Biochimica - ciclo di Krebs

L’ACETILCOENZIMA-A

Il piruvato è il prodotto della glicolisi e la glicolisi avviene nel citosol, quindi il piruvato è trasportato

mediante appositi trasportatori nel mitocondrio. Qui un complesso enzimatico chiamato complesso della

piruvato deidrogenasi opera affinché il piruvato possa essere convertito in anidride carbonica ed A-CoA. Il

complesso della piruvato deidrogenasi è composto da 5 enzimi di cui solo tre agiscono strettamente nella

conversione. Questa reazione di conversione è suddivisa in 5 reazioni.

• Prima reazione: il piruvato (un α-chetoacido) perde una molecola di CO . Questa reazione è

2 2+

catalizzata dalla piruvato deidrogenasi che necessita di TPP (tiamina pirofosfato) e Mg . La TTP non

si lega covalentemente all’enzima, piuttosto si lega all’unità a due atomi di carbonio restate dal

piruvato dopo aver perso l’anidride carbonica.

• Seconda reazione: l’unità a due atomi di carbonio viene ossidata per produrre un gruppo acetilico e

questa reazione è catalizzata da diidropropil transacetilasi che richiede come coenzima l’acido

lipoico che si lega covalentemente prima all’enzima poi al gruppo acetilico.

• Terza reazione: il gruppo acetilico precedentemente legato covalentemente all’acido lipoico viene

spodestato dal Co-A che si lega con un legame tioestere formando quindi l’A-CoA. A questo punto la

reazione è arrivata alla fase dei prodotti (quindi CO ed A-CoA) e quindi ipoteticamente sarebbe

2

terminata, ma l’acido lipoico (coenzima di diidropropil tansacetilasi che catalizza entrambe le

reazioni) si trova ora in forma ridotta e quindi le restanti reazioni servono a rigenerare acido lipoico.

• Quarta reazione: l’acido lipoico viene ossidato ma resta ancora legato covalentemente all’enzima

precedente (diidropropil transacetilasi). Questa reazione è catalizzata da diidropropil deidrogenasi e

necessita come cofattore il FAD che viene ridotto a FADH 2

LE REAZIONI DELL’ACIDO CITRICO

Reazione 1

La reazione 1 parte da una molecola di A-CoA che reagisce con l’ossalacetato per dare citrato e Co-A. La

reazione è catalizzata dalla citrato sintasi che è un enzima di condensazione in quanto in questa reazione

viene instaurato un nuovo legame carbonio-carbonio. La reazione è fortemente esoergonica altrimenti il

ciclo non procederebbe

Reazione 2 2+

In questa reazione il citrato viene isomerizzato ad isocitrato tramite l’enzima aconitasi che necessita di Fe

come cofattore. Questa isomerizzazione comporta la perdita di una molecola d’acqua. L’isocitrato è un

composto chiralico (molecola che non può essere sovrapposta a sua immagine speculare) ed ha 4 possibili

isomeri anche se solo uno è formato da questa reazione. Questa reazione è divisa in due semi reazioni

entrambe catalizzate dall’aconitasi, nella prima reazione c’è la perdita di una molecola d’acqua e la

formazione del cis-Aconitato, nella seconda reazione c’è l’aggiunta di una molecola d’acqua e la

trasformazione del cis-aconitato in isocitrato. Il cis-aconitato resta legato all’enzima per tutta la durata della

reazione. Il sito attivo dell’aconitasi contiene un nucleo ferro-zolfo.

Reazione 3

La reazione 3 del ciclo di Krebs è la prima reazione di ossidazione. È divisa in due semi reazioni: nella

prima si ha l’ossidazione dell’isocitrato in ossalosuccinato e successivamente la decarbossilazione

dell’ossalosuccinato in α-chetoglutarato. L’enzima che catalizza questa reazione è l’isocitrato deidrogenasi.

+

Questa è la prima reazione in cui si ha la formazione di NADH a partire da NAD . Per ogni molecola di

NADH prodotta porterà alla formazione di 2,5 molecole di ATP. + +

Esistono due isozimi dell’isocitrato deidrogenasi: uno necessita NAD e l’altro NADP . Nelle cellule

+

eucariotiche è presente l’isozima che necessita di NAD e si trova all’interno della matrice mitocondriale.

+

L’isozima che necessita di NADP si trova sia nella matrice mitocondriale che nel citosol ed è necessario per

la produzione di NADPH essenziale per le biosintesi riduttive.

