Trasporto del piruvato dal
citoplasma al mitocondrio
Membrana esterna
Membrana interna
Piruvato
translocasi
COOH
C=O
COOH
C=O
CH3
CH3
TCA
Reazione catalizzata dal complesso mitocondriale della piruvato
deidrogenasi (gruppi prostetici:
prostetici: TTP, Lipoamide,
Lipoamide, FAD)
Complesso multienzimatico della
piruvato deidrogenasi (PDH)
O
O
H3C
CH2
N
H3C
CH2
O
P
O−
+
N
C
O
P
O−
O−
S
H+ acido
H
N
CH2
NH2
tiamina pirofosfato (TPP)
S
CH2
Acido lipoico
CH2
S
O
CH
CH2 CH2 CH2 CH2 C
lipoammide
lisina
NH
NH (CH2)4 CH
C
−
+
O
In E. coli il “core”
core”
contiene 24 monomeri
di E2, ognuno legato a
3 molecole di acido
Lipoico.
Lipoico.
Inoltre il complesso
contiene 24 monomeri
di E1 e 12 di E3
Ha un diametro di 45
nm (5 volte più
più grande
di un ribosoma).
ribosoma).
Mr = 4,5 × 106
Complesso della Piruvato deidrogenasi
CICLO DI KREBS-1a Reazione (condensazione)
Enzima: citrato sintasi
HS-CoA
COOH
CH3
C=O
S-CoA
+
C=O
+
CH2
COOH
COOH
CH2
HO-C
Acetil-CoA
ossalacetato
COOH
CH2
COOH
citrato
-Il ciclo di Krebs inizia con una reazione catalizzata dalla citrato sintasi (enzima
condensante) che unisce l’acetile dell’acetil-CoA con l’ossalacetato formando citrato
(il ciclo di Krebs viene anche detto ciclo deli acidi tricarbossilici (TCA).
CICLO DI KREBS-2
a
Reazione (isomerizzazione)
Enzima: aconitasi
COOH
CH2
HO-C
COOH
CH2
COOH
citrato
COOH
COOH
CH2
CH2
C
COOH
CH
COOH
cis-aconitato
H C
COOH
HO-C
H
COOH
iso-citrato
Il secondo enzima detto aconitasi catalizza l’isomerizzazione del citrato
trasformandolo in isocitrato. Nel sito attivo di questo enzima si forma un composto
intermedio: il cis-aconitato. Il nome aconitasi deriva dal nome di tale intermedio.
CICLO DI KREBS-
3a Reazione
(decarbossilazione ossidativa)
Enzima: isocitrato deidrogenasi
COOH
CO2
CH2
H C
COOH
HO-C
H
COOH
iso-citrato
COOH
CH2
CH2
C=O
NAD
NADH + H+
COOH
α-chetoglutarato
1
Il terzo enzima detto isocitrato deidrogenasi catalizza una reazione di
decarbossilazione ossidativa, trasformando l’isocitrato in α-chetoglutarato e CO2. Il
NAD viene ridotto a NADH + H+
CICLO DI KREBS-
4a Reazione
(decarbossilazione ossidativa)
Enzima: α-chetoglutarato deidrogenasi
COOH
HS-CoA
CO2
COOH
CH2
CH2
CH2
CH2
C=O
C=O
COOH
α-chetoglutarato
NAD
NADH + H+
S-CoA
Succinil-CoA
1
Il quarto enzima (α-chetoglutarato-deidrogenasi) catalizza la decarbossilazione
ossidativa dell’α-chetoglutarato trasformandolo in succinil-CoA e formando la
seconda molecola di NADH del ciclo. (di fatto è un complesso multienzimatico
simile alla piruvato deidrogenasi !)
CICLO DI KREBS-
5a Reazione
(fosforilazione a livello di substrato)
Enzima: succinato tiocinasi
COOH
GDP
GTP
COOH
CH2
CH2
CH2
CH2
C=O
Pi
COOH
S-CoA
Succinil-CoA
succinato
1
Il quinto enzima (succinil-CoA sintetasi) catalizza la reazione del succinil-CoA con
GDP e fosfato inorganico (Pi) formando succinato e GTP (una sostanza
energeticamente equivalente all’ATP).
CICLO DI KREBS-
6a Reazion (ossidazione)
Enzima: succinato deidrogenasi
COOH
CH2
|
CH2
FAD
FADH2
COOH
CH
||
HC
COOH
COOH
succinato
fumarato
1
Il sesto enzima (succinato-deidrogenasi) ha come coenzima il FAD che accetta 2
atomi di idrogeno dal succinato trasformandolo in fumarato (un composto
insaturo) e producendo 1 molecola di FADH2.
CICLO DI KREBS7a Reazione (addizione di acqua)
Enzima: fumarasi
COOH
COOH
CH
||
HC
COOH
fumarato
HO-C-H
|
CH2
H2O
COOH
L-malato
1
il settimo enzima (fumarasi) addiziona una molecola di H2O al doppio legame C=C
presente nel fumarato producendo L-malato.
