Appunti biochimica

I DIFFERENTI DESTINI DEL PIRUVATO

L’attività della gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi, oltre a garantire un composto con un alto

+

potenziale di trasferimento del gruppo fosforico, determina necessariamente la riduzione del NAD

a NADH. + +

Nelle cellule sono presenti quantità limitate di NAD , di conseguenza il NAD deve essere

+

rigenerato affinché la glicolisi proceda. Il processo finale nella via è la rigenerazione del NAD

attraverso il metabolismo del piruvato. La sequenza di reazioni dal glucosio al piruvato è simile

nella maggior parte degli organismi e nella maggior parte dei tipi di cellule. Invece, il destino del

piruvato è variabile. Tre reazioni del glucosio sono di grande importanza: la conversione in etanolo,

in acido lattico o in biossido di carbonio.

1. si forma etanolo a partire dal piruvato nei lieviti e in molti altri microrganismi

La prima tappa è la decarbossilazione del piruvato ad opera della piruvato decarbossilasi che

richiede il coenzima tiamina pirofosfato.

La seconda tappa è la riduzione dell’acetaldeide a etanolo ad opera del NADH. In una reazione

+

catalizzata dalla alcol deidrogenasi. Questo processo rigenera il NAD . La conversione del

glucosio in etanolo è un esempio di fermentazione alcolica.

2. si forma lattato a partire dal piruvato in un ampia gamma di microrganismi in un processo

denominato fermentazione lattica

Questa reazione si svolge anche nelle cellule degli organismi superiori quando la quantità di

ossigeno è limitata come nel tessuto muscolare durante l’attività fisica intensa. La riduzione del

piruvato a lattato ad opera del NADH è catalizzata dalla lattato deidrogenasi.

+

La rigenerazione del NAD nella riduzione del piruvato a lattato o a etanolo sostiene il

funzionamento continuo della glicolisi in condizioni anaerobiche.

3. soltanto una parte dell’energia da glucosio viene liberata nella sua conversione

anaerobica in etanolo o in lattato

Una quantità di energia molto maggiore può essere estratta aerobicamente mediante il ciclo

dell’acido citrico e la catena di trasporto degli elettroni. Il punto di ingresso di questa via ossidati è

l’acetil coenzima A (acetil CoA), che si forma all’interno dei mitocondri per decarbossilazione

ossidativa del piruvato.

+

Piruvato + NAD + CoA acetil CoA + CO + NADH

2

La glicolisi è stimolata quando la carica energetica si abbassa. La fosfofruttochinasi è l’enzima

essenziale per la regolazione della glicolisi. La fosfofruttochinasi è il più importante elemento di

regolazione nella via glicolitica dei mammiferi. Concentrazioni elevate di ATP inibiscono

allostericamente l’enzima nel fegato (un tetramero di 340 Kd), abbassando cosi la sua affinità per

il fruttosio 6-fosfato. Una elevata concentrazione di ATP converte la curva di legame iperbolica del

fruttosio 6-fosfato in una curva sigmoide. L’AMP rimuove l’inibizione esercitata dall’ATP. L’attività

dell’enzima aumenta quando il rapporto ATP/AMP diminuisce.

IL CICLO DELL’ACIDO CITRICO

Il glucosio può essere metabolizzato anaerobicamente a piruvato per sintetizzare ATP mediante la

via glicolitica. La glicolisi però raccoglie soltanto una parte dell’ATP che si può ottenere dal

glucosio. Ora esaminiamo la trasformazione del glucosio per via aerobica che è la forma della

maggior parte dell’ATP prodotto dal metabolismo.

La trasformazione aerobica del glucosio parte dall’ossidazione completa dei derivati del glucosio a

biossido di carbonio. Questa ossidazione avviene nel ciclo dell’acido citrico, una serie di reazioni

note anche come ciclo deli acidi tricarbossilici o ciclo di Krebs. Il ciclo dell’acido citrico è la via

comune finale per l’ossidazione delle sostante nutrienti: amminoacidi, grassi e carboidrati.

In condizioni aerobiche il piruvato prodotto a partire dal glucosio viene decarbossilato

ossidativamente per formare acetil CoA. Negli eucarioti le reazioni del ciclo dell’acido citrico si

svolgono all’interno dei mitocondri, a differenza di quelle della glicolisi che si svolgono nel citosol.

La decarbossilazione ossidativa del piruvato e la sequenza di reazioni del ciclo dell’acido citrico si

svolgono entro la matrice.

Il ciclo dell’acido citrico occupa la posizione centrale del metabolismo della cellula. È l’ingresso al

metabolismo aerobico delle molecole organiche presenti nelle sostanze nutrienti. Le sostanze

nutrienti sono componenti del carbonio che possono essere ossidati, ossia sono in grado di cedere

elettroni. Il ciclo dell’azoto citrico comprende una serie di reazioni di ossidazione-riduzione il cui

scopo finale è l’ossidazione delle unità bicarboniose dell’acetil CoA in biossido di carbonio.

RESPIRAZIONE CELLULARE

Il ciclo ossida unità bicarboniose, producendo 2 molecole di CO . Un composto a 4 atomi

2

di carbonio (ossalacetato) condensa con una unità acetile a due atomi di carbonio formando un

acido tricarbossilico a sei atomi di carbonio (citrato). Un isomero del citrato è poi decarbossilato

per via ossidativa. Anche il composto risultante, a cinque atomi di carbonio (α-chetoglutrato), è

decarbossilato ossidativamente formando un composto a quattro atomi di carbonio (succinato).

