Lezione 7. Il metabolismo terminale e la produzione di ATP

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1 Lezione 7 Il metabolismo terminale e la produzione di ATP 1

2 Il metabolismo terminale Catabolismo Lipidi Amminoacidi Carboidrati convergono sul metabolismo terminale, e producono una stessa molecola: l acetil-coa - ciclo di Krebs (o ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell acido citrico) - fosforilazione ossidativa. Entrambe le vie sono localizzate nei mitocondri 2

3 Relazione tra metabolismo intermedio e terminale 3

4 Respirazione Cellulare

5

6 I mitocondri

7 Coenzima A Il coenzima A è sintetizzato a partire dalla vitamina B5 (o acido pantotenico) e dall aminoacido cisteina, spendendo 4 ATP. La vitamina B5 è presente in molti alimenti, specialmente uova, carne e latte. Il CoA è il cofattore essenziale per la sintesi dell acetil CoA. 7

8 La piruvato deidrogenasi 3 enzimi 5 coenzimi Trasforma il Piruvato in acetil-coa, tramite DECARBOSSILAZIONE OSSIDATIVA del Piruvato. Genera acetil Co-A che entra nel ciclo di Krebs 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. E una reazione IRREVERSIBILE (Importante dogma metabolico): i carboidrati possono essere trasformati in lipidi, ma NON può avvenire il contrario. In periodi di digiuno prolungato solo gli amminoacidi ( e non i grassi) possono essere convertiti a glucosio

9 Il ciclo di Krebs (I) Il ciclo di Krebs venne scoperto nel 1937 da H.A. Krebs, che lo chiamò ciclo dell acido citrico. Successivamente, venne indicato come ciclo degli acidi tricarbossilici, dai tre intermedi della fase di recupero dell energia (citrato, cis-aconitato e isocitrato). Hans Adolf Krebs ricevette il premio nobel per la medicina nel 1953 Zanichelli editore,

10 Il ciclo di Krebs (II) A ogni giro del ciclo, un gruppo acetile (2C) entra come acetil-coa (punto di incrocio metabolico fondamentale) e si condensa con ossalacetato (4C) per formare il primo acido tricarbossilico (citrato). Alla fine del ciclo il gruppo acetile è ossidato a 2 CO 2 e viene rigenerato ossalacetato. Quindi, teoricamente, una sola molecola di ossalacetato basterebbe per ossidare un numero illimitato di acetil-coa. Questo in realtà non succede perché l ossalacetato e altri intermedi vengono utilizzati anche come precursori di molte biosintesi. 10

11 La struttura del ciclo di Krebs Nel ciclo di Krebs possiamo osservare: La via degli elettroni, ovvero la generazione di potere riducente attraverso la generazione di NADH e FADH 2. La via dei carboni, ovvero il destino del gruppo acetile attraverso le successive decarbossilazioni ossidative. La via del Coenzima A, in cui una molecola di CoA viene liberata all inizio dall acetil-coa, per essere poi utilizzata e nuovamente rigenerata nella sequenza del ciclo: a-chetoglutarato-> succinil-coa -> succinato 11

12 Acetil-CoA+3NAD + +FAD +GDP+P i +2H 2 O = 2 CO 2 + 3NADH + 3H+ +FADH2 +GTP+ CoA Perché avvenga è necessario ossigeno perché solo così la catena respiratoria è attiva e può rifornire il ciclo di coenzimi ossidati continuamente necessari Ciclo di Krebs

13 Le sequenze di reazioni del ciclo di Krebs Possiamo dividere idealmente il ciclo di Krebs in due blocchi di reazioni: 1. La serie da citrato a succinato serve a operare le due decarbossilazioni ossidative successive che rimuovono i 2C entrati nel ciclo all inizio come acetil CoA. 2. La serie da succinato a ossalacetato serve a ripristinare il composto di partenza (ossalacetato) per un nuovo giro. 3. In entrambe le serie di reazioni si ottiene energia sotto forma di 4 coppie di elettroni e una molecola di GTP. Ma solo nella prima serie viene prodotta CO 2. 13

14 Ciclo di Krebs 14

15 Ciclo di Krebs BILANCIO COMPLESSIVO Acetil CoA + 3 NAD + +FAD+GDP + P i +2H 2 O= 2CO 2 +3 NADH +3 H + +FADH2 + GTP Ossidazione completa dei due carboni dell Acetil CoA a anidride carbonica Riduzione di 3 NAD e 1 FAD (per ciascuna molecola di AcetilCoA) CONTROLLO La velocità del ciclo è regolata dalla necessità di ATP da parte della cellula Il principale ENZIMA REGOLATORE è la citrato sintasi che catalizza la reazione sotto riportata. Il Citrato prodotto inibisce in maniera competitiva l enzima.

