IL CICLO DI KREBS Giancarlo Dessì http://www.giand.it Appunti di biologia IL CICLO DI KREBS Giancarlo Dessì http://www.giand.it Licenza Creative Commons BY-NC-SA BY: Attribuzione - NC: Non commerciale - SA: Condividi allo stesso modo

CICLO DELL'ACIDO CITRICO CICLO DEGLI ACIDI TRICARBOSSILICI 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 Cosa produce ossidazione completa del carbonio piccole molecole organiche da trasformare in questo modo fornisce lo scheletro dei monomeri delle macromolecole in questo modo alimenta la catena respiratoria ENERGIA 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) DC A BC BC BC BC materie prime BC e AD prodotti finali AB e DC ADC ABC AB C AD 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 Catabolismo degli AMMINOACIDI Catabolismo degli ZUCCHERI Catabolismo degli ACIDI GRASSI 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. Acido piruvico Per via delle differenze fra i principali monomeri delle macromolecole (zuccheri, acidi grassi, amminoacidi), il ciclo di Krebs può avere diversi “ingressi” ACETIL-CoA CICLO DI KREBS Sintesi delle porfirine In funzione delle esigenze metaboliche, la cellula può regolare le “uscite” dal ciclo di Krebs verso differenti risultati Sintesi di amminoacidi glucidi lipidi ANIDRIDE CARBONICA E ENERGIA emoglobina clorofilla

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 Nel metabolismo dei glucidi, l'acetil-CoA proviene dall'ossidazione dell'acido piruvico prodotto dalla glicolisi. DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DELL'ACIDO PIRUVICO 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 CO2 Acetil-Coenzima A

DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA DELL'ACIDO PIRUVICO piruvato deidrogenasi È il processo che collega la glicolisi al Ciclo di Krebs. O OH C O S-CoA C O + CoA-SH + NAD C O + CO2 + NADH2 C H C H 3 3 Enzima: piruvato deidrogenasi acido piruvico acetil-CoA +1,33 +0,67 +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 O OH O C C O + HS-CoA C + S-CoA O C O 2 H 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 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 O OH O C C O + HS-CoA C + S-CoA O C O 2 H

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 COOH CH 2 C O + O C + H2O HO C COOH + CoA-SH CH CH 3 CH 2 2 COOH COOH Enzima: citrato sintasi acido ossalacetico acido citrico acetil-CoA +1 1,5 +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 2. Isomerizzazione dell'acido citrico COOH COOH CH CH 2 2 HO C COOH HC COOH CH HO CH 2 COOH Enzima: aconitasi COOH acido citrico acido isocitrico +1 +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

isocitrato deidrogenasi Le fasi del ciclo di Krebs 3. Decarbossilazione ossidativa dell'acido isocitrico COOH COOH CH CH 2 2 HC COOH CH + NAD + CO2 + NADH2 2 HO CH O C COOH Enzima: isocitrato deidrogenasi COOH acido isocitrico acido alfa-chetoglutarico +1,33 +1 +0,8 +4 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

alfa-chetoglutarato deidrogenasi Le fasi del ciclo di Krebs 4. Decarbossilazione ossidativa dell'acido alfa-chetoglutarico COOH COOH CH CH 2 2 CH CH + NAD + CoA-SH + CO2 + NADH2 2 2 O C O C COOH Complesso enzimatico: alfa-chetoglutarato deidrogenasi S-CoA acido alfa-chetoglutarico 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

succinil-CoA sintetasi Le fasi del ciclo di Krebs 5. Sintesi dell'acido succinico e fosforilazione del GDP COOH COOH CH 2 CH 2 CH + GDP + Pi + GTP + CoA-SH 2 CH 2 O C COOH S-CoA 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)

succinato deidrogenasi Le fasi del ciclo di Krebs 6. Deidrogenazione ossidativa dell'acido succinico COOH COOH CH CH 2 + FAD + FADH2 CH CH 2 COOH COOH Enzima: succinato deidrogenasi acido succinico acido fumarico +0,5 +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 HO CH + H2O CH CH 2 COOH COOH Enzima: fumarasi acido fumarico acido malico +1 +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 CH O C + NAD + NADH2 CH CH 2 2 COOH COOH Enzima: malato deidrogenasi acido malico acido ossalacetico +1 +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.

acido alfa-chetoglutarico acetil-CoA H2O NADH2 acido ossalacetico acido citrico NAD CoA-SH acido isocitrico acido malico NAD NADH2 H2O CICLO DI KREBS acido fumarico CO2 acido alfa-chetoglutarico CoA-SH FADH2 CoA-SH NAD FAD acido succinico succinil- CoA NADH2 GTP CO2 GDP + Pi

acetil-CoA 2 H2O 2 CO2 3 NAD FADH2 GDP + Pi CICLO DI KREBS GTP 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).

DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA glucosio IL BILANCIO ENERGETICO 2 ATP GLICOLISI 4 moli di ATP 10 moli di NADH2 2 moli di FADH2 2 NADH2 2 acido piruvico 2 NADH2 DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA 2 CO2 2 acetil-CoA 6 NADH2 CICLO DI KREBS (2 GIRI) 2 GTP 2 ATP 2 FADH2 4 CO2

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.