoA entrante. Los átomos de carbono entrantes después forman la mitad del succinato. Debido a la estructura asimétrica del succinato, los átomos de carbono que derivan del grupo acetilo entrante se distribuyen al final en todas las moléculas procedentes del succinato. Por consiguiente, los átomos de carbono que entran se liberan como CO₂ sólo tras dos o más vueltas del ciclo.

CONCEPTOS CLAVE

El ciclo del ácido cítrico comienza con la condensación de una molécula de acetil-CoA con el oxaloacetato para formar citrato, que después se convierte de nuevo en oxaloacetato.
Durante este proceso se producen dos moléculas de CO₂, tres moléculas de NADH, una molécula de FADH₂ y una molécula de GTP.

PREGUNTA 9.5

Siga el camino del carbono marcado en la a través de una vuelta del ciclo del ácido cítrico. Tras observar la figura 9.8 sugiera por qué se requieren más de dos vueltas del ciclo para que todos los átomos de carbono marcados se liberen como ¹⁴CO₂.

Ciclo del ácido cítrico anfibólico

Las vías anfibólicas pueden actuar como procesos anabólicos o catabólicos. El ciclo del ácido cítrico es de manera evidente catabólico, dado que los grupos acetilo se oxidan para formar CO₂ y la energía se conserva en las moléculas coenzimáticas reducidas. El ciclo del ácido cítrico es también anabólico, dado que varios intermediarios de dicho proceso son precursores de vías de biosíntesis (fig. 9.13). Por ejemplo, el oxaloacetato se utiliza en la gluconeogénesis (cap. 8) y en la síntesis de los aminoácidos lisina, treonina, isoleucina y metionina (cap. 14). El α-cetoglutarato también tiene una función importante en la síntesis de aminoácidos como precursor del glutamato, de la glutamina, de la prolina y de la arginina. La síntesis de porfirinas como el hem requiere de succinil-CoA (cap. 14). Por último, el exceso de moléculas de citrato se transporta al citoplasma, donde se escinden para formar oxaloacetato y acetil-CoA. Esta última molécula se utiliza para sintetizar ácidos grasos y moléculas esteroideas como el colesterol (cap. 12).

FIGURA 9.13

Ciclo del ácido cítrico anfibólico

El ciclo del ácido cítrico opera en procesos anabólicos (p. ej., la síntesis de ácidos grasos, de colesterol, de grupos hemo y de glucosa) y catabólicos (p. ej., la degradación de los aminoácidos y la producción de energía).

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CONCEPTOS CLAVE

El ciclo del ácido cítrico es una vía anfibólica; es decir, actúa tanto en el catabolismo como en el anabolismo.
Los intermediarios del ciclo del ácido cítrico que se utilizan en los procesos anabólicos se reponen mediante varias reacciones anapleróticas.

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 reabastecen. Una de las reacciones anapleróticas más importante es la que cataliza la piruvato carboxilasa. Una concentración elevada de acetil-CoA, un indicador de concentración insuficiente de oxaloacetato, activa la piruvato carboxilasa. Como consecuencia, aumenta la concentración de oxaloacetato. Otras reacciones anapleróticas incluyen la síntesis de succinil-CoA a partir de determinados ácidos grasos (cap. 12) y la producción de los α-cetoácidos α-cetoglutarato y oxaloacetato a partir de los aminoácidos glutamato y aspartato, respectivamente, mediante reacciones de transaminación (cap. 14).

Deficiencia de piruvato carboxilasa

PREGUNTA 9.6

La deficiencia de piruvato carboxilasa, una enfermedad habitualmente letal, ocurre cuando la enzima que convierte al piruvato en oxaloacetato no se produce o es defectuosa. Se caracteriza por grados variables de retraso mental y alteraciones en numerosas vías metabólicas, en particular en las que corresponden a los aminoácidos y a sus productos de degradación. Un síntoma destacado de esta enfermedad es la aciduria láctica (presencia de ácido láctico en la orina). Tras revisar la función de la piruvato carboxilasa, explique por qué se produce este síntoma.

