Descrizione di come avviene il Ciclo di Krebs

KREBS

E' la seconda fase del metabolismo catalitico, cioè quella fase in cui le molecole che

sono state degradate sono rappresentate da un unico intermedio che è l'acetil coA.

Il metabolismo glicolitico, a differenza di quello degli acidi grassi e degli

amminoacidi, è citosolico.

Per glicolisi si intende quel processo che, a partire da una molecola a 6 atomi di C,

forma due molecole di piruvato a 3 atomi di C. Abbiamo visto che ricaviamo 2 ATP,

non molto ma sufficiente per svolgere un compito cellulare.

DA PIRUVATO AD ACETIL-CoA

Il piruvato entra nel mitocondrio e diventa acetil-CoA grazie al complesso della

piruvato deidrogensi. Per diventare acetil-CoA il piruvato deve essere decarbossilato.

NB: le decarbossilazioni sono importanti perchè sono la fonte energetica che spinge la

reazione verso la formazione di acetil-CoA.

Questa catalisi avviene nei mitocondri in un sistema multienzimatico,il complesso

della piruvato deidrogenasi, in cui sono presenti 3 enzimi e 5 coenzimi.

I coenzimi tiamina pirofosfato (TPP), acido lipoico (lipoato) e FAD fungono da

+

cofattori catalitici, mentre CoA-SH e NAD sono cofattori stechiometrici, cioè

funzionano come substrati.

Queste tappe devono essere accoppiate per conservare l’energia libera prodotta dalla

decarbossilazione, che rende possibile la formazione di acetil-CoAe NADH

Il complesso della piruvato deidrogenasi è costituito da 3 enzimi:

⦁ E1 : piruvato deidrogenasi

Costituito da due subunità. E' un eterodimero, due alfa e due beta. E' la parte più

esterna del complesso

⦁ E2 : diidrolipoil transacetilasi

Occupa la parte più centrale. Con il braccio della lipoamide si sposta da E1 a E3

⦁ E3 : diidrolipoil deidrogenasi

A questo complesso appartengono anche due proteine regolatrici: una cinasi e una

fosfatasi, ossia una che fosforila e una che defosforila; in questo modo è mantenuta la

forma attiva o inattiva

Prima reazione: Decarbossilazione

E' catalizzata da E1 ed ha come coenzima TPP (è un gruppo prostetico, si lega

covalentemente all'enzima).

⦁ TPP viene deprotonato e si forma il carbanione

⦁ Il carbanione attacca il gruppo carbonilico del piruvato e si forma un composto di

addizione

⦁ Esso si rompe a livello di legame C-C liberando CO Rimane un composto che

2.

stabilizza per forma di risonanza. 1

⦁ Entra un protone e si forma idrossietil-TPP

Seconda reazione: Ossidazione + attacco di -SH

L'idrossietil-TPP sempre legato all'enzima E1 viene ossidato ad acetile (va via l'H e si

forma un C=O). L'ossidante è il gruppo prostetico di E2, la lipoamide-E . La

2

lipoamide attacca il gruppo acetile formando un legame tioestere ad alta energia. Si

forma acetil diidrolipoamide legato ad E (il ponte disolfuro S-S accetta elettroni, si

2

rompe e forma due gruppi SH. Il gruppo tiolico attacca C=O e si forma legame

tiolestere)

Terza reazione: Formazione acetil-CoA e rigenerazione del lipoato

La lipoamide si sposta verso il coenzima situato nella parte più esterna, cede il gruppo

acetilico al coenzima A e si libera acetil-CoA.

Quarta reazione: Rigenerazione della lipoamide

La lipoamide si sposta verso l' enzima E3 che la ossida e si riforma il ponte disolfuro

S-S. Gli elettroni sono ceduti al FAD che si riduce a FADH .

2

+

In una reazione di rigenerazione il NAD ossida il FADH a FAD e si forma NADH +

2

+

H .

Differenze tra FAD e NAD:

⦁ si ottiene meno energia con il FADH rispetto al NADH

2

⦁ +

il FAD è sempre legato covalentemente all'enzima, mentre il NAD è libero.

