Ciclo dell'acido citrico, Dispense di Biochimica

Scarica Ciclo dell'acido citrico e più Dispense in PDF di Biochimica solo su Docsity! Il ciclo dell’acido citrico Il ciclo degli acidi carbossilici o ciclo di Krebs Per la maggioranza delle cellule che vivono in condizioni aerobiche, la glicolisi è solo la prima fase dell’ossidazione del glucosio. Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato ad H.0 e CO:. Questa fase aerobica del catabolismo è chiamata respirazione, spesso viene usato il termine respirazione cellulare. La respirazione cellulare si svolge in tre fasi principali. - Nella prima, le molecole organiche vengono ossidate per produrre frammenti a due atomi di carbonio, sotto forma del gruppo acetilico dell’acetil-coenzima A (acetil-CoA). - Nella seconda fase, i gruppi acetilici sono ossidati a CO: nel ciclo dell’acido citrico, e gran parte dell'energia liberata da queste ossidazioni viene conservata nelle forme ridotte dei trasportatori di elettroni, NADH o FADH.. - Nella terza fase della respirazione, i coenzimi ridotti vengono riossidati liberando elettroni e protoni che sono trasferiti all’O:, portando alla formazione di acqua. Consideriamo dapprima la Fasel Ammino Acidi . del pi > . Produzione acidi grassi Glucosio conversione del piruvato in gruppi dli acctil-CoA acetilici e quindi l’entrata di questi I nel ciclo dell'acido citrico, detto anche ciclo degli acidi gr Puma tricarbossilici (TCA) o ciclo di compiesso ] ella piruvato Krebs. e 00; TO AcetilCoA Fase 2 Ossidazione E: dell'acetil-CoA Citrato Ossalacetato e Ciclo dell'acido È citrico e (7 co; co, NADH, dr. FADH, Fase 3 (trasportatori ridotti di e-) Trasferimento degli elettroni [ sai e fosforilazione 20°+ 202 ossidativa Catena respiratoria (trasferimento degli elettroni) du Po Sa ” PAGINA 1 Produzione di acetil-CoA Negli organismi aerobici il glucosio e gli altri zuccheri, gli acidi grassi e la maggior parte degli amminoacidi sono ossidati a CO: e H:0 attraverso il ciclo dell’acido citrico e la catena respiratoria. Prima di poter entrare nel ciclo, lo scheletro carbonioso degli zuccheri e degli acidi grassi deve essere degradato a gruppo acetilico dell’acetil-CoA, la molecola che entra nel ciclo. Il piruvato generato nel citosol dalla glicolisi rappresenta un punto di snodo nel metabolismo di carboidrati, grassi e proteine. Il piruvato che entra nei mitocondri può essere ossidato mediante il ciclo dell'acido citrico per produrre energia, oppure, dopo conversione in acetil-CoA, può essere utilizzato come molecola di partenza per la sintesi di acidi grassi e steroli. Un terzo destino possibile del piruvato è come precursore nella sintesi degli amminoacidi. Nelle cellule il piruvato nella matrice mitocondriale viene ossidato ad acetil-CoA e CO. per mezzo del complesso della piruvato deidrogenasi(PDH). Questo insieme altamente organizzato di tre enzimi, ciascuno dei quali è presente in più copie, è localizzato nei mitocondri delle cellule eucariotiche e nel citosol dei batteri. IL PIRUVATO VIENE OSSIDATO AD Acetil — CoA e C0, La reazione complessiva catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi è una decarbossilazione ossidativa, un processo di ossidazione irreversibile in cui il gruppo carbossilico viene rimosso dal piruvato sotto forma di una molecola di CO., e i due atomi di carbonio che restano diventano il gruppo acetilico dell’acetil-CoA. Il NADH formato in questa reazione porta mediante