Il ciclo di Krebs (anche detto ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell'acido citrico) è un ciclo metabolico di importanza fondamentale in tutte le cellule che utilizzano ossigeno nel processo della respirazione cellulare. In questi organismi aerobici, il ciclo di Krebs è l'anello di congiunzione delle vie metaboliche responsabili della degradazione (catabolismo) dei carboidrati, dei grassi e delle proteine in anidride carbonica e acqua con la formazione di energia chimica.

Il ciclo di Krebs è una via metabolica anfibolica, poiché partecipa sia a processi catabolici che anabolici. Il ciclo fornisce infatti anche molti precursori per la produzione di alcuni amminoacidi (ad esempio l'α-chetoglutarato e l'ossalacetato) e di altre molecole fondamentali per la cellula.

Il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri delle cellule eucariote e nel citoplasma delle cellule procariote.

I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta ossidazione), producono acetil-CoA, un gruppo acetile legato al coenzima A. L'acetil-CoA costituisce il principale substrato del ciclo. Il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato, a generare citrato. Al termine del ciclo stesso, i due atomi di carbonio immessi dall'acetil-CoA verranno ossidati in due molecole di CO2, rigenerando nuovamente ossalacetato in grado di condensare con acetil-CoA. La produzione rilevante dal punto di vista energetico, tuttavia, è quella di una molecola di GTP (immediatamente utilizzata per rigenerare una molecola di ATP), di tre molecole di NADH ed una di FADH2.

I cofattori ridotti (NADH e FADH2), si comportano come intermedi ossido/riduttivi. Quando ridotti, essi sono in grado di trasportare elettroni ad energia reativamente alta (sottratti ai substrati ossidati ad esempio nella glicolisi o nello stesso ciclo di Krebs) fino alla catena respiratoria mitocondriale. Presso tale catena, essi vengono riossidati (a (NAD+ e FAD) e cedono gli elettroni alla catena stessa, che sarà così in grado di rigenerare molecole di ADP ad ATP.

La reazione netta è la seguente:

Acetil-CoA + 3 NAD+ + FAD + ADP + Pi ⇒ CoA-SH + 3 NADH + H+ + FADH2 + ATP + 2 CO2 
L'energia che si ricava dalla completa demolizione di una molecola di glucosio attraverso i tre diversi stadi della respirazione cellulare (glicolisi, ciclo di Krebs e catena di trasporto di elettroni), è idealmente di 36 molecole di ATP. In realtà sono 38 le molecole nette di ATP ad essere prodotte, ma 2 di esse vengono consumate per trasportare (tramite trasporto attivo) dal citoplasma alla matrice mitocondriale le 2 molecole di NADH + H+ prodotte nella glicolisi.



Fonte:wikipedia

Per capire meglio il procdimento chimico :
http://www.med.unibs.it/chimica/inf.bio.Ciclo%20di%20Krebs.pdf

http://www.lacellula.net/appunti/biochimica/ciclo_di_krebs.html


GLI ALIMENTI E LA PRODUZIONE DI ATP

Il grafico qui presento è stato fatto  poter semplificare i vari passaggi  di quello che accade nel corpo quando questi deve trasformare i vari macronutrienti per formare ATP.

Il grafico non ha assolutamente la pretesa di essere preciso, ma si avvicina in modo sostanziale alla sua verità biochimica.

Procedendo dall'alto in basso passo alla descrizione del grafico.

Tutti gli alimenti sono formati da macronutrienti: Carboidrati, Lipidi e Proteine.

Ciascuno di questi ha un suo preciso compito biochimico e inoltre tutti e tre devono assolvere ad un secondo compito: quello di fornire elementi essenziali per poter produrre l'ATP, cioè l'Adenosintrifosfato, che ha la seguente definizione biochimica: è il trasportatore universale di energia metabolica. Le cellule catturano, conservano e trasportano l'energia libera in una forma chimica.

