Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lehninger

RESPIRAZIONE

Vediamo cosa succede al piruvato in presenza di ossigeno, in particolare negli eucarioti che possiedono i mitocondri. Nel mitocondrio, come primo passaggio il piruvato viene convertito in acetil-CoA e va incontro a una serie di processi che prendono il nome di respirazione cellulare, che comprende tutti i processi che consumano O2 e producono CO2.

Ossidazione del piruvato: L'acetil-CoA si forma a partire dal piruvato, e quindi dalla degradazione degli zuccheri, ma esso rappresenta anche il prodotto della degradazione degli acidi grassi e anche di alcuni amminoacidi. Una volta formata la molecola di acetil-CoA, essa va incontro a una via metabolica ciclica nella quale l'acetile viene completamente ossidato a CO2 e i processi redox che avvengono comportano il trasferimento di elettroni su molecole, il NADH e il FADH2, che trasferiscono i loro elettroni all'ossigeno attraverso una catena di trasportatori degli elettroni. In quest'ultimo processo, che prende il nome di...

La fosforilazione ossidativa, l'energia derivante dal trasferimento di elettroni viene usata per generare un gradiente elettrochimico che consente la formazione di ATP.

L'acetil-CoA presenta un legame tioestere, che si realizza mediante la reazione dei gruppi acilici, in questo caso il gruppo acetile, con la molecola complessa di Coenzima-A, che nella sua struttura ha una porzione composta da un derivato purinico, la 3'-fosfoadenosina difosfato, una molecola di acido pantotenico, che è una vitamina e come tale deve essere ottenuta con la dieta, e una β-meracapto-etilammina: la porzione reattiva è il gruppo tiolico di quest'ultima, perciò il CoA viene indicato spesso come CoA-SH, questo SH si lega con il gruppo acetile, formando un legame ad alta energia.

L'acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs condensandosi con ossalacetato e formando così citrato, un acido tricarbossilico che entra nel ciclo di Krebs, che comprende 4 reazioni di ossidazione di cui

3 formano NADH, una forma FADH2, due reazioni di decarbossilazione con eliminazione di CO2 e una reazione in cui viene sintetizzato GTP, molecola ad alta energia, nel passaggio da succinil-CoA a succinato.

La reazione di formazione di acetil-CoA da piruvato è catalizzata dalla piruvato deidrogenasi, avviene nel mitocondrio, dove il piruvato viene traslocato mediante un trasportatore specifico, ed è una decarbossilazione ossidativa, irreversibile, in cui l'agente ossidante è il NAD+. Il piruvato subisce decarbossilazione formando CO2, con la formazione del legame tioestere con il gruppo acetile.

Questa reazione è irreversibile e non è catalizzata da un unico enzima, ma da un complesso multienzimatico: i complessi multienzimatici sono complessi di diversi enzimi che catalizzano tappe successive di una via metabolica e sono uniti tra di loro tramite legami deboli, formando appunto un complesso. Il complesso della piruvato deidrogenasi è formato da tre

enzimi diversi, ciascuno dei quali presente in più copie a seconda delle specie: un enzima E o piruvato1decarbossilasi, un enzima E o diidrolipoil-transacetilasi e un enzima E o diidrolipoil-2 3deidrogenasi. Un complesso multiezimatico, rispetto a enzimi non vicini fisicamente, aumenta l'efficienza catalitica perché vengono evitati i processi legati alla diffusione del substrato: nel caso di due enzimi in un complesso, il primo catalizza la prima reazione e il prodotto si viene a localizzare direttamente sul sito attivo del secondo enzima. L'efficienza catalitica è limitata dalla frequenza di collisione degli enzimi con i loro substrati, in questo caso quindi si ha efficienza massima, inoltre l'intermedio viene incanalato verso la reazione successiva e si limitano reazioni collaterali a cui potrebbe andare incontro. Il complesso della piruvato deidrogenasi è composto da 3 enzimi diversi, ad esempio in E.coli sono presenti 24 subunità.

di E , 24 di E , 12 di E , nei1 2 3mammiferi il numero di subunità è diverso ma il meccanismo d'azione è lo stesso. +Assieme al complesso multienzimatico agiscono dei cofattori, come il CoA e il NAD , che sitrovano nella stechiometria della reazione e sono quindi detti coenzimi stechiometrici, inoltre visono anche altri coenzimi che partecipano al meccanismo di reazione in maniera non stechiometricabensì catalitica, cioè vengono rigenerati: la tiamina pirofosfato, che è il coenzima di E , la1+lipoammide, che insieme al CoA lega E , e il FAD, che assieme al NAD si lega a E .2 3La tiamina pirofosfato è un derivato della vitamina B1, la tiamina, che deve essere ingerita con ladieta: una carenza di tiamina determina l'insorgenza di una malattia di carattere neurologico dettaberiberi, in passato molto diffusa nella popolazione cinese, soprattutto nelle campagne, dove ladieta è a base quasi esclusiva di riso privato della

porzione esterna, nella quale si trova la tiamina. La tiamina è importante proprio perché costituisce un cofattore che interviene nell'attività di moltienzimi. La tiamina pirofosfato ha la porzione reattiva nell'anello tiazolico, che possiede un atomo di azotocarico positivamente: la presenza di questa carica positiva rende l'atomo di C in posizione 2 dell'anello molto acido, perciò esso tende a perdere facilmente il protone convertendosi in una forma anionica, in grado di trasportare gruppi idrossietile. Il protone viene sottratto da un residuo basico dell'enzima E e la tiamina pirofosfato può agire come nucleofilo sul substrato, il piruvato, formando un intermedio tetraedrico; la carica positiva sull'anello tiazolico fa da attrattore dielettroni, perciò c'è uno spostamento di elettroni verso di essa, si libera anidride carbonica e si forma idrossietil-tiamina-pirofosfato, una struttura stabilizzata per risonanza.

