Destino del Piruvato e Decarbossilazione Ossidativa

Destino del Piruvato

• Il destino del piruvato può essere la fermentazione in assenza di ossigeno o la respirazione cellulare in presenza di ossigeno.
• In assenza di ossigeno, il piruvato può essere convertito in lattato (fermentazione lattica) o in etanolo (fermentazione alcolica).
• In presenza di ossigeno, il piruvato viene trasformato in Acetil-CoA e entra nel ciclo di Krebs.

Caratteristiche Generali della Decarbossilazione Ossidativa del Piruvato

• La decarbossilazione ossidativa del piruvato è una via metabolica che converte il piruvato in Acetil-CoA.
• Avviene a cavallo del mitocondrio, poiché il piruvato viene trasportato all'interno della matrice mitocondriale.
• Il piruvato, ottenuto dalla glicolisi, è lo ione dell'acido piruvico e rappresenta una molecola "ponte" tra la glicolisi e il ciclo di Krebs.
• Il piruvato viene metabolizzato in acetil-coenzima-A tramite una serie di reazioni enzimaticamente condotte.

Piruvato Deidrogenasi

• La via metabolica della decarbossilazione ossidativa del piruvato richiede un complesso enzimatico formato dagli enzimi piruvato deidrogenasi (E1), diidrolipoil transacetilasi (E2) e diidrolipoil deidrogenasi (E3).
• Richiede la presenza di cinque cofattori differenti: tiamina pirofosfato (TPP), NAD, FAD, Coenzima A (CoA) e lipoato.

Valore Energetico

• Le reazioni di decarbossilazione del piruvato possiedono una notevole importanza energetica.
• L'energia del glucosio viene rilasciata solo parzialmente durante la glicolisi.
• Da ogni molecola di glucosio si ottengono due molecole di piruvato che contengono un'importante quantità di energia.
• La presenza di questa via metabolica ottimizza la capacità di ottenere energia dal glucosio poiché il piruvato, tramite l'acetil-coenzima-A, viene indirizzato verso le prime tappe del ciclo di Krebs.

Tappe della Decarbossilazione Ossidativa del Piruvato

• Dopo la glicolisi, in presenza di ossigeno, il piruvato prosegue la sua ossidazione nel mitocondrio.
• Il piruvato attraversa la membrana esterna mitocondriale e si lega a un trasportatore specifico per superare la membrana interna tramite simporto con un protone.
• All'interno della matrice mitocondriale, il piruvato è convertito in acetil-CoA dal complesso della piruvato deidrogenasi (PDH).
• Il complesso PDH è composto da tre enzimi, cinque coenzimi e due proteine regolatrici.
• La decarbossilazione ossidativa del piruvato prevede diverse reazioni.

Reazioni della Decarbossilazione Ossidativa del Piruvato

• Nella prima reazione, il piruvato perde il gruppo carbossilico sotto forma di anidride carbonica (CO2) e si lega alla tiamina pirofosfato (TPP) nel sito catalitico dell'enzima piruvato deidrogenasi (E1).
• La seconda reazione è coadiuvata dalla piruvato deidrogenasi (E1), durante la quale due atomi di idrogeno vengono trasferiti al residuo del lipoato, legato alla diidrolipoil transacetilasi (E2) tramite un residuo di lisina; la donazione di due idrogeni da parte del residuo idrossialchilico del piruvato forma un acetato che si lega a un atomo di zolfo del lipoato.
• Nella fase successiva, il coenzima A interviene, staccando il gruppo acetilico dal legame zolfo-carbonio del complesso diidrolipoil transacetilasi (E2) per formare acetil-coenzima A.
• Infine, avviene la formazione dell'acetil-Coenzima A con la rigenerazione del lipoato, mediante l'enzima diidrolipoil deidrogenasi (E3), in presenza di FAD.
• Per ripristinare la forma ridotta del FAD interviene il NAD, accettando una molecola di idrogeno (H2).

Destino dell'Acetil-CoA

• L'acetil-coenzima A può seguire due vie: entrare nel ciclo di Krebs o diventare il precursore per la biosintesi dei lipidi..