Infine, a partire dal succinato, viene rigenerato ossalacetato. Due atomo di carbonio entrano nel

ciclo quando una unità acetile e due atomi di carbonio abbandonano il ciclo sotto forma di due

molecole di biossido di carbonio. Tre ioni idruto (quindi sei elettroni) sono trasferiti a tre molecole di

NAD+, mentre due atomi di idrogeno (quindi due elettroni) vengono trasferiti a una molecole di

FAD. Il ciclo dell’acido citrico ha la funzione di raccogliere elettroni ad alta energia del dai

combustibili carboniosi.

È importante notare che il ciclo stesso non produce una grande quantità di ATP né utilizza

ossigeno come reagente. Invece il ciclo dell’acido citrico rimuove elettroni dall’acetil CoA e li

utilizza per formare NADH e FADH2. Nella fosforilazione ossidativa gli elettroni rilasciati nella

riossidazione del NADH e del FADH2 fluiscono attraverso una serie di proteine di membrana

(catena di trasporto degli elettroni) per generare un gradiente protonico tra le due facce della

membrana. Questi protoni fluiscono poi attraverso le ATP sintasi per formare ATP a partire da ADP

e fosfato inorganico. Il ciclo dell’acido citrico richiede indirettamente ossigeno, in quanto esso è

l’accettore di elettroni al termine della catena di trasporto degli elettroni, necessaria per rigenerare

NAD+ e FAD.

Il ciclo dell’acido citrico è il primo stadio della respirazione cellulare, la rimozione di elettroni ad alta

energia dai combustibili carboniosi. Questi elettroni riducono O2 per generare un gradiente

protonico che viene utilizzato per sintetizzare ATP. La riduzione di O2 e la sintesi di ATP

costituiscono a fosforilazione ossidativa.

Il ciclo dell’acido citrico, in associazione con la fosforilazione ossidativa, fornisce la grande

maggioranza dell’energia utilizzata delle cellule aerobiche, negli esseri umani, più del 96%. Esso è

molto efficiente in quanto un numero limitato di molecole è in grado di generare grandi quantità di

NAOH FADH2. L’acetil CoA è il combustibile per il ciclo dell’acido citrico. Questa importante

molecola si forma dalla disgregazione del glicogeno, dei grassi e di molti amminoacidi.

La formazione di acetil CoA a partire dai carboidrati è meno diretta che a partire dai grassi. In

condizioni anaerobiche il piruvato viene convertito in acido lattino o in etanolo, a seconda

dell’organismo. In condizioni aerobiche il piruvato viene trasportato nei mitocondri. Nella matrice

mitocondriale il piruvato viene decarbossilato ossidativamente dal complesso della piruvato

deidrogenasi per formare acetil CoA.

+

Piruvato + CoA + NAD +

Acetil CoA + CO2 + NADH + H

Questa reazione irreversibile è il collegamento tra la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico.

Il complesso della piruvato deidrogenasi è un complesso di grandi dimensioni, molto integrato, di

tre tipi di enzimi.

La conversione del piruvato in acetil CoA è costituita da tre tappe: decarbossilazione, ossidazione

e trasferimento del risultante gruppo acetile al CoA. Il complesso della piruvato deidrogenasi è un

complesso di grandi dimensioni, molto integrato, di tre tipi di enzimi e cinque coenzimi.

1. la citrati sintasi forma citrato a partire dall’ossalcetato e dall’acetil CoA.

Il ciclo dell’acido citrico comincia con la condensazione di una unità a quattro atomi di carbonio,

l’ossalacetato, e da una unità a due atomi di carbonio. Il gruppo acetile dell’acetil CoA.

L’ossidazione reagisce con acetil CoA e H2O per dare citrato e CoA. Questa reazione, che è una

condensazione abolica seguita da una idrolisi, è catalizzata dalla citrato sintasi. L’ossalacetato

prima condensa con l’acetil CoA che poi viene idrolizzato a citrato e CoA. L’idrolisi del citril CoA,

un intermedio tioestere ricco di energia, fa procedere la reazione complessiva nella direzione della

sintesi del citrato.

La citrato sintasi catalizza la reazione di condensazione portando i substrati molto vicini,

orientandoli e polarizzando specifici legami. La citrati sintasi è in grado di idrolizzare il citril CoA

ma non l’acetil CoA. Questo perché il citril CoA non si lega all’enzima finché l’ossalacetato non è

legato e pronto per la condensazione. Inoltre, i residui catalitici cruciali per l’idrolisi del legame

tioestere non sono posizionati in modo appropriato finché non si forma il citril CoA.

2. il citrato viene isomerizzato in isocitrato

Il gruppo ossidrile terziario non è localizzato nella molecole di citrato in modo appropriato per le

decarbossilazioni ossidative che seguono. Perciò il citrato viene isomerizzato in isocitrato per

permettere all’unità a sei atomi di carbonio di subire la decarbossilazione ossidativa.

L’isomerizzazione del citrato è effettuata da una tappa di disidratazione seguita da una tappa di

idratazione. L’enzima che catalizza entrambe le tappe è detto aconitasi.

3. l’isocitrato viene ossidato e decarbossilato ad α-chetoglutarato

Si arriva alla prima delle quattro reazioni di ossidoriduzione nel ciclo dell’acido citrico. La

decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato è catalizzata dalla isocitrato deidrogenasi. L’intermedio

è l’ossalsuccinato, un β-chetoacido instabile. Mentre è legato all’enzima, perde CO2 per formare α-

chetoglutarato.

4. il succinil CoA si forma per decarbossilazione oss