IL CICLO DI KREBS

Con termine ciclo ci riferiamo ad una via metabolica in cui un composto è sia

substrato che prodotto. In questo caso il substrato di partenza è l'ossalacetato.

SCHEMA GENERALE:

Nella prima fase l'ossalacetato condensa con acetil-CoA, formando citrato. Il citrato

diventa isocitrato per azione di una aconitasi. Segue la prima reazione di

decarbossilazione ad opera di una isocitrato deidrogenasi: si forma α-chetoglutarato.

Si ha una seconda decarbossilazione, sempre ossidativa: si liberano due atomi di C

sotto forma di CO e si forma succinil CoA, che diventa poi succinato (da qui ha

2

inizio la fase regenerativa). Il succinato è ossidato a fumarato che viene idratato a

malato che viene ossidato a ossalacetato. Da qui ricomincia il ciclo

1° TAPPA: ossalacetato + acetil-CoA citrato

→ 2

E' irreversibile.

E' catalizzata dalla citrato sintasi.

L'ossalacetato è caricato da acetil-CoA, formando l' intermedio citril CoA. Una

molecola di H O porta alla liberazione di CoA e citrato.

2

La citrato sintasi è un enzima che lavora in modo cooperativo cioè significa che

quando si lega l’ossalacetato, il dominio flessibile di ciascuna subunità va incontro a

una marcata modificazione conformazionale, creando un sito di legame per l’acetil-

CoA.

2° TAPPA: citrato isocitrato

→

E' reversibile

Si verifica una disidratazione con formazione di una molecola di H O e del cis-

2

Aconitato, che viene poi idratato per formare isocitrato. In questo modo ho spostato

un gruppo -OH dal C3 al C2.

E' catalizzata dall'aconitasi. L’aconitasi contiene un centro ferro-zolfo che agisce sia

nel legame del substrato al sito attivo sia nell’aggiunta o rimozione catalitica

dell’acqua. Nelle cellule in cui la concentrazione del ferro è bassa, l’aconitasi perde il

suo centro ferro-zolfo, e acquisisce un nuovo ruolo nella regolazione dell’omeostasi

del ferro.

3° TAPPA: isocitrato α-chetoglutarato

→

E' irreversibile

E' catalizzata dall'isocitrato deidrogenasi. +

La prima reazione è un ossidazione: gli elettroni sono ceduti al NAD (che diventa

+

NADH + H ) e si forma un intermedio ossidato, l' ossalsuccinato. In seguito a

protonazione e rilascio di CO si forma α-chetoglutarato.

2

4° TAPPA: α-chetoglutarato succinil-CoA

→

E' irreversibile.

Per azione della α-chetoglutarato deidrogenasi, è rilasciata CO e gli elettroni sono

2

+

ceduti al NAD .

Il C forma un legame tioestere con il coenzima A, formando succinil CoA.

La formazione del legame tioestere rappresenta la spinta energetica alla base del

conseguimento della via metabolica.

5° TAPPA: succinil-CoA succinato

→

E' reversibile

E' catalizzata dalla succinato CoA sintetasi.

E' una reazione in cui partecipano fosfato inorganico e GDP. Il GDP è fosforilato

formando GTP. Parliamo di fosforilazione a livello del substrato.

MECCANISMO 3

L'enzima ha un residuo di istidina nel suo sito. Il succinil-CoA entra, si lega

all'enzima; si rompe il legame C-S e si introduce il gruppo fosfato. Si libera CoA e si

forma succinilfosfato legato all'enzima. Il gruppo fosfato è ceduto al residuo di

istidina e si libera succinato.

Per rigenerare l'enzima, il fosfato legato all'istidina è ceduto a GDP che si fosforila,

formando GTP.

6° TAPPA: succinato fumarato

→

E' reversibile

E' catalizzata dalla succinato deidrogenasi.

