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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.
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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:
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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.
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Conversión del piruvato en acetil-CoA
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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:
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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Reacciones del ciclo del ácido cítrico
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El ciclo del ácido cítrico está formado por ocho reacciones que ocurren en dos fases:
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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).
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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.
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Las reacciones del ciclo del ácido cítrico son las siguientes:
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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 Pi, 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.
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Destino de los átomos de carbono en el ciclo del ácido cítrico
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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.
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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.
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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.
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Ciclo del ácido cítrico anfibólico
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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).
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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.
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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).
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Deficiencia de piruvato carboxilasa 
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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.
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Regulación del ciclo del ácido cítrico
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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El ciclo del ácido cítrico y la enfermedad humana
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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.
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Encefalopatía y cánceres
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Lecturas recomendadas
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