La glicolisi attraverso reazioni fermentative produce ATP anaerobicamente. L’evoluzione della respirazione (l’uso aerobico dell’ossigeno per bruciare in modo efficiente i combustibili nutrienti) ha dovuto aspettare fino a quando la fotosintesi ha creato l’atmosfera ossigenata in cui viviamo ora. Per saperne di più la fonte della nostra atmosfera ossigenata in Dismukes GC et al. .
Il ciclo di Krebs è la prima via di respirazione ossigenata. Evoluzione di questa respirazione e del ponte chimico dalla glicolisi al ciclo di Krebs, senza dubbio si sono verificate alcune reazioni alla volta, forse all’inizio come mezzo per proteggere le cellule anaerobiche dagli effetti “velenosi” dell’ossigeno. Più tardi, la selezione naturale ha arricchito il ciclo aerobico di Krebs, il trasporto di elettroni e le vie di fosforilazione ossidativa che vediamo oggi.
Qualunque sia la sua utilità iniziale, queste reazioni erano una risposta adattativa all’aumento di ossigeno nell’atmosfera terrestre. Come percorso per ottenere energia dai nutrienti, la respirazione è molto più efficiente della glicolisi. Gli animali si affidano a questo, ma anche le piante e le alghe fotosintetiche usano la via respiratoria quando la luce solare non è disponibile! Qui ci concentriamo sulle reazioni ossidative nei mitocondri, iniziando con l’ossidazione del piruvato e continuando alle reazioni redox del ciclo di Krebs.
Dopo essere entrato nei mitocondri, la piruvato deidrogenasi catalizza l’ossidazione del piruvato in Acetil-S-Coenzima A (Ac-S-CoA). Quindi il ciclo di Krebs ossida completamente l’Ac-S-CoA. Queste reazioni redox mitocondriali generano CO2 e molti vettori di elettroni ridotti (NADH, FADH2). L’energia libera rilasciata in queste reazioni redox è accoppiata alla sintesi di un solo ATP per piruvato ossidato (cioè, due per il glucosio con cui abbiamo iniziato!). Sono le molecole di NADH e FADH2 che hanno catturato la maggior parte dell’energia libera nelle molecole di glucosio originali. Questi ingresso di piruvato nel mitocondrio e la sua ossidazione sono riassunti di seguito.
L’ossidazione del piruvato converte un carboidrato 3C in acetato, una molecola 2C, rilasciando una molecola di CO2. In questa reazione altamente exergonica, CoA-SH forma un legame tioestere ad alta energia con l’acetato in Ac-S-CoA. L’ossidazione dell’acido piruvico comporta la riduzione di NAD+, la produzione di Ac-S-CoA e una molecola di CO2, come mostrato di seguito.
Il ciclo di Krebs funziona durante la respirazione per ossidare Ac-S-CoA e per ridurre NAD + e FAD a NADH e FADH2 (rispettivamente). Gli intermedi del ciclo di Krebs funzionano anche nel metabolismo degli aminoacidi e nelle interconversioni. Tutti gli organismi aerobici vivi oggi condividono il ciclo di Krebs che vediamo negli esseri umani. Questo è coerente con la sua diffusione all’inizio dell’evoluzione del nostro ambiente di ossigeno. A causa del ruolo centrale degli intermedi del ciclo di Krebs in altre vie biochimiche, parti del percorso possono anche aver pre – datato la via respiratoria completa. Il ciclo di Krebs si svolge nei mitocondri delle cellule eucariotiche.
Dopo l’ossidazione del piruvato, l’Ac-S-CoA entra nel ciclo di Krebs, condensando con ossaloacetato nel ciclo per formare citrato. Ci sono quattro reazioni redox nel ciclo di Krebs. Mentre discutiamo il ciclo di Krebs, cercare l’accumulo di portatori di elettroni ridotti (FADH2, NADH) e una piccola quantità di sintesi di ATP mediante fosforilazione a livello di substrato. Inoltre, seguire i carboni in piruvato in CO2. Il ciclo di Krebs come si verifica negli animali è riassunto di seguito.
Per aiutarti a capire gli eventi del ciclo,
1. trova le due molecole di CO2 prodotte nel ciclo di Krebs stesso.
2. trova GTP (che trasferisce rapidamente il suo fosfato all’ADP per creare ATP). Si noti che nei batteri, l’ATP viene effettuato direttamente in questa fase.
3. contare tutti i portatori di elettroni ridotti (NADH, FADH2). Entrambi questi portatori di elettroni trasportano una coppia di elettroni. Se includi gli elettroni su ciascuna delle molecole di NADH prodotte nella glicolisi, quanti elettroni sono stati rimossi dal glucosio durante la sua completa ossidazione?
Ricorda che la glicolisi produce due piruvati per glucosio e quindi due molecole di Ac-S-CoA. Pertanto, il ciclo di Krebs gira due volte per ogni glucosio che entra nella via glicolitica. I legami tioesteri ad alta energia formati nel ciclo di Krebs alimentano la sintesi di ATP e la condensazione di ossaloacetato e acetato per formare citrato nella prima reazione. Ogni NADH trasporta circa 50 Kcal delle 687 Kcal di energia libera originariamente disponibili in una mole di glucosio; ogni FADH2 trasporta circa 45 Kcal di questa energia libera. Questa energia alimenterà la produzione di ATP durante il trasporto di elettroni e la fosforilazione ossidativa.
159 Punti salienti del ciclo di Krebs
Infine, la storia della scoperta del ciclo di Krebs è interessante quanto il ciclo stesso! Albert Szent-Györgyi vinse un premio Nobel nel 1937 per aver scoperto alcune reazioni di ossidazione degli acidi organici inizialmente ritenute parte di un percorso lineare. Hans Krebs ha fatto gli esperimenti eleganti mostrando che le reazioni erano parte di un percorso ciclico. Ha proposto (correttamente!) che il ciclo sarebbe un supercatalizzatore che catalizzerebbe l’ossidazione di un altro acido organico. Alcuni degli esperimenti sono descritti da Krebs e dai suoi colleghi nel loro classico articolo: Krebs HA, et al. . Hans Krebs e Fritz Lipmann hanno condiviso il premio Nobel 1953 in Fisiologia o Medicina. Krebs è stato riconosciuto per la sua delucidazione del ciclo TCA, che ora porta più comunemente il suo nome. Lipmann è stato riconosciuto per aver proposto l’ATP come mediatore tra l’energia alimentare (nutriente) e l’energia del lavoro intracellulare e per aver scoperto le reazioni che ossidano il piruvato e sintetizzano Ac-S-CoA, colmando il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa (da considerare nel prossimo capitolo).
160 Scoperta del ciclo di Krebs
