Ciclo di Krebs, Appunti di Biochimica

Scarica Ciclo di Krebs e più Appunti in PDF di Biochimica solo su Docsity! CICLO DI KREBS Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene ulteriormente ossidato ad H2O e CO2. Questa fase aerobica del catabolismo è chiamata respirazione cellulare. La respirazione si svolge in tre fasi. Nella prima, le molecole organiche, come il glucosio, gli acidi grassi e alcuni amminoacidi, vengono ossidate per produrre frammenti a due atomi di carbonio, nella forma del gruppo acetilico dell’acetil-CoA. Nella seconda fase, i gruppi acetilici entrano nel ciclo di Krebs, che li ossida enzimaticamente a CO2; l’energia liberata viene conservata come NADH o FADH2, le forme ridotte di questi trasportatori di elettroni. Nella terza fase, i coenzimi ridotti vengono riossidati liberando elettroni e protoni. Gli elettroni vengono trasferiti all’O2, il loro accettore finale, attraverso una serie di molecole trasportatrici di elettroni, conosciuta come catena respiratoria. Nel corso del trasferimento di elettroni, una parte dell’energia rilasciata viene conservata sotto forma di ATP, tramite la fosforilazione ossidativa. Produzione di acetil-CoA. Prima di poter entrare nel ciclo di Krebs, lo scheletro carbonioso delle sostanze nutrienti deve essere degradato a gruppo acetilico dell’acetil-CoA. Il piruvato viene ossidato ad acetil-CoA e CO2 per mezzo del complesso della piruvato deidrogenasi (PDH), un insieme organizzato di tre enzimi, ciascuno dei quali rappresentato in più copie, localizzato nei mitocondri delle cellule eucariote e nel citosol dei batteri. 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 CO2, e i due atomi di carbonio che restano diventano il gruppo acetilico dell’acetil-CoA. Il NADH formato entra nella catena respiratoria che trasferisce degli elettroni all’ossigeno. Il trasferimento produce 2,5 molecole di ATP per coppia di elettroni. La deidrogenazione e la decarbossilazione del piruvato ad acetil-CoA richiedono l’azione di tre enzimi diversi e di cinque gruppo prosterici: la tiamina pirofosfato (TPP), il flavin adenin dinucleotide (FAD), il coenzima A (CoA), il nicotinammide adenin dinucleotide (NAD) e il lipoato. Il CoA ha un gruppo reattivo tiolico (-SH) essenziale per la sua funzione di trasportatore di gruppi acilici in un certo numero di reazioni. I gruppi acilici formano legami tioestere quando si legano covalentemente al gruppo tiolico del CoA. I tioesteri hanno un elevato potenziale di trasferimento del gruppo acilico e quindi possono essere considerati come una forma di acile attivata. Il lipoato ha due gruppi tiolici che possono essere ossidati in modo reversibile e formare un ponte disolfuro (-S-S-). Il lipoato può servire sia come trasportatore di elettroni sia come trasportatore di acili. Il complesso della piruvato deidrogenasi (PDH) è costituito da molte copie di tre enzimi: la piruvato deidrogenasi (E1), la diidrolipoil transacetilasi (E2) e la diidrolipoil deidrogenasi (E3). Il numero di copie di ogni subunità, quindi la dimensione del complesso varia da un organismo all’altro. Sull’E2 si lega il gruppo prosterico lipoato tramite un legame ammidico con il gruppo ammidico di un residuo di Lys. Il sito attivo di E1 contiene la TPP, mentre quello di E3 ha legato a se il FAD. Il processo di decarbossilazione e di deidrogenazione del piruvato si svolge in 5 tappe: 1) L’atomo C-1 del piruvato viene rilasciato sotto forma di CO2 e l’atomo C-2 viene lefato alla TPP come gruppo idrossietilico. 2) Il gruppo idrossietilico viene ossidato a livello di acido carbossilico (acetato). I due elttroni rimossi nella reazione vanno a ridurre il ponte –S-S- del gruppo lipoilico sull’E2 formando due gruppi tiolici (-SH). Il residuo acetilico in questa reazione di ossidoriduzione viene prima esterificato su uno dei due gruppi –SH del gruppo lipoilico e poi transesterificato al CoA, formando acetil-CoA. 3) L’energia dell’ossidazione guida la formazione di un tioestere ad alta energia dell’acetato. 