AcetilCoA prodotto catabolico comune Prodotti finali del catabolismo 2 Le unità costitutive vengono degradate ad un prodotto comune: il gruppo acetilico dell’ acetilCoA 1 Le macromolecole vengono scisse nelle loro unità costitutive 3 Le vie cataboliche convergono attraverso il Ciclo dll’acido citrico nei 3 principali prodotti finali: acqua, anidride carbonica e ammoniaca (urea negli animali terrestri) AcetilCoA prodotto catabolico comune Prodotti finali del catabolismo Glicolisi Ciclo di Krebs

In condizioni aerobiche il piruvato viene ossidato ad acetil-CoA e CO2 dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi

A) Decarbossilazione ossidativa del Piruvato ad Acetil ~ CoA Avviene nella matrice mitocondriale, costiutisce un punto d’unione tra la glicolisi e il ciclo di Krebs COMPLESSO PIRUVICO + + NAD+ + NADH + CO2 DEIDROGENASI Acetil-CoA Piruvato Il C1 si ossida da carbossilico a CO2 Il C2 si ossida da chetonico a carbossilico Il complesso multienzimatico piruvico deidrogenasi è formato da tre enzimi che lavorano in succesione e richiedono la presenza di 3 vitamine: Ac.Pantotenico – Tiamina (vitamina )B1 – Acido Lipoico. E’ regolato dalla carica energetica: E’ inibito da: [ATP] E’ attivata da: [ADP] o/e [ AMP], [Piruvato]

COMPLESSO DELLA PIRUVATO DEIDROGENASI D. L. Nelson, M. M. Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER 4/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2006

Vitamine idrosolubili NAD+ CoA FAD Piridossal fosfato Antiossidante

Tiamina (vitamina B1): la tiamina è il precursore della tiamina pirofosfato, coenzima di enzimi che intervengono nel ciclo di Krebs (decarbossilasi). Data la sua importanza, deficit di vitamina B1 non sono frequenti. Il beriberi (alterazioni del sistema nervoso accompagnate anche da problemi cardiovascolari e gastrointestinali) si manifesta nelle popolazioni orientali che si cibano di riso o nei casi di alcolismo gravi, in quanto l'assunzione di alcool fa diminuire l'assorbimento dei questa vitamina (sindrome di Wernicke-Korsakoff). Tiamina

B) Carbossilazione riduttiva del Piruvato ad Ossalacetato PIRUVICO + ADP + E – biotina + E – biotina + CO2 + ATP CARBOSSILASI Piruvato Ossalacetato

1) Condensazione dell’ Acetil-CoA con l’Ossalacetato + HS - CoA CITRATO SINTASI Acetil ~ CoA Ossalacetato Citrato Reazione irreversibile (DG0’ = -32,2 kJ/mol), punto di controllo principale del ciclo La citrato sintasi è un enzima allosterico attivata da: [ADP] o/e [ AMP], [Acetil~CoA], [Succinil~CoA] inibita da: [ATP]

2) Isomerizzazione del Citrato ad Isocitrato ACONITASI ACONITASI Citrato Cis-Aconitato Isocitrato

3) Ossidazione e Decarbossilazione dell’Isocitrato ad a-Chetoglutarato DEIDROGENASI + + Isocitrato Ossalsuccinato a- Chetogluatarato attivata da: [ADP] o/e [ AMP] Reazione reversibile La isocitrato deidrogenasi è un enzima allosterico inibita da: [ATP], [NADH]

4) Ossidazione e decarbossilazione dell’a-Chetoglutarato 4) Ossidazione e decarbossilazione dell’a-Chetoglutarato a Succinil~CoA ~ a- CHETOGLUTARATO + + + + HS - CoA DEIDROGENASI Succinil ~ CoA a- Chetogluatarato Reazione irreversibile (DG0’ = -33,5 kJ/mol), punto di controllo, controllata dal complesso multienzimatico a-chetoglutarato deidrogenasi. Richiede la presenza di 3 vitamine: Ac. Pantotenico – B1 – Ac. Lipoico come coenzima oltre al NAD+ e al CoA-SH

