Decarbossilazione Ossidativa del Piruvato e Ciclo di Krebs PDF

Docente Sara Baldelli Lezione Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 2 di 31 ...

Docente Sara Baldelli Lezione Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 2 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: caratteristiche generali La decarbossilazione ossidativa del piruvato è una via metabolica che converte il piruvato in acetil- coenzima-A. È una reazione che avviene a cavallo del mitocondrio poiché il piruvato è trasportato all'interno della matrice mitocondriale. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 3 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: caratteristiche generali Dalla glicolisi la cellula ottiene il piruvato, che è lo ione dell'acido piruvico. Il piruvato è una molecola "ponte" tra la glicolisi e il ciclo di Krebs, poiché - attraverso una serie di reazioni enzimaticamente condotte - è metabolizzato in acetil-coenzima- A. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 4 di 31  Sara Baldelli Piruvato deidrogensi 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) assieme a cinque, differenti, cofattori che sono la tiamina pirofosfato (TPP o tiamina difosfato), il NAD (nicotinammide dinucleotide) il FAD (flavinadenin dinucleotide) il Coenzima A (CoA) e il lipoato. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 5 di 31  Sara Baldelli Valore energetico Le reazioni di decarbossilazione del piruvato hanno una importante valenza energetica. L'energia del glucosio è rilasciata soltanto parzialmente nelle tappe della glicolisi. Da ogni molecola di glucosio si ricavano due molecole di piruvato che sono ancora ridotte e potrebbero rilasciare un importante quantitativo d'energia. La presenza di una via metabolica tra la glicolisi e il ciclo di Krebs, di fatto, ottimizza la capacità di ottenere energia dal glucosio poiché il piruvato, tramite l'acetil-coenzima-A può essere veicolato verso le prime tappe del ciclo di Krebs. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 6 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe Dopo la glicolisi il piruvato in presenza di ossigeno può continuare la sua ossidazione nel mitocondrio. Essendo una molecola di piccole dimensioni riesce ad attraversare la membrana esterna, ma ha bisogno di un trasportatore specifico per attraversare la membrana interna. Il trasportatore permette l’entrata del piruvato effettuando un simporto con un protone. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 7 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe Una volta dentro la matrice mitocondriale, il piruvato viene convertito in acetil-CoA dal complesso della piruvato deidrogenasi (PDH), che consiste in tre enzimi, cinque coenzimi e due proteine regolatrici. Questo complesso multienzimatico catalizza la decarbossilazione ossidativa del piruvato. Questa decarbossilazione prevede che: Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 8 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe 1. Nella prima reazione il piruvato perde il gruppo carbossilico sotto forma di anidride carbonica (CO2) e si lega alla tiamina pirofosfato presente nel sito catalitico dell'enzima piruvato deidrogenasi (E1). Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 9 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe 2. La seconda reazione è coadiuvata dalla piruvato deidrogenasi (E1); in questo momento sono veicolati due idrogeni nel residuo del lipoato, il quale - a sua volta - è legato alla diidrolipoil transacetilasi mediante 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. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 10 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe 3. Nella fase successiva, interviene il coenzima-a che strappa dal legame zolfo-carbonio del complesso della diidrolipoil transacetilasi (E2) il gruppo acetilico e forma acetil-coenzima A. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 11 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe 4. La formazione dell'acetil-Coenzima A non coincide con la fine della via metabolica dell'ossidazione del piruvato. Quando il coenzima A è formato il lipoato legato all'enzima E2, mediante un residuo di lisina, permane nella sua forma ridotta e, di conseguenza non funzionale. Per ripristinare la forma ossidata del lipoato interviene l'enzima diidrolipoil deidrogenasi (E3) che in virtù della presenza del FAD accetta i due idrogeni. Il lipoato, a seguito, torna nello stato ossidato e può iniziare un nuovo ciclo. Il braccio del lipoato, o della lipolisina, si muove idealmente affacciandosi tra E1 ed E2. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 12 di 31  Sara Baldelli Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe Per ripristinare la forma ridotta del FAD interviene l'altro trasportatore di elettroni: il NAD. Questo accetta una molecola di idrogeno (H2) e la incorpora nel suo anello niacinico. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 13 di 31  Sara Baldelli Destino Acetil-CoA Il destino dell'acetil-coenzima A, a questo punto, può seguire due strade diverse: può entrare nel ciclo di Krebs oppure diventare il precursore per la biosintesi dei lipidi. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 14 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: caratteristiche generali Il ciclo dell’acido citrico, o ciclo di Krebs, o ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA), è un processo catalitico a 8 tappe che converte i gruppi acetile derivati dai carboidrati, dagli acidi grassi e dagli 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. