CICLO DI KREBS (o DELL ACIDO CITRICO)

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1 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.

2 Per ogni molecola di Acetil-CoA che viene ossidata nel ciclo vengono prodotti: 3 NADH 1 FADH 2 1 GTP (ATP) D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

3 L acetil-coa entra nel ciclo di Krebs nella reazione di condensazione con l ossalacetato che produce il CITRATO liberando CoA-SH ACETIL-CoA CITRATO SINTASI CITRATO OSSALACETATO

4 SITO ATTIVO DELLA CITRATO SINTASI:I residui di Asp375 e His274 attivano l Acetil-CoA, l His320 attiva l ossalacetato L O carbonilico diventa ossidrile (strappa un H + all His320) D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

5 ISOMERIZZAZIONE: Il gruppo OH deve essere spostato sul carbonio ACONITASI ACONITASI CITRATO Cis-ACONITATO 3 2 ISOCITRATO Nella cellula, in condizioni reali la reazione è esoergonica, è spinta in avanti dal consumo di isocitrato nella reazione successiva.

6 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 H + rilasciato dall ossigeno CO 2 Isocitrato ISOCITRATO DEIDROGENASI :H - (ione idruro trasferito sul NAD + ) α-chetoglutarato

7 SITO ATTIVO DELL ISOCITRATO DEIDROGENASI: MECCANISMO 1 ione idruro è ceduto dal C-2 al NAD +, il gruppo ossidrilico in posizione 2 diventa un carbonile, L intermedio ossalosuccinato interagisce con uno ione Mn 2+ che destabilizza il gruppo carbossilico in C-3 Il gruppo carbossilico in posizione 3 esce come CO 2 Si forma un intermedio enolato, stabilizzato dallo ione Mn 2+ Entra un H + che va a legarsi al C-3 e si ottiene un alfa-chetoacido. D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

8 Ossidazione dell α-chetoglutarato: questa reazione porta alla formazione di un legame TIOESTERE ad alta energia e alla produzione di NADH TPP Lipoammide FAD α-chetoglutarato Complesso dell αchetoglutarato deidrogenasi Succinil-CoA

9 Complesso dell αchetoglutarato deidrogenasi Simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi (sono utilizzati gli stessi coenzimi e avviene la decarbossilazione ossidativa di un α-chetoacido) Intermedio carbanionico Diidrolipoil deidrogenasi (E3) _ OH α-chetoglutarato deidrogenasi (E1) Diidrolipoiltransacetilasi (E2) Succinil-CoA Succinil-diidrolipoammide

10 L idrolisi del legame tioestere ad alta energia è accoppiata alla fosforilazione di un nucleoside-difosfato (GDP, nei mammiferi, o ADP, piante e batteri). Si ottiene GTP o ATP. Succinil-CoA Succinil-CoA sintetasi Legame tioestere ad alta energia Succinato

11 SITO ATTIVO DELLA SUCCINIL-CoA SINTETASI: MECCANISMO anidride mista D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright 2013 ADP GDP + ATP 17 24

12 Ossidazione del succinato a fumarato COMPLESSO II della catena di trasporto di e - mitocondriale Q QH2 Trasferisce gli e - al complesso III SUCCINATO SUCCINATO DEIDROGENASI FUMARATO

13 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

14 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.

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

16 Regolazione del ciclo di KREBS: basata sul fabbisogno di ATP da parte della cellula. -disponibilità substrato -inibizione da accumulo di prodotti -inibizione allosterica Enzimi regolati allostericamente: Citrato sintasi, Isocitrato deidrogenasi e α-chetoglutarato deidrogenasi D. Voet C. W. Pratt J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright

17 Negli organismi areobici il ciclo di KREBS s interseca con diverse altre vie anaboliche e cataboliche. Alcuni intermedi del ciclo di Krebs sono precursori nelle vie di biosintesi e diverse vie cataboliche producono intermedi del ciclo attraverso reazioni anaplerotiche

18 REAZIONI ANAPLEROTICHE DEL CICLO DI KREBS: riforniscono il ciclo di intermedi Fegato, Rene PIRUVATO OSSALACETATO Piruvato carbossilasi ATP, Biotina-dipendente Cuore, muscolo schelettrico FOSFOENOLPIRUVATO OSSALACETATO PEP-carbossichinasi GDP-dipendente Citosol cellule eucariotiche/procariotiche PIRUVATO MALATO Enzima malico - NADPH-dipendente + HO NADPH + H + + NADP + CARBOSSILAZIONE RIDUTTIVA