Il Ciclo dell’Acido Citrico detto anche degli Acidi Tricarbossilici o ciclo di Krebs è la via metabolica sulla quale convergono il metabolismo ossidativo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi.
Questa via metabolica:
L’Acetil CoA necessario nella prima reazione del ciclo di Krebs deriva:
Il piruvato attraversa la membrana mitocondriale interna grazie ad uno specifico trasportatore ed una volta giunto nella matrice viene convertito in Acetil CoA dal complesso multienzimatico della PIRUVATO DEIDROGENASI localizzato nel mitocondrio. Questa fase che precede il ciclo di Krebs:
- rappresenta una delle principali fonti di Acetil CoA;
- è una reazione IRREVERSIBILE;
- è una reazione che coinvolge 3 enzimi:
- e coinvolge 5 coenzimi:
CH3COCOOH+NAD+ + CoA → CH3CO-SCoA+CO2+ NADH+H+
Piruvato aceti-CoA
Enzima: Piruvato deidrogenasi (E1) Coenzima: TPP
Enzima: Diidrolipoil transacetilasi (E2) Coenzima: Acido Lipoico
Enzima: Diidrolipoil deidrogenasi (E3) Coenzima: FAD
Il coenzima A è un trasportatore di gruppi acilici.
I gruppi acilici formano legami tioestere con il gruppo tiolico del coenzima A.
L’acido lipoico è unito alla catena laterale di un residuo di lisina di E2 mediante un legame amidico.
Tappe della DECARBOSSILZIONE OSSIDATIVA del piruvato ad acetil-CoA da parte del complesso della piruvato deidrogenasi.
Nella tappa 1 l’atomo C2 del piruvato reagisce con la TPP legata ad E1 andando incontro a decarbossilazione e formando un gruppo idrossietile.
Nella tappa 2 il gruppo idrossietilico viene ossidato a gruppo acetato, il gruppo lipoilico dell’E2 si riduce e si formano 2 gruppi sulfidrilici.
Nella tappa 3 l’acetato viene prima esterificato ad uno dei due gruppi sulfidrilici del gruppo lipoilico e poi transesterificato a CoA, formando acetil CoA.
Nelle tappe 4 e 5 si hanno una serie di trasferimenti di elettroni che servono a rigenerare la forma ossidata a disolfuro del gruppo lipoilico dell’E2.
Regolazione del complesso della piruvato deidrogenasi
Regolazione covalente
Fosforilazione/defosforilazione di E1: la proteina chinasi fosforila E1 inibendola, mentre la fosfoproteina fosfatasi riattiva il complesso defosforilandolo.
Infatti fanno parte del complesso una chinasi e una fosfatasi. La chinasi è attivata allostericamente da ATP
Regolazione allosterica
Quindi, il complesso della piruvato deidrogenasi viene inibito dalla presenza di segnali che indicano un elevato livello energetico.
Il ciclo dell’acido citrico è costituito da otto reazioni che ossidano il gruppo acetile dell’AcetilCoA a 2 molecole di CO2, conservando l’energia libera in 3 NADH e 1 FADH2 e 1 GTP.
Il potere riducente prodotto verrà utilizzato nella catena di trasporto degli elettroni per produrre energia.
1° reazione - Formazione del Citrato
CITRATO SINTASI
E’ un enzima omodimerico.
Ogni subunità è una singola catena polipeptidica.
Adattamento indotto: il legame dell’ossalacetato (giallo) induce un significativo cambio conformazionale, che crea il sito di legame per il secondo substrato, l’acetilCoA.
2° reazione - Isomerizzazione del citrato a isocitrato
Reazione reversibile spinta a destra dalla rimozione dell’isocitrato da parte della tappa successiva.
ACONITASI
Contiene un centro ferro-zolfo che agisce nel legame del substrato al sito attivo e nella catalisi dell’aggiunta e rimozione della molecola di acqua.
