Aerobiosi C A T A B O L I S M O. Lez 4A. Schema generale del metabolismo dei glucidi

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1 Schema generale del metabolismo dei glucidi -1- Aerobiosi In condizioni aerobiche il piruvato prodotto dalla glicolisi e dalla degradazione di alcuni aminoacidi è ossidato a H 2 O e CO 2 nella respirazione cellulare. Ciò avviene in tre stadi Produzione di acetil-coa (decarbossilazione ossidativa del piruvato) Ciclo di Krebs (ossidazione completa dell acetil-coa a CO 2 ) Catena di trasporto degli elettroni e Fosforilazione ossidativa (rigenerazione di NAD + e FAD +, produzione di 2 ATP e H 2 O con consumo di O 2 ). C A T A B O L I S M O GLICOLISI Ciclo degli Acidi Tricarbossilici Catena di trasporto degli e - e Fosforilazione ossidativa FASE I Idrolisi e Produzione di Acetil-CoA FASE II Ossidazione dell Acetil-CoA FASE III Produzione di energia 3 Il catabolismo di carboidrati, proteine e grassi avviene nelle tre fasi della respirazione cellulare 4

2 Produzione di acetil-coa (decarbossilazione ossidativa del piruvato) 5 6 Trasporto del piruvato Il piruvato è trasportato all interno della matrice mitocondriale dove viene ossidato ad acetilcoa dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi. Il piruvato viene trasportato attraverso la membrana mitocondriale da un trasportatore specifico che lo scambia con ioni OH -. La membrana esterna mitocondriale permette il passaggio a ioni e piccole molecole e contiene canali anionici voltaggio dipendenti (VDAC: voltage dependent anion 7 channels). MITOCONDRIO Il piruvato viene ossidato ad acetil-coa e CO 2 La decarbossilazione ossidativa del piruvato per formare acetil- CoA, che avviene nei mitocondri delle cellule eucariotiche, è il legame tra la glicolisi ed il ciclo dell acido citrico. La reazione è catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi. La deidrogenazione e decarbossilazione del piruvato ad acetil-coa coinvolgono l azione sequenziale di 3 enzimi diversi (ciascuno formato da più catene polipeptidiche) e di 5 coenzimi: tiamina pirofosfato(tpp),flavinadenindinucleotide 8 (FAD), coenzima A (CoA), nicotinamide adenin dinucleotide (NAD) e lipoato

3 Krebs e Lipmann Ciclo di Krebs o Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) o Ciclo dell acido citrico: Premio Nobel per la Medicina 1953 Ossidazione dell acetil-coa a CO 2 Il ciclo di Krebs è al centro del metabolismo. Le vie degradative (catabolismo) lo alimentano: è alimentato dall ossidazione degli zuccheri, acidi grassi e aminoacidi; le vie sintetiche (anabolismo) ne usano i componenti. È una via ANFIBOLICA, opera infatti sia nel catabolismo che nell anabolismo cellulare. CATABOLISMO Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale. Nei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi. Reazione complessiva del ciclo di Krebs: AcetilCoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O 2CO 2 + CoASH + 3 NADH + FADH 2 + GTP + 2H

4 Glicolisi Amminoacidi ossidazione acidi grassi Le 8 reazioni del ciclo dell acido citrico Ciclo di Krebs: prodotti 1 Nucleotide trifosfato Equivalenti riducenti: 3 NADH e 1 FADH CO 2 Ciclo di Krebs ALIMENTAZIONE Reazione 1) Condensazione dell ossalacetato con acetil-coa e formazione del citrato RIPRISTINO del CICLO SECONDO PASSO di PRODUZIONE di ENERGIA PRIMO PASSO di PRODUZIONE di ENERGIA PREPARAZIONE del CICLO Enzima: Citrato sintasi L atomo di carbonio metilico del gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico (C 2 ) dell ossalacetato. 16

5 Reazione 2) Il citrato viene isomerizzato a isocitrato L aconitasi catalizza la conversione stereospecifica del citrato in isocitrato attraverso una deidratazione e una reidratazione Reazione 3) Ossidazione dell isocitrato ad - chetoglutarato e CO 2. L isomerizzazione avviene attraverso una reazione di deidratazione seguita da una di idratazione. L isocitrato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione ossidativa dell isocitrato, con consumo di 1 NAD(P) + ed eliminazione di 1 CO Reazione 4) Ossidazione dell -chetoglutarato a succinil-coa e CO 2. L -chetoglutarato deidrogenasi è un complesso enzimatico che converte l -chetoglutarato a succinil-coa con eliminazione di 1 CO 2. La reazione consuma 1 NAD + e produce 1 NADH e conserva l energia nel legame tioestere: l energia dell ossidazione dell -chetoglutarato viene conservata mediante la formazione del legame tioestere del succinil-coa. 19 La reazione è spontanea ( G = kj/mol). Il complesso dell -chetoglutarato deidrogenasi è molto simile al complesso della piruvato deidrogenasi sia come struttura che come funzione (3 Enzimi, E 1,E 2 ee 3 e5coenzimi). Meccanismo di reazione quasi identico a quello del complesso piruvato deidrogenasi (E 1, E 2, E 3 ) E 2 ed E 3 sono conservati nei due complessi enzimatici, E 1 ha diversa specificità di substrato. 20

