Modulo 14 Il ciclo di Krebs
Il destino ossidativo del piruvato In condizioni aerobie il piruvato viene decarbossilato ad acetato. L acetato è ossidato ulteriormente nel ciclo dell acido citrico. Una serie di reazioni ossidoreduttive portano alla formazione di CO 2 dall acetato e al trasferimento degli elettroni al NAD + e FAD riducendoli a NADH e FADH 2. Gli elettroni (sotto forma di NADH e FADH 2 ) derivati dal ciclo dell acido citrico sono trasferiti ad una catena di trasporto degli elettroni e quindi all ossigeno. La catena di trasporto è utilizzata per guidare la fosforilazione dell ADP ATP (respirazione cellulare ).
La decarbossilazione del piruvato e l ossidazione dell acetato hanno luogo nella matrice mitocondriale Il piruvato viene trasportato all interno della matrice mitocondriale da uno specifico trasportatore e poi ossidato La sintesi dell ATP, negli eucarioti, avviene sulla membrana interna del mitocondrio.
Il piruvato viene decarbossilato ed ossidato ad acetil-coa P iruvato deidrogenasi D iidrolipoil transacetilasi D iidrolipoil deidrogenasi Enzima E 1 E 2 E 3 G ruppo prostetico Tiamina pirofosfato (TPP) Acido lipoico FAD Il piruvato viene convertito ad acetil-coa e CO 2 da una decarbossilazione ossidativa ad opera del complesso della piruvato deidrogenasi (PDH). La reazione è irreversibile. PDH: complesso formato da un insieme di subunità (60 nei batteri) appartenenti a tre diversi enzimi (E 1, E 2 E 3 ). 4-10 6 dalton
Il complesso della Piruvato deidrogenasi TPP = tiamina pirofosfato Lys = lisina Mediante l incanalamento dei substrati gli intermedi non abbandonano mai l enzima
Il ciclo dell acido citrico Il processo di ossidazione dell acetil-coa avviene nel ciclo dell acido citrico Il ciclo dell acido citrico (Krebs) è il punto di partenza circolare di molte vie metaboliche
Il ciclo dell acido citrico, sguardo d assieme La logica del ciclo risiede nel fatto che la rottura di un legame C C che congiunge i carboni nell'acetato non è favorevole, mentre lo è la rottura fra carboni e di un gruppo carbonilico o fra i due carboni di un - idrossichetone: -CO C C - -CO C OH-
Il citrato è sintetizzato a partire da ossalacetato e acetil-coa L acetato non viene direttamente ossidato ma legato all ossalacetato, un intermedio a 4 atomi di carbonio che agisce da trasportatore per l ossidazione. La citrato sintasi catalizza la reazione di condensazione (di Claisen) tra l ossalacetato ed l acetil-coa seguita da una idrolisi. L idrolisi del citril-coa fornisce l energia necessaria alla reazione Gº' -32,2 kj/mol
Il citrato viene isomerizzato ad isocitrato Gº' = +13,0 kj/mol L enzima che catalizza i due passaggi di deidratazione e idratazione per l isomerizzazione del citrato all isocitrato è l aconitasi, una proteina ferro-zolfo. (4Fe-4S ) Reazione spinta a destra dal consumo di isocitrato
L isocitrato viene ossidato e decarbossilato due volte per dare succinil-coa Isocitrato deidrogenasi Decarbossilazione ossidativa dell isocitrato a α-chetoglutarato Gº' = +13,0 kj/mol α-chetoglutarato deidrogenasi Gº' = - 33,5 kj/mol Reazione identica a quella che porta alla decarbossilazione ossidativa del piruvato ad acetil-coa.
Il succinil-coa è un composto ad alto potenziale di trasferimento dell acile Gº' = - 2,9 kj/mol Il succinil-coa è un tioestere ricco di energia La Succinil-Coa sintetasi fosforila un nucleotide difosfato Eè un esempio di fosforilazione a livello di substrato Il GTP è trasformato ad ATP dalla nucleoside difosfochinasi. GTP + ADP GDP + ATP Gº' = 0,0 kj/mol
L ossalato si rigenera per ossidazione del succinato In tre tappe un gruppo CH 2 viene trasformato in C=O Succinato deidrogenasi Fumarasi Malato deidrogenasi Gº' = 0,0 kj/mol Gº' = -3,8 kj/mol Gº' = 29,7 kj/mol Flavoproteina legata alla membrana mitocondriale interna Fumarato idratasi
Il ciclo di Krebs nel complesso Ad ogni giro del ciclo: Un unità acetato (acetil-coa), corrispondente a 2 carboni viene convertita in 2 CO 2. Nel primo ciclo l ossidazione non riguarda l acetil-coa appena legato. Gº' netta di ca. - 48,1 kj/mol ( G = -115,44 kj/mol). Ac-CoA + 3 NAD + + FAD + GDP + Pi + 2H 2 O 2 CO 2 + 3NADH + 3H + + FADH 2 + GTP + HS-CoA
La stechiometria del ciclo dell acido citrico e glicolisi Combinando la glicolisi con il ciclo di Krebs Glucosio + 6 H 2 O + 10 NAD + + 2 FAD + 4ADP + 4Pi 6 CO 2 + 10 NADH + 10 H + + 2 FADH 2 + 4 ATP Quindi, tutti e sei i carboni del glucosio sono liberati come CO 2.
Il ciclo dell acido citrico fornisce importanti intermedi biosintetici Il ciclo dell acido citrico è una via anfibolica, implicata in processi catabolici quanto anabolici. Molti degli intermedi del ciclo di Krebs vengono consumati per produrre precursori delle vie biosintetiche: devono venir rimpiazzati mediante reazioni di riempimento (anaplerotiche) La più importante: piruvato carbossilasi che converte il piruvato in ossalacetato (vedi gluconeogenesi) Altri amminoacidi purine pirimidine Aspartato Porfirine eme clorofilla Ossalacetato Succinil- CoA Piruvato Acetil-CoA Citrato a- chetoglutarato Glutammato Acidi grassi, steroli Purine Altri amminoaci di Piruvato + CO 2 + ATP + H 2 O Ossalacetato + ADP + Pi + 2 H+ Questa reazione assicura di mantenere sufficiente ossalacetato per la condensazione con l acetil-coa e
Il ciclo di Krebs è regolato dalla attività della piruvato deidrogenasi La PDH viene inibita quando la carica energetica è elevata La piruvato deidrogenasi (PDH) è regolata: 1. Da ciclo fosforilazione/defosforilazione dell enzima E 1 del complesso da parte di una chinasi associata a E 2 Piruvato e ADP inibiscono la chinasi 2. allostericamente da Acetil-Coa, NADH e ATP che inibiscono l enzima (E 2 )
Il ciclo dell acido citrico è regolato a livello delle sue tappe esoergoniche La regolazione del flusso metabolico avviene oltre che a livello della piruvato deidrogenasi (PDH) anche nelle prime tappe di ossidazione dell acetil-coa (esoergoniche): 1) da regolazione allosterica esercitata su enzimi controllo: citrato sintasi, isocitrato DH e α-chetoglutarato DH. 2) da disponibilità di substrato (acetil- Coa, ossalacetato) e inibizione da accumulo di prodotti (succinil-coa)