4) Le ultime due fasi sono caratterizzate dalla reazione catalizzata dal complesso PDH e consistono in una serie di trasferimenti elettronici necessari a rigenerare la forma ossidata a disolfuro del legame lipoilico dell’E2 e apreparare il complesso per un altro ciclo di ossidazione. Gli elettroni rimossi dal gruppo idrossietilico derivato dal piruvato passano al NAD+, transitando prima attraverso il FAD. REAZIONI DEL CICLO DI KREBS Il processo di ossidazione dell’acetil-CoA prende il nome di ciclo dell’acido citrico. Per iniziare, l’acetil-CoA dona il suo gruppo acetilico all’ossalacetato, un composto a quattro atomi di carbonio, formando il citrato a sei atomi di carbonio. Il citrato viene poi trasformato in isocitrato che viene deidrogenato con perdita di CO2, producendo l’α-chetoglutarato, a 5 atomi di carbonio. Questo perde un’altra molecola di CO2 e forma il succinato, questo viene convertito enzimaticamente in tre tappe in ossalacetato, il composto di partenza del ciclo. L’ossalacetato ora può nuovamente reagire con un’altra molecola di acetil-CoA. Quattro delle otto tappe di questo processo sono ossidazioni, in cui l’energia di ossidazione viene conservata con un altro grado di efficienza mediante la formazione dei coenzimi ridotti NADH e FADH2. Conservazione dell’energia delle ossidazioni del ciclo Nel ciclo è entrato un gruppo acetilico con due atomi di carbonio, combinandosi con l’ossalacetato. I due atomi di carbonio sono poi usciti dal ciclo sotto forma di due molecole CO2 dall’ossidazione prima dell’isocitrato e poi dell’α-chetoglutarato. L’energia rilasciata da queste ossidazioni è stata conservata mediante la riduzione di tre molecole di NAD+ e di una di FAD e la produzione di una molecola di GTP o di ATP. Alla fine del ciclo è stata rigenerata una molecola di ossalacetato. Da notare il fatto che i due atomi di carbonio che sono stati eliminati sotto forma di CO2 non sono i due atomi del gruppo acetilico; sono necessari altri giri del ciclo perché gli atomi entrati come unità acetilica possano uscire sotto forma di CO2. Il ciclo dell’acido citrico produce di per se una sola molecola di ATP per giro, ma nelle quattro reazioni di ossidazione che avvengono vengono liberati molti elettroni che sono poi trasferiti dal NADH e dal FADH2 alla catena respiratoria e determinano così la produzione di una gran numero di molecole di ATP nella fosforilazione ossidativa. Il trasferimento di due elettroni dal NADH all’O2 porta alla formazione di 2,5 molecole di ATP, mentre il trasferimento di due elettroni dal FADH2 all’O2 ne forma circa 1,5. Quando le due molecole di piruvato sono ossidate completamente a sei molecole di CO2 dalle reazioni del complesso della piruvato deidrogenasi e del ciclo dell’acido citrico e gli elettroni sono trasferiti all’O2 della catena respiratoria, si ottengono tramite la fosforilazione ossidativa 32 molecole di ATP per molecola di glucosio. Il ciclo dell’acido citrico fornisce molti precursori per molte vie biosintetiche. Quando gli intermedi del ciclo vengono sottratti al ciclo stesso essi possono essere rimpiazzati mediante reazioni anaplerotiche. Regolazione del ciclo dell’acido citrico Il complesso della piruvato deidrogenasi è fortemente inibito dall’ATP, dall’acetil-CoA e dal NADH, i prodotti della reazione da esso catalizzata. L’inibizione allosterica dell’ossidazione del piruvato viene aumentata dalla presenza di acidi grassi a catena lunga. AMP, CoA e NAD+, tuti composti la cui concentrazione tende ad aumentare quando il flusso di unità acetiliche all’interno del ciclo è troppo basso, attivano allostericamente il complesso