Ciclo di Krebs - biochimica

Il ciclo di Krebs, o ciclo degli acidi carbossilici, è una importante via metabolica. Nelle cellule di tipo eucariotiche le reazioni del ciclo di Krebs trovano posto all'interno del mitocondrio. Il ciclo di Krebs, nei batteri, è invece operato nel citoplasma.

In tale processo si assiste alla fase centrale della degradazione degli zuccheri, dei grassi, delle proteine per fornire, sotto forma di composti eterogenei, energia. Il ciclo di Krebs, inoltre, è un ciclo anfibolitico poiché gli intermedi di catalisi servono per la sintesi di costituenti essenziali della vita biologica.

Le tappe del ciclo di Krebs.

Il ciclo di Krebs è regolato da dieci tappe nelle quali si assistono a diversi tipi di reazioni. Ogni tappa è mediata da almeno un enzima.

1) Condensazione di Acetil-CoA e ossalacetato.

Tipo di reazione: Condensazione
Reagente: Acetil-coenzima-A, ossalacetato
Prodotto: Citrato
Enzima coinvolto: Citrato sintasi

La prima reazione del ciclo di Krebs è una condensazione tra ossalacetato e acetil-coenzima A. L'enzima coinvolto è il citrato sintasi che trasferisce il gruppo acetilico dal coenzima all'ossalacetato. La reazione è fortemente esoergonica e non è reversibile.

2) Deidratazione-Idratazione del citrato.

Tipo di reazione: Disidratazione / Idratazione
Reagente: Citrato
Prodotto: Isocitrato
Enzima coinvolto: Aconiato

Nella seconda reazione il citrato viene disidratato dall'enzima aconitasi. Si forma un intermedio insaturo chiamato cis-aconiato che, per mezzo dello stesso enzima aconiato, viene idratato per formare l'isocitrato.

3) Decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato.

Tipo di reazione: Deidrogenazione / Decarbossilazione ossidativa
Reagente: Isocitrato
Prodotto: alfa-chetoglutarato, anidride carbonica.
Enzima coinvolto: Isocitrato deidrogenasi,
Catalizzatore: Mn⁺⁺

Nella terza reazione l'isocitrato viene prima deidrogenato a opera dell'enzima isocitrato deidrogenasi. A seguito di questo evento si verifica una decarbossilazione dovuta al riarrangiamento interno della molecola e viene a formarsi l'alpha-chetoglutarato. I protoni strappati dall'isocitrato vengono convogliati verso il NAD ossidato (NAD⁺)

Meccanismo della decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato:

Nel primo passaggio l'isocitrato deidrogenasi strappa due protoni all'isocitrato trasferendoli al NAD⁺. Segue un riarrangiamento coadiuvato dal catalizzatore Mn++ che, in quanto elettron-attrattore, veicola verso sé gli elettroni del doppio legame alpha-carbonilico.

A questo punto l'ossigeno carbossilico, che ha tre doppietti, cede una coppia di elettroni per formare il doppio legame carbonio-ossigeno. Il carbonio carbossilico legato in gamma, in quanto pentavalente e ibridizzato sp2 tende a liberarsi degli elettroni coinvolti nel legame i quali si localizzano tra i carboni alpha e beta. A questo punto si forma un doppio legame tra carbonio alpha e beta che attrae un protone, fortissimo elettrofilo, per formare un legame covalente con il carbonio gamma. La molecola così formata e stabile e prende il nome di alpha-chetoglutarato.

4) Decarbossilazione ossidativa dell'alpha-chetoglutarato.

Tipo di reazione: Deidrogenazione / Decarbossilazione ossidativa
Reagente: Alfa-chetoglutarato, Coenzima A
Prodotto: Succinil-CoA, anidride carbonica, NADH
Enzima coinvolto: Complesso di deidrogenasi dell'alpha-chetoglutarato

Nella quarta reazione avviene una decarbossilazione ossidativa preceduta da una deidrogenazione dell'alpha-chetoglutarato operata dal  complesso di deidrogenasi dell'alpha-chetoglutarato. Contemporaneamente alla decarbossilazione una molecola di Coenzima A viene addizionata per formare Succinil-CoA. L'anidride carbonica viene liberata dal sistema.

