Vai alla Home Page About me Courseware Federica Living Library Federica Federica Podstudio Virtual Campus 3D Le Miniguide all'orientamento Gli eBook di Federica La Corte in Rete
 
 
Il Corso Le lezioni del Corso La Cattedra
 
Materiali di approfondimento Risorse Web Il Podcast di questa lezione

Rita Santamaria » 11.Ciclo dell'acido citrico


Ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell’acido citrico (detto anche ciclo di Krebs o ciclo degli acidi tricarbossilici) è una via metabolica di importanza fondamentale per tutte le cellule. Negli organismi aerobici, il ciclo dell’acido citrico collega le vie cataboliche dei carboidrati, dei grassi e delle proteine (Figura 1).

Il ciclo dell’acido citrico inizia con la molecola di acetil coenzima A (acetil-CoA), la forma attivata dell’acetato.

L’acetil-CoA deriva da:

  • ossidazione degli acidi grassi;
  • ossidazione di alcuni amminoacidi;
  • decarbossilazione ossidativa del piruvato.
Fig. 1 Il ciclo dell’acido citrico è una via metabolica centrale

Fig. 1 Il ciclo dell'acido citrico è una via metabolica centrale


Decarbossilazione ossidativa del piruvato

Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene trasportato, tramite un trasportatore specifico, nel mitocondrio dove viene convertito in acetil-CoA mediante la reazione di decarbossilazione ossidativa.

La decarbossilazione ossidativa è un processo di ossidazione irreversibile in cui il gruppo carbossilico del piruvato viene rimosso sotto forma di molecola di CO2 e i due atomi di carbonio residui diventano il gruppo acetilico legato al CoA (Figura 2).

Il NADH formatosi in questa reazione cede gli equivalenti riducenti alla catena di trasporto degli elettroni.
Sono necessari due “giri” del ciclo per ossidare completamente una molecola di glucosio.
La decarbossilazione ossidativa del piruvato avviene ad opera del complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi.

Fig. 2 La reazione globale della decarbossilazione ossidativa del piruvato.
D.L. Nelson, M.M. Cox, I  principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli,  4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino

Fig. 2 La reazione globale della decarbossilazione ossidativa del piruvato. D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino


Complesso della piruvato deidrogenasi

Il complesso della piruvato deidrogenasi è costituito da tre diverse attività enzimatiche (Figura 3):

  • piruvato deidrogenasi (E1), il cui coenzima è la tiamina pirofosfato (TPP);
  • diidrolipoil transacetilasi (E2), il cui coenzima è l’acido lipoico;
  • diidrolipoil deidrogenasi (E3), il cui coenzima è il FAD.

Per la reazione complessiva sono necessari altri due coenzimi:

  • coenzima A, come substrato di E2;
  • NAD+, come substrato di E3.
Fig. 3 Rappresentazione schematica del complesso della piruvato deidrogenasi

Fig. 3 Rappresentazione schematica del complesso della piruvato deidrogenasi


Complesso della piruvato deidrogenasi (segue)

Le vitamine coinvolte in questa reazione sono:

  • Tiamina per la TPP.
  • Riboflavina per il FAD.
  • Niacina per il NAD.
  • Pantotenato per il coenzima A.

L’acido lipoico può essere presente in forma ossidata o in forma ridotta.

Nei mammiferi sono presenti anche due proteine regolatrici, una proteina chinasi e una fosfoproteina fosfatasi.

Tappe della decarbossilazione ossidativa del piruvato

La reazione avviene in 5 tappe (Fig. 4)

  • Il piruvato viene decarbossilato da E1 (piruvato deidrogenasi) formando idrossietil-TPP mentre la CO2 si libera come primo prodotto.
  • E1 catalizza anche il trasferimento di due elettroni e del gruppo acetilico dalla TPP alla forma ossidata dell’acido lipoico (coenzima di E2).
  • La diidrolipoil transacetilasi (E2) catalizza il trasferimento del gruppo acetilico al CoA formando acetil-CoA, il secondo prodotto.
  • La diidrolipoil deidrogenasi (E3) riossida l’acido lipoico utilizzando una molecola di FAD (coenzima di E3) che si riduce a FADH2.
  • Il FADH2 viene riossidato a FAD da una molecola di NAD+ che si riduce a NADH.
Fig. 4 Meccanismo di azione del complesso della piruvato deidrogenasi

Fig. 4 Meccanismo di azione del complesso della piruvato deidrogenasi


Reazioni del ciclo dell’acido citrico

Il ciclo dell’acido citrico avviene nella matrice mitocondriale.

