Ciclo de Krebs (ácido cítrico): definición y funciones en el metabolismo celular

Ciclo de Krebs: definición y funciones del ácido cítrico en el metabolismo celular; descubre su papel en la respiración, generación de energía y rutas bioquímicas mitocondriales.

El ciclo de Krebs (llamado así por Hans Krebs) forma parte de la respiración celular. Sus otros nombres son ciclo de la acidez cítrica y ciclo del ácido tricarboxílico (ciclo TCA).

El "ciclo de Krebs" es una serie de reacciones químicas utilizadas por todos los organismos aeróbicos en sus procesos de conversión de energía. Es importante para muchas vías bioquímicas. Esto sugiere que fue una de las primeras partes del metabolismo celular en evolucionar.

El ciclo de Krebs viene después de la reacción deenlace y proporciona el hidrógeno y los electrones necesarios para la cadena de transporte de electrones. Tiene lugar en el interior de las mitocondrias.

¿Qué es y dónde ocurre?

El ciclo de Krebs es una vía metabólica cíclica que oxida el grupo acetilo de la acetil-CoA hasta dióxido de carbono (CO2), liberando energía almacenada en equivalentes reductores (NADH y FADH2) y en una molécula de alta energía (GTP o ATP), que luego se usa para sintetizar ATP por fosforilación oxidativa. En células eucariotas tiene lugar en la matriz mitocondrial; en bacterias y arqueas ocurre en el citosol.

Etapas principales y metabolitos

El ciclo consta de una serie de reacciones enzimáticas que pueden resumirse en los pasos clave siguientes (por cada molécula de acetil-CoA):

1. Condensación: acetil-CoA (2C) se condensa con oxaloacetato (4C) para formar citrato (6C) —enzima: citrato sintasa—.
2. Isomerización: citrato se convierte en isocitrato —enzima: aconitasa—.
3. Descarboxilación oxidativa: isocitrato → α-cetoglutarato (5C), con liberación de CO2 y formación de NADH —enzima: isocitrato deshidrogenasa—.
4. Segunda descarboxilación oxidativa: α-cetoglutarato → succinil-CoA (4C), con liberación de CO2 y formación de NADH —enzima: complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa—.
5. Fosforilación a nivel de sustrato: succinil-CoA → succinato, produciendo GTP (o ATP según el tejido) —enzima: succinil-CoA sintetasa—.
6. Deshidrogenación: succinato → fumarato, con transferencia de electronos a FAD formando FADH2 —enzima: succinato deshidrogenasa (componente complejo II de la cadena respiratoria)—.
7. Hidratación: fumarato → malato —enzima: fumarasa—.
8. Deshidrogenación final: malato → oxaloacetato, generando NADH —enzima: malato deshidrogenasa—. Oxaloacetato queda listo para reaccionar de nuevo con acetil-CoA.

Balance energético y productos

Por cada acetil-CoA oxidado el ciclo produce:

• 3 NADH
• 1 FADH2
• 1 GTP (equivalente a 1 ATP)
• 2 CO2 (como productos de descarboxilación)

Si se considera la fosforilación oxidativa (estimaciones clásicas), cada NADH da ≈2,5 ATP y cada FADH2 ≈1,5 ATP, por lo que un acetil-CoA aporta aproximadamente 10 ATP netos. Una molécula de glucosa genera dos acetil-CoA (tras glucólisis y el complejo piruvato deshidrogenasa), por lo que el ciclo de Krebs contribuye con ≈20 ATP por glucosa, además de los ATP formados en otros pasos del metabolismo.

Funciones anabólicas y catabólicas (vía anfibólica)

El ciclo de Krebs es anfibólico: además de degradar acetil-CoA para obtener energía (catabolismo), proporciona intermediarios que sirven como precursores biosintéticos:

• Citrato puede salir a citosol para producir acetil-CoA citosólico (síntesis de ácidos grasos y colesterol) mediante ATP-citrato liasa.
• α-Cetoglutarato y oxaloacetato son puntos de entrada para la síntesis de aminoácidos (glutamato, aspartato) y bases nitrogenadas.
• Succinil-CoA es precursor de la síntesis de porfirinas y hemo.

Para mantener el funcionamiento del ciclo se realizan reacciones anapleróticas que repueblan sus intermediarios (p. ej. carboxilación de piruvato a oxaloacetato por la piruvato carboxilasa), y existen reacciones catapléróticas que exportan metabolitos hacia otras vías.

Regulación

El ciclo está regulado principalmente por el estado energético de la célula y por la disponibilidad de sustratos. Entre los puntos de control más importantes están:

• Citrato sintasa: inhibida por ATP, NADH y citrato (feedback negativo).
• Isocitrato deshidrogenasa: regulada por ADP/ATP y por niveles de Ca2+ en tejidos excitables; estimula la vía cuando hay demanda energética.
• Complejo α-cetoglutarato deshidrogenasa: inhibido por NADH y succinil-CoA; activado por Ca2+ en músculo y corazón.

Importancia clínica y evolutiva

Alteraciones en enzimas del ciclo pueden relacionarse con enfermedades: por ejemplo, mutaciones en succinato deshidrogenasa (SDH) se asocian a ciertos tumores (paragangliomas), mutaciones en fumarasa con deficiencias metabólicas y predisposición a tumores, y mutaciones en IDH (isocitrato deshidrogenasa) están implicadas en varios cánceres produciendo oncometabolitos (2-hidroxiglutarato).

Desde el punto de vista evolutivo, la universalidad del ciclo y su papel central en conectar rutas catabólicas y anabólicas sugieren que fue una de las vías metabólicas tempranas y favorecidas durante la evolución del metabolismo celular.

Resumen

El ciclo de Krebs es una vía metabólica central que oxida acetil-CoA para generar equivalentes reductores (NADH, FADH2) y GTP/ATP, suministrando energía para la célula a través de la cadena de transporte de electrones y aportando intermediarios esenciales para la biosíntesis. Ocurre en la matriz mitocondrial (o en el citosol en procariotas) y está finamente regulado según la demanda energética y las necesidades biosintéticas de la célula.

Resumen

El siguiente diagrama muestra cómo esta parte de la respiración es un ciclo que se repite constantemente y que produce ATP y desprende CO₂ . El ATP es una molécula que transporta energía en forma química para ser utilizada en otros procesos celulares. En resumen:

• Se desprenden dos moléculas de dióxido de carbono
• Se forma una molécula de GTP
• Tres moléculas de NAD+ se combinan con hidrógeno (NAD+ → NADH)
• Una molécula de FAD se combina con hidrógeno (FAD → FADH ₂)

Como se producen dos moléculas de acetil-CoA a partir de cada molécula de glucosa, se requieren dos ciclos por cada molécula de glucosa. Por lo tanto, al final de dos ciclos, los productos son: dos ATP, seis NADH, dos FADH₂dos QH ₂(ubiquinol) y cuatro CO ₂.

Resumen del ciclo del ácido cítrico

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