I carboidrati sono i principali fornitori di glucosio, monosaccaride di elezione per dare energia alle cellule. Gli zuccheri, una volta assimilati a livello intestinale e trasportati al fegato, sono ridotti a glucosio*; questi viene inviato nel sangue per essere trasportato alle varie cellule del corpo, soprattutto a quelle definite "glucosio\dipendenti" (cellule nervose, eritrociti, ghiandole surrenali e testicoli).

Il glucosio nel sangue determina la "glicemia". Altra destinazione dei carboidrati è quella di formare il Glicogeno, cioè la forma di deposito del glucosio. Questo sarà "stornato" nel fegato come glicogeno epatico e nel muscolo come glicogeno muscolare. Vi è una sostanziale differenza di utilizzazione tra questi due tipi di glicogeno; quello epatico serve soprattutto per fornire glucosio al sangue nei periodi di digiuno tra un pasto e l'altro, per mantenere stabile la glicemia. Mentre il glicogeno muscolare non può essere trasformato in glucosio per mancanza della fosfatasi specifica e quindi è utilizzato nella via glicolitica per produrre ATP necessario alla contrazione muscolare. Quando il glucosio entra nelle cellule è trasformato in Glucosio-6-fosfato, (G-6-P) forma attiva che, se non è subito utilizzato, è trasformato e depositato come glicogeno. L'utilizzazione del G-6-P avviene attraverso la glicolisi, la trasformazione del glucosio in Acido Piruvico. Questo composto è una tappa fondamentale della glicolisi; se trova ossigeno disponibile si trasforma in Acetil CoA composto terminale di tutti e tre i macronutrienti, mentre se non vi è disponibilità di ossigeno l'Acido Piruvico si converte in Acido Lattico sostanza terminale del metabolismo glucidico in anaerobiosi. Dall'Acido Piruvico si forma una importantissima sostanza: l'Acido Ossalacetico (AOA), composto fondamentale per poter iniziare il Ciclo di Krebs in quanto unendosi all'Acetil CoA forma Acido Citrico. L'Acido Ossalacetico si forma solo dal metabolismo  dei carboidrati, fatto questo molto importante per utilizzare completamente i grassi, come vedremo procedendo nell'illustrazione del grafico. I lipidi o grassi sono depositati nella cellula sotto forma di Trigliceridi; questa sostanza quando sarà necessario utilizzarla, si scinderà in Acidi Grassi e Glicerolo. Gli Acidi grassi,legati all'Albumina, saranno trasportati alle cellule e utilizzati, via formazione di Acetil CoA, per produrre energia, mentre il glicerolo entrerà nella glicolisi per seguirne i vari passaggi biochimici sopradescritti. Le proteine hanno la funzione specifica di riparare o formare nuovi tessuti, la sintesi proteica. Le proteine sono gli unici macronutrienti che nella loro composizione chimica contengono azoto; sono formati da catene di amminoacidi costituiti da un gruppo amminico e uno scheletro carbonioso. Se l'organismo ha bisogno di glucosio,in mancanza di carboidrati, allora le proteine come anche i grassi subiranno un processo definito Gluconeogenesi, cioè formazione di nuovo glucosio da sostanze non carboidrate. Quando questo avviene gli amminoacidi sono scissi in scheletro carbonioso che,o trasformandosi in Acetil CoA o entrando direttamente nel Ciclo di Krebs, servirà per produrre energia; mentre il gruppo amminico sarà trasformato in ammoniaca ed eliminato dai reni attraverso il ciclo dell'urea sotto forma di urina. La formazione e l'eliminazione dell'azoto potrebbe diventare un problema biochimico per le conseguenze nefaste che potrebbe creare ad un organismo in non buone condizioni di salute. Una volta che i macronutrienti formano l'Acetil CoA questo può prendere due strade: se trova disponibilità di Acido Ossalacetico forma Acido Citrico che è il primo composto del Ciclo di Krebs; se non vi è disponibilità di Ossalacetato per mancanza di glucosio, l'Acetil CoA sarà trasformato, dal fegato, in Corpi Chetonici che potrebbero creare dei problemi biochimici (acidosi) soprattutto in organismi diabetici o in cattive condizioni di salute. Se al contrario vi è presenza di Ossalacetato, inizierà il Ciclo di Krebs che renderà disponibile l'idrogeno (H) utilizzato dalla catena di trasporto degli elettroni (ETC) per la formazione di ATP mediante la Fosforilazione Ossidativa. Se l'ATP si forma da i carboidrati produrrà 38 ATP per molecola di glucosio; se deriva dal metabolismo dei grassi (Palmitato), si formeranno ben 129 ATP per molecola ossidata. Alla fine della catena di trasporto degli elettroni si saranno formati molecole di ATP, acqua e anidride carbonica. Se il lavoro cellulare avviene in assenza di ossigeno saranno prodotti solo 2 ATP da una molecola di glucosio con produzione di acido lattico che sarà trasportato, dal circolo ematico, al fegato e qui riconvertito in glucosio (Ciclo di Cori).