la catena respiratoria due elettroni all’ossigeno. cu x pos Li o 0, SC0A c=o © riruvaro AceriCoA AG" = 336 k/1mol IL COMPLESSO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI RICHIEDE CINQUE COENZIMI DISTINTI La deidrogenazione e la decarbossilazione del piruvato ad acetil-CoA coinvolgono l’azione sequenziale di tre enzimi diversie di cinque gruppi prostetici o coenzimi: - tiamina pirofosfato (TPP) - flavin adenin dinucleotide(FAD) - coenzima A - nicotinammide adenin dinucleotide(NAD) - lipoato PAGINA 2 Reazioni del ciclo dell’acido citrico Per iniziare un giro del ciclo, l’acetil-CoA dona il suo gruppo acetilico all’ossalacetato, formando il citrato a sei atomi di carbonio. Il citrato viene poi trasformato in isocitrato che viene deidrogenato con perdita di CO:, producendo il composto a-chetoglutarato. Quest'ultimo perde un’altra molecola di CO: per formare il succinato. Il succinato viene convertito enzimaticamente in tre tappe in ossalacetato, il composto con cui era iniziato il ciclo. L'ossalacetato è ora di nuovo pronto a reagire con un’altra molecola di acetil- COA per iniziare un secondo giro del ciclo. In ogni giro del ciclo entra un gruppo acetilico sotto forma di acetil-CoA ed escono due molecole di CO:. In ogni giro viene utilizzata una molecola di ossalacetato per formare il citrato, ma l’ossalacetato viene rigenerato. Quattro delle otto tappe di questo processo sono ossidazioni, in cui l'energia dell’ossidazione viene conservata con un alto grado di efficienza mediante la formazione dei coenzimi ridotti NADH e FADH.. 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 a e } di un gruppo carbonilico o fra i due carboni di un a-idrossichetone: ® ® Condensazione di Claisen: il Deidrogenazione: Aceril-CoA gruppo metilico di un acer l'ossidazione del viene convertito in gruppo gruppo —OH completa nell metilenico nel citrato. la sequenza delle S-C0A' to TO coASH © ossidazioni e genera un carbonile Citrato | Deidratazione, posizionato ni modi | —Ossalacetato È rcidtatazione: 1 gruppo du facilitare la (FRESIEDONI — or del citrato viene condensazione di an Q= 000. HO-G-c00 riposizionato nell'isocitrato Claisen nella tappa per preparare la Ch,-000 CHc00 decarbossilazione della tappa successiva ‘successiva. ° Ciclo fn Fi conii H,0 Idratazione: 11, cidrogenzaî dell'acido i ani ato citrico acqua sul 00 doppia nota legame Î introduce un Lia gruppo -OH coo- perla successiva L n tappa di frrmorasi a 9) NADI Di: è to {Reidratazione) 000 Fumareto CI pe " Isocitrato doo e n Decarbossilazione pere ossidativa: il gruppo —0H viene ossidato a carbonile, che a sta volta favorisce la l'introduzione di un doppio legame dà inizio alla sequenza di eo ossidazione del metilene, CHa decarbossilazione i stabilizzamdo il Succinato 600 carbanione formata sull'aromo dî CoASH carbonio adiacente, co, ® o Decarbossilazione ossidativa: moccanismo Fosforilazione a livello del simile a quello della piruvato deidrogenasi, dipendente dal carbonile sul carbonio adiacente, substrato: l'energia del rioestere viene conservata nel legame fosfoanidridico del GTP dell'ATP. PAGINA 5 IL CICLO DELL'ACIDO CITRICO HA OTTO TAPPE © Formazione del citrato La prima reazione del ciclo è la condensazione dell’acetil-CoA con l’ossalacetato per formare citrato, reazione catalizzata dalla citrato sintasi. o £ HO COA-SH CH C } o + vee = TI0—0—C00 sintasi i si O=C—000 "e CH —C00 Citrato CH, —C007 Ossalacetato