Reazione 4

La quarta reazione è la seconda reazione di ossidazione (decarbossilazione ossidativa) e parte dall’α-

chetoglutarato che reagisce con il CoA per dare succinil-CoA e CO . Questa reazione è catalizzata dal

2

complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi che è composto a sua volta da tre enzimi (α-chetoglutarato

deidrogenasi, diidrolipoil transuccilinasi, diidrolipoil deidrogenasi) che necessitano rispettivamente di TPP

2+

(tiamina pirofosfato), acido lipoico e FAD, inoltre è necessario anche Mg per poter catalizzare la reazione.

Il complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi è molto simile a quello della piruvato deidrogenasi

+

necessario a trasformare il piruvato in A-CoA. Anche in questo caso una molecola di NAD viene ridotto a

NADH. La reazione è fortemente esoergonica.

Arrivati a questo punto nel ciclo dell’acido citrico son state perse due molecole di CO , questo particolare

2

rende queste reazioni irreversibili in vivo, ma reversibili in vitro. I C responsabili della formazione di CO 2

non derivano dall’A-CoA ma dalla prima molecola di ossalacetato che reagisce con l’A-CoA.

Reazione 5

In questa reazione viene idrolizzato il legame tioestere del succinil-CoA per formare succinato e CoA.

Questa reazione è catalizzata succinil-CoA sintetasi. Gli enzimi “sintetasi” son simili ai “sintasi” anche se i

secondi per agire necessitano di energia liberata dall’idrolisi di un legame fosforico di una molecola

energetica, mentre i secondi no e di solito catalizzano reazioni di formazione di un legame covalente. La

reazione totale è leggermente esoergonica e c’è inoltre la produzione di una molecola di GTP a partire da

GDP.

Reazione 6

In questa reazione il succinato viene ossidato a fumarato grazie all’enzima succinato deidrogenasi. Questo

enzima è una proteina integrale della membrana interna del mitocondrio e necessita di FAD come cofattore.

Il FAD si lega covalentemente all’enzima (e si indica nella reazione come E-FAD) e accettando elettroni

viene ridotto a FADH che poi cede gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni che ha come accettore

2

finale l’ossigeno e dà luogo ad 1,5 molecole di ATP a differenza del NAD che invece do luogo a 2,5

molecole di ATP.

La succinato deidrogenasi è una proteina che possiede atomi di ferro ma non un gruppo eme, per cui è

chiamata proteina a ferro non eme o proteina ferro-zolfo.

Reazione 7

In questa reazione viene aggiunta una molecola di acqua al doppio legame per dar vita all’L-malato. Il

malato ha due enantiomeri: un D-malato ed un L-malato ma si produce solo L-malato. Questa reazione è

catalizzata dalla fumarasi.

Reazione 8

Il malato viene ossidato ad ossalacetato per chiudere il circolo che poi reagendo con A-CoA torna un’altra

volta nel ciclo di Krebs. La reazione è catalizzata dalla malato deidrogenasi ed una molecola di NAD è

ridotta ad NADH. malato deidrogenasi citrato sintasi

aconitasi

fumarasi isocitrato deidrogenasi

succinato deidrogenasi c.α-chetoglutarato deidrogenasi

succinil CoA sintetasi

CONTROLLO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI

La prima fase di controllo del ciclo di Krebs avviene a monte, ossia ben prima del vero e proprio ciclo,

quindi agisce sulla trasformazione del piruvato in A-CoA. Essenzialmente in ciclo di Krebs serve alla cellula

per produrre energia, quindi le prime molecole che inibiscono questa reazione son proprio le molecole

energetiche come l’ATP e il NADH. I prodotti finali inibiscono quindi la prima reazione della serie.

Nei mammiferi l’inibizione della formazione dell’A-CoA a partire dal piruvato è inibita dalla fosforilazione

della piruvato deidrogenasi. La reazione che lega il gruppo fosfato legato alla piruvato deidrogenasi

(inibendola) è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi chinasi. Quando la piruvato deidrogenasi deve essere

invece attivata bisogna rimuovere il gruppo fosfato e questa reazione sarà catalizzata dalla fosfoproteina

fosfatasi.

Questo tipo di regolazione è chiamata anche regolazione covalente.

CONTROLLO DELL’ACIDO CITRICO

I punti di controllo del ciclo dell’acido citrico sono tre e sono: citrato sintasi (r1), isocitrato deidrogenasi

(r3), complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi (r4). Tutti e tre questi enzimi sono inibiti da alte

concentrazioni di ATP e NADH in quanto essendo questo un ciclo che tende a produrre molecole energetiche

si inibirà quando nella cellula son presenti elevante quantità di molecole energetiche. Il complesso dell’α-

chetoglutarato deidrogenasi è inibito anche da elevate quantità di A-CoA.

Questo tipo di regolazione è chiamata anche regolazione allosterica.