qual'è lo scopo del ciclo di krebs

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Molecola del Mese di Ottobre 2012
Il ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs è costituito da 8
tappe enzimatiche ed ha un ruolo essenziale nella produzione di energia
Introduzione
Il ciclo dell’acido citrico, conosciuto anche come ciclo di Krebs
o ciclo degli acidi tricarbossilici, ha un ruolo centrale nel metabolismo
della cellula sia nella produzione di energia che per la sintesi di nuove
molecole. Il ciclo di Krebs costituisce la terza e ultima tappa delle
reazioni di demolizione del glucosio, dopo la glicolisi
(mdm 2-2004) e la decarbossilazione
ossidativa
(mdm 9-2012). Inoltre fornisce NADH e FADH
2
alla catena
respiratoria
(mdm 12-2011) e alla fosforilazione
ossidativa
(mdm 12-2005) che, facendoli reagire con ossigeno,
producono grandi quantità di ATP. Il ciclo dell’acido citrico è
anche importante nella biosintesi, perchè fornisce intermedi per
la sintesi di amminoacidi e di altre molecole. Gli enzimi del ciclo dell’acido
citrico si trovano in tutte le cellule che usano ossigeno O
2
e persino in alcune cellule che non lo usano. Gli enzimi mostrati in questo
articolo sono stati isolati da molti organismi diversi. Nella figura qui
a fianco si vedono gli otto enzimi uno vicino all’altro. Appare evidente
che uno degli enzimi ha dimensioni enormi rispetto agli altri, ma in realtà
è ancora più massiccio di così perchè la subunità
centrale è circondata da ben 24 subunità, mentre qui ne
sono mostrate solo 8.
Otto reazioni
Le otto reazioni del ciclo dell’acido citrico hanno lo scopo di trasformare
l’acetil Coenzima-A in CO
2
e completare così l’ossidazione del glucosio, cominciata con la
glicolisi e la decarbossilazione ossidativa. Per questo viene usato, come
catalizzatore, l’ossalacetato, un acido bicarbossilico che contiene anche
un gruppo chetonico. Il ciclo comincia legando il gruppo acetile all’ossalacetato,
si forma così acido citrico, un acido tricarbossilico che dà
il nome a tutto il ciclo. Poi, in otto tappe, il gruppo acetile viene
completamente ossidato e trasformato in due molecole di CO
2
mentre la parte restante della molecola viene riconvertita in ossalacetato
per cominciare un nuovo ciclo. Queste otto reazioni, però, non
sono semplici come sembrano. Ci si potrebbe aspettare che gli enzimi eliminassero
i due carboni del gruppo acetile usando l’ossalacetato solo come supporto.
Invece, marcando alcuni atomi di carbonio nelle due molecole, gli scienziati
hanno scoperto che le cose vanno in modo diverso. Infatti i due atomi
che vengono persi come CO
2
appartengono all’ossalacetato, mentre il gruppo acetile va a costituire
la struttura del nuovo ossalacetato che si forma.
Centrale energetica
Il ciclo dell’acido citrico fornisce gli elettroni (sotto forma di NADH)
necessari al processo della fosforilazione ossidativa che produce la maggior
parte dell’energia nelle nostre cellule sotto forma di ATP. Quando il
gruppo acetile viene ossidato a CO
2,
cede elettroni al NADH e questo a sua volta li cede al Complesso
1
(mdm 12-2011) della catena respiratoria. Questi elettroni da
qui giungono all’ossigeno O
2
attraverso una serie di tre pompe protoniche situate, la prima, a ridosso
del complesso 1, la seconda, nel complesso 3 (citocromo
bc1
(mdm 5-2011)) e, la terza, nel complesso 4 (citocromo
c ossidasi
(mdm 12-2002)). Le pompe protoniche generano un gradiente
di ioni H
+ a cavallo
della membrana interna dei mitocondri che mette in rotazione l’enzima
ATP
sintasi
(mdm 12-2005) che è la macchina proteica che sintetizza
ATP. Tutti i complessi della catena respiratoria e l’enzima ATP sintasi
si trovano immersi nella membrana interna dei mitocondri.

