Ciclo de Krebs

Qué es el ciclo de Krebs

El ciclo de Krebs es la vía metabólica central del catabolismo oxidativo. Recibe los grupos acetilo (de dos carbonos) procedentes de la degradación de glucosa, ácidos grasos y aminoácidos —siempre en forma de acetil-CoA— y los oxida por completo hasta dos moléculas de CO₂. La energía liberada no se libera como calor ni se convierte directamente en ATP: queda almacenada en coenzimas reducidas (tres NADH y un FADH₂ por vuelta) que ceden después sus electrones a la cadena respiratoria, donde se sintetiza el grueso del ATP celular mediante fosforilación oxidativa.

El nombre del ciclo procede de su descubridor, el bioquímico alemán Hans Adolf Krebs (Hildesheim, 1900 – Oxford, 1981), naturalizado británico en 1939. El apellido Krebs significa, literalmente, "cangrejo" en alemán; es un apellido frecuente y no guarda relación con la bioquímica del ciclo, pero la coincidencia ha alimentado más de un guiño didáctico en clase. El segundo nombre del ciclo, ácido cítrico, alude al primer intermediario que se forma: el citrato, un compuesto de seis carbonos aislado del zumo de limón en 1784 por el químico sueco Carl Wilhelm Scheele. La palabra deriva del latín citrus, el cidro o naranjo agrio, y por extensión nombra a la familia de los cítricos. La tercera denominación, ciclo de los ácidos tricarboxílicos (TCA, del inglés tricarboxylic acid), describe la estructura química del citrato y de los dos intermediarios siguientes: del griego τρι- (tri-, "tres") y la raíz de "carboxilo", refiriéndose a los tres grupos –COOH presentes en estas moléculas. La nomenclatura IUBMB prefiere "ciclo del ácido cítrico"; en la docencia hispana, "ciclo de Krebs" sigue siendo el término dominante.

Contexto histórico y descubrimiento en 1937

El descubrimiento del ciclo no fue obra de un solo investigador ni de una sola pieza. A mediados de los años treinta varios laboratorios europeos intentaban entender cómo se oxidaban los sustratos en el músculo y cómo se generaba la energía celular. El bioquímico húngaro Albert Szent-Györgyi (Nobel de Medicina en 1937 por su trabajo sobre la vitamina C) había mostrado que pequeñas cantidades de los ácidos C4-dicarboxílicos —succinato, fumarato, malato y oxalacetato— estimulaban de forma desproporcionada el consumo de oxígeno en homogeneizados de músculo de paloma. Casi en paralelo, en 1937, los alemanes Carl Martius y Franz Knoop describieron la conversión del citrato en α-cetoglutarato, pasando por el isocitrato.

El que cerró el ciclo fue Hans Krebs. Despedido en 1933 de la Universidad de Friburgo por su origen judío, había emigrado a Inglaterra acogido por el Academic Assistance Council de William Beveridge; primero a Cambridge y, desde 1935, a la Universidad de Sheffield. Allí, con su colaborador William Arthur Johnson, formuló en marzo de 1937 la propuesta de que las reacciones conocidas formaban en realidad una vía cíclica cerrada en la que el oxalacetato se regeneraba al final para volver a aceptar otro grupo acetilo al comienzo. El manuscrito fue rechazado por Nature y se publicó finalmente en Enzymologia con el título The role of citric acid in intermediate metabolism in animal tissues. Faltaba, eso sí, identificar con precisión la naturaleza del "acetilo activo" que entraba al ciclo: ese papel lo cumpliría la coenzima A, descubierta entre 1945 y 1947 por el bioquímico germano-estadounidense Fritz Albert Lipmann. En 1953, la Real Academia Sueca otorgó el Premio Nobel de Fisiología o Medicina a Krebs "por su descubrimiento del ciclo del ácido cítrico" y a Lipmann "por su descubrimiento de la coenzima A y de su importancia para el metabolismo intermediario".

Localización celular y dependencia indirecta del oxígeno

En las células eucariotas, las reacciones del ciclo transcurren en la matriz mitocondrial, el compartimento interno delimitado por la membrana mitocondrial interna. Una excepción merece subrayarse para quien estudia bioquímica de cara a un examen: de las ocho enzimas del ciclo, siete son solubles en la matriz, pero la succinato deshidrogenasa está anclada en la membrana mitocondrial interna y constituye, además, el Complejo II de la cadena respiratoria. Es el único enlace físico directo entre el ciclo y la cadena. En procariotas, que carecen de mitocondrias, las reacciones del ciclo ocurren en el citoplasma.

