Metabolismo dei carboidrati II

Transcript

1 Prof. Giorgio artor Metabolismo dei carboidrati II Copyright by Giorgio artor. All rights reserved. B09-II - Versione May-16 Indice Glicogeno Metabolismo del Glicogeno C 2 C 2 P C Gluconeogensi Fermentazione lattica (Anaerobiosi) 2 Lattato D-Glucoso 2ADP + 2Pi 2 Fruttoso-1,6-difosfato 2ATP 2AD 2 2 Piruvato 3 C 2AD Fermentazione alcolica (Anaerobiosi) 2 C etanolo Glicolisi Piruvato Acetil- iboso-5-fosfato Ciclo dei pentosi 3-fosfogliceraldeide 2 AD ssidazione aerobica Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa 6 C ADP + Pi + + ATP 1

2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II - 4-2

3 ssigeno Aerobiosi e anaerobiosi Indice Glicogeno 3 C Metabolismo del Glicogeno Gluconeogensi Fermentazione lattica (Anaerobiosi) 2 Lattato 2 Piruvato 3 C C 2 D-Glucoso 2ADP + 2Pi 2 Fruttoso-1,6-difosfato 2ATP 2 Aerobiosi 2AD 2AD Fermentazione alcolica (Anaerobiosi) 2 C etanolo Glicolisi Piruvato Acetil- C 2 P 3 -- iboso-5-fosfato Ciclo dei pentosi 3-fosfogliceraldeide 2 AD ssidazione aerobica Ciclo di Krebs Fosforilazione ossidativa 6 C ADP + Pi + + ATP 3

4 Aerobiosi In condizioni aerobiche il piruvato prodotto dalla glicolisi e dalla degradazione degli aminoacidi è ossidato a 2 e C 2 nella respirazione cellulare. Ciò avviene in tre stadi Produzione di acetil- (decarbossilazione del piruvato) ssidazione dell acetil- a C 2 (Ciclo di Krebs) Trasferimento di elettroni e fosforilazione ossidativa (produzione di 2 e ATP con consumo di 2 ). v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II - 8-4

5 Piruvato Produzione di acetil- (decarbossilazione del piruvato) Trasporto del piruvato Il piruvato è trasportato all interno della matrice mitocondriale dove viene ossidato ad acetil dal complesso enzimatico piruvato. Il piruvato viene trasportato attraverso la membrana mitocondriale attraverso un trasportatore specifico che lo scambia con ioni -. La membrana esterna mitocondriale permette il passaggio a ioni e piccole molecole e contiene canali anionici voltaggio dipendenti (VDAC: voltage dependent anion channels). v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

6 Mitocondrio v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Mitocondrio v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

7 I mitocondri v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Acetil- C 3C 3 P P - 2 Acetile β-mercaptoetanolamina Acido Pantotenico 3 C C 3C 3 P Adenosina-5'-difosfato P 2 Acetil- v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

8 Acetil- - Acetile β-mercaptoetanolamina Acido pantotenico Adenosina-5 -difosfato Acetil- v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Complesso piruvato Il complesso piruvato è un gruppo di enzimi associati non covalentemente che catalizzano la decarbossilazione del piruvato e formazione di Acetil-. La reazione forma contemporaneamente AD trasferendo uno ione - al. Il AD passa gli elettroni alla catena respiratoria La reazione ha un G = kj/mol (essenzialmente irreversibile). AD+ AD C 3 TPP, Lipoato, C 3 C 2 + Complesso piruvato (E 1 + E 2 + E 3 ) v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

9 Complesso piruvato Il complesso piruvato catalizza cinque reazioni sequenziali, richiede tre enzimi e cinque coenzimi. I cinque coenzimi sono: Il e il sono trasportatori di elettroni. La TPP trasferisce il gruppo acetile al lipoato. Il lipoato è trasportatore di elettroni e di acili. Il è il trasportatore di acili, lega in modo covalente il gruppo acilico attraverso un legame tioestere ad alta energia. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II I reagenti e i prodotti AD+ C 3 C 2 Idrossietil-TPP C 3 TPP C TPP Piruvato E 1 Lipoamide Diidrolipoil transacetilasi E 2 3 C Diidrolipoil E 3 C 3 Diidrolipoamide AD Acetil-diidrolipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

