2.Metabolismo energetico

Metabolismo energetico

Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA) o ciclo dell'acido citrico o ciclo di Krebs

Il bisogno primario di tutte le cellule è liberare l'energia contenuta nei composti ad alto contenuto energetico attraverso le vie metaboliche ossidative, di cui il TCA è la principale. Il trasferimento dell'energia è un bisogno cruciale per la vita nei sistemi biologici. L'energia acquisita dalle sostanze nutrienti deve essere usata per guidare negli organismi i processi "endoergonici". L'ATP è la molecola di scambio utilizzata nei processi endoergonici.

NB: l'ossidazione completa dei substrati richiede O₂ e produce CO₂. Nei mitocondri avviene la respirazione cellulare (=> le cellule che non possiedono mitocondri, come globuli rossi, cellule della retina e della midollare del surrene, non fanno respirazione e producono energia in altri modi).

Step del TCA

Il glucosio, gli acidi grassi e gli amminoacidi vengono ossidati a acetil CoA, che si forma solo nei mitocondri. Per ogni mole di questa molecola possono essere prodotte fino a 10 moli di ATP.

• L'acetil CoA entra nel TCA dove si ossida, riducendo i coenzimi NAD e FAD.
• I coenzimi ridotti (NADH₂ e FADH) vengono riossidati tramite la fosforilazione ossidativa e si ottiene energia attraverso la catena di trasporto degli elettroni.

Il TCA è la via metabolica principale per la produzione di energia in tutte le cellule che possiedono mitocondri in presenza di O₂, che funge da accettore finale di elettroni.

Struttura chimica del coenzima A (CoASH o CoA)

Il CoA è composto dalla 4'-fosfopanteteina legata all'adenosina 3'-5'-bisfosfato. Si forma dalla derivazione vitaminica dell'acido pantotenico, una molecola carbossilica che si compone di due parti legate fra loro con un legame fosfo-anidridico:

• β-alanina
• Acido pantoico

All'acido pantoico si lega con un legame ad alto contenuto energetico un nucleoside bifosfato = 3'-5' adenosina bifosfato; alla β-alanina si lega invece la β-mercapto etilammina, che possiede un gruppo tiolico SH. In questo modo si ottiene la molecola finale = 4'-fosfo panteteina. Il CoA possiede quindi un gruppo SH, un gruppo reattivo che può formare legami tioesteri con molecole che possiedono gruppi carbossilici. Questi legami sono ad alto contenuto energetico: la loro idrolisi (che porta alla liberazione di CoA e acido acetico) ha un ΔG° < 0 (-31.4 kj/mol).

I prodotti dell'idrolisi hanno quindi energia inferiore ai reagenti perché sono più stabili: l'acido acetico può ionizzare ad acetato, più stabile perché stabilizzato per risonanza.

Molecola polifunzionale e processo mitocondriale

Il CoA è una molecola molto reattiva che sfrutta i suoi gruppi funzionali per reagire e legarsi ad altre molecole. Il processo mitocondriale è possibile solo in condizioni aerobiche. L'ossidazione di 1 mole di Acetil-CoA è accoppiata alla liberazione di 2 moli di CO₂ e alla formazione di 3 moli di NADH, 1 mole di FADH₂ e 1 mole di GTP (=> 1 ATP).

TCA: Via metabolica ciclica

L'acetil CoA attraverso vari passaggi porta alla formazione di ossalacetato, che, combinandosi a sua volta con acetil CoA, fa ripartire il ciclo. Gli enzimi si trovano tutti nella matrice mitocondriale, tranne uno, la succinato deidrogenasi, che si trova nella membrana esterna.

Il ciclo consiste di 8 tappe di cui 3 irreversibili, tutte le altre reversibili. Richiede diversi coenzimi vitaminici e cofattori:

• NAD⁺ (Niacina o vit. B3)
• FAD (Riboflavina o vit. B2)
• TPP (Tiamina pirofosfato, Tiamina o vit. B1)
• Coenzima A (acido pantotenico)
• Acido lipoico
• Ioni metallici, quali Mg²⁺, Ca²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺
• Ioni fosfato per la conversione del GTP in ATP

NB: Nel ciclo si ha produzione di GTP per fosforilazione del GDP. Se il GTP non serve, può essere utilizzato per sintetizzare ATP: attraverso una fosfotransferasi, il gruppo fosfato può essere trasferito in maniera reversibile dal GTP (che diventa quindi GDP) all'ADP (che si trasforma in ATP). È una reazione in base alle esigenze della cellula.

Tappe del ciclo di Krebs

1. Formazione del citrato

L'acetil CoA condensa con l'ossalacetato grazie all'enzima citrato sintasi, e si ottiene il citrato, un α-chetoacido. Si forma a partire da un altro α-chetoacido = piruvato (a 3C) per azione di una carbossilasi, enzima mitocondriale, che aggiunge un gruppo carbossilico: aggiunta di CO₂ sul Cβ rispetto a quello su cui è già presente il gruppo COO- del piruvato. In questa reazione è richiesto l'intervento di un cofattore = biotina.

Inizialmente, all'inizio del ciclo, l'ossalacetato è presente in quantità catalitiche, poi si riforma ogni volta alla fine del ciclo. La reazione catalizzata dalla citrato sintasi è un'idrolisi: aggiunge H₂O sul legame tioestereo dell'acetil CoA. È una reazione irreversibile (ΔG << 0).

Questo enzima è allosterico, ma non è tappa limitante del ciclo. Regolatori allosterici negativi sono infatti il NADH e il succinil CoA prodotti dal ciclo; inoltre, è inibito dal citrato, prodotto della reazione che catalizza. Grazie a questo enzima vengono liberati CoA e acetato; questo può a sua volta condensarsi con il C dell'α-chetoacido formando citrato.

2. Formazione dell'isocitrato

Il citrato viene convertito in isocitrato, una molecola simmetrica. L'enzima aconitasi toglie e poi ri-aggiunge H₂O in maniera stereospecifica. Questo enzima richiede Fe e S perché...