Regulación del ciclo del ácido cítrico

El ciclo del ácido cítrico es regulado con precisión para que se satisfagan de manera constante las necesidades energéticas y de biosíntesis de la célula (fig. 9.14). La regulación se consigue en primera instancia por el control de tres enzimas irreversibles dentro del ciclo: la citrato sintasa, la isocitrato deshidrogenasa y la α-cetoglutarato deshidrogenasa. Tales enzimas operan lejos del equilibrio (p. ej., con valores muy negativos de ΔG°′) y también catalizan reacciones que representan importantes puntos de ramificación metabólicos. Entre las estrategias de control se incluyen la disponibilidad de sustratos, la inhibición mediada por productos. La concentración elevada de Ca²⁺ en la matriz también activa las tres enzimas.

FIGURA 9.14

Control del ciclo del ácido cítrico

En esta ilustración se indican los principales sitios reguladores del ciclo. Los activadores y los inhibidores de las enzimas reguladas se muestran en diferentes colores.

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CITRATO SINTASA La citrato sintasa, la primera enzima del ciclo, cataliza la formación de citrato a partir de acetil-CoA y oxaloacetato. Dado que las concentraciones de estas dos moléculas son bajas en la mitocondria en relación con la cantidad de la enzima, cualquier aumento de la disponibilidad del sustrato estimula la síntesis de citrato. En la mayoría de los organismos eucariotas, la citrato sintasa no tiene reguladores alostéricos. Su velocidad de acción está controlada sobre todo por la disponibilidad de la molécula sustrato oxaloacetato. Como el oxaloacetato es producto de una reacción endergónica, su concentración en las mitocondrias es bastante baja en relación con el malato, a menos que el índice NADH/NAD⁺ sea bajo. (En muchas bacterias gramnegativas, como E. coli, el ATP, NADH y succinil-CoA inhiben la citrato sintasa por mecanismos alostéricos.) La citrato sintasa también se inhibe por su producto, el citrato.

ISOCITRATO DESHIDROGENASA La isocitrato deshidrogenasa cataliza la segunda reacción del ciclo regulada en extremo. Concentraciones relativamente elevadas de ADP y NAD⁺ estimulan su actividad y el ATP y el NADH la inhiben. La isocitrato deshidrogenasa está muy regulada debido a su importante función en el metabolismo del citrato (fig. 9.15). Como se describió antes, la conversión de citrato en isocitrato es reversible. Una mezcla equilibrada de las dos moléculas consta en gran medida de citrato. (La reacción se impulsa hacia adelante debido a que el isocitrato se transforma con rapidez en α-cetoglutarato.) De las dos moléculas, sólo el citrato puede penetrar en la membrana mitocondrial interna. Cuando se satisfacen las demandas celulares de energía, las moléculas de citrato excesivas se transportan fuera de la mitocondria y en el citoplasma. El citrato es escindido por liasa de citrato para producir acetil-CoA y oxaloacetato. La acetil-CoA que se forma se utiliza en la formación de ácidos grasos. (El transporte del citrato es un medio para extraer a la acetil-CoA de la mitocondria por que no puede atravesar su membrana interna.) El oxaloacetato se utiliza en las reacciones de biosíntesis o suele convertirse en malato. Éste puede volver a entrar en la mitocondria, donde se transforma de nuevo en oxaloacetato o se convierte en piruvato en el citoplasma por medio de la enzima málica. Entonces el piruvato vuelve a entrar en la mitocondria. Además de ser un precursor de la acetil-CoA y del oxaloacetato en el citoplasma, el citrato actúa también de forma directa para regular varios procesos citoplásmicos. Éste es un activador alostérico de la primera reacción de la síntesis de los ácidos grasos. Además, el metabolismo del citrato proporciona parte del NADPH que se utiliza para la síntesis de ácidos grasos. Por último, como el citrato es un inhibidor de la PFK-1 (fosfofructocinasa-1), inhibe la glucólisis.

FIGURA 9.15

Metabolismo del citrato

Cuando el citrato, un intermediario del ciclo del ácido cítrico, se desplaza de la matriz mitocondrial al citoplasma, se rompe para formar acetil-CoA y oxaloacetato mediante la liasa de citrato. La reacción de la liasa de citrato es impulsada por la hidrólisis de ATP. La mayor parte del oxaloacetato se reduce a malato por medio de la malato deshidrogenasa. Pueden usarse moléculas de acetil-CoA en vías biosintéticas, como la síntesis de ácidos grasos. El malato se oxida a continuación a piruvato y CO₂ por la enzima málica. El NADPH que se produce en esta reacción se utiliza en los procesos citoplásmicos de biosíntesis, como la formación de los ácidos grasos. El piruvato entra en las mitocondrias, donde puede convertirse en oxaloacetato o acetil-CoA. El malato también puede entrar de nuevo en estos organelos, donde se oxida una vez más para formar oxaloacetato.

