Ciclo di Krebs — Fasi, Schema e resa di ATP

Il ciclo di Krebs è la fase della respirazione cellulare che ossida l’acetil-CoA a $CO_2$ e cattura energia soprattutto sotto forma di $NADH$ e $FADH_2$. È chiamato anche ciclo dell’acido citrico o ciclo TCA. Nelle cellule eucariotiche avviene nella matrice mitocondriale; nelle cellule procariotiche avviene nel citosol.

Se ti serve solo il riassunto da esame, parti da qui: un giro del ciclo utilizza un acetil-CoA e in genere produce $2 CO_2$, $3 NADH$, $1 FADH_2$ e $1 GTP$ oppure ATP. Il ciclo in sé produce poca ATP direttamente. Il suo compito principale è generare trasportatori di elettroni ridotti per la fosforilazione ossidativa.

Fasi del ciclo di Krebs a colpo d’occhio

Non ti serve conoscere il nome di ogni enzima per seguire la via metabolica. La sequenza chiave è:

$$\text{oxaloacetate} + \text{acetyl-CoA} \to \text{citrate} \to \text{isocitrate} \to \text{alpha-ketoglutarate} \to \text{succinyl-CoA} \to \text{succinate} \to \text{fumarate} \to \text{malate} \to \text{oxaloacetate}$$

Questo ritorno finale all’ossalacetato è il motivo per cui si parla di ciclo. L’accettore iniziale viene rigenerato e può accogliere un altro gruppo acetile.

Che cosa fa davvero il ciclo di Krebs

Questa via svolge due funzioni contemporaneamente. Prima di tutto, ossida il gruppo acetile dell’acetil-CoA e libera carbonio sotto forma di $CO_2$. In secondo luogo, cattura energia utilizzabile nei trasportatori di elettroni ridotti.

Ecco perché il ciclo di Krebs è importante anche se non produce molta ATP in modo diretto. Gran parte del suo valore energetico compare più tardi, quando $NADH$ e $FADH_2$ cedono elettroni alla catena di trasporto degli elettroni.

Le fasi principali che contano

1. Si forma il citrato

L’acetil-CoA si combina con l’ossalacetato per formare citrato. Questo è il punto di ingresso del gruppo acetile a due atomi di carbonio.

2. Inizia l’ossidazione

Il citrato viene riarrangiato e poi ossidato. Man mano che la via procede, gli elettroni vengono trasferiti a $NAD^+$ per formare $NADH$.

3. Due atomi di carbonio escono come $CO_2$

Durante le fasi di decarbossilazione, il ciclo libera due molecole di anidride carbonica per giro. Una scorciatoia comune è supporre che entrambe provengano direttamente dal gruppo acetile appena entrato, ma questa conclusione non deriva dal solo riepilogo delle rese.

4. Una piccola quantità di ATP viene prodotta direttamente

Nella fase del succinil-CoA, il ciclo produce un $GTP$ oppure ATP tramite fosforilazione a livello del substrato, a seconda dell’organismo e del tessuto.

5. L’ossalacetato viene rigenerato

Le reazioni finali producono $FADH_2$, un altro $NADH$, e ricostruiscono l’ossalacetato così che la via possa ripartire.

Prodotti del ciclo di Krebs per giro

Per un acetil-CoA, la resa standard riportata nei libri di testo è:

• $2 CO_2$
• $3 NADH$
• $1 FADH_2$
• $1 GTP$ oppure ATP

Questa è la risposta breve più utile per la biologia introduttiva e per molte domande d’esame.

La resa di ATP del ciclo di Krebs dipende da che cosa si conta

Il ciclo di Krebs produce direttamente solo un equivalente di fosfato ad alta energia per giro, di solito scritto come $1 ATP$ oppure $1 GTP$.

Troverai anche una resa di ATP più alta attribuita al ciclo convertendo il suo $NADH$ e $FADH_2$ in equivalenti di ATP. Questo numero dipende dal sistema di calcolo usato. Secondo una stima moderna comune, un giro viene spesso considerato pari a circa:

$$3(2.5) + 1(1.5) + 1 = 10$$

equivalenti di ATP per acetil-CoA.

Questo valore è un modello, non un totale di ATP contato direttamente all’interno del ciclo stesso. Se un corso usa convenzioni più vecchie dei libri di testo, il numero riportato può essere diverso.

Esempio svolto: resa del ciclo di Krebs da una molecola di glucosio

Una molecola di glucosio di solito produce due acetil-CoA prima di entrare nel ciclo di Krebs, quindi il ciclo compie due giri per ogni glucosio.

Raddoppia i prodotti di un giro:

$$2 \times (2 CO_2,\ 3 NADH,\ 1 FADH_2,\ 1 GTP)$$

Quindi il contributo del ciclo di Krebs per ogni glucosio è:

• $4 CO_2$
• $6 NADH$
• $2 FADH_2$
• $2 GTP$ oppure ATP

Se nel tuo corso i trasportatori ridotti vengono convertiti in equivalenti di ATP usando i valori comuni $2.5$ e $1.5$, si ottengono circa $20$ equivalenti di ATP dai due giri combinati. Se nel tuo corso si conta solo l’ATP prodotta direttamente nel ciclo, la risposta è $2$.

Perché l’ossigeno conta anche se $O_2$ non è un reagente

Il ciclo di Krebs non usa direttamente $O_2$ in una delle sue fasi di reazione. Ma nelle cellule aerobie dipende comunque indirettamente dall’ossigeno, perché la catena di trasporto degli elettroni deve riossidare $NADH$ e $FADH_2$ riportandoli a $NAD^+$ e $FAD$.

Se l’ossigeno non è disponibile, questo riciclo rallenta o si arresta, e il ciclo di Krebs non può continuare a funzionare in modo efficiente.

Errori comuni sul ciclo di Krebs

Pensare che il compito principale del ciclo sia produrre ATP

La principale uscita energetica non è l’ATP diretta. È la produzione di $NADH$ e $FADH_2$ per la successiva generazione di ATP.

Dimenticare che una molecola di glucosio significa due giri

Molti studenti memorizzano la resa per giro e dimenticano di raddoppiarla quando la domanda parte da una molecola di glucosio.

Considerare ciclo di Krebs, ciclo dell’acido citrico e ciclo TCA come vie diverse

Nell’uso standard di biologia e biochimica, questi nomi indicano la stessa via metabolica.

Quando le cellule usano il ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs è centrale quando le cellule ossidano i combustibili in condizioni aerobie. Collega il metabolismo dei carboidrati, la degradazione dei grassi e parte del metabolismo degli amminoacidi, perché molti di questi combustibili confluiscono nell’acetil-CoA o negli intermedi del ciclo.

È importante anche oltre l’estrazione di energia. Diversi intermedi vengono usati nella biosintesi, quindi il ciclo sostiene sia il metabolismo sia la costruzione della cellula.

Prova un argomento correlato

Se vuoi fissare bene questa via, confronta il ciclo di Krebs con la respirazione cellulare nel suo insieme, poi collocalo tra la glicolisi e la catena di trasporto degli elettroni. Questa sequenza rende più facili da interpretare i numeri della resa di ATP, perché puoi vedere quale ATP viene prodotta direttamente e quale dipende dai trasportatori di elettroni.