Appunti di biologia IL CICLO DI KREBS. Giancarlo Dessì Licenza Creative Commons BY-NC-SA

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1 Appunti di biologia IL IL DI KREBS Giancarlo Dessì Licenza reative ommons BY-N-SA BY: Attribuzione - N: Non commerciale - SA: ondividi allo stesso modo

2 IL DI KREBS detto anche IL DELL'AID ITRI o IL DEGLI AIDI TRIARBSSILII Dove si svolge nella matrice del mitocondrio osa è la base del metabolismo energetico aerobico ossidazione completa del carbonio in questo modo alimenta la catena respiratoria ENERGIA osa produce piccole molecole organiche da trasformare in questo modo fornisce lo scheletro dei monomeri delle macromolecole ANABLISM

3 S'È UN IL METABLI? È una sequenza di reazioni concatenate in cui il prodotto della reazione finale è reimpiegato nello svolgimento della reazione iniziale. Nelle reazioni intermedie - sono introdotte nuove molecole (materie prime) che alimentano il giro - sono prodotte altre molecole (prodotti finali) D A B materie prime B e AD AD AB prodotti finali AB e D AD AB Il ciclo è come una giostra in continuo movimento: le persone salgono da punti diversi interagiscono sulla giostra scendono con dei cambiamenti da altri punti

4 RAPPRT TRA IL DI KREBS E ALTRE VIE METABLIE atabolismo degli AMMINAIDI atabolismo degli ZUERI Acido piruvico atabolismo degli AIDI GRASSI Il ciclo di Krebs è una tappa conclusiva dei processi catabolici aerobici ma anche un punto di partenza dei processi anabolici. È perciò collegato ai principali processi del metabolismo cellulare. Sintesi di amminoacidi glucidi lipidi AETIL-oA IL DI KREBS ANIDRIDE ARBNIA E ENERGIA Per via delle differenze fra i principali monomeri delle macromolecole (zuccheri, acidi grassi, amminoacidi), il ciclo di Krebs può avere diversi ingressi Sintesi delle porfirine emoglobina clorofilla In funzione delle esigenze metaboliche, la cellula può regolare le uscite dal ciclo di Krebs verso differenti risultati

5 L'INGRESS PRINIPALE NEL IL DI KREBS oenzima A glucosio o fruttosio GLILISI piruvico DEARBSSILAZINE SSIDATIVA DELL'AID PIRUVI 2 L'ingresso principale nel ciclo di Krebs è rappresentato dall'acetil-oa una molecola che trasporta due atomi di carbonio provenienti dal metabolismo ossidativo dei glucidi, dei lipidi e delle proteine. Nel metabolismo dei glucidi, l'acetil-oa proviene dall'ossidazione dell' piruvico prodotto dalla glicolisi. Dalla glicolisi si ottengono 2 moli di acetil-oa e due moli di anidride carbonica per ogni mole impiegata di glucosio o fruttosio Acetil-oenzima A

6 DEARBSSILAZINE SSIDATIVA DELL'AID PIRUVI È il processo che collega la glicolisi al iclo di Krebs. H S-oA + oa-sh + NAD NADH2 3 3 piruvico Enzima: piruvato deidrogenasi acetil-oa +0, ,33 +4 L' piruvico prodotto dalla glicolisi entra nel mitocondrio e viene attaccato da un insieme di enzimi (complesso enzimatico) detto piruvato deidrogenasi. Il processo comporta le seguenti trasformazioni: 1) ulteriore ossidazione del carbonio 2) perdita del gruppo carbossilico per separazione di una molecola di anidride carbonica 3) combinazione del residuo a 2 atomi di carbonio (acetile) con la molecola del coenzima A 4) perdita di due elettroni e due ioni idrogeno con riduzione del NAD a NADH2

7 oenzima A Il coenzima A è una biomolecola che partecipa a reazioni di decarbossilazione ossidativa dei chetoacidi (es. piruvico) mediate da enzimi o complessi enzimatici deidrogenasi H + HS-oA 2 H S-oA + Il gruppo -SH si lega al gruppo carbonile di un cheto e ne causa la decarbossilazione, ovvero la perdita del gruppo carbossile (ossidato a 2) per deidrogenazione. Quello tra il gruppo acilico e il coenzima A è un legame ad alta energia che può essere sfruttata per reazioni di sintesi endoergoniche

