3-CICLO DI KREBS-b - E-learning
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Trasporto del piruvato dal<br />
citoplasma al mitocondrio<br />
Membrana esterna<br />
Membrana interna<br />
COOH<br />
C=O<br />
CH3<br />
Piruvato<br />
translocasi<br />
COOH<br />
C=O<br />
CH3<br />
TCA
Reazione catalizzata dal complesso mitocondriale della piruvato<br />
deidrogenasi (gruppi prostetici: prostetici:<br />
TTP, Lipoamide, Lipoamide,<br />
FAD)
Complesso multienzimatico della<br />
piruvato deidrogenasi (PDH)
H 3C<br />
N<br />
N<br />
S CH 2<br />
S<br />
CH<br />
CH 2<br />
NH 2<br />
CH 2<br />
lipoammide<br />
H 3C<br />
+<br />
N<br />
H<br />
C<br />
S<br />
CH 2<br />
H + acido<br />
tiamina pirofosfato (TPP)<br />
Acido lipoico<br />
O<br />
CH 2 O P O P O −<br />
CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 C NH (CH 2) 4 CH<br />
− +<br />
O<br />
O −<br />
lisina<br />
O<br />
O −<br />
NH<br />
C O
In E. coli il “core core”<br />
contiene 24 monomeri<br />
di E2, ognuno legato a<br />
3 molecole di acido<br />
Lipoico. Lipoico<br />
Inoltre il complesso<br />
contiene 24 monomeri<br />
di E1 e 12 di E3<br />
Ha un diametro di 45<br />
nm (5 volte più pi grande<br />
di un ribosoma). ribosoma).<br />
Mr = 4,5 · 10 6<br />
Complesso della Piruvato deidrogenasi
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>-1a Reazione (condensazione)<br />
Enzima: citrato sintasi<br />
CH3<br />
C=O<br />
S-CoA<br />
+<br />
COOH<br />
C=O<br />
CH2<br />
COOH<br />
Acetil-CoA ossalacetato<br />
HO-C<br />
HS-CoA<br />
+<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
COOH<br />
citrato<br />
COOH<br />
-Il ciclo di Krebs inizia con una reazione catalizzata dalla citrato sintasi (enzima<br />
condensante) che unisce l’acetile dell’acetil-CoA con l’ossalacetato formando citrato<br />
(il ciclo di Krebs viene anche detto ciclo deli acidi tricarbossilici (TCA).
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>-2 a Reazione (isomerizzazione)<br />
Enzima: aconitasi<br />
HO-C<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
COOH<br />
citrato<br />
COOH<br />
COOH<br />
CH2<br />
C<br />
CH<br />
COOH<br />
COOH<br />
cis-aconitato<br />
H<br />
COOH<br />
C<br />
HO-C<br />
CH2<br />
COOH<br />
COOH<br />
H<br />
iso-citrato<br />
Il secondo enzima detto aconitasi catalizza l’isomerizzazione del citrato<br />
trasformandolo in isocitrato. Nel sito attivo di questo enzima si forma un composto<br />
intermedio: il cis-aconitato. Il nome aconitasi deriva dal nome di tale intermedio.
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>- 3 a Reazione<br />
(decarbossilazione ossidativa)<br />
Enzima: isocitrato deidrogenasi<br />
H<br />
COOH<br />
C<br />
HO-C<br />
CH2<br />
COOH<br />
COOH<br />
H<br />
iso-citrato<br />
CO2<br />
NAD NADH + H +<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
C=O<br />
COOH<br />
a-chetoglutarato<br />
Il terzo enzima detto isocitrato deidrogenasi catalizza una reazione di<br />
decarbossilazione ossidativa, trasformando l’isocitrato in α-chetoglutarato e CO 2 . Il<br />
NAD viene ridotto a NADH + H +<br />
1
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>- 4 a Reazione<br />
(decarbossilazione ossidativa)<br />
Enzima: a-chetoglutarato deidrogenasi<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
C=O<br />
COOH<br />
a-chetoglutarato<br />
HS-CoA<br />
NAD<br />
CO2<br />
NADH + H +<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
C=O<br />
S-CoA<br />
Succinil-CoA<br />
Il quarto enzima (α-chetoglutarato-deidrogenasi) catalizza la decarbossilazione<br />
ossidativa dell’α-chetoglutarato trasformandolo in succinil-CoA e formando la<br />
seconda molecola di NADH del ciclo. (di fatto è un complesso multienzimatico<br />
simile alla piruvato deidrogenasi !)<br />
1
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>- 5 a Reazione<br />
(fosforilazione a livello di substrato)<br />
Enzima: succinato tiocinasi<br />
