SA B09-Metabolismo dei carboidrati III - Giorgio Sartor · 2020-03-31 · Metabolismo dei carboidrati - III 31/03/2020 10:09:15 gsartor 3 Aerobiosi Anaerobiosi O2 O H OH OH H H OH

Metabolismo dei carboidrati - III 31/03/2020 10:09:15

gsartor 1

Metabolismo dei carboidrati

III

Prof. Giorgio Sartor

Copyright © 2001-2020 by Giorgio Sartor.

All rights reserved.

B09-III - Versione 3.5.1 – Mar-20

Ciclo di Krebs

D-Glucoso

Fruttoso-1,6-difosfato

2ADP + 2Pi

2ATP

2NAD+

2NADH

2 Piruvato

Fermentazionelattica

(Anaerobiosi) Fermentazionealcolica

(Anaerobiosi)

2 Lattato2NAD+

2NADH

2 CO2 + 2 etanolo

Riboso-5-fosfato

3-fosfogliceraldeide

GlicolisiCiclo deipentosiGluconeogensi

Glicogeno

Metabolismodel Glicogeno

NADH

Ossidazioneaerobica

Ciclo di Krebs

Fosforilazioneossidativa

6 CO2 + 6H2O

NAD+

NAD+

Piruvato

Acetil-CoA

H+H+

ADP + Pi

ATPO2

Indice

1

2


gsartor 2

v. 3.5.1 © gsartor 2001-2020 Metabolismo dei carboidrati - III - 3 -


3

4


gsartor 3

Aerobiosi Anaerobiosi

O2

O

H

OH

OH

HH

OH

OH

HH

OHH

H

CH2OH

OH

OHHHOHOHHOHH

CH3

OO

O

CH3

OHO

O

CH2OPO3--

OHH

OHH

OHH

OH

D-Glucoso

Fruttoso-1,6-difosfato

2ADP + 2Pi

2ATP

2NAD+

2NADH

2 Piruvato

Fermentazionelattica

(Anaerobiosi)Fermentazione

alcolica(Anaerobiosi)

2 Lattato2NAD+

2NADH

2 CO2 + 2 etanolo

Riboso-5-fosfato

3-fosfogliceraldeide

GlicolisiCiclo deipentosiGluconeogensi

Glicogeno

Metabolismodel Glicogeno

NADH

Ossidazioneaerobica

Ciclo di Krebs

Fosforilazioneossidativa

6 CO2 + 6H2O

NAD+

NAD+

Piruvato

Acetil-CoA

H+H+

ADP + Pi

ATPO2

Aerobiosi

5

6


gsartor 4

v. 3.5.1 © gsartor 2001-2020 Metabolismo dei carboidrati - III

Aerobiosi• In condizioni aerobiche il piruvato

prodotto dalla glicolisi e dalla degradazione degli aminoacidi è ossidato a H2O e CO2 nella respirazione cellulare.

• Ciò avviene in tre stadi– Produzione di acetil-CoA (decarbossilazione

del piruvato)– Ossidazione dell’acetil-CoA a CO2 (Ciclo di

Krebs)– Trasferimento di elettroni e fosforilazione

ossidativa (produzione di H2O e ATP con consumo di O2 ).

- 7 -


7

8


gsartor 5

Piruvato deidrogenasi

Produzione di acetil-CoA (decarbossilazione del

piruvato)


Trasporto del piruvato

• Il piruvato è trasportato all’interno della matrice mitocondriale dove viene ossidato ad acetilCoA dal complesso enzimatico piruvato deidrogenasi.

• Il piruvato viene trasportato attraverso la membrana mitocondriale attraverso un trasportatore specifico che lo scambia con ioni OH-.

• La membrana esterna mitocondriale permette il passaggio a ioni e piccole molecole e contiene canali anionici voltaggio dipendenti (VDAC: voltage dependent anion channels).

- 10 -

9

10


gsartor 6


Mitocondrio

- 11 -


Mitocondrio

- 12 -

11

12


gsartor 7


I mitocondri

- 13 -


Acetil-CoANH

P

O

OO

NO

N

N

OHOH

N

NH2

OP

O

OOCH

3

CH3

OH H

OO

NH

SH

NH

P

O

OO

NO

N

N

OHOH

N

NH2

OP

O

OOCH

3

CH3

OH H

OO

NH

S

O

CH3

CoA-SH

Acetil-CoA

Adenosina-5'-difosfato

Acido Pantotenico

β-mercaptoetanolamina

Acetile

- 14 -

13

14


gsartor 8


Acetil-CoA

Acido pantotenico

Acetile

β-mercaptoetanolaminaAdenosina-5’-difosfato

CoA-SH

Acetil-CoA

- 15 -


Complesso piruvato deidrogenasi

• Il complesso piruvato deidrogenasi è un gruppo di enzimi associati non covalentemente che catalizzano la decarbossilazione del piruvato e formazione di Acetil-CoA.