Suele afirmarse que el ciclo es estrictamente aerobio. Conviene matizarlo. Ninguna de las ocho reacciones consume oxígeno molecular de forma directa. La dependencia del O₂ es indirecta: el ciclo necesita un aporte continuo de NAD⁺ y FAD oxidados, y esos cofactores solo se reoxidan en la cadena respiratoria si hay oxígeno actuando como aceptor final de electrones. Sin O₂, las reservas de NAD⁺ se agotan, el ciclo se detiene y la célula vira hacia la fermentación o hacia rutas alternativas más cortas. De hecho, muchas bacterias anaerobias facultativas operan un ciclo incompleto o reverso según las condiciones del medio.

Las ocho reacciones del ciclo paso a paso

El ciclo arranca con la condensación del acetil-CoA (dos carbonos) con el oxalacetato (cuatro carbonos) para formar citrato (seis carbonos). En las dos descarboxilaciones oxidativas siguientes se desprenden las dos moléculas de CO₂ —que se exhalan al respirar— y se generan los dos primeros NADH. La segunda mitad del ciclo regenera el oxalacetato a partir del succinato C4, oxidándolo a fumarato, hidratándolo a malato y oxidándolo de nuevo a oxalacetato. El balance neto: por cada acetil-CoA entrante, dos átomos de carbono salen como CO₂, cuatro pares de electrones quedan capturados en tres NADH y un FADH₂, y se sintetiza un GTP por fosforilación a nivel de sustrato. El esquema clásico se reproduce a continuación.

La tabla siguiente resume las ocho reacciones con su enzima, sustratos, productos y cofactores. Es el esqueleto que cualquier estudiante necesita memorizar para reconstruir el ciclo en una hoja en blanco.

Tres detalles merecen atención. La reacción 1 (citrato sintasa) es prácticamente irreversible: con una ΔG'° próxima a −7,7 kcal/mol, empuja al ciclo en sentido único y fija el flujo. La reacción 3 (isocitrato deshidrogenasa) es el paso que marca la velocidad de toda la vía y, por tanto, el primer punto de regulación que debe conocerse. La reacción 5 es el único momento del ciclo en que se sintetiza un nucleótido trifosfato sin necesidad de cadena respiratoria: la energía del enlace tioéster de la succinil-CoA basta para fosforilar GDP a GTP, fácilmente intercambiable con ATP.

Balance energético por vuelta y por glucosa

Por cada acetil-CoA que entra en el ciclo se producen tres NADH, un FADH₂, un GTP y dos CO₂. Cada molécula de glucosa, al degradarse por glucólisis y descarboxilación oxidativa del piruvato, rinde dos moléculas de acetil-CoA: por tanto, el ciclo da dos vueltas por glucosa y aporta 6 NADH, 2 FADH₂ y 2 GTP.

El rendimiento total de ATP por glucosa requiere un matiz importante. Los manuales clásicos hablan de 36-38 ATP, asumiendo 3 ATP por NADH y 2 ATP por FADH₂. Los textos contemporáneos rebajan la cifra a 30-32 ATP, porque las medidas experimentales actuales atribuyen 2,5 ATP por NADH y 1,5 ATP por FADH₂, y porque el NADH citosólico generado en la glucólisis paga un "peaje" energético al cruzar la membrana mitocondrial mediante las lanzaderas malato-aspartato o glicerol-3-fosfato. Es uno de esos puntos donde un estudiante aplicado puede afinar la respuesta en un examen oral.

Funciones anfibólicas: cataplerosis y anaplerosis

Reducir el ciclo de Krebs a una "máquina de quemar acetilo" es entenderlo a medias. La ruta es anfibólica: degrada moléculas para extraer energía, pero también suministra intermediarios para procesos biosintéticos del anabolismo. Esta doble cara es lo que la convierte en el verdadero nodo del metabolismo intermediario.

La salida de intermediarios para biosíntesis se llama cataplerosis. El citrato puede exportarse al citosol y servir de precursor para la síntesis de ácidos grasos y colesterol; el α-cetoglutarato sale para sintetizar glutamato y, a partir de él, varios aminoácidos, neurotransmisores y purinas; el succinil-CoA aporta los carbonos del grupo hemo de la hemoglobina y los citocromos; el oxalacetato y el malato alimentan la gluconeogénesis y la síntesis de aspartato. Si esta fuga continua no se compensara, el ciclo se detendría por falta de oxalacetato para condensar con el siguiente acetil-CoA.

