Ciclo di Krebs

Ciclo di Krebs

In questo ciclo si completa l’ossidazione di quei substrati sia provenienti dall’alimentazione che dai depositi. Glucidi, lipidi e scheletro carbonioso di amminoacidi vengono trasformati in Acetil-CoA. Quest’ultimo verrà poi ossidato completamente attraverso il ciclo di Krebs dove gli elettroni verranno ceduti ai coenzimi NAD+ e FAD che di conseguenza verranno ridotti a NADH e FADH₂. Questo è il modo utilizzato per conservare l’energia, che verrà poi ceduta per formare ATP nella fosforilazione ossidativa, la parte terminale della respirazione cellulare.

Immagine del ciclo di Krebs

Visione di insieme del ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs (prende il nome da colui che lo scoprì: Hans Krebs) avviene nella matrice mitocondriale e viene anche chiamato ciclo dell’acido citrico o degli acidi tricarbossilici. È un “ciclo” perché l’ossalacetato, presente in piccole quantità, viene continuamente rigenerato. Quindi non c’è consumo netto di ossalacetato e una sua molecola sarebbe teoricamente in grado di entrare in numero infinito di cicli, cioè di legare un numero infinito di gruppi acetilici per formare l’acido citrico. Quest’ultimo subirà una serie di 7-8 reazioni per portare alla formazione sempre di ossalacetato e consentire l’ossidazione completa degli acetili.

Complessivamente abbiamo due carboni che entrano sotto forma di acetile e si uniscono con i quattro carboni dell’ossalacetato formando un composto a sei carboni, ovvero il citrato. Delle otto reazioni che avvengono, ben quattro tappe sono ossidative. Infatti, subito dopo che si è formato acido citrico e il suo derivato acido isocitrico, questo subisce una prima decarbossilazione ossidativa con formazione del primo NADH. Successivamente seguirà la formazione di un’ulteriore NADH a seguito di un’altra decarbossilazione ossidativa.

Dopo si forma GTP (tramite una fosforilazione a livello del substrato analoga a quella della glicolisi), FADH₂ in seguito a deidrogenazione del succinato fino ad arrivare all’ultima reazione con formazione di un altro NADH. Complessivamente si formano quattro coenzimi ridotti (3 NADH e 1 FADH₂) e 1 GTP. Il ruolo del ciclo, come si evince dall’immagine, non è solo quello di conservare l’energia chimica, ma rappresenta un crocevia di reazioni biosintetiche di nucleotidi (basi puriniche e pirimidiniche), amminoacidi, EME (origina dal succinato), per cui si parla di natura anfibolica del ciclo di Krebs.

Reazione 1: Formazione del citrato

Innanzitutto, l’acetil-CoA entra nel ciclo e si condensa con l’ossalacetato (presente ad una concentrazione di 10^-6 M) attraverso una condensazione di Claisen (reazione tra un estere ed un composto carbonilico). Questa reazione è possibile grazie alla presenza dell’enzima citrato sintasi (o sintetasi). Praticamente il gruppo metilico, trasformato dall’enzima in gruppo metilenico, in un carbanione molto reattivo per l’attacco nucleofilo, si attacca al C=O carbonilico dell’ossalacetato per formare citrato che è un acido tricarbossilico (acido 2 idrossi- 1,2,3-propantricarbossilico).

Il citrato appena formato, grazie all’azione della aconitasi, va incontro ad una reazione di deidratazione e reidratazione per spostare l’ossidrile dal carbonio 2 al 3. La reazione è all’equilibrio e serve per preparare il composto alla reazione successiva, ovvero quella di decarbossilazione ossidativa, in cui interviene l’isocitrato deidrogenasi. In questo modo da un composto a sei carboni se ne forma uno a cinque, l’alpha-chetoglutarato. Grazie all’ossidazione del gruppo alcolico-secondario che si era formato, gli elettroni vengono trasferiti come ioni H al NAD+ per formare NADH.

L’alpha-chetoglutarato subisce immediatamente la seconda decarbossilazione ossidativa e si forma nuovamente NADH, grazie all’intervento del complesso alpha-chetoglutarato deidrogenasi, molto simile alla piruvato deidrogenasi. Questa reazione porta alla formazione di succinil-CoA. Abbiamo già ottenuto un composto con lo stesso numero di carboni dell’ossalacetato finale che dobbiamo risintetizzare.

Il succinil-CoA cede parte dell’energia contenuta nel legame tioestere per sintetizzare GTP da GDP o ATP da ADP a seconda degli isoenzimi (fosforilazione a livello del substrato) nella reazione catalizzata dalla succinil-CoA sintetasi. Si forma acido succinico, un acido simmetrico per cui non sono più distinguibili i carboni dell’acetile. Nella terzultima reazione si procede alla deidrogenazione del succinato in modo che si formi fumarato, in una reazione stereospecifica. Gli elettroni questa volta vanno al FAD, legato alla succinato deidrogenasi, che viene di conseguenza ridotto a FADH₂. Questo è l’unico enzima del ciclo di Krebs che si trova attaccato alla membrana mitocondriale interna e che fa parte della catena respiratoria mitocondriale.

Con la deidrogenazione si forma un doppio legame, quindi un acido bicarbossilico insaturo (fumarato). Il fumarato poi, ad opera della fumarasi, con l’introduzione di una molecola d’acqua forma il malato, un idrossiacido bicarbossilico. Quest’ultimo ad opera della malato deidrogenasi viene trasformato in ossalacetato producendo l’ultimo NADH del ciclo. Complessivamente vengono liberati otto elettroni per ogni acetil-CoA. Le ultime tre reazioni del ciclo di Krebs ricordano la beta-ossidazione che avviene sempre all’interno dei mitocondri.

Questo ciclo rallenta se la cellula è in condizioni di energia abbondante e avviene in modo molto rapido se necessita di ricaricarsi.