• La reazione forma contemporaneamente NADH trasferendo uno ione H- al NAD+.

• Il NADH passa gli elettroni alla catena respiratoria• La reazione ha un ∆G°’ = -33.4 kJ/mol (essenzialmente

irreversibile).

CH3

O

OO

CH3

O

SCoA

CO2

CoA SHNAD+ NADH

+

Complesso piruvato deidrogenasi(E1 + E2 + E3)

TPP, Lipoato, FAD

- 16 -

15

16


gsartor 9


Complesso piruvato deidrogenasi

• Il complesso piruvato deidrogenasi catalizza cinque reazioni sequenziali, richiede tre enzimi e cinque coenzimi.

• I cinque coenzimi sono:• Il FAD e il NAD+ sono trasportatori di elettroni.• La TPP trasferisce il gruppo acetile al lipoato.• Il lipoato è trasportatore di elettroni e di acili.• Il CoA è il trasportatore di acili, lega in modo

covalente il gruppo acilico attraverso un legame tioestere ad alta energia.

- 17 -


I reagenti e i prodotti

Diidrolipoil

transacetilasi

E2

Idrossietil-TPP Lipoamide

Acetil-diidrolipoamide

Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA- SH

NAD+

- 18 -

17

18


gsartor 10



Diidrolipoil

transacetilasi

E2



Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA-SH

NAD+

- 19 -



Diidrolipoil

transacetilasi

E2



Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA- SH

NAD+

- 20 -

19

20


gsartor 11

Diidrolipoil

transacetilasi

E2



Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA- SH

NAD+


Le cinque reazioni nel complesso

1 2

3

4

5

- 21 -


I tre enzimi del complesso

Diidrolipoil

transacetilasi

E2



Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA- SH

NAD+

- 22 -

21

22


gsartor 12

Diidrolipoil

transacetilasi

E2



Piruvato

deidrogenasi

E1

Diidrolipoamide

Diidrolipoil

deidrogenasi

E3

CO2

CoA- SH

NAD+


I cinque coenzimi

- 23 -


I cinque coenzimi

Ribos io informa aperta

Base di Shiffridotta

FAD

(ossidato)

NAD+NADH

Tiamina pirofosfato (TPP)

Lipoamide

Diidrolipoamide

FADHz

(ridotto)

+ 2H+ + 2e-

+ H+ + H+

P rotone ac ido

FADH+

+ H - (H+ + 2e-)

- 24 -

23

24


gsartor 13


I tre enzimi• Il complesso piruvato

deidrogenasi PDC consiste in tre enzimi:– piruvato deidrogenasi

• EC1.2.4.1

• (E1, arancio) (B),– diidrolipoil transacetilasi

• EC2.3.1.12

• (E2, verde) (A),– diidrolipoil deidrogenasi

• EC1.8.1.4

• (E3, violetto) (C).

• In E. coli il complesso consiste in 24 coppie di E1, 24 coppie di E2 e di 12 coppie di E3.

• E2 funziona come “core” del complesso (C).

- 25 -


I tre enzimi

• Ogni coppia di E2 contiene tre molecole di lipoato legate covalentemente.

• Il lipoato ha un braccio flessibile che trasporta le molecole di acetile da un sito attivo ad un altro.

• E1 ha come coenzima il molecola di TPP ed E3 ha come coenzima il FAD.

- 26 -

25

26


gsartor 14


I tre enzimi

• Ogni coppia di E2 contiene tre molecole di lipoato legate covalentemente.

• Il lipoato ha un braccio flessibile che trasporta le molecole di acetile da un sito attivo ad un altro.

• E1 ha come coenzima il molecola di TPP ed E3 ha come coenzima il FAD.

- 27 -


TPP

Piruvato deidrogenasi (E1) EC1.2.4.1

• Gli intermedi rimangono legati al complesso.

• Il piruvato reagisce con il TPP legato a E1 e viene decarbossilato al derivato idrossietil-TPP (carbanione reattivo stabilizzato per risonanza).