8 IL TRASPRTATRE DI IDRGEN E DI ELETTRNI: il sistema NAD / NADH2 NAD: forma ossidata Nicotinammide adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo. I due elettroni e i due ioni idrogeno persi dal sistema acetil-oa / anidride carbonica sono trasferiti sulla molecola del NAD, che viene ossidato a NADH2 NADH2: forma ridotta

9 Le fasi del ciclo di Krebs 1. Sintesi dell' citrico per condensazione S-oA + + H2 H + oa-sh 3 acetil-oa 2 ossalacetico Enzima: citrato sintasi 2 citrico ,5 +1 Il gruppo acetile (trasportato dal coenzima A) si condensa con l' ossalacetico ( bicarbossilico prodotto dal precedente giro del ciclo di Krebs, con formazione di un tricarbossilico: l' citrico. L'energia necessaria per la condensazione è fornita dalla rottura del legame ad alta energia tra il coenzima A e l'acetile.

10 Le fasi del ciclo di Krebs 2. Isomerizzazione dell' citrico H H 2 citrico Enzima: aconitasi H isocitrico In due reazioni consecutive (deidratazione, idratazione) catalizzate dallo stesso enzima, il gruppo ossidrile del carbonio n. 3 viene spostato sul carbonio n. 2, con formazione dell' isocitrico

11 Le fasi del ciclo di Krebs 3. Decarbossilazione ossidativa dell' isocitrico H + NAD NADH2 H isocitrico Enzima: isocitrato deidrogenasi alfa-chetoglutarico +1 +0,8 +1,33 +4 In due reazioni consecutive (deidrogenazione, decarbossilazione) il gruppo ossidrile dell' isocitrico viene ossidato a gruppo carbonile e il gruppo carbossile intermedio viene perso per separazione di una molecola di anidride carbonica. Si forma perciò un cheto bicarbossilico, l' alfa-chetoglutarico. La deidrogenazione trasporta gli atomi di idrogeno sul NAD, che viene ridotto a NADH2

12 Le fasi del ciclo di Krebs 4. Decarbossilazione ossidativa dell' alfa-chetoglutarico + NAD + oa-sh NADH2 alfa-chetoglutarico omplesso enzimatico: alfa-chetoglutarato deidrogenasi S-oA succinil-oa +0,8 +0, In una reazione analoga a quella di formazione dell'acetil-oa, l' alfa-chetoglutarico viene decarbossilato e il residuo a 4 atomi di carbonio (succinile) combinato con il coenzima A, con formazione del succinil-oa. La decarbossilazione associata alla combinazione con il coenzima causa una deidrogenazione ossidativa e la riduzione di un'altra molecola di NAD per trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno

13 Le fasi del ciclo di Krebs 5. Sintesi dell' succinico e fosforilazione del GDP S-oA succinil-oa + GDP + Pi + GTP + oa-sh Enzima: succinil-oa sintetasi succinico +0,5 +0,5 Il legame ad alta energia tra il succinile e il coenzima A si scinde, con conseguente formazione dell' succinico. L'energia liberata dalla rottura del legame viene accumulata nella fosforilazione della guanosina di-fosfato (GDP), una biomolecola analoga all'atp.

14 L'AUMULATRE DI ENERGIA DEL IL DI KREBS: il sistema GDP / GTP GTP (guanosina tri fosfato) Il GTP è una molecola ad alta energia simile all'atp, usata anch'essa dalla cellula per svolgere processi anabolici. Invece dell'atp, il catabolismo del ciclo di Krebs produce GTP, che viene poi trasformato in ATP. ATP (adenosina tri fosfato)

15 Le fasi del ciclo di Krebs 6. Deidrogenazione ossidativa dell' succinico + FAD + FADH2 succinico Enzima: succinato deidrogenasi fumarico +0,5 +1 L' succinico subisce una deidrogenazione ossidativa con formazione dell' fumarico, un bicarbossilico contenente un doppio legame tra gli atomi di carbonio n. 2 e n, 3. L'ossidazione dell' succinico comporta il trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno su una molecola di FAD, un trasportatore di elettroni analogo al NAD.