5) Fosforilazione a livello del substrato del Succinil-CoA.

Tipo di reazione: Fosforilazione a livello del substrato.
Reagente: Succinil-CoA, Fosfato inorganico, GDP
Prodotto: Succinato, Coenzima-A
Enzima coinvolto: Succinil-CoA sintetasi

La quinta reazione avviene al livello del substrato. L'enzima Succinil-CoA sintetasi toglie dal Succinil-CoA il CoA e coadiuva la formazione di un gruppo carbossilico. Il Coenzima A viene reso disponibile e la molecola di GTP è immediatamente disponibile per la sintesi di ATP a partire da ADP.

Meccanismo di sintesi del succinato:

L'enzima Succinil-CoA sintetasi nel residuo di Istidina è capace di catturare il fosfato inorganico e veicolarlo verso il CoA legato al succinile. A questo punto avviene una prima sostituzione e si forma un intermedio fosfosuccinico ad alta energia. L'enzima stesso catalizza il trasferimento del gruppo fosforico dal succinilfosfato al GDP formando GTP. Dopo questa reazione l'enzima è libero e viene rilasciato, proprio come viene rilasciato il GTP appena formato assieme al succinato.

6) Deidrogenazione del Succinato.

Tipo di reazione: Deidrogenazione reversibile
Reagente: Succinato, FAD
Prodotto: Fumarato, FADH₂
Enzima coinvolto: Succinato deidrogenasi

Nella sesta reazione il succinato viene ossidato a fumarato. Interviene l'enzima succinato deidrogenasi che strappa dal succinato due protoni trasferendoli al FAD che diventa FADH₂. Il fumarato viene, dunque, sintetizzato.

La reazione è modestamente esoergonica per cui è reversibile.

7) Idratazione del fumarato.

Tipo di reazione: Idratazione, reversibile
Reagente: Fumarato, acqua
Prodotto: Malato
Enzima coinvolto: Fumarato idratasi

La settima reazione vede la sintesi dell' L-Malato a partire dal fumarato. L'enzima fumarato idratasi addizione al doppio legame acqua per formare la molecola di L-Malato.

La reazione è modestamente esoergonica per cui è reversibile.

8) Deidrogenazione del L-Malato.

Tipo di reazione: Deidrogenazione, reversibile
Reagente: Malato, NAD⁺
Prodotto: Ossalacetato
Enzima coinvolto: Malato deidrogenasi

L'ottava tappa vede la deidrogenazione del malato per formare ossalacetato. Gli idrogeni strappati vengono trasferiti, mediante l'aiuto fornito dall'enzima malato deidrogenasi, al NAD⁺ che diventa NADH. A questo punto l'ossalacetato può ripartire dalla tappa numero uno con la condensazione del Coenzima A.

La reazione è modestamente esoergonica per cui è reversibile.

Bilancio energetico globale.

Di per sé il ciclo di Krebs non produce energia liberamente utilizzabile, se non nella reazione tra Succinil-Coa e Succinato dove si assiste alla formazione di GTP facilmente scambiabile in ATP. Il ciclo, però, fornisce due tipi di cofattori ridotti capaci di trasportare elettroni ad alta energia ovvero il NADH ed il FADH₂ che possono essere agilmente utilizzati nella catena respiratoria. Tenendo conto che per ogni molecola di NADH e FADH₂, possono essere sintetizzate circa 2,5 molecole di ATP e che una molecola di ATP è facilmente sintetizzabile da GTP nel ciclo di Krebs vengono formate un numero di molecole sufficienti per sintetizzare ben 11 molecole di ATP.