10 Le cinque reazioni nel complesso AD+ C 3 C 2 Idrossietil-TPP C 3 C TPP TPP 1 2 Piruvato E 1 Lipoamide 3 C Diidrolipoil transacetilasi E 2 4 Diidrolipoil E 3 3 C 3 5 Diidrolipoamide AD Acetil-diidrolipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II I tre enzimi del complesso AD+ C 3 C 2 Idrossietil-TPP C 3 TPP C TPP Piruvato E 1 Lipoamide Diidrolipoil transacetilasi E 2 3 C Diidrolipoil E 3 C 3 Diidrolipoamide AD Acetil-diidrolipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

11 I cinque coenzimi AD+ C 3 C 2 Idrossietil-TPP C 3 C TPP TPP Piruvato E 1 Lipoamide 3 C Diidrolipoil transacetilasi E 2 Diidrolipoil E 3 C 3 Diidrolipoamide AD Acetil-diidrolipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II I cinque coenzimi 3 C C C C 3 C Base di hiff ridotta ibosio in forma aperta (ossidato) C 3 + C 3 z (ridotto) Coenzima A Protone acido P P P P AD C + 2 C 3 Tiamina pirofosfato (TPP) P P Lipoamide e - Diidrolipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

12 I tre enzimi Il complesso piruvato PDC consiste in tre enzimi: piruvato EC (E1, arancio) (B), diidrolipoil transacetilasi EC (E2, verde) (A), diidrolipoil EC (E3, violetto) (C). In E. coli il complesso consiste in 24 coppie di E1, 24 coppie di E2 e di 12 coppie di E3. E2 funziona come core del complesso (C). v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II I tre enzimi gni coppia di E2 contiene tre molecole di lipoato legate covalentemente. Il lipoato ha un braccio flessibile che trasporta le molecole di acetile da un sito attivo ad un altro. E1 ha come coenzima il molecola di TPP ed E3 ha come coenzima il. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

13 Piruvato (E 1 ) EC ' C 3 ' C 3 ' C C + + C 3 TPP C 3 + Gli intermedi rimangono legati al complesso. Il piruvato reagisce con il TPP legato a E 1 e viene decarbossilato al derivato idrossietil-tpp (carbanione reattivo stabilizzato per risonanza). ' C 3 + C C 3 C 2 ' C 3 C 3 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Piruvato (E 1 ) EC Mg ++ TPP 1L8A v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

14 Piruvato (E 1 ) EC Cavità Carbanione TPP 1L8A v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Piruvato (E 1 ) EC TPP 1I4 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

15 Piruvato (E 1 ) EC TPP 1I4 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Piruvato (E 1 ) EC Cavità Carbanione 1I4 TPP v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

16 Diidrolipoil transacetilasi (E 2 ) ' C 3 + C ' 3 + ' C C C C 3 C 3 C 3 Diidroacetilipoamide Lipoamide Il gruppo idrossietile derivato da idrossietil-tpp è trasferito al lipoato (legato ad una is di E 2 ) come acetile, attraverso l attacco nucleofilo del carbanione sull atomo di zolfo della lipoamide. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Diidrolipoil transacetilasi (E 2 ) C ' 3 C C 3 Diidroacetilipoamide Il braccio del lipoato si muove sul sito di legame del acetil- e ne transesterifica il gruppo formando Acetil. 3 C C 3 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

17 Diidrolipoil transacetilasi (E 2 ) EC Dominio catalitico v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Diidrolipoil transacetilasi (E 2 ) EC Dominio catalitico Acetil Lipoamide v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

18 Diidrolipoil (E 3 ) 2 + Il lipoato ridotto viene riossidato dall E 3 utilizzando il che si riduce a 2. Il 2 viene riossidato dal che si riduce a AD e + i rigenera la piruvato v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Diidrolipoil (E 3 ) EC LPV v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

19 Diidrolipoil (E 3 ) EC v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II La diidrolipoil transacetilasi (E 2 ) è centrale in questo meccanismo. Il braccio flessibile del lipoato: lega il gruppo acetile e lo trasferisce al e accetta due elettroni dalla piruvato (E 1 ) e li trasferisce al diidrolipoil (E 3 ). v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

