1 Le macromolecole vengono scisse nelle loro unit

• 1 Le macromolecole vengono scisse nelle loro unità costitutive • 2 Le unità costitutive vengono degradate ad un prodotto comune: il gruppo acetilico dell’ acetil. Co. A Glicolisi Acetil. Co. A prodotto catabolico comune • 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) Prodotti finali del catabolismo Ciclo di Krebs

In condizioni aerobiche il piruvato viene ossidato ad acetil-Co. A e CO 2 dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi

A) Decarbossilazione ossidativa del Piruvato ad Acetil ~ Co. A Avviene nella matrice mitocondriale, costiutisce un punto d’unione tra la glicolisi e il ciclo di Krebs COMPLESSO PIRUVICO + + NADH + NAD+ + CO 2 DEIDROGENASI Piruvato Acetil-Co. A Il C 1 si ossida da carbossilico a CO 2 Il C 2 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 )B 1 – 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

Tiamina (vitamina B 1): 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 B 1 non sono frequenti. Il beri (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

1) Condensazione dell’ Acetil-Co. A con l’Ossalacetato + HS - Co. A CITRATO SINTASI Acetil ~ Co. A Ossalacetato Citrato • Reazione irreversibile (DG 0’ = -32, 2 k. J/mol), punto di controllo principale del ciclo inibita da: [ATP] • La citrato sintasi è un enzima allosterico attivata da: [ADP] o/e [ AMP], [Acetil~Co. A], [Succinil~Co. A]

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

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

4) Ossidazione e decarbossilazione dell’a-Chetoglutarato a Succinil~Co. A a- CHETOGLUTARATO + + HS - Co. A DEIDROGENASI ~ a- Chetogluatarato Succinil ~ Co. A • Reazione irreversibile (DG 0’ = -33, 5 k. J/mol), punto di controllo, controllata dal complesso multienzimatico a-chetoglutarato deidrogenasi. Richiede la presenza di 3 vitamine: Ac. Pantotenico – B 1 – Ac. Lipoico come coenzima oltre al NAD+ e al Co. A-SH

5) Trasformazione del Succinil~Co. A a Succinato + Pi + GDP SUCCINIL – Co. A SINTETATASI + GTP + Co. A -SH ~ Succinil ~ Co. A GTP + ADP GDP + ATP Succinato Fosforilazione a livello del substrato

6) Ossidazione del Succinato a Fumarato SUCCINATO DEIDROGENASI + Succinato E FAD + Fumarato E FADH 2

7) Idratazione del Fumarato a Malato H 2 O + Fumarato HO H FUMARSI Malato

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

1 giro del ciclo di Krebs 3 NADH DG 0’ = - 40 k. J/mol 1 FADH 2 1 GTP (ATP) 2 CO 2 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 1 NADH 2 piruvato 2 acetil Co. A + 2 CO 2 + 2 NADH (fosforilazione ossidativa)3 ATP 2 acetil Co. A + 2 CO 2 + 6 ATP

Energia (ATP) dal ciclo dell’acido citrico Un giro del ciclo dell’acido citrico (1 acetil. Co. A) 3 NADH x 3 ATP = 9 ATP 1 FADH 2 x 2 ATP = 2 ATP 1 GTP x 1 ATP = 1 ATP Totale = 12 ATP 1 molecola di glucosio fornisce 2 molecole di acetil Co. A, quindi 2 acetil Co. A 24 ATP + 4 CO 2

Gli elettroni provenienti dalle ossidazioni cataboliche sono incanalati verso gli accettori di elettroni (NAD+, NADP+, FAD) La fosforilazione ossidativa consiste nella riduzione dell’O 2 a H 2 O attraverso il trasferimento degli elettroni dai coenzimi ridotti (NADH e FADH 2) Il trasporto degli elettroni è accoppiato alla sintesi di ATP Per ogni coppia di elettroni che riduce l’O 2 si producono 3 molecole di ATP

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

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

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+) Matrice La catena respiratoria mitocondriale è costituita da una serie di trasportatori di elettroni 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

Gli elettroni possono essere trasferiti dai trasportatori secondo 3 modalità Trsferimento diretto di elettroni Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + 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 bc 1) accetta elettroni dal Coenzima Q • Il complesso IV (citocromi c ossidasi) accetta elettroni dal Coenzima Q e li cede all’O 2 riducendolo a H 2 O Spazio intermembrana (lato P) Matrice (lato N)

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 p. H a causa della maggiore [H+]

Flusso degli elettroni attraverso il complesso III

Il complesso IV cede gli elettroni all’O 2 che si riduce a H 2 O

Il complesso F 0 F 1 contiene un canale protonico e l’enzima che sintetizza l’ATP Gli H+ rientrano attraverso un canale specifico (F 0) L’energia rilasciata dal passaggio degli H+ (forza motrice protonica) viene sfruttata per la sintesi di ATP, catalizzata dall’ATP sintasi

Complesso dell’ATP sintasi (F 0 F 1) Matrice (lato N) Spazio intermembrana (lato P) Il passaggio dei protoni attraverso il canale F 0 induce dei cambiamenti conformazionali provocando la rotazione della subunità c e della subunità g.