Caratteristiche Generali del Ciclo di Krebs

• Il ciclo dell'acido citrico, noto anche come ciclo di Krebs, è una serie di otto reazioni che ossidano il gruppo acetile dell'Acetil CoA a due molecole di CO2.
• Conserva l'energia libera in 3 NADH, 1 FADH2 e 1 GTP.
• È un processo catalitico a 8 tappe che trasforma i gruppi acetile derivati da carboidrati, acidi grassi e amminoacidi in CO2, producendo NADH, FADH2 e GTP (energia metabolica).
• Il ciclo dell'acido citrico è una via metabolica strettamente aerobica che si svolge nella matrice mitocondriale.

Tappe del Ciclo di Krebs

• Nella prima tappa, l'acetil-CoA subisce idrolisi e il gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico dell'ossalacetato.
• La reazione è catalizzata dall'enzima citrato sintasi.
• L'enzima citrato sintasi lega prima l'ossalacetato, poi il gruppo acetil-CoA; nel sito attivo si forma un composto intermedio, il citroil-CoA.
• Successivamente il citroil-CoA porta all'idrolisi del coenzima A e alla formazione del citrato.
• Il citrato viene trasformato in isocitrato mediante una reazione che comporta la formazione di un composto intermedio, il cis-aconitato.
• Lo scopo della reazione è spostare il gruppo -OH; l'enzima che catalizza questa reazione è l'aconitasi.
• L'isocitrato deidrogenasi catalizza la rimozione di un gruppo carbossilico con formazione di α-chetoglutarato.
• Una seconda decarbossilazione, con l'aggiunta del coenzima A, porta alla formazione del succinil-CoA.
• Il complesso che catalizza la reazione, l'α-chetoglutarato deidrogenasi, è simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi.
• Di nuovo il coenzima A viene idrolizzato e l'energia rilasciata utilizzata per formare GTP ad opera dell'enzima succinil-CoA sintetasi, porta alla formazione di succinato.
• Il succinato viene convertito in fumarato grazie all'enzima flavoproteina succinato deidrogenasi legato covalentemente al FAD.
• Il fumarato viene idratato ad L-malato attraverso la formazione di un intermedio carbocationico ad opera dell'enzima fumarasi o fumarato idratasi.
• L'ultima reazione del ciclo è quella è che riforma l'ossalacetato ad opera dell'enzima L-malato deidrogenasi.

Resa Energetica

• Per una molecola di Acetil CoA si ha la produzione di 2 CO2, 3 NADH, GTP e 1 FADH2

Regolazione del Ciclo di Krebs

• Il ciclo è regolato dalle necessità energetiche della cellula, cioè dalla concentrazione di ATP.
• Quando la cellula richiede energia, vengono accelerate le reazioni della catena di trasporto degli elettroni.
• Il NADH viene rapidamente ossidato ed aumenta la velocità del ciclo di Krebs.
• Quando la concentrazione di ATP è elevata, diminuisce la velocità della catena di trasporto degli elettroni, aumenta la concentrazione di NADH e viene inibito il ciclo di Krebs.
• NADH + H+ e FADH2 entrano nella catena di trasporto degli elettroni localizzata nella membrana interna del mitocondrio.

Funzione Biosintetica del Ciclo di Krebs

• Alcuni metaboliti del ciclo di Krebs possono dare origine agli amminoacidi.
• L'acido α-chetoglutarico dà origine all'acido glutammico per transaminazione e alla glutammina.
• Il succinil CoA dà origine alla metionina, lisina, treonina e leucina.
• L'acido ossalacetico dà origine all'acido aspartico per transaminazione e all'asparagina.
• Quando l'acido citrico, si ottiene dalla condensazione di acido ossalacetico ed acetil CoA è presente in eccesso, fuoriesce dai mitocondri e nel citosol produce acetil CoA, dal quale poi inizia la sintesi di acidi grassi.
• Gli intermedi del ciclo di Krebs devono essere sostituiti se sottratti per le biosintesi.
• Se l'acido ossalacetico è convertito in un amminoacido per la sintesi proteica, nuovo acido ossalacetico proviene da acido piruvico ad opera della piruvico carbossilasi.