Ciclo dell’acido citrico
Il ciclo dell’acido citrico è una serie di reazioni che produce due molecole di anidride carbonica, una GTP/ATP, e forme ridotte di NADH e FADH2.
Obiettivi di apprendimento
Elenco dei passi del ciclo di Krebs (o dell’acido citrico)
Punti chiave
Punti chiave
- La molecola a quattro carboni, ossalacetato, che ha iniziato il ciclo viene rigenerata dopo gli otto passi del ciclo dell’acido citrico.
- Gli otto passi del ciclo dell’acido citrico sono una serie di reazioni di ossidoriduzione, disidratazione, idratazione e decarbossilazione.
- Ogni giro del ciclo forma un GTP o ATP così come tre molecole di NADH e una molecola di FADH2, che saranno usate in ulteriori passi della respirazione cellulare per produrre ATP per la cellula.
Termini chiave
- ciclo dell’acido citrico: una serie di reazioni chimiche usate da tutti gli organismi aerobi per generare energia attraverso l’ossidazione dell’acetato derivato da carboidrati, grassi e proteine in anidride carbonica
- ciclo di Krebs: una serie di reazioni enzimatiche che si verifica in tutti gli organismi aerobi; comporta il metabolismo ossidativo delle unità di acetile e serve come principale fonte di energia cellulare
- mitocondri: in biologia cellulare, un mitocondrio (plurale mitocondri) è un organello chiuso da una membrana, spesso descritto come “centrale elettrica cellulare” perché genera la maggior parte dell’ATP
Ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs)
Come la conversione del piruvato in acetil CoA, il ciclo dell’acido citrico avviene nella matrice dei mitocondri. Quasi tutti gli enzimi del ciclo dell’acido citrico sono solubili, con la sola eccezione dell’enzima succinato deidrogenasi, che è incorporato nella membrana interna del mitocondrio. A differenza della glicolisi, il ciclo dell’acido citrico è un ciclo chiuso: l’ultima parte del percorso rigenera il composto usato nel primo passo. Gli otto passi del ciclo sono una serie di reazioni di ossidoriduzione, disidratazione, idratazione e decarbossilazione che producono due molecole di anidride carbonica, un GTP/ATP e forme ridotte di NADH e FADH2. Questa è considerata una via aerobica perché il NADH e il FADH2 prodotti devono trasferire i loro elettroni alla via successiva nel sistema, che utilizzerà l’ossigeno. Se questo trasferimento non avviene, anche le fasi di ossidazione del ciclo dell’acido citrico non avvengono. Si noti che il ciclo dell’acido citrico produce direttamente molto poco ATP e non consuma direttamente ossigeno.
Il ciclo dell’acido citrico: Nel ciclo dell’acido citrico, il gruppo acetile dell’acetil CoA è attaccato ad una molecola di ossalacetato a quattro carboni per formare una molecola di citrato a sei carboni. Attraverso una serie di passaggi, il citrato viene ossidato, rilasciando due molecole di anidride carbonica per ogni gruppo acetilico immesso nel ciclo. Nel processo, tre molecole di NAD+ vengono ridotte a NADH, una molecola di FAD viene ridotta a FADH2, e viene prodotto un ATP o GTP (a seconda del tipo di cellula) (mediante fosforilazione a livello di substrato). Poiché il prodotto finale del ciclo dell’acido citrico è anche il primo reagente, il ciclo funziona continuamente in presenza di sufficienti reagenti.
Fasi del ciclo dell’acido citrico
Fase 1. Il primo passo è un passo di condensazione, che combina il gruppo acetilico a due carboni (da acetil CoA) con una molecola di ossalacetato a quattro carboni per formare una molecola di citrato a sei carboni. Il CoA è legato a un gruppo sulfidrilico (-SH) e si allontana per combinarsi infine con un altro gruppo acetile. Questo passo è irreversibile perché è altamente esergonico. Il tasso di questa reazione è controllato dal feedback negativo e dalla quantità di ATP disponibile. Se i livelli di ATP aumentano, il tasso di questa reazione diminuisce. Se l’ATP scarseggia, il tasso aumenta.
