Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs (o ciclo dell'acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici) è un processo metabolico utilizzato da tutti gli organismi aerobici per generare energia attraverso l'ossidazione di molecole di Acetil-CoA (proveniente dallo smaltimento di carboidrati, grassi e proteine) ad anidride carbonica.

Dove avviene il ciclo di Krebs

Negli eucarioti, il ciclo di Krebs avviene all'interno dei mitocondri, i quali sono una vera e propria centrale energetica che utilizza l'ossidazione (in presenza di O₂) di acidi grassi, glucosio e amminoacidi per creare energia. L'energia viene prodotta tramite la fosforilazione di molecole di GTP e tramite la produzione di fattori riducenti NADH e FADH₂, i quali cederanno gli elettroni acquisiti durante il ciclo di Krebs alla catena di trasporto degli elettroni, grazie alla quale verranno prodotte numerose molecole di ATP.

Le fasi del ciclo di Krebs

Le 8 reazioni del ciclo di Krebs si svolgono in modo ciclico e possono essere distinte in due fasi.

• Prima fase: Si parte da una molecola di Acetil-CoA che, reagendo con l'Ossalacetato, forma il Citrato. Il Citrato, dopo una serie di reazioni, perde due atomi di carbonio sotto forma di anidride carbonica, trasformandosi in una forma attivata a 4 atomi di carbonio, il Succinil-CoA.
• Seconda parte: Nel ciclo di Krebs, il Succinil-CoA viene riconvertito in Ossalacetato, permettendo di ripetere la serie di reazioni chimiche.

Oltre ad ossidare l'Acetil-CoA, il ciclo di Krebs può degradare diversi aminoacidi, che possono fungere da intermedi del ciclo inserendosi in diversi punti del processo. Esso inizia con la reazione del primo enzima e finisce con la reazione catalizzata dallo stesso enzima: la citrato sintasi. Inoltre, non si verifica un solo ciclo di Krebs, ma milioni di cicli contestualmente. Ha un ruolo centrale nel metabolismo della cellula poiché in grado di fornire diversi precursori utilizzabili da altri processi metabolici come la gluconeogenesi, la sintesi di acidi grassi e colesterolo, la biosintesi di nucleotidi e porfirine.

Reazioni del ciclo di Krebs

Citrato sintasi

La prima reazione del ciclo è catalizzata dall'enzima citrato sintasi e porta alla formazione del Citrato. Una molecola di Acetil-CoA reagisce con una molecola di Ossalacetato, legandosi tramite un gruppo acetile. Una volta formato l'intermedio Acetil-CoA-Ossalacetato, una molecola d'acqua attacca il gruppo acetile provocando il rilascio del Coenzima A dal complesso, e il gruppo acetilino viene caricato sul carbonio in posizione 2 dell’Ossalacetato: si forma una molecola di Citrato, una molecola a 6C che è il primo acido tricarbossilico del ciclo. Il citrato ha le seguenti funzioni:

• Costituire un segnale di positività energetica per la cellula;
• Supportare il ciclo di Krebs;
• Regolatorio;
• Uscire dal mitocondrio; ha un trasportatore specifico in membrana mitocondriale interna e riesce a spostarsi nel citoplasma, dove detta il ritmo della glicolisi; infatti, è un suo inibitore perché indica che la cellula è in surplus energetico.

Il trasportatore ha un'altissima affinità per il citrato ed è attivato dalle elevate concentrazioni di questa molecola a livello intra-mitocondriale. La citrato sintasi viene inibita dal NAD ridotto, dall’ATP, dal Succinil-CoA e dall’Acil-CoA (acido grasso che lega il CoA). Inoltre, il citrato è un regolatore di molte tappe metaboliche, quali la glicolisi (che inibisce), attiva l’Acetil-CoA carbossilasi (enzima che presiede alla fase iniziale della biosintesi degli acidi grassi), è l’innesco fondamentale del ciclo di Krebs ed è anche la sorgente delle biosintesi riduttive.

Aconitasi

Questa reazione è catalizzata dall'enzima Aconitasi, che è un enzima che scambia un H e un ossidrile (-OH) nella molecola di Citrato per formare un isomero: il carbonio 3 del Citrato lega l’-OH, mentre il carbonio 4 lega un H, questi due fattori (-OH e -H) si scambiano tra loro e si ottiene una molecola di Isocitrato. Si tratta di una reazione di isomerizzazione del Citrato, che è indispensabile affinché l’Isocitrato venga riconosciuto da un enzima a valle del ciclo di Krebs.