La reposición de intermediarios se llama anaplerosis, del griego ἀνά (aná, "hacia arriba" o "de nuevo") + πλήρωσις (plérosis, "llenado"). La reacción anaplerótica más importante en el hígado y el riñón es la catalizada por la piruvato carboxilasa, que convierte piruvato en oxalacetato y rellena el ciclo cuando los niveles de oxalacetato caen. Otra vía habitual es la transaminación del glutamato a α-cetoglutarato, que conecta el catabolismo de los aminoácidos con el ciclo.

Regulación del ciclo

El ciclo no avanza a velocidad constante. Su flujo se ajusta a la demanda energética celular en tres puntos principales, todos ellos reacciones irreversibles o cuasi irreversibles que actúan como válvulas. La citrato sintasa (paso 1) se inhibe por exceso de ATP, NADH, succinil-CoA y por su propio producto, el citrato. La isocitrato deshidrogenasa (paso 3) es el punto de control más fino: se activa por ADP y por Ca²⁺ y se inhibe por ATP y NADH; en términos prácticos, cuando la célula necesita energía, el cociente ADP/ATP sube y el ciclo acelera. La α-cetoglutarato deshidrogenasa (paso 4) responde al producto inmediato (succinil-CoA) y al cociente NADH/NAD⁺, y se estimula también por Ca²⁺. El calcio aparece, pues, como mensajero metabólico transversal: el mismo ion que activa la contracción muscular acelera la producción de ATP que esa contracción requiere.

Hay un dato que conviene retener: las tres enzimas reguladas son enzimas alostéricas, y la lógica común es que los productos finales (ATP y NADH) las frenan y los precursores energéticos (ADP, Ca²⁺) las aceleran. Es retroinhibición clásica.

Diferenciación con rutas y ciclos próximos

El ciclo de Krebs se confunde con frecuencia con otros tres procesos a los que está conectado pero de los que es distinto. Conviene tenerlos separados con claridad.

El ciclo de la urea, también llamado ciclo de Krebs-Henseleit, fue descrito por el mismo Hans Krebs en 1932 —cinco años antes que el ciclo del ácido cítrico— junto con Kurt Henseleit. Tiene lugar en los hepatocitos, mitad en la matriz mitocondrial y mitad en el citosol, y su función es la excreción del nitrógeno residual del catabolismo proteico en forma de urea. No genera energía; al contrario, la consume. La conexión entre ambos ciclos pasa por el fumarato, que se produce en la fase citosólica del ciclo de la urea y puede entrar en el ciclo de Krebs como intermediario.

La glucólisis precede al ciclo de Krebs. Es una vía citosólica, anaerobia, que parte de una molécula de glucosa y termina en dos de piruvato, con un balance neto modesto: 2 ATP y 2 NADH. Cada piruvato entra después en la mitocondria y se transforma en acetil-CoA por acción del complejo piruvato deshidrogenasa, y solo entonces se incorpora al ciclo.

La cadena respiratoria y la fosforilación oxidativa vienen después. Reciben los electrones de los NADH y FADH₂ generados por el ciclo, los transfieren a través de los cuatro complejos de la membrana mitocondrial interna y el oxígeno los acepta como aceptor final, formando agua. El gradiente de protones generado en el proceso impulsa la síntesis de ATP por la ATP sintasa. El ciclo de Krebs aporta la materia prima (las coenzimas reducidas); la cadena hace el trabajo de transformarla en ATP.

Por último, el ciclo del glioxilato, descubierto por el propio Krebs junto con Hans Kornberg en 1957, es una variante del ciclo del ácido cítrico que opera en plantas, bacterias, hongos y protistas, pero no en mamíferos. Se salta las dos descarboxilaciones del ciclo de Krebs y permite la síntesis neta de glucosa a partir de acetato o ácidos grasos, algo imposible para los humanos.

Relevancia clínica del ciclo

El ciclo de Krebs no es solo un capítulo de bioquímica académica. Varias enfermedades hereditarias afectan a sus enzimas y han revelado una conexión inesperada entre metabolismo y cáncer. Las deficiencias congénitas del complejo piruvato deshidrogenasa, aunque ocurren antes del ciclo, lo dejan sin sustrato y se manifiestan como acidosis láctica neonatal. Las mutaciones germinales en los genes que codifican las subunidades de la succinato deshidrogenasa (SDHA, SDHB, SDHC, SDHD) predisponen a paragangliomas, feocromocitomas y a un subtipo hereditario de tumor del estroma gastrointestinal (GIST). Las mutaciones en el gen FH, que codifica la fumarasa, se asocian al síndrome de leiomiomatosis hereditaria y cáncer renal.

