Biochimica 4: respirazione cellulare (decarbossilazione del piruvato, ciclo di Krebs, fosforilazione ossidativa)

Respirazione cellulare

Il piruvato prodotto dalla glicolisi, in presenza di ossigeno, prende la via della respirazione cellulare, che ha come finalità la produzione di coenzimi ridotti (NADH e FADH₂) i quali contribuiscono alla sintesi di ATP attraverso il meccanismo dell’ATP-sintetasi accoppiato alla catena respiratoria mitocondriale. La respirazione cellulare è composta da ciclo di Krebs e fosforilazione ossidativa. Nel ciclo di Krebs, per produrre coenzimi ridotti, il piruvato può entrare solo sotto forma di acetil-CoA dopo la decarbossilazione ossidativa; anche altre biomolecole, come amminoacidi e acidi grassi, possono essere convertiti in acetil-CoA ed entrare nel ciclo di Krebs, contribuendo alla produzione di grandi quantità di ATP.

Decarbossilazione del piruvato

In presenza di O₂, il piruvato prodotto dalla glicolisi (2 molecole) viene incanalato nella respirazione cellulare al fine di produrre grandi quantità di ATP. In caso contrario, il piruvato⁺ viene ridotto a lattato tramite la fermentazione lattica, con la rigenerazione di NAD ossidato. Tuttavia, per entrare nella prima via metabolica della respirazione cellulare, ossia il ciclo di Krebs, il piruvato dev’essere prima decarbossilato ad acetil-CoA, poiché il primo substrato del ciclo di Krebs è proprio l’acetato ricavabile dall’acetil-CoA stesso. Anche gli atomi di carbonio degli acidi grassi e degli scheletri carboniosi amminoacidici destinati al ciclo di Krebs vi entrano sotto forma di acetil-CoA.

Il piruvato viene decarbossilato ossidativamente a CO₂ e acetil-CoA dal complesso enzimatico della piruvato-deidrogenasi (PDH), presente all’interno dei mitocondri della cellula eucariotica.

Complesso della piruvato-deidrogenasi

Il complesso della piruvato-deidrogenasi è formato da tre enzimi rappresentati in più copie che utilizzano cinque tipi di coenzimi. I tre enzimi sono E₁ (piruvato-deidrogenasi), E₂ (diidrolipoil-transacetilasi) ed E₃ (diidrolipoil-deidrogenasi). I cinque coenzimi sono la tiamina-pirofosfato (TPP), trasportatrice di gruppi aldeidici, il flavin-adenin-dinucleotide (FAD), accettore di atomi di H, il coenzima-A (CoA), trasportatore e attivatore di gruppi acilici, il nicotinammide-adenin-dinucleotide (NAD⁺), accettore di ioni idruro, e il lipoato, trasportatore di gruppi acilici e anche di elettroni.

Reazioni della decarbossilazione ossidativa del piruvato

Il piruvato sottoposto a decarbossilazione ossidativa viene prima di tutto decarbossilato, portando dunque alla perdita di una molecola di CO₂ come prodotto di scarto. In seguito, il piruvato decarbossilato viene deidrogenato (dunque ossidato) a gruppo acilico a due atomi di carbonio, dunque ad acetato, con la conseguente riduzione di una molecola di NAD⁺ a NADH che va nella catena respiratoria (da una molecola di glucosio si producono due molecole di piruvato, quindi due NADH per la catena respiratoria). Il gruppo acetilico proveniente dal piruvato viene legato e attivato dal CoA, formando il prodotto finale della decarbossilazione ossidativa, pronto ad entrare nel ciclo di Krebs: l’acetil-CoA.

Regolazione del complesso della piruvato-deidrogenasi

Il complesso della piruvato-deidrogenasi, quindi la reazione di decarbossilazione ossidativa del piruvato, è inibito da NADH, ATP, acetil-CoA e alti livelli di acidi grassi, mentre è stimolato da NAD⁺, ADP/AMP, CoA libero e Ca²⁺. I rapporti NADH/NAD⁺ e ATP/ADP (o ATP/AMP), dunque, sono importanti per la regolazione della decarbossilazione ossidativa.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico o ciclo degli acidi carbossilici (TCA), è la via metabolica che l’acetil-CoA, prodotto dalla decarbossilazione del piruvato o da altre vie metaboliche riguardanti acidi grassi o scheletri carboniosi degli amminoacidi, prende per produrre grandi quantità di ATP in seguito alla fosforilazione ossidativa mediata dai coenzimi ridotti prodotti dal ciclo di Krebs stesso.