- 28 -

27

28


gsartor 15



1L8A

TPP

Mg++

- 29 -



1L8A

Carbanione

TPP

Cavità

- 30 -

29

30


gsartor 16



1NI4

TPP

- 31 -



1NI4

TPP

- 32 -

31

32


gsartor 17


1NI4

TPP


- 33 -



1NI4

TPP

Carbanione

Cavità

- 34 -

33

34


gsartor 18


Diidrolipoil transacetilasi (E2)

Lipoamide

Diidroacetilipoamide

• Il gruppo idrossietile derivato da idrossietil-TPP è trasferito al lipoato (legato ad una His di E2) come acetile, attraverso l’attacco nucleofilo del carbanione sull’atomo di zolfo della lipoamide.

- 35 -


Diidrolipoil transacetilasi (E2)

Diidroacetilipoamide

• Il braccio del lipoato si muove sul sito di legame del acetil-CoA e ne transesterifica il gruppo SH formando AcetilCoA.

- 36 -

35

36


gsartor 19


Diidrolipoil transacetilasi (E2) EC2.3.1.12

Dominio catalitico

- 37 -



Lipoamide

AcetilCoA

Dominio catalitico

- 38 -

37

38


gsartor 20



Lipoamide

AcetilCoA

- 39 -


Diidrolipoil deidrogenasi (E3)

• Il lipoato ridotto viene riossidato dall’E3 utilizzando il FAD che si riduce a FADH2.

• Il FADH2 viene riossidato dal NAD+ che si riduce a NADH e H+

• Si rigenera la piruvato deidrogenasi

FADH2

NAD+

NADH + H+

- 40 -

39

40


gsartor 21


Diidrolipoil deidrogenasi (E3) EC1.8.1.4

NAD+

FAD

S

S

1LPV

- 41 -



NAD+

FAD

S

S

- 42 -

41

42


gsartor 22


NAD+

FAD

S

S


- 43 -


• La diidrolipoil transacetilasi (E2) è centrale in questo meccanismo.

• Il braccio flessibile del lipoato:– lega il gruppo acetile e lo trasferisce al

CoA e–accetta due elettroni dalla piruvato

deidrogenasi (E1) e li trasferisce al diidrolipoil deidrogenasi (E3).

- 44 -

43

44


gsartor 23


Legame del piruvato

E1

E2

E3

- 45 -


Decarbossilazione del piruvato

E1

E2

E3

CO2

- 46 -

45

46


gsartor 24


Formazione di diidroacetillipoamide

E1

E2

E3

- 47 -


Legame del Coenzima A

E1

E2

E3

- 48 -

47

48


gsartor 25


Formazione di Acetil-CoA

E1

E2

E3

- 49 -


Ossidazione della diidrolipoamide

E1

E2

E3

- 50 -

49

50


gsartor 26


Riduzione del FAD a FADH2

E1

E2

E3

- 51 -


Legame del NAD+

E1

E2

E3

- 52 -

51

52


gsartor 27


Riduzione del NAD+ a NADH + H+

E1

E2

E3

H+ +

- 53 -


Ritorno al punto di partenza

E1

E2

E3

- 54 -

53

54


gsartor 28



E1

E2

E3

- 55 -



E1

E2

E3

- 56 -

55

56


gsartor 29



NADH + H+

NAD+

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

S

S

S

S

CH3O

S

HS

SH

SH

SH

CH3

O

S

S

SHCH3

OH

O–

O

O

CH3

CO2FAD

FADH2

FAD

FAD

TPP

TPP

TPP

TPP

FAD

CoA

CoA

TPP

- 58 -

57

58


gsartor 30


Controllo della piruvato deidrogenasi

• Inibizione competitiva da prodotti

– NADH compete con NAD+ in E3

– Acetil-CoA compete con CoA-SH in E2

• La concentrazione dei due coenzimi regola

anche la direzione della catalisi di E2 e E3.

• Negli eucarioti E1 può essere fosforilato da una

chinasi attivata dalla forma acetilata di E2

• La forma fosforilata di E1 è inattiva mentre la

forma defosforilata è attiva.