Il ciclo è costituito da 8 reazioni:

  • 1 condensazione;
  • 2 decarbossilazioni;
  • 4 ossidazioni;
  • 1 fosforilazione.

In ogni giro del ciclo entra una molecola di acetil-CoA ed escono 2 molecole di CO2.
In ogni giro del ciclo viene utilizzata una molecola di ossalacetato che alla fine del ciclo viene rigenerato.
Di conseguenza, non vi è consumo netto di ossalacetato.
L’ossalacetato è presente nella cellula in basse concentrazioni.

Nella Figura 5 sono riportate le reazioni del ciclo.

Fig. 5 Reazioni del ciclo dell’acido citrico.
D.L. Nelson, M.M. Cox, I  principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli,  4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino

Fig. 5 Reazioni del ciclo dell'acido citrico. D.L. Nelson, M.M. Cox, I principi di biochimica di Lehninger, Zanichelli, 4a edizione, 2006, traduzione di P. Capini, E. Regola, revisione di E. Melloni, F. Salamino


Reazione 1

La prima reazione del ciclo è la condensazione dell’acetil-CoA con l’ossalacetato per formare citrato

ossalacetato + acetil-CoA + H2O → citrato + CoA

Durante la reazione si forma un intermedio transitorio (citril-CoA), un tioestere con elevata energia di idrolisi.

L’idrolisi di questo intermedio fornisce energia per la reazione di condensazione.

La reazione è catalizzata dalla citrato sintasi.

Reazione 2

La seconda reazione del ciclo è l’isomerizzazione del citrato a isocitrato

citrato ⇆ isocitrato

La reazione procede con la rimozione di una molecola di H2O dal citrato, formazione di un intermedio (cis-aconitato) e aggiunta di una molecola di H2O.

La reazione è catalizzata dall’aconitasi che possiede un centro ferro-zolfo importante per il legame del substrato e per la catalisi.

Reazione 3

La terza reazione del ciclo è la decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato per formare alfa-chetoglutarato e CO2

isocitrato + NAD+ → alfa-chetoglutarato + CO2 + NADH + H+

La reazione è catalizzata dalla isocitrato deidrogenasi che ha come coenzima il NAD.

Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I).

Reazione 4

La quarta reazione del ciclo è la decarbossilazione ossidativa dell’alfa-chetoglutarato per formare succinil-CoA e CO2

alfa-chetoglutarato + NAD+ + CoA → succinil-CoA + CO2 + NADH + H+

Il succinil CoA è un tioestere ad alta energia di idrolisi.

L’energia liberata dall’ossidazione dell’alfa-chetoglutarato è conservata mediante la formazione del legame tioestere del succinil-CoA.

La reazione è catalizzata dal complesso multienzimatico dell’alfa-chetoglutarato deidrogenasi, un complesso molto simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi.

Nel complesso dell’alfa-chetoglutarato deidrogenasi sono presenti tre enzimi  (E1, E2, E3) e cinque coenzimi (TPP, acido lipoico, FAD, NAD+, coenzima A).

Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I).

Reazione 5

La quinta reazione del ciclo è la formazione del succinato

succinil-CoA + GDP + Pi ⇆ succinato + GTP + CoA

In questa reazione viene idrolizzato il legame tioestere del succinil-CoA.

L’idrolisi del legame tioestere fornisce energia per la sintesi di GTP.

La reazione è catalizzata dalla succinil-CoA sintetasi.

Il gruppo fosfato del GTP viene trasferito all’ADP per formare ATP.

GTP + ADP → GDP + ATP

Questa fosforilazione è una fosforilazione a livello del substrato come quelle che si verificano nella glicolisi.