della piruvato deidrogenasi. Questa attività enzimatica viene spenta quando sono disponibili grandi quantità di combustibili sotto forma di acidi grassi o di acetil-CoA e quanto i rapporti ATP/ADP e NADH/NAD+ sono elevati. Il complesso enzimatico viene inibito dalla fosforilazione reversibile di uno specifico residuo di Ser su una delle due subunità E1. Il complesso della piruvato deidrogenasi contiene due proteine regolatrici la cui sola funzione è di modulare l’attività del complesso. Una specifica proteina chinasi fosforila e inattiva l’enzima E1, e una specifica fosfoproteina fosfatasi rimuove il gruppo fosforico da E1, attivandolo. La chinasi è attivata allostericamente da ATP: quando il livelli di ATP sono elevati il complesso della piruvato deidrogenasi viene inattivato per fosforilazione di E1; quando il livelli di ATP sono bassi l’attività della chinasi si spegne e la fosfatasi rimuove i gruppi fosforici da E1, riattivando il complesso. La velocità del flusso attraverso il ciclo è regolata da tre fattori: la disponibilità del substrato, l’inibizione da accumulo di prodotti e l’inibizione allosterica retroattiva degli enzimi che catalizzano le prima tappe del ciclo. Vi sono tre tappe fortemente esoergoniche nel ciclo: quelle catalizzate dalla citrato sintasi, dall’isocitrato deidrogenasi e dall’α-chetoglutarato deidrogenasi. Ognuna di queste reazioni può divenire la tappa che regola la velocità la disponibilità dei substrati per la citrato sintasi può limitare la velocità di formazione del citrato. Quando il NADH, prodotto dall’isocitrato e dall’α-chetoglutaratom si accumula entrambe le reazioni deidrogenasiche sono fortemente inibite per azione di massa. La reazione della malato deidrogenasi è praticamente in equilibrio all’interno della cellula, e quando [NADH] è elevata la concentrazione di ossalacetato diminuisce, limitando la velocità della prima tappa del ciclo. Un accumulo dei prodotti inibisce tutte e tre le tappe limitanti del ciclo: il succinil-CoA inisbisce l’α-chetoglutarato deidrogenasi, il citrato blocca la citrato sintasi e il prodotto 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 Ca2+ che nel muscolo sono il segnale per la contrazione, e per una richiesa di ATP attivano sia l’isocitrato deidrogenasi sia l’α-chetoglutarato deidrogenasi, oltre al complesso della piruvato deidrogenasi. La velocità della glicolisi è regolata a quella del ciclo dell’acido citrico. CICLO DEL GLICOSILATO Alcuni organismi convertono l’acetato in carboidrati attraverso il ciclo del glicosilato. Questi organismi possiedono questa via metabolica che consente una conversione netta dell’acetato in succinato o in altri intermedi del ciclo dell’acido citrico a quattro atomi di carbonio. Nel ciclo del glicosilato, l’acetil-CoA si condensa con l’ossalacetato per formare citrato che viene convertito in isocitrato, come nel ciclo di Krebs. La tappa successiva però non è la degradazione dell’idocitrato ma la scissione dell’isocitrato, catalizzata dall’enzima isocitrato liasi, per formare succinato e glicosilato. Questo composto si condensa con una seconda molecola di acetil-CoA formando malato in una reazione catalizzata dalla malato sintasi. Il malato viene successivamente ossidato a ossalacetato, che può condensarsi con un’altra molecola di acetil-CoA e iniziare un altro giro del ciclo. Quindi due molecole di acetil-CoA vengono usate in ogni giro del ciclo con la concomitante produzione di una molecola di succinato. Il succinato può essere converito in ossalacetato attraverso gli intermedi fumarato e malato e poi in fosfoenolpiruvato e quindi può essere utilizzato come precursore della glucosio nella gluconeogenesi. I vertebrati non hanno gli enzimi specifici del ciclo del glicosilato e quindi non possono sintetizzare glucosio a partire da lipidi.