AG'° = —32.2/kj/mol In questa reazione l’atomo di carbonio metilico del gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico (C-2) dell’ossalacetato. Il citril-CoA è un intermedio transitorio che si forma sul sito attivo dell'enzima e va incontro a una rapida idrolisi, producendo CoA libero e citrato. Il CoA liberato in questa reazione viene riciclato e può partecipare alla decarbossilazione ossidativa di un’altra molecola di piruvato da parte del complesso della piruvato deidrogenasi. © Formazione dell’isocitrato attraverso il cis-aconitato L'enzima aconitasi (aconitato idratasi) catalizza la conversione reversibile del citrato in isocitrato, mediante la formazione intermedia dell'acido tricarbossilico cis-aconitato. L'aconitasi aggiunge una molecola d’acqua al doppio legame dell’intermedio cis-aconitato legato all’enzima formando isocitrato o ritornando citrato. CH3—000° H.0 CH, — C00° H30 CH» —C00° Ho-c-c007 — | 0-00 i H-0—C00 H-C—C007 0-00 HO—C—H H i 007 na, si x Isocitrato Citraro cis-Aconitato AG'° = 13,3 kJ/mol L'aconitasi contiene un centro ferro-zolfo che agisce sia nel legame del substrato al sito attivo sia nell’aggiunta o rimozione catalitica dell’acqua. © Ossidazione dell’isocitrato ad a-chetoglutarato e CO; L'isocitrato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato ad a-chetoglutarato. Uno ione Mn? presente nel sito attivo interagisce con il gruppo carbonilico dell’intermedio ossalosuccinato, che si forma transitoriamente nel sito attivo e viene convertito in a-chetoglutarato PAGINA 6 mediante decarbossilazione. Vi sono due forme di isocitrato deidrogenasi: una richiede il NAD* come accettore di elettronie un’altra che utilizza invece il NADP*. co0 co0 con 1 | CI NADCP)' NADCPHA — H! co CI cib n° TO 2 H_cdÈ L uc 8 H CH 7 “08 Za mo-cu so co # VI A 0° 0 o Bsocitrnto Ossilosuecinito ci Chetog]utararo © © © L'isocitrato viene ossidaro La dccarbossilazione viene Ml riamargiamento dal srasferimenro di uno ione favoriva dalla sortrzione dell'intermedio idiurv a) NAD' o sl NADE* di an eetirone da pane Ca seconda della forma isozimatica) dello ione M?*legaco. @ Ossidazione dell’ a-chetoglutarato a succinil-CoA e CO. La tappa successiva è un’altra decarbossilazione ossidativa, in cui l’a- chetoglutarato viene trasformato in succinil-CoA e CO. dal complesso dell’ a-chetoglutarato deidrogenasi; il NAD* è l’accettore finale degli elettroni e il CoA è il trasportatore del gruppo succinile. L'energia liberata dell’ossidazione dell’ a-chetoglutarato è conservata mediante la formazione del legame tioestere del succinil-CoA. CoA SH CHy — C00 \ nAD* CH, —C00 \ NADH CHy , CHy + CO, 6 600° complesso desco dell'e-chetoglutarato Ò deidrogenasi Ò ocChetoglutarato Succinil-CoA AG'°= —33,5 kJ/mol Questa reazione è praticamente identica alla reazione catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi. Anche in questo complesso sono presenti tre enzimi e cinque coenzimi: TPP legata al primo enzima, lipoato legato al secondo enzima, FAD, NAD e coenzima A. Le unità E} dei due complessi enzimatici sono identiche. Il complesso che degrada gli a-chetoacidi a catena ramificata catalizza la stessa sequenza di reazioni utilizzando gli stessi cinque cofattori. 