16 1. Formazione del citrato Acetil CoA reagisce con l ossalacetato (acido 2-oxo- 1,4-butandioico) per formare il citrato (acido 3- carbossi-3-idrossi-1,5- pentandioico). 16

17 La decarbossilazione ossidativa L ossidazione dell acetil-coa, che forma 2 molecole di CO 2 (con liberazione di una coppia di elettroni per ciascuna molecola) avviene grazie a due deidrogenasi che agiscono su -isocitrato > a-chetoglutarato (reazione 3) - a-chetoglutarato > succinil- CoA (reazione 4). 17

18 La decarbossilazione ossidativa 18

19 Ripristino Ossalacetato Per formare il Succinato, si rompe il legame alta energia del Succinil CoA, fosforilando la GTP che poi forma ATP. Succinato > Fumarato > Malato > Ossalacetato. Formazione di FADH 2 e NADH + H + 19

20 Il ciclo di Krebs è una via anfibolica (I) Il ciclo di Krebs fornisce numerosi precursori per le vie biosintetiche: - ossalacetato e a-chetoglutarato per la sintesi di amminoacidi, - citrato come fonte di acetil-coa per la biosintesi di acidi grassi, - succinil-coa per la sintesi dell eme, 20

21 Il ciclo di Krebs è una via anfibolica (II) 21

22 piruvato+co 2 +ATP -> ossalacetato + ADP+P i 22 Reazioni anaplerotiche (I) Continuamente vengono sottratti intermedi dal ciclo di Krebs per la biosintesi. Questo potrebbe rallentare la respirazione se non venissero rimpiazzati. Le reazioni dedicate a fornire sempre sufficienti intermedi al ciclo sono dette anaplerotiche (di riempimento). La principale è la carbossilazione del piruvato ad ossalacetato ad opera della piruvato carbossilasi mitocondriale:

23 Destino del piruvato in condizioni aerobiche: ossalacetato - importante intermedio del ciclo di Krebs, - substrato per la gluconeogenesi: forma il fosfoenolpiruvato. 23

24 Il ciclo di Krebs genera elettroni Nel ciclo di Krebs non viene prodotto direttamente ATP. Un ATP è prodotto indirettamente a partire dal GTP generato nella reazione 5. Il ciclo invece genera 4 coppie di elettroni sotto forma 3 NADH e 1 FADH 2. Questi potranno essere spesi per la sintesi di molte molecole di ATP. il ciclo di Krebs è una specie di motore che usa gruppi acetili come combustibile per trasformarli in un flusso di elettroni. 24

25 La catena di trasporto degli elettroni (I) Le coppie di elettroni conservate nel NADH e FADH 2 devono essere rese disponibili per la produzione di ATP. Questo rigenererà le forme ossidate (NAD + e FAD) che potranno ricevere nuovi elettroni, mantenendo in moto il ciclo. Gli elettroni sono ceduti da NADH e FADH 2 a un sistema di proteine presenti nella membrana interna del mitocondrio, esposte verso la matrice, dove si svolge il ciclo di Krebs e quindi facilmente accessibili. Queste proteine costituiscono la catena di trasporto degli elettroni o catena respiratoria. 25

26 La catena di trasporto degli elettroni (II) 26

27 Flusso degli elettroni nella catena (I) La catena respiratoria comprende quattro complessi proteici: Complesso I: NADH deidrogenasi Complesso II: succinato deidrogenasi Complesso III: Q-citocromo c ossidoreduttasi Complesso IV: citocromo c ossidasi 27

28 Flusso degli elettroni nella catena (II) Questi complessi contengono proteine specializzate nell accettare e donare elettroni (flavoproteine, proteine Fe-S, citocromi). La capacità di trasferire elettroni di queste proteine dipende dalla presenza di particolari coenzimi (ubichinone) o di gruppi prostetici, ovvero strutture molecolari in grado di legare elettroni, quali il gruppo eme (nei citocromi) i gruppi ferro-zolfo (nelle corrispondenti proteine), il gruppo flavinmononucleotide (nella NADH deidrogenasi). 28

29 La catena di trasporto degli elettroni (III)

30 Ossido-riduzioni La catena respiratoria è una sequenza di ossido-riduzioni, in cui le proteine dei vari gruppi (nella sequenza I-IV) accettano gli elettroni (riducendosi) e li cedono immediatamente al gruppo successivo (ossidandosi). 30

31 Ossigeno: accettore finale di e - È necessario che gli elettroni alla fine vengano eliminati: è questa la funzione dell ossigeno che funziona da accettore finale. Una molecola di O 2 accetta 4 elettroni dal complesso IV, formando 2 molecole di acqua. Quindi gli elettroni generati in ogni ciclo di Krebs (8) necessitano di 2 molecole di ossigeno per essere smaltiti. 31