5) Trasformazione del Succinil~CoA a Succinato SINTETATASI + GTP + CoA -SH + Pi + GDP Succinil ~ CoA Succinato GTP + ADP GDP + ATP Fosforilazione a livello del substrato

6) Ossidazione del Succinato a Fumarato DEIDROGENASI + E FAD + E FADH2 Fumarato Succinato

7) Idratazione del Fumarato a Malato H2O FUMARSI + HO H Fumarato Malato

8) Ossidazione del Malato a Ossalacetato MALATO DEIDROGENASI + + NADH + Malato Ossalacetato

CICLO DELL’ACIDO CITRICO (CICLO DI KREBS) Avviene nei mitocondri Il piruvato viene ossidato a CO2 e H2O Il trasferimento degli elettroni dai coenzimi ridotti all’O2 è accoppiato alla fosforilazione di ADP in ATP Negli organismi aerobi tutte le vie metaboliche confluiscono nel ciclo dell’acido citrico

L’ Acetil-CoA è un metabolita intermedio che proviene dalla glicolisi piruvato L’ Acetil-CoA è un metabolita intermedio che proviene dalla degradazione del glucosio dalla degradazione degli acidi grassi dalla degradazione degli amminoacidi

Coenzima A (CoA o CoASH) e acetil CoA

Si producono coenzimi ridotti (NADH e FADH2) Acetil-CoA ossalacetato CO2 L’ Acetil-CoA reagisce con l’ossalacetato per formare citrato (condensazione) Si producono coenzimi ridotti (NADH e FADH2) Si formano 2 molecole di CO2 (decarbossilazione ossidativa)

1 giro del ciclo di Krebs DG0’ = - 40 kJ/mol 3 NADH 1 FADH2 1 GTP (ATP) 2 CO2 L’energia rilasciata dalle 4 reazioni di ossidazione viene conservata nei coenzimi ridotti Si producono anche intermedi metabolici precursori di vie biosintetiche

Energia (ATP) dal Piruvato 2 piruvato 2 acetil CoA + 2 CO2 + 2 NADH 1 NADH (fosforilazione ossidativa)3 ATP 2 piruvato 2 acetil CoA + 2 CO2 + 6 ATP

1 molecola di glucosio fornisce 2 molecole di acetil CoA, quindi Energia (ATP) dal ciclo dell’acido citrico Un giro del ciclo dell’acido citrico (1 acetilCoA) 3 NADH x 3 ATP = 9 ATP 1 FADH2 x 2 ATP = 2 ATP 1 GTP x 1 ATP = 1 ATP Totale = 12 ATP 1 molecola di glucosio fornisce 2 molecole di acetil CoA, quindi 2 acetil CoA 24 ATP + 4 CO2

Il piruvato prodotto dalla glicolisi è ossidato dal ciclo degli acidi tricarbossilici (ciclo dell’acido citrico o ciclo di Krebs). Gli elettroni liberati in questa ossidazione passano attraverso la catena di trasporto degli elettroni e guidano la sintesi di ATP nella fosforilazione ossidativa.

L’NADH prodotto nel citosol trasferisce i propri equivalenti di riduzione nell’interno del mitocondrio attraverso sistemi di trasporto Mitocondrio Citosol Il citrato prodotto nei mitocondri viene trasportato nel citosol dove rilascia ossalacetato e acetil-CoA

Ossidazione dell’acetil CoA

Il trasporto degli elettroni è accoppiato alla sintesi di ATP Gli elettroni provenienti dalle ossidazioni cataboliche sono incanalati verso gli accettori di elettroni (NAD+, NADP+, FAD) La fosforilazione ossidativa consiste nella riduzione dell’O2 a H2O attraverso il trasferimento degli elettroni dai coenzimi ridotti (NADH e FADH2) Il trasporto degli elettroni è accoppiato alla sintesi di ATP Per ogni coppia di elettroni che riduce l’O2 si producono 3 molecole di ATP

