Ciclo di Krebs

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L'enzima che catalizza la quarta tappa del ciclo di krebs è la α-cheto glutarato 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 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 che si è formato, 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: è possibile, quindi, sfruttare l'energia del succinil coenzima A.

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  

NiTP  ®  nucleoside trifosfato generico
NiDP  ®  nucleoside difosfato generico

È una reazione reversibile; nel nostro caso avviene:

GTP  +  ADP  →   GDP  +  ATP

quindi 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.
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; è 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.
Ritorniamo alla settima tappa del ciclo di krebs è catalizzata dall'enzima fumarasi: si addiziona acqua in maniera stereospecifica per fare L-malato.
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.
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 %).