Biochimica - Principi di biochimica

Il complesso della piruvato deidrogenasi

NAD+. Si chiama complesso della piruvato deidrogenasi. La piruvato deidrogenasi catalizza la reazione di decarbossilazione: l'E1 decarbossila il piruvato formando un intermedio bicarboniso, legandosi tramite il sito attivo cioè il C a ponte tra Ne S dell'anello tiaminazoico al carbonile, permettendo così l'eliminazione di un carbossile. E2 presenta come coenzima l'acido lipoico, che presenta due C che portano dei tioli, i quali formano dei ponti di solfuro. L'acido lipoico può contemporaneamente ridursi e ossidarsi, in quanto avviene un processo redox intramolecolare, in cui viene rotto il pnte disolfuro e poi si riducono due tioli. Contemporaneamente si ossida il C carbonilico, cioè il C1 dell'unità carboniosa a carbossile. Si può formare un legame tioestereo tra acido lipoico e l'unità carboniosa, quindi è un trasportatore di elettroni e di gruppi acili. In questo modo si forma l'acido acetico.

Entra in azione il coenzima A, che si scambia con l'acido lipoico, formando l'acetil-CoA. L'acido lipoico però è ridotto e se il ciclo deve continuare, non deve esserlo e qui entra in gioco il terzo enzima che riossida l'acido lipoico, utilizzando FAD+, rigenerando il ponte disolfuro. Si genera FADH2 legato all'E3 e per poter utilizzare gli elettroni, il FADH2 cede gli elettroni al NAD+. Di conseguenza la decarbossilazione ossidativa si compone di 3 passaggi:

1. Rimozione del COO-;
2. Ossidazione del carbonile generando COOH, che viene legato al coenzima A;
3. Ossidazione dell'acido lipoico con la formazione di FADH2, che genera NADH.

Dal piruvato si ottiene l'acetil-CoA e questo processo è irreversibile, perché ΔG è fortemente negativo ed è controllata anche in modo allosterico.

Il ciclo di Krebs inizia con l'acetil-CoA, che è il carburante e può essere idealmente suddiviso in due fasi:

Fase ossidativa, che genera elettroni e ossida i due C dell'acetile generando due molecole di anidridecarbonica;→ Fase non ossidativa, che ha il compito di rigenerare l'ossalacetato, che trasporta l'unità carboniosa dell'acetil CoA. È un catalizzatore a tappe multiple in grado di ossidare un numero illimitato di gruppi acetili. Utilizza l'ossalacetato, che è in grado di catturare l'acetil CoA e portarlo nel ciclo di Krebs, quindi una volta utilizzato viene recuperato. Il ciclo di Krebs si compone di 8 reazioni:

Reazione 1: condensazione dell'ossalacetato e del gruppo acile dell'acetil CoA, quindi formazione dell'acido citrico. L'ossalacetato è un acido bicarbonioso e al pari del piruvato è un α cheto acido, che tramite il C carbonilico lega il CH3 dell'acile, che perde un elettrone. Questa reazione viene catalizzata dalla citrato sintasi, quindi una liasi ed è irreversibile.

viene ossidato a fumarato, che è un isomero con formazione del doppio legame C-C, tramite la succinato deidrogenasi. È reversibile;

Reazione 7: idratazione del doppio legame C – C del fumarato. Viene aggiunta una molecola di H2O attraverso una liasi, chiamata fumarasi, che forma l’acido malico, un α-idrossiacido. È reversibile;

Reazione 8: ossidazione dell’acido malico a ossalacetato. Si ossida il C2 e si riduce il NAD tramite la malato deidrogenasi. In condizioni standard produrrebbe pochissimo ossalacetato, ma in vivo l’ossalacetato viene utilizzato dalla reazione 1, quindi avviene in modo continuo grazie allo stato stazionario.

