Metabolismo energetico
Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA)
o ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs
Reazioni chimiche e regolazione,
funzioni anaboliche e reazioni anaplerotiche
Metabolismo energetico e respirazione cellulare
Il trasferimento dell’energia è un bisogno cruciale per la vita nei sistemi biologici.
L’energia acquisita dalle sostanze nutrienti deve essere usata per guidare negli organismi i processi “endoergonici”.
1. Sintesi di Acetil-CoA
(ossidazione di glucosio, acidi grassi e scheletro carbonioso
degli aminoacidi)
(Carboidrati)
(Lipidi)
(Proteine)
2. Ossidazione dell’Acetil-CoA
nel ciclo degli acidi tricarbossilici
(ciclo TCA)
3. Fosforilazione ossidativa (riossidazione del NADH e
FADH2 prodotti dal ciclo TCA accoppiata alla sintesi di ATP)
β-alanina acido pantoico
Struttura chimica del Coenzima A (CoASH o CoA)
Centro reattivo, forma legami
tioesterei con gli acidi carbossilici
β-mercapto etilammina
(deriva dalla decarbossilazion
e della Cys)
β-mercapto etilammina +
acido pantotenico +
gruppo fosfato
4’-fosfopanteteina
E’ formato dalla 4’-fosfopanteteina legata all’adenosina 3’-5’-bisfosfato
Adenosin- 3’,5’-bisfosfato
L’acetil-CoA è una molecola polifunzionale ed è un composto ad alto contenuto energetico
Acetil-Coenzima A
stabilizzazione per risonanza
idrolisi
ionizzazione
acetil-CoA
acido acetico
acetato
Idrolisi dell’acetil-CoA
L-malato
Ossalacetato
Acetil-CoA
Citrato
Isocitrato
α-chetoglutarato
Succinato
Fumarato
Succinil-CoA
Citrato sintasi
Aconitasi
Isocitrato deidrogenasi
Succinil-CoA sintetasi
α-chetoglutarato deidrogenasi
Succinato deidrogenasi
Fumarasi
Malato deidrogenasi
Ciclo degli acidi tricarbossilici (TCA)
(o Ciclo dell’acido citrico o Ciclo di Krebs)
- è un processo mitocondriale possibile solo in condizioni aerobiche
- l’ossidazione di 1 mole di Acetil-CoA è accoppiata alla liberazione di 2 moli di CO2 e alla formazione di
3 moli di NADH 1 mole di FADH2
1 mole di GTP ( 1 ATP)
- consiste di 8 tappe di cui 3 irreversibili
2
1
3
…
- richiede diversi coenzimi vitaminici e cofattori: - NAD+ (Niacina o vit. B3) - FAD (Riboflavina o vit. B2) - TPP (Tiamina o vit. B1)
- Coenzima A (acido pantotenico) - acido lipoico
- ioni metallici quali Mg2+, Ca2+, Fe2+, Mn2+
- ioni fosfato
ADP ATP
GTP/ATP fosfotransferasi
GTP GDP
citrato sintasi
Citrato
Ossalacetato
Acetil-CoA
ΔG’° = -32,2 kJ/mol
1 – Formazione del citrato
Deriva dall’ossidazione del glucosio, degli acidi grassi e dello scheletro carbonioso di alcuni aminoacidi
Per avviare le reazioni del ciclo TCA, l’OAA si forma, in quantità catalitiche, per carbossilazione del piruvato. Quindi, l’OAA viene continuamente ripristinato come prodotto terminale del ciclo stesso Biotina
Piruvato carbossilasi
- - -
2 – Formazione dell’isocitrato attraverso il cis-aconitato
Citrato ~ 90%
cis-aconitato ~ 4%
Isocitrato ~ 6%
aconitasi aconitasi
ΔG’° = +13,3 kJ/mol
Citrato
Sito attivo dell’aconitasi
citrato sintasi
Fluorocitrato inibitore
competitivo dell’aconitasi
Ossalacetato
Acetil-CoA
F
Citrato ~ 90%
cis-aconitato ~ 4%
Isocitrato ~ 6%
aconitasi aconitasi
La reazione catalizzata dall’aconitasi è “drasticamente inibita” dal fluoroacetato (CH2F-COO-)
CH2F-COO- Acetil-CoA sintetasi
