Il ciclo di Krebs: quando catabolismo e anabolismo si incontrano

Introduzione

In uno scorso articolo abbiamo parlato della glicolisi come la via metabolica comune alla maggior parte dei microrganismi. Abbiamo anche già accennato al fatto che il prodotto finale della glicolisi, il piruvato, rappresenta un punto di snodo da cui più destini sono possibili, tra questi, la respirazione cellulare.

Affinché la cellula possa proseguire verso quest’ultima via, il piruvato deve essere trasformato da composto a tre atomi di carbonio ad un composto a due atomi di C, il gruppo acetile. Quest’ultimo è poi unito al coenzima A per dare acetil-CoA che prosegue verso i due ultimi step: ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni.

In questo articolo ci concentreremo sul ciclo di Krebs, chiamato anche ciclo dell’acido citrico o ciclo degli acidi tricarbossilici, come parte integrante di questo processo.

In realtà, come vedremo in seguito il ciclo di Krebs non rappresenta solo uno step intermedio per la produzione di ATP, ma anche una fonte indispensabile di precursori di composti quali il glutammato.

Dalla figura è possibile osservare le vie principali del metabolismo. Al centro viene rappresentato il catabolismo del glucosio mentre ai lati sono riportati quello delle proteine e quello degli acidi grassi. È possibile inoltre notare la stretta correlazione che c’è tra queste vie: Il ciclo di Krebs rappresenta una fonte di precursori per la sintesi di amminoacidi ma allo stesso tempo viene alimentato dalla demolizione delle proteine. — Figura 1 – Dalla figura è possibile osservare le vie principali del metabolismo. Al centro viene rappresentato il catabolismo del glucosio mentre ai lati sono riportati quello delle proteine e quello degli acidi grassi. È possibile inoltre notare la stretta correlazione che c’è tra queste vie: Il ciclo Krebs rappresenta una fonte di precursori per la sintesi di amminoacidi ma allo stesso tempo viene alimentato dalla demolizione delle proteine.[Fonte: gmpe.it]

Il ciclo di Krebs: caratteristiche generali

Il ciclo di Krebs deve il suo nome ad una sua importante caratteristica: ha un andamento circolare. Infatti, il primo composto che reagisce con l’acetil-CoA entrante, è l’ossalacetato che rappresenta anche il prodotto finale del ciclo. Nel mezzo, si susseguono una serie di otto reazioni da cui si passa da un composto a sei atomi di carbonio ad uno a cinque e infine di nuovo uno a quattro atomi di C (ossalacetato). Durante quattro di queste otto tappe avvengono delle ossidazioni con formazione dei coenzimi ridotti NADH e FADH2. Si formano inoltre anche due molecole di CO2 e una di GTP (molecola simile all’ATP).

Infine, poiché il ciclo di Krebs rappresenta parte del catabolismo del glucosio ma anche parte di alcune vie anaboliche, esso rientra nella via anfibolica.

Produzione di acetil-CoA

Nei procarioti, glicolisi e ciclo di Krebs avvengono nello stesso compartimento: il citoplasma. Negli eucarioti invece assistiamo ad un cambio location. Il piruvato passa prima attraverso i pori sulla superficie della membrana mitocondriale esterna e poi diffonde nella matrice grazie al trasportatore del piruvato mitocondriale (MPC). Qui è ossidato ad acetil-CoA grazie ad un complesso multienzimatico che prende il nome di complesso della piruvato deidrogenasi (PDH).
Durante la reazione catalizzata dall’enzima, un gruppo carbossilico è rimosso sotto forma di anidride carbonica (CO₂) e l’elettrone sottratto è immagazzinato dal NAD. Infine, il gruppo acetilico formato si unisce al coenzima A.

*Figura 2 – Nella figura è mostrata la reazione contemporaneamente allo spostamento della via metabolica nel mitocondrio.* *[Fonte: testdimedicina.altervista.org]*

Ciclo di Krebs reazioni: le tappe

Immagine rappresentate le otto reazioni del ciclo di Krebs. — *Figura 3 – Ciclo di Krebs schema rappresentate le otto reazioni con i prodotti del ciclo di Krebs.[Fonte: matteocozzi.com]*

Tappa 1

Nella prima tappa effettiva del ciclo di Krebs, l’acetil-CoA va incontro ad idrolisi e il gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico dell’ossalacetato. La reazione è catalizzata dalla citrato sintasi, che lega prima l’ossalacetato, responsabile di una modificazione conformazionale dell’enzima, e poi il gruppo acetil-CoA. Nel sito attivo si forma dapprima un composto intermedio, il citroil-CoA, dopodiché una seconda modificazione conformazionale porta all’idrolisi del coenzima A e alla formazione del citrato.

