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Lezioni di biochimica 2 2 2

Il metabolismo terminale e la produzione di ATP Lezione 7 Il metabolismo terminale e la produzione di ATP 3 3

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 4 4

Relazione tra metabolismo intermedio e terminale © Zanichelli editore, 2014 5 5

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. © Zanichelli editore, 2014 6 6

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). Hans Adolf Krebs ricevette il premio Nobel per la medicina nel 1953. © Zanichelli editore, 2014 7 7

La struttura del ciclo di Krebs © Zanichelli editore, 2014 8 8

Schema generale del ciclo di Krebs © Zanichelli editore, 2014 9 9

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. © Zanichelli editore, 2014 10 10

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. © Zanichelli editore, 2014 11 11 11

La decarbossilazione ossidativa dell’acido piruvico (III) Meccanismo di reazione della piruvato deidrogenasi © Zanichelli editore, 2014 12 12

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. © Zanichelli editore, 2014 13 13

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. © Zanichelli editore, 2014 14 14

Il ciclo di Krebs è una via anfibolica (II) © Zanichelli editore, 2014 15 15

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. © Zanichelli editore, 2014 16 16

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. © Zanichelli editore, 2014 17 17

La catena di trasporto degli elettroni (II) © Zanichelli editore, 2014 18 18

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 © Zanichelli editore, 2014 19 19

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). © Zanichelli editore, 2014 20 20 20

Funzione della catena di trasporto (I) La catena respiratoria è una sequenza di ossido- riduzioni, 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. © Zanichelli editore, 2014 21 21

Funzionamento della catena di trasporto (II) © Zanichelli editore, 2014 22 22

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. © Zanichelli editore, 2014 23 23

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. © Zanichelli editore, 2014 24 24 24

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+. © Zanichelli editore, 2014 25 25

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. © Zanichelli editore, 2014 26 26

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: Il catabolismo della macromolecole è connesso al ciclo di Krebs grazie all’ acetil-CoA. Il ciclo di Krebs è connesso alla catena respiratoria grazie ai trasportatori di elettroni FADH2 e NADH+H+. La catena respiratoria è connessa all’ATP sintasi grazie alla forza proton motrice del gradiente elettrochimico. © Zanichelli editore, 2014 27 27

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. © Zanichelli editore, 2014 28 28

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. © Zanichelli editore, 2014 29 29 29