CBC 11- CICLO DEL ACIDO CITRICO

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CICLO DEL ACIDO CITRICO 
 
El ciclo del ácido cítrico es conocido como ciclo de los ácidos tricarboxílicos (CAT) 
porque hay intermediarios tricarboxílicos (compuesto con tres funciones COO-) y como ciclo 
de Krebs en honor al bioquímico Hans Krebs quien lo descubrió (1833), es una serie de 
reacciones que se realizan en las mitocondrias y llevan a la liberación de la mayor parte de la 
energía libre de los combustibles tisulares. 
El CAT es el centro del metabolismo aerobio. Su función es actuar como vía final 
común de la oxidación de hidratos de carbono, lípidos y proteínas. Esto se debe a que la 
glucosa, los ácidos grasos y muchos aminoácidos son metabolizados a acetil CoA o a 
intermediarios del ciclo. Estos intermediarios son el punto de partida para muchas vías del 
metabolismo entre las que se incluyen: gluconeogénesis, transaminación, desaminación y 
lipogénesis. Aunque varios de estos procesos ocurren en casi todos los tejidos, el hepático 
es el único donde ocurren todos. El CAT es por lo tanto catabólico y anabólico, es decir 
anfibólico. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Esencialmente, el CAT comprende la combinación de una molécula de acetil CoA (2 
carbonos) con el oxalacetato (ácido dicarboxílico de 4 carbonos), dando como resultado la 
formación de citrato (ácido tricarboxílico de 6 carbonos). Luego continúa con una serie de 
reacciones en el curso de las cuales 2 moléculas de CO2 son liberadas y se genera el 
oxalacetato. 
Sin embargo, el oxalacetato desempeña un papel catalítico porque se requiere sólo 
una pequeña cantidad de él para permitir la conversión de una gran cantidad de unidades 
acetilo en CO2. 
En el CAT se hace disponible la energía liberada durante la oxidación de hidratos de 
carbono, lípidos y aminoácidos. Durante el curso de la oxidación de la acetil CoA en el CAT, 
se forman equivalentes reductores en la forma de hidrógeno o de electrones como resultado 
de la actividad de deshidrogenasas específicas. Los equivalentes entran en la cadena 
respiratoria donde son generadas grandes cantidades de ATP en el proceso de fosforilación 
oxidativa. Este proceso es aerobio ya que requiere oxígeno como oxidante final de los 
equivalentes reductores. Por lo tanto, la ausencia (anoxia) o deficiencia (hipoxia) de O2 causa 
inhibición total o parcial del CAT. 
Las enzimas del CAT se encuentran en la matriz de la mitocondria, libres o adheridas a 
la superficie interior de la membrana interna. Esta distribución es la apropiada ya que el 
complejo de la piruvato deshidrogenasa y las enzimas involucradas en la beta oxidación, se 
ubican en la matriz. Además, se ve facilitada la transferencia de los equivalentes reductores 
generados en el CAT a las enzimas adyacentes de la cadena respiratoria que está situada en 
la membrana interna mitocondrial. 
Las reacciones que ocurren en el CAT, se detallan a continuación: 
 
OxidaciónMalato Deshidrogenasa
8. L-malato + NAD+ →
Oxalacatetato + NADH + H+
HidrataciónFumarasa7. Fumarato + H2O → L-malato 
OxidaciónComplejo Succinato Deshidrogenasa
6. Succinato + FAD →
Fumarato + FADH2
Fosforilación a nivel de 
sustratoSuccinil-CoA Sintasa
5. Succinil-CoA + GDP + Pi →
Succinato + GTP + CoASH
Oxidación + 
Decarboxilación
Complejo αCetoglutarato
Deshidrogenasa
4. α-cetoglutarato + CoASH + 
NAD+ →
Succinil-CoA + CO2 +NADH + H+
Oxidación + 
DecarboxilaciónIsocitrato Deshidrogenasa
3. Isocitrato + NAD+ →
α-cetoglutarato + CO2 + NADH + 
H+
Deshidratación + 
HidrataciónAconitasa
2. Citrato → Cis-Aconitato + H2O 
→ Isocitrato
Condensación + HidrólisisCitrato Sintasa1. Acetil~CoA + Oxalacetato + H2O → Citrato + CoASH + H+
TIPO DE REACCIÓNENZIMAREACCIÓN
 
