Ciclo di Krebs: dove avviene, come funziona e cosa forma

Ciclo di Krebs: dove avviene, come funziona e cosa forma
Ultima modifica 17.10.2023
INDICE
  1. Cos'è il ciclo di Krebs e a cosa serve
  2. Come funziona il ciclo di Krebs?
  3. Considerazioni

Cos'è il ciclo di Krebs e a cosa serve

Il ciclo di Krebs è anche chiamato ciclo degli acidi tricarbossilici e utilizza come metabolita di partenza l'acetilcoenzima A (acetil CoA), che si ottiene per azione della piruvato deidrogenasi sul piruvato prodotto (soprattutto) dalla glicolisi.

Dal ciclo di Krebs si ottengono ATP e potere riducente.

Il potere riducente viene inviato alla catena respiratoria dove NADH e FADH2 vengono ossidati rispettivamente a NAD+ e FAD. Il potere riducente viene ceduto, lungo la catena respiratoria, a dei sistemi di accoppiamento dai quali viene prodotto ulteriore ATP.

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Come funziona il ciclo di Krebs?

Prima tappa del ciclo di Krebs

La molecola di partenza è il piruvato, che si ottiene soprattutto dal metabolismo del glucosio, ma anche dal metabolismo dei grassi e degli amminoacidi. Dal piruvato viene poi ottenuto l'acetilcoenzima A.

Circa l'80% dell'acetilcoenzima A che partecipa al ciclo di Krebs proviene dal piruvato ottenuto previo metabolismo degli acidi grassi. Inoltre il piruvato può essere ottenuto, ad esempio, anche dalla transaminazione dell'amminoacido alanina.

L'acetilcoenzima A è un tioestere, perciò ha un elevato contenuto energetico.

L'acetilcoenzima A viene sfruttato dal primo enzima del ciclo di Krebs, la citrato sintasi, per formare un nuovo legame carbonio-carbonio.

Il carbonio metilico dell'acetilcoenzima A cede per tautomeria un protone, diventa un carboanione, e attacca il carbonio carbonilico dell'ossalacetato. Si forma così un tioestere ad alto contenuto energetico, il citril coenzima A, dal quale, per idrolisi, si ottengono il citrato + coenzima A

La citrato sintasi è modulata negativamente dal prodotto, cioè dal citrato e dall'ATP.

Il citrato è un modulatore negativo; se si accumula significa che questo stadio è più veloce degli altri, perciò deve rallentare.

Anche l'ATP influenza l'azione della citrato sintasi, dal momento che dal ciclo di Krebs si ottiene potere riducente che viene, poi, inviato alla catena respiratoria dalla quale viene prodotto ATP; se si accumula ATP vuol dire che ne viene prodotto più di quello che serve.

Rallentando il ciclo di Krebs, anche una sola tappa, viene rallentata anche la produzione di ATP. La modulazione negativa dell'ATP è una modulazione feed-back, cioè viene modulata la formazione di uno dei prodotti finali regolando la velocità di una tappa del processo.

Seconda tappa del ciclo di Krebs

Nella seconda tappa del ciclo di Krebs, il citrato viene convertito in isocitrato per azione dell'enzima aconitasi.

Il nome dell'enzima deriva dal fatto che il citrato viene prima disidratato con formazione del cis-aconitato e, successivamente, l'acqua rientra attaccandosi ad un carbonio diverso da quello su cui era legato prima. Si ottiene l'isocitrato senza che il substrato lasci il sito catalitico.

L'aconitasi è un enzima stereospecifico, ovvero riconosce i tre centri carbossilici del citrato e ciò fa sì che il citrato rimanga legato all'enzima cosicché l'uscita e l'entrata dell'acqua passino sempre attraverso l'intermedio cis-aconitato.

Terza tappa del ciclo di Krebs

Nella terza tappa del ciclo di Krebs si ha il primo corrispettivo energetico, perché si ha la perdita di un carbonio eliminato come anidride carbonica.

L'enzima che catalizza questo stadio è la isocitrato deidrogenasi. Il substrato subisce, innanzitutto, una deidrogenazione: il NAD+ acquista potere riducente e si forma ossalosuccinato (è un ossal derivato dell'acido succinico).

L'ossalosuccinato subisce, poi, la decarbossilazione ad α-chetoglutarato.

L'enzima isocitrato deidrogenasi possiede due siti di modulazione. Una modulazione positiva dovuta all'ADP e una modulazione negativa dovuta all'ATP.