 



Il fruttosio (altro monosaccaride) viene metabolizzato dal fegato in maniera ancor più rapida del glucosio; inoltre questo zucchero per essere assimilato dalle cellule non ha bisogno della presenza dell'insulina, fattore questo di enorme importanza per i malati di diabete.

 

Nota - Nel grafico è stata omessa la via del Fosfogluconato (ossidazione diretta del G-6-P) in quanto sarebbe stato necessario proseguire con la spiegazione della via del Palmitato e la sintesi degli Acidi Grassi, argomenti interessantissimi che però esulano dall'argomento trattato in "Gli alimenti e la produzione di ATP".

 

BIBLIOGRAFIA

ARIENTI, FLORIDI: Biochimica della Nutrizione. Piccin Editore 

LEHNINGER e altri: Principi di Biochimica. Zanichelli Editore 

MOREHOUSE, MILLER: Fisiologia dell'Esercizio. Pensiero Scientifico Editore 

TOPI: L'Alimentazione dell'Atleta. Lombardo Editore 

Fonte: sportmedicina

Tappe del ciclo di Krebs

Reazione 1: citrato sintasi

La citrato sintasi catalizza la condensazione dell'ossalacetato con acetil-CoA, ad ottenere citrato. La sua struttura quaternaria consta di due subunità, ad ognuna delle quali si possono legare i due substrati.

Il sito attivo dell'enzima attiva l'acetil-CoA per renderlo affine ad un centro carbonioso dell'ossalacetato. In seguito al legame tra le due molecole, il gruppo tioestere (CoA) viene idrolizzato, formando così la molecola di citrato.

La reazione è altamente esoergonica (ΔG'°=-31.4 kJ/mole), motivo per cui questo step è irreversibile. Il citrato prodotto dall'enzima, inoltre, è in grado di inibire competitivamente l'attività dell'enzima. Pur essendo la reazione molto favorita (perché esoergonica), dunque, la citrato sintasi può essere saldamente regolata. Questo aspetto ha una notevole importanza biologica, dal momento che permette una completa regolazione dell'intero ciclo di Krebs, rendendo l'enzima una sorta di pacemaker dell'intero ciclo

Reazione 2: aconitasi

La aconitasi catalizza la isomerizzazione del citrato ad isocitrato (attraverso la formazione di cis-aconitato). L'enzima catalizza anche la reazione inversa, ma nel ciclo di Krebs tale reazione è unidirezionale a causa della legge di azione di massa: le concentrazioni (in condizioni standard) di citrato (91%), dell'intermedio cis-aconitato (3%) e di isocitrato (6%), infatti, spingono la reazione decisamente verso la produzione di isocitrato.

