prodotto finale della glicolisi

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1 Piruvato: prodotto finale della glicolisi Può andare incontro a vari destini: -in condizioni anaerobie: il piruvato viene ridotto a lattato (fermentazione lattica) o ad etanolo (fermentazione alcolica) con recupero di NAD+ - in condizioni aerobie: il piruvato viene ossidato completamente t a CO 2 ed dho 2 respirazione cellulare (recupero totale dell Energia contenuta nel glucosio)

2 La respirazione è costituita da 3 fasi: le sostanze nutrienti organiche (glucosio, acidi grassi, amminoacidi) idi) vengono ossidate ad AcetilCoA

3 l AcetilCoA entra nel ciclo di Krebs ossidandosi completamente a CO 2 ; l energia derivata dall ossidazione viene conservata sotto forma di NADH e FADH 2

4 NADH e FADH 2 si riossidano cedendo gli elettroni all O 2 attraverso una serie di trasportatori di e- intermedi (catena respiratoria); l O 2 si riduce ad H 2 O. Il trasferimento di e- attraverso la catena produce energia che viene utilizzata per sintetizzare ATP (fosforilazione ossidativa).

5 IL CICLO DI KREBS Conosciuto anche come ciclo degli acidi tricarbossilici o ciclo dell acido citrico. Avviene nella matrice mitocondriale. Questo ciclo occupa un ruolo CENTRALE nel metabolismo, ed assume significato sia CATABOLICO che ANABOLICO (produce precursori per molte vie biosintetiche) VIA ANFIBOLICA. Carboidrati, acidi grassi e amminoacidi per poter entrare nel ciclo devono essere convertiti in un intermedio comune, l AcetilCoA: forma sotto cui è possibile entrare nel ciclo.

6 Glucosio Piruvato AcetilCoA decarbossilazione a o e ossidativa a catalizzata a a a dal complesso della Piruvico Deidrogenasi La conversione del Piruvato in AcetilCoA è irreversibile.

7 Il complesso della piruvato È un gruppo di tre teenzimi: E1 = piruvato deidrogenasi E2 = diidrolipoil transacetilasi E3 = diidrolipoil deidrogenasi deidrogenasi Funziona con 5 cofattori derivati da vitamine: Tiamina pirofosfato (TPP) Lipoato Coenzima A (CoA) Flavin adenin dinucleotide (FAD) Nicotinamide adenin dinucleotide (NAD) È localizzato nei mitocondri È soggetto a regolazione allosterica e ormonale (modificazione covalente)

8 Complesso multienzimatico costituito da 3 enzimi (E1, E2, E3). E2 è il nucleo del complesso: la presenza di un lungo braccio flessibile a cui è legato l acido lacido lipoico consente a questo cofattore di spostarsi tra E1 ed E3 facilitando rispettivamente l attacco del gruppo acetile (E1) ed il suo trasferimento al CoA con successiva riossidazione dell acido lipoico (E3). La vicinanza degli enzimi nel complesso garantisce che gli intermedi non si dissocino fino alla completa trasformazione in prodotto, incrementando la velocità di reazione e diminuendo la possibilità di reazioni collaterali. Piruvico Deidrogenasi

9 Il Ciclo di Krebs In ogni giro del ciclo entrano 2 atomi di C sotto forma di AcetilCoA ed escono 2 C sotto forma di CO2. - I prodotti netti del ciclo sono: 3 NADH 1 FADH2 1 GTP (ATP) - L ossalacetato che entra in ciclo viene rigenerato, senza consumo netto di questa molecola.

10 Le tappe del Ciclo di Krebs Tappa 1. Formazione del citrato: t reazione di condensazione tra l AcetilCoA e l ossalacetato per formare citrato; catalizzata dalla citrato sintasi. Reazione fortemente spostata a destra dall idrolisi del legame tiestere Reazione fortemente spostata a destra dall idrolisi del legame tiestere (ricco di Energia) essenziale per la progressione del ciclo. Il CoA libero viene riciclato (ad es. utilizzato dalla Piruvico DH).

11 Tappa 2. Formazione dell isocitrato reazione di trasformazione del citrato t in isocitrato, it t mediante formazione dell intermedio cis-aconitato; catalizzata dalla aconitasi. La reazione è spinta a destra per effetto dell azione di massa: l isocitrato è rapidamente consumato nella reazione successiva.