NADH + 4H+ + 1/2 O2 + 3 ADP + Pi NAD+ + H2O + 3 ATP La fosforilazione e l’ossidazione non sono direttamente accoppiate NADH + 4H+ + 1/2 O2 NAD+ + H2O DG = -220 kj/mol ADP + Pi ATP DG = + 31 kj/mol

Possibile origine simbiontica? MITOCONDRI Possibile origine simbiontica? DNA Creste Matrice Ribosomi Membrana interna Membrana esterna Contengono DNA circolare per la sintesi di alcune proteine mitocondriali Ribosomi 70S Possono muoversi e dividersi Si riproducono per scissione da un mitocondrio preesistente

La fosforilazione ossidativa ha luogo nei mitocondri Membrana esterna permeabile a ioni e piccole molecole La fosforilazione ossidativa ha luogo nei mitocondri Membrana interna Impermeabile alla maggior parte delle piccole molecole e ioni (H+) La catena respiratoria mitocondriale è costituita da una serie di trasportatori di elettroni Matrice La maggior parte dei trasportatori di elettroni sono delle proteine integrali di membrana organizzate in complessi sopramolecolari inseriti nella membrana interna mitocondriale

Gli elettroni fluiscono dai trasportatori a potenziale minore verso quelli a potenziale maggiore Le proteine trasportatori di elettroni contengono dei gruppi prostetici in grado di accettare e donare 1 o 2 elettroni L’ubichinone o coenzima Q (Q) è un composto piccolo e idrofobico che può muoversi all’interno del doppio strato lipidico e trasferire gli elettroni a trasportatori meno mobili

Trsferimento diretto di elettroni Gli elettroni possono essere trasferiti dai trasportatori secondo 3 modalità Trsferimento diretto di elettroni Fe 2+ + Cu 2+ Fe3+ + Cu+ Trasferimento di un atomo di idrogeno H+ + e- Trasferimento di uno ione idruro (:H-) che porta 2 elettroni

Il complesso I accetta gli elettroni dall’NADH Il complesso II (succinato deidrogenasi) è l’unico enzima del ciclo di Krebs legato alla membrana mitocondriale interna I complessi I e II cedono elettroni al Coenzima Q (trasportatore mobile) Il complesso III (citocromi bc1) accetta elettroni dal Coenzima Q Il complesso IV (citocromi c ossidasi) accetta elettroni dal Coenzima Q e li cede all’O2 riducendolo a H2O Matrice (lato N) Spazio intermembrana (lato P)

Per ogni coppia di elettroni vengono espulsi 4 protoni L’energia liberata dal trasporto di elettroni alimenta un sistema di trasporto attivo che espelle i protoni dalla matrice verso l’esterno (pompa protonica) Per ogni coppia di elettroni vengono espulsi 4 protoni

I protoni non possono attraversare la membrana esterna e quindi rimangono nello spazio intermembrana Il flusso protonico produce un potenziale elettrochimico tra i due lati della membrana L’interno risulta essere più negativo e l’esterno più acido di circa 1 unità di pH a causa della maggiore [H+]

Flusso degli elettroni attraverso il complesso III

Il complesso IV cede gli elettroni all’O2 che si riduce a H2O

Gli H+ rientrano attraverso un canale specifico (F0) Il complesso F0 F1 contiene un canale protonico e l’enzima che sintetizza l’ATP L’energia rilasciata dal passaggio degli H+ (forza motrice protonica) viene sfruttata per la sintesi di ATP, catalizzata dall’ATP sintasi Gli H+ rientrano attraverso un canale specifico (F0)

Complesso dell’ATP sintasi (F0F1) Matrice (lato N) Spazio intermembrana (lato P) Il passaggio dei protoni attraverso il canale F0 induce dei cambiamenti conformazionali provocando la rotazione della subunità c e della subunità g .

Il passaggio dei protoni attraverso il canale F0 induce dei cambiamenti conformazionali provocando la rotazione della subunità c e della subunità g .