DESTINI METABOLICI DEL PIRUVATO

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1 DESTINI METABOLICI DEL PIRUVATO

2 Glicolisi Piruvato Metabolismo aerobico: il piruvato entra nel mitocondrio Acetil-CoA Ciclo di Krebs Catena di trasporto degli elettroni Complesso della Piruvato deidrogenasi (PDH) Piruvato Acetil-CoA La reazione produce oltre all acetil-coa anche un equivalente riducente di NADH che può essere indirizzato alla catena di trasporto di e - mitocondriale. Partendo da 1 molecola di glucosio si ottengono 2 Acetil-CoA e 2 NADH

3 Complesso della Piruvato deidrogenasi (PDH) Complesso multienzimatico contenente copie multiple di 3 distinte attività enzimatiche (E 1 - E 2 - E 3 ) E 1 = piruvato deidrogenasi (24 subunità) E 2 = diidrolipoammide acetiltransferasi (24 subunità) E 3 = diidrolipoammide deidrogenasi (12 subunità) Decarbossilazione ossidativa del piruvato. È un processo irreversibile.

4 Subunità E 1 Contiene come cofattore la TPP. Catalizza la decarbossilazione del piruvato e la formazione dell intermedio idrossietil-tpp E 1 Piruvato Idrossietil-

5 Subunità E 2 Contiene come cofattore la Lipoammide. La subunità E 1 trasferisce il gruppo idrossietilico dalla TPP sulla lipoammide della subunità E 2 : nel trasferimento l idrossietile viene gruppo Acetilico e e ilponte disolfuro della lipoammide viene ridotto. Si forma un legame tioestere ad alta energia. Acetil-CoA Piruvato Lipoillisina ridotta Idrossietil- E 1 E 2 Lipoillisina ossidata La subunità E 2 catalizza, quindi, la transacetilazione del gruppo acetilico dalla Lipoammide al Coenzima A con conseguente formazione di Acetil-CoA. La lipoammide rimane nella forma ridotta.

6 Piruvato E 1 E 2 Acetil-CoA Lipoillisina ridotta Idrossietil- Lipoillisina ossidata E 3 Subunità E 3 Contiene come cofattore il FAD. Catalizza l ossidazione della lipoillisina (si riforma il ponte disolfuro) con riduzione del FAD a FADH 2 il quale trasferirà poi 2 e - sul NAD + con conseguente produzione finale di NADH.

7 REGOLAZIONE DEL COMPLESSO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI DISPONIBILITA DEL SUBSTRATO MODULAZIONE ALLOSTERICA MODIFICAZIONI COVALENTI (fosforilazione/defosforilazione) I prodotti della reazione funzionano da modulatori allosterici negativi: Acetil-CoA (sulla transacetilasi, E 2 ) NADH (sulla diidrolipoil deidrogenasi, E 3 ) reazione irreversibile alte concentrazioni di Acetil-CoA e NADH informano l enzima che non è più necessario metabolizzare il piruvato (le esigenze cellulari sono soddisfatte) L attività della PDH è connessa anche al metabolismo dei lipidi: una elevata degradazione dei lipidi che incrementa il livello di Acetil-CoA rallenta la PDH e porta al risparmio di glucosio.

8 CICLO DI KREBS (o DELL ACIDO CITRICO) È un processo ossidativo che ha un ruolo centrale nel metabolismo energetico delle cellule eucariotiche. Avviene nella matrice mitocondriale. È alimentato soprattutto dall Acetil-CoA, metabolita chiave prodotto dal catabolismo ossidativo dei carboidrati, dei lipidi, di vari amminoacidi. L energia rilasciata dalle ossidazioni del ciclo di Krebs è conservata come potere riducente (NADH e FADH 2 ) che alimenta la sintesi di ATP mitocondriale.

9 Per ogni molecola di Acetil-CoA che viene ossidata nel ciclo vengono prodotti: 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP (ATP) Ossalacetato Acetil-CoA Citrato Isocitrato Malato Fumarato Ciclo dell acido citrico chetoglutarato Succinato Succinil-CoA

10 H + - :CH 2 ACETIL-CoA CITRATO SINTASI CITRATO OSSALACETATO

11 3 2 ACONITASI ACONITASI CITRATO Cis-ACONITATO Isomerizzazione: il gruppo OH viene spostato dal C-3 al C ISOCITRATO Nella cellula la reazione è spinta in avanti dal consumo di isocitrato nella reazione successiva.