Nel sito attivo dell'enzima è presente un cluster ferro-zolfo (chiamato cubano) che, insieme ad alcuni residui amminoacidici polari, lega il substrato. Più nel dettaglio, il legame al substrato viene assicurato dalla presenza di un residuo di serina, di arginina, di istidina e di aspartato, che permettono il legame stereospecifico del solo citrato 1R,2S, respingendone la forma opposta

Reazione 3: isocitrato deidrogenasi

La isocitrato deidrogenasi mitocondriale è un enzima dipendente dalla presenza di NAD+ e di Mn2+ e/o Mg2+. Inizialmente, l'enzima catalizza l'ossidazione dell'isocitrato ad ossalsuccinato, che genera una molecola di NADH a partire da NAD+. Successivamente, la presenza di uno ione bivalente che complessa gli ossigeni del gruppo carbossile in posizione alfa aumenta l'elettronegatività di quella regione di molecola. Ciò genera un riarrangiamento degli elettroni della molecola, con conseguente rottura del legame tra il carbonio in posizione gamma e l'adiacente gruppo carbossile. In questo modo si ha dunque una decarbossilazione (ossia l'uscita di una molecola di CO2), che porta alla formazione di α-chetoglutarato, caratterizzato due carbossili alle estremità e da un chetone in posizione alfa rispetto ad uno dei due gruppi carbossilici

Reazione 4: α-chetoglutarato deidrogenasi

La conversione dell'isocitrato in α-chetoglutarato è seguita da una seconda reazione di decarbossilazione ossidativa, che porta alla formazione di succinil CoA. La decarbossilazione ossidativa dell'α-chetoglutarato è molto simile a quella del piruvato, un altro α-chetoacido.

Entrambe le reazioni includono infatti la decarbossilazione di un α-chetoacido e la conseguente produzione di un legame tioestere ad alta energia con il coenzima A. I complessi che catalizzano tali reazioni sono simili tra loro.

La α-chetoglutarato deidrogenasi (più correttamente detta ossoglutarato deidrogenasi) è infatti composta di tre enzimi differenti. La subunità E1, detta 2-chetoglutarato deidrogenasi, e la E2, detta transsuccinilasi, presentano un'estrema omologia con quelle della piruvato deidrogenasi. La subunità E3, la diidrolipoamide deidrogenasi, invece, è lo stesso polipeptide presente nell'altro complesso enzimatico.

Reazione 5: succinil-CoA sintetasi

Il succinil-CoA è un tioestere ad alta energia (la sua ΔG°′ di idrolisi è di circa -33.5 kJ mol-1, simile a quella dell'ATP, di -30.5 kJ mol-1). La citrato sintasi si serve di un intermedio avente tale legame ad alta energia per portare a termine la fusione tra una molecola a due atomi di carbonio (acetil-CoA) ed una a quattro (ossalacetato). L'enzima succinil-CoA sintetasi si serve invece di tale energia per fosforilare un nucleoside difosfato purinico come il GDP.

L'energia proveniente dal tioestere viene semplicemente convertita in energia legata ad un legame fosfato. Il primo passaggio della reazione genera un nuovo intermedio ad alta energia, noto come succinil fosfato. Successivamente, una istidina presente nel sito catalitico rimuove il fosfato dalla molecola glucidica, generando il prodotto succinato ed una molecola di fosfoistidina, che dona velocemente il fosfato ad un nucleoside difosfato, ricaricandolo a trifosfato. Si tratta dell'unico passaggio del ciclo in cui si ha una fosforilazione al livello del substrato.

Il GTP è principalmente coinvolto nei pathway di trasduzione del segnale: il suo ruolo in un processo energetico come il ciclo di Krebs è invece essenzialmente quello di tramite per il trasferimento di gruppi fosfato verso l'ATP, in una reazione catalizzata dalla nucleoside difosfochinasi

Reazione 6: succinato deidrogenasi

La parte finale del ciclo vede il riarrangiamento di molecole a quattro atomi di carbonio fino alla rigenerazione dell'ossaloacetato. Perché ciò sia possibile, il gruppo metile presente sul succinato deve essere convertito in un carbonile. Come avviene in altri pathways (ad esempio la beta ossidazione degli acidi grassi), tale conversione avviene attraverso tre passaggi: una prima ossidazione, una idratazione ed una seconda ossidazione. Questi tre passaggi, oltre a rigenerare ossalacetato, permettono l'estrazione di ulteriore energia attraverso la formazione di FADH2 e NADH.