20 Legame del piruvato E 1 ' 3 C + C C 3 C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Decarbossilazione del piruvato E 1 ' 3 C + C C 3 C 2 C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

21 Formazione di diidroacetillipoamide E 1 ' 3 C + C 3 C C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Legame del Coenzima A E 1 ' 3 C + C 3 C C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

22 Formazione di Acetil- E 1 ' 3 C + C 3 C C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II ssidazione della diidrolipoamide E 1 ' 3 C + C Cys C 3 C 3 Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

23 iduzione del E 1 ' 3 C + C C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Legame del E 1 ' 3 C + C + 2 C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

24 iduzione del a + E 1 ' 3 C + C C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II itorno al punto di partenza E 1 ' 3 C + C C 3 C 3 C 3 Cys Cys E 3 E 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

25 3 C TPP E 1 E 2 E 3 C 3 C 2 TPP E 1 E 2 E C TPP E 1 E 2 E 3 TPP E 1 E 2 E 3 2 TPP E 1 E 2 E 3 C 3 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Controllo della piruvato Inibizione competitiva da prodotti AD compete con in E 3 Acetil- compete con - in E 2 La concentrazione dei due coenzimi regola anche la direzione della catalisi di E 2 e E 3. egli eucarioti E 1 può essere fosforilato da una chinasi attivata dalla forma acetilata di E 2 La forma fosforilata di E 1 è inattiva mentre la forma defosforilata è attiva. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

26 Controllo della piruvato TPP P * C 3 3 C * E 1 E 2 E 3 3 C * 3 C TPP * E 1 E 2 E 3 ADP Ca ++ (alto Mg ++ ) Piruvato, ADP, K + Piruvato chinasi Mg ++ Ca ++ 2 Piruvato fosfatasi Acetil- AD C 2 ATP TPP C * 3 C 3 * E 1 E 2 E 3 P C v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Controllo della piruvato 3 C TPP TP P 3 C C C C 3 3 C 3 2 CE 31 E 2 E 3 TPP C C 3 3 C E 3 1 E 2 E C 3 C 2 TPP CE 31 E 2 E 3 3 C 3 C 3 C TPP CE 31 E 2 E 3 C 3 C TPP C E 31 E 2 3 E 3 C 3 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

27 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) Ciclo dell acido citrico ssidazione dell acetil acetil- a C 2 27

28 Krebs e Lipmann Premio obel per la Medicina 1953 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs è al centro del metabolismo. Le vie degradative (catabolismo) lo alimentano, le vie sintetiche (anabolismo) ne usano i componenti. È una via AFIBLICA, opera infatti sia nel catabolismo che nell anabolismo cellulare. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

29 Ciclo di Krebs Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale. ei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi. Acetil GDP + Pi C v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Krebs and Johnson (1937) The role of citric acid in the intermediate metabolism in animal tissues. Enzymologica 4: v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

30 Ciclo di Krebs Acetil C C 3 3 C Piruvato ssalacetato Citrato Fumarato 2 2 uccinato cis-aconitato uccinil GDP + Pi α-chetoglutarato C 2 + ssalosuccinato Isocitrato + 2 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs + Acetil C 2 2 Fumarato ssalacetato C 3 Citrato 3 C Piruvato 2 2 uccinato uccinil GDP + Pi α-chetoglutarato C 2 + ssalosuccinato cis-aconitato Isocitrato C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

31 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs + Acetil C 2 2 C 3 3 C ssalacetato ucleotidi trifosfati 2 Equivalenti riducenti 2 2 GDP + Pi 2C 2 C C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

32 Ciclo di Krebs + C 2 2 C 3 3 C EC Fumarasi EC Citrato sintasi EC uccinato EC uccinil sintetasi EC EC EC GDP + Pi α-chetoglutarato EC Isocitrato EC C 2 + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs + C 2 2 C 3 3 C EC Fumarasi EC Citrato sintasi EC uccinato EC uccinil sintetasi EC Deidrogenasi EC EC GDP + Pi α-chetoglutarato EC Isocitrato EC C 2 + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

33 Ciclo di Krebs + C 2 2 GDP + Pi 2 uccinil sintetasi EC EC Fumarasi EC uccinato EC C α-chetoglutarato EC C 3 Citrato sintasi EC Isocitrato EC EC C EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs + C 2 2 C 3 3 C GDP + Pi 4 + C 2 + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