E' una reazione di ossidoriduzione in cui il succinato è ridotto a fumarato e gli

elettroni sono ceduti al FAD. Il FAD è il coenzima della succinato deidrogenasi ed

legato all'enzima formando una base di Schiff.

NB: La succinato deidrogenasi è importante perchè è il secondo complesso della

catena respiratoria,

7° TAPPA: fumarato malato

→

E' reversibile.

E' catalizzata da una fumarasi che idrata il fumarato a malato.

Per inserire H O il meccanismo può procedere attraverso la formazione di un

2

carbocatione o di un carbanione

8° TAPPA: malato ossalacetato

→

E' reversibile

E' catalizzata dalla malato deidrogenasi +

Il malato è ossidato a ossalacetato e gli elettroni sono ceduti al NAD che si riduce a

+

NADH + H .

REAZIONE COMPLESSIVA:

+

Acetil-CoA + 3NAD + FAD + GDP + Pi + 2H O 2CO + 3NADH + FADH +

→

2 2 2

+

ATP + 2H + CoA

Considerazioni:

Il carbonio carbonilico dell'acetil-CoA viene conservato durante il primo giro ma

viene perso completamente nel secondo giro. Il carbonio metilico dell’acetil-CoA

sopravvive a due giri completi del ciclo ma viene equamente ripartito tra i quattro

carboni dell’ossalacetato entro la fine del secondo giro. In ogni giro successivo del

ciclo, una metà di questo carbonio (il gruppo metile marcato originariamente) viene

rilasciata

CONTI ENERGETICI 4

Resa in ATP dall’ossidazione aerobica di Numero di molecole di Numero di molecole di ATP

una molecola di glucosio attraverso la ATP o di coenzimi ridotti formate complessivamente*

glicolisi, piruvato deidrogenasi, il ciclo formati direttamente

dell’acido citrico e la fosforilazione

ossidativa -1 ATP -1

Glucosio 6-P

→Glucosio -1 ATP -1

F6P →F1,6-bisP 2 NADH 3 o 5*

2 GAP3 1,3-bis-Pglicerato

→2 2 ATP 2

2 1,3-bis-Pglicerato 3-P-glicerato

→2 2 ATP 2

2 PEP piruvato

→2 2 NADH 5

2 piruvato acetil-CoA

→2 2 NADH 5

2 isocitrato α-chetoglutarato

→2 2 NADH 5

2 α-chetoglutarato succinil CoA

→2 2 ATP (o 2 GTP) 2

2 succinil CoA succinato

→2 2 FADH2 3

2 succinato fumarato

→2 2 NADH 5

2 malato ossalacetato

→2

totale 30-32 ATP

Resa in ATP durante Numero di molecole di Numero di

l’ossidazione del palmitil-CoA a NADH o di FADH2 molecole di

CO2 e H2O formate ATP prodotte

Acil-CoA deidrogenasi 7 FADH2 10,5

β-Idrossiacil-CoA deidrogenasi 7 NADH 17,5

Isocitrato deidrogenasi 8 NADH 20

α-Chetoglutarato-deidrogenasi 8 NADH 20

Succinil-CoA-sintetasi 8

Succinato deidrogenasi 8 FADH2 12

Malato deidrogenasi 8 NADH 20

totale 108

Quindi:

Dagli zuccheri: resa in ATP dall'ossidazione aerobica di una molecola di glucosio

attraverso la glicolisi, piruvato deidrogenasi, il ciclo dell'acio citrico e la

fosforilazione ossidativa tot = 30-32 ATP

→

Dagli acidi grassi: resa in ATP durante l'ossidazione del palmitil-CoA a CO e H O →

2 2

tot = 106

La beta-ossidazione avviene nel mitocondrio. La prima reazione è un'ossidazione con

formazione di FADH . Il giro di ossidazione avviene per 7 volte: in totale ho 7FADH

2 2

10,5 ATP

→

L’equivalente di 2 molecole di ATP viene consumato nell’attivazione del palmitato,

in cui l’ATP viene scisso in AMP e PPi. Perciò l’ossidazione completa di una

molecola di palmitato produ