Il ciclo di Krebs, sostanzialmente, è la produzione di energia sotto forma di coenzimi ridotti (NADH e FADH₂) tramite ossidazioni e decarbossilazioni a partire da una molecola di citrato; è per questo che si hanno, come prodotto di scarto, due molecole di CO₂. Il ciclo di Krebs è chiamato anche ciclo dell’acido citrico poiché quest’ultimo è il primo intermedio di questa via metabolica. Il citrato si ottiene dalla condensazione del gruppo acetile (acetato), fornito dall’acetil-CoA, con l’ossalacetato.

Citrato

Il citrato, oltre che fungere da primo intermedio del ciclo di Krebs, è importante biochimicamente per molte altre cose: esso funge, infatti, anche da fornitore di atomi di C per i processi biosintetici, oltre che da inibitore della fosfofrutto-chinasi-1 (e quindi della glicolisi) e da attivatore della biosintesi degli acidi grassi. Esso è anche un importante fornitore di equivalenti riducenti per reazioni di biosintesi che ne hanno bisogno.

Bilancio netto del ciclo di Krebs

Un giro di ciclo di Krebs produce tre molecole di NADH, una di FADH₂ e una di GTP. Inoltre, come prodotto di scarto, vengono prodotte due molecole di CO₂. Partendo da una molecola di glucosio, i giri di ciclo sono due, poiché le molecole di acetato (proveniente dall’acetil-CoA, che a sua volta proviene dal piruvato) sono due. Così, avremo 6 NADH, 2 FADH₂, 2 GTP e 4 CO₂.

Tappe del ciclo di Krebs

Essendo un ciclo, il ciclo degli acidi tricarbossilici vede come substrato della prima tappa il prodotto dell’ultima.

• Nella prima tappa, l’acetato proveniente dall’acetil-CoA si condensa con una molecola di ossalacetato, prodotto dell’ultima tappa, per formare acido citrico. La reazione è catalizzata dalla citrato-sintasi. Viene sfruttata una molecola d’acqua e viene liberato il CoA.
• Nella seconda tappa, il citrato viene isomerizzato in isocitrato dall’enzima aconitasi. La reazione si svolge attraverso due emireazioni e prevede la produzione di un intermedio detto cis-aconitato. L’aconitasi, dapprima, toglie un atomo di idrogeno e un gruppo OH dal citrato, formando appunto cis-aconitato, per poi legarli nuovamente sul cis-aconitato in maniera invertita, formando isocitrato.
• Nella terza tappa, l’isocitrato viene ossidato e decarbossilato ad α-chetoglutarato (α-chetoacido coniugato del glutammato). La reazione è catalizzata dall’enzima isocitrato-deidrogenasi e porta alla produzione di una molecola di CO₂. Da questa tappa deriva la prima molecola di coenzima ridotto, che può essere NADH o NADPH a seconda dell’utilità (NADH per produrre energia e NADPH per reazioni di biosintesi).
• Nella quarta tappa, l’α-chetoglutarato viene decarbossilato ossidativamente a succinil-CoA ad opera dell’enzima α-chetoglutarato-deidrogenasi. La reazione consiste in un’iniziale decarbossilazione e ossidazione dell’α-chetoglutarato, con liberazione di una molecola di CO₂ e riduzione di NAD⁺ a NADH; successivamente, ciò che rimane del substrato viene condensato con il coenzima-A, attraverso un legame ad alto contenuto energetico, formando il succinil-CoA.
• Nella quinta tappa, si ha una fosforilazione a livello del substrato: il succinil-CoA viene scisso in succinato + CoA, con liberazione di energia derivante dal legame succinato-CoA; l’energia è sfruttata per la fosforilazione accoppiata di una molecola di GDP in GTP. Tale GTP può essere subito convertito in ATP; l’enzima che catalizza questa reazione è la succinil-CoA-sintetasi: questo enzima fosforila il succinil-CoA facendo staccare il CoA e producendo succinil-fosfato; in seguito, il succinil-fosfato si lega all’enzima e lega nuovamente il fosfato ad esso, staccandosi come succinato (prodotto); infine, l’enzima fosforila una molecola di GDP a GTP.
• Nella sesta tappa, il succinato viene deidrogenato a fumarato ad opera dell’enzima succinato-deidrogenasi (quest’ultimo è l’unico enzima del ciclo di Krebs a non essere situato nella matrice mitocondriale, bensì a livello della sua membrana interna). In questa reazione, due carboni adiacenti del succinato vengono deidrogenati, e questi H vengono trasferiti al FAD, con formazione di FADH₂. Il succinato deidrogenato è, ora, fumarato.
• Nella settima tappa, il fumarato viene idratato, cioè gli viene aggiunta una molecola d’acqua, e diventa malato. L’enzima che si occupa di catalizzare questa reazione è la fumarasi.