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α-CETOGLUTARATO DESHIDROGENASA La actividad de la α-cetoglutarato deshidrogenasa está regulada de manera estricta dada la importancia del α-cetoglutarato en numerosos procesos metabólicos (p. ej., el metabolismo de los aminoácidos). Cuando las reservas celulares de energía son bajas, 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. También es inhibida por su producto, succinil-CoA, y es activada por AMP, un indicador crítico de baja carga de energía.

CONCEPTOS CLAVE

El ciclo del ácido cítrico está regulado de manera estrecha, lo cual garantiza que se satisfagan las necesidades energéticas y de biosíntesis de la célula.
Los efectores alostéricos y la disponibilidad del sustrato regulan en primera instancia a las enzimas citrato sintasa, isocitrato deshidrogenasa, α-cetoglutarato deshidrogenasa, piruvato deshidrogenasa y piruvato carboxilasa.

Dos enzimas ajenas al ciclo del ácido cítrico afectan su regulación en gran medida. 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. Por ejemplo, si una célula está utilizando un intermediario del ciclo como el α-cetoglutarato en la biosíntesis, la concentración de oxaloacetato disminuye y se acumula acetil-CoA. Dado que la acetil-CoA es un activador de la piruvato carboxilasa (y un inhibidor de la piruvato deshidrogenasa), se produce más oxaloacetato a partir de piruvato, reabasteciendo así el ciclo.

REGULACIÓN DEL CALCIO Los mecanismos para la transducción de la señal por la que las células responden a diversos estímulos (p. ej., hormonas, factores de crecimiento y neurotransmisores) a menudo implican aumentos transitorios en la [Ca²⁺] citoplásmica, seguida de un aumento rápido en la [Ca²⁺] en la matriz mitocondrial. Una función crucial del Ca²⁺ en la matriz es la estimulación de la síntesis de ATP por activación de enzimas que regulan el ritmo del ciclo del ácido cítrico. Los iones calcio estimulan la actividad de PDHC por activación de la enzima desfosforilante PDP. Tanto la isocitrato deshidrogenasa como la α-cetoglutarato deshidrogenasa se activan de manera directa por Ca²⁺ cuando el ion se une con un sitio regulador en cada enzima. Por tanto, la relación de la respuesta de la célula mediante una vía de transducción de señal impulsada por un estímulo con la captación de Ca²⁺ en la matriz mitocondrial sirve para balancear la demanda energética con la producción de energía.

El ciclo del ácido cítrico y la enfermedad humana

Aunque son poco comunes, varias enfermedades humanas se han atribuido a deficiencias en las enzimas del ciclo del ácido cítrico. Debido a las altas necesidades de energía del cerebro, las enfermedades observadas suelen ser formas de encefalopatía (disfunción cerebral caracterizada por deficiencias cognitivas, temblor y convulsiones). Por ejemplo, las encefalopatías se relacionan con mutaciones en los genes que codifican la α-cetoglutarato deshidrogenasa, la subunidad A de la succinato deshidrogenasa, fumarasa y succinil-CoA sintetasa. Varios cánceres raros también se producen por deficiencias enzimáticas en el ciclo del ácido cítrico. Las mutaciones SHB y SHD generan feocromocitoma, un tumor suprarrenal que secreta cantidades excesivas de las hormonas o moléculas neurotransmisoras adrenalina y noradrenalina. Los síntomas incluyen frecuencia cardiaca muy alta, transpiración, presión sanguínea elevada y ansiedad. Una forma de cáncer de células renales se origina por mutaciones en la fumarasa.