Reazione 6

La sesta reazione del ciclo è l’ossidazione del succinato a fumarato.

succinato + FAD ⇆ fumarato + FADH2

La reazione è catalizzata dalla succinato deidrogenasi, il cui coenzima è il FAD.

La succinato deidrogenasi è legata alla membrana mitocondriale interna; gli altri enzimi del ciclo si trovano nella matrice mitocondriale.

Il FADH2 cede gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni (complesso II).

Reazione 7

La settima reazione del ciclo è l’idratazione del fumarato a malato.

fumarato + H2O ⇆ malato

La reazione è catalizzata dalla fumarato idratasi (fumarasi).

Reazione 8

L’ottava reazione del ciclo è l’ossidazione del malato a ossalacetato

Malato + NAD+ ⇆ ossalacetato + NADH + H+

La reazione è catalizzata dalla malato deidrogenasi, il cui coenzima è il NAD.

Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I).

IL ciclo dell’acido citrico è terminato.

L’ossalacetato, prodotto dell’ultima reazione, si condensa con un’altra molecola di acetil CoA e il ciclo continua.

Ogni giro del ciclo dell’acido citrico produce:

  • 2 CO2
  • 1 GTP → ATP
  • 3 NADH
  • 1 FADH2

Natura anfibolica del ciclo dell’acido citrico

Molte vie biosintetiche utilizzano intermedi del ciclo dell’acido citrico (Figura 6).

Il ciclo dell’acido citrico è pertanto una via metabolica anfibolica poiché prende parte sia a processi catabolici che a processi anabolici.

Quando al ciclo dell’acido citrico vengono sottratti intermedi da utilizzare come precursori in altre vie metaboliche, essi devono essere riforniti al ciclo stesso.

Le reazioni anaplerotiche sono reazioni riempitive che servono per rifornire il ciclo degli intermedi utilizzati per altre vie metaboliche.

Molto importanti sono le reazioni anaplerotiche che riforniscono il ciclo di ossalacetato.

Nel fegato la reazione di carbossilazione del piruvato ad ossalacetato (la prima reazione della gluconeogenesi) può servire a rifornire il ciclo di ossalacetato.

Fig. 6 Collegamento del ciclo dell’acido citrico con diverse vie biosintetiche

Fig. 6 Collegamento del ciclo dell'acido citrico con diverse vie biosintetiche


Regolazione del ciclo

Le tre reazioni chiave del ciclo sono quelle fortemente esoergoniche catalizzate dagli enzimi:

  • citrato sintasi
  • isocitrato deidrogenasi
  • alfa-chetoglutarato deidrogenasi

La citrato sintasi è inattivata da citrato, NADH, succinil-CoA, ATP.

L’isocitrato deidrogenasi è inattivata da NADH, ATP.

L’alfa-chetoglutarato deidrogenasi è inattivata da NADH, succinil-CoA, ATP.

Regolazione del complesso della piruvico deidrogenasi

La velocità di conversione del piruvato in acetil-CoA influenza la velocità totale del ciclo dell’acido citrico.

La produzione di acetil-CoA da parte del complesso della piruvato deidrogenasi è regolata allostericamente e nei mammiferi anche mediante modificazioni covalenti.

Il complesso della piruvico deidrogenasi è inattivato dai prodotti della reazione:

ATP, acetil-CoA, NADH (carica energetica alta)

Il complesso risulta attivato da AMP, ADP, NAD+ (carica energetica bassa).

Nei mammiferi il complesso della piruvato deidrogenasi è regolato anche mediante modificazioni covalenti dell’enzima piruvato deidrogenasi (E1).

La forma inattiva della piruvato deidrogenasi (E1) è fosforilata, quella attiva è defosforilata.

  • Contenuti protetti da Creative Commons
  • Feed RSS
  • Condividi su FriendFeed
  • Condividi su Facebook
  • Segnala su Twitter
  • Condividi su LinkedIn
Progetto "Campus Virtuale" dell'Università degli Studi di Napoli Federico II, realizzato con il cofinanziamento dell'Unione europea. Asse V - Società dell'informazione - Obiettivo Operativo 5.1 e-Government ed e-Inclusion