Destino del piruvato

Il ciclo dell'acido citrico

L'acetile deriva a partire dal piruvato prodotto dalla glicolisi. L'acetil-CoA deriva anche dalla combustione degli altri nutrienti, in particolare i lipidi e gli amminoacidi. Il ciclo dell'acido citrico rappresenta la via centrale comune per la degradazione ossidativa di tutti i nutrienti energetici (carboidrati, lipidi, e anche proteine) nelle cellule aerobiche. Dal punto di vista biochimico, la respirazione è, per gli organismi organotrofi, l'ossidazione da parte dell'O2 di nutrienti organici (i combustibili metabolici). Nei eucarioti, la respirazione cellulare ha sede nel mitocondrio. Il processo di respirazione cellulare può essere diviso in 3 stadi: 1) Generazione di acetil-CoA (forma attivata di gruppo acetile, composto a 2 atomi di carbonio); 2) Ossidazione del gruppo acetile nel ciclo dell'acido citrico. In questa fase si ha produzione di CO2 e di trasportatori ridotti di elettroni (NADH, FADH2) da parte dell'O2; 3) Produzione di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa.

Ossidazione dei trasportatori ridotti di elettroni nel processo di trasporto elettronico accoppiato alla sintesi di ATP (fosforilazione ossidativa). Tutte e tre le fasi negli eucarioti avvengono nei mitocondri, la sede della maggior parte del metabolismo aerobico. Nei procarioti, invece, anche esse possono compiere catabolismo ma non è confinato all'interno di mitocondri aerobico.

Il piruvato prodotto dalla glicolisi viene convertito in CO attraverso 3 decarbossilazioni oxidative. Il CoA è un trasportatore di gruppi acile "attivati".

1. I primi 2 stadi, produzione di acetil-CoA e ciclo del citrato, avvengono nella matrice mitocondriale.
2. Il 3° stadio, la fosforilazione ossidativa, ovvero trasporto elettronico e fosforilazione dell'ADP, avvengono nella membrana mitocondriale interna a livello delle creste mitocondriali.

I mitocondri sono organuli circondati da due membrane: una esterna e una interna. Quella interna è molto più estesa grazie

ai ripiegamenti presenti all'interno. È piena degli enzimi che catalizzano le reazioni del terzo stadio.

Il piruvato è una delle principali fonti, ma può essere prodotto anche da altri combustibili metabolici e dal catabolismo degli amminoacidi.

OSSIDAZIONE DEL PIRUVATO: PRIMA TAPPA DELLA FASE AEROBICA

Il piruvato è una delle principali fonti di acetil-CoA. L'acetil-CoA deriva anche dal catabolismo degli acidi grassi e dal catabolismo degli amminoacidi.

La conversione di piruvato in acetil-CoA è una decarbossilazione ossidativa catalizzata dal complesso della piruvato deidrogenasi.

La reazione è un processo irreversibile, la reazione è molto complessa. È catalizzata da un complesso di enzimi chiamato complesso della piruvato deidrogenasi. È anche una ossidoriduzione, sottolineato dal nome dell'enzima. Il complesso enzimatico comprende 3 enzimi che usano 5 diversi coenzimi.

Il complesso della piruvato deidrogenasi

comprende 3 enzimi e utilizza 5 coenzimi (2 cosubstrati e 3 gruppiprostetici):

Gli enzimi sono:

• Piruvato decarbossilasi (E1)
• Diidrolipoammide transacetilasi (E2)
• Diidrolipoammide deidrogenasi (E3)

I coenzimi sono:

• NAD, coenzima A (CoA) (cosubstrati)
• Tiamina pirofosfato (TPP) (gruppo prostetico, legata a E1)
• Lipoamide (gruppo prostetico, legato a E2)
• FAD (gruppo prostetico, legato a E3)

Il complesso di mitocondrio di mammifero ha dimensioni doppie di quelle del complesso di E. coli e contiene anche subunità regolatorie.

La reazione deve accoppiare la carbossilazione all'ossidazione e aldell'acetato al CoA. Il grado di complicazione è dato dalla necessità di accoppiare processi diversi. Il complesso enzimatico permette di accoppiare la decarbossilazione del piruvato con l'ossidazione del risultante prodotto e con il suo legame al CoA. 2'.

La struttura del NADP è uguale a quella del NAD, con un gruppo

Il fosfato esterificato in posizione L'anello tiazolico è la porzione del cofattore coinvolta nella catalisi. Il C in posizione 2 tra gli atomi elettronegativi di N e S è acido (tende a cedere H): il C2 si comporta quindi da nucleofilo.

La TPP è il coenzima anche della piruvato decarbossilasi di lievito, che partecipa alla fermentazione alcoolica. L'anello La lipoammide è il prodotto della formazione di un legame ammidico tra acido lipidico e un residuo di lisina. Esiste sia in forma ossidata con il gruppo disolfuro, ma anche in forma ridotta con i due atomi di zolfo come gruppi tiolici. Oltre a funzionare come trasportatori di elettroni, funziona anche come trasportatore di gruppi acile sotto forma di tioestere. La lipoammide (che esiste in 2 forme, ossidata e ridotta) è un trasportatore sia di gruppi acile (come tioestere) sia di elettroni (una coppia di elettroni).