Encefalopatía y cánceres

Ciclo del glioxilato

Los vegetales y algunos hongos, algas, protozoos y bacterias pueden crecer utilizando compuestos con dos carbonos. (Las moléculas como el etanol, el acetato y la acetil-CoA, que derivan de los ácidos grasos, son los sustratos más comunes.) El conjunto de reacciones causales de esta capacidad, que se denomina ciclo del glioxilato, es una versión modificada del ciclo del ácido cítrico. En los vegetales, el ciclo del glioxilato ocurre en organelos denominados glioxisomas. En ausencia de la fotosíntesis, por ejemplo, el crecimiento de las semillas germinadas está respaldado por la conversión de las reservas de grasas (triacilgliceroles) en carbohidratos. En otros organismos eucariotas y en las bacterias, las enzimas del glioxilato se encuentran en el citoplasma.

El ciclo del glioxilato (fig. 9.16) consta de cinco reacciones. Las dos primeras (la síntesis de citrato y de isocitrato) son familiares, porque también ocurren en el ciclo del ácido cítrico. Sin embargo, la formación de citrato a partir de oxaloacetato y acetil-CoA y la isomerización de citrato para formar isocitrato están catalizadas por isoenzimas específicas de los glioxisomas. Las dos reacciones siguientes son únicas del ciclo del glioxilato. El isocitrato se divide en dos moléculas (succinato y glioxilato) por medio de la liasa de isocitrato. (Esta reacción es una escisión aldólica.) El succinato, una molécula de cuatro carbonos, al final se convierte en malato mediante enzimas mitocondriales (fig. 9.17). La molécula de dos carbonos glioxilato reacciona con una segunda molécula de acetil-CoA para formar malato en una reacción catalizada por la malato sintasa. El ciclo se completa al convertirse el malato en oxaloacetato por medio de la malato deshidrogenasa.

FIGURA 9.16

Ciclo del glioxilato

Utilizando algunas de las enzimas del ciclo del ácido cítrico, el ciclo del glioxilato convierte dos moléculas de acetil-CoA en una molécula de oxaloacetato. Se evitan ambas reacciones de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico.

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FIGURA 9.17

Función del ciclo del glioxilato en la gluconeogénesis

La acetil-CoA que se utiliza en el ciclo del glioxilato procede de la degradación de los ácidos grasos (la β-oxidación, cap. 12). En los organismos con las enzimas adecuadas puede formarse glucosa a partir de compuestos de dos carbonos como el etanol y el acetato. En los vegetales, las reacciones se localizan dentro de los cuerpos lipídicos, de los glioxisomas, de las mitocondrias y del citoplasma.

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El ciclo del glioxilato permite la síntesis neta de moléculas más grandes a partir de moléculas de dos carbonos. Se evitan las reacciones de descarboxilación del ciclo del ácido cítrico, en las que se pierden dos moléculas de CO₂. Utilizando dos moléculas de acetil-CoA, el ciclo del glioxilato produce una molécula de succinato y otra de oxaloacetato. El succinato se utiliza para la síntesis de moléculas de importancia metabólica como la glucosa. (En organismos como los animales, que no tienen liasa de isocitrato ni malato sintasa, los sustratos de la gluconeogénesis siempre son moléculas con al menos tres átomos de carbono. En estos organismos no hay síntesis neta de glucosa a partir de los ácidos grasos.) El producto oxaloacetato se utiliza para mantener el ciclo del glioxilato.

CONCEPTOS CLAVE

Los organismos en los que ocurre el ciclo del glioxilato pueden utilizar moléculas de dos carbonos para mantener el crecimiento.
En los vegetales, el ciclo del glioxilato ocurre en organelos denominados glioxisomas.

Bioquímica EN PERSPECTIVA

Historia evolutiva del ciclo del ácido cítrico

¿Cómo y por qué se originó el ciclo del ácido cítrico?

La evolución biológica es en general un proceso conservador: se retienen metabolitos y enzimas que realizan funciones vitales. Con el tiempo, a medida que las condiciones ambientales cambian, a menudo los organismos reclutan componentes preexistentes para nuevas funciones. El ciclo del ácido cítrico es un ejemplo interesante. Como resultado de los análisis genómicos y bioquímicos de una vasta cantidad de especies procariotas y eucariotas, los investigadores de las ciencias biológicas han comenzado a dilucidar los orígenes del ciclo. Una característica importante de este trabajo es el estudio de organismos que usan fragmentos del ciclo, que lo usan en sentido inverso, o que no lo usan en absoluto.

