Ciclo di krebs

Lezione 7 – Ciclo di Krebs (ciclo dell'acido citrico)

Introduzione

In questa lezione, vedremo a cosa serve il piruvato prodotto dalla glicolisi. Il ciclo di Krebs è fondamentale in quanto permette di utilizzare non soltanto carboidrati, ma anche lipidi e amminoacidi. Avviene solamente in condizioni aerobiche.

Il ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs o ciclo dell’acido citrico è un ciclo che permette al piruvato prodotto dalla glicolisi a partire dal glucosio di produrre energia. Non solo il glucosio (tramite il piruvato) alimenta il ciclo di Krebs, bensì acidi grassi e amminoacidi (proteine) che formano l’acetil-CoA. Questo può essere prodotto anche dal piruvato tramite il complesso della piruvato-deidrogenasi, che è un enzima in grado di convertire il piruvato proveniente dal glucosio trasformandolo in acetil-CoA.

L’acetil-CoA è una molecola formata da due atomi di carbonio uniti ad un gruppo acetil attaccato a sua volta al coenzima A. I due atomi di carbonio vengono convertiti in CO₂. Gli elettroni di legame strappati all’acetil-CoA vengono caricati su dei coenzimi (NAD e FAD) per produrre NADH e FADH₂. Successivamente, il NADH e il FADH₂ prodotto dall’ossidazione completa del gruppo acetil che è entrato nel ciclo, cedono i loro elettroni alla catena di trasporto a livelli differenti: il NADH essendo prodotto all’interno del mitocondrio porta i suoi elettroni al livello del complesso 1, il FADH₂ invece al complesso 2.

Produzione di energia

La cessione degli elettroni su questa catena favorisce l’incremento del gradiente elettrochimico che si traduce in accumulo dei protoni nello spazio intracellulare, i quali una volta che escono verso l’interno della matrice mitocondriale attraverso il processo dell’ATPsintasi permettono di fosforilare l’ADP e creare nuova materia energetica utile per la contrazione, ovvero l’ATP.

Riassunto delle fasi

Come abbiamo detto in precedenza, non solo il glucosio viene scisso in 2 molecole di piruvato utile per la formazione dell’acetil-CoA, bensì:

• Gli acidi grassi che vengono degradati attraverso la beta ossidazione in due atomi di carbonio che, una volta coniugati al coenzima-A, formano l’acetil-CoA, carburante essenziale per il ciclo di Krebs.
• Il piruvato ottenuto dalla glicolisi forma l’acetil-CoA.
• Le proteine (catabolismo degli amminoacidi) vengono scisse in scheletro di carbonio eliminando il gruppo amminico tramite enzimi transaminasi che staccano questo gruppo trasformandolo in urea attraverso il fegato.

All’interno del muscolo in contrazione lo scheletro del carbonio dell’amminoacido può essere trasformato anch’esso in acetil-CoA oppure, nella maggior parte delle volte, in intermedi che fanno parte del ciclo di Krebs (quindi alcuni amminoacidi entrano nel ciclo di Krebs oppure diventano acetil-CoA).

Il ruolo del piruvato

Il primo passaggio per quanto riguarda il piruvato (cioè le 2 molecole prodotte dalla via di demolizione del glucosio) entra all’interno dei mitocondri; sulla membrana mitocondriale è presente un trasportatore che permette al piruvato di accedere alla matrice mitocondriale. Il primo enzima utilizzato tra la glicolisi e il ciclo di Krebs è la piruvato-deidrogenasi: quest’enzima non fa parte né della glicolisi, né del ciclo di Krebs poiché quest’ultimo inizia con l’acetil-CoA già prodotto.

Quest’enzima è necessario per il catabolismo degli zuccheri in quanto consente di convogliare i prodotti di degradazione del glucosio, ovvero il piruvato, all’interno del ciclo di Krebs per subire un'ossidazione completa con produzione di CO₂ e H₂O: una prima piruvato-molecola di CO₂ viene tolta al piruvato grazie alla deidrogenasi rompendo il legame che lega C (del CO₂ contenuto nel piruvato) con C (dello scheletro del piruvato) liberando elettroni che vengono successivamente ceduti a molecole energetiche e accettori di elettroni (in particolar modo il NAD⁺ che diventa NADH).

La piruvato-deidrogenasi quindi comporta la produzione di un acetil-CoA (molecola a 2 atomi di carbonio) in cui il terzo legame è andato ad instaurarsi con un coenzima (coenzima A) il quale possiede un’estremità terminale legata ad uno zolfo tramite un legame altamente instabile (altamente energetico) che può essere facilmente rotto.

Complesso della piruvato-deidrogenasi

Questo complesso è formato da 3 enzimi (per semplificarsi chiamiamoli E1 + E2 + E3) posti in serie in modo coordinato e permettono con passamani di trasformare il piruvato in acetil-CoA. Fondamentalmente questi 3 enzimi utilizzano 5 coenzimi diversi:

• Coenzima = Molecola che non fa parte della struttura amminoacidica dell’enzima stesso bensì è coinvolta nella reazione catalizzata da quell’enzima; il NAD⁺ ad esempio è un coenzima poiché non è legato alla proteina ma è in grado di acquistare elettroni (come in questo caso dalla rottura della CO₂ con il piruvato) per trasformarsi in NADH, molecola energetica.

I coenzimi si dividono in cosubstrati (o cofattori) e gruppi prostetici (molecola di natura non proteica legata ad una proteina, in genere un enzima) in base alla modalità con cui interagiscono con gli enzimi. Uno tra questi 5 coenzimi è il già citato NAD⁺ che proviene dalla vitamina B3 (niacina); altri 3 coenzimi provengono anch’essi da vitamine del complesso B, e l’ultimo è il coenzima A. Fondamentalmente il complesso della piruvato deidrogenasi contiene 3 enzimi che formano l’unità funzionale: ognuno di questi enzimi utilizza un diverso coenzima (ad esempio nell’E1 che rappresenta la piruvato deidrogenasi, attaccato alla proteina si trova la tiamina pirofosfato [TPP] che è un gruppo prostetico).

Tiamina pirofosfato (TPP) (piruvato deidrogenasi): è un gruppo prostetico legato alla subunità E1. È formata da un nucleo pirimidinico (base azotata), un anello tiazolico (contenente azoto e zolfo) e un gruppo pirofosfato. Alla TPP si lega il piruvato come etile, perdendo una molecola di anidride carbonica attaccandosi come gruppo idrossiledile.

Acido lipoico (lipoato transacetilasi) è legato in modo covalente ad una catena laterale di un amminoacido della proteina, lisina; si forma un legame peptidico tra l’acido lipoico e la catena laterale, un legame forte che li terrà uniti fino alla morte. Lo zolfo è legato con due atomi alla parte terminale tramite il carbonio in forma ridotta, ma in forma ossidata si può formare un legame fra i due atomi di zolfo. L’idrossiledile legato al TPP viene portato in vicinanza del lipoato dell’E2 e si lega al primo atomo di zolfo.