Lezioni di
biochimica
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Lezione 7
Il metabolismo
terminale e la
produzione di ATP
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Il metabolismo terminale
I catabolismi dei carboidrati, dei lipidi e degli
amminoacidi convergono sul metabolismo terminale,
costituito dal ciclo di Krebs (o ciclo degli acidi
tricarbossilici o ciclo dell’acido citrico) accoppiato
alla fosforilazione ossidativa, che avvengono nei
mitocondri.
Il catabolismo di carboidrati e lipidi e quello di molti
amminoacidi producono una stessa molecola,
essenziale per il guadagno energetico: l’acetil-CoA.
© Zanichelli editore, 2014
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Relazione tra metabolismo
intermedio e terminale
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Coenzima A
Il coenzima A è sintetizzato a partire da una vitamina
del gruppo B, presente in molti alimenti, specialmente
uova, legumi e fegato.
Il CoA è essenziale per la sintesi dell’acetil-CoA.
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Il ciclo di Krebs
Il ciclo di Krebs venne scoperto nel
1937 da H. A. Krebs, che lo
chiamò ciclo dell’acido citrico.
Successivamente, venne indicato
come ciclo degli acidi
tricarbossilici, dai tre intermedi
della fase di recupero dell’energia
(citrato, cis-aconitato e
isocitrato).
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Hans Adolf Krebs ricevette il
premio Nobel per la medicina
nel 1953.
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La struttura del ciclo di Krebs
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Schema generale del ciclo di Krebs
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Decarbosilazione ossidativa
dell’acido piruvico (I)
L’ acetil-CoA può essere prodotto direttamente dal
catabolismo degli acidi grassi e di molti amminoacidi.
Quello derivante dalla glicolisi è invece sintetizzato a
partire dal piruvato grazie al complesso della piruvato
deidrogenasi mitocondriale, composto da tre enzimi
associati e da 5 cofattori: NAD, FAD, tiamina
pirofosfato (derivata dalla vitamina B1), CoA e un
acido grasso a 8C, l’acido lipoico.
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Decarbosilazione ossidativa
dell’acido piruvico (II)
Il piruvato entra nel mitocondrio grazie a un
trasportatore di membrana, dove il complesso
della piruvato deidrogenasi catalizza la reazione
complessiva.
Questa reazione è irreversibile e l’acetil-CoA
prodotto è destinato al ciclo di Krebs.
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La decarbossilazione ossidativa
dell’acido piruvico (III)
Meccanismo di reazione della piruvato deidrogenasi
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Regolazione del ciclo di Krebs
Gran parte del ciclo di
Krebs è regolato dai livelli
delle concentrazioni dei
suoi intermedi, attraverso
meccanismi di inibizione da
feedback.
Il principale controllo è a
livello della citrato sintasi
inibita da succinil-CoA, il
prodotto della reazione 5.
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Il ciclo di Krebs è una via
anfibolica (I)
Come già visto, il ciclo di Krebs fornisce numerosi
precursori per le vie biosintetiche: ossalacetato e
a-chetoglutarato per la sintesi di amminoacidi,
citrato come fonte di acetil-CoA per la biosintesi di
acidi grassi, succinil-CoA per la sintesi dell’eme, per
citarne alcuni.
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Il ciclo di Krebs è una via
anfibolica (II)
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Il destino degli elettroni generati
nel ciclo di Krebs
• Come si vede dallo schema, nel ciclo di Krebs l’ATP
è prodotto indirettamente a partire dal GTP generato
nella reazione 5.
• Il ciclo invece genera potere riducente (4 coppie di
elettroni) sotto forma 3 NADH e 1 FADH2, che
potranno essere spesi per la sintesi di molte molecole
di ATP.
• Il ciclo di Krebs è quindi una specie di motore che
usa gruppi acetili come combustibile per
trasformarli in un flusso di elettroni.
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La catena di trasporto degli
elettroni (I)
• Gli elettroni sono ceduti da NADH e FADH2 a un
sistema di proteine presenti nella membrana interna
del mitocondrio, esposte verso la matrice, dove si
svolge il ciclo di Krebs e quindi facilmente accessibili.
• Queste proteine costituiscono la catena di trasporto
degli elettroni o catena respiratoria.