- 59 -



Piruvato

deidrogenasi

fosfatasi

Piruvato

deidrogenasi

chinasi

ATP

ADP H2O

HPO4--

Mg++ Ca++

Ca++ (alto Mg++)

Piruvato, ADP, K+

Acetil-CoA

NADH

E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

CO2E1

ATTIVA

INATTIVA

- 60 -

59

60


gsartor 31



NADH + H+

NAD+

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

E1 E3E2

STOP

S

S

S

S

CH3

CH3O

S

H

S

SH

SH

SH

CH3

O

S

S

S

HCH3

OH

O–

O

O

CH3

O

O–

O–

P

O

CO2FAD

FADH2

FAD

FAD

TPP

TPP

TPP

TPP

FAD

CoA

CoA

TPP

- 61 -


61

62


gsartor 32

Ciclo di KrebsCiclo degli acidi tricarbossilici

(TCA)Ciclo dell’acido citrico

Ossidazione dell’acetil-CoA a CO2


Krebs e Lipmann

Premio Nobel per la Medicina 1953

- 64 -

63

64


gsartor 33


Ciclo di Krebs

• Il ciclo di Krebs è al centro del metabolismo.

• Le vie degradative (catabolismo) lo alimentano, le vie sintetiche (anabolismo) ne usano i componenti.

• È una via “ANFIBOLICA”, opera infatti sia nel catabolismo che nell’anabolismo cellulare.

- 65 -


Ciclo di Krebs

• Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale.

• Nei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi.

AcetilCoA + 3 NAD+ + FAD + GDP + Pi + 2H2O

2CO2 + CoASH + 3 NADH + FADH2 + GTP + 2H+

- 66 -

65

66


gsartor 34


Krebs and Johnson (1937) “The role of citric acid in the intermediate metabolism in animal tissues”.

Enzymologica 4:148-156.

- 67 -


Ciclo di KrebsCO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

Piruvato

Acetil-CoA

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato

Ossalosuccinatoα-Chetoglutarato

Succinil-CoA

Succinato

Fumarato

Malato

Ossalacetato

- 68 -

67

68


gsartor 35


Ciclo di Krebs

1937

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Piruvato

Acetil-CoA

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato


Succinil-CoA

Succinato

Fumarato

Malato

Ossalacetato

- 69 -


69

70


gsartor 36


Ciclo di Krebs

O

OO

OO

CH3 O

OOS O

CH3

CoA

SHCoA

OH

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O O

H

O

O

O

O

O O

OHH

O

O

O

O

O O

O

O

O

O O

O

O

O O

O

O

O O

O

O

O O

O

OH

SHCoA

SHCoA

SHCoA

O O

O S

CoA

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

AcetilCoA

EquivalentiriducentiNucleotidi

trifosfati

2CO2

- 71 -


Ciclo di KrebsCO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasiEC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3

Isocitratodeidrogenasi

EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato

deidrogenasiEC 1.2.4.2

Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

SO

O–O

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 72 -

71

72


gsartor 37


Ciclo di Krebs

Deidrogenasi

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

SO

O–O

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 73 -


Ciclo di Krebs

1

2

345

6

7 8

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

SO

O–O

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 74 -

73

74


gsartor 38


Ciclo di Krebs

1

2

3

4

5

6

78

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

- 75 -

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


2

Ciclo di Krebs

1

4

5

6

7

8

3

PREPARAZIONEdel CICLO

SECONDO PASSO

di PRODUZIONEdi ENERGIA

RIPRISTINOdel CICLO

ALIMENTAZIONE

PRIMO PASSOdi PRODUZIONE

di ENERGIA

- 76 -

75

76


gsartor 39

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Ciclo di Krebs

C1

C1

C2

C6

C6

C6

C6C5

C4

C4C4

C4

C4

- 77 -


Ciclo di Krebs

C1

C1

C2

C6

C6

C6

C6C5

C4

C4C4

C4

C4

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

- 78 -

77

78


gsartor 40

Ciclo di Krebs


Ciclo di Krebs


1 23

4

5

6

8

7

Citrato sintasi(EC2.3.3.1)

Aconitasi(EC4.2.1.3) Isocitrato deidrogenasi

(EC1.1.1.41)

α-chetoglutarato deidrogenasi(EC1.2.4.2)

SuccinilCoA sintetasi(EC6.2.1.4)

Succinato deidrogenasi(EC1.3.5.1)

Fumarasi(EC4.2.1.2)

Malato deidrogenasi(EC1.1.1.37)

- 80 -

79

80


gsartor 41


Citrato sintasi (EC2.3.3.1)

O

OO

OO

CH3 O

OOS O

CH3

CoA

SHCoA

OH

O

O

O

O

O O

O

O

O

O

O O

H

O

O

O

O

O O

OHH

O

O

O

O

O O

O

O

O

O O

O

O

O O

O

O

O O

O

O

O O

O

OH

SHCoA

SHCoA

SHCoA

O O

O S

CoA

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

IsocitratodeidrogenasiEC 1.1.1.41

SuccinilCoAsintetasi

EC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinatodeidrogenasi

EC 1.3.5.1

FumarasiEC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37Ossalacetato

Citrato

AcetilCoA

- 81 -


Citrato sintasi (EC2.3.3.1)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37Ossalacetato

Citrato

AcetilCoA

SO

O–O

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O H

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O–

O

O–

O

O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

• Quando lega ossalacetato cambia conformazione,• Si crea il sito per acetil-CoA,• L’ossalacetato non è più accessibile all’acqua.