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 15 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: caratteristiche generali Il ciclo dell’acido citrico (ciclo di Krebs, ciclo degli acidi tricarbossilici) è una serie di otto reazioni che 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 Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 16 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 1. Nella prima tappa effettiva del ciclo di Krebs, l’acetil-CoA va incontro ad idrolisi e il gruppo acetilico si lega al gruppo carbonilico dell’ossalacetato. La reazione è catalizzata dalla citrato sintasi, che lega prima l’ossalacetato, responsabile di una modificazione conformazionale dell’enzima, e poi il gruppo acetil-CoA. Nel sito attivo si forma dapprima un composto intermedio, il citroil-CoA, dopodiché una seconda modificazione conformazionale porta all’idrolisi del coenzima A e alla formazione del citrato. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 17 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 2. Il citrato viene trasfromato in isocitrato mediante una reazione che porta ad un composto intermedio (cis-aconitato). Lo scopo della reazione è spostare il gruppo -OH dal carbonio in posizione 3 al carbonio in posizione 4 attraverso l’eliminazione e poi l’aggiunta di una molecola d’acqua. L’enzima che catalizza la reazione prende il nome di aconitasi. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 18 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 3. A questo punto si passa da un composto a sei atomi di carbonio ad un composto che ne ha cinque: l’isocitrato deidrogenasi catalizza la rimozione di un gruppo carbossilico con formazione di α-chetoglutarato. La reazione avviene in più step. Inizialmente il gruppo -OH posto precedentemente sul carbonio 4 viene ossidato. Successivamente l’intermedio viene decarbossilato a livello del carbonio 3 ed infine, il composto enolico che si forma viene riarrangiato per formare α-chetoglutarato. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 19 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 4. 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. Si può infatti ipotizzare la presenza di un gene ancestrale comune, che, a seguito di duplicazione genica, è andato incontro ad evoluzione divergente. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 20 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 5. Di nuovo il coenzima A viene idrolizzato e l’energia rilasciata utilizzata per formare GTP. Il processo catalizzato dalla succinil- CoA sintetasi porta alla formazione di succinato. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 21 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 6. In seguito, il succinato viene ossidato a fumarato grazie alla flavoproteina succinato deidrogenasi. L’enzima è legato covalentemente al FAD che durante il corso della reazione viene ridotto a FADH2. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 22 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe 7. L’enzima fumarasi o fumarato idratasi idrata il fumarato ad L- malato attraverso la formazione di un intermedio carbocationico. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 23 di 31  Sara Baldelli Ciclo di Krebs: le tappe L’ultima reazione del ciclo è quella che riforma l’ossalacetato. L’L-malato viene ossidato dall’L-malato deidrogenasi con riduzione di NAD in NADH. Normalmente l’equilibrio di questa reazione è spostato verso sinistra ma grazie ad una costante rimozione di ossalacetato (ad opera della citrato sintasi) viene deviato a destra. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 24 di 31  Sara Baldelli Resa energetica Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 25 di 31  Sara Baldelli Regolazione 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. NADH viene rapidamente ossidato ed aumenta la velocità del ciclo di Krebs. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 26 di 31  Sara Baldelli Regolazione 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+ ed FADH2 entrano nella catena di trasporto degli elettroni localizzata nella membrana interna del mitocondrio. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 27 di 31  Sara Baldelli Funzione biosintetica del ciclo di Krebs - Alcuni metaboliti del ciclo di Krebs possono dare origine ad amminoacidi: a) l’acido α-chetoglutarico dà origine all’acido glutammico per transaminazione e alla glutammina b) il succinil CoA dà origine alla metionina, lisina, treonina e leucina c) l’acido ossalacetico dà origine all’acido aspartico per transaminazione e all’asparagina Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 28 di 31  Sara Baldelli Funzione biosintetica del ciclo di Krebs Quando l’acido citrico (che si ottiene dalla condensazione di acido ossalacetico ed acetil CoA) è in eccesso (per esempio dopo un pasto molto ricco di carboidrati), fuoriesce dai mitocondri e nel citosol produce acetil CoA, dal quale poi inizia la sintesi di acidi grassi. Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 29 di 31  Sara Baldelli Funzione biosintetica del ciclo di Krebs Gli intermedi del ciclo di Krebs devono essere sostituiti se sottratti per le biosintesi. Se, per esempio, l’acido ossalacetico è convertito in un amminoacido per la sintesi proteica, allora nuovo acido ossalacetico si formerà da acido piruvico. La reazione, catalizzata dalla piruvico carbossilasi, è la seguente: Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 30 di 31  Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbiamo trattato di: Decarbossilazione ossidativa del piruvato: caratteristiche generali; Piruvato deidrogensi; Valore energetico; Decarbossilazione ossidativa del piruvato: le tappe; Destino Acetil-CoA; Ciclo di Krebs: caratteristiche generali; Ciclo di Krebs: le tappe; Resa energetica; Regolazione ciclo di Krebs; Funzione biosintetica del ciclo di Krebs Decarbossilazione ossidativa del piruvato e ciclo di Krebs 31 di 31