34 Ciclo di Krebs ALIMETAZIE IPITI del CICL ECD PA di PDUZIE di EEGIA5 1 PEPAAZIE 2 del CICL 3 4 PIM PA di PDUZIE di EEGIA v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs 2 C 4 C 4 + C 4 C C 2 3 C 2 C 6 3 C 2 2 C 4 C 6 2 GDP + Pi C C C C 5 C 6 C 6 + C 1 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

35 Citrato sintasi (EC ) 2 2 Fumarasi EC uccinato EC uccinil sintetasi EC EC ssalacetato Acetil C 2 C 3 Citrato sintasi EC Citrato EC C EC GDP + Pi + α-chetoglutarato EC C 2 Isocitrato EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Citrato sintasi (EC ) 2 2 Fumarasi EC uccinato EC uccinil sintetasi EC EC ssalacetato Acetil C 2 C 3 Citrato sintasi EC Citrato α-chetoglutarato GDP + Pi Isocitrato Quando lega ossalacetato EC cambia conformazione, EC C i crea il sito per 2 acetil-, + L ossalacetato non è più accessibile all acqua. + EC C EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

36 Citrato sintasi (EC ) Quando lega ossalacetato cambia conformazione, Ci crea il sito per acetil-, L ossalacetato non è più accessibile all acqua. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Citrato sintasi (EC ) ssalacetato Acetil- v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

37 Citrato sintasi (EC ) La condensazione del ossalacetato con acetil- porta alla formazione di citril- È una catalisi acido base che coinvolge is274 e Asp375. L idrolisi del legame tioestere nel citril- porta alla formazione di citrato e -. La reazione è spontanea a causa dell idrolisi del legame tioestere (-31.5 kj/mol) che coinvolge is is 320 is 274 ssalacetato Asp 375 Citrato 2 is 320 is- 320 is C Asp 375 is 274 Asp 375 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Citrato sintasi (EC ) La condensazione del ossalacetato con acetil- porta alla formazione di citril- È una catalisi acido base che coinvolge is274 e Asp375. L idrolisi del legame tioestere nel citril- porta alla formazione di citrato e -. La reazione è spontanea a causa dell idrolisi del legame tioestere (-31.5 kj/mol) che coinvolge is v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

38 Citrato sintasi (EC ) 2 Piruvato carbossilasi Acetil C 2 C 3 3 C 2 uccinato EC La regolazione della citrato sintasi è data EC La concentrazione uccinil di ossalacetato è limitante, sintetasi EC EC α-chetoglutarato GDP + Pi Isocitrato EC In mancanza di ossalacetato EC si accumula C Acetil-, carbossilasi a produrre ossalacetato. + Citrato sintasi EC Fumarasi EC ssalacetato EC Citrato dalla disponibilità di substrati, L ossalacetato è anche substrato della gluconeogenesi, La presenza di Acetil- stimola la piruvato C 2 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II (EC ) + C EC Fumarasi EC uccinato EC uccinil sintetasi EC C 3 Citrato sintasi EC Citrato EC C cis-aconitato EC GDP + Pi + α-chetoglutarato EC C 2 Isocitrato EC Isocitrato + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

39 (EC ) Catalizza la conversione stereospecifica del 2 citrato in rilasciato dal sito attivo, 2 uccinato el sito attivo vi è un cluster Fe EC C 3 3 C cis-aconitato α-chetoglutarato Isocitrato GDP + Pi Isocitrato EC prodotto viene rimosso, il G si EC C 2 avvicina a zero a concentrazioni reali isocitrato attraverso una deidratazione e una reidratazione, Fumarasi EC EC L intermedio cis-aconitato non è (Fe 4 4 ) Tre degli ioni Fe sono complessati uccinil da un di tre Cys, sintetasi il quarto è il EC sito che lega il substrato. Il G della reazione è positivo, il Citrato sintasi EC C 2 Citrato EC EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II (EC ) Cys Fe Cys Fe Fe Cys Fe v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