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REACCIONES DEL CICLO DE LOS ÁCIDOS TRICARBOXÍLICOS (Fig. 7) 
 
 
Fig. 7: Ciclo de Krebs. Las 8 enzimas que participan en el ciclo son: 1) citrato sintasa; 2) 
aconitasa; 3) isocitrato deshidrogenasa; 4) a cetoglutarato deshidrogenasa; 5) succinato tio-
cinasa; 6) succinato-coenzima Q reductasa; 7) fumarasa y 8) malato deshidrogenasa. 
 
1. Formación de citrato: 
 
La condensación aldólica inicial de acetil CoA con oxalacetato para formar citrato es 
catalizada por la enzima condensante, citrato sintasa (o sintetasa), que efectúa la síntesis de 
un enlace carbono - carbono entre el metilo de la acetil CoA y el carbonilo del oxalacetato. Al 
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condensarse se forma un intermediario de la enzima (citril-CoA), cuyo enlace tioéster rico en 
energía se hidroliza para liberar los productos: citrato y CoASH. La hidrólisis de este enlace 
va acompañada por una considerable pérdida de energía libre como calor (exergónica), lo 
que asegura que la reacción prosiga hasta su terminación, haciéndola metabólicamente 
irreversible. El equilibrio de esta reacción está desplazado hacia la formación de citrato. 
 
2. El citrato se isomeriza a isocitrato: 
 
 
 
La aconitasa o aconitato hidratasa, cataliza la conversión cercana al equilibrio de citrato 
a isocitrato. La aconitasa contiene un grupo prostético de hierro-azufre (Fe-S) unido 
covalentemente que ayuda a la ubicación correcta del sustrato. El citrato es un alcohol 
terciario y por ello no puede ser oxidado. La acción de la aconitasa convierte al citrato en un 
alcohol secundario oxidable. El nombre de la enzima deriva del intermediario de la reacción, 
cis-aconitato. La reacción se efectúa por deshidratación para formar un doble enlace carbono-
carbono, seguida de una rehidratación estereoespecífica para formar isocitrato. En el 
equilibrio existe 90% de citrato, 3% de cis-aconitato y 7% de isocitrato, valores que indican 
que el equilibrio de esta reacción está desplazado hacia la formación de citrato. 
 
3. Decarboxilación oxidativa del isocitrato: 
 
 
 
La primera de las cuatro reacciones de óxido-reducción del CAT, es catalizada por la 
isocitrato deshidrogenasa, en dos etapas: 
a) el grupo alcohol del isocitrato es oxidado (deshidrogenado) por la transferencia de 
un ion hidruro al NAD+, reduciendo la coenzima a NADH y formando oxalossuccinato; 
b) la decarboxilación de este beta cetoácido lo transforma en un alfa cetoácido. El 
equilibrio de esta reacción se desplaza hacia la formación del alfa cetoglutarato, siendo 
el ∆G°= -5 kcal/mol indicando su irreversibilidad metabólica. 
 
Resumiendo: el isocitrato es convertido en alfa cetoglutarato con liberación de CO2 y 
una molécula de NAD+ es reducida a NADH. 
 
4. Decarboxilación oxidativa del alfa cetoglutarato; 
El complejo multienzimático alfa cetoglutarato deshidrogenasa que cataliza esta 
reacción es análogo al complejo de la piruvato deshidrogenasa.Los mecanismos son 
similares e intervienen las mismas coenzimas. 
 
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Las tres enzimas son: 
a- E1 es la alfa cetoglutarato deshidrogenasa, que contiene pirofosfato de tiamina (TPP) 
b- E2 dihidrolipoamida succinil transferasa que contiene un grupo prostético lipoamida 
c- E3 dihidrolipoamida deshidrogenasa, con la misma flavoproteína que el complejo de la 
piruvato deshidrogenasa. 
 
