Il ciclo di Krebs: le otto reazioni di questa via anfibolica

Il ciclo di Krebs, detto anche ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell'acido citrico, è una via metabolica importantissima che avviene nei mitocondri delle cellule eucariotiche e nel citoplasma di quelle procariotiche. Prende il suo nome in onore del medico e biochimico tedesco che contribuì, nel 1937, alla sua determinazione, Sir Hans Adolf Krebs.


Negli organismi aerobici, il ciclo di Krebs è una via anfibolica, ovvero serve sia ai processi catabolici che anabolici. Non agisce soltanto nel metabolismo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi, ma produce anche i precursori di molte vie biosintetiche. Per esempio l'α-chetoglutarato e l'ossalacetato vengono sottratti al ciclo di Krebs per essere usati come precursori degli amminoacidi aspartato e glutammato (mediante transamminazione); l'ossalacetato viene convertito in glucosio nella gluconeogenesi, ed il succinil-CoA è un intermedio fondamentale nella sintesi dell'anello porfirinico dell'eme.

Le reazioni che lo compongono sono in tutto 8; di queste ben 4 sono ossidazioni, in cui l'energia viene conservata con un alto grado di efficienza mediante la formazione dei cofattori ridotti NADH e FADH2. 
La reazione netta del ciclo di Krebs è:
acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi CoA + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2


Vediamo adesso una per una tutte le reazioni.

1. Formazione del citrato. La prima reazione del ciclo è la condensazione dell'acetil-CoA con l'ossalacetato per formare il citrato. L'enzima che catalizza la reazione è la citrato sintasi. In questa reazione si forma un intermedio sul sito attivo dell'enzima, il citril-CoA, e ben presto viene idrolizzato liberando citrato e CoA. La reazione è fortemente esoergonica, motivo per cui è irreversibile. Il CoA libero formato in questa reazione viene riciclato e può partecipare alla decarbossilaione ossidativa di un'altra molecola di piruvato da parte del complesso della piruvato deidrogenasi.
acetil-CoA + ossalacetato --> citrato



2. Formazione dell'isocitrato attaraverso il cis-aconitato. L'enzima aconitato idratasi (o aconitasi) catalizza la trasformazione reversibile del citrato in isocitrato, mediante la formazione di un composto intermedio: il cis-aconitato.
L'aconitasi può addizionare una molecola di acqua al doppio legame del cis-aconitato in due diversi modi, di modo tale che una via porti alla formazione di citrato e l'altra ad isocitrato.
Anche se la miscela contiene poco isocitrato, la reazione procede verso la sua formazione a causa del suo immediato consumo da parte della reazione successiva. L'aconitasi contiene un centro ferro-zolfo che agisce sia nel legame del substrato al sito attivo, sia nella catalasi dell'addizione o della rimozione della molecola di acqua.
citrato <--> cis-aconitato <--> isocitrato



3. Ossidazione dell'isocitrato ad α-chetoglutarato ed anidride carbonica. L'enzima isocitrato deidrogenasi catalizza una decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato per formare α-chetoglutarato. L'enzima presenta due isoforme, una che richiede il NAD+ come accettore di elettroni ed un'altra che richiede NADP+. Nelle cellule eucariotiche la prima isoforma è presente nella matrice mitocondriale, mentre la seconda è presente anche nel citosol.
isocitrato <--> α-chetoglutarato + CO2



4. Ossidazione dell'α-chetoglutarato a succinil-CoA e CO2. Siamo di fronte ad un'altra decarbossilazione ossidativa, in cui l'α-chetoglutarato viene convertito in succinil-CoA ed anidride carbonica da parte del complesso dell'α-chetoglutarato deidrogenasi. L'accettore finale di elettroni è il NAD+ ed il CoA è il trasportatore del gruppo succinile. Questa reazione è analoga a quella del complesso della piruvato deidrogenasi, in quanto i complessi enzimatici di riferimento sono simili sia nella struttura che nella funzione. Riconosciamo infatti la presenza di 3 enzimi (analoghi ad E1, E2 ed E3) e 5 cofattori enzimatici (Tiamina pirofosfato legata ad E1, lipoato legato ad E2, FAD, NAD e CoA).
α-chetoglutarato --> succinil-CoA