CICLO DI KREBS8a Reazione (ossidazione)
Enzima: malato deidrogenasi
COOH
HO-C-H
|
CH2
COOH
L-malato
NAD
NADH + H+
COOH
C=O
|
CH2
COOH
ossalacetato
1
l’ottavo ed ultimo enzima (malato deidrogenasi) ossida L-malato utilizzando il
NAD come ossidante e rigenera la molecola di ossalacetato producendo anche la
terza molecola di NADH + H+ e chiudendo il ciclo
Acetil-CoA
O
CH3
C SCoA
HSCoA
O
C OH
NADH2
CH2
HO C C
NAD+
O
C OH
malato
CH2 OH
CH
O
H2O
O
ossalacetato
HC OH
C
O
C
O
C OH
OH
CH2
citrato
OH
HC C
isocitrato
O
C OH
O
CH
O
C
NAD+
OH
O
C OH
CH
fumarato
OH
HO CH
C
O
a -chetoglutarato
OH
O
O
C OH
FADH
CH2
CH2 HSCoA
FAD
O
C
OH
succinato
O
C OH
GTP
GDP + Pi
CH2
CH2
O C SCoA
Succinil-CoA
CH2
CH2
C C
O
OH
NAD+
SCoA
CO2
NADH2
NADH2
CO2
1 NADH = 2,5 ATP
1 FADH2 = 1,5 ATP
Resa energetica del ciclo di Krebs (accoppiato con la fosforilazione ossidativa)
RESA NETTA IN ATP DAL METABOLISMO AEROBIO DEL GLUCOSIO
30-(32) ATP
Regolazione della piruvato deidrogenasi e del ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs è una via metabolica mitocondriale ed è regolato in
maniera differente rispetto alla glicolisi,
glicolisi, al metabolismo del
glicogeno ed a quello dei lipidi. I seguenti metaboliti regolano la
velocità
velocità con cui opera il ciclo:
La piruvato deidrogenasi (il complesso che trasforma il piruvato in
acetilacetil-CoA)
CoA) viene regolata con due modalità
modalità: la prima mediante
inibizione da prodotti (NADH e AcetilAcetil-CoA);
CoA); la seconda mediante
in meccanismo di fosforilazione/
fosforilazione/defosforilazione di una delle sue
subunità
subunità. Quando la concentrazione cellulare dell’
dell’ATP è alta
(abbondanza di energia) il complesso viene fosforilato da una
specifica proteina cinasi ed inattivato, mentre quando la
concentrazione cellulare dell’
dell’ATP è bassa una specifica proteina
fosfatasi defosforila ed attiva il complesso.
•Disponibilità di ossalacetato e acetil-CoA: infatti nel
mitocondrio l’enzima citrato sintasi non è mai saturato dai
substrati. Per questa ragione (vedi Km e saturazione dei siti
attivi degli enzimi), una diminuzione della concentrazione
dell’ossalacetato o dell’acetil-CoA determina una riduzione
della velocità, mentre un aumento della concentrazione di tali
metaboliti porta ad un incremento della velocità.
•Rapporto [NADH]/[NAD]: quando aumenta la concentrazione
cellulare di NADH la velocità del ciclo viene ridotta, mentre
quando aumenta la concentrazione del NAD la velocità del ciclo
viene incrementata. Tali effetti sono dovuti ad una azione
inibitoria da prodotto (NADH) nelle reazioni catalizzate dalle
deidogenasi piridiniche ((isocitrato deidrogenasi e alfachetoglutarato deidrogenasi), ma anche ad una inibizione della
citrato sintasi.
Rapporto
[succinil-CoA]/[HSCoA]:
quanto
aumenta
la
concentrazione del succinil-CoA il ciclo viene inibito (inibizione da
prodotto sulla alfa-chetoglutarato deidrogenasi ed inibizione
competitiva sulla citrato sintasi).
Come ben si vede, il ciclo viene regolato in base alle
necessità energetiche della cellula: se la cellula ha
bisogno di ATP il ciclo viene attivato, mentre se la
cellula contiene già elevate concentrazioni di ATP il
ciclo viene inibito.
Il ciclo di Krebs è una via metabolica terminale. In esso
confluiscono tutte le vie ossidative dei carboidrati, dei grassi e
degli ammino acidi. Infatti i carboidrati, dopo essere stati
trasformati in piruvato mediante la glicolisi, generano l’acetilCoA per azione della piruvato deidrogenasi. Gli acidi grassi
seguono lo stesso destino mediante la beta-ossidazione. Anche
molti ammino acidi formano o piruvato o acetil-CoA mediante
vie specifiche per ogni ammino acido. Tuttavia, alcuni ammino
acidi formano direttamente metaboliti del ciclo di Krebs. Gli
ammino acidi che, nel loro catabolismo, formano piruvato o
metaboliti del ciclo (come ossalacetato e alfa-chetoglutarato o
succinil-CoA) possono avere un destino metabolico differente
dalla ossidazione diretta: infatti essi sono convertiti in glucosio
nel fegato mediante una via metabolica detta gluconeogenesi
(vedi amino acidi glucogenici). Il glucosio formato viene secreto
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
funzione di ciclo metabolico terminale è molto importante per la produzione di
energia (come ATP), è anche vero che singoli metaboliti del ciclo di Krebs
possono lasciare il ciclo e partecipare a metabolismi di sintesi, come ad esempio la
gluconeogenesi (per formare nuove molecole di glucosio a partire da amino acidi),
la biosintesi del gruppo eme, la biosintesi di amino acidi etc. Quando un metabolita
del ciclo di Krebs abbandona il ciclo per prendere parte ad altri metabolismi, la
popolazione delle molecole di ossalacetato diminuisce. Per questo sono molto
importanti vie metaboliche che formano l’ossalacetato. Negli animali superiori la
più importante di queste vie è la carbossilazione del piruvato:
Regolazione covalente della PDH
Il complesso della piruvato deidrogenasi [PDH, (E1-E2-E3)]
contiene anche una proteina cinasi che fosforila E1 sulla
catena laterale di una serina,
serina, ed una proteina fosfatasi che
può rimuovere il fosfato
ØLa velocità con cui procede il ciclo di Krebs
dipende dalla concentrazione mitocondriale di
ossalacetato
Le vie metaboliche che sintetizzano ossalacetato
vengono dette “anaplerotiche”
Meccanismo
di azione
della
piruvato
carbossilasi