CoA-SH ATP
AMP + PPi
CH2F-CO~SCoA
Fluoroacetil-CoA
3 – Decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato ad α-chetoglutarato (“tappa limitante” del ciclo)
Isocitrato deidrogenasi
Isocitrato deidrogenasi
Isocitrato Ossalsuccinato (intermedio che resta
legato all’enzima)
α-Chetoglutarato
ΔG’° = -22,2 kJ/mol
4 – Decarbossilazione ossidativa dell’α-chetoglutarato a succinil-CoA
Complesso dell’ α-chetoglutarato
deidrogenasi (E1, E2, E3) Succinil-CoA α-Chetoglutarato
Coenzimi “vitaminici” del complesso dell’α-chetoglutarato deidrogenasi
- tiamina pirofosfato (TPP) ( tiamina o vitamina B1)
- flavin adenin dinucleotide (FAD) ( riboflavina o vitamina B2)
- nicotinammide adenin dinucleotide (NAD) ( niacina o vitamina B3)
- coenzima A ( acido pantotenico o vitamina B5)
- acido lipoico
ΔG’° = -33,5 kJ/mol
NAD+ (forma ossidata)
NADH (forma ridotta)
2H+
+ H+ 2e- H H nicotinammide
4 4 4
Struttura chimica dei coenzimi piridin-nucleotidici NAD+ e NADP+
Struttura chimica dei coenzimi flavinici FAD e FMN
Tiamina o Vitamina B1
E’ formata da un anello pirimidinico (2,5-dimetil-6-ammino pirimidina) e da un anello tiazolico (4-metil-5-idrossietil tiazolo), legati tra loro da un ponte metilenico
La tiamina è fondamentale per la biosintesi del coenzima tiamina pirofosfato (TPP)
che svolge un ruolo cruciale nelle reazioni del metabolismo dei carboidrati
Struttura chimica e biosintesi del coenzima
tiamina pirofosfato (TPP)
Tiamina
Tiamina pirofosfato
Carbonio reattivo
Il centro attivo della TPP è il C2 dell’anello tiazolico che tende a perdere il
protone per formare un carbanione.
Struttura chimica del Coenzima A (CoASH o CoA)
Centro reattivo, forma legami
tioesterei con il gruppo carbossilico
di un acido
E’ formato dalla 4’-fosfopanteteina legata all’adenosina 3’-5’-bisfosfato
Forma ossidata
Forma ridotta
Catena polipeptidica dell’enzima E2
(diidrolipoil transacetilasi)
residuo di Lisina
dell’enzima E2
(Lipoillisina)
Acido lipoico
Acido lipoico (o lipoato) (acido 6,8-ditioottanoico)
PSEUDOVITAMINA perché gli animali superiori lo sintetizzano in quantità adeguate a partire da acido ottanoico o acido caprilico
Reagisce con elevata affinità con ioni arsenito e ioni Hg2+ che lo inattivano
R-As
Acido lipoico
O-As-R arsenito
H2O
Complesso inattivo
Forma acilata
R
Legame tioestere
Meccanismo di decarbossilazione ossidativa dell’α-chetoglutarato a succinil-CoA
Lipoillisina ossidata
Lipoillisina ridotta
α-Chetoglutarato
deidrogenasi Diidrolipoil transacilasi
Diidrolipoil deidrogenasi
Lipoillisina ridotta
Lipoillisina ossidata
Succinil-CoA
Idrossibutirril-TPP
α-chetoglutarato
Succinil-CoA sintetasi (o succinato tiochinasi)
Succinil-CoA Succinato
ADP ATP GTP/ATP fosfotransferasi
Fosforilazione a livello del substrato
5 – Conversione del succinil-CoA a succinato
ΔG’° = -2,9 kJ/mol
Meccanismo d’azione della succinil-CoA sintetasi
Succinil-CoA
Succinil fosfato legato all’enzima
Fosfoistidil enzima
Succinil-CoA sintetasi
Succinato
Succinato deidrogenasi
Succinato Fumarato
6 – Ossidazione del succinato a fumarato
La succinato deidrogenasi è una flavoproteina che, a differenza di tutti gli altri enzimi del ciclo TCA, è inserita nella membrana mitocondriale interna (complesso II della catena respiratoria).