- 82 -

81

82


gsartor 42



• Quando lega ossalacetato cambia conformazione,• Ci crea il sito per acetil-CoA,• L’ossalacetato non è più accessibile all’acqua.

- 83 -


Citrato sintasi (EC2.3.3.1)Ossalacetato

Acetil-CoA

- 84 -

83

84


gsartor 43



• La condensazione del ossalacetato con acetil-CoA porta alla formazione di citril-CoA

• È una catalisi acido base che coinvolge His274 e Asp375.

• L’idrolisi del legame tioestere nel citril-CoA porta alla formazione di citrato e CoA-SH.

• La reazione è spontanea a causa dell’idrolisi del legame tioestere (-31.5 kJ/mol) che coinvolge His-320.

H2O

Ossalacetato

Citrato

- 85 -



• La condensazione del ossalacetato con acetil-CoA porta alla formazione di citril-CoA

• È una catalisi acido base che coinvolge His274 e Asp375.

• L’idrolisi del legame tioestere nel citril-CoA porta alla formazione di citrato e CoA-SH.

• La reazione è spontanea a causa dell’idrolisi del legame tioestere (-31.5 kJ/mol) che coinvolge His-320.

- 86 -

85

86


gsartor 44



MalatodeidrogenasiEC 1.1.1.37

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4

a-Chetoglutaratodeidrogenasi

EC 1.2.4.2

Succinato


FumarasiEC 4.2.1.2

Ossalacetato

Citrato

AcetilCoA

Piruvato

carbossilasi

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

O–

O

O

O–

O

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

CoA

CoA

ACo

ACo

CoACoA

• La regolazione della citrato sintasi è data dalla disponibilità di substrati,

• La concentrazione di ossalacetato è limitante,• L’ossalacetato è anche substrato della

gluconeogenesi,• In mancanza di ossalacetato si accumula

Acetil-CoA,• La presenza di Acetil-CoA stimola la piruvato

carbossilasi a produrre ossalacetato.

- 87 -



1cts

- 88 -

87

88


gsartor 45


Aconitasi (EC4.2.1.3)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

a-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–

O

O–

O

O–

O

H

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O H

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 89 -


Aconitasi (EC4.2.1.3)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

a-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–

O

O–

O

O–

O

H

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O H

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA• Catalizza la conversione stereospecifica del citrato in isocitrato attraverso una deidratazione e una reidratazione,– L’intermedio cis-aconitato non è

rilasciato dal sito attivo,– Nel sito attivo vi è un cluster FeS

(Fe4S4)– Tre degli ioni Fe sono complessati

da un S di tre Cys, il quarto è il sito che lega il substrato.

• Il ∆G della reazione è positivo, il prodotto viene rimosso, il ∆G si avvicina a zero a concentrazioni reali.

- 90 -

89

90


gsartor 46


Aconitasi (EC4.2.1.3)

- 91 -



2

3

2

3

2

3

2

3

Citrato

(2R,3S)-Isocitrato

cis-aconitatointermedio

Rovesciamentodi 180°

O–

O–

O

O

O–

H

O

HH O

H

H O

S Fe

SFe

S Fe

SFe

O–

HO

O–

O

O

HH O

H

H O

S Fe

SFe

S Fe

SFe

O–

HO–

OH

O

O–

O

O

HH O

HH

O

S Fe

SFe

S Fe

SFe

O–

H

H

O–

OO–

H

O–

O

H

O

HH O

HH

O

S Fe

SFe

S Fe

SFe

O–

O–

O

Ser642

Arg+580

His101Asp-100

Ser642

Arg+580

His101Asp-100

Ser642

Arg+580

His+101Asp-100

Ser642

Arg+580

His+101Asp-100

- 92 -

91

92


gsartor 47



- 93 -



http://pdb101.rcsb.org/learn/videos/aconitase

- 94 -

93

94


gsartor 48



Arg580

His101

Asp100

Ser642

Cys

- 95 -



trans-aconitato

- 96 -

95

96