El alfa cetoglutarato es similar al piruvato (es un alfa cetoácido), que por 
decarboxilación oxidativa da succinil CoA, un tioéster que contiene un enlace de alta energía, 
liberándose una molécula de CO2 y el segundo equivalente de reducción (NADH) producido 
por el CAT. El equilibrio se dirige hacia la formación de succinil CoA con un ∆G°= - 8 
kcal/mol, haciéndola fisiológicamente unidireccional (irreversible). 
En este punto del CAT, el balance neto de oxidación de átomos de carbono a CO2 es 
igual al número de átomos de carbono que entraron al ciclo en la primera reacción. En las 
cuatro reacciones siguientes del ciclo, los 4 carbonos del grupo succinilo de la succinil CoA se 
convierten de nuevo en oxalacetato. 
 
5. Fosforilación a nivelde sustrato: 
 
 
 
La reacción es catalizada por la succinil CoA sintetasa que algunas veces se denomina 
succinato tioquinasa. La ruptura del enlace tioéster del succinil CoA se acopla a la 
fosforilación de guanosina difosfato (GDP). De esta manera se transfiere gran parte de la 
energía libre del enlace tioéster al enlace anhidridofosfórico del GTP que se formó. Está 
reacción es fácilmente reversible siendo su ∆G°= - 0.8 Kcal/mol. 
 
6. El succinato se oxida a fumarato: 
 
 
Esta reacción de deshidrogenación (oxidación) es catalizada por la succinato 
deshidrogenasa que está unida a la superficie interior de la membrana interna mitocondrial. 
De hecho, esta enzima está directamente unida a la cadena de transporte de electrones, 
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siendo una parte integral del complejo de succinato-ubiquinona reductasa de la cadena 
respiratoria. 
Es la única deshidrogenasa en el ciclo que incluye la transferencia directa de los 
hidrógenos desde el sustrato a la flavoproteína sin la participación del NAD+, porque el 
cambio de energía libre es insuficiente para reducir al NAD+. 
 
El ΔG que resulta de quitar 2H de carbonos vecinos para formar un doble enlace C=C 
es menor que el G que se obtiene al quitar 2H de un carbono (uno de los cuales forma parte 
de una función hidroxilo) para formar un grupo carbonilo (-C=O). 
 
 
El FADH2 producido por la oxidación del succinato no se disocia de la enzima (se 
mantiene unido covalentemente), a diferencia del NADH producido en otras reacciones de 
oxidación. En vez de ello, 2 electrones del FADH2 se transfieren directamente a los átomos 
de Fe-S de la enzima. El último aceptor de estos electrones es el oxígeno molecular. 
 
7. El malato se forma por hidratación: 
 
 
 
La fumarasa (fumarato hidratasa) cataliza la conversión de fumarato a malato, mediante 
la adición de agua al doble enlace del fumarato. La reacción es específica para el L-isómero 
del malato, además de que la fumarasa cataliza la adición de los elementos del agua a la 
doble ligadura del fumarato en la configuración trans. 
La reacción es totalmente reversible en condiciones fisiológicas, pero está empujada 
hacia la dirección del oxalacetato porque el producto de esta reacción es capturado 
rápidamente por la siguiente reacción del ciclo. 
 
8. Por oxidación se regenera el oxalacetato: 
 
 
 
En la última etapa del CAT la malato deshidrogenasa cataliza la oxidación de malato para 
formar oxalacetato. En esta reacción el NAD+ es el aceptor de H, formándose la tercera 
molécula de NADH del CAT. El equilibrio de esta reacción se inclina hacia la formación de 
malato porque su ΔG°= +7 kcal/mol. Sin embargo, el ∆G° total del ciclo es menor de cero y 
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todo se dirige hacia la formación de oxalacetato. Por otro lado, los NADH que se formaron en 
el ciclo son reoxidados rápidamente a NAD+ en la cadena respiratoria. 
 