La quantità di ATP consumata quotidianamente è molto alta. L'ATP fornisce energia liberata dalla sua idrolisi, all'ADP e all'ortofosfato.

La concentrazione totale di nucleosidi (base azotata più zucchero) e nucleotidi (nucloside più fosfato) in un organismo è pressoché costante. Dire, quindi, che c'è molto ATP o poco ADP (o viceversa, molto ADP e poco ATP) è la stessa cosa. L'ADP è un sinonimo di "bisogno di energia" ed è, quindi, un modulatore positivo, mentre, l'ATP è un sintomo di disponibilità di energia ed è, quindi, un modulatore negativo.

Quarta tappa del ciclo di Krebs

L'enzima che catalizza la quarta tappa del ciclo di Krebs è la α-cheto glutarato deidrogenasi (o ossoglutarato deidrogenasi).

Tale enzima è un complesso enzimatico molto simile alla piruvato deidrogenasi. Entrambi sono composti da 48-60 proteine in cui si riconoscono tre diverse attività enzimatiche ed hanno anche gli stessi cofattori enzimatici.

Sono enzimi molto simili perché agiscono su substrati simili. Sia il piruvato sia l'α-cheto glutarato, sono α-cheto acidi. Il meccanismo di azione dei due complessi enzimatici è il medesimo.

L'attacco da parte della tiamina pirofosfato (TPP) sul carbonile (C=O) dell'α-chetoglutarato, porta alla sua decarbossilazione e si ha la formazione del carbossi idrossi propil derivato. Con il successivo trasferimento sulla lipoamide, si verifica un processo ossidoriduttivo interno, dal quale si ottiene il carbossiderivato della lipoamide ossia la succinil lipoamide.

La succinil lipoamide reagisce, poi, con il coenzima A per dare il succinil coenzima A (che prosegue nel ciclo di krebs) e la lipoamide ridotta che viene riossidata dal FAD.

Il FADH2 derivante viene riossidato dal NAD+ e si ottiene NADH.

In questa tappa si è, quindi, verificata la seconda eliminazione di un carbonio dallo scheletro carbonioso, sotto forma di anidride carbonica.

Un gruppo acile legato al coenzima A è in forma attivata, cioè ha un elevato contenuto energetico. E' possibile, quindi, sfruttare l'energia del succinil coenzima A.

Quinta tappa del ciclo di Krebs

Nella quinta tappa del ciclo di krebs, il succinil coenzima A viene sottoposto all'azione della succinil tiochinasi.

Sono state fatte due ipotesi sulla sua modalità di azione: noi descriveremo solamente una delle due perché è la più accreditata.

Secondo questa ipotesi, il succinil coenzima A viene attaccato dall'azoto di una istidina (Hys) dell'enzima.

Si libera coenzima A e si forma, come intermedio, un addotto derivato dall'istidina. cioè il succinil-enzima (o succinil-Hys).

Su questo intermedio agisce un ortofosfato, portando alla liberazione del succinato e alla formazione del fosfoenzima.

Il fosfoenzima, attaccato dal guanosin difosfato (GDP), produce guasnosin trifosfato (GTP) e si libera l'enzima.

Dal punto di vista energetico GTP=ATP: il legame che fornisce energia è lo stesso in entrambe le specie (è il legame anidridico tra il fosforile Β e il fosforile γ).

In alcuni casi il GTP viene utilizzato come materiale ad alto contenuto energetico ma, solitamente, il GTP viene convertito in ATP per azione dell'enzima nucleoside difosfo chinasi (NDPK); è un enzima che si trova nelle cellule e catalizza la seguente reazione: N1TP  +  N2DP   →   N1DP  +  N2TP.

dove NiTP: nucleoside trifosfato generico;

e dove NiDP: nucleoside difosfato generico.

È una reazione reversibile; nel nostro caso avviene: GTP  +  ADP  →   GDP  +  ATP.

Quindi, la reazione può procedere verso destra o verso sinistra, anche per piccole variazioni delle concentrazioni dei reagenti.

Se  il ciclo di Krebs procede ad una velocità tale da portare ad una produzione di ATP superiore al fabbisogno energetico, si ha una scarsa disponibilità di ADP mentre si avrà molto ATP.

La reazione catalizzata dalla nucleoside difosfo chinasi è, allora, diretta verso sinistra (il GTP si accumula se il nucleoside difosfo chinasi non ha sufficiente substrato  ossia ADP). Il GTP è, perciò, un segnale di disponibilità energetica  e rallenta, quindi, il ciclo di Krebs.