Es casi seguro que el ciclo del ácido cítrico, que constituye el núcleo de los procesos metabólicos en la mayoría de los organismos modernos, no emergió en su forma actual en cuanto comenzó a acumularse O₂ en la atmósfera terrestre. Existen datos significativos que sugieren que el ciclo del ácido cítrico surgió en un principio en las procariotas anaerobias como dos vías separadas: una rama reductora (oxaloacetato → succinato o succinil-CoA) y una rama oxidativa (oxaloacetato → α-cetoglutarato o succinil-CoA) (fig. 9A).

La rama reductora resolvió varios problemas de los organismos primordiales. Entre ellos está el de encontrar una fuente de aceptores electrónicos y precursores biosintéticos. Recuerde que para el funcionamiento continuo de la vía glucolítica se requiere que las moléculas de piruvato sean reducidas de modo que el NADH pueda reoxidarse. Sin embargo, este “equilibrio redox” impide el uso de moléculas de piruvato como precursores metabólicos. Al parecer este problema lo resolvieron dos reacciones de la rama reductora de la vía que reoxida al NADH. La primera es la conversión de oxaloacetato en malato. Esta reacción la cataliza la malato deshidrogenasa, una enzima que se piensa que se originó a partir de una duplicación del gen de la deshidrogenasa láctica. Fue posible extender la rama reductora gracias a la adición de fumarasa y de fumarato reductasa, que catalizan la conversión reversible de malato a fumarato y la reducción de fumarato para formar succinato, respectivamente. Los organismos que desarrollaron este mecanismo para reoxidar el NADH habrían tenido una ventaja selectiva por el incremento en el potencial biosintético. Además de utilizar algunas moléculas de piruvato como precursores biosintéticos (p. ej., determinados aminoácidos y acetil-CoA), estos organismos también fueron capaces de aprovechar los intermediarios de la rama reductora para la biosíntesis. Algunos ejemplos son la síntesis de aspartato a partir de oxaloacetato y de porfirinas a partir de succinil-CoA.

La rama oxidativa de un ciclo del ácido cítrico incompleto genera α-cetoglutarato (o posiblemente succinil-CoA) a partir de citrato, el producto de la reacción del oxaloacetato y la acetil-CoA. Tanto el citrato como el α-cetoglutarato son moléculas precursoras biosintéticas (p. ej., ácidos grasos y glutamato, respectivamente). El mantenimiento del equilibrio redox de estas reacciones requiere un aceptor final de electrones para el NADH producido por la oxidación de isocitrato para formar α-cetoglutarato. Se cree que en los organismos anaerobios primitivos el azufre tuvo esta función.

Cuando las concentraciones atmosféricas de oxígeno aumentaron, el aprovechamiento del O₂ como aceptor de electrones fue posible gracias a un ciclo del ácido cítrico completo. Se han propuesto dos posibles mecanismos. En un escenario, las dos ramas (piruvato → α-cetoglutarato y piruvato → succinil-CoA) fueron vinculadas por medio de la α-cetoglutarato deshidrogenasa, el producto de la duplicación del gen de la piruvato deshidrogenasa. De manera alternativa, la succinil-CoA sintetasa fue la enzima utilizada para conectar las ramas (piruvato → succinil-CoA y piruvato → succinato), con lo cual se completó el ciclo.

RESUMEN: Es probable que el ciclo del ácido cítrico se haya desarrollado en las células primordiales como dos vías separadas: la rama reductora, que proporcionó un medio para reoxidar el NADH, y la rama oxidativa, que produjo las moléculas precursoras biosintéticas citrato y α-cetoglutarato.

FIGURA 9A

Ciclo del ácido cítrico incompleto

En las condiciones anaerobias, los procariotas primitivos desarrollaron dos ramas de lo que con el tiempo se convertiría en el ciclo del ácido cítrico moderno. En la rama reductora (piruvato → succinato o, en esta ilustración, succinil-CoA), una proporción de las moléculas de NADH generadas a partir de moléculas de hexosa se reoxidó para que la glucólisis pudiera continuar funcionando, compartiendo así el piruvato para su uso en reacciones de biosíntesis. La rama oxidativa (piruvato → α-cetoglutarato, en esta ilustración, o succinil-CoA) se usaba para generar NADH que se aprovecharía en la producción de energía (probablemente con azufre, o con sus compuestos, como aceptores de electrones) y de moléculas precursoras biosintéticas.