COOH<br />
CH2<br />
CH2<br />
C=O<br />
S-CoA<br />
Succinil-CoA<br />
GDP GTP<br />
COOH<br />
Pi<br />
CH2<br />
CH2<br />
COOH<br />
succinato<br />
Il quinto enzima (succinil-CoA sintetasi) catalizza la reazione del succinil-CoA con<br />
GDP e fosfato inorganico (Pi) formando succinato e GTP (una sostanza<br />
energeticamente equivalente all’ATP).<br />
1
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>- 6 a Reazion (ossidazione)<br />
Enzima: succinato deidrogenasi<br />
COOH<br />
CH 2<br />
|<br />
CH 2<br />
COOH<br />
succinato<br />
FAD FADH2 COOH<br />
CH<br />
||<br />
HC<br />
COOH<br />
fumarato<br />
Il sesto enzima (succinato-deidrogenasi) ha come coenzima il FAD che accetta 2<br />
atomi di idrogeno dal succinato trasformandolo in fumarato (un composto<br />
insaturo) e producendo 1 molecola di FADH 2 .<br />
1
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>-<br />
Enzima: fumarasi<br />
COOH<br />
CH<br />
||<br />
HC<br />
COOH<br />
fumarato<br />
H2O<br />
7 a Reazione (addizione di acqua)<br />
COOH<br />
HO-C-H<br />
|<br />
CH2<br />
COOH<br />
L-malato<br />
il settimo enzima (fumarasi) addiziona una molecola di H 2 O al doppio legame C=C<br />
presente nel fumarato producendo L-malato.<br />
1
<strong>CICLO</strong> <strong>DI</strong> <strong>KREBS</strong>-<br />
8 a Reazione (ossidazione)<br />
Enzima: malato deidrogenasi<br />
COOH<br />
HO-C-H<br />
|<br />
CH2<br />
COOH<br />
L-malato<br />
NAD NADH + H + COOH<br />
C=O<br />
|<br />
CH2<br />
COOH<br />
ossalacetato<br />
l’ottavo ed ultimo enzima (malato deidrogenasi) ossida L-malato utilizzando il<br />
NAD come ossidante e rigenera la molecola di ossalacetato producendo anche la<br />
terza molecola di NADH + H + e chiudendo il ciclo<br />
1
malato<br />
H 2 O<br />
fumarato<br />
FADH<br />
O<br />
C OH<br />
CH<br />
CH<br />
O<br />
C OH<br />
CH<br />
HC<br />
C<br />
O OH<br />
C<br />
O OH<br />
FAD<br />
OH<br />
NAD +<br />
NADH 2<br />
O<br />
C OH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
C<br />
O OH<br />
succinato<br />
HSCoA<br />
Acetil-CoA<br />
GTP<br />
O<br />
ossalacetato<br />
CH 3<br />
C SCoA<br />
GDP + P i<br />
HSCoA<br />
HO<br />
C<br />
CH 2<br />
O<br />
OH<br />
O<br />
C C<br />
OH<br />
CH 2<br />
C<br />
O OH<br />
citrato<br />
isocitrato<br />
SCoA<br />
HO<br />
a-chetoglutarato<br />
O<br />
C OH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O C SCoA<br />
Succinil-CoA<br />
C<br />
HC<br />
C<br />
CO 2<br />
CH 2<br />
CH<br />
O<br />
OH<br />
C<br />
O OH<br />
O<br />
O<br />
OH<br />
O<br />
C OH<br />
CH 2<br />
CH 2<br />
O<br />
C C<br />
OH<br />
NAD +<br />
NADH 2<br />
NAD +<br />
CO 2<br />
NADH 2
1 NADH = 2,5 ATP<br />
1 FADH 2 = 1,5 ATP<br />
Resa energetica del ciclo di Krebs (accoppiato con la fosforilazione ossidativa)
RESA NETTA IN ATP DAL METABOLISMO AEROBIO DEL GLUCOSIO<br />
30-(32) ATP
Regolazione della piruvato deidrogenasi e del ciclo di Krebs<br />
Il ciclo di Krebs è una via metabolica mitocondriale ed è regolato in<br />
maniera differente rispetto alla glicolisi, glicolisi,<br />
al metabolismo del<br />
glicogeno ed a quello dei lipidi. I seguenti metaboliti regolano la<br />
velocità velocit con cui opera il ciclo:<br />
La piruvato deidrogenasi (il complesso che trasforma il piruvato in<br />
acetil-CoA acetil CoA) ) viene regolata con due modalità: modalit : la prima mediante<br />
inibizione da prodotti (NADH e Acetil-CoA Acetil CoA); ); la seconda mediante<br />
in meccanismo di fosforilazione/defosforilazione<br />
fosforilazione defosforilazione di una delle sue<br />
subunità. subunit . Quando la concentrazione cellulare dell’ATP dell ATP è alta<br />
(abbondanza di energia) il complesso viene fosforilato da una<br />
specifica proteina cinasi ed inattivato, mentre quando la<br />
concentrazione cellulare dell’ATP dell ATP è bassa una specifica proteina<br />
fosfatasi defosforila ed attiva il complesso.