6 Conversione del succinil-CoA a succinato Nella tappa successiva del ciclo dell’acido citrico, l'energia rilasciata dalla rottura del legame tioestere viene usata per favorire la sintesi di un legame fosfoanidride sotto forma di GTP o ATP. Il processo porta alla formazione di succinato. CH —C007 c007 GDP + P; GTP CoA-SH CHy i} CHy C-SCAS RGILERE CH 4 sintetasi doo Succinil-CoA Succinato AG= -9,9 kJ/mol PAGINA 7 TABELLA 16.1 Stechiometria della riduzione dei coenzimi e della formazione di ATP nell'ossidazione aerobica di una molecola di glucosio attraverso la glicolisi, la reazione della piruvato deidrogenasi, il ciclo dell'acido citrico e la fosforilazione ossidativa Numero di molecole di ATP o Numero di molecole di ATP Reazione di coenzimi ridotti formati direttamente formate complessivamente* Glucosio + glucosio 6-fosfato 1ATP 1 Fruttosio 6-fosfato + fruttosio1 6-bisfosfato -1ATP -1 2 Gliceraldeide 3-fosfato + 2 1,3-bisfosfoglicerato 2NADH 2 1,3-Bisfosfoglicerato > 2 3-fosfoglicerato 2ATP 2 Fostbenolpiruvato > 2 piruvato ZAP 2 Piruvatn > 2 acetil-C0A 2NADH 2 Isocitrato +» 2 a-chetaglutarato 2NADH 5 2 a-Chetoglutarato > 2 succinil-CnA 2NADH uccinil-CoA > 2 succinato 2ATP (02GTP) Succinato + 2 fumarato 2PADIL 2 Malato + 2 ossalacetato 2 NADH Totale 3 malerole di ATP per molecola di NADH e di 1,5 per molecola di FADHz. Tvalori negarivi sranne a indica- valori sono stari calcalari considerando una resa di 2 re un consumo di ATP. * Questo valore può es Jatrice mitocondriale. 305 a seconda del meccanismo useto per trasportare gli equivalenti di NADE daî citosol alla I COMPONENTI DEL CICLO DI KREBS SONO INTERMEDI BIOSINTETICI Negli organismi aerobici, il ciclo dell’acido citrico è una via anfibolica, serve cioè sia ai processi anabolici sia a quelli catabolici. Non soltanto agisce nel catabolismo ossidativo dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi, ma produce anche precursori per molte vie biosintetiche. Per esempio l’a-chetoglutarato e l’ossalacetato vengono sottratti al ciclo dell’acido citrico per essere utilizzati come precursori degli amminoacidi aspartato e glutammato mediante una transamminazione. Attraverso l’aspartato e il glutammato, gli atomi di carbonio dell’ossalacetato e dell’a-chetoglutarato vengono impiegati per costruire altri amminoacidi, come pure i nucleotidi purinici e pirimidinici. Il succinil-CoA è un intermedio fondamentale nella sintesi dell’anello porfirinico del gruppo eme. L'ossalacetato può essere convertito in glucosio nel processo della gluconeogenesi. In molti organismi diversi dai vertebrati, e in tutte le piante vascolari, esiste un’altra via metabolica, il ciclo del gliossilato, che agisce come meccanismo per convertire l’acetato in carboidrati. Nel ciclo del gliossilato che converte due molecole di acetato in una diossalacetato, non avvengono le due reazioni di decarbossilazione. Piruvato steroli Glucosio | Acidi grassi, Acelil-CoA PER carbossichivasi Glutammina Citrato Prolina Arginina Cielo dell'acido citrico a-Chetoglutarato ce Glutammato Fosfoerolpiruvaro (PL) Aspartato Asparagina © time I Cisteina Purine Fenilalanina Pirimidine Tirosinn Triprofano PAGINA 10 Porfirine, Regolazione del ciclo dell'acido citrico Il flusso degli atomi di carbonio dal piruvato al ciclo dell'acido citrico è regolato almeno atre livelli: 1. il trasporto di piruvato nei mitocondri tramite il trasportatore del piruvato mitocondriale (MPC); 2. la conversione del piruvato in acetil-CoA, il composto di partenza del ciclo prodotto dalla reazione del complesso della piruvato deidrogenasi; 3. l'ingresso dell’acetil-CoA nel ciclo. Il ciclo dell'acido citrico viene regolato anche a livello