Catabolismo: Panoramica e Destini del Piruvato

Panoramica del Catabolismo

• Carboidrati, lipidi e proteine vengono ossidati e convergono in pochi intermedi comuni a due atomi di carbonio, nella forma di acetil-CoA.
• L'acetil-CoA viene ossidato a CO2, con la formazione di coenzimi ridotti.
• I coenzimi ridotti vengono riossidati nella catena di trasporto degli elettroni, riducendo O₂ ad H2O e sintetizzando ATP.

Destini del Piruvato

• Il piruvato, derivante dalla glicolisi, può essere convertito in acetil-CoA dal complesso della piruvato deidrogenasi.
• La decarbossilazione ossidativa del piruvato produce acetil-CoA e CO2
• Essa costituisce il legame tra la glicolisi e il ciclo dell'acido citrico.
• La reazione avviene nei mitocondri, dove il piruvato viene trasportato attivamente.
• Il complesso della piruvato deidrogenasi rappresenta il ponte di collegamento tra glicolisi e ciclo dell'acido citrico.
• La reazione complessa catalizzata dal complesso è irreversibile, ed il piruvato può essere decarbossilato, ossidato e l'unità acetilica rimanente legata al CoA.
• Non è possibile compiere il percorso inverso, ossia convertire acetil-CoA in piruvato.
• L'irreversibilità di questa reazione e l'assenza di vie metaboliche alternative spiega perché non è possibile utilizzare l'acetil-CoA, e quindi gli acidi grassi, per la gluconeogenesi.
• Il meccanismo di fosforilazione è molto complesso e coinvolge CoA, NAD+ e altri colatori catalitici quali diammi.

Complesso della Piruvato Deidrogenasi (PDC)

• Le cinque reazioni sono catalizzate dal complesso della piruvato deidrogenasi (PDC).
• L'arsenico può causare avvelenamento mediante inattivazione della piruvato deidrogenasi.
• I complessi multienzimatici sono importanti perché la distanza percorsa dai substrati di reazioni poste in sequenza è molto minore.
• È inoltre diminuita la possibilità di reazioni collaterali e poiché è possibile un controllo coordinato delle reazioni.
• Il complesso di piruvato deidrogenasi mostra una diversa composizione di subunità nei procarioti e eucarioti.
• E. coli: E1 ha 24 (αβ) subunità, E2 ha 24 (βω3) subunità, mentre E3 ha 12 subunità.
• Nei mammiferi, E1 ha 60 (αβ) subunità, E2 ha 60 (α) e E3 ha 12 (αβ).

Ciclo di Krebs

• Il ciclo dell'acido citrico (ciclo di Krebs, ciclo degli acidi tricarbossilici) è una serie di otto reazioni.
• Le otto reazioni ossidano il gruppo acetile dell'Acetil CoA a 2 molecole di CO2, conservando l'energia libera in 3 NADH e 1 FADH2 e 1 GTP.
• Il ciclo di Krebs non è semplicemente la continuazione della via glicolitica, ma una via centrale del metabolismo
• Negli eucarioti avviene interamente nei mitocondri, dove tutti i substrati devono essere prodotti o trasportati all'interno.
• I prodotti e gli intermedi devono essere utilizzati all'interno dei mitocondri o trasportati nel citosol successivamente.
• Il ciclo di Krebs è una via metabolica centrale, di importanza fondamentale per tutte le cellule.
• Negli organismi aerobici collega le vie cataboliche - ossidative - di carboidrati, grassi e proteine.

Fasi del Ciclo dell'Acido Citrico

• É costituito da 8 tappe divise in due fasi:
  • Condensazione dell'acetil-CoA con l'ossalacetato e ossidazione di due atomi di carbonio a CO2 (reazioni 1-4).
  • Rigenerazione dell'ossalacetato (reazioni 5-8).
• La resa energetica è di 3 NADH, 1 FADH2 e 1 GTP.
• Il ciclo si svolge nella matrice mitocondriale.

Tappe del Ciclo di Krebs

• Formazione del citrato: condensazione di acetil-CoA e ossalacetato, regolata dalla citrato sintasi.
• Isomerizzazione del citrato: conversione del citrato in isocitrato tramite l'aconitasi.
• Ossidazione dell'isocitrato: generazione di CO2 e NADH ad opera dell'isocitrato deidrogenasi.
• Generazione della seconda molecola di CO2: formazione di NADH e succinil-CoA, reazione analoga a quella della piruvato deidrogenasi.
• Fosforilazione a livello del substrato: produzione di GTP partendo da succinil-CoA.
• Deidrogenazione flavina-dipendente: ossidazione del succinato a fumarato, reazione stereoselettiva.
• Idratazione di un doppio legame C-C: conversione del fumarato in L-malato.
• Rigenerazione dell'ossalacetato: ossidazione del malato a ossalacetato.
• Nella prima reazione si ha la condensazione di Acetil-CoA + Oxalacetato con produzione di Citrato.

Regolazione del Ciclo di Krebs

• II Calcio (Ca2+) è un regolatore allosterico (attivatore) della Piruvato deidrogenasi.
• II Calcio è un regolatore allosterico (attivatore) dell'Isocitrato deidrogenasi.
• II Calcio è un regolatore allosterico (attivatore) dell'α-ketoglutarato deidrogenasi.
• (nel muscolo) II Ca2+ stimola sia la contrazione muscolare sia la produzione dell'energia ad essa necessaria.
• La velocità di formazione dell'alfa-chetoglutarato si riflette sulla velocità complessiva del ciclo: l'isocitrato deidrogenasi è stimolata allostericamente da ADP, inibita da NADH e da ATP.
• Il ciclo è regolato su tre tappe fortemente esoergoniche.
• L' Inibizione da prodotto da parte del citrato sulla citrato sintasi (reaz. 1).
• inibizione del NADH sulla isocitrato deidrogenasi (reaz. 3).
• È data dall'inibizione del NADH sulla α-chetoglutarato deidrogenasi (reaz. 4).
• Inoltre si ha l'inibizione retroattiva da parte dell' ATP sulla piruvato deidrogenasi e sulle reaz. 1 e 3.
• II Ca2+ e l' ADP sono attivatori.

Funzioni Anfiboliche

• Il ciclo dell'acido citrico svolge funzioni sia cataboliche che anaboliche.
• Fornisce metaboliti per la gluconeogenesi, la sintesi degli acidi grassi e di amminoacidi.
• Le reazioni anaplerotiche riforniscono il ciclo di intermedi sottratti per la sintesi di vari composti senza passare attraverso la formazione di acetil-CoA.
• In condizioni normali c'è equilibrio dinamico tra le reazioni.
• Il ripristino dell'ossalacetato avviene tramite carbossilazione ATP-dipendente del piruvato, catalizzata dalla piruvato carbossilasi.
• Il coenzima impiegato è la biotina e l'acetil-CoA è un attivatore allosterico.

Ossida i carboidrati, i lipidi e le proteine convergono in acetil-CoA. Il piruvato, prodotto dalla glicolisi, si trasforma in acetil-CoA tramite il complesso della piruvato deidrogenasi, collegando glicolisi e ciclo dell'acido citrico. La reazione avviene nei mitocondri.