6 Reazione 5) Conversione del Succinil-CoA a succinato e formazione di un legame fosforico ad alta energia. rigenerazione dell ossalacetato per ossidazione del succinato (6, 7 e 8): La succinil-coa sintetasi converte il succinil-coa in succinato e produce 1 GTP (ATP) da GDP (ADP) e Pi. GTP + ADP GDP + ATP Reazione catalizzata dalla nucleoside difosfochinasi 21 per completare il ciclo il succinato deve venire convertito in ossalacetato. 22 Reazione 6) Ossidazione del succinato a fumarato Il succinato è deidrogenato a fumarato dalla flavoproteina succinato deidrogenasi con consumo di 1 FAD e produzione di 1 FADH 2. Il FAD è l accettore di elettroni ed atomi di idrogeno in questa reazione in quanto la variazione di energia libera è 23 troppo piccola per ridurre il NAD +. La succinato deidrogenasi è il solo enzima di membrana del ciclo di Krebs. Gli elettroni passano dal succinato al FAD, che è legato covalentemente all enzima attraverso un residuo di His. Il FADH 2 è poi riossidato a FAD dal Coenzima Q nella catena di trasporto degli elettroni: gli elettroni estratti dal succinato passano attraverso il FAD ed entrano nella catena di trasporto 24 degli elettroni della membrana mitocondriale interna

7 Reazione 7) Idratazione del fumarato per produrre malato Reazione 8) Ossidazione del malato ad ossalacetato La fumarasi catalizza l idratazione del fumarato, si forma L-malato. È una reazione stereospecifica, viene idratato il doppio 25 legame trans ma non il cis La L-malato deidrogenasi ossida il malato ad ossalacetato rigenerando il composto di partenza del ciclo e consumando 1 NAD + con produzione di NADH. La reazione è sfavorita ( G = 29.7 kj/mol), ma la concentrazione di ossalacetato è bassa (<10-6 M), il che spinge la reazione in avanti. Inoltre, la reazione successiva catalizzata dalla citrato sintasi è altamente favorita ( G = kj/mole) e sottrae ulteriormente 26 l ossalacetato dal mezzo. La reazione complessiva del ciclo dell acido citrico è: Acetil CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + P i + H 2 O 2 CO NADH + FADH 2 + GTP + 2 H + + CoA 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

8 Energetica del catabolismo aerobico del glucosio ** ** Ciclo di Krebs Ciclo di Krebs Catabolismo Anabolismo 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 ANFIBOLICA, opera infatti sia nel catabolismo che nell anabolismo cellulare. Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale. Nei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi. Il ciclo di Krebs opera soltanto in condizioni aerobiche poiché il NAD + e il FAD possono essere rigenerati nel mitocondrio soltanto dal trasferimento degli elettroni -31- all ossigeno molecolare. -32-

9 I componenti del ciclo dell acido citrico sono importanti intermedi biosintetici 33 Reazioni 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 CO 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 34 da acetil-coa. Le reazioni anaplerotiche riforniscono il ciclo dell acido citrico di intermedi 35 Regolazione del ciclo dell acido citrico La velocità del ciclo dell acido citrico è regolata con precisione in modo da soddisfare il fabbisogno di ATP di una cellula. Il ciclo dell acido citrico è regolato in più punti. 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 deidrogenasi e la - chetoglutarato deidrogenasi sono tutti punti di regolazione: La disponibilità di acetil-coa e ossalacetato regolano l attività della citrato sintasi. L accumulo di NADH e ATP inibisce le due deidrogenasi. L accumulo di prodotto inibisce gli altri passaggi. 36

10 Regolazione del ciclo dell acido citrico La disponibilità di acetil-coa e ossalacetato regolano l attività della citrato sintasi. I punti di regolazione primari sono gli enzimi allosterici isocitrato deidrogenasi e - chetoglutarato deidrogenasi. L accumulo di NADH e ATP le inibisce. L inibizione da ATP è eliminata da ADP. Nei muscoli di vertebrato lo ione Ca ++ le attiva. Le velocità della glicolisi e del ciclo di Krebs sono integrate. 37 Regolazione del complesso della piruvato deidrogenasi Il complesso della piruvato deidrogenasi è regolato allostericamente e per fosforilazione reversibile: è inibito dai suoi prodotti immediati, il NADH e l acetil CoA; è regolato anche da modificazione covalente: una chinasi specifica fosforila e inattiva la piruvato deidrogenasi, e una fosfatasi la attiva rimuovendo il gruppo fosforico. L aumento del rapporto NADH/NAD +, acetil-coa/coa o ATP/ADP promuove la fosforilazione e quindi l inattivazione del complesso. La piruvato deidrogenasi è inattiva quando la carica energetica è elevata 38 e gli intermedi biosintetici sono abbondanti. Sommario Il piruvato è convertito in acetilcoa dalla piruvato deidrogenasi (E 1 +E 2 +E 3 ). L acetilcoa è convertito in CO 2 attraverso il ciclo di Krebs, si generano: tre NADH, un FADH 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, piridine, pirimidine e glucosio). L ossalacetato è riformato dal piruvato attraverso la carbossilazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi. 39