IL CICLO DI KREBS

IL CICLO DI KREBS

Giancarlo Dessì http://www.giand.it

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Appunti di biologia

CICLO DI KREBS

detto anche

CICLO DELL'ACIDO CITRICO o

CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI

Dove si svolge nella matrice del mitocondrio

Cosa è

la base del metabolismo energetico aerobico

piccole molecole

organiche da trasformare Cosa produce

ossidazione completa del carbonio

in questo modo alimenta la catena respiratoria

ENERGIA

in questo modo fornisce lo scheletro dei monomeri delle macromolecole

ANABOLISMO

COS'È UN CICLO METABOLICO?

È una sequenza di reazioni concatenate in cui il prodotto della reazione finale è reimpiegato nello svolgimento della reazione iniziale.

Nelle reazioni intermedie

- sono introdotte nuove molecole (materie prime) che alimentano il “giro”

- sono prodotte altre molecole (prodotti finali)

A

ABC C

ADC

BC

AB AD

BC BC BC

DC materie prime

BC e AD prodotti finali

AB e DC

Il ciclo è come una giostra in continuo movimento:

le persone salgono da punti diversi interagiscono sulla giostra

scendono con dei cambiamenti da altri punti

RAPPORTO TRA CICLO DI KREBS E ALTRE VIE METABOLICHE

Il ciclo di Krebs è una tappa conclusiva dei processi

catabolici aerobici ma anche un punto di partenza dei processi anabolici. È perciò “collegato”

ai principali processi del metabolismo cellulare.

Per via delle differenze fra i principali monomeri delle macromolecole

(zuccheri, acidi grassi, amminoacidi), il ciclo di Krebs può avere diversi

“ingressi”

In funzione delle

esigenze metaboliche, la cellula può regolare le “uscite” dal ciclo di Krebs verso differenti risultati

Catabolismo degli

ACIDI GRASSI Catabolismo

degli

AMMINOACIDI

Catabolismo degli ZUCCHERI

Acido piruvico

ACETIL-CoA

Sintesi di amminoacidi

glucidi lipidi

Sintesi delle porfirine

emoglobina clorofilla ANIDRIDE

CARBONICA E

ENERGIA CICLO

DI

KREBS

L'INGRESSO PRINCIPALE NEL CICLO DI KREBS

L'ingresso principale nel ciclo di Krebs è rappresentato

dall'acetil-CoA una molecola che trasporta due atomi di carbonio provenienti dal metabolismo ossidativo dei glucidi, dei lipidi e delle proteine.

Nel metabolismo dei glucidi, l'acetil-CoA proviene

dall'ossidazione dell'acido piruvico prodotto dalla glicolisi.

glucosio o fruttosio

GLICOLISI

acido piruvico

DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA

DELL'ACIDO PIRUVICO Coenzima A

CO

Acetil-Coenzima A

Dalla glicolisi si ottengono 2

moli di acetil-CoA e due moli

di anidride carbonica per

ogni mole impiegata di

glucosio o fruttosio

È il processo che collega la glicolisi al Ciclo di Krebs.

DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DELL'ACIDO PIRUVICO

L'acido piruvico prodotto dalla glicolisi entra nel mitocondrio e viene attaccato da un insieme di enzimi (complesso enzimatico) detto piruvato deidrogenasi. Il processo comporta le

seguenti trasformazioni:

1) ulteriore ossidazione del carbonio

2) perdita del gruppo carbossilico per separazione di una molecola di anidride carbonica 3) combinazione del residuo a 2 atomi di carbonio (acetile) con la molecola del coenzima A 4) perdita di due elettroni e due ioni idrogeno con riduzione del NAD a NADH

Enzima:

piruvato deidrogenasi

+0,67

acido

piruvico acetil-CoA

0

+ CoA-SH + NAD C

H C C

O O O

OH

3

S-CoA

H C C

O

3

+ CO

+ NADH

+4 +1,33

Coenzima A

Il coenzima A è una biomolecola che partecipa a reazioni di decarbossilazione ossidativa dei chetoacidi (es. acido piruvico) mediate da enzimi o complessi enzimatici deidrogenasi

OH

C C O + O

Il gruppo -SH si lega al gruppo carbonile di un chetoacido e ne causa la decarbossilazione, ovvero la perdita del gruppo carbossile (ossidato a CO²) per deidrogenazione.

Quello tra il gruppo acilico e il coenzima A è un legame ad alta energia che può essere sfruttata per reazioni di sintesi

endoergoniche

S-CoA

C + C O O

HS-CoA O

2 H

IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH

Nicotinammide adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo.

