Biochimica

Destini del piruvato in aerobiosi

Questo è uno dei diversi destini che intraprende il piruvato. Abbiamo visto cosa succede in caso di anaerobiosi, ma, quando siamo in aerobiosi, a partire dal piruvato, deve essere sintetizzato AcetilCoA. La sintesi avviene a livello mitocondriale ad opera di un complesso enzimatico chiamato Complesso della Piruvato Deidrogenasi. Quest'ultimo è particolare in quanto utilizza cinque diversi coenzimi per poter produrre AcetilCoA. I coenzimi utilizzati sono il NAD, il CoA, la Tiamina Pirofosfato, il lipoato e il FAD. L'utilizzo di questi cinque coenzimi, alla fine, produrrà la decarbossilazione ossidativa del piruvato ed NAD ridotto. La reazione è irreversibile ed ha un ΔG profondamente negativo.

Il complesso della piruvato deidrogenasi

Questo complesso enzimatico è formato da tre subunità proteiche, alcune delle quali legano specificatamente alcuni degli enzimi mostrati in basso: la prima è la Piruvato deidrogenasi (E1) propriamente detta che lega covalentemente la tiamina pirofosfato; poi abbiamo la diidropoil transacetetilasi (E2) che lega covalentemente il lipoato; infine la diidropoildeidrogenasi (E3), che lega covalentemente il FAD. Partecipano anche una molecola di NAD ossidato ed una di CoA, che non sono legati a nessun substrato. Questi due non sono legati covalentemente, quindi, non sono gruppi prostetici dell'enzima.

La molecola del CoA è formata dall'unione dell'acido pantotenico con il Fosfoadenosina difosfato (nucleotide) e la b-Mercapto-etilammina. La parte reattiva della molecola è il gruppo tiolico SH. Grazie a questo gruppo, il CoA può essere legato all'acetaldeide per formare l'AcetilCoA. Spesso, infatti, nelle reazioni in cui è utilizzato il CoA (che è un attivatore della molecola) si indica lo zolfo proprio per indicare il legame tioestere.

L'importanza dei coenzimi

L'altro coenzima che è legato covalentemente alla proteina è l'acido lipoico, tramite un residuo di lisina. La sua caratteristica è quella di avere un anello che forma un ponte disolfuro. Questo ponte può essere ossidato o ridotto. Nel meccanismo della reazione catalizzata dalla piruvato deidrogenasi, si avrà prima la formazione di un intermedio, quindi trasferimento dell'acetile sul ponte disolfuro sul lipoato, con rottura del ponte e, successivamente, la completa riduzione del ponte.

Abbiamo già parlato del coenzima tiamina pirofosfato quando abbiamo visto la decarbossilazione del piruvato ad acido acetico nella fermentazione alcolica. Il FAD è costituito dalla riboflavina (vitamina B2) e, la parte reattiva della molecola, sono i due azoti in blu, ovvero quelli dell'anello isoallossazinico. Quando a questa struttura viene legato un gruppo fosfato, otteniamo un enzima che prende il nome di FMN. Questo coenzima è presente all'interno delle nostre cellule nella catena di trasporto degli elettroni. Per ottenere, invece, il FAD è necessario legare una molecola di AMP all'FMN. A differenza del NAD che, di fatto, acquisisce uno ione idruro (quindi due elettroni ed un protone), il FAD e l'FMN vengono completamente ridotti acquisendo due protoni e due elettroni.

Meccanismo di decarbossilazione

Il meccanismo di decarbossilazione del piruvato per ottenere l'AcetilCoA inizia con le stesse modalità che abbiamo visto essere utilizzate per decarbossilare il piruvato ad acetaldeide: il piruvato si lega sulla TPP e viene decarbossilato. È lo stesso processo che abbiamo già visto nella fermentazione alcolica. La differenza fra quello che avviene nella fermentazione alcolica e questo è che nella fermentazione alcolica l'acetaldeide viene rilasciato nel mezzo, invece, in questo caso, l'acetaldeide viene trasferito sul ponte disolfuro del lipoato.

