Biochimica

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 del

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 profondamente

∆

negativo. 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 diidropoil

deidrogenasi (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 solo 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’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.

In figura si può notare la riduzione dei due azoti di cui si è

parlato prima.

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’acetaldeie

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 sul

lipoato 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.

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.

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. Il citrato, che è il substrato dal quale, spesso,

prende il nome il ciclo, è un acido tricarbossilico a 6C

(atomi di carbonio).

La reazione è irreversibile e questa è una delle tappe

regolate del ciclo di Krebbs. Il ciclo di Krebbs, è regolato anche e soprattutto dalla concentrazione

dell’ossalacetato nella matrice mitocondriale.

Seconda reazione: La seconda reazione è regolata da un enzima chiamato

Aconitasi. E’ una reazione reversibile che porta alla

formazione dell’isocitrato e che funziona in due passaggi

metabolici. Il primo consiste nella perdita di una molecola

d’acqua con formazione di un intermedio chiamato cis-

aconitato che presenta un doppio legame al quale, successivamente, viene addizionata una

molecola di acqua, portando alla formazione dell’isocitrato (spostamento del gruppo -OH in

posizione 2)

Terza reazione: l’Isocitrato va incontro, quindi, a decarbossilazione ossidativa in

una reazione catalizzata dall’isocitrato deidrogenasi. Abbiamo la

perdita di una molecola di e quindi viene ridotta una

!

molecola di NAD+ a NADH + H+ andando a formare l’a-

chetoglutarato più la molecola di . L’isocitrato deidrogenasi è

!

presente in più isoforme. A seconda dell’isoforma che abbiamo, il

coenzima che può essere utilizzato è il NAD o il NADP. Il Ciclo di

Krebbs utilizza il coenzima NAD.

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. Anche in

questo caso, si utilizza un complesso enzimatico che

prende il nome di complesso dell’a-chetoglutarato

deidrogenasi e che ha la stessa struttura della piruvato

deidrogenasi. Anche in questo complesso vengono

utilizzati i cinque coenzimi che abbiamo visto prima. Questa reazione dà la sintesi di SuccinilCoA +

.

!

Quinta reazione: Il SuccinilCoA, grazie alla presenza del CoA, rende queste

molecole altamente energetiche e, quindi, a partire dal

SuccinilCoA, attraverso la SuccinilCoA sintetasi e l’utilizzo di

una molecola di GDP + P, 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. Questa è l’unica molecola ad alto

contenuto energetico che il ciclo di Krebbs riesce a sintetizzare e, di fatto, questa reazione è una

fosforilazione a livello del substrato che noi abbiamo già incontrato nella sintesi dell’ATP in fase 10

e 6 della glicolisi. Questa molecola di GTP può essere trasformata facilmente

in una molecola di ATP perché nella cellula esistono una

serie di enzimi che catalizzano reazioni reversibili e senza

dispendio di energia in cui si ha scambio di gruppi fosfato fra i diversi nucleotidi: il GTP può reagire

con una molecola di ADP per dare GDP + ATP.

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 che

un doppio legame fra carbonio 2 e carbonio 3. La succinato

deidrogenasi è particolare perché è l’unico enzima del ciclo

di Krebbs che è legato alla membrana mitocondriale interna

e che costituisce anche il secondo complesso della catena di trasporto degli elettroni.

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. Ricordiamo che

l’Ossalacetato è il substrato che, nel ciclo di Krebbs, non viene

prodotto né consumato. Il ciclo di Krebbs termina.

Di fatto, quindi, l’unica molecola di ATP prodotta nel

ciclo di Krebbs è quella che fa parte della reazione

catalizzata dalla Succinato sintasi.

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 gliceraldeide3P 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. Quindi, in qualche modo, il ciclo di viene “sacch