Il ciclo di Krebs - Schemi riassuntivi di Biochimica

IL CICLO DI KREBS

Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato ad H O e CO .

2 2

Il ciclo di Krebs è una via catabolica che rappresenta il punto d’incontro della

maggior parte delle vie degradative ossidative del metabolismo degli eucarioti e dei

procarioti.

Negli organismi aerobici, il ciclo dell’acido citrico è una via anfibolica, serve cioè sia

ai processi anabolici, sia a quelli catabolici. Non soltanto agisce nel catabolismo

ossidativo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi, ma produce anche

precursori per molte vie biosintetiche, come negli anaerobi primitivi.

Durante questo ciclo, un gruppo acetilico (sotto forma del suo tioestere con il

coenzima A), derivato da altre vie cataboliche viene ossidato a due molecole di CO 2

e 1 GTP.

e genera 3 NADH, 1 FADH

2

La reazione netta è quindi:

PRODUZIONE DI Acetil‐CoA

Negli organismi aerobici il glucosio e gli altri zuccheri, gli acidi grassi e la maggior

e H O attraverso il ciclo di Krebs e la

parte degli amminoacidi sono ossidati a CO 2 2

catena respiratoria. Prima di poter entrare nel ciclo, lo scheletro carbonioso degli

zuccheri e degli acidi grassi deve essere degradato a gruppo acetilico dell’acetil‐CoA,

la forma con cui il ciclo accetta la maggior parte del combustibile metabolico.

Ora analizzeremo come il piruvato, derivato dal glucosio ad opera della glicolisi,

per mezzo della piruvato deidrogenasi (PDH), un

viene ossidato ad acetil‐CoA e CO 2

insieme organizzato di tre enzimi.

La reazione complessiva catalizzata dalla piruvato deidrogenasi è una

decarbossilazione ossidativa, un processo di ossidazione irreversibile in cui il gruppo

, e i due

carbossilico viene rimosso dal piruvato sotto forma di una molecola di CO 2

atomi di C che restano diventano il gruppo acetilico dell’acetil‐CoA.

‐ ) alla catena

Il NADH formato in questa reazione porta uno ione iduro (꞉H

respiratoria, che trasporta i due elettroni poi all’ossigeno. Il trasferimento degli

elettroni all’ossigeno produce 2,5 molecole di ATP per coppia di elettroni.

La deidrogenazione e la decarbossilazione combinata del piruvato ad acetil‐CoA

coinvolgono l’azione sequenziale di 3 enzimi diversi e 5 gruppi prostetici o coenzimi:

1. Tiamina pirofosfato (TPP)

2. Flavin adenin dinucleotide (FAD)

3. Coenzima A (CoA, talvolta indicato come CoA‐SH)

4. Nicotinammide adenin dinucleotide (NAD)

5. Lipoato

Ben quattro vitamine che devono essere assunte con l’alimentazione sono elementi

essenziali per questo sistema: la tiamina (per TPP), la riboflavina (per il FAD), la

niacina (per il NAD) e il pantotenato (per il coenzima A).

Il coenzima A ha un gruppo reattivo tiolico (‐SH) essenziale per la sua formazione di

trasportatore di gruppi acilici. I gruppi acilici formano legami tioestere quando si

legano covalentemente al gruppo tiolico del coenzima A. Il gruppo acilico legato al

coenzima A può quindi essere considerato come una forma “attivata” pronta per il

trasferimento del gruppo.