12 Tappa 3. Formazione dell achetoglutarato reazione di decarbossilazione i ossidativa dell isocitrato per formare a-chetoglutarato; catalizzata dalla isocitrato deidrogenasi. Reazione fortemente spostata a destra (rilascio di CO2).

13 Tappa 4. Formazione del succinilcoa reazione di decarbossilazione ossidativa dell a-chetoglutarato per formare succinilcoa; catalizzata dalla a-chetoglutarato deidrogenasi. La reazione è fortemente spostata a destra (rilascio di CO2). Reazione simile per meccanismo d azione a quella della piruvato deidrogenasi. Anche questo è un complesso multienzimatico con 3 enzimi e 5 coenzimi (TPP, Acido lipoico, CoA, FAD e NAD). E1 = a-chetoglutarato deidrogenasi E2 = diidrolipoil transsuccinilasi E3 = diidrolipoil deidrogenasi

14 Tappa 5. Formazione del succinato reazione di conversione del succinilcoa in succinato; catalizzata t dalla succinilcoa ilc sintetasi. t i L energia rilasciata dall idrolisi del legame tioestere viene utilizzata per formare una molecola di GTP a partire da GDP e Pi.Questa reazione prevede la formazione di 2 intermedi fosforilati: un succinilfosfato e, successivamente, un fosfoenzima in cui una Hys dell enzima risulta fosforilata.

15 GTP = ATP, una nuova fosforilazione a livello del substrato Dal GTP si può poi formare ATP mediante la reazione catalizzata dalla nucleoside difosfocinasi: GTP + ADP GDP + ATP

16 Tappa 6. Formazione del fumarato: reazione di ossidazione del succinato a fumarato; catalizzata dalla succinato deidrogenasi. L enzima è legato alla membrana interna dei mitocondri (unico enzima del ciclo ad essere associato alla membrana). Contiene 3 centri ferro-zolfo e una molecola di FAD legata covalentemente; gli elettroni estratti dal succinato passano attraverso il FAD ed i centri Fe-S dell enzima ed entrano direttamente nella catena di trasporto degli e-.

17 Tappa 7. Formazione del malato: reazione di idratazione del fumarato a L-malato; catalizzata dalla fumarasi. La reazione è reversibile. L enzima è altamente stereospecifico, agisce sul fumarato (doppio legame trans) ma non sul maleato (isomero cis del fumarato). La stereospecificità viene mantenuta anche nella direzione inversa (non agisce sul D-malato ma solo sull L-malato).

18 Tappa 8. Formazione dell ossalacetato: reazione di ossidazione dell L L-malato ad ossalacetato; catalizzata dalla L-malato deidrogenasi. Questa ultima tappa è fortemente spostata a sinistra dal punto di vista termodinamico. Però poiché l ossalacetato è continuamente rimosso dalla reazione esoergonica catalizzata dalla citrato sintasi, per effetto dell azione di massa,, la reazione è spostata verso la produzione di ossalacetato.

19 I prodotti di un giro del ciclo 2 molecole di CO 2 : si formano durante la decarbossilazione ossidativa dell isocitrato e dell a-chetoglutarato 1 GTP (ATP): si forma dall idrolisi del succinilcoa 3 NADH e 1 FADH 2: si formano dalle 4 reazioni di ossidoriduzione del ciclo: gli elettroni trasportati da questi coenzimi entreranno poi nella catena di trasporto degli e- generando rispettivamente 2,5 molecole di ATP per 1 NADHe15molecoledi 1,5 ATP per 1 FADH 2.

20 Resa energetica netta derivante dall ossidazione completa di una molecola di glucosio 30 o 32 molecole di ATP Glucosio 2 Piruvato 2 NADH 5 ATP o 3 ATP 2 ATP 2 NADH 5 ATP 2 AcetilCoA 6 NADH 15 ATP 2 FADH 2 3 ATP 2 2 GTP 2 ATP

21 Ruolo anfibolico del ciclo di Krebs Il ciclo di Krebs è un processo metabolico importante sia per il catabolismo (riceve intermedi dalla degradazione di carboidrati, acidi grassi e amminoacidi) sia per l anabolismo (fornisce precursori per molte vie biosintetiche). Gli intermedi sottratti al ciclo come precursori per le vie biosintetiche DEVONO essere rimpiazzati i per il corretto funzionamento del ciclo: questo viene garantito dalle REAZIONI ANAPLEROTICHE ( di riempimento ). Il risultato è un perfetto bilanciamento tra uscita ed ingresso di intermedi.