I due elettroni e i due ioni idrogeno persi dal sistema acetil-CoA / anidride carbonica sono trasferiti sulla molecola del NAD, che viene ossidato a NADH

NAD:

NADH

:

Le fasi del ciclo di Krebs 1. Sintesi dell'acido citrico per condensazione

+

Il gruppo acetile (trasportato dal coenzima A) si condensa con l'acido ossalacetico (acido bicarbossilico prodotto dal precedente “giro” del ciclo di Krebs, con formazione di un acido tricarbossilico: l'acido citrico. L'energia necessaria per la condensazione è fornita dalla rottura del legame ad alta energia tra il coenzima A e l'acetile.

Enzima:

citrato sintasi

+1

acetil-CoA

0

S-CoA C

CH O

3

COOH C

CH O

2

COOH acido ossalacetico

COOH

C CH

COOH

2

COOH HO

CH

+ H

O

1,5 +1

acido citrico

+ CoA-SH

Le fasi del ciclo di Krebs 2. Isomerizzazione dell'acido citrico

In due reazioni consecutive (deidratazione, idratazione) catalizzate dallo stesso enzima, il gruppo ossidrile del carbonio n. 3 viene spostato sul carbonio n. 2, con formazione

dell'acido isocitrico

Enzima:

aconitasi

+1 +1

COOH

HC CH

COOH

COOH CH

acido isocitrico COOH

C CH

COOH

2

COOH HO

CH

HO

acido

citrico

Le fasi del ciclo di Krebs 3. Decarbossilazione ossidativa dell'acido isocitrico

In due reazioni consecutive (deidrogenazione, decarbossilazione) il gruppo ossidrile dell'acido isocitrico viene ossidato a gruppo carbonile e il gruppo carbossile intermedio viene perso per separazione di una molecola di anidride carbonica. Si forma perciò un chetoacido

bicarbossilico, l'acido alfa-chetoglutarico. La deidrogenazione trasporta gli atomi di idrogeno sul NAD, che viene ridotto a NADH

Enzima:

isocitrato deidrogenasi

+1 +0,8

COOH

HC CH

COOH

COOH CH

acido isocitrico HO

COOH

C

COOH CH

acido

alfa-chetoglutarico O

CH

+ NAD + CO

+ NADH

+4 +1,33

Le fasi del ciclo di Krebs 4. Decarbossilazione ossidativa dell'acido alfa-chetoglutarico

In una reazione analoga a quella di formazione dell'acetil-CoA, l'acido alfa-chetoglutarico

viene decarbossilato e il residuo a 4 atomi di carbonio (succinile) combinato con il coenzima A, con formazione del succinil-CoA.

La decarbossilazione associata alla combinazione con il coenzima causa una

deidrogenazione ossidativa e la riduzione di un'altra molecola di NAD per trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno

Complesso enzimatico:

alfa-chetoglutarato deidrogenasi

+0,8 +0,5

COOH

C

S-CoA CH

succinil-CoA O

CH

+ NAD + CoA-SH + CO

+ NADH

+4 +2

COOH

C

COOH CH

acido

alfa-chetoglutarico O

CH

Le fasi del ciclo di Krebs 5. Sintesi dell'acido succinico e fosforilazione del GDP

Il legame ad alta energia tra il succinile e il coenzima A si scinde, con conseguente formazione dell'acido succinico.

L'energia liberata dalla rottura del legame viene accumulata nella fosforilazione della guanosina di-fosfato (GDP), una biomolecola analoga all'ATP.

Enzima:

succinil-CoA sintetasi

+0,5

COOH

COOH CH

acido succinico CH

+ GDP + Pi + GTP + CoA-SH COOH

C

S-CoA CH

succinil-CoA O

CH

+0,5

L'ACCUMULATORE DI ENERGIA DEL CICLO DI KREBS:

il sistema GDP / GTP

ATP (adenosina tri fosfato) GTP (guanosina tri fosfato)

Il GTP è una molecola ad alta energia simile all'ATP, usata anch'essa dalla cellula per

svolgere processi anabolici. Invece dell'ATP, il catabolismo del ciclo di Krebs produce

GTP, che viene poi trasformato in ATP.

Le fasi del ciclo di Krebs 6. Deidrogenazione ossidativa dell'acido succinico

L'acido succinico subisce una deidrogenazione ossidativa con formazione dell'acido fumarico, un acido bicarbossilico contenente un doppio legame tra gli atomi di carbonio n. 2 e n, 3.

L'ossidazione dell'acido succinico comporta il trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno su una molecola di FAD, un trasportatore di elettroni analogo al NAD.

Enzima:

succinato deidrogenasi

+0,5

COOH

COOH CH

acido fumarico

+ FAD CH + FADH

+1

COOH

COOH CH

acido succinico

CH

UN ALTRO TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema FAD / FADH

Flavina adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo analogo al NAD.

Coadiuva gli enzimi nelle reazioni redox che spostano gli elettroni con la deidrogenazione.