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La catena di trasporto degli
elettroni (II)
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Flusso degli elettroni
nella catena (I)
La catena respiratoria comprende quattro complessi
proteici:
• Complesso I: NADH deidrogenasi
• Complesso II: succinato deidrogenasi
• Complesso III: Q-citocromo c ossidoreduttasi
• Complesso IV: citocromo c ossidasi
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Flusso degli elettroni
nella catena (II)
Questi complessi contengono proteine specializzate
nell’accettare e donare elettroni.
La capacità di trasferire elettroni di queste proteine
dipende dalla presenza di particolari strutture
molecolari in grado di legare elettroni, quali il gruppo
eme (nei citocromi), i gruppi ferro-zolfo (nelle
corrispondenti proteine), il gruppo
flavinmononucleotide (nella NADH deidrogenasi).
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Funzione della catena
di trasporto (I)
La catena respiratoria è una sequenza di ossidoriduzioni, in cui le proteine dei vari gruppi accettano
gli elettroni (riducendosi) e li cedono immediatamente
al gruppo successivo (ossidandosi).
È necessario che gli elettroni alla fine vengano
eliminati: è questa la funzione dell’ossigeno che
funziona da accettore finale.
La catena respiratoria non genera direttamente ATP,
bensì energia, sotto forma di forza proton-motrice,
che servirà per la fosforilazione ossidativa.
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Funzionamento della catena
di trasporto (II)
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Il gradiente elettrochimico
protonico (I)
• L’ossidazione del NADH+H+ libera 2 elettroni
e 2 protoni (H+).
• Gli elettroni entrano nella catena nel complesso I
e vengono trasportati dai complessi I-IV all’ossigeno.
• A ogni passaggio di ossidoriduzione si generano
altri protoni. Questi vengono pompati attraverso
la membrana interna nello spazio intermembrana.
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Il gradiente elettrochimico
protonico (II)
Una concentrazione elevata di H+ da un lato della
membrana farà sì che si crei un gradiente
elettrochimico, in cui i protoni fluiscono dal
compartimento ad alta concentrazione verso quello
a bassa.
Il collegamento è creato da un complesso
transmembrana: l’ATP sintasi.
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Fosforilazione ossidativa: ATP
sintasi
Il flusso di protoni che ritorna verso la matrice
mitocondriale passa attraverso un canale costituito
dalle proteine della subunità F0 del complesso della
ATP sintasi.
Questo canale, in realtà è un rotore, le cui
componenti vengono mosse dal flusso di H+.
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Meccanismo della ATP sintasi
Il movimento si trasmette alle
proteine della testa
(subunità F1) che sporge
verso la matrice e dove ha
sede la sintesi di ATP a
partire da ADP e Pi,
generando acqua.
Gli elettroni ceduti da una molecola di NADH+H+
portano alla sintesi di 2 ATP, mentre quelli di un
FADH2 a 1,5 ATP.
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Considerazioni finali sulla
produzione di ATP
La produzione di ATP (la moneta energetica della
cellula) procede attraverso complesse sequenze
di reazioni connesse tra di loro:
1. Il catabolismo della macromolecole è connesso
al ciclo di Krebs grazie all’ acetil-CoA.
2. Il ciclo di Krebs è connesso alla catena
respiratoria grazie ai trasportatori di elettroni
FADH2 e NADH+H+.
3. La catena respiratoria è connessa all’ATP sintasi
grazie alla forza proton motrice del gradiente
elettrochimico.
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Emoglobina, O2, CO2
e respirazione (I)
È possibile ora capire il nesso tra la respirazione
intesa come processo organo-meccanico di
inspirazione ed espirazione e la respirazione come
processo biochimico che porta alla sintesi di ATP.
Inspirando immettiamo l’ossigeno che viene captato
dall’emoglobina degli eritrociti e veicolato alle cellule,
dove funge da accettore finale degli elettroni della
fosforilazione ossidativa.
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Emoglobina, O2, CO2
e respirazione (II)
La quantità notevole di CO2 generata nel ciclo di
Krebs e nelle varie reazioni cellulari viene ceduta
all’emoglobina, riportata ai polmoni ed emessa con
l’espirazione.
La respirazione è quindi un bell’esempio di come
nell’organismo, ogni aspetto macroscopico sia
legato a precisi eventi molecolari.
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