40 (EC ) Fe Fe Asp- 100 is+ 101 Fe Fe Arg er 642 Citrato Fe Fe Asp- 100 is+ 101 Fe Arg+ 580 Fe 2 3 er 642 (2,3)-Isocitrato Arg+ 580 Arg+ 580 er 642 er 642 Asp- 100 Asp ovesciamento di is 101 is 101 Fe Fe Fe Fe Fe Fe cis-aconitato intermedio Fe Fe v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II (EC ) v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

41 (EC ) Cys Fe Cys Fe Fe is101 Cys Fe Asp100 Cys Arg580 er642 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II (EC ) trans-aconitato v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

42 (EC ) v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Isocitrato (EC ) + C 2 2 C 3 3 C EC Fumarasi EC Citrato sintasi EC uccinato EC EC uccinil sintetasi EC EC GDP + Pi α-chetoglutarato Isocitrato Isocitrato EC α-chetoglutarato EC ssalosuccinato C C 2 Mg ++ v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

43 Isocitrato (EC ) C 2 Catalizza la decarbossilazione + AD ossidativa del isocitrato, + C 3 3 C La porzione nicotinamidica 2 del (o del ADP + in un isoenzima) ossida il gruppo a Citrato carbonile, sintasi EC EC i forma l intermedio Fumarasi ossalosuccinato nel quale vi è EC l interazione con lo ione Mg ++ (Mn ++ ), 2 Il gruppo C - 2 non interessato nella formazione del uccinato EC complesso esce come C EC , i forma α chetoglutarato. uccinil sintetasi EC EC GDP + Pi α-chetoglutarato Isocitrato Isocitrato EC α-chetoglutarato EC ssalosuccinato C C 2 Mg ++ v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Isocitrato (EC ) C 2 + C 3 C decarbossilazione che quello 3 di ossidazione sono 2 spontanei ( G = kj/mol). Citrato sintasi EC EC Fumarasi EC La reazione è altamente spontanea, sia il processo di L isocitrato è regolata: Attivata allostericamente da ADP (ATP antagonista) 2 Attivata 2 da Ca ++ e (AD antagonista) uccinato EC Quando il rapporto EC ATP/ADP è basso il ciclo di Krebs è attivo. uccinil sintetasi EC EC GDP + Pi α-chetoglutarato Isocitrato Isocitrato EC α-chetoglutarato EC ssalosuccinato C C 2 Mg ++ v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

44 Isocitrato (EC ) Isocitrato Mg ++ Esce come C 2 ADP + C- ossidato a C= Isocitrato v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II α-chetoglutarato (EC ) + C 2 2 C 3 3 C EC Fumarasi EC Citrato sintasi EC GDP + Pi uccinato EC uccinil sintetasi EC uccinil α-chetoglutarato EC α-chetoglutarato C 2 Isocitrato EC EC EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

45 α-chetoglutarato (EC ) C 2 È un complesso enzimatico + AD che converte l α-chetoglutarato a + succinil- e C 2. C 3 3 C 2 La reazione produce AD e conserva l energia nel legame Citrato sintasi tioestere EC EC Fumarasi La reazione è spontanea EC ( G = kj/mol). Meccanismo quasi identico a quello del complesso piruvato 2 2 (E 1, E uccinato 2, E 3 ) EC E 2 ed E 3 sono conservati EC nei due complessi enzimatici, E 1 ha diversa specificità di substrato. GDP + Pi uccinil sintetasi EC uccinil α-chetoglutarato EC α-chetoglutarato C 2 + C 2 Isocitrato EC EC v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II uccinil sintetasi (EC ) + C 2 2 C 3 3 C EC Fumarasi EC Citrato sintasi EC uccinato GDP + Pi uccinato EC C 2 uccinil sintetasi EC uccinil α-chetoglutarato EC Isocitrato EC EC EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

46 uccinil sintetasi (EC ) + C 2 2 GDP + Pi 2 + C 2 Fumarasi EC uccinato EC uccinato uccinil sintetasi EC uccinil C 3 3 C Converte il succinil- in succinato Citrato sintasi e produce (ATP) EC EC α-chetoglutarato EC da GDP (ADP) e Pi. L enzima è fosforilato in una is. 2 È un eterodimero: EC La subunità α contiene il sito di fosforilazione (is) e lega. EC La subunità β dà la specificità Isocitrato per ATP o. EC ( G =-2.9 kj/mol). La reazione è vicina all equilibrio + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Meccanismo uccinil + + P uccinato P P : + Enzima Enzima P P P P P 2 GDP 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