Ciclo di krebs: nella figura si può osservare il rilascio del coeinzima A che viene efficentemente riciclato per la formazione di altro acetil-CoA a partire dal piruvato. — *Figura 4 – Nella figura si può osservare il rilascio del coeinzima A che viene efficentemente riciclato per la formazione di altro acetil-CoA a partire dal piruvato.* *[Fonte: biologiawiki.it]*

Tappa 2

Il citrato viene trasfromato in isocitrato mediante una reazione che porta ad un composto intermedio (cis-aconitato). Lo scopo della reazione è spostare il gruppo -OH dal carbonio in posizione 3 al carbonio in posizione 4 attraverso l’eliminazione e poi l’aggiunta di una molecola d’acqua. L’enzima che catalizza la reazione prende il nome di aconitasi.

*Figura 5 – Dalla reazione si può osservare la presenza delle doppie frecce ad indicare un tipo di reazione reversibile. [Fonte:* *chemhacks*]

Tappa 3

A questo punto si passa da un composto a sei atomi di carbonio ad un composto che ne ha cinque: l’isocitrato deidrogenasi catalizza la rimozione di un gruppo carbossilico con formazione di α-chetoglutarato. La reazione avviene in più step. Inizialmente il gruppo -OH posto precedentemente sul carbonio 4 viene ossidato. Successivamente l’intermedio viene decarbossilato a livello del carbonio 3 ed infine, il composto enolico che si forma viene riarrangiato per formare α-chetoglutarato.

*Figura 6 – Dalla figura è possibile osservare anche il ruolo dello ione Mn2+ presente nel sito attivo dell’enzima. [Fonte: biologiawiki.it]*

Tappa 4

Una seconda decarbossilazione con l’aggiunta del coenzima A porta alla formazione del succinil-CoA. Il complesso che catalizza la reazione, l’α-chetoglutarato deidrogenasi, è simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi. Si può infatti ipotizzare la presenza di un gene ancestrale comune, che, a seguito di duplicazione genica, è andato incontro ad evoluzione divergente.

A seguito della decarbossilazione si noti la presenza di CO2 tra i prodotti. — *Figura 7 – A seguito della decarbossilazione si noti la presenza di CO₂ tra i prodotti. [Fonte: chemhacks]*

Tappa 5 e 6

Di nuovo il coenzima A è idrolizzato e l’energia rilasciata utilizzata per formare GTP. Il processo catalizzato dalla succinil-CoA sintetasi porta alla formazione di succinato.

Come si evince dalle dopie frecce l'enzima catalizza la reazione reversibilmente. — *Figura 8 – Come si evince dalle dopie frecce l’enzima catalizza la reazione reversibilmente. [Fonte: chemhacks]*

In seguito, il succinato viene ossidato a fumarato nella tappa 6 del ciclo di Krebs grazie alla flavoproteina succinato deidrogenasi. L’enzima è legato covalentemente al FAD che durante il corso della reazione viene ridotto a FADH2.

Tappa 7

L’enzima fumarasi o fumarato idratasi idrata il fumarato ad L-malato attraverso la formazione di un intermedio carbocationico.

L'enzima stereospecifico catalizza l'idratazione solo del doppio legame trans del fumarato. — *Figura 9 – L’enzima stereospecifico catalizza l’idratazione solo del doppio legame trans del fumarato. [Fonte : chemhacks]*

Tappa 8

L’ultima reazione del ciclo è quella che riforma l’ossalacetato. L’L-malato viene ossidato dall’L-malato deidrogenasi con riduzione di NAD in NADH. Normalmente l’equilibrio di questa reazione è spostato verso sinistra ma grazie ad una costante rimozione di ossalacetato (ad opera della citrato sintasi) è deviato a destra.

Nonostante la doppia freccia l'equilibrio è spostato a destra grazia alla rimozione di ossalacetato. — *Figura 10 – Nonostante la doppia freccia l’equilibrio è spostato a destra grazia alla rimozione di ossalacetato. [Fonte: chemhacks]*

Vie anaboliche del ciclo di Krebs: biosintesi del glutammato

Il ciclo di Krebs oltre ad essere parte integrante de catabolismo del glucosio (e degli acidi grassi), fornisce importanti precursori per la biosintesi di altri composti. Tra questi il glutammato.

Il glutammato è un amminoacido non essenziale, primo ad essere prodotto su scala industriale a scopo alimentare. All’interno delle cellule è sintetizzato a partire all’α-chetoglutarato attraverso due possibili vie:

Glutammato sintasi (GS): l’enzima trasferisce un gruppo amminico dalla glutammina all’α-chetoglutarato producendo due molecole di glutammato
Glutammato deidrogenasi (GDH): la GDH utilizza direttamente l’ammonio

Entrambi gli enzimi usano come potere riducente NADPH/H⁺ ma mentre la GS non è presente negli animali, la GDH è presente in tutti gli organismi.