22 Le principali p vie anaplerotiche

23 Regolazione del ciclo di Krebs I segnali più importanti alla base della regolazione del ciclo sono: - la carica energetica della cellula (rapporto ATP/ADP o AMP/ATP)) - lo stato di ossidoriduzione cellulare (rapporto NADH/NAD + ) Elevate concentrazioni di ATP e NADH inibiscono il ciclo di Krebs. Elevate concentrazioni di ADP (AMP) e NAD + stimolano il ciclo di Krebs. I punti di regolazione più importanti ti del ciclo sono 4: 1. piruvato deidrogenasi produce AcetilCoA che è il punto di partenza del ciclo 2. citrato sintasi consente l ingresso dell AcetilCoA in ciclo 3. isocitrato deidrogenasi 4. α-chetoglutarato deidrogenasi

24 In generale, la velocità di ogni via metabolica è sottoposta a 3 tipi di controllo: 1) Disponibilità di substrato 2) Inibizione da accumulo di prodotti 3) Inibizione allosterica negativa (feedback negativo) dei primi enzimi da parte degli ultimi intermedi della via Un accumulo dei prodotti inibisce tutte e 3 le tappe limitanti del ciclo ATP e NADH inibiscono tutte e 3 le reazioni. Gli ioni Ca 2+ attivano tutti e 3 gli enzimi, in quanto segnalano una contrazione muscolare in atto e quindi una concomitante richiesta di ATP.

25 Regolazione della piruvico Si esplica a 2 livelli: - regolazione allosterica positiva o negativa da parte dei substrati ti o dei prodotti di reazione - regolazione mediata da modificazione covalente: il complesso enzimatico viene inibito da una fosforilazione reversibile su un residuo di Ser dell enzima E1. La cinasi e la fosfatasi responsabili di questa regolazione covalente fanno parte del complesso (insieme a E1, E2 ed E3). deidrogenasi cinasi Forma attiva della PDH P Forma inattiva della PDH fosfatasi

26 Relazioni glicolisi-ciclo ciclo Krebs La velocità del ciclo di Krebs è strettamente tt t dipendente da quella della glicolisi e viceversa: un aumento della via glicolitica liti comporta un incremento della concentrazione di piruvato che stimola il ciclo; un accumulo dei prodotti del ciclo di Krebs segnala una iperattività di questa via metabolica: questo inibisce la velocità della glicolisi per accumulo di intermedi (ad es. il citrato inibisce la tappa limitante della glicolisi, ossia la reazione catalizzata dalla PFK 1).

27 I vertebrati non sono in grado di convertire l AcetilCoA in carboidrati 1) La conversione del piruvato in acetilcoa (piruvico deidrogenasi) è fortemente esoergonica e quindi irreversibile. Piruvato + CoA + NAD + AcetilCoA + CO 2 + NADH L impossibilità dei vertebrati di trasformare acetato in piruvato, preclude loro la possibilità di poter utilizzare l acetato come materiale di partenza per la sintesi di glucosio. 2) Inoltre i 2 atomi di carbonio che entrano nel ciclo di Krebs sotto forma di AcetilCoA, escono sotto forma di 2 molecole di CO 2 ; quindi il destino dell AcetilCoA nei vertebrati è quello di essere completamente ossidato a CO 2 e non quello di essere precursore per le biosintesi

28 In piante, microrganismi e invertebrati l Acetato può invece essere utilizzato come precursore per la sintesi di carboidrati Questi organismi possiedono infatti una via metabolica che consente di convertire l acetato in succinato ed altri intermedi del ciclo dell acido citrico: il ciclo del gliossilato.

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30 Il ciclo del gliossilato Identico al ciclo di Krebs ad eccezione di due reazioni catalizzate da: - isocitrato liasi -malato sintasi Nel ciclo entrano quindi 2 AcetilCoA ed esce 1 Succinato. Dal succinato, tramite fumarato e malato, si riforma ossalacetato poi convertibile in glucosio tramite la via gluconeogenetica. QUINDI: piante e microrganismi, i i a differenza dei vertebrati, possono sintetizzare carboidrati a partire da acetato.

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