47 uccinil sintetasi (EC ) ubunità β ito di Fosforilazione (fosfoistidina) ubunità α v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II uccinato (EC ) + C 2 2 EC Fumarasi EC C 3 Citrato sintasi EC C 2 Fumarato uccinato EC uccinato uccinil sintetasi EC EC EC GDP + Pi + α-chetoglutarato EC C 2 Isocitrato EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

48 uccinato (EC ) Per completare il ciclo il succinato deve venire convertito in ossalacetato. Il succinato è deidrogenato a fumarato stereospecificatamente dalla flavoproteina succinato con produzione di 2. La succinato è il solo enzima di membrana del ciclo di Krebs. Gli elettroni passano dal succinato al, che è legato covalentemente alla proteina attraverso un residuo di is. Il 2 è riossidato a dal Coenzima Q nella catena di trasporto degli elettroni. Il malonato, strutturalmente analogo al succinato, è un forte inibitore competitivo e blocca il ciclo. uccinato Malonato v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Fumarasi (EC ) + C 2 2 Fumarasi EC EC C 3 Citrato sintasi EC C 2 Fumarato uccinato EC uccinil sintetasi EC EC EC GDP + Pi + α-chetoglutarato EC C 2 Isocitrato EC C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

49 Fumarasi (EC ) + C 2 2 Fumarasi EC EC C 3 Citrato sintasi EC C Fumarato 2 2 uccinato EC EC La fumarasi catalizza uccinil l idratazione reversibile sintetasi EC EC del fumarato, si forma ()-malato (L-malato). α-chetoglutarato È una GDP reazione + Pi stereospecifica, Isocitrato viene idratato il EC doppio legame C 2 trans ma non il cis (maleato). EC AD ella reazione + inversa solo il L-malato è + + substrato dell enzima non l isomero D. C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Meccanismo - Fumarato + Carbanione C - C Carbocatione v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

50 (EC ) + C 3 3 C 2 ssalacetato Citrato sintasi EC Fumarasi EC EC uccinato EC rigenerando il composto EC di partenza del ciclo e La L-malato ossida il malato a ossalacetato producendo AD. uccinil sintetasi La reazione è sfavorita EC ( G = 29.7 kj/mol), EC ma 2 la concentrazione di ossalacetato è bassa (<10-6 M), il che α-chetoglutarato GDP + Pi spinge la reazione Isocitrato EC in avanti. EC Inoltre la reazione C 2 successiva catalizzata dalla citrato sintasi è altamente favorita ( G = AD kj/mole) e + + sottrae ulteriormente + AD l ossalacetato + dal mezzo. C 2 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Energia 40 G ' (kj/mol) Citrato sintasi Isocitrato α-chetoglutarato uccinil- sintasi uccinato Fumarasi eazione v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

51 Energia PITIV G (kj/mol) 0 Citrato sintasi Isocitrato α-chetoglutarato uccinil- sintasi uccinato Fumarasi EGATIV eazione v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Energia v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

52 Ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs è al centro del metabolismo. Le vie degradative (catabolismo) lo alimentano, le vie sintetiche (anabolismo) ne usano i componenti. È una via AFIBLICA, opera infatti sia nel catabolismo che nell anabolismo cellulare. Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale. ei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs 2 C 4 C 4 + C 4 C C 2 3 C 2 C 6 3 C 2 2 C 4 C 6 2 GDP + Pi C C C C 5 C 6 C 6 + C 1 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

53 Ciclo di Krebs 2 C 4 C 4 2 C 4 C 4 + C 2 C 3 C 2 C 6 3 C C GDP + Pi C 4 C C 21 + C 5 C 6 C 6 + C 1 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Asp, Phe, Tyr (Asn) AMIACIDI PIIMIDIE GLUC 2 Fumarato C 2 + ssalacetato Acetil C 2 C 3 Citrato 3 C Piruvato CLETEL ACIDI GAI 2 2 uccinato cis-aconitato GDP + Pi PFIIE ACIDI GAI DIPAI Ile, Met, Val PUIE + Glu uccinil C 2 α-chetoglutarato C 2 AMIACIDI ssalosuccinato Isocitrato + 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

