Il Ciclo di Krebs – Il corso di Biochimica per conoscere e comprendere

Ciclo di Krebs: perché è utile conoscerlo

Nella prima lezione di biochimica abbiamo fatto un’introduzione ai processi biologici e alle molecole energetiche più significative per la vita. Una di queste è l’ATP. Quello che permette di produrre alti livelli di questa molecola è un processo più lento che si svolge all’interno dei mitocondri: il Ciclo di Krebs. Sebbene alcuni processi come la glicolisi siano molto rapidi, essi non riescono a produrre un grande quantitativo di ATP.

Il Ciclo di Krebs è un via biochimica di recente scoperta. Si pensi che il nome deriva dal suo scopritore, il Dottor Krebs che gli valse il premio Nobel per la medicina nel 1953.

Conoscere questo ciclo biochimico ci permette di prendere consapevolezza dei passaggi necessari per la produzione di energia cellulare, grazie al metabolismo aerobico.

Per gli studenti del corso di Biologia e Scienze Motorie, la conoscenza di questo ciclo è fondamentale, in quanto uno dei cicli cardine della vita degli organismi eterotrofi e aerobi.

 

Ciclo di Krebs: cosa dobbiamo sapere?

La molecola chiave che dà l’avvio all’intero ciclo è l’Acetil-CoA che è  il prodotto della piruvato deidrogenasi. L’intero ciclo è composto da 8 reazioni, qui di seguito descritte [1-8].

 

L‘Acetil-CoA è una molecola a due atomi di carbonio (2C) che, attraverso una reazione di condensazione con la partecipazione di acqua, con l’ossalacetato (molecola a 4 atomi di carbonio) dà origine al citrato, a sei atomi di carbonio [reazione 1]. L’enzima chiave di questo processo è la citrato sintasi che dona il gruppo acetilico dell’Acetil-CoA all’ossalacetato.

Inoltre il citrato dà il nome a questo ciclo, chiamato anche Ciclo dell’Acido Citrico o acido degli acidi tricarbossilici.

All’aumentare nella cellula delle concentrazioni di citrato e NADH, l’enzima citrato sintasi viene inibito con un meccanismo a feedback.

Il citrato, grazie ad una deidratazione, formerà il cis-aconitato [reazione 2].

Il cis-citrato appena formato andrà incontro ad una reazione di condensazione dove sarà richiesta dell’acqua per formare l’isocitrato, anch’esso un prodotto a 6 atomi di carbonio [reazione 3].

 

L’isocitrato, per l’intervento dell’enzima isocitrato deidrogenasi, si formerà l’alfa-chetoglutarato, a cinque atomi di carbonio con produzione di NADH [reazione 3].

L’intervento dell’enzima alfa-chetoglutarato deidrogenasi permetterà la produzione di NADH e succinil-CoA [reazione 4], successivamente trasformato in succinato con la liberazione di anidride carbonica [reazione 5].

La differenza è che in questa reazione si ha la perdita di un carbonio per la formazione di CO2 e il succinato prodotto è una molecola a 4 atomi di carbonio.

Ma non finisce qui. Nella sesta reazione del ciclo di Krebs viene prodotto anche del GTP, la guanosin-trifosfato.  Quale differenza c’è tra l’ATP e il GTP?

Sono entrambi dei composti ad alta energia, ma la differenza risiede nel fatto che la GTP è usato da alcune proteine che ne hanno bisogno oppure serve per la produzione diretta di ATP,

La succinato deidrogenasi è l’enzima che permette di convertire il succinato in fumarato con produzione anche di FADH2 [reazione 6].

La penultima reazione vede la produzione di L-malato, grazie all’idratazione dovuta dall’enzima fumarasi [reazione 7].

Infine l’ossidazione per mezzo della malato deidrogenasi permette la ricostituzione dell’ossalacetato con produzione di NADH.

Ad ogni ciclo l’ossalacetato viene ripristinato e questo consente che il ciclo si auto-sostenga.

 

Ciclo di Krebs: quanto ATP viene prodotto?

Ogni giro completo fornisce 12 molecole di ATP. Risulta doveroso precisare come per ciascuna molecola di glucosio vengano prodotte due molecole di piruvato e non una, pertanto si avranno due molecole di Acetil-CoA e il risultato al netto sarà il doppio di quanto appena espresso, cioè 24 molecole di ATP.

Se facessimo un calcolo complessivo di quanto ATP otterremmo da una singola molecola di glucosio la produzione di 38 molecole di ATP.

 

Da dove deriva l’ossalacetato?

Abbiamo detto fin dall’inizio che uno dei requisiti base per l’avvio del ciclo di Krebs è la presenza di una molecola di Acetil-CoA e una di ossalacetato per la produzione di citrato.

Ecco che adesso cercheremo di capire concettualmente questi cicli biochimici.

L’ossalacetato viene prodotto dal metabolismo del glucosio. In altre parole viene prodotto grazie alla presenza dei carboidrati.

 

Alcune considerazioni fondamentali

Gli acidi grassi sono ulteriori molecole fondamentali per il corpo e grazie a loro, con la Beta-ossidazione, possiamo ottenere Acetil-CoA ovvero la molecola starter del ciclo di Krebs, congiuntamente all’ossalacetato. Però alcune strutture cellulari, come i neuroni, non sono in grado di utilizzare gli acidi grassi con la Beta-ossidazione e per loro è fondamentale l’utilizzo di glucosio.

Le riduzioni delle concentrazioni di glucosio nel cervello possono portare a coma ipoglicemico e pertanto è fondamentale impostare una dieta con un apporto corretto di carboidrati in base all’attività fisica svolta dal soggetto.

Abbiamo pertanto due problemi:

1. Apportare il corretto quantitativo di carboidrati per lo svolgimento di funzione biologiche indispensabili per la vita, ivi compresa l’omeostasi della glicemia;
2. Non innalzare la glicemia in modo repentino per diverse volte al giorno: per evitare danni cellulari dovuto ad un eccesso di carboidrati e zuccheri nel medesimo pasto.

Per fortuna l’insulina permette l’entrata nelle cellule di glucosio in eccesso e questorisolve il problema dell’eccesso di glucosio nel sangue. In quest’ultimo caso però si verificherà un altro fenomeno. Si sposterà la produzione dall’Acetil-CoA alla sintesi di acidi grassi nel fegato.

Nel fegato la glicolisi può rappresentare un tappa fondamentale per la sintesi di acidi grassi, dopo il pasto glucidico. Questo è ciò che sta alla base delle differenti valenze che può avere una medesima via biochimica.

In tal senso anche il digiuno può portare ad un’inversione di rotta dell’ossalacetato del ciclo di Krebs. In questo caso la molecola di ossalacetato viene utilizzata per l’effettuazione di un altro processo biochimico che vedremo in un prossimo articolo: la neoglucogenesi.

 

Ora abbiamo compreso perché sia importante la conoscenza del ciclo di Krebs!

 

A cura del Dottor Giulio Merlini

 

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BIBLIOGRAFIA – REFERENCES:

1.  Nelson DL, Cox MM (2010). Principi di biochimica di Lehninger. Zanichelli Editore, Bologna; pp.623-643.

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