12 H F C C H O - Na + O FLUOROACETIL-CoA: INIBITORE SUICIDA DELL ACONITASI È un metabolita del FLUOROACETATO (Tossina usata come pesticida) Reagisce con l ossalacetato per formare FLUOROCITRATO Il fluoroacetil-coa entra quindi nel ciclo di Krebs, inizia ad essere trasformato dalla citrato-sintasi ma quando entra nel sito attivo dell ACONITASI interagisce fortemente con essa inibendola in modo definitivo e bloccando quindi tutto il ciclo e la respirazione cellulare

13 Decarbossilazione ossidativa dell isocitrato Il gruppo OH in C-2 dell isocitrato subisce un ossidazione che porta alla produzione di NADH (NADPH) e alla formazione di un α-chetoacido a) Isoenzima NAD-dipendente nella matrice mitocondriale. b) Isoenzima NADP-dipendente nel mitocondrio e nel citosol (serve a generare NADPH). H + rilasciato dall ossigeno CO 2 ISOCITRATO DEIDROGENASI Isocitrato :H - (ione idruro trasferito sul NAD + α-chetoglutarato

14 Ossidazione dell α-chetoglutarato: questa reazione porta alla formazione di un legame TIOESTERE ad alta energia e alla produzione di NADH α-chetoglutarato Complesso dell α-chetoglutarato deidrogenasi (TPP, Lipoammide, FAD-dipendente). Succinil-CoA Simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi (sono utilizzati gli stessi coenzimi e avviene la decarbossilazione ossidativa di un α-chetoacido)

15 L idrolisi del legame tioestere ad alta energia è accoppiata alla fosforilazione di un nucleoside-difosfato (GDP o ADP). Si ottiene GTP o ATP. Le cellule animali hanno 2 isozimi, 1 specifico per l ADP e 1 per il GDP. Succinil-CoA Succinil-CoA sintetasi Legame tioestere ad alta energia Succinato

16 Un fosfato inorganico spiazza il CoA dalla molecola di succinil-coa e si forma un anidride mista: succinil-fosfato Il gruppo fosfato viene ceduto ad un residuo di His dell enzima e si libera succinato Il fosfo-enzima cede il gruppo fosfato al GDP e si forma GTP Il GTP scambia il gruppo fosfato con l ADP per formare ATP GTP + ADP GDP + ATP Nucleoside difosfato-chinasi

17 Ossidazione del succinato a fumarato COMPLESSO II della catena di trasporto di e - mitocondriale QH 2 Trasferisce gli e - al complesso III Q SUCCINATO DEIDROGENASI SUCCINATO FUMARATO

18 FUMARASI FUMARATO Aggiunta STEREOSPECIFICA TRANS di acqua al doppio legame. Quando il fumarato è nel sito attivo dell enzima l aggiunta della molecola d acqua può avvenire solo in una direzione. Stato di transizione carbanionico FUMARASI L-MALATO

19 Il ciclo di Krebs si conclude con un ossidoriduzione che riforma l ossalacetato e produce NADH L-MALATO MALATO DEIDROGENASI OSSALACETATO Nelle cellule la reazione è fortemente spinta in avanti perché l ossalacetato è continuamente rimosso dalla citrato sintasi la quale mantiene bassa la concentrazione di ossalacetato nel mitocondrio.

20 BILANCIO ENERGETICO: Se partiamo dall ossidazione di 1 molecola di glucosio possiamo ottenere energia sufficiente a sintetizzare 36 (o 38) molecole di ATP sistema navetta diidrossiacetonefosfato/glicerolo 3-fosfato glucosio Glicolisi 2 ATP + 2 NADH 2 FADH 2 2 piruvato 2 Acetil-CoA (PDH) 2 NADH sistema navetta malato/aspartato 2 NADH Ciclo di Krebs 6 NADH + 2 FADH GTP(ATP) TOTALE: 4 ATP 10 NADH >>>> ~ 30 ATP 2 FADH 2 >>>> ~ 4 ATP ~ 38 ATP TOTALE: 4 ATP 8 NADH >>>> ~24 ATP 4 FADH 2 >>>> ~ 8 ATP ~ 36 ATP