DESTINO DEL PIRUVATO Il piruvato prende destini diversi a seconda di: tipo di organismo compartimento cellulare condizioni aerobiche o anaerobiche

Fermentazione etanolica In condizioni anaerobiche, alcuni organismi fermentanti come il lievito, convertono il piruvato in etanolo e CO2. Due tappe consecutive, che richiedono l’intervento di 2 Enzimi: 1. Piruvato decarbossilasi: decarbossilazione irreversibile del piruvato ad acetaldeide e CO2 Tiamina pirofosfato (TPP) e ioni Mg2+ necessari per attività enzima 2. Alcol deidrogenasi: riduzione acetaldeide ad etanolo tramite coenzima NADH convertito a NAD+ Quindi la fermentazione alcolica rigenera il NAD+, impedendo l’arresto della glicolisi.

Fermentazione lattica In anaerobiosi ad es. muscolo in intensa attività fisica, in cui la richiesta di ATP è elevata ma il rifornimento di O2 è scarso, quindi il destino aerobico del piruvato è, l’unico modo per ottenere rapidamente ATP è attraverso la glicolisi. Glicolisi consuma NAD+, è necessario rigenerarlo a partire dal NADH attraverso la fermentazione lattica.

Il piruvato viene ridotto a lattato da Lattico deidrogenasi (LDH) in presenza del coenzima NADH che viene ossidato a NAD+, indispensabile per continuare la glicolisi. La conversione di piruvato in lattato avviene anche in aerobiosi. Es . Eritrociti, in assenza di mitocondri, la glicolisi è l’unica fonte energetica.

Ciclo di Cori Il lattato prodotto, esce dalla cellula ed entra nel flusso sanguigno. Arriva alle cellule epatiche dove è riconvertito a piruvato per riformare glucosio attraverso la gluconeogenesi  (Ciclo di Cori).

Destino aerobico del piruvato In condizioni aerobiche il piruvato viene completamente ossidato ad CO2 ed acqua con produzione di una grande quantità di composti ad alto contenuto energetico.

L’inizio del destino aerobico del piruvato comporta la sua trasformazione in Acetil-S-CoA, un intermedio chiave di altri processi metabolici ad opera del complesso enzimatico della piruvato deidrogenasi.

Complesso della piruvato deidrogenasi Il complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi, localizzato nella matrice mitocondriale, catalizza in modo irreversibile la decarbossilazione ossidativa del piruvato. E’ costituito da tre attività enzimatiche e da cinque gruppi prostetici/coenzimi, come mostrato nella figura

Complesso della piruvato deidrogenasi Vedi slide successiva

1. E1 Piruvato deidrogenasi – TPP Catalizza decarbossilazione del Piruvato, generando idrossietil- TPP (reaz. 1); poi ossidazione di idrossietil a gruppo acetilico e trasferimento di 2 e- per ridurre il disolfuro del lipoato legato ad E2 e ad esso trasferire il gruppo acetile da TPP, formando un un acetiltioestere con SH (reaz. 2). 2. E2 Diidrolipoil transacetilasi – Lipoato  Catalizza la trans-esterificazione del gruppo acetilico dalla lipoil- lisina al CoA-SH, si forma l’Acetil-S-CoA, una forma attivata del gruppo acilico (reaz. 3). 3. E3 Diidrolipoildeidrogenasi – FAD e NAD+ solubile  Catalizza la rigenerazione della forma ossidata della lipoil-lisina a spese del FAD ridotto FADH2 quindi NAD+ riossida il FADH2 a FAD (reaz. 4) trasformandosi in NADH+ H+ (reaz. 5).

Condizione aerobiche: Respirazione cellulare Fase I: Produzione di AcetilCoA Acetil-CoA è un intermedio chiave di altri processi catabolici, deriva da glicolisi, ma anche da degradazione degli acidi grassi e degli amminoacidi. Fase II: Ossidazione di AcetilCoA Acetil-CoA entra nel ciclo di Krebs dove è ossidato a CO2, l’energia liberata è conservata come NADH+ H+ e FADH2. Fase III: Trasferimento e- fosforilazione ossidativa I coenzimi ridotti vengono riossidati e liberano e – che vengono trasportati attraverso la catena respiratoria all’O2, ciò comporta liberazione d’energia che viene conservata come ATP tramite la fosforilazione ossidativa

Acido Citrico /Krebs Nel mitocondrio il piruvato dopo la trasformazione in AcetilCoA entra nel ciclo dell’acido citrico (Krebs) dove viene ulteriormente ossidato. AcetilCoA +3NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O → 2CO2 + 3NADH + H+ + FADH2 + GTP+ CoA

ossalacetato + acetil-CoA + H2O → citrato + CoA Reazione 1 ossalacetato + acetil-CoA + H2O → citrato + CoA CITRATO SINTASI La prima reazione del ciclo è la condensazione dell’acetil-CoA con l’ossalacetato per formare citrato Durante la reazione si forma un intermedio transitorio (citril-CoA), un tioestere con elevata energia di idrolisi. L’idrolisi di questo intermedio fornisce energia per la reazione di condensazione.