54 Aminoacidi ssalacetato Acetil- Ciclo di Krebs Citrato Citrato sintasi Citrato Citrato ATP-citrato liasi ssalacetato AD Acetil- AD C 2 ADP + ADP + Pi Piruvato carbossilasi ATP AD Piruvato ADP + Pi Piruvato carbossilasi ATP C 2 Enzima malico ADP C 2 Piruvato C 2 Piruvato Piruvato MATICE MITCDIALE AD LAT CITPLAMA Glucosio Glicolisi v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II eazioni anaplerotiche Gli intermedi del ciclo di Krebs sono risintetizzati dalle reazioni anaplerotiche. La concentrazione degli intermedi nel ciclo rimane pressoché costante. La principale reazione anaplerotica è quella che porta alla produzione di ossalacetato da C 2 e piruvato. La reazione è catalizzata dalla piruvato carbossilasi. La produzione di ossalacetato avviene principalmente nel rene e nel fegato. La piruvato carbossilasi è fortemente stimolata da acetil-. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

55 Ci sono prove che suggeriscono la formazione di complessi multienzimatici per il ciclo di Krebs. Ciò potrebbe facilitare la canalizzazione dei substrati tra i siti attivi. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Controllo I fattori che controllano il flusso del ciclo sono: Disponibilità dei substrati Inibizione da prodotti Inibizione allosterica nei primi passaggi La citrato sintasi, la isocitrato e la α-chetoglutarato possono essere tutti punti di regolazione: La disponibilità di acetil- e ossalacetato regolano l attività della citrato sintasi. L accumulo di AD inibisce le due. L accumulo di prodotto inibisce gli altri passaggi. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

56 Controllo L inibizione della citrato sintasi da ATP è eliminata da ADP. ei muscoli di vertebrato lo ione Ca ++ attiva la isocitrato e la α-chetoglutarato. Le velocità della glicolisi e del ciclo di Krebs sono integrate. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Controllo + 2 ssalacetato Fumarato Acetil C 3 C 2 Citrato 3 C Piruvato 2 2 uccinato AD cis-aconitato ATP ATP GDP + Pi + uccinil C 2 α-chetoglutarato Ca ++ ssalosuccinato Isocitrato + 2 ADP C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

57 Varianti al ciclo di Krebs Mancanza di enzimi C 2 In alcuni microrganismi il ciclo di Krebs serve per produrre intermedi e non energia. Manca la α-chetoglutarato. + 2 ssalacetato Fumarato Acetil C 3 C 2 Citrato 3 C Piruvato 2 2 uccinato cis-aconitato 2 ATP ucleotidi Aminoacidi Porfirine GDP + Pi uccinil α-chetoglutarato ssalosuccinato Isocitrato + C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

58 Ciclo del gliossilato + Acetil C 3 ssalacetato Citrato Acetil C 3 2 uccinato Gliossilato cis-aconitato 2 Isocitrato In alcuni organismi (piante, microrganismi ) vi è la conversione di acetato (acetil-) a carboidrati attraverso il ciclo del gliossilato. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo del gliossilato e ciclo di Krebs + Acetil C 2 2 C 3 3 C Piruvato ssalacetato Citrato Fumarato Acetil C uccinato Gliossilato cis-aconitato uccinil GDP + Pi α-chetoglutarato C 2 + ssalosuccinato Isocitrato + 2 C 2 v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

59 Da grassi a zuccheri ei semi in germinazione avviene la conversione di acidi grassi in glucosio. Ciò avviene in tre compartimenti diversi: I vacuoli lipidici, dove i grassi vengono idrolizzati in acidi grassi e glicerolo I gliossisomi, dove gli acidi grassi vengono β-ossidati a Aceil e si forma succinato dal ciclo del gliossilato ei mitocondri dove il succinato entra per formare malato che va formare carboidrati. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Da grassi a zuccheri ei semi in germinazione avviene la conversione di acidi grassi in glucosio. Ciò avviene in tre compartimenti diversi: I vacuoli lipidici, dove i grassi vengono idrolizzati in acidi grassi e glicerolo I gliossisomi, dove gli acidi grassi vengono β-ossidati a Aceil e si forma succinato dal ciclo del gliossilato ei mitocondri dove il succinato entra per formare malato che va formare carboidrati. Triacilgliceroli Vacuolo lipidico Acidi grassi Acidi grassi Acetil ssalacetato Citrato Ciclo del Gliossilato Acetil Isocitrato Gliossilato uccinato Gliossisoma EI Gluconeogenesi ssalacetato Fumarato Ciclo di Krebs ssalacetato uccinato Citrato Mitocondrio v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