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Resumen del capítulo

Los organismos aerobios tienen una ventaja enorme sobre los organismos anaerobios, esto es, una mayor capacidad para obtener energía a partir de moléculas orgánicas. Para utilizar el oxígeno en la generación de energía se requieren las vías bioquímicas siguientes: el ciclo del ácido cítrico, la vía de transporte electrónico y también la fosforilación oxidativa.
La mayoría de las reacciones que capturan energía son redox. En éstas, los electrones se transfieren de un donador electrónico (reductor) a un aceptor de electrones (oxidante). En la mayoría de las reacciones bioquímicas se transfiere iones hidruro al NAD⁺ o al NADP⁺, o bien átomos de hidrógeno al FAD o al FMN. La tendencia de una sustancia a ganar uno o más electrones es su potencial de reducción. Los electrones fluyen de manera espontánea desde una sustancia con potencial de reducción menos positivo (más negativo) hasta otra con potencial de reducción más positivo (menos negativo). En las reacciones redox favorables la ΔE°′ es positiva y la ΔG°′ es negativa.
El ciclo del ácido cítrico es un conjunto de reacciones bioquímicas que oxidan por completo a los sustratos orgánicos, como la glucosa y los ácidos grasos, para formar CO₂, H₂O y las coenzimas reducidas NADH y FADH₂. El piruvato, el producto de la vía glucolítica, se convierte en acetil-CoA, el sustrato del ciclo del ácido cítrico.
Además de su función en la generación de energía, el ciclo del ácido cítrico desempeña también funciones importantes en los procesos de biosíntesis, como la gluconeogénesis, la síntesis de aminoácidos y la síntesis de porfirinas.
El ciclo del glioxilato, que se produce en los vegetales y en algunos hongos, algas, protozoos y bacterias, es una versión modificada del ciclo del ácido cítrico en la que las moléculas de dos carbonos, como el acetato, se convierten en precursores de la glucosa.

Lecturas recomendadas

Bilgen, T., Metabolic Evolution and the Origin of Life, in Storey, K. B. (ed.), Functional Metabolism: Regulation and Adaptation, pp. 557–582, Wiley-Liss, Hoboken, New Jersey, 2004.

Koch, L. G., Britton, S. L. Aerobic Metabolism Underlies Complexity and Capacity, J. Physiol. 586:83–95, 2008.

Kornberg, H., Krebs and His Trinity of Cycles, Nat. Rev. Mol. Cell Biol. 1(3):225–227, 2000.

Krebs, H. A., The History of the Tricarboxylic Cycle, Perspect. Biol. Med. 14:154–170, 1970.

Lane, N., Oxygen: The Molecule That Made the World, Oxford University Press, Oxford, 2002.

Lane, N., Power, Sex and Suicide and the Meaning of Life, Oxford University Press, Oxford, 2005.

Melendez-Hevia, E., Waddell, T. G., Cascante, M., The Puzzle of the Krebs Citric Acid Cycle: Assembling the Pieces of Chemically Feasible Reactions and Opportunism in the Design of Metabolic Enzymes During Evolution, J. Mol. Evol. 43(3):293–303, 1996.

Palabras clave

PREGUNTAS DE REVISIÓN

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Estas preguntas están diseñadas para poner a prueba los conocimientos del lector sobre los conceptos clave expuestos en este capítulo, antes de pasar al siguiente.