La conexión con la oncología se hizo aún más estrecha con el descubrimiento de los llamados oncometabolitos. Las isoformas mutadas de la isocitrato deshidrogenasa (IDH1, IDH2) —presentes en gliomas, leucemia mieloide aguda, condrosarcomas y otros tumores— pierden su actividad normal y adquieren una función aberrante: convertir el α-cetoglutarato en D-2-hidroxiglutarato, un metabolito que se acumula en el tumor, altera el metiloma del DNA y de las histonas y bloquea la diferenciación celular. Más allá de estas deficiencias hereditarias y mutaciones somáticas, el ciclo es uno de los nodos centrales de la reprogramación metabólica tumoral descrita desde Otto Warburg, y un objetivo activo de la investigación oncológica actual.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene el nombre "ciclo de Krebs" y por qué tiene tres nombres?

Procede del apellido del bioquímico Hans Adolf Krebs, que en 1937 propuso por primera vez que las reacciones conocidas hasta entonces formaban una vía cíclica cerrada. La denominación "ciclo del ácido cítrico" se refiere al primer intermediario que se forma, el citrato, aislado por Scheele del zumo de limón en 1784; la palabra deriva del latín citrus. "Ciclo de los ácidos tricarboxílicos" o TCA, del griego τρι- ("tres"), describe la estructura química del citrato y de sus dos derivados directos, que poseen tres grupos carboxilo. La IUBMB recomienda "ciclo del ácido cítrico"; en docencia hispana sigue dominando el epónimo.

¿El ciclo de Krebs es aerobio o anaerobio?

Ninguna de las ocho reacciones del ciclo consume oxígeno molecular de forma directa. La dependencia es indirecta: el ciclo necesita NAD⁺ y FAD oxidados, y esos cofactores solo se regeneran si la cadena respiratoria funciona, lo cual requiere oxígeno como aceptor final de electrones. En condiciones de anaerobiosis el ciclo se detiene por agotamiento de NAD⁺.

¿Es lo mismo el ciclo de Krebs que el ciclo de la urea?

No. Ambos fueron descritos por Hans Krebs, pero son rutas distintas. El ciclo del ácido cítrico oxida grupos acetilo para generar energía en todas las células aerobias. El ciclo de la urea, descrito en 1932 con Kurt Henseleit y llamado a veces ciclo de Krebs-Henseleit, ocurre solo en los hepatocitos y sirve para excretar el nitrógeno del catabolismo proteico. Las dos vías se cruzan en el fumarato.

¿Cuántos ATP se obtienen realmente por una vuelta del ciclo y por una glucosa?

Por cada vuelta entran un acetil-CoA y salen tres NADH, un FADH₂, un GTP y dos CO₂. Una glucosa, al rendir dos acetil-CoA, da dos vueltas y produce seis NADH, dos FADH₂ y dos GTP. El cómputo global de ATP por glucosa, sumando glucólisis, descarboxilación oxidativa del piruvato, ciclo y cadena respiratoria, ronda los 30-32 ATP según los textos modernos. Las cifras clásicas de 36-38 ATP que figuran en libros más antiguos asumen rendimientos H⁺/ATP que las medidas experimentales actuales han corregido a la baja.

¿Dónde ocurre el ciclo en las bacterias, que no tienen mitocondrias?

En el citoplasma. Las bacterias aerobias y las anaerobias facultativas que pueden respirar oxígeno realizan el ciclo en el citosol y acoplan los NADH y FADH₂ generados a su cadena respiratoria, que en estos organismos se encuentra en la membrana plasmática. Algunas bacterias anaerobias estrictas operan un ciclo incompleto o invertido, y otras —como las metanogénicas— prescinden de él casi por completo.

Referencias

1. Haddad A, Mohiuddin SS. Biochemistry, Citric Acid Cycle. StatPearls, NCBI Bookshelf (NIH National Library of Medicine).
2. Alabduladhem TO, Bordoni B. Physiology, Krebs Cycle. StatPearls, NCBI Bookshelf (NIH National Library of Medicine).
3. The Nobel Prize. Hans Adolf Krebs — The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1953.
4. Biblioteca Nacional de Medicina de Estados Unidos. Metabolismo. MedlinePlus, enciclopedia médica en español.