È composto da due nucleotidi. Il nucleotide di sinistra ha la catena del ribosio aperta ed è derivato dalla riboflavina (detta anche vitamina B

)

FAD:

la molecola ha due atomi di idrogeno in meno nel residuo della riboflavina

FADH

:

il residuo della riboflavina acquista due elettroni e due ioni idrogeno (indicati in rosso)

Le fasi del ciclo di Krebs 7. Idratazione dell'acido fumarico

L'acido fumarico subisce un'idratazione per addizione di una molecola d'acqua al doppio legame tra gli atomi di carbonio n. 2 e 3.

Enzima:

fumarasi

+1

COOH

COOH CH

acido malico CH + H

O

COOH

COOH CH

acido fumarico

CH

+1

HO

Le fasi del ciclo di Krebs 8. Deidrogenazione ossidativa dell'acido malico

La tappa finale del ciclo di Krebs consiste nella deidrogenazione dell'acido malico, con ossidazione del gruppo ossidrile a gruppo carbonile dell'acido ossalacetico.

L'ossidazione dell'acido malico comporta la riduzione di un'altra molecola di NAD per trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno.

L'acido ossalacetico sarà reimpiegato iniziare un nuovo “giro” del ciclo.

Enzima:

malato deidrogenasi

+1

+ NAD

acido malico

+1,5

COOH

COOH CH

CH

HO

+ NADH

COOH

C CH O

2

COOH

acido ossalacetico

acido citrico

acido isocitrico

acido alfa- chetoglutarico

succinil- CoA acido

succinico acido

fumarico acido malico

acido ossalacetico

acetil-CoA

CoA-SH H²O

NAD

NADH2

CO2

CoA-SH

NAD

NADH² CO2

GDP + Pi

GTP

CoA-SH FAD

FADH² H2O

NAD

NADH²

CICLO DI KREBS

acetil-CoA

2 H

O

3 NADH

CICLO DI KREBS

3 NAD

GDP + P

FAD

CoA-SH GTP

FADH

2 CO

L'EQUAZIONE CHIMICA DEL CICLO

Acetil-CoA + 3 NAD + FAD + GDP + Pⁱ + 2 H²O 2 CO² + CoA-SH + 3 NADH² + FADH² + GTP

Ad ogni “giro” del ciclo di Krebs si ha l'ossidazione completa di un radicale a due atomi di carbonio, prodotto dalla decarbossilazione ossidativa dell'acido piruvico.

Considerato che dalla glicolisi si producono due moli di acido piruvico, per ogni mole di glucosio o fruttosio si svolgono due “giri” del ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs esaurisce il processo catabolico completando l'ossidazione del composto organico: da una mole di glucosio si ottengono perciò 6 moli di anidride carbonica.

La concatenazione della glicolisi, della decarbossilazione dell'acido piruvico e del ciclo di

Krebs trasferisce l'energia chimica del glucosio negli accumulatori di energia del metabolismo energetico, rappresentati dai nucleotidi tri fosfato (ATP e GTP) e dalle forme ridotte dei

trasportatori di elettroni (NADH

e FADH

).

IL BILANCIO ENERGETICO glucosio

GLICOLISI

2 NADH

2 acetil-CoA 2 acido piruvico

2 ATP

4 CO

DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA

CICLO DI KREBS (2 GIRI)

6 NADH

2 NADH

2 GTP 2 FADH

2 CO

2 ATP

4 moli di ATP 10 moli di NADH ²

2 moli di FADH ²

IL METABOLISMO ENERGETICO NON SI ESAURISCE NEL CICLO DI KREBS Il processo catabolico si esaurisce nel ciclo di Krebs, la completa ossidazione del carbonio organico trasforma il glucosio in anidride carbonica.

Il processo catabolico, tuttavia, rappresenta solo una parte del metabolismo energetico: da esso si ottengono solo 4 moli di ATP.

Gran parte dell'energia chimica resta accumulata nei coenzimi

trasportatori di idrogenoi ridotti (10 moli di NADH

e 2 moli FADH

).

Questa energia non è direttamente utilizzabile dalla cellula, perché può essere recuperata solo con l'ossidazione dei trasportatori attraverso la biosintesi dell'ATP.

L'impianto biochimico che estrae l'energia dai trasportatori di idrogeno e la converte in ATP.è rappresentato dalla catena respiratoria o

catena di trasporto degli elettroni, un processo localizzato nella membrana interna del mitocondrio che trasferisce tutti gli elettroni accumulati nei traportatori di idrogeno su 12 atomi di ossigeno.

Questo trasferimento permette la produzione di altre 34 moli di ATP per ogni mole di glucosio ossidata!

Nel complesso, il metabolismo energetico

composto dalla combinazione della glicolisi con la respirazione mitocondriale porta alla produzione di

38 moli di ATP.