Definir los siguientes términos:
1. anaerobio obligado
2. anaerobio tolerante al aire
3. anaerobio facultativo
4. aerobio obligado
5. especies reactivas de oxígeno
Definir los términos siguientes:
1. glioxosoma
2. coenzima A
3. NAD(P)⁺
4. FAD
5. FMN
Un corredor necesita una gran cantidad de energía durante una carrera. Explicar cómo el uso del ATP en los músculos que se contraen influye en el ciclo del ácido cítrico.
Describir dos funciones importantes del ciclo del ácido cítrico.
La actil-CoA se produce en las mitocondrias y se usa en el citoplasma para sintetizar ácidos grasos. Sin embargo, la acetil-CoA no puede penetrar la membrana mitocondrial. ¿Cómo se resuelve este problema?
Esbozar los pasos del ciclo del glioxilato.
¿Cuál de las siguientes condiciones indica un estado energético bajo? ¿Qué impacto tiene cada una de las condiciones siguientes en el flujo por el ciclo del ácido cítrico?
1. Índice NADH/NAD⁺ alto.
2. Índice ATP/ADP alto.
3. Concentración alta de acetil-CoA
4. Concentración baja de citrato
5. Concentración alta de succinil-CoA
Escribir las ecuaciones balanceadas para cada una de las reacciones del ciclo del ácido cítrico.
¿Cuáles son las enzimas necesarias en cada una de las reacciones de la pregunta 8?
Si se agrega una pequeña cantidad de [1-¹⁴C]glucosa a un cultivo anaeróbico de levaduras, ¿dónde aparece primero la marca de ¹⁴C en las moléculas de citrato?

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

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El objetivo de estas preguntas es reforzar la comprensión de todos los conceptos clave expuestos en el libro hasta el momento. Es factible que no tengan una única respuesta correcta.

11. Una persona acaba de consumir una pieza de fruta. Siga los átomos de carbono en la glucosa de la fruta por las vías bioquímicas desde su captación en las células tisulares hasta su conversión a CO₂.
12. Determinar la energía libre estándar (ΔG°′) para las siguientes reacciones:
1. NADH + H⁺ + ½O₂ → NAD⁺ + H₂O
2. Citocromo c (Fe²⁺) + ½O₂ → citocromo c (Fe³⁺) + H₂O
13. Uno de los múltiples efectos del abuso de alcohol es la deficiencia de tiamina, causada por la absorción alterada de la vitamina en la pared intestinal con disminución de su almacenamiento en el hígado dañado. Cuando la concentración de tiamina es insuficiente, la generación celular de energía disminuye. ¿Cuáles son las tres enzimas participantes en el metabolismo celular que requieren tiamina? Describa las consecuencias metabólicas de la concentración insuficiente de tiamina.
14. EL choque (falla del sistema circulatorio) es una condición anormal en la que el flujo sanguíneo es insuficiente. Las causas más frecuentes del choque son la pérdida masiva de sangre y la obstrucción del flujo sanguíneo. Como resultado del choque, las células no reciben oxígeno y nutrimentos. En estas circunstancias, las células se hinchan y las membranas lisosómicas se rompen, entre otros efectos. Describa cómo se genera energía durante el choque y por qué se pierde la estabilidad de la estructura celular.
15. La gran cantidad de energía que se utiliza durante el ejercicio aeróbico (p. ej., correr) requiere grandes cantidades de oxaloacetato. Explique por qué la acetil-CoA no puede usarse para producir oxaloacetato en estas circunstancias. ¿Cuál es la fuente de moléculas de oxaloacetato durante la actividad aeróbica?
16. La frecuencia de las infecciones micóticas sistémicas (p. ej., por Candida y Cryptococcus) y la tuberculosis (mycobacterium) va en aumento. Una de las razones para la elevada virulencia de estos organismos es que funcionan mejor después de la fagocitosis por los macrófagos que otros microorganismos. La fagocitosis activa el ciclo del glioxilato en los hongos y las micobacterias, lo que les permite usar sustratos de dos carbonos para mantener su crecimiento en un ambiente por lo demás pobre en nutrimentos dentro del fagolisosoma. Sugiera algunas moléculas probables que podrían procesarse a través del ciclo del glioxilato en estas circunstancias.

RESPUESTAS

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9.1

Con un valor de ΔE₀′ de −0.345 V, la oxidación del ${NO}_{2}^{-}$ tal y como está escrita es espontánea. La oxidación del etanol no es espontánea como está escrita porque su valor de ΔE₀′ es positivo (+0.275 V).

9.2

Las reacciones 3, 4 y 5 son reacciones redox. En la reacción 3, el lactato es el agente reductor y el NAD⁺ es el agente oxidante. Para la reacción 4, el cyt b (Fe²⁺) es el agente reductor y el ${NO}_{2}^{-}$ el agente oxidante. En la reacción 5, el NADH representa el agente reductor y el CH₃CHO es el agente oxidante.