ECUACION NETA: ESTEQUIOMETRIA DEL CAT: 
 
Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD → CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2 CO2 + 2H+ 
 
Resumiendo: 
1. Ingresan al ciclo 2 átomos de carbono cuando se condensa una unidad de acetilo (del 
acetil-CoA) con oxalacetato. Por decarboxilaciones sucesivas catalizadas por las 
deshidrogenasas (isocitrato y alfa ceto glutarato) salen del ciclo 2 carbonos en forma de 
CO2. 
2. En las 4 reacciones de oxidación salen del ciclo 4 pares de átomos de hidrógeno. En 
las decarboxilaciones oxidativas del isocitrato y alfa ceto glutarato se reducen 2 NAD+. En 
la oxidación del succinato se reduce un FAD y en la oxidación del malato se reduce otro 
NAD+. 
3. Se genera un enlace fosfato de alta energía (en forma de GTP) a partir del enlace 
tioéster altamente energético del succinil CoA. 
4. Se consumen 2 moléculas de agua; una en la síntesis del citrato (por hidrólisis del 
citril-CoA) y la otra en la hidratación del fumarato. 
 
Si bien el balance de carbono por vuelta es tal que por cada grupo de dos 
carbonos de la acetil-CoA que entran en el ciclo, se liberan dos moléculas de CO2. Los 
dos carbonos de la acetil CoA que entran al ciclo no se pierden como CO2, sino que se 
convierten en la mitad de la molécula simétrica de 4 carbonos, succinato, en la quinta 
reacción. Las dos mitades de esta molécula simétrica son equivalentes químicamente. 
De modo que en términos de rastreo de carbonos, los carbonos de la acetil CoA son 
distribuidos uniformemente en las moléculas que surgen del succinato. 
 
La mayor parte de la energía liberada en las reacciones del CAT se conserva en forma 
de coenzimas reducidas: NADH y FADH2. 
La oxidación de estas moléculas por la cadena de transporte de electrones, lleva a la 
producción de ATP cuando se transfieren los electrones desde estos transportadores al 
oxígeno, el aceptor final. Se forman 3 moles de ATP en la mitocondria por cada NADH, 
mientras que por cada FADH2, se generan dos. Por lo tanto cuando se oxidan los 3 NADH y 
un FADH2, se forman 11 moléculas de ATP. Además, se forma un enlace directo de alta 
energía por cada unidad de acetilo que entra al CAT: es el GTP que se forma en la reacción 
5. Este GTP es semejante al ATP ya que por la siguiente reacción se interconvierte 
permanentemente: 
GTP + ADP → GDP + ATP 
 
Por lo tanto se forman 12 ATP por unidad de acetilo que se oxida completamente en 
cada vuelta del ciclo. 
 
El oxígeno molecular no participa directamente en el CAT. Sin embargo, el ciclo opera 
únicamente bajo condiciones aeróbicas porque el NAD+ y el FAD pueden ser regenerados en 
la mitocondria sólo por transferencia de electrones al oxígeno. 
 
CONTROL DEL CAT 
Como el ciclo del ácido cítrico ocupa una posición central en el metabolismo celular, es 
lógico pensar que esté controlado muy estrictamente. La regulación se hace a través de 
moduladores alostéricos como también por modificaciones covalentes de algunas de las 
enzimas del ciclo. 
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 Existe un control global del ciclo a través del aporte de los cofactores oxidados a las 
deshidrogenasas. A su vez depende de la disponibilidad de ADP y por ende de la utilización 
de ATP o lo que es lo mismo, de la carga energética de la célula. Hemos señalado que la 
disponibilidad de acetil CoA es el primer punto de control de la velocidad del CAT y por ende 
la regulación de las enzimas del complejo de la piruvato deshidrogenasa controlará el 
suministro de los acetilos. 
 Además de este control, las propiedades de algunas enzimas del ciclo determinan que 
dicho control puede ejercerse a nivel del propio ciclo. 
 
En el encéfalo, tejido que depende de los hidratos de carbono para la síntesis de acetil 
CoA, el control se ejerce a través de la piruvato deshidrogenasa y en el mismo ciclo el control 
puede ejercerse mediante la inhibición alostérica de la citrato sintetasa por el ATP o el acil 
CoA (cadena larga). 
 