Il gruppo idrossietilico (forma attivata di acetaldeide), nel

trasferimento al gruppo disolfuro della lipoammide (forma-ossidata), viene contemporaneamente ossidato (2e ) agruppo acetile (formando un gruppo tioestere: formaL’ossidazione del gruppo aldeidicoattivata di acetato). èaccompagnata alla riduzione della lipoammide dadisolfuro a ditiolo.Il gruppo acetile sarà poi trasferito al CoA. Lalipoammide rimane ridotta dopo aver trasferito l’acetile,perché i due elettroni restano sullo zolfo che diventa ungruppo tiolico. Per concludere il ciclo bisognariossidare la lipoammide, per farlo si usa un enzima che usa il FAD come gruppo prostetico. Il coenzima A è underivato dell’ADP: è un trasportatore di gruppi acile attivati.La porzione attiva del CoA è il gruppo tiolico. L’acetil-CoA contiene un gruppo tioestere.L’idrolisi di un L’acil-CoAtioestere è fortemente esoergonica.ha un elevato potenziale di trasferimento del gruppo acile. Itioesteri sono meno stabili degli

esteri perché non sono (l'ossigeno è più elettronegativo dello stabilizzati per risonanza zolfo). I legami estere sono più stabili dei tioesteri, perché l'ossigeno si presta a permettere una buona delocalizzazione degli elettroni p. Questa delocalizzazione non è possibile nel gruppo tioestere perché lo zolfo non è abbastanza elettronegativo per attrarre questi elettroni. I legami tioestere fanno sì che la rottura del legame comporti una variazione di energia libera molto grande, e ciò permette di attivare il gruppo acile, conferendo all'acetil-CoA un alto potenziale di trasferimento del gruppo acile stesso. Il gruppo idrossietile legato alla TPP viene trasferito alla lipoamide ossidata riducendola contemporaneamente ad idrolipoamide. L'idrossietile (acetaldeide) viene quando l'acetile è poi trasferito al CoA, ossidato ad acetile (acetato). I due elettroni restano alla diidrolipoamide. Complesso

Modello in sezione della struttura molecolare 3D del complesso della piruvato deidrogenasi di mammifero. 60 subunità complessive. La transacetilasi (E2) in verde, con in blu i domini che contengono la lipoamide (*).

Trasferimento efficiente di intermedi di reazione (gruppi di atomi ed elettroni) tra coenzimi minimizzando reazioni collaterali indesiderate e senza diffusione all'esterno di intermedi (canalizzazione). IL CICLO DELL'ACIDO CITRICO l'acetile ossidandolo ad anidride carbonica. Sono in totale è quella via metabolica centrale che permette di trasformare 8 reazioni.

Fase 1 (4 reazioni):

Fase ossidativa all'ossalacetato

Addizione del gruppo acetile seguita dalla perdita di 2 atomi di carbonio come CO2 (decarbossilazioni ossidative).

Fase 2 (4 reazioni): dell'ossalacetato.

Fase di rigenerazione → Acetil-CoA + COO-CH2-CO-COO + 3NAD+ FAD+ ADP+ Pi → COO-CH2-CO-COO + 2CO2 + 3NADH + 2FADH2 + CoA-SH + ATP

prodotto dell'ultima. La via è ciclica grazie al reagente della prima reazione, che è anche Ossalacetato è l'accettore del gruppo acetile. L'acido citrico contiene 3 gruppi carbossilici. Tutti gli altri sono acidicarbossilici. È un esempio di ciclo. All'inizio forma citrato, che viene decarbossilato due volte, diventando un composto a 4 atomi di carbonio, che viene trasformato per rigenerare l'ossalacetato, il prodotto di partenza. I gruppi carbossilici sono la fonte di anidride carbonica. Sono otto passaggi.

REAZIONE 1: ENTRATA NEL CICLO DI 2 ATOMI DI CARBONIO

La prima reazione è quella attraverso cui l'acetile viene trasferito all'ossalacetato. L'acetil-CoA ha un elevato potenziale di trasferimento e quindi la reazione è favorevole. L'equilibrio è molto spostata verso destra. Si tratta di una condensazione di Claisen.

dell'acetile all'ossalacetato Trasferimento dal CoA a dare

citrato.La reazione è simile a una condensazione di Claisen (reazione tra esteri).È una reazione fortementeLa reazione è catalizzata dalla citrato sintasi (classe delle transferasi). esoergonica datoche l'acetil-CoA ha un alto potenziale di trasferimento del gruppo acetile).Molti enzimi sono definiti così: sintasi non va confuso con sintetasi.Sintasi: enzimi che catalizzano reazioni di sintesi senza impiego di ATP (al contrario di quanto avviene nel caso dellesintetasi, che sono ATP-dipendenti). Mentre le sintetasi sono un classi di enzimi, le sintasi sono un gruppo di enzimiappartenenti alla classe delle transferasi.

REAZIONE 2: ISOMERIZZAZIONE DEL CITRATOTrasferimento dell'-OHIsomerizzazione del citrato in d-isocitrato. del gruppo alcoolico terziario al carbonioadiacente, a dare un gruppo alcoolico secondario che potrà poi essere ossidato a gruppo carbonilico.Il nome è il nome d'uso e deriva dal fatto che un intermedio

È l'aconitato (cis-La reazione è catalizzata dalla aconitasi.aconitato).La reazione è di isomerizzazione e si forma l'enantiomero D.L'aconitato il nome all'enzima) è un complessato con l'enzima.(che dà intermedio che esiste soloREAZIONE 3: PRIMA DECARBOSSILAZIONEα-chetoglutarato.dell'isocitratoDecarbossilazione ossidativa a dare Reazione catalizzata dalla isocitratoL'ossidante è il +deidrogenasi. NAD che viene ridotto a NADH.–OHIl gruppo è ossidato a gruppo chetonico, a cui segue la decarbossilazione del gruppo carbossilico centrale. Ilβgruppo carbonilico in posizione facilita la decarbossilazi