•Disponibilità di ossalacetato e acetil-CoA: infatti nel<br />
mitocondrio l’enzima citrato sintasi non è mai saturato dai<br />
substrati. Per questa ragione (vedi K m e saturazione dei siti<br />
attivi degli enzimi), una diminuzione della concentrazione<br />
dell’ossalacetato o dell’acetil-CoA determina una riduzione<br />
della velocità, mentre un aumento della concentrazione di tali<br />
metaboliti porta ad un incremento della velocità.<br />
•Rapporto [NADH]/[NAD]: quando aumenta la concentrazione<br />
cellulare di NADH la velocità del ciclo viene ridotta, mentre<br />
quando aumenta la concentrazione del NAD la velocità del ciclo<br />
viene incrementata. Tali effetti sono dovuti ad una azione<br />
inibitoria da prodotto (NADH) nelle reazioni catalizzate dalle<br />
deidogenasi piridiniche ((isocitrato deidrogenasi e alfachetoglutarato<br />
deidrogenasi), ma anche ad una inibizione della<br />
citrato sintasi.
Rapporto [succinil-CoA]/[HSCoA]: quanto aumenta la<br />
concentrazione del succinil-CoA il ciclo viene inibito (inibizione da<br />
prodotto sulla alfa-chetoglutarato deidrogenasi ed inibizione<br />
competitiva sulla citrato sintasi).<br />
Come ben si vede, il ciclo viene regolato in base alle<br />
necessità necessit energetiche della cellula: se la cellula ha<br />
bisogno di ATP il ciclo viene attivato, mentre se la<br />
cellula contiene già gi elevate concentrazioni di ATP il<br />
ciclo viene inibito.
Il ciclo di Krebs è una via metabolica terminale. In esso<br />
confluiscono tutte le vie ossidative dei carboidrati, dei grassi e<br />
degli ammino acidi. Infatti i carboidrati, dopo essere stati<br />
trasformati in piruvato mediante la glicolisi, generano l’acetil-<br />
CoA per azione della piruvato deidrogenasi. Gli acidi grassi<br />
seguono lo stesso destino mediante la beta-ossidazione. Anche<br />
molti ammino acidi formano o piruvato o acetil-CoA mediante<br />
vie specifiche per ogni ammino acido. Tuttavia, alcuni ammino<br />
acidi formano direttamente metaboliti del ciclo di Krebs. Gli<br />
ammino acidi che, nel loro catabolismo, formano piruvato o<br />
metaboliti del ciclo (come ossalacetato e alfa-chetoglutarato o<br />
succinil-CoA) possono avere un destino metabolico differente<br />
dalla ossidazione diretta: infatti essi sono convertiti in glucosio<br />
nel fegato mediante una via metabolica detta gluconeogenesi<br />
(vedi amino acidi glucogenici). Il glucosio formato viene secreto<br />
nel sangue per essere poi utilizzato da altri organi.
Il ciclo di Krebs ha un ruolo centrale nel metabolismo. Se è vero che la sua<br />
funzione di ciclo metabolico terminale è molto importante per la produzione di<br />
energia (come ATP), è anche vero che singoli metaboliti del ciclo di Krebs<br />
possono lasciare il ciclo e partecipare a metabolismi di sintesi, come ad esempio la<br />
gluconeogenesi (per formare nuove molecole di glucosio a partire da amino acidi),<br />
la biosintesi del gruppo eme, la biosintesi di amino acidi etc. Quando un metabolita<br />
del ciclo di Krebs abbandona il ciclo per prendere parte ad altri metabolismi, la<br />
popolazione delle molecole di ossalacetato diminuisce. Per questo sono molto<br />
importanti vie metaboliche che formano l’ossalacetato. Negli animali superiori la<br />
più importante di queste vie è la carbossilazione del piruvato:
Regolazione covalente della PDH<br />
Il complesso della piruvato deidrogenasi [PDH, (E 1-E2-E3)] )]<br />
contiene anche una proteina cinasi che fosforila E1 sulla<br />
catena laterale di una serina, serina,<br />
ed una proteina fosfatasi che<br />
può rimuovere il fosfato
La La velocità velocit con cui procede il ciclo di Krebs<br />
dipende dalla concentrazione mitocondriale di<br />
ossalacetato<br />
Le vie metaboliche che sintetizzano ossalacetato<br />
vengono dette “anaplerotiche<br />
anaplerotiche”
Meccanismo<br />
di azione<br />
della<br />
piruvato<br />
carbossilasi