lez_2016-17-KREBS

CICLO DI KREBS (o DELL’ACIDO CITRICO)
È un processo ossidativo che ha un ruolo centrale nel metabolismo
energetico delle cellule eucariotiche.
Avviene nella matrice mitocondriale.
È alimentato soprattutto dall’Acetil-CoA, metabolita chiave prodotto dal
catabolismo ossidativo dei carboidrati, dei lipidi, di vari amminoacidi.
L’energia rilasciata dalle ossidazioni del ciclo di Krebs è conservata
come potere riducente (NADH e FADH2) che alimenta la sintesi di
ATP mitocondriale.
Per ogni molecola di Acetil-CoA
che viene ossidata nel ciclo
vengono prodotti:
3 NADH
1 FADH2
1 GTP (ATP)
Acetil-CoA
Citrato
Ossalacetato
Malato
Isocitrato
Ciclo
dell’acido
citrico
chetoglutarato
Fumarato
Succinil-CoA
Succinato
L’acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs nella reazione di condensazione con l’ossalacetato
che produce il CITRATO liberando CoA-SH
H+
ACETIL-CoA
CITRATO
SINTASI
CITRATO
OSSALACETATO
SITO ATTIVO DELLA CITRATO SINTASI:I residui di Asp375 e
His274 attivano l’Acetil-CoA, l’His320 attiva l’ossalacetato
L’O carbonilico diventa ossidrile
(strappa un H+ all’His320)
D. Voet – C. W. Pratt – J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2013
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ISOMERIZZAZIONE: Il gruppo –OH deve essere spostato sul carbonio 2
3
2
CITRATO
ACONITASI
ACONITASI
Cis-ACONITATO
3
2
ISOCITRATO
Nella cellula, in condizioni reali la reazione è esoergonica,
è spinta in avanti dal consumo di isocitrato nella reazione
successiva.
FLUOROACETIL-CoA:
INIBITORE SUICIDA
DELL’ACONITASI
H
|
F—C—C
|
H
È un metabolita del FLUOROACETATO
(Tossina usata come pesticida)
O
S-CoA
È riconosciuto come substrato
dalla citrato-sintasi che lo
condensa con l’ossalacetato
per formare FLUOROCITRATO
Il Fluorocitrato quando entra nel sito attivo
dell’ACONITASI interagisce fortemente con essa
inibendola in modo IRREVERSIBILE, bloccando
quindi tutto il ciclo e la respirazione cellulare
F
Decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato
Il gruppo –OH in C-2 dell’isocitrato subisce un’ossidazione che porta alla
produzione di NADH (NADPH) e alla formazione di un α-chetoacido
H+ rilasciato dall’ossigeno
CO2
ISOCITRATO
DEIDROGENASI
:H- (ione idruro
trasferito sul NAD+)
Isocitrato
α-chetoglutarato
SITO ATTIVO DELL’ISOCITRATO DEIDROGENASI: MECCANISMO
• 1 ione idruro è ceduto dal C-2
al NAD+,
• il gruppo ossidrilico in
posizione 2 diventa un
carbonile,
• L’intermedio ossalosuccinato
interagisce con uno ione Mn2+
che destabilizza il gruppo
carbossilico in C-3
• Il gruppo carbossilico in posizione 3
esce come CO2
• Si forma un intermedio enolato,
stabilizzato dallo ione Mn2+
• Entra un H+ che va a legarsi al C-3 e si
ottiene un alfa-chetoacido.
D. Voet – C. W. Pratt – J. G. Voet, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2013
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Ossidazione dell’α-chetoglutarato: questa reazione porta alla formazione di un
legame TIOESTERE ad alta energia e alla produzione di NADH
Lipoammide
TPP
FAD
Complesso dell’αchetoglutarato
deidrogenasi
α-chetoglutarato
Succinil-CoA
Simile per struttura e funzione al complesso della
piruvato deidrogenasi (sono utilizzati gli stessi
coenzimi e avviene la decarbossilazione ossidativa di
un α-chetoacido)
L’idrolisi del legame tioestere ad alta energia è accoppiata alla fosforilazione
di un nucleoside-difosfato (GDP, nei mammiferi, o ADP, piante e batteri).
Si ottiene GTP o ATP.