Il piruvato ha quindi subito decarbossilazione e resta sotto forma di idrossietile legato alla tiamina pirofosfato. La tappa successiva della reazione consiste nel trasferimento del gruppo idrossietile dalla tiamina pirofosfato alla lipoammide, il coenzima di E. La lipoammide, o lipoillisina, è un derivato dell'acido lipoico, con 8 C e un gruppo carbossilico, ed è un acido grasso anomalo perché possiede due gruppi SH e si può presentare in una forma ossidata, con formazione di un ponte disolfuro in una struttura ad anello, ed è legata ad un residuo di lisina dell'enzima E2 tramite legame ammidico; nella forma ridotta viene quindi detta diidro-lipoammide. L'idrossietile legato alla tiamina attacca il ponte disulfuro della lipoammide, si ha la formazione di un intermedio, in seguito la sottrazione di un protone da parte di un residuo basico dell'enzima comporta trasferimento di elettroni verso la tiamina pirofosfato, che viene quindi liberata.mentre l'unità bicarboniosa resta legata alla lipoammide sotto forma di acetile. La lipoammide si è ridotta, il gruppo idrossietile si è convertito in acetile quindi si è ossidato, ed è stata liberata la tiamina pirofosfato. A questo punto entra in gioco la componente E o diidrolipoil-transacetilasi, che deve trasferire il gruppo acetile dalla diidrolipoammide al coenzima-A per formare acetil-CoA. Questo avviene con un processo di transesterificazione, ovvero il gruppo acetile viene trasferito sul CoA, quindi il legame tioestere tra acetile e diidrolipoammide diventa legame tioestere tra acetile e CoA. Si forma quindi acetil-CoA e l'acido lipoico resta in forma ridotta, come diidrolipoammide, ma se restasse così l'enzima non potrebbe più funzionare, perciò è necessario che la diidrolipoammide venga ossidata: entra in gioco la E, il cui compito è ossidare nuovamente l'acido lipoico. Dapprima i due atomi

di H vengono trasferiti al FAD che si riduce a FADH₂; si noti che il FAD resta sempre legato all'enzima, è quindi un gruppo prostetico. Affinché il ciclo catalitico possa rinnovarsi, il FADH₂ deve essere riossidato a FAD, e ciò avviene ad opera del NAD, che viene convertito in NADH. Il braccio della lipoillisina consente al gruppo disolfuro dell'acido lipoico di oscillare tra il sito attivo di E, dove raccoglie il gruppo idrossietilico dalla tiamina pirofosfato, il sito attivo di E, dove avviene il trasferimento dell'idrossietile al CoA, e infine il sito attivo dell'enzima E dove i due gruppi sulfidrilici vengono ossidati in modo da riformare i ponti disolfuro.

Ciclo di Krebs

Il ciclo di Krebs o dell'acido citrico è composto da 8 reazioni: la prima è una condensazione tra acetilCoA e ossalacetato, che è un acido bicarbossilico a 4C, con formazione di citrato, seguono reazioni con alcune decarbossilazioni ossidative, che

ripartenza importante nella via del ciclo di Krebs. Durante questa reazione, l'isocitrato viene ossidato e decarbossilato, generando NADH e CO2. Il prodotto di questa reazione è l'α-chetoglutarato. Successivamente, l'α-chetoglutarato subisce una seconda decarbossilazione ossidativa catalizzata dalla α-chetoglutarato deidrogenasi. Anche questa reazione è irreversibile e produce NADH, CO2 e succinil-CoA. Il succinil-CoA viene poi convertito in succinato grazie all'enzima succinil-CoA sintetasi. Durante questa reazione, viene generata una molecola di GTP (guanosina trifosfato), che può essere successivamente convertita in ATP. Il succinato viene quindi ossidato dalla succinato deidrogenasi, generando FADH2 e fumarato. Questa reazione è un punto di ancoraggio tra il ciclo di Krebs e la catena di trasporto degli elettroni. Infine, il fumarato viene convertito in malato grazie all'enzima fumarasi. Il malato viene poi ossidato dalla malato deidrogenasi, generando NADH e rigenerando l'ossalacetato, completando così il ciclo di Krebs. In sintesi, il ciclo di Krebs è una via metabolica ciclica che converte l'acetil-CoA in CO2, generando allo stesso tempo molecole di NADH, FADH2, GTP (che può essere convertito in ATP) e rigenerando l'ossalacetato. Questo ciclo è fondamentale per il metabolismo energetico delle cellule, in quanto fornisce i substrati necessari per la produzione di ATP nella catena di trasporto degli elettroni.

Controllo della funzionalità di questa via metabolica. Come primo passaggio si ha l'ossidazione dell'isocitrato, con trasferimento di uno ione idruro sul NAD+. Si formano così NADH e H+ e l'intermedio ossal-succinato, che va incontro ad un processo di decarbossilazione, con liberazione di anidride carbonica e formazione di un enolo di transizione che viene stabilizzato dalla presenza di Mn (manganese), il quale si lega alle sue due cariche negative: la isocitrato deidrogenasi, per poter funzionare, richiede infatti manganese ed è quindi un metallo-enzima. Un processo di protonazione porta poi dalla forma enolica alla forma chetonica, con formazione di α -chetoglutarato e CO2. L'α-chetoglutarato subisce una decarbossilazione ossidativa, che comporta l'