Reazione 2 citrato ⇆ isocitrato ACONITASI La seconda reazione del ciclo è l’isomerizzazione del citrato a isocitrato La reazione procede con la rimozione di una molecola di H2O dal citrato, formazione di un intermedio (cis-aconitato) e aggiunta di una molecola di H2O. La reazione è catalizzata dall’aconitasi che possiede un centro ferro-zolfo importante per il legame del substrato e per la catalisi

Reazione 3 N.B. Osserva sul testo le reazioni dallan.3 alla n. 8 isocitrato + NAD+ → α-chetoglutarato + CO2 + NADH + H+ ISOCITRATO DEIDROGENASI coenzima NAD La terza reazione del ciclo è la decarbossilazione ossidativa dell’isocitrato per formare alfa-chetoglutarato e CO2 Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I).

α-chetoglutarato + NAD+ + CoA → succinil-CoA + CO2 + NADH + H+ Reazione 4 α-chetoglutarato + NAD+ + CoA → succinil-CoA + CO2 + NADH + H+ COMPLESSO MULTIENZIMATICO DELL’ALFA-CHETOGLUTARATO DEIDROGENASI molto simile per struttura e funzione al complesso della piruvato deidrogenasi sono presenti tre enzimi  (E1, E2, E3) e cinque coenzimi (TPP, acido lipoico, FAD, NAD+, coenzima A). La quarta reazione del ciclo è la decarbossilazione ossidativa dell’α- chetoglutarato per formare succinil-CoA e CO2 Il succinil CoA è un tioestere ad alta energia di idrolisi. L’energia liberata dall’ossidazione dell’ α -chetoglutarato è conservata mediante la formazione del legame tioestere del succinil-CoA. Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I).

succinil-CoA + GDP + Pi ⇆ succinato + GTP + CoA Reazione 5 succinil-CoA + GDP + Pi ⇆ succinato + GTP + CoA SUCCINIL-COA SINTETASI La quinta reazione del ciclo è la formazione del succinato In questa reazione viene idrolizzato il legame tioestere del succinil- CoA. L’idrolisi del legame tioestere fornisce energia per la sintesi di GTP. Il gruppo fosfato del GTP viene trasferito all’ADP per formare ATP. GTP + ADP → GDP + ATP Questa fosforilazione è una fosforilazione a livello del substrato come quelle che si verificano nella glicolisi.

succinato + FAD ⇆ fumarato + FADH2 Reazione 6 succinato + FAD ⇆ fumarato + FADH2 SUCCINATO DEIDROGENASI coenzima FAD. La sesta reazione del ciclo è l’ossidazione del succinato a fumarato. La succinato deidrogenasi è legata alla membrana mitocondriale interna; gli altri enzimi del ciclo si trovano nella matrice mitocondriale. Il FADH2 cede gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni (complesso II).

Reazione 7 fumarato + H2O ⇆ malato FUMARATO IDRATASI (FUMARASI) La settima reazione del ciclo è l’idratazione del fumarato a malato.

malato + NAD+ ⇆ ossalacetato + NADH + H+ Reazione 8 malato + NAD+ ⇆ ossalacetato + NADH + H+ MALATO DEIDROGENASI coenzima NAD L’ottava reazione del ciclo è l’ossidazione del malato a ossalacetato Il NADH prodotto cede gli elettroni alla catena trasporto di elettroni (complesso I). Il ciclo dell’acido citrico è terminato. L’ossalacetato, prodotto dell’ultima reazione, si condensa con un’altra molecola di acetil CoA e il ciclo continua. Ogni giro del ciclo dell’acido citrico produce: 1 FADH2 3 NADH 2 CO2 1 GTP → ATP

Nella figura sono evidenziate le reazioni in cui si ha formazione coenzimi ridotti. Essi sono riossidati nella catena respiratoria, producendo ATP tramite fosforilazione ossidativa.

Via anfibolica Coinvolgimento sia in processi catabolici che in processi anabolici: - da una parte, nel ciclo si ha ossidazione di acetilCoA proveniente da carboidrati, ac. grassi ed aa (catabolismo) - dall’altra, gli intermedi del ciclo costituiscono i precursori per molte vie biosintetiche (anabolismo)

Reazioni anaplerotiche esempi