La prima reazione di ossidazione è catalizzata dalla succinato deidrogenasi, l'unico enzima del ciclo ad avere come accettore di idrogeno il FAD anziché il NAD+: il FAD è legato in modo covalente all'enzima, attraverso un residuo di istidina. L'enzima si serve del FAD poiché l'energia associata alla reazione non è sufficiente per ridurre NAD+.

L'enzima è anche l'unico ad essere annidato all'interno della membrana mitocondriale. Tale posizione è dovuta anche al coinvolgimento dell'enzima nella catena di trasporto degli elettroni. Gli elettroni passati sul FAD vengono dunque immessi direttamente nella catena, grazie al legame stabile tra l'enzima ed il cofattore stesso

Reazione 7: fumarasi

La fumarasi catalizza l'aggiunta in trans di un protone e di un gruppo OH- provenienti da una molecola d'acqua. Dal momento che l'enzima è in grado di legare OH- solo da un lato, il fumarato può essere convertito solo in L-malato

 Reazione 8: malato deidrogenasi

L'ultima reazione del ciclo consiste nell'ossidazione del malato ad ossalacetato. La reazione, catalizzata dalla malato deidrogenasi, utilizza un'altra molecola di NAD+ come accettore di idrogeno (producendo NADH).

L'energia libera di Gibbs associata a quest'ultima reazione è decisamente positiva (a differenza delle altre del ciclo). L'attività dell'enzima è trainata dal consumo di ossalacetato da parte della citrato sintasi e di NADH da parte della catena di trasporto degli elettroni.

Fonte: wikipedia

A monte del ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è infatti il secondo stadio del catabolismo dei carboidrati. La glicolisi degrada il glucosio (ed altre molecole a sei atomi di carbonio) in piruvato (un α-chetoacido contenente tre atomi di carbonio). Negli eucarioti il piruvato è trasferito dal citoplasma (sede della glicolisi) nei mitocondri dove perde un atomo di carbonio e viene convertito in acetil-CoA dalla piruvato deidrogenasi. All'interno del mitocondrio, l'acetil-CoA può entrare nel ciclo di Krebs, come precedentemente descritto.

Per quanto riguarda le proteine, esse vengono degradate con meccanismi detti di proteolisi attraverso enzimi detti proteasi, che le spezzettano nei costituenti fondamentali: gli amminoacidi. Alcuni amminoacidi possono costituire una fonte di energia, poiché sono convertibili in alcuni intermedi del ciclo stesso (ad esempio aspartato, valina ed isoleucina). Altri, convertibili in molecole glucidiche, possono entrare nel ciclo passando per le vie cataboliche tipiche dei glucidi (ad esempio l'alanina, convertibile in piruvato).

Nel catabolismo lipidico, i trigliceridi sono idrolizzati da enzimi detti lipasi per formare acidi grassi e glicerolo. Negli organismi superiori, il glicerolo può entrare nella glicolisi a livello epatico o essere trasformato in glucosio attraverso il diidrossiacetone fosfato e la gliceraldeide-3-fosfato seguendo la via metabolica della gluconeogenesi. In molti tessuti, specialmente nel cuore, gli acidi grassi sono degradati attraverso un processo noto come beta-ossidazione, che produce acetil-CoA, a sua volta internalizzato nel ciclo di Krebs. La beta-ossidazione può anche generare propionil-CoA, che a sua volta può essere reimmesso nella via gluconeogenetica epatica a generare glucosio.

A valle del ciclo di Krebs


Il ciclo di Krebs è sempre seguito dalla fosforilazione ossidativa, una catena di trasporto di elettroni. L'una non avrebbe senso senza l'altra in quanto l'ATP e il GTP prodotto dal ciclo in sé è scarso e la produzione di NADH e FADH2 porterebbe ad un'ambiente mitocondriale eccessivamente ridotto, mentre la sola catena respiratoria necessiterebbe di una fonte di cofattori ridotti pena l'ossidazione dell'ambiente. Questa respirazione cellulare estrae energia da NADH e FADH2, ricreando NAD+ e FAD, permettendo in tal modo al ciclo di continuare. Il ciclo di Krebs non usa ossigeno, che è invece utilizzato nella fosforilazione ossidativa