Il complesso della piruvato deidrogenasi (PDH) è costituito da molte coppie di 3

enzimi, associati tra di loro non covalentemente, che lavorano in stretta prossimità

come fossero una catena di montaggio. Questi tre enzimi sono:



1. Piruvato deidrogenasi (E1) il sito attivo di E1 contiene TPP



2. Diidrolipoil transacetilasi (E2) presenta 3 domini funzionali distinti: (1) il

dominio lipoilico amminoterminale che contiene uno o più residui di lipoil‐

lisina, (2) il dominio centrale di legame a E1 e a E3, (3) e il dominio interno

aciltrasferasico che contiene il sito attivo



3. Diidrolipoil deidrogenasi (E3) il sito attivo dell’E3 ha legato a sé il FAD

La presenza di un complesso multienzimatico velocizza le reazioni e diminuisce la

distanza di diffusione necessaria al substrato ad incontrare l’enzima che ne catalizza

la conversione in prodotto.

Il complesso della piruvato deidrogenasi catalizza il processo di decarbossilazione

ossidativa del piruvato in 5 reazioni catalitiche:



1. Decarbossilazione dl piruvato (E1) l’atomo C‐1 del piruvato viene rilasciato

e l’atomo C‐2 viene legato alla TPP come gruppo

sotto forma di CO 2

idrossietilico. Questa prima tappa è la più lenta.

2. Trasferimento del gruppo acetilico dal complesso idrossietil‐TPP al disolfuro



della lipoillisina (E2) il gruppo idrossietilico viene ossidato a livello di acido

carbossilico (acetato). I due elettroni rimossi nella reazione vanno a ridurre il

ponte – S – S – del gruppo lipoilico sull’E2 formando due gruppi tiolici (‐SH).

3. Esterificazione del gruppo acetilico legato alla lipoillisina dell’E2 al CoA‐SH e



uscita di acetil‐CoA. La lipoillisina è ridotta in forma di diidrolipoamide (E2)

Il residuo acetilico in questa reazione di ossidoriduzione viene prima

esterificato su uno dei due gruppo –SH del gruppo lipoilico e poi

transesterificato al CoA.

4. Riduzione del disolfuro della diidrolipoamide tramite FAD (E3).

+ (E3).

5. Rigenerazione del FAD tramite riduzione del NAD

Il punto centrale di questo processo è l braccio mobile lipoil‐lisinico dell’E2, che

accetta dall’E1 i due elettroni e il gruppo acetile derivati dal piruvato, e quindi passa

gli elettroni all’E3.

Tutti gli enzimi e coenzimi sono raggruppati insieme, consentendo agli intermedi di

reagire facilmente e senza dover diffondere alla superficie di questo complesso

enzimatico.

REAZIONI DEL CICLO DI KREBS

Siamo ora pronti ad esaminare il processo di ossidaziine dell’acetil‐CoA, ossia il ciclo

dell’acido citrico (ciclo di Krebs).

Per iniziare un giro del ciclo, l’acetil‐CoA dona il suo gruppo acetilico all’ossalacetato,

un composto a 4 atomi di C, formano il citrato, un composto a 6 atomi di C.

Il citrato viene poi trasformato in isocitrato, anch’esso a 6 atomi di C, che viene

, producendo il composto a 5 atomi di C α‐

deidrogenato con perdita di CO 2 per formare il

chetoglutarato. Quest’ultimo perde un’altra molecola di CO

2

succinato, un composto a 4 atomi di C. Il succinato viene convertito

enzimaticamente in tre tappe in ossalacetato, il composto a 4 atomi di C con cui era

iniziato il ciclo. L’ossalacetato è ora di nuovo pronto a reagire con un’altra molecola

di acetil‐CoA per iniziare un secondo giro del ciclo. In ogni giro del ciclo entra un

.

gruppo acetilico sotto forma di acetil‐CoA ed escono due molecole di CO 2

In ogni giro viene utilizzata una molecola di ossalacetato per formare il citrato, ma

dopo una serie di reazioni, l’ossalacetato viene rigenerato.

Quattro delle 8 tappe di questo processo sono ossidazioni in cui l’energia

dell’ossidazione viene conservata mediante la formazione di coenzimi ridotti NADH

.

e FADH 2

Anche se il ciclo dell’acido citrico è la via metabolica principale per la produzione di

energia, il suo ruolo non si limita alla conservazione dell’energia chimica. Gli

intermedi a 4 e a 5 atomi di C del ciclo sono anche precursori biosintetici per vari

composti.

