Biochimica generale - primo parziale

Il ciclo di Krebs vero e proprio

1. La citrato sintasi catalizza la condensazione dell'acetil-CoA e dell'ossalacetato, formando citrato e CoA. È un classico esempio di attacco nucleofilo su un carbonile da parte di un carbonio e: ritroveremo lo stesso meccanismo in molte altre reazioni del metabolismo. Il carbonio e viene formato quando un residuo amminoacidi o al sito catalitico dell'enzima sottrae un protone al metile del gruppo acetato nell'Acetil-CoA. La reazione è aiutata, dal punto di vista termodinamico, dalla concomitante rottura del legame tioestere (altoenergetico) presente nell'Acetil-CoA. La reazione è aiutata dal punto di vista termodinamico, dalla concomitante rottura del legame tioestere (altoenergetico) presente nell'Acetil-CoA, con rilascio di CoA-SH.

2. L'aconitasi catalizza l'isomerizzazione reversibile del citrato in isocitrato, con cis-aconitato come intermedio. La reazione inizia con una deidratazione.

In cui sono rimossi un protone e un gruppo OH. Poiché ha due gruppi sostituenti carbossimetilici uguali sul suo atomo di C centrale, il citrato è considerato una molecola prochiralica e non chiralica. Quindi, anche se in teoria si potrebbe eliminare acqua a partire da entrambi i bracci carbossimetilici, l'aconitasi la rimuove solo dal braccio inferiore del citrato (cioè in modo che il prodotto abbia la configurazione R).

L'aconitasi contiene un centro ferro-zolfo (una struttura contenente quattro atomi di ferro e quattro di zolfo), che coordina il gruppo OH del citrato per facilitarne l'eliminazione.

3. L'isocitrato viene ossidato. L'isocitrato deidrogenasi catalizza la decarbossilazione ossidativa dell'isocitrato ad α-chetoglutarato (un chetoacido bicarbossilico conosciuto anche come 2-ossoglutarato). Questa reazione produce la prima molecola di CO2 e di NADH del ciclo dell'acido citrico.

L'isocitrato deidrogenasi NAD+-dipendente,

energia”(fosforilazione alivello del substrato).

6. La succinato deidrogenasi catalizza la deidrogenazione stereospecifica del succinato a fumarato.

La succinato deidrogenasi contiene un gruppo prostetico FAD legato covalentemente all’enzima tramite unresiduo di His ; nella maggior parte degli altri enzimi contenenti FAD, questo è legato strettamente ma noncovalentemente. In generale, il FAD funziona da un punto di vista biochimico per ossidare gli alcani (come ilsuccinato) ad alcheni (come il fumarato), mentre il NAD+ partecipa all’ossidazione maggiormenteesoergonica degli alcoli ad aldeidi e chetoni.

7. La fumarasi (fumarato idratasi) catalizza l’idratazione del doppio legame del fumarato per formaremalato. La reazione di idratazione procede attraverso uno stato di transizione rappresentato da uncarbanione. L’aggiunta di OH2 avviene prima dell’aggiunta di H+

8. La malato deidrogenasi catalizza la reazione finale del ciclo dell’acido citrico,

La rigenerazione dell'ossalacetato. Il gruppo ossidrilico del malato è ossidato in una reazione NAD+-dipendente:

BILANCIO ENERGETICO

Il ciclo di Krebs che fa avvenire l'ossidazione dell'acetilCoA a CO2, produce:

• 1 GTP
• 1 FADH2
• 3 NADH

A cui va aggiunta una molecola di NADH prodotta nell'ossidazione del piruvato ad AcCoA.

Il tutto x2, perché le molecole di piruvato iniziali sono due.

LA REGOLAZIONE DEL CICLO DELL'ACIDO CITRICO

La decarbossilazione del piruvato tramite il complesso della piruvato deidrogenasi è irreversibile, e poiché non vi sono altre vie nei mammiferi per la sintesi dell'acetil-CoA dal piruvato, è fondamentale che la reazione sia controllata in modo preciso.

1. L'ossalacetato, non può uscire dal mitocondrio non avendo un trasportatore specifico, agisce da potente inibitore della succinato deidrogenasi mitocondriale.
2. L'inibizione da prodotto da parte del NADH e dell'acetil-CoA.

Questi composti competono con NAD+ e CoA per i siti di legame ai rispettivi enzimi. Inoltre inducono le reazioni reversibili dellatransacetilasi (E2) e della diidrolipoil deidrogenasi (E3) a procedere nella direzione inversa. Gli elevati rapporti [NADH]/[NAD+] e [acetil-CoA]/ [CoA] mantengono quindi E2 nella forma acetilata, che non è in grado di accettare il gruppo idrossietilico dal TTP su E1. Ciò mantiene il TTP nella subunità E1 nella forma legata all'idrossietile, rallentando la velocità della decarbossilazione del piruvato.

L'ATP funziona da effettore allosterico: se c'è tanto ATP nella cellula il ciclo di Krebs viene bloccato.

Il ciclo del citrato (o di Krebs) raccoglie composti provenienti da diverse vie metaboliche. Il ciclo di Krebs è quindi anfibolico (anabolico e catabolico).