In un passaggio successivo, l'acetaldeide viene legata al gruppo reattivo del CoA formando l'AcetilCoA e, quindi, inizia la concreta riduzione dell'anello presente sull'acetilcolina. A questo punto, dopo la formazione di AcetilCoA, il resto del meccanismo serve per ripristinare lo stato iniziale dell'enzima. Quindi, il gruppo presente sullipoato va riossidato a spese del FAD presente sulla terza subunità dell'enzima che, chiaramente, viene ridotto a FADH₂. Il FADH₂ deve essere, a sua volta, riossidato a spese di una molecola di NAD che, questa volta, è libero nella matrice mitocondriale. Riducendo il NAD a NADH + H⁺, l'enzima è ripristinato e la decarbossilazione ossidativa del piruvato può ripartire.

Il ciclo di Krebbs

L'AcetilCoA è stato prodotto e può entrare nel ciclo di Krebbs. Il suo nome deriva dalla presenza di una molecola che non viene né prodotta, né consumata: l'ossalacetato. Quindi il ciclo partirà grazie alla presenza, nella matrice mitocondriale di AcetilCoA e ossalacetato e permetterà l'ulteriore ossidazione della molecola di AcetilCoA con formazione di tutta una serie di equivalenti di riduzione ed un'unica molecola di ATP.

Reazioni del ciclo di Krebbs

• Prima reazione: È la condensazione tra AcetilCoA e Ossalacetato. L'ossalacetato è un acido tricarbossilico che abbiamo già incontrato quando abbiamo visto la gluconeogenesi ma, in questo caso, condensa con l'AcetilCoA grazie alla presenza di un enzima chiamato citrato sintasi, che permette la formazione del citrato e la fuoriuscita del CoA.
• Seconda reazione: La seconda reazione è regolata da un enzima chiamato Aconitasi. È una reazione reversibile che porta alla formazione dell'isocitrato e che funziona in due passaggi metabolici.
• Terza reazione: L'isocitrato va incontro a decarbossilazione ossidativa in una reazione catalizzata dall'isocitrato deidrogenasi. Abbiamo la perdita di una molecola di CO₂ e quindi viene ridotta una molecola di NAD⁺ a NADH + H⁺.
• Quarta reazione: L'a-chetoglutarato subisce una reazione simile a quella che abbiamo visto per il piruvato, ovvero viene decarbossilato, e a questa molecola ne viene legata una di CoA.
• Quinta reazione: Il SuccinilCoA, grazie alla presenza del CoA, rende queste molecole altamente energetiche e, quindi, a partire dal SuccinilCoA, si ha l'allontanamento del CoA, quindi la rottura di questo legame ad alto contenuto energetico per formare il Succinato e, contemporaneamente, la sintesi di una molecola di GTP.
• Sesta reazione: Il Succinato che è stato ottenuto va incontro ad una reazione di ossidazione catalizzata da un enzima chiamato succinato deidrogenasi che utilizza come coenzima il FAD che viene ridotto a FADH₂ con formazione di Fumarato.
• Settima reazione: Sul doppio legame del Fumarato viene addizionata una molecola d'acqua ottenendo, grazie alla fumarasi, il Malato.
• Ottava reazione: Il Malato diventa Ossalacetato grazie alla presenza, nei mitocondri, della malato deidrogenasi.

Di fatto, quindi, l'unica molecola di ATP prodotta nel ciclo di Krebbs è quella che fa parte della reazione catalizzata dalla Succinato sintasi.

Bilancio energetico

Facendo il bilancio energetico della produzione totale di molecole di ATP che si ottengono degradando completamente una molecola di Glucosio, il risultato sarà di 30/32 molecole. Questo perché si attribuisce per la sintesi di ogni molecola di NADH ottenute durante la glicolisi, formazione di AcetilCoA e ciclo di Krebbs, la capacità di sintetizzare 2,5 molecole di ATP, mentre si attribuisce ad ogni molecola di FADH₂ la capacità di sintetizzare 1,5 molecole di ATP.

Il numero varia fra 30 e 32 perché bisogna fare attenzione alla tappa della glicolisi catalizzata dall'enzima gliceraldeide-3P deidrogenasi. Questa, se ricordiamo, produce una molecola di NADH che deve essere riossidata. La riossidazione può avvenire in due diverse modalità. A seconda del tipo di riossidazione verranno prodotte 3 o 5 molecole di ATP.

Il ciclo di Krebbs è particolare in quanto smista tanti metabolismi. Come sappiamo, è presente nella matrice mitocondriale ed ha il problema che molti dei suoi substrati appartengano anche ad altri composti.