(1) Citrato sintasi

Il ciclo di Krebs, o ciclo dell’acido citrico, inizia con l’enzima citrato
sintasi, mostrato qui a destra (file PDB 1cts).
Questo enzima prende l’acetil coenzima A (generato dalla decarbossilazione
ossidativa dell’acido piruvico) e lo lega all’ossalacetato formando acido
citrico. L’enzima si apre e si chiude attorno a queste molecole durante
la reazione. Per vederlo in azione andate alla molecola del mese 9-2007
(citrato sintasi).

(2) Aconitasi
L’acido citrico formato nel primo stadio non è facilmente decarbossilabile
perché ha il gruppo alcolico al centro della molecola, in posizione
terziaria, dove non può essere ossidato. Per questo nel secondo
stadio, il gruppo OH viene spostato sul carbonio in fianco, in posizione
secondaria. L’enzima aconitasi, mostrato qui a fianco (file PDB 7acn),
realizza la reazione di isomerizzazione con l’ausilio di alcuni gruppi
ferro-zolfo. Per vedere l’enzima in azione andate alla molecola del mese
5-2007 (aconitasi).
(3) Isocitrato deidrogenasi
Il
vero lavoro di decarbossilazione comincia nella terza tappa del ciclo.
L’enzima isocitrato deidrogenasi, mostrato qui a fianco (file PDB 3blw)
prima ossida l’acido isocitrico trasformando l’OH della molecola in carbonile
e poi rimuove il carbossile centrale dell’acido. Durante l’ossidazione
trasferisce gli elettroni al NADH. Per vedere l’enzima in maggior dettaglio,
andate alla molecola del mese 9-2010 (isocitrato
deidrogenasi
).
(4) Complesso 2-oxoglutarato deidrogenasi
Il
quarto stadio è realizzato da un grande complesso multienzimatico,
simile al complesso della piruvato
deidrogenasi
(l’enzima della decarbossilazione ossidativa dell’acido
piruvico, mdm 9-2012). Infatti questo enzima realizza una reazione molto
simile alla classica decarbossilazione ossidativa e utilizza lo stesso
set di molecole: vitamina B1, acido lipoico, coenzima A, NADH. Nell’enzima
si realizzano più reazioni in sequenza. Dapprima avviene una decarbossilazione
con l’ausilio della vitamina B1 (tiaminapirofosfato), poi avviene l’ossidazione
da parte dell’acido lipoico, poi il carbossile così ottenuto si
lega al coenzima A, infine l’acido lipoico ridotto trasferisce elettroni
al NADH. Il complesso è formato da tre enzimi diversi connessi
da braccia flessibili. L’illustrazione qui a fianco mostra solo alcuni
di questi enzimi legati al guinzaglio, ma nel complesso reale il corpo
centrale è circondato da 24 enzimi e ha l’aspetto di una grossa
palla multienzimatica. Questa figura è stata ottenuta usando molte
strutture PDB: 1e2o,
1bbl, 1pmr,
2eq7, e 2jgd. Per comprendere
meglio il funzionamento di questo grande complesso multienzimatico andate
alla molecola del mese 9-2012 dove è illustrato un enzima simile
piruvato
deidrogenasi
.

(5) Succinil-CoA sintetasi


Il quinto stadio del ciclo di Krebs è l’unico nel quale viene prodotto
ATP. Il legame tioestere tra succinato e coenzima A è molto instabile
e, rompendosi, libera l’energia necessaria alla sintesi di ATP. In realtà,
nei mitocondri, l’enzima (mostrato qui a destra in alto, file PDB 2fp4)
produce GTP che viene poi convertito in ATP da un altro enzima, nucleotide
difosfato chinasi. Nel citoplasma si trova una forma simile di succinil-CoA
sintetasi che usa ATP (e non GTP) e che realizza la reazione inversa,
sintetizza succinil-CoA che poi viene utilizzato in altre reazioni. Qui
a fianco in basso è mostrata una forma batterica dell’enzima succinil-CoA
sintetasi ATP-dipendente (file PDB 1cqi).