In realtà, questa reazione non è ascrivibile a un semplice scambio: il Citrato viene prima deidratato, si forma un intermedio (il cis-Aconitato) che poi sarà idratato e si formerà Isocitrato. L’Aconitasi è, quindi, un enzima che ha una duplice funzione: deidratasi, nella prima fase, e idratasi, nella seconda. Inoltre, esistono due diverse isoforme di questo enzima:

• Aconitasi mitocondriale: catalizza la reazione di isomerizzazione del citrato;
• Aconitasi citoplasmatica: caratterizzata nel suo sito attivo dove i 4 Fe formano un complesso con 4 solfuri inorganici e con 3 gruppi tiolici di cisterna (amminoacido che presenta un gruppo sulfidrico -SH). Questa Aconitasi risente parecchio dei livelli di Fe intracellulare e ci sono due proteine che rispecchiano la presenza di Fe nel nostro organismo:
• Ferritina: proteina di deposito che conserva il Fe;
• Trasferina: proteina di trasporto che trasporta il Fe che assumiamo con la dieta.

Quando i livelli di Fe sono bassi, questo complesso ferro-zolfo si distacca dall’enzima, il quale perde la sua attività catalitica e passa alla seconda attività: cioè legarsi a specifiche sequenze di mRNA, regolando la sintesi di ferritina e trasferina.

Isocitrato deidrogenasi

L'Isocitrato deidrogenasi è un complesso enzimatico costituito da tre enzimi (E1, E2, E3), differenti da quelli della piruvato deidrogenasi; è un complesso altamente regolato: esso viene attivato dai nucleotidi ADP e AMP, ed è inibito da alte concentrazioni di ATP e NAD.

Questa reazione comprende due eventi distinti. Nella prima reazione, l'enzima Isocitrato Deidrogenasi catalizza l'ossidazione del gruppo -OH sul carbonio 4 dell’Isocitrato, riducendo una prima molecola di NAD⁺ a NADH. Successivamente, l'intermedio formatosi viene decarbossilato, perdendo il gruppo carbossilico (COO^-) legato al carbonio 3 sotto forma di una molecola di anidride carbonica (CO₂), generando Alfa-Chetoglutarato.

Alfa-Chetoglutarato deidrogenasi

È l’ultima reazione di decarbossilazione. La molecola di Alfa-Chetoglutarato perde un'ulteriore molecola di anidride carbonica, e al suo posto si lega il Coenzima A. La decarbossilazione è attuata dall'enzima Alfa-Chetoglutarato deidrogenasi e avviene con l'aiuto del coenzima NAD, il quale è convertito in NADH. Il prodotto della reazione è il Succinil-CoA (regolatore della citrato sintasi). ATP, GTP e NAD ridotto vanno a inibire l’alfa-chetoglutarato deidrogenasi. Questa molecola è un tioestere ad altissima energia.

Succinil-CoA sintetasi

In questa reazione viene generata una molecola di GTP. Dapprima un gruppo fosfato inorganico si sostituisce al legame ad alta energia (tioestere) con cui è legato il Coenzima A. Successivamente, il gruppo fosfato è ceduto a una molecola di GDP, trasformandolo in GTP. Il prodotto della reazione è il Succinato.

NB. La scissione del legame tioestere del Succinil-CoA è accoppiata alla fosforilazione del GDP, detta fosforilazione a livello del substrato. Il GTP può essere convertito in ATP, poiché la batteria energetica della cellula per le biosintesi è proprio l’ATP. Questa conversione da GTP a ATP avviene per mezzo dell’enzima nucleoside difosfato chinasi che utilizza il terzo legame fosfodiesterico del GTP per caricare una molecola di ADP e formare così ATP. In questo modo si produce una sola molecola di ATP, che garantisce alla cellula di acquisire energia potenziale dal NAD ridotto e dal FAD ridotto, che si formano lungo il ciclo di Krebs.

Succinato deidrogenasi

L'enzima Succinato deidrogenasi catalizza la rimozione di due atomi di idrogeno dalla molecola di Succinato per formare il Fumarato. I due atomi di idrogeno riducono una molecola di FAD, trasformandola in FADH₂. Questo enzima è anche uno dei quattro complessi della catena di trasporto degli elettroni, l’unico complesso ancorato nella membrana mitocondriale interna che partecipa alla formazione di ATP, proprio perché il FAD entra in questa catena di trasporto. La succinato deidrogenasi è fortemente inibita dal malonato, una molecola simile al succinato, a meno di un gruppo CH₂ interno. Il malonato ha una fortissima affinità per la succinato deidrogenasi e va a competere con il suo sito attivo riducendone l’attività catalitica.

Fumarasi

Viene utilizzata una molecola d'acqua per aggiungere un gruppo ossidrile sul carbonio 2 e un protone sul carbonio 3, trasformando il Fumarato in Malato.

Malato deidrogenasi

L'enzima Malato deidrogenasi catalizza l'ossidazione del Malato in Ossalacetato, riducendo una molecola di NAD⁺ a NADH.