Regolazione del ciclo dell'acido citrico

L'identificazione delle tappe che limitano la velocità del ciclo dell'acido citrico è più complicata che nella glicolisi, in quanto molti dei suoi metaboliti sono presenti sia nei mitocondri che nel citosol e noi non sappiamo come questi siano distribuiti nei due compartimenti (difficoltà nel determinare il ΔG). Comunque, osservazioni in vitro ci fanno pensare che tre enzimi funzionano lontane dall'equilibrio (ΔG negativo): la citrato sintasi, l'isocitrato deidrogenasi NAD+ dipendente e l'α-chetoglutarato deidrogenasi. Inoltre, contrariamente a quanto avviene nella glicolisi dove vengono utilizzati elaborati sistemi di controllo allosterico, gli enzimi regolatori del ciclo dell'acido citrico sembrano essere controllati in tre modi molto semplici: (1) disponibilità dei substrati, (2) inibizione da prodotto e (3) inibizione competitiva da parte di intermedi prodotti lungo il ciclo. I principali regolatori del ciclo dell'acido citrico sono i suoi substrati acetil-CoA ed ossalacetato ed il suo prodotto NADH. Sia l'acetil-CoA che l'ossalacetato sono presenti nei mitocondri a una concentrazione che non satura la citrato sintasi. Il flusso metabolico attraverso questo enzima varia quindi con la concentrazione dei substrati ed è soggetta ad un controllo in base alla loro disponibilità. La produzione di acetil-CoA è a sua volta regolata dall'attività della piruvato deidrogenasi. Quindi nella transizione da basso ad alto lavoro e da basse ad alte velocità di respirazione, la concentrazione mitocondriale di NADH tende a diminuire. Il conseguente aumento della [ossalacetato] stimola la reazione della citrato sintasi, che controlla la velocità di formazione del citrato. La velocità di utilizzo del citrato, a sua volta, è governata dalla isocitrato deidrogenasi NAD+ dipendente che è fortemente inibita in vitro dal NADH (inibizione da prodotto). Anche la citrato sintasi viene inibita dal NADH. Evidentemente l'isocitrato deidrogenasi è più sensibile a variazioni della [NADH] della citrato sintasi. Inoltre, la diminuzione della [citrato] che avviene durante la transizione da basso ad alto lavoro e da bassa ad alta velocità di respirazione porta ai seguenti effetti, che ricordano il gioco del domino:
Il citrato è un inibitore competitivo dell'ossalacetato per la citrato sintasi (inibizione da prodotto); la caduta della [citrato] causata da un aumento dell'attività dell'isocitrato deidrogenasi incrementa la velocità di formazione del citrato.
L'α-chetoglutarato deidrogenasi viene fortemente inibita dai suoi prodotti NADH e succinil-CoA. La sua attività tende quindi ad aumentare se la [NADH] diminuisce.
Il succinil-CoA compete anche con l'acetil-CoA nella reazione della citrato sintasi.
Questo sistema intrecciato mantiene il ciclo dell'acido citrico regolato in modo coordinato. In conclusione, studi in vitro sugli enzimi del ciclo dell'acido citrico hanno portato all'individuazione di alcuni attivatori e inibitori allosterici. Ad esempio l'ADP agisce come attivatore allosterico dell'isocitrato deidrogenasi mentre il Ca2+ attiva la piruvato deidrogenasi fosfatasi che, a sua volta, attiva il complesso della piruvato deidrogenasi e quindi la produzione di acetil-CoA. Il calcio attiva anche la isocitrato deidrogenasi e l'α-chetoglutarato deidrogenasi.