32 Funzionamento della catena di trasporto La catena respiratoria non genera direttamente ATP, bensì energia, sotto forma di forza proton-motrice, che servirà per la fosforilazione ossidativa. 32

33 Il gradiente elettrochimico protonico (I) Il trasferimento degli atomi di idrogeno attraverso la catena respiratoria comporta la separazione tra ogni atomo di H e il suo elettrone. Gli ioni H+ così generati vengono pompati verso lo spazio intermembrana. L ossidazione del NADH + H + libera 2 elettroni e 2 protoni (H + ). Gli elettroni entrano nella catena nel complesso I e vengono trasportati dai complessi I-IV all ossigeno. I protoni vengono pompati attraverso la membrana interna nello spazio intermembrana. 33

34 Il gradiente elettrochimico protonico (II) La presenza di una concentrazione elevata di H + da un solo lato della membrana farà sì che, nel momento in cui lo spazio intermembrana (elevata concentrazione di H + ) venga messo in collegamento con la matrice (bassa concentrazione di H + ) si crei un gradiente elettrochimico, in cui i protoni fluiscono dal compartimento ad alta concentrazione verso quello a bassa. Il collegamento è creato da un complesso transmembrana: l ATP sintasi. 34

35 Il flusso elettronico attraverso la membrana interna dei mitocondri è accompagnato da un pompaggio di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Ciò genera una differenza di potenziale elettrico e una differenza di ph tra i due lati della membrana rendendo quello che guarda la matrice più alcalino. Questa concentrazione protonica e questa separazione di cariche determinano una energia elettrochimica che prende il nome di forza motrice protonica che rappresenta la forma di conservazione dell' energia prodotta e liberata nelle ossidazioni biologiche. La membrana mitocondriale è impermeabile ai protoni che non possono così rientrare per annullare il gradiente elettrochimico. Ma quando questi potranno fluire attraverso i canali protonici specifici posti nel complesso F o dell'atpsintetasi in direzione del gradiente elettrochimico, si renderà disponibile una grande quantità di energia. Il complesso F1 dell'atpsintetasi condenserà un fosfato all'adp per generare ATP.

36 Il gradiente di H+ è la forza che permette la fosforilazione di ADP che procede con la rimozione di H2O. ADP+Pi = ATP + H 2 0 ADP + Pi = ATP + H + (interno) + OH - (esterno)

37

38 Fosforilazione ossidativa: ATP sintasi La teoria chemiosmotica (1962, P.Mitchell) spiega la sintesi di ATP a partire dalla forza proton-motrice del gradiente elettrochimico. Il flusso di protoni che ritorna verso la matrice, infatti, passa attraverso un canale costituito dalle proteine della subunità F 0 del complesso della ATP sintasi. Questo canale, in realtà è un rotore, le cui componenti vengono mosse dal flusso di H +. 38

39 Meccanismo della ATP sintasi Questo movimento si trasmette alle proteine della testa (subunità F 1 ) che sporge verso la matrice e dove ha sede la sintesi di ATP a partire da ADP e Pi, generando acqua. Gli elettroni ceduti da una molecola di NADH + H + portano alla sintesi di 2 ATP, mentre quelli di un FADH 2 a 1,5 ATP. 39

40 Considerazioni finali sulla produzione di ATP La produzione di ATP (la moneta energetica della cellula) quindi procede attraverso complesse sequenze di reazioni connesse tra di loro: 1. Il catabolismo della macromolecole è connesso al ciclo di Krebs grazie all acetil-coa. 2. Il ciclo di Krebs è connesso alla catena respiratoria grazie ai trasportati di elettroni ridotti FADH 2 e NADH+H La catena respiratoria è connessa all ATP sintasi grazie alla forza proton motrice del gradiente elettrochimico. Zanichelli editore,

41 Resa energetica: 65% di 679 kcal

42 Emoglobina, O 2, CO 2 e respirazione (I) È possibile ora capire il nesso tra la respirazione intesa come processo organo-meccanico di inspirazione ed espirazione e la respirazione come processo biochimico che porta alla sintesi di ATP. Inspirando immettiamo l ossigeno che viene captato dall emoglobina degli eritrociti e veicolato alle cellule, dove funge da accettore finale degli elettroni della fosforilazione ossidativa. 42

43 Emoglobina, O 2, CO 2 e respirazione (II) La quantità notevole di CO 2 generata dalla decarbossilazione ossidativa nel ciclo di Krebs e nelle varie reazioni cellulari, viene ceduta all emoglobina, riportata ai polmoni ed emessa con l espirazione. La respirazione è quindi un bell esempio di come nell organismo, ogni aspetto macroscopico sia legato a precisi eventi molecolari. 43

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