Succinil-CoA
sintetasi
Succinil-CoA
Succinato
Legame tioestere
ad alta energia
SITO ATTIVO DELLA SUCCINIL-CoA SINTETASI: MECCANISMO
Un fosfato inorganico spiazza il CoA e si
forma un anidride mista: succinil-fosfato
L’His fosforilata ruota verso
il sito di legame per il GDP
Il GTP scambia il gruppo fosfato con
l’ADP per formare ATP
Il gruppo fosfato è ceduto ad un residuo
di His dell’enzima e si libera succinato
Il fosfo-enzima cede il gruppo
fosfato al GDP e si forma GTP
GTP + ADP
GDP + ATP
Nucleoside difosfato-chinasi
Ossidazione del succinato a fumarato
COMPLESSO II della catena di trasporto di e- mitocondriale
Trasferisce gli e- al complesso III
QH2
Q
SUCCINATO
DEIDROGENASI
SUCCINATO
FUMARATO
FUMARASI
FUMARATO
Aggiunta STEREOSPECIFICA
TRANS di acqua al doppio legame.
Quando il fumarato è nel sito
attivo dell’enzima l’aggiunta della
molecola d’acqua può avvenire
solo in una direzione.
Stato di transizione
carbanionico
FUMARASI
L-MALATO
Il ciclo di Krebs si conclude con un’ossidoriduzione che riforma
l’ossalacetato e produce NADH
L-MALATO
MALATO
DEIDROGENASI
OSSALACETATO
Nelle cellule la reazione è fortemente spinta in avanti perché
l’ossalacetato è continuamente rimosso dalla citrato sintasi la quale
mantiene bassa la concentrazione di ossalacetato nel mitocondrio.
BILANCIO ENERGETICO: Se partiamo dall’ossidazione di 1 molecola di
glucosio possiamo ottenere energia sufficiente a sintetizzare 36 (o 38)
molecole di ATP
sistema navetta del NADH
glucosio
diidrossiacetonefosfato/glicerolo 3-fosfato
Glicolisi
2 ATP + 2 NADH
2 piruvato → 2 Acetil-CoA
(PDH)
Ciclo di Krebs
2 NADH
sistema navetta del NADH
malato/aspartato
2 NADH
6 NADH + 2 FADH2 + 2 GTP(ATP)
TOTALE: 4 ATP
10 NADH >>>> ~ 30 ATP
2 FADH2 >>>> ~ 4 ATP
~ 38 ATP
2 FADH2
TOTALE: 4 ATP
8 NADH >>>> ~24 ATP
4 FADH2 >>>> ~ 8 ATP
~ 36 ATP
Sistema navetta malato/aspartato (attiva nel fegato e nel cuore)
GLICOLISI
1
2
Malato deidrogenasi
citosolica
7
Transamminazione
3
6
Traslocatore
malato/α-chetoglutarato
Malato deidrogenasi
mitocondriale
Traslocatore
aspartato/glutammato
5
4
Al complesso I
Viene transamminato ad aspartato e nella reazione
viene riprodotto α-chetoglutarato
Regolazione del ciclo di KREBS: basata sul fabbisogno di ATP da parte della
cellula.
-disponibilità substrato
-inibizione da accumulo di prodotti
-inibizione allosterica
Inibitore
citosolico
ATP, citrato, NADH
+ ADP
della PFK-1
Sucinato
deidrogenasi:
subisce la
regolazione della
Fosforilazione
Ossidativa
Citrato sintasi,
Isocitrato deidrogenasi
e α-chetoglutarato
deidrogenasi: regolate
allostericamente
Negli organismi areobici il ciclo di KREBS s’interseca con diverse altre vie
anaboliche e cataboliche. Alcuni intermedi del ciclo di Krebs sono precursori nelle
vie di biosintesi e diverse vie cataboliche producono intermedi del ciclo attraverso
reazioni anaplerotiche
Ac. Grassi
Ac. grassi,
amminoacidi
REAZIONI ANAPLEROTICHE DEL CICLO DI KREBS: riforniscono il ciclo di intermedi
Fegato, Rene
PIRUVATO
OSSALACETATO
Piruvato carbossilasi
– ATP, Biotina-dipendente –
Cuore, muscolo schelettrico
FOSFOENOLPIRUVATO
OSSALACETATO
Citosol cellule
eucariotiche/procariotiche
PIRUVATO
NADPH + H+
+
HO
MALATO
PEP-carbossichinasi
– GDP-dipendente –
Enzima malico
- NADPH-dipendente –
+ NADP+
CARBOSSILAZIONE
RIDUTTIVA