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Appunti di biologia
IL CICLO DI KREBS
Giancarlo Dessì
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CICLO DI KREBS
Dove si svolge
nella matrice
del mitocondrio
detto anche
CICLO DELL'ACIDO CITRICO
o
CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI
Cosa è
la base del metabolismo energetico aerobico
Cosa produce
ossidazione
completa
del carbonio
in questo modo alimenta
la catena respiratoria
ENERGIA
piccole molecole
organiche da trasformare
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
DC
ABC
ADC
AD
BC
C
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
materie prime
BC e AD
prodotti finali
AB e DC
AB
RAPPORTO TRA CICLO DI KREBS E ALTRE VIE METABOLICHE
Catabolismo
degli
AMMINOACIDI
Catabolismo
degli
ZUCCHERI
Catabolismo
degli
ACIDI GRASSI
Acido
piruvico
ACETIL-CoA
CICLO
DI
KREBS
Sintesi di
amminoacidi
glucidi
lipidi
ANIDRIDE
CARBONICA
E
ENERGIA
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”
Sintesi delle
porfirine
emoglobina
clorofilla
In funzione delle
esigenze metaboliche,
la cellula può regolare
le “uscite” dal ciclo di
Krebs verso differenti
risultati
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.
glucosio o fruttosio
GLICOLISI
acido
piruvico
Coenzima A
DECARBOSSILAZIONE
OSSIDATIVA
DELL'ACIDO PIRUVICO
CO2
Acetil-Coenzima A
Nel metabolismo dei glucidi,
l'acetil-CoA proviene
dall'ossidazione dell'acido
piruvico prodotto dalla
glicolisi.
Dalla glicolisi si ottengono 2
moli di acetil-CoA e due moli
di anidride carbonica per
ogni mole impiegata di
glucosio o fruttosio
DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DELL'ACIDO PIRUVICO
È il processo che collega la glicolisi al Ciclo di Krebs.
OH
C
O
C
O
S-CoA
+ CoA-SH + NAD
C
CH3
acido
piruvico
+ CO2 + NADH2
O
CH3
Enzima:
piruvato deidrogenasi
acetil-CoA
+1,33
+0,67
0
+4
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 NADH2
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
O
OH
C
C
O
O + HS-CoA
C
2H
S-CoA + O
C
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
IL TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema NAD / NADH2
NAD: forma ossidata
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 NADH2
NADH2: forma ridotta
Le fasi del ciclo di Krebs
1. Sintesi dell'acido citrico per condensazione
COOH
S-CoA
C
O
COOH
+
CH 3
O
C
+ H2O
HO
CH 2
COOH
acido
ossalacetico
acetil-CoA
+1
0
CH 2
1,5
C
COOH
+ CoA-SH
CH 2
Enzima:
citrato sintasi
COOH
acido
citrico
+1
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.
Le fasi del ciclo di Krebs
HO
2. Isomerizzazione dell'acido citrico
COOH
COOH
CH 2
CH 2
C
HC
COOH
HO
CH 2
COOH
acido
citrico
+1
Enzima:
aconitasi
COOH
CH
COOH
acido
isocitrico
+1
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
Le fasi del ciclo di Krebs
COOH
COOH
CH 2
CH 2
HC
HO
3. Decarbossilazione ossidativa dell'acido isocitrico
COOH
CH 2
+ NAD
O
CH
COOH
acido
isocitrico
Enzima:
isocitrato deidrogenasi
+ CO2 + NADH2
C
COOH
acido
alfa-chetoglutarico
+1,33
+1
+0,8
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 NADH2
+4
Le fasi del ciclo di Krebs
COOH
COOH
CH 2
CH 2
CH 2
O
4. Decarbossilazione ossidativa dell'acido alfa-chetoglutarico
CH 2
+ NAD + CoA-SH
O
C
COOH
acido
alfa-chetoglutarico
Complesso enzimatico:
alfa-chetoglutarato
deidrogenasi
+ CO2 + NADH2
C
S-CoA
succinil-CoA
+2
+0,8
+0,5
+4
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
Le fasi del ciclo di Krebs
5. Sintesi dell'acido succinico e fosforilazione del GDP
COOH
COOH
CH 2
CH 2
O
+
GDP
+
CH 2
Pi
CH 2
C
S-CoA
+ GTP + CoA-SH
COOH
Enzima:
succinil-CoA sintetasi
succinil-CoA
acido succinico
+0,5
+0,5
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.
L'ACCUMULATORE DI ENERGIA DEL
CICLO DI KREBS:
il sistema GDP / GTP
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.
ATP (adenosina tri fosfato)
Le fasi del ciclo di Krebs
6. Deidrogenazione ossidativa dell'acido succinico
COOH
COOH
CH 2
CH
CH 2
+
FAD
CH
COOH
+
FADH2
COOH
Enzima:
succinato deidrogenasi
acido succinico
+0,5
acido fumarico
+1
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.
UN ALTRO TRASPORTATORE DI IDROGENO E DI ELETTRONI: il sistema FAD / FADH2
FAD: forma ossidata
la molecola ha due atomi di idrogeno in
meno nel residuo della riboflavina
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 B2)
FADH2: forma ridotta
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
COOH
COOH
CH
CH
HO
+
H2 O
CH
CH 2
COOH
Enzima:
COOH
fumarasi
acido fumarico
+1
acido malico
+1
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.
Le fasi del ciclo di Krebs
8. Deidrogenazione ossidativa dell'acido malico
COOH
COOH
HO
O
CH
CH 2
COOH
+
NAD
C
CH 2
+
NADH2
COOH
Enzima:
malato deidrogenasi
acido malico
+1
acido ossalacetico
+1,5
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.
H2O
acetil-CoA
NADH2
acido
ossalacetico
NAD
acido
citrico
CoA-SH
acido
isocitrico
acido
malico
NAD
NADH2
CICLO DI KREBS
H2O
acido
fumarico
CO2
CoA-SH
FADH2
CoA-SH
FAD
acido
succinico
GTP
acido alfachetoglutarico
NAD
succinilCoA
GDP + Pi
NADH2
CO2
acetil-CoA
2 H 2O
2 CO2
3 NAD
FADH2
GTP
GDP + Pi
CICLO DI KREBS
3 NADH2
FAD
CoA-SH
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 (NADH2 e FADH2).
glucosio
IL BILANCIO ENERGETICO
2 ATP
GLICOLISI
2 NADH2
4 moli di ATP
2 acido piruvico
2 NADH2
DECARBOSSILAZIONE
OSSIDATIVA
2 CO2
2 acetil-CoA
10 moli di NADH2
2 moli di FADH2
6 NADH2
CICLO DI
KREBS
(2 GIRI)
2 GTP
2 FADH2
4 CO2
2 ATP
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 NADH2 e 2 moli FADH2).
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.