9.3

Los estados de oxidación del carbono del grupo funcional (indicado en negritas) son:

\begin{matrix} {CH}_{3} {CH}_{2} OH & 0 - 1 - 1 + 1 = - 1 \\ {CH}_{3} CHO & 0 - 1 + 2 = + 1 \\ {CH}_{3} COOH & 0 + 1 + 2 = + 3 \end{matrix}

9.4

Al incorporarse a una molécula orgánica, el átomo de carbono del CO₂ se reduce.

9.5

Debido a su estructura simétrica, una molécula de succinato procedente de una acetil-CoA marcada con ¹⁴C se convierte en dos formas de oxaloacetato, una con un grupo metileno marcado y otra con un grupo carbonilo marcado. El CO₂ marcado con ¹⁴C no se libera sino hasta la tercera ronda del ciclo, cuando la mitad del carbono original marcado se ha perdido (el grupo carbonilo procedente de la acetil-CoA). El carbono marcado se mezcla aún más cuando la succinil-CoA se convierte en succinato durante la tercera y la cuarta rondas del ciclo.

9.6

La piruvato descarboxilasa convierte el piruvato en oxaloacetato. Si la enzima es inactiva, aumentan las concentraciones de piruvato en el sistema y el piruvato es convertido por el NADH en lactato. El exceso de lactato se excreta en la orina.

PREGUNTAS DE REVISIÓN

La contracción del músculo convierte grandes cantidades de ATP en ADP en las células musculares. La caída en la concentración de ATP estimula dos enzimas reguladoras clave del ciclo del ácido cítrico. (1) La citrato sintetasa cataliza la condensación de acetil-CoA y oxaloacetato para producir citrato. El ATP es un inhibidor alostérico de esta enzima. Conforme caen las concentraciones de ATP, esta enzima es más activa. (2) La isocitrato deshidrogenasa, que convierte el isocitrato en cetoglutarato α, se inhibe con las concentraciones altas de ATP y se activa con las concentraciones elevadas de ADP. Una concentración baja de ATP también estimula la conversión de piruvato en acetil-CoA catalizada por la piruvato deshidrogenasa.

Las primeras dos reacciones del ciclo del glioxilato, catalizadas por la citrato sintetasa y la aconitasa, también ocurren en el ciclo del ácido cítrico. En las dos reacciones siguientes, el isocitrato se divide en succinato y glioxilato. El glioxilato reacciona con acetil-CoA para formar malato. El ciclo se completa cuando el malato se convierte en oxaloacetato por acción de la malato deshidrogenasa.

Las ecuaciones balanceadas de las reacciones del ciclo del citrato son:

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

Tres enzimas que requieren tiamina son piruvato deshidrogenasa, cetoglutarato α deshidrogenasa y transcetolasa. La tiamina participa en la descarboxilación y en las reacciones de transferencia del grupo acilo. La ausencia de reacciones de descarboxilación impediría la carboxilación del piruvato hasta acetil-CoA. El cuerpo carecería de unidades de dos carbonos para la síntesis y producción de energía. El piruvato se acumula como lactato. Los resultados generales de la deficiencia de tiamina son falta de energía, atrofia muscular y acidosis.

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Contenido del capítulo

Sinopsis

FIGURA 9.1

FIGURA 9.2

FIGURA 9.3

FIGURA 9.4

Coenzimas redox

FIGURA 9.5

FIGURA 9.6

Metabolismo aerobio

FIGURA 9.7

FIGURA 9.8

FIGURA 9.9

Conversión del piruvato en acetil-CoA

FIGURA 9.10

FIGURA 9.11

Reacciones del ciclo del ácido cítrico

FIGURA 9.12

Destino de los átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico

Ciclo del ácido cítrico anfibólico

FIGURA 9.13

Regulación del ciclo del ácido cítrico

FIGURA 9.14

FIGURA 9.15

El ciclo del ácido cítrico y la enfermedad humana

Ciclo del glioxilato

FIGURA 9.16

FIGURA 9.17

FIGURA 9A

Resumen del capítulo

Lecturas recomendadas

Palabras clave

PREGUNTAS DE REVISIÓN

PREGUNTAS DE ANÁLISIS

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