(6) Succinato deidrogenasi


La
sesta tappa è realizzata da un complesso proteico legato alla membrana
interna dei mitocondri. Questo enzima realizza la sesta reazione del ciclo
di Krebs direttamente all’interno del complesso 2 della catena respiratoria.
L’enzima crea un doppio legame carbonio-carbonio nella molecola di acido
succinico ossidandolo ad acido fumarico e trasferisce al FAD (magenta
in alto nella figura) gli elettroni dei due atomi di idrogeno estratti.
Da qui gli elettroni vengono trasferiti attraverso una serie di centri
ferro-zolfo (gialli e rossi) e un gruppo eme (rosa) fino al coenzima Q
(beige chiaro), un trasportatore di elettroni mobile (dentro la membrana)
che porta gli elettroni al citocromo
bc1
(mdm 5-2011) nel complesso 3. L’enzima mostrato qui a destra
è batterico (file PDB 1nek).



(7) Fumarasi


La settima tappa è realizzata dall’enzima fumarasi che aggiunge
acqua all’acido fumarico trasformandolo in acido malico. Qui a lato è
mostrata una forma batterica di questo enzima (file PDB 1fuo).
Nelle nostre cellule l’enzima si trova sia nei mitocondri, dove partecipa
al ciclo dell’acido citrico, sia nel citoplasma, dove ha un ruolo attivo
nella sintesi di molecole e anche (cosa sorprendente) nella risposta al
danneggiamento del DNA. Le nostre cellule, però, hanno un solo
gene che codifica per questo enzima, ma riescono a destinare alcuni enzimi
ai mitocondri e altri al citoplasma utilizzando tempi diversi di ripiegamento
della proteina.

(8) Malato deidrogenasi


L’ultima tappa del ciclo dell’acido citrico ricrea ossalacetato ossidando
il gruppo alcolico dell’acido malico a chetone e trasferendo gli elettroni
estratti al NADH. L’enzima malato deidrogenasi si trova sia nei mitocondri
che nel citoplasma. Qui a destra sono mostrate le due forme, in alto quella
mitocondriale (file PDB 1mld) e in basso
quella citoplasmatica (file PDB 5mdh) nella
quale sono ben visibili 2 molecole di NADH (magenta). Insieme queste due
forme risolvono un difficile problema per la cellula. Il NADH prodotto
nel citoplasma dalla glicolisi può essere smaltito in due modi.
Può essere riconvertito in NAD
+
con la fermentazione lattica, quella che negli sforzi intensi produce
acido lattico nei nostri muscoli, oppure può essere mandato nei
mitocondri per la reazione aerobica con l’ossigeno. La membrana dei mitocondri,
però non può essere attraversata dal NADH, quindi entrano
in gioco le due forme di malato deidrogenasi che agiscono da sistema navetta.
Nel citoplasma il NADH è usato per ridurre ossalacetato a malato.
Il malato può attraversare la membrana dei mitocondri e poi viene
riconvertito in ossalacetato rigenerando NADH all’interno dei mitocondri.
Spunti per ulteriori esplorazioni
In molti casi gli enzimi del ciclo dell’acido citrico prodotti da organismi
diversi sono molto simili tra loro. Usate lo strumento “Compare Structures”
per valutare somiglianze e differenze tra le diverse forme che si trovano
negli archivi del PDB.
Bibliografia
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John Wiley and Sons.
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M. E. Fraser, K. Hayakawa, M. S. Hume, D. G. Ryan and E. R. Brownie
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G. E. Murphy and G. J. Jensen (2005) Electron cytotomography of
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13, 1765-1773.
P. Minarik, N. Tomaskova, M. Kollarova and M. Antalik (2002) Malate
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21, 257-265.

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