Kennedy e Lehninger dimostrarono nel 1948 che negli eucarioti l’intera sere di

reazione dell’acido citrico aveva luogo nei mitocondri.

Per estrarre completamente il potenziale energetico da combustibili come i

carboidrati, i grassi e le proteine, l’acetil‐CoA che viene prodotto dalle vie di .

demolizione di questi composti deve poter essere completamente ossidato a CO 2

L’ossidazione diretta dell’acetil‐CoA non è però biochimicamente fattibile. Come in

tutte le vie metaboliche, esiste una logica anche nella sequenza delle tappe del ciclo

di Krebs: ciascuna reazione coinvolge un’ossidazione necessaria per la conservazione

dell’energia oppure una tappa preliminare essenziale per innescare una successiva

ossidazione, collocando i gruppi funzionali nella posizione corretta per favorire

l’ossidazione o la decarbossilazione ossidativa.

Il ciclo di Krebs ha 8 tappe:

1. Formazione del citrato

La prima reazione del ciclo è la condensazione dell’acetil‐CoA con l’ossalacetato

per formare citrato, reazione catalizzata dalla citrato sintasi.

In questa reazione l’atomo di C metilico del gruppo acetilico si lega al gruppo

carbonilico (C2) dell’ossalacetato. Il citril‐CoA è un intermedio transitorio che si

forma sul sito attivo dell’enzima e va incontro a rapida idrolisi, producendo CoA

libero e citrato.

L’idrolisi di questo intermedio tioestere a elevata energia rende la reazione di

scissione fortemente esoergonica.

L’ossalacetato, il primo substrato che si lega all’enzima, induce un’estesa

modificazione conformazionale nel dominio flessibile, creando un sito di legame

per il secondo substrato, l’acetil‐CoA.

Quando nel sito attivo si è formato il citroil‐CoA, un’altra modificazione

conformazionale causa l’idrolisi del tioestere e viene rilasciato CoA‐SH. Questo

adattamento indotto dell’enzima, prima al substrato e poi all’intermedio della

reazione, diminuisce la probabilità di avere una scissione prematura e non

produttiva del legame tioestere dell’acetil‐CoA.

2. Formazione dell’isocitrato attraverso il cis‐aconitato

L’enzima aconitasi catalizza la trasformazione reversibile del citrato in isocitrato,

mediante la formazione intermedia dell’acido tricarbossilico cis‐aconitato.

L’isomerizzazione del citrato in isocitrato, ad opera dell’aconitasi, avviene

attraverso una reazione di deidratazione seguita da una di idratazione. L’ossidrile

viene spostato dal C3 al C2.

L’aconitai contiene un centro ferro‐zolfo che agisce sia nel legame del substrato

al sito attivo, sia nell’aggiunta o rimozione catalitica dell’acqua.

3. Ossidazione dell’isocitrato ad α‐chetoglutarato e CO

2

Nella tappa successiva, l’isocitrato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione

ossidativa dell’isocitrato per formare α‐chetoglutarato.

2+

Uno ione Mn presente nel sito attivo interagisce con il gruppo carbonilico

dell’intermedio ossalosuccinato, che si forma transitoriamente e non lascia il suo

sito di legame fino alla sua conversione in α‐chetoglutarato mediante

2+ stabilizza anche l’enolo formato transitoriamente per

decarbossilazione. L’Mn

decarbossilazione. +

La reazione passa attraverso l’ossidazione NAD dipendente dell’isocitrato ad

ossalosuccinato. Il “senso” dell’ossidazione di un alcol in un chetone è

probabilmente quello di creare un gruppo chetonico che accolga elettroni per

facilitare la successiva decarbossilazione dell’ossalosucc