Le reazioni cataplerotiche sono:

• La biosintesi del glucosio: (gluconeogenesi) utilizza ossalacetato. Poiché la gluconeogenesi avviene nel

citosol, l'ossalacetato deve essere trasformato in malato o asportato per essere trasportato attraverso la membrana mitocondriale interna. Poiché il ciclo dell'acido citrico è una via ciclica, uno qualsiasi dei suoi intermedi può essere trasformato in ossalacetato e usato per la gluconeogenesi.

La biosintesi degli acidi grassi è un processo che avviene nel citosol e richiede acetil-CoA. L'acetil-CoA è prodotto nei mitocondri, ma non può attraversare la membrana mitocondriale. L'acetil-CoA citosolico è quindi prodotto dalla scissione del citrato, che può attraversare la membrana mitocondriale.

La biosintesi degli amminoacidi usa come materiali di partenza α-chetoglutarato e ossalacetato. Anche le funzioni "anaplerotiche" del ciclo di Krebs sono numerose e importanti: dai suoi intermedi hanno origine molte molecole indispensabili. Gli intermedi del ciclo che sono stati prelevati devono essere rimpiazzati.

Le reazioni che riforniscono il ciclo sono dette reazioni anaplerotiche. Come quella catalizzata dalla piruvato carbossilasi, che produce ossalacetato a partire dal piruvato. (Questa è anche una delle prime reazioni della gluconeogenesi). Tramite il suo attivatore, l'acetil-CoA, la piruvatocarbossilasi percepisce la necessità di una maggiore quantità di intermedi del ciclo dell'acido citrico. Qualsiasi diminuzione della velocità del ciclo causata da una quantità insufficiente di ossalacetato o di altri intermedi provoca un aumento di concentrazione dell'acetil-CoA che attiva la piruvato decarbossilasi rifornendo il ciclo di ossalacetato. Le reazioni del ciclo dell'acido citrico trasformano l'ossalacetato in citrato, α-chetoglutarato, succinil-CoA e così via, fino a che tutti gli intermedi sono riportati alle concentrazioni adeguate. Altri e aboliti che alimentano il ciclo dell'acido citrico sono il succinil-CoA, un

prodotto dell degradazionedegli acidi grassi con catena a numero dispari di atomi di carbonio, alcuni amminoacidi e l’a-chetoglutaratoe l’ossalacetato, che si formano dalla transaminazione reversibile di alcuni amminoacidi, come indicato inprecedenza.

IL TRASPORTO DI ELETTRONI E LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Durante il processo di ossidazione, gli organismi aerobi consumano ossigeno e producono anidridecarbonica.

Gli elettroni rilasciati durante l’ossidazione del glucosio non sono traferite direttamente all’ossigeno, ma aicoenzimi NAD+ e FAD, con la formazione di 10 NADH e 2 FADH2 che devono essere rissidati per continuarea svolgere la loro funzione.

Gli elettroni vengono trasferiti alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale, un sistema ditrasportatori di elettroni collegati tra loro. Durante il processo di trasporto degli elettroni si verificano treeventi:

1. Mediante il trasferimento dei loro elettroni ad altre sostanze, il NADH e il FADH2 sono rossi

dati a NAD+ e FAD, in modo da poter fare altre ossidazioni del substrato.

Prima di ridurre l'ossigeno ad acqua gli elettroni trasferiti prendono parte a una serie di reazioni diossidoriduzione a livello di numerosi gruppi che vanno incontro a reazioni redox presenti in quattro complessi enzimatici.

Il trasferimento degli elettroni è accoppiato all'espulsione dei protoni dal mitocondrio, producendo un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale. L'energia libera conservata in questo gradiente elettrochimico promuove la sintesi di ATP a partire da ADP e Pi mediante la fosforilazione ossidativa.

Il mitocondrio è il luogo in cui avviene il metabolismo ossidativo degli eucarioti, la membrana interna divide il mitocondrio in due compartimenti: lo spazio intermembrana e la matrice interna.

IL TRASPORTO DEGLI ELETTRONI È UN PROCESSO ESOERGONICO

È possibile misurare l'efficienza termodinamica del trasporto di elettroni considerando i

Potenziali di riduzione standard di ogni complesso enzimatico. L'affinità per gli elettroni di un substrato ossidato è una funzione del suo potenziale di riduzione standard, E°. La differenza di potenziale di riduzione standard, ΔE°, per una reazione redox a cui partecipano due semireazioni qualsiasi è espressa da:

ΔE° = E°(riduzione) - E°(ossidazione)

Per la reazione che avviene nei mitocondri, che è l'ossidazione del NADH da parte dell'ossigeno, le semireazioni presenti sono:

NADH + H+ + 1/2O2 → NAD+ + H2O

O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O

Poiché la semireazione O2/H2O ha un potenziale di riduzione standard più elevato, scriviamo la semireazione del NADH nella direzione opposta, in modo che il NADH diventi il donatore degli elettroni e l'O2 l'accettore degli elettroni. La reazione complessiva è:

NADH + H+ + 1/2O2 → NAD+ + H2O

La variazione dell'energia libera standard per la reazione può quindi essere calcolata da:

ΔG° = -nFΔE°

Quindi, per l'ossidazione di una mole di NADH da parte dell'O2 in condizioni biochimiche standard, è associata

al rilascio di 218kJ di energia libera. Nei mitocondri l'accoppiamento dell'ossidazione del NA