Nessuno dei C dell’ossalacetato e degli intermedi viene utilizzato per produrre elettroni e l’energia dovuta alla rottura del legame con l’acetil CoA viene utilizzata per produrre ATP tramite il GTP. Lo scopo del ciclo di Krebs è generare elettroni, per questo viene chiamata degradazione.

ossidativa dell’acetil CoA con cui siformano 4 trasportatori di elettroni, 3 sottoforma di NADH e 1 sottoforma di FADH2. Ha anche un ruolobiosintetico e viene continuamente alimentato dall’acetil CoA. Da una molecola di acetil CoA si ottegono 2molecole di CO2, 3 di NADH, una di FADH2 e una di GTP. Il GTP è energeticamente equivalente all’ATP e puòtrasferire un P all’ADP. Se si considera anche la glicolisi la reazione complessiva è:

Glucosio+2H O+10NAD +2FAD +4ADP+4Pi 6CO +10NADH+6H +2FADH +4ATP.

La reazione da glucosio a CO2 è dovuta ad un’ossidazione e a una degradazione. Le 10 molecole di NADHderivano per 4 dalla glicolisi e per 6 dal ciclo di Krebs. Dal punto di vista termodinamico l’intero processoprocede in modo esoergonico, quindi la somma delle ΔG genera ΔG esoergonico. Ciò è reso possibile dallapresenza di tre reazioni esoergoniche, che saranno dei punti di controllo in quanto

irreversibili:

1. Formazione del citrato con la rottura del legame tioestereo dell'acetil CoA catalizzata dalla citratosintetasi;
2. Decarbossilazione dell'isocitrato in cui si ha la rottura di un legame C-C;
3. Decarbossilazione dell'α-chetoglutarato.

Queste controbilanciano il contributo positivo della reazione 8, cioè quella in cui dal malato si ottiene l'ossalacetato, che è fortemente endoergonica. Si ottiene un ΔG finale pari a 13,7 kcal/mol.

La regolazione del ciclo avviene per:

• Entrata del carburante metabolico quindi del piruvato e dell'acetil CoA, in quanto questa reazione è catalizzata da una deidrogenasi, quindi esoergonica e che viene regolata in modo allosterico. Gli effettori stimolatori sono l'acetil CoA, ATP e NADH, mentre gli inibitori sono CoA-SH, AMP e NAD+.
• Le reazioni di decarbossilazione sono quelle che si controllano maggiormente, vengono controllate da NADH+H e ATP, che se si accumulano, le bloccano.

NADH controlla anche l'ultima reazione. La prima reazione non viene controllata: tutto l'acetil CoA presente nei mitocondri viene catturato dal ciclo di Krebs per permettere all'ultima reazione di procedere, pur avendo ΔG fortemente positivo. Si crea un disequilibrio tra l'isocitrato e il citrato, quindi ci sarà un sistema che deve portare fuori i carboni non utilizzati. L'acetil CoA non può essere utilizzato per generare glucosio ma può essere utilizzato per generare grassi e colesterolo. Il ciclo di Krebs è anche una via biosintetica per la sintesi di intermedi utilizzati in altre vie: il citrato che si accumula e non viene utilizzato nel ciclo viene sottratto per generare amminoacidi non essenziali, il glutammato e le basi puriniche. L'ossalacetato è un intermedio che può essere utilizzato per generare glucosio, acido aspartico, le basi puriniche e pirimidiche. Succinil CoA può essere utilizzato per produrre porfirine,

L'eme e la clorofilla.

La fosforilazione ossidativa è un processo che trasporta elettroni e che consente di generare grandi quantità di energia in tempi meno rapidi. Il trasferimento di elettroni dai coenzimi ridotti all'O2 genera ATP. Quindi O2 è necessario perché è l'accettore finale degli elettroni. Avviene nei mitocondri, genera ATP e riduce O2 a acqua utilizzando enzimi che trasferiscono gli elettroni, cioè NADH e FADH2. La glicolisi e il ciclo di Krebs producono piccole quantità di energia, ma avvengono per deidrogenazione, quindi producono elettroni sotto forma di enzimi trasportatori di elettroni. Si producono ben 6 coppie di elettroni, 5 sotto forma di NADH e una sotto forma di FADH2, che vengono utilizzati nella fosforilazione ossidativa mitocondriale. La maggior quantità di energia non viene prodotta con la fosforilazione a livello del substrato, ma con quella ossidativa dei C. Solo i