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OSSIDAZIONE AEROBIA DEL PIRUVATO

Il piruvato che residua dalla glicolisi in condizioni aerobie viene trasportato all’interno del mitocondrio, attraversa

sia la membrana esterna che quella interna e arriva alla matrice mitocondriale dove viene ossidato completamente

a CO e H O; i protagonisti di questa trasformazione sono una serie di proteine enzimatiche e questa avviene con un

2 2

meccanismo di diverse reazioni.

Le tappe principali:

- Decarbossilazione ossidativa del piruvato ad acetilCoA

- Condensazione tra acetilCoA e ossalacetato a dare citrato (acido citrico)

- Ossidazione del citrato ad ossalacetato, con perdita di CO e fosforilazione a livello del substrato (gli atomi di C

2

sono diventati CO e gli atomi di H sono diventati H O)

2 2

I cofattori ridotti che residuano dalle reazioni di ossidazioni vengono rigenerati utilizzando ossigeno molecolare in un

processo separato, sempre mitocondriale. Vi è quindi sempre il problema di riossidare questi cofattori.

Il complesso multienzimatico della piruvico deidrogenasi è molto grande e comprende tre diverse attività

enzimatiche; ciascuno dei singoli enzimi è presente in un numero diverso di copie, in funzione inversa della sua

attività ovvero della sua efficienza:

• Poche copie dell’enzima più efficiente

• Numerose copie di quelli meno efficienti

Sono presenti in un complesso in quanto in questo modo si possono passare l’uno con l’altro gli intermedi di reazione

senza che questi vadano in giro per la cellula quindi la vicinanza fisica degli enzimi coinvolti in queste reazioni rende

il sistema molto efficiente.

Il primo enzima la piruvico deidrogenasi decarbossila il piruvato, trasforma il piruvato in acetaldeide, la quale non è

libera ma è legata al cofattore di questo enzima sotto forma di un complesso (acetaldeide-cofattore: tiamina

pirofosfato). Questo complesso che si forma viene definito come una forma attivata dell’acetaldeide. Abbiamo già

perso una molecola di CO e abbiamo la forma attivata dell’acetaldeide, la quale viene in contatto con il secondo

2

enzima ovvero la diidrolipoil transacetilasi. Questa proteina ha legato a sé in modo covalente un cofattore che è

l’acido lipoico, il quale forma un legame ammide con un residuo di lisina e fa sporgere il braccio del cofattore che

porta il legame disolfuro.

Questo composto ha due funzioni:

- Ossidante: prende il gruppo idrossietile e lo trasforma in un gruppo acetile, quindi ossida l’acetaldeide ad acido

acetico e questo composto si riduce a doppia funzione tiolica. Si forma quindi un tioestere tra l’acido lipoico e

la molecola iniziale

- Successivamente prende il gruppo acetile e lo trasferisce ad un altro tiolo, il quale è il tiolo del coenzima A; il

coenzima A è un derivato di una vitamina e dell’acido fosfopantotenico dove in fondo vi è un derivato della

cisteina che è la cisteammina.

Questi due tioesteri che si formano, sono caratterizzati dall’elevata instabilità del legame tioestere ovvero l’energia

depositata in questo legame è legata a due ragioni chimiche:

1. Il tioestere che si forma non ha possibilità di risonanza

2. Un tiolo è molto meno basico (molto più acido) che un OH.

Il legame tioestere rappresenta il secondo legame più fragile.

Il terzo enzima si occupa di riportare l’acido lipoico nella forma ossidata, ovvero ossida il lipoato ridotto. In questo

vi è un cofattore redox che è la flavina. Vengono chiamate flavoproteine, le proteine che contengono questi

cofattori. La riboflavina (vitamina) è una struttura versatile, a partire da essa si possono formare due nucleotidi, il

primo è il flavina mononucleotide (FMN) e il secondo è la flavina-adenina dinucleotide (FAD), in cui una molecola

di FMN è coniugata ad una molecola di AMP; questo composto usa la flavina per riossidare il lipoato.

Il FAD è molto versatile in quanto può prendere 1 o 2 elettroni ed è facilmente riossidabile da parte di altri nucleotidi,

+

oppure può cedere gli elettroni a molte specie molecolari. Il FADH viene riossidato a FADH da una molecola di NAD .

2

+ +

Quindi la reazione complessiva: CH + NAD + CoASH CoA-S-C-CH + NADH + CO + H

à

3 3 2

Ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo di Krebs) negli eucarioti avviene nella matrice mitocondriale

L’acetil-CoA viene recuperato ovvero condensa con una molecola di ossalacetato per ottenere il citrato.

La condensazione tra Acetil-CoA e ossalacetato è un esempio di attacco nucleofilo su un carbonile da parte di un

carbanione. Il carbanione viene formato quando un residuo amminoacidido al sito catalitico dell’enzima sottrae un

protone dal metile del gruppo acetato in Acetil-Coa.

La reazione è aiutata dal punto di vista termodinamico, dalla rottura del legame tioestere (altoenergetico)

nell’Acetil-CoA. Quindi il primo prodotto è l’acido citrico.

L’acido citrico viene isomerizzato ad acido isocitrico attraverso la formazione di cis-aconitato (intermedio)

attraverso l’enzima aconitasi.

Il sito attivo dell’aconitasi contiene un cofattore (cluster 4Fe 4S): uno degli atomi di ferro (non ha leganti proteici)

contribuisce ad orientare in modo appropriato la molecola di citrato.