delle reazioni della isocitrato deidrogenasi e dell’a-chetoglutarato deidrogenasi. LA PRODUZIONE DI ACETIL-COA È REGOLATA DA MECCANISMI SIA ALLOSTERICI SIA COVALENTI Il complesso della piruvato deidrogenasi nei mammiferi è fortemente inibito dall’ATP, dall’acetil-CoA e dal NADH. L'inibizione allosterica dell’ossidazione del piruvato viene aumentata dalla presenza di acidi grassi a catena lunga. AMP, CoA e NAD*, sono tutti composti la cui concentrazione tende ad aumentare il flusso di unità acetiliche all'interno del ciclo dell’acido citrico. Il complesso della piruvato deidrogenasi dei mammiferi è regolato anche mediante modificazione covalente. Il complesso enzimatico viene inibito dalla fosforilazione reversibile di uno specifico residuo di Ser, su una delle due subunità di E. Una specifica proteina chinasi fosforila e inattiva l'enzima E,, e una specifica fosfoproteina fosfatasi rimuove il gruppo fosforico da E, attivandolo. La chinasi è attivata allostericamente da ATP e quando i livelli di ATP sono elevati il complesso della piruvato deidrogenasi viene inattivato; quando i livelli di ATP diminuiscono, l’attività della chinasi si spegne e la fosfatasi rimuove i gruppi fosforici da E, riattivando il complesso. Piruvato ATI acc CoA, ® ari con nani ca Acetil-CoA GVADI: scciniliCoA, cio, ATP @ar sintasi -—Citrato Ossalacetato Ciclo dell’acido citrico isociraro \ Rare deidrogenasi | @ ca ape Isocitrato malato deidrogenasi Malato -Chetoglutarat @) succini.A NADI @o Succinil-CoA PAGINA u IL CICLO DELL’ACIDO CITRICO È REGOLATO A LIVELLO DELLE SUE TRE TAPPE ESOERGONICHE La velocità del flusso attraverso il ciclo è regolata da tre fattori: - la disponibilità di substrato; - l’inibizione da accumulo di prodotti; - l’inibizione allosterica retroattiva degli enzimi che catalizzano le prime tappe del ciclo. i AG” ° delle reazioni del ci Vi sono tre tappe fortemente AG'° esoergoniche nel ciclo: Reazione Enzima (kJmol:t) - quelle catalizzate dalla citrato i ri 15) 2 Aconitasi +5 3 sintasi nia . . Isocitrato deidrogenasi (21) - dall’isocitrato deidrogenasi o 4 Complesso a-chetoglutarato CD - dall’a-chetoglutarato deidrogenasi deidrogenasi. 5 Succinil-CoA Sintetasi 22.4 6 Succinato deidrogenasi +6 7 Fumarasi 34 8 Malato deidrogenasi 429.7 BILANCIO NETTO Ognuna di queste reazioni può divenire la tappa che regola la velocità. La disponibilità dei substrati per la citrato sintasi (acetil-CoA e ossalacetato) varia a seconda dello stato metabolico della cellula e in alcuni casi può limitare la velocità di formazione del citrato. Il NADH, un prodotto dell’ossidazione dell’isocitrato e dell’a-chetoglutarato, può accumularsi inibendo entrambe le reazioni deidrogenasiche. Un accumulo dei prodotti inibisce tutte e tre le tappe limitanti del ciclo: -_ il ssuccinil-CoA inibisce l’a-chetoglutarato deidrogenasi - ilcitrato blocca la citrato sintasi - ilprodotto finale, l’ATP, inibisce sia la citrato sintasi sia l’isocitrato deidrogenasi. L'inibizione della citrato sintasi da parte dell'ATP viene rimossa dall’ADP, un attivatore allosterico di questo enzima. Gli ioni Ca?* attivano sia l’isocitrato deidrogenasi sia l'a-chetoglutarato deidrogenasi, oltre al complesso della piruvato deidrogenasi; in sostanza, le concentrazioni dei substrati e degli intermedi del ciclo dell’acido citrico sono in grado di regolare il flusso attraverso la via in modo da avere la concentrazione ottimale di ATP e di NADH. PAGINA 12