 Cualquier condición metabólica que produzca hipoxia o anoxia, frenará la velocidad 
del ciclo por deficiencia del aceptor final de electrones de la cadena respiratoria (O2). 
 
Las tres reacciones metabólicamente irreversibles del ciclo y por consiguiente 
son sitios potenciales de control son: 
 
1. Citrato sintasa: 
- Inhibidores alostéricos: el ATP y acil CoA de cadena larga. Disminuyen la afinidad de 
 la enzima por el acetil CoA. 
- NADH y succinil CoA son también inhibidores. 
- Activadores: oxalacetato. 
 
2. Isocitrato deshidrogenasa: 
- Inhibidores: NADH y ATP 
- Activadores: NAD+, ADP y Ca++ 
 
3. Alfa ceto glutarato deshidrogenasa: 
Se encuentra bajo un control análogo al complejo de la piruvato deshidrogenasa. Si 
bien los complejos son muy similares su regulación resulta diferente. Los iones Ca++ se fijan 
al complejo disminuyendo la Km de la enzima para el α-cetoglutarato, causando un 
incremento en la formación de succinil~CoA. No se conocen inhibidores alostéricos que 
actúen in vivo ni regulación por modificación covalente.Otros puntos de control: 
 Succinato deshidrogenasa: es inhibida por el oxalacetato. A su vez el 
oxalacetato disponible depende de la malato deshidrogenasa, dependiendo de la relación 
NADH/NAD. 
 
FUNCION DEL CAT EN EL METABOLISMO 
 
 Todos los miembros del ciclo desde el citrato hasta el oxalacetato son potencialmente 
glucogénicos puesto que pueden dar lugar a la producción neta de glucosa en hígado y riñón, 
órganos que poseen la maquinaria enzimática completa para la gluconeogénesis. La enzima 
principal es la fosfoenol piruvato carboxiquinasa. 
 
 El CAT es considerado como centro del metabolismo aeróbico ya que posee no 
sólo una función como vía catabólica – para la generación de ATP-, sino que además 
suministra intermediarios para la biosíntesis, actuando como intersección de varias vías 
metabólicas (Fig.8). El citrato conecta el CAT con la vía de la síntesis de ácidos grasos y 
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moléculas esteroides. El acetil CoA es el sustrato para la biosíntesis de ácidos grasos; sin 
embargo, el mismo se forma en la mitocondria debido a que el complejo de la piruvato 
deshidrogenasa es mitocondrial y la biosíntesis de ácidos grasos ocurre en el citosol. La 
célula necesita transportar acetil CoA a través de la membrana mitocondrial, la cual es 
impermeable al acetilo. Esto se logra permitiendo la formación de citrato mitocondrial y 
haciendo disponible al acetil CoA, extramitocondrialmente. 
 
 
Fig. 8: Interconección del CAT con otras vías metabólicas 
 
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La velocidad del ciclo depende de la concentración de sus intermediarios, por lo tanto 
todos aquellos intermediarios que puedan ser utilizados en vías biosintéticas deben ser 
reabastecidos por reacciones anapleróticas (de relleno). Además, debido a que se trata de un 
ciclo, el aumento en la concentración de cualquiera de los intermediarios da como resultado 
un aumento en la concentración de todos los intermediarios. A modo de ejemplo: 
 La piruvato carboxilasa asegura una cantidad adecuada de oxalacetato para su 
condensación al acetil CoA. 
 El lactato entra al ciclo a través de la conversión en piruvato y oxalacetato. 
 El malato puede convertirse en piruvato por la enzima málica; a su vez puede convertirse 
en oxalacetato por la piruvato carboxilasa. Se compensa así la salida de citrato para la 
biosíntesis de ácidos grasos. 
 La alanina, el aspartato y el glutamato se convierten respectivamente en piruvato, 
oxalacetato y alfa cetoglutarato, por transaminación. 
 Succinil CoA se forma por degradación de aminoácidos y de ciertos ácidos grasos. 
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