Il citrato è una molecola prochirale (soltanto uno degli isomeri si lega all’enzima, ovvero contiene una chiralità

+

nascosta). Una molecola di NAD ossida poi il gruppo alcolico dell’isocitrato al corrispondente chetone, che è instabile

e perde CO formando alfa-cheto glutarato (equivalente chetonico del glutammato) attraverso un enzima ossidante

2 +

che usa come substrato l’isocitrato e come cofattore il NAD . Questa molecola è una delle molecole che il mitocondrio

può scambiare con l’esterno ovvero è un punto di ingresso ed anche un punto per produrre intermedi ovvero per la

funzione anaplerotica del ciclo di Krebs.

Nella reazione successiva l’alfa-cheto glutarato si imbatte in un enzima che è l’alfa-cheto glutarato deidrogenasi

che si occupa di ossidare questa molecola, questo enzima utilizzerà il NAD come ossidante, il coenzima A nella forma

libera che serve come accettore del nuovo gruppo acile e da questa reazione ho la fuoriuscita della CO ed è per

2

questo che questo enzima è praticamente uguale alla piruvato deidrogenasi (cambia solo il substrato).

Il prodotto della reazione è il succinil-CoA. L’energia liberata da questa ossidazione è conservata mediante la

formazione del legame tioestere del succinil-CoA.

Per recuperare l’energia presente nel legame tioestere, viene trasformato l’acido prodotto in acido succinico

rilasciando il coenzima A pronto per venire reimpiegato e accoppio questa rottura di un legame eterogenico con la

formazione di un legame altoenergetico, ovvero prendo un GDP e lo trasformo in GTP.

L’enzima che catalizza questa reazione è la tiochinasi, rompo un legame tioestere e fabbrico un legame

fosfoanidrico. Quindi si è prodotto il succinato, il quale deve venir riossidato.

Le due CO che sono state perse sono i due atomi di C che derivavano dall’acetil-CoA.

2

Per ripristinare l’ossalacetato, faccio un’ossidazione ed introduco un doppio legame. Ovvero si ottiene il fumarato.

La succinato deidrogenasi è l’unico enzima del ciclo di Krebs ad essere una proteina integrale infissa nella membrana

interna del mitocondrio. Tutte le deidrogenasi che fanno delle insaturazioni sulle catene alifatiche producono la

forma trans e questi enzimi contengono le flavine. Questo fatto condiziona la chiralità del composto ottenuto poi per

azione dell’enzima enolasi, che aggiunge una molecola d’acqua al doppio legame trans del fumarato. Il risultato è

che trasformo l’acido bicarbossilico in un idrossiacido bicarbossilico ovvero si forma l’acido L-malico (L in quanto con

questa geometria di legame trans si può formare solo l’isomero L).

L’ultima reazione: l’acido L-malico viene riossidato utilizzando il NAD per trasformare la sua funzione alcolica in

funzione chetonica dell’ossalacetato.

Riassumendo: l’ossidazione di AcetilCoA a CO produce:

2

- Una molecola di GTP

- Una di FADH 2

- 3 molecole di NADH

A cui vanno aggiunte la molecola di NADH e quella di CO prodotte nell’ossidazione del piruvato ad AcCoA.

2

Il ciclo di Krebs è regolato sia nella tappa di ingresso (l’azione della piruvato deidrogenasi ovvero la formazione di

AcetilCoA a partire da piruvato), che in quelle successive. L’acceleratore più grosso di questa reazione è l’AMP.

ADP e NADH sono stimolatori dell’isocitrato deidrogenasi mentre l’alfa cheto deidrogenasi non ha effettori allosterici,

ovvero è una reazione inibita in modo competitivo da elevate quantità di prodotto (NAD ridotto, CO e succinil-CoA).

2

L’ossalacetato, che non può uscire dal mitocondrio non avendo un trasportatore specifico, agisce da potente effettore

allosterico e inibitore della succinato deidrogenasi.

Il ciclo di Krebs raccoglie composti provenienti da diverse vie metaboliche, però queste molecole devono avere dei

trasportatori che permette di farli entrare nella membrana. Così come entrano molecole, ne escono altre.

Dagli intermedi di questo ciclo hanno origine molte molecole indispensabili. Ad esempio dall’acido citrico derivano i

lipidi. Il succinil-CoA è un composto altoenergetico ma è anche la base di una sintesi all’interno del nostro organismo

ovvero la sintesi del gruppo Eme. Passando dal ciclo di Krebs è possibile arrivare a ossalacetato e questo è il punto

di partenza per la via gluconeogenica. Avere un ciclo di Krebs attivo vuol dire essere in condizioni di depositare

riserve sotto forma di glicogeno.

La catena respiratoria mitocondriale (nella membrana interna) usa l’ossigeno molecolare per rigenerare nella

forma ossidata i cofattori ridotti (NADH e FADH ) generati dalle reazioni di ossidazione associate al ciclo di Krebs.

2

Questa ossidazione avviene trasferendo i loro elettroni separatamente dai loro protoni all’ossigeno. Gli elettroni

fluiscono all’ossigeno, quando ne ha presi 4 prende 4 protoni dall’ambiente e si trasforma in acqua. Questo processo

è in grado di sviluppare quantità elevate di energia. Questa ossidazione è accoppiata alla produzione di energia sotto

forma di ATP.

Convertire energia elettrica in energia chimica: l’equazione di Nerst: da un qualunque processo redox si può ricavare

tanta più energia quanta più alta è la differenza di potenziale elettrochimico tra il composto che ossida e il composto

che fornisce gli elettroni ovvero riducente.

Equazione: E = E RT/nF lna /a

0 ox red

Il NAD è un

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I contenuti di questa pagina costituiscono rielaborazioni personali del Publisher piasentingiorgia di informazioni apprese con la frequenza delle lezioni di Biochimica generale e studio autonomo di eventuali libri di riferimento in preparazione dell'esame finale o della tesi. Non devono intendersi come materiale ufficiale dell'università Università degli Studi di Milano o del prof Bonomi Francesco.