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:
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.
Il complesso della piruvato deidrogenasi è costituito da tre diverse attività enzimatiche (Figura 3):
Per la reazione complessiva sono necessari altri due coenzimi:
Le vitamine coinvolte in questa reazione sono:
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.
La reazione avviene in 5 tappe (Fig. 4)
Il ciclo dell’acido citrico avviene nella matrice mitocondriale.
Il ciclo è costituito da 8 reazioni:
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.
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.
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.
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).
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).
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.
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).
La settima reazione del ciclo è l’idratazione del fumarato a malato.
fumarato + H2O ⇆ malato
La reazione è catalizzata dalla fumarato idratasi (fumarasi).
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:
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.
Le tre reazioni chiave del ciclo sono quelle fortemente esoergoniche catalizzate dagli enzimi:
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.
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.
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