16 UN ALTR TRASPRTATRE DI IDRGEN E DI ELETTRNI: il sistema FAD / FADH2 FAD: forma ossidata la molecola ha due atomi di idrogeno in meno nel residuo della riboflavina Flavina adenina dinucleotide: è un coenzima ossidoriduttivo analogo al NAD. oadiuva gli enzimi nelle reazioni redox che spostano gli elettroni con la deidrogenazione. È composto da due nucleotidi. Il nucleotide di sinistra ha la catena del ribosio aperta ed è derivato dalla riboflavina (detta anche vitamina B2) FADH2: forma ridotta il residuo della riboflavina acquista due elettroni e due ioni idrogeno (indicati in rosso)

17 Le fasi del ciclo di Krebs 7. Idratazione dell' fumarico + H2 H fumarico Enzima: fumarasi malico L' fumarico subisce un'idratazione per addizione di una molecola d'acqua al doppio legame tra gli atomi di carbonio n. 2 e 3.

18 Le fasi del ciclo di Krebs 8. Deidrogenazione ossidativa dell' malico H + NAD 2 + NADH2 Enzima: malato deidrogenasi malico ossalacetico +1 +1,5 La tappa finale del ciclo di Krebs consiste nella deidrogenazione dell' malico, con ossidazione del gruppo ossidrile a gruppo carbonile dell' ossalacetico. L'ossidazione dell' malico comporta la riduzione di un'altra molecola di NAD per trasferimento di due elettroni e due ioni idrogeno. L' ossalacetico sarà reimpiegato iniziare un nuovo giro del ciclo.

19 acetil-oa H2 NADH2 ossalacetico citrico NAD malico oa-sh isocitrico NAD H2 IL DI KREBS NADH2 fumarico 2 FADH2 oa-sh oa-sh alfachetoglutarico NAD FAD succinico succinil- oa NADH2 GTP GDP + Pi 2

20 2 2 acetil-oa 2 H2 3 NAD FADH2 GTP IL DI KREBS GDP + Pi 3 NADH2 FAD oa-sh

21 L'EQUAZINE IMIA DEL IL Acetil-oA + 3 NAD + FAD + GDP + Pi + 2 H oa-sh + 3 NADH2 + FADH2 + GTP Ad ogni giro del ciclo di Krebs si ha l'ossidazione completa di un radicale a due atomi di carbonio, prodotto dalla decarbossilazione ossidativa dell' piruvico. onsiderato che dalla glicolisi si producono due moli di piruvico, per ogni mole di glucosio o fruttosio si svolgono due giri del ciclo di Krebs. Il ciclo di Krebs esaurisce il processo catabolico completando l'ossidazione del composto organico: da una mole di glucosio si ottengono perciò 6 moli di anidride carbonica. La concatenazione della glicolisi, della decarbossilazione dell' piruvico e del ciclo di Krebs trasferisce l'energia chimica del glucosio negli accumulatori di energia del metabolismo energetico, rappresentati dai nucleotidi tri fosfato (ATP e GTP) e dalle forme ridotte dei trasportatori di elettroni (NADH2 e FADH2).

22 glucosio IL BILANI ENERGETI GLILISI 2 ATP DEARBSSILAZINE SSIDATIVA 2 piruvico 2 acetil-oa 2 NADH2 2 NADH moli di ATP 10 moli di NADH2 2 moli di FADH2 6 NADH2 IL DI KREBS (2 GIRI) 2 GTP 2 ATP 2 FADH2 4 2

23 IL METABLISM ENERGETI NN SI ESAURISE NEL IL DI KREBS Il processo catabolico si esaurisce nel ciclo di Krebs, la completa ossidazione del carbonio organico trasforma il glucosio in anidride carbonica. Il processo catabolico, tuttavia, rappresenta solo una parte del metabolismo energetico: da esso si ottengono solo 4 moli di ATP. Gran parte dell'energia chimica resta accumulata nei coenzimi trasportatori di idrogenoi ridotti (10 moli di NADH2 e 2 moli FADH2). Questa energia non è direttamente utilizzabile dalla cellula, perché può essere recuperata solo con l'ossidazione dei trasportatori attraverso la biosintesi dell'atp. L'impianto biochimico che estrae l'energia dai trasportatori di idrogeno e la converte in ATP.è rappresentato dalla catena respiratoria o catena di trasporto degli elettroni, un processo localizzato nella membrana interna del mitocondrio che trasferisce tutti gli elettroni accumulati nei traportatori di idrogeno su 12 atomi di ossigeno. Questo trasferimento permette la produzione di altre 34 moli di ATP per ogni mole di glucosio ossidata! Nel complesso, il metabolismo energetico composto dalla combinazione della glicolisi con la respirazione mitocondriale porta alla produzione di 38 moli di ATP.