5. Conversione del succinil-CoA a succinato. Il succinil-CoA ha un'energia libera di idrolisi fortemente negativa. Questa energia viene utilizzata nella tappa successiva per favorire la formazione di un legame fosfoanidridico sottoforma di GTP o ATP. Il processo porta alla formazione del succinato. La reazione è catalizzata dalla succinil-CoA sintetasi, che può anche essere definita come succinico tiochinasi data la partecipazione alla reazione di un nucleoside trifosfato.
succinil-CoA <--> succinato



6. Ossidazione del succinato a fumarato. Il succinato formato nella reazione precedente viene quindi ossidato a fumarato da parte della succinato deidrogenasi. Negli eucarioti la succinato deidrogenasi è legata saldamente alla membrana interna dei mitocondri, mentre nei procarioti si trova legata alla membrana plasmatica. L'enzima estratto dal mitocondrio del cuore di bue contiene tre centri ferro-zolfo ed una molecola di FAD legata covalentemente. Gli elettroni estratti dal succinato, passano attraverso il FAD ed i centri ferro-zolfo prima di entrare nella catena di trasporto degli elettroni della membrana mitocondriale interna. L'enzima viene inibito dal malonato, un analogo del succinato. 
succinato <--> fumarato



7. Idratazione del fumarato per produrre malato. Il fumarato viene idratato in una reazione catalizzata dalla fumarato idratasi (fumarasi). Il prodotto della reazione è il malato. L'enzima è altamente stereospecifico, per cui porta alla formazione di L-malato.
fumarato <--> malato



8. Ossidazione del malato ad ossalacetato. L'enzima L-malato deidrogenasi NAD-dipendente catalizza l'ultima reazione del ciclo, ovvero l'ossidazione del malato ad ossalacetato. In condizioni termodinamiche standard la reazione è più spostata verso sinistra, ma dato che l'ossalacetato deve iniziare nuovamente il ciclo dalla prima reazione, la sua concentrazione è relativamente bassa, per cui favorisce continuamente lo spostamento della reazione verso destra.
L-malato <--> ossalacetato


Considerazioni
Un gruppo acetilico, contenente 2C, è entrato nel ciclo combinandosi con l'ossalacetato. I 2C sono usciti dal ciclo sottoforma di CO2 a livello dell'ossidazione dell'isocitrato e dell'α-chetoglutarato, ma non si tratta degli stessi atomi di C. L'energia rilasciata da queste ossidazioni è stata conservata con la riduzione di 3 NAD+ ed un FAD e con la produzione di un ATP/GTP.
Il ciclo di Krebs produce solo una molecola di ATP per giro, ma nelle quattro reazioni di ossidazione viene prodotto un enorme flusso di elettroni che entrano nella catena respiratoria, portando alla formazione di un numero maggiore di molecole ATP nella fosforilazione ossidativa.
Nella fosforilazione ossidativa, il passaggio di 2 elettroni dal NADH all'ossigeno porta alla formazione di 2,5 molecole di ATP, mentre il passaggio di 2 elettroni dal FADH2 all'ossigeno ne produce 1,5. Quando due molecole di piruvato sono ossidate a 6 molecole di CO2 dal complesso della piruvato deidrogenasi e dal ciclo di Krebs, e gli elettroni vengono trasferiti all'ossigeno dalla catena respiratoria, si ottengono mediante fosforilazione ossidativa 32 molecole di ATP per molecola di glucosio.

Questo è un bellissimo video (purtroppo in inglese) che spiega passo passo tutte le reazioni.



Questo è invece una versione più semplifice e con le formule chimiche estese.

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