Sesta tappa del ciclo di Krebs

La sesta tappa del ciclo di krebs porta alla formazione del fumarato  per azione della succinato deidrogenasi.

Questo enzima dà una reazione stereospecifica in quanto si forma sempre l'insaturo (è un alchene) trans ossia il fumarato (mentre l'isomero cis è il maleato).

La succinato deidrogenasi, si trova sulla membrana mitocondriale interna, mentre tutti gli altri enzimi del ciclo di Krebs sono sparsi per il mitocondrio.

La succinato deidrogenasi ha come cofattore il FAD. E' inibita dall'ossalacetato (inibizione feed-back), mentre ha come modulatore positivo (attivatore) il succinato e il fumarato.

Se non ci stupisce che il succinato sia modulatore positivo, è la prima volta che vediamo che il prodotto di un enzima è anche il suo attivatore. Cerchiamo di capire perché, facendo un salto alla tappa conclusiva del ciclo si Krebs.

La tappa conclusiva del ciclo di Krebs richiede energia, perciò, l'unica possibilità per ottenere l'ossalacetato dal malato è che la concentrazione di malato sia molto elevata.

Il malato è uno dei metaboliti a più alta concentrazione nelle cellule. La reazione che converte il malato in ossalacetato è, inoltre, favorita dal fatto che la concentrazione di ossalacetato  sia mantenuta bassa dall'azione della citrato sintasi.

La reazione catalizzata dalla succinato deidrogenasi è, allora, una reazione che si autoalimenta e questo è l'unico modo per fare avvenire la trasformazione di malato in ossalacetato.

La concentrazione di malato mitocondriale deve essere compatibile alla concentrazione del malato citoplasmatico.

Solo quando la concentrazione di malato mitocondriale è talmente alta da garantire la conversione del malato in ossalacetato (nel ciclo di Krebs), allora il malato può essere utilizzato anche in altre vie (che sono citoplasmatiche).

Nel citoplasma il malato può essere convertito in ossalacetato dal quale si può ottenere l'aspartato per azione della GOT (è una transaminasi) oppure il glucosio attraverso la gluconeogenesi.

Settima tappa del ciclo di Krebs

La settima tappa del ciclo di Krebs è catalizzata dall'enzima fumarasi, che si addiziona acqua in maniera stereospecifica per fare L-malato.

Ottava tappa del ciclo di Krebs

Nell'ultima tappa del ciclo di Krebs, di cui abbiamo già parlato, viene sfruttata l'azione della malato deidrogenasi. Questo enzima utilizza una molecola di NAD+ per la sua azione catalitica.

Abbiamo così concluso la descrizione delle varie tappe del ciclo di Krebs.

Considerazioni

Il ciclo di Krebs è totalmente reversibile.

Per aumentare la velocità del ciclo di Krebs, si può aumentare la concentrazione dei metaboliti presenti in tale ciclo.

Una delle strategie per aumentare la velocità del ciclo di Krebs consiste nel convertire parte del piruvato che entra nei mitocondri, in ossalacetato (per azione della piruvato carbossilasi) e non trasformarlo tutto in acetil coenzima A. Aumenta, così, la concentrazione di ossalacetato, che è un metabolita del ciclo di Krebs e, quindi, aumenta la velocità di tutto il ciclo.

Nel ciclo di Krebs si convertono tre NAD+ in tre NADH e un FAD in FADH2 ed, inoltre, si ottiene un GTP. Canalizzando il potere riducente ottenuto dal ciclo di Krebs, si ha produzione di ulteriore ATP. Nella catena respiratoria, il potere riducente viene trasferito da NADH e FADH2 all'ossigeno. Tale trasferimento è dovuto ad una serie di enzimi localizzati sulla membrana mitocondriale che, nella loro azione, portano alla produzione di ATP.

I processi della catena respiratoria sono processi esoergonici e l'energia liberata viene usata per produrre ATP. Lo scopo della cellula è sfruttare i processi esoergonici per far avvenire la sintesi dell'ATP. Per ogni molecola di NADH che entra nella catena respiratoria, si ottengono 2.5 molecole di ATP e, per ogni FADH2, si ottengono 1.5 molecole di ATP. Questa diversità è dovuta al fatto che il FADH2 entra ad un livello più basso rispetto al NADH, nella catena respiratoria.

Col potere riducente del metabolismo aerobico si ottengono 30-32 ATP (219-233 kcal/mole) con un rendimento di circa 33% (il rendimento del metabolismo anaerobico è di circa il 2 %).