Fase 2. Il citrato perde una molecola d’acqua e ne guadagna un’altra mentre il citrato viene convertito nel suo isomero, l’isocitrato.
Fasi 3 e 4. Nella fase 3, l’isocitrato viene ossidato, producendo una molecola a cinque carboni, l’α-chetoglutarato, insieme a una molecola di CO2 e due elettroni, che riducono il NAD+ a NADH. Anche questo passo è regolato da un feedback negativo da ATP e NADH e da un effetto positivo dell’ADP. Le fasi tre e quattro sono entrambe fasi di ossidazione e decarbossilazione, che rilasciano elettroni che riducono NAD+ a NADH e rilasciano gruppi carbossilici che formano molecole di CO2. L’α-chetoglutarato è il prodotto della fase tre, e un gruppo succinilico è il prodotto della fase quattro. Il CoA si lega al gruppo succinilico per formare succinil CoA. L’enzima che catalizza il quarto passo è regolato dall’inibizione di feedback di ATP, succinil CoA e NADH.
Passo 5. Un gruppo fosfato viene sostituito al coenzima A, e si forma un legame ad alta energia. Questa energia è usata nella fosforilazione a livello del substrato (durante la conversione del gruppo succinilico in succinato) per formare trifosfato di guanina (GTP) o ATP. Ci sono due forme dell’enzima, chiamate isoenzimi, per questo passo, a seconda del tipo di tessuto animale in cui si trovano. Una forma si trova nei tessuti che usano grandi quantità di ATP, come il cuore e il muscolo scheletrico. Questa forma produce ATP. La seconda forma dell’enzima si trova nei tessuti che hanno un alto numero di vie anaboliche, come il fegato. Questa forma produce GTP. Il GTP è energeticamente equivalente all’ATP; tuttavia, il suo uso è più limitato. In particolare, la sintesi proteica utilizza principalmente il GTP.
Step 6. Il sesto passo è un processo di disidratazione che converte il succinato in fumarato. Due atomi di idrogeno sono trasferiti al FAD, producendo FADH2. L’energia contenuta negli elettroni di questi atomi è insufficiente per ridurre il NAD+ ma adeguata per ridurre il FAD. A differenza del NADH, questo vettore rimane attaccato all’enzima e trasferisce direttamente gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni. Questo processo è reso possibile dalla localizzazione dell’enzima che catalizza questo passo all’interno della membrana interna del mitocondrio.
Passo 7. L’acqua viene aggiunta al fumarato durante la fase sette, e viene prodotto il malato. L’ultimo passo del ciclo dell’acido citrico rigenera l’ossalacetato ossidando il malato. Un’altra molecola di NADH è prodotta.
Prodotti del ciclo dell’acido citrico
Due atomi di carbonio entrano nel ciclo dell’acido citrico da ogni gruppo acetile, rappresentando quattro dei sei carboni di una molecola di glucosio. Due molecole di anidride carbonica vengono rilasciate ad ogni giro del ciclo; tuttavia, queste non contengono necessariamente gli atomi di carbonio aggiunti più recentemente. I due atomi di carbonio di acetile saranno rilasciati nei giri successivi del ciclo; così, tutti i sei atomi di carbonio della molecola di glucosio originale sono alla fine incorporati nell’anidride carbonica. Ogni giro del ciclo forma tre molecole di NADH e una di FADH2. Questi vettori si collegheranno con l’ultima parte della respirazione aerobica per produrre molecole di ATP. Un GTP o ATP è anche fatto in ogni ciclo. Molti dei composti intermedi nel ciclo dell’acido citrico possono essere utilizzati nella sintesi di aminoacidi non essenziali; quindi, il ciclo è anfibolico (sia catabolico che anabolico).