Malonato
Ossalacetato
L’enzima è inibito competitivamente dal malonato, mentre fisiologicamente è inibito a feed-back dall’ossalacetato.
ΔG’° = 0 kJ/mol
Fumarasi
Fumarato L-malato
Fumarasi
Carbanione stato di transizione
7 – Idratazione del fumarato a L-malato
La reazione è altamente stereospecifica.
Fumarato Maleato L-malato D-malato
La struttura del sito catalitico dell’enzima è tale da non poter utilizzare come substrato il maleato, isomero geometrico del fumarato,
e da produrre esclusivamente come prodotto di idratazione il malato in configurazione L.
ΔG’° = 0 kJ/mol
Ossalacetato L-malato
malato deidrogenasi
citrato sintasi
L’ossalacetato riprende quindi il ciclo di reazioni con la condensazione con un’altra molecola di Acetil-CoA e formazione di citrato, etc ……………
Citrato
Ossalacetato
Acetil-CoA
8 – ossidazione dell’L-malato a ossalacetato
Anche la malato deidrogenasi ha un sito catalitico altamente stereospecifico: può deidrogenare solo malato in configurazione L.
ΔG’° = +29.7 kJ/mol
Bilancio e resa energetica del ciclo TCA
ΔG’° = -32,2 kJ/mol
ΔG’° = +13,3 kJ/mol
ΔG’° = -22,2 kJ/mol
ΔG’° = -33,5 kJ/mol
ΔG’° = -2,9 kJ/mol
ΔG’° = 0 kJ/mol
ΔG’° = 0 kJ/mol
ΔG’° = +29,7 kJ/mol
3 NADH 3 x 2,5 mol ATP
1 FADH2 1 x 1,5 mol ATP
1 GTP 1 mol ATP
Totale 10 mol ATP
x ~ 50 kJ/mol
= ~ 500 kJ
In una bomba calorimetrica l’energia misurabile per ossidazione completa di 1 mole di Acetil-CoA a CO2 e
H2O è pari a ~ 950 kJoule. Quindi la
resa = 500 kJ/950 kJ x 100 =
~ 53%
ΔG’°complessivo del ciclo = -47,8 kJ/mol
NADH + H+ + ½ O2 ---> NAD+ + H2O ΔG’° = - 220 kJ/mole
FADH2 + ½ O2 ---> FAD + H2O ΔG’° = - 150 kJ/mole
Fosforilazione ossidativa
NADH deidrogenasi
succinato deidrogenasi
matrice mitocondriale
spazio intermembrana
membrana mitocondriale esterna
membrana mitocondriale
esterna
Citocromo b-c1
(Fe)
(Fe) (Fe)
Potenziale elettrico
Δ
(interno negativo)
e-
e-
e- e-
e-
e-
FAD
Citocromo ossidasi (Fe-Cu)
FADH2
FADH2
e-
e-
Potenziale chimico ΔpH
(interno basico)
Potenziale elettrico
Δ
(interno negativo)
Forza proton motrice guida la sintesi di
ATP
Fumarato Succinato
Citocromo c Citocromo c
FAD
Regolazione del ciclo degli acidi tricarbossilici
Citrato sintasi
ATP, NADH, citrato, succinil-CoA
_
ADP +
α-chetoglutarato deidrogenasi
NADH, succinil-CoA
_ Ca++ +
Isocitrato deidrogenasi ATP, NADH
_ ADP, Ca++ +
Malato deidrogenasi
NADH _
La regolazione del ciclo, che avviene solo in condizioni di aerobiosi (disponibilità di O2), si regola principalmente a livello delle tre
tappe irreversibili.
