Ciclo di Krebs e respirazione cellulare aerobica: spiegazione e schema

La respirazione aerobica è il processo che permette di sfruttare il contenuto energetico delle molecole utilizzate nel metabolismo. Per questa via metabolica è necessaria la presenza dell’ossigeno e per questo motivo l’apparizione degli organismi fotosintetici ossigenici è stato un passaggio fondamentale nell’evoluzione dei viventi.

La respirazione permette infatti di ossidare il piruvato proveniente dai processi di glicolisi, sfruttando così al massimo il contenuto energetico iniziale del glucosio, zucchero esoso intorno al quale ruota il metabolismo centrale della maggior parte degli esseri viventi.

Negli eucarioti gli enzimi di che intervengono in queste reazioni si trovano nei mitocondri, dove avviene il ciclo di Krebs, o ciclo dei TCA (acidi tricarbossilici) e ciclo dell'acido citrico. Il ciclo è costituito da 8 passaggi. Ma prima di inserirsi in questa via, il piruvato deve essere trasportato attraverso la doppia membrana del mitocondrio, sin nella parte più interna, chiamata matrice mitocondriale. Il piruvato viene poi trasformato in acetilcoenzima A (AcetilCoA) dall’enzima piruvato deidrogenasi, liberando CO₂ e NADH. Questo passaggio è necessario, poiché l’energia contenuta nel legame tioestere (che coinvolge uno zolfo) fra l’acetile e il coenzima A viene usata per il legame con l’ossalacetato, uno degli intermedi del ciclo di Krebs. In quanto ciclo, non si può dire che esso abbia un vero substrato di partenza e un vero prodotto di arrivo.
I vari passaggi di ossidazione, catalizzati dalle deidrogenasi, producono cofattori ridotti: 3 NADH e 1 FADH₂ per ogni piruvato utilizzato, il doppio per ogni glucosio, dato che la glicolisi permette di ottenere 2 molecole di piruvato per ogni glucosio. Gli altri prodotti ottenuti sono 2 CO₂ (che diffonde dalle membrane) e 1 GTP (guanosintrifosfato) dal quale indirettamente si ottiene 1 ATP.

Il ciclo di Krebs è costituito da 8 reazioni catalizzate da enzimi, i cui intermedi sono spesso substrato di altre vie metaboliche: per questo motivo è necessario che la cellula li sostituisca mediante reazioni di "riempimento" chiamate reazioni anaplerotiche.

1. L'acetilCoA sintetizzato dalla decarbossilazione ossidativa del piruvato reagisce con l'ossalacetato, ottenendo il citrato. La reazione è catalizzata dall'enzima citrato sintasi, che libera coenzimaA, nuovamente disponibile per la piruvato deidrogenasi.
2. Il citrato viene trasformato nel suo isomero isocitrato dall'enzima aconitasi, con la formazione di un intermedio insaturo chiamato cis-aconitato.
3. L'isocitrato viene ossidato ad α-chetoglutarato dall'enzima isocitrato deidrogenasi, che utilizza NAD⁺ come cofattore, il quale viene ridotto a NADH.
4. L'α-chetoglutarato viene a sua volta ossidato a succinilCoA dall'enzima α-chetoglutarato deidrogenasi, un complesso che utilizza anche il coenzimaA e il NAD⁺ per completare la reazione.
5. Il succinilCoA perde il coenzimaA, liberando l'energia necessaria per la fosforilazione a livello del substrato del GDP a GTP, in una reazione catalizzata dalla succinilCoA sintetasi, che libera succinato.
6. Il succinato viene ossidato a fumarato dall'enzima succinato deidrogenasi, liberando FADH₂ a partire da FAD.
7. Il fumarato subisce l'aggiunta di una molecola d'acqua (idratazione) ottenendo L-malato, mediante l'enzima fumarato idratasi.
8. L-malato viene ossidato a ossalacetato dall'enzima malato deidrogenasi, liberando NADH.

Visto che non risulta conveniente coinvolgere così tanti enzimi per guadagnare solo 1 ATP, la cellula sfrutta i cofattori ridotti accumulati nella glicolisi e nel ciclo di Krebs per produrre altro ATP. Sulla membrana interna sono presenti un gruppo di proteine integrali che svolgono il ruolo di deidrogenasi. Esse sono in grado di ossidare il NADH e il FADH₂ e di utilizzare l’energia potenziale degli elettroni che da essi ottengono, i quali derivano in origine dall’ossidazione del glucosio e del piruvato. Queste proteine sono enzimi che vengono chiamati nel loro insieme catena di trasporto degli elettroni.

1. Il complesso I, chiamato anche NADH:ubichinone deidrogenasi, catalizza il trasferimento degli elettroni dal NADH all'ubichinone (coenzima Q): il NADH si ossida a NAD⁺, mentre l'ubichinone risulta ridotto a ubichinolo. Il complesso di più di 40 proteine contiene un centro ferro-zolfo (Fe-S), in grado di facilitare il trasferimento degli elettroni.
2. Il complesso II è in realtà uno degli enzimi del ciclo di Krebs, ovvero la succinato deidrogenasi, che catilizza la reazione n°6. Questo complesso ha un funzionamento simile al complesso I, in quanto il complesso II catalizza il passaggio di elettroni dal FADH₂ all'ubichinone, ottenendo FAD ossidato e coenzima Q ridotto.
3. Il complesso III viene chiamato anche ubichinone:citocromo c ossidoreduttasi, e catalizza il trasferimento di elettroni dall'ubichinolo al citocromo c, che risulta ridotto.
4. Il complesso IV, chiamato citocromo ossidasi, trasferisce gli elettroni all'ossigeno (O₂), riducendolo a H₂O. Senza l’ossigeno, accettore finale degli elettroni, la cellula non sarebbe in grado di smaltire gli elettroni: per questo motivo la sua presenza (e quindi l'aerobiosi) è fondamentale.

I complessi I, III e IV sono in realtà delle pompe protoniche in grado di sfruttare l'energia delle reazioni redox che catalizzano per trasportare protoni (H⁺) dalla matrice allo spazio intermembrana, creando così un gradiente di concentrazione ad alta energia potenziale. I protoni infatti subiscono forte repulsione elettrostatica e cercano una “valvola di sfogo” per allontanarsi, cedendo la propria energia a qualcun altro.
L’enzima ATP sintasi, anch’esso nella membrana interna del mitocondrio, è in grado di usare questo gradiente per legare un gruppo fosfato all’ADP, sintetizzando l’ATP, la cui energia è proprio contenuta nel legame dell’ultimo gruppo fosfato, che qui si forma. Questo tipo di aggiunta di un gruppo fosfato viene chiamato fosforilazione ossidativa.

La reazione completa, a partire dal glucosio ecomprendendo quindi la glicolisi e la catena di trasporto degli elettroni, è la seguente (in provetta):

C₆H₁₂O₆ + 6O2 → 6CO₂ + 6H₂O + 36 (o 38) ATP

credits: Giac83, Rozzychan