60 pazio extracellulare Ciclo di Krebs nel Plasmodium falciparum Parassita + Acetil C 2 Acetil PEP Glucoso 2 C 3 3 C Piruvato Glicolisi ssalacetato Acetilazione degli istoni Glucoso Citrato Fumarato 2 Acetil 2 uccinato cis-aconitato 2 Digestione dell'emoglobina intesi dell'eme GDP + Pi Glutamato + uccinil C 2 α-chetoglutarato ssalosuccinato Isocitrato + Globulo rosso Glutamato C 2 Glutamina Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum Kellen L. lszewski, Michael W. Mather, Joanne M. Morrisey, Benjamin A. Garcia, Akhil B. Vaidya, Joshua D. abinowitz, Manuel Llina ATUE, Vol 466, 5 August 2010, pp v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II pazio extracellulare Ciclo di Krebs nel Plasmodium falciparum Parassita + Acetil C 2 Acetil PEP Glucoso 2 C 3 3 C Piruvato Glicolisi ssalacetato Acetilazione degli istoni Glucoso Citrato Fumarato 2 Acetil 2 Via uccinato ossidativa cis-aconitato Via riduttiva 2 Digestione dell'emoglobina intesi dell'eme GDP + Pi Glutamato + uccinil C 2 α-chetoglutarato ssalosuccinato Isocitrato + Globulo rosso Glutamato C 2 Glutamina Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum Kellen L. lszewski, Michael W. Mather, Joanne M. Morrisey, Benjamin A. Garcia, Akhil B. Vaidya, Joshua D. abinowitz, Manuel Llina ATUE, Vol 466, 5 August 2010, pp v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

61 Ciclo di Krebs nel Plasmodium falciparum Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum Kellen L. lszewski, Michael W. Mather, Joanne M. Morrisey, Benjamin A. Garcia, Akhil B. Vaidya, Joshua D. abinowitz, Manuel Llina ATUE, Vol 466, 5 August 2010, pp v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Ciclo di Krebs nel Plasmodium falciparum Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum Kellen L. lszewski, Michael W. Mather, Joanne M. Morrisey, Benjamin A. Garcia, Akhil B. Vaidya, Joshua D. abinowitz, Manuel Llina ATUE, Vol 466, 5 August 2010, pp v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II

62 ommario Il piruvato è convertito in acetil dalla piruvato (E 1 +E 2 +E 3 ). L acetil è convertito in C 2 attraverso il ciclo di Krebs, si generano: tre AD, un 2, e un ATP (per fosforilazione a livello del substrato). Gli intermedi del ciclo di Krebs sono anche precursori per la sintesi di altre biomolecole (acidi grassi, steroidi, aminoacidi, porfirine purine, pirimidine e glucoso). L ossalacetato è riformato dal piruvato attraverso la carbossilazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi. v gsartor Metabolismo dei carboidrati - II Crediti e autorizzazioni all utilizzo Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica: CAMPE Pamela, AVEY ichard, FEIE Denise. LE BAI DELLA BICIMICA [IB ] Zanichelli EL David L., CX Michael M. I PICIPI DI BICIMICA DI LEIGE - Zanichelli GAETT eginald., GIAM Charles M. BICIMICA con aspetti molecolari della Biologia cellulare - Zanichelli VET Donald, VET Judith G, PATT Charlotte W FDAMETI DI BICIMICA [IB ] - Zanichelli E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali: Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes Brenda: Protein Data Bank: ensselaer Polytechnic Institute: Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla rlandini dell Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento. Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: gsartor.org/pro Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l autore usando questa frase: Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio artor Università di Bologna Giorgio artor Ufficiale: giorgio.sartor@unibo.it Personale: giorgio.sartor@gmail.com Aggiornato il 10/05/ :44:38 62