Regolazione del ciclo degli acidi tricarbossilici
La regolazione del ciclo, che avviene solo in condizioni di aerobiosi (disponibilità di O2), si attua attraverso tre meccanismi e deve contribuire a commisurare oculatamente la produzione di ATP alla effettiva richiesta da parte della cellula:
- potenziale energetico Il flusso metabolico nel ciclo dipende fondamentalmente dai rapporti NADH/NAD+, ATP/ADP, acetil-CoA/CoASH, succinil-CoA/CoASH. Valori elevati di questi rapporti, espressione di disponibilità energetica, rallentano il ciclo; valori bassi, indice di richiesta energetica, accelerano il ciclo.
- accesso dei metaboliti nella matrice mitocondriale Il flusso metabolico nel ciclo che si svolge nel compartimento mitocondriale è innanzitutto
regolato dall’accesso dei metaboliti precursori dell’acetil-CoA (piruvato, acidi grassi, alcuni aminoacidi). L’accesso è mediato da sistemi di trasporto più o meno specifici localizzati nella membrana mitocondriale interna modulati in modo tale da non avere accumulo di questi precursori nella matrice.
- disponibilità degli intermedi Alcuni intermedi possono essere distolti dal ciclo per essere utilizzati in reazioni collaterali
(“ruolo anabolico del ciclo”).
Precursori dell’acetil-CoA
Lipidi (grassi)
Corpi chetonici
Carboidrati Proteine
Aminoacidi
Acidi grassi Acetoacetato Glucosio
Piruvato
Etanolo Glucosio
R
n
Acetil-CoA
Piruvato carbossilasi
Aminotransferasi
Enzima malico
NADPH + H+
NADP+
Fosfoenolpiruvato CO2
GDP
GTP
HCO3-
PEP carbossichinasi
Amino transferasi
Glutamato deidrogenasi
7
5
3
2 1
4
6
Principali reazioni “anaplerotiche” (o “di riempimento”) del ciclo TCA
La reazione 3 catalizzata dall’enzima malico ha sede citoplasmatica ed il malato prodotto deve poi essere trasferito nel mitocondrio
Intermedi metabolici prodotti dalla degradazione degli L-α-aminoacidi proteici
Leucina Lisina Fenilalanina Triptofano Tirosina
Arginina Glutammina Istidina Prolina
Isoleucina Metionina Treonina Valina
Fenilalanina Tirosina
Alanina Cisteina Glicina Serina Treonina Triptofano
Asparagina Aspartato
Glutammato
Acetoacetil-CoA
Acetil-CoA
Ossalacetato Fumarato
Succinil-CoA
α-chetoglutarato
Piruvato
Isocitrato
Citrato
Malato
Succinato
Glucosio
Ciclo TCA
Corpi chetonici
Leucina Isoleusina Triptofano Treonina
Glucogenici
Chetogenici
Ruolo del ciclo dell’acido citrico nell’anabolismo Il ciclo TCA è fondamentalmente un “processo catabolico produttore di energia”.
Tuttavia, alcuni intermedi possono essere dirottati per assolvere “funzioni anaboliche”. Pertanto,
il ciclo TCA è un “ciclo anfibolico” ossia capace di produrre energia ma anche di formare intermedi che possono essere utilizzati
per la sintesi di glucidi, lipidi, proteine e altri composti azotati.
Sintesi aminoacidi (aspartato, asparagina)
Sintesi basi azotate
pirimidiniche
Glucosio
Porfirine, eme
Fosfoenolpiruvato
Sintesi acidi grassi e colesterolo
Sintesi alcuni neurotrasmettitori
(nel cervello)
Sintesi aminoacidi (serina, glicina,
cisteina)
Glucosio
Sintesi basi azotate puriniche
Gluconeo genesi
Sintesi aminoacidi (glutammato, prolina,
glutammina, arginina)
Gluconeo genesi