3 atomi di ferro legano tre residui di cisteina dell’enzima e il quarto atomo di ferro è legato ad uno dei gruppi carbossilici del citrato.
3° reazione - Formazione dell’α-chetoglutarato
(Prima decarbossilazione ossidativa)
Decarbossilazione ossidativa di isocitrato ad a-chetoglutarato .
Reazione irreversibile.
ISOCITRATO DEIDROGENASI
Esiste in due diverse forme: una richiede NAD+ come accettore di elettroni e un’altra utilizza NADP+.
Nelle cellule eucariotiche l’isozima NAD-dipendente è presente nella matrice mitocondriale e opera all’interno del ciclo dell’acido citrico per produrre a-chetoglutarato .
L’isozima NADP-dipendente è presente sia nella matrice mitocondriale che nel citosol e serve a produrre NADPH, coenzima essenziale delle biosintesi riduttive.
4° reazione - Formazione del succinil-CoA
(Seconda decarbossilazione ossidativa)
Reazione irreversibile.
Decarbossilazione ossidativa catalizzata da un complesso multienzimatico molto simile a quello della piruvato deidrogenasi per struttura e funzione.
COMPLESSO DELL’ α-CHETOGLUTARATO DEIDROGENASI
Il complesso dell’a-chetoglutarato deidrogenasi è formato da:
Enzima: α-chetoglutarato deidrogenasi Coenzima: TPP
Enzima: diidrolipoil transuccinilasi Coenzima: Acido lipoico
Enzima: diidrolipoil deidrogenasi Coenzima: FAD
Il complesso non è regolato mediante meccanismo di fosforilazione/defosforilazione.
5° reazione - Formazione del succinato
(Fosforilazione a livello del substrato)
Viene idrolizzato il legame tioestere a succinato e CoA.
Il legame tioestere ha energia libera di idrolisi fortemente negativa (-36kJ/mole).
L’energia viene utilizzata per favorire la sintesi di un legame fosfoanidridico sotto forma di GTP o ATP.
GTP + ADP → ATP + GDP
Nucleoside difosfato chinasi
6° reazione - Formazione del fumarato
(Ossidazione FAD-dipendente)
SUCCINATO DEIDROGENASI
L’enzima è legato saldamente alla membrana interna dei mitocondri.
Contiene 3 centri ferro-zolfo e una molecola di FAD legata covalentemente.
Gli elettroni estratti dal succinato passano attaverso i centri ferro-zolfo e il FAD prima di entrare nella catena di trasporto di elettroni della membrana mitocondriale interna.
7° reazione - Formazione di L-malato
(Reazione di idratazione)
L’enzima è altamente stereospecifico e catalizza l’idratazione del doppio legame trans del fumarato.
Non agisce sul maleato, isomero cis del fumarato.
8° reazione - Formazione di ossalacetato
(Reazione di ossidazione)
La concentrazione di ossalacetato nella cellula è bassa (<10-6 M).
L’ossalacetato viene continuamente rimosso dalla reazione fortemente esoergonica della citrato sintasi.
BILANCIO ENERGETICO dell’ossidazione aerobica di 1 molecola di glucosio attraverso la glicolisi, la reazione della piruvato deidrogenasi, il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa:
Il trasferimento di 2 elettroni dal NADH all’O2 produce circa 2.5 molecole di ATP.
Il trasferimento di 2 elettroni dal FADH2 all O2 produce circa 1.5 molecole di ATP.
1. I livelli di organizzazione strutturale delle proteine
3. Gli enzimi: caratteristiche e cinetica enzimatica
4. Introduzione al metabolismo cellulare. Le reazioni di ossido-riduzione biologiche
8. Gluconeogesi
9. Il Glicogeno
10. I Lipidi
11. Ossidazione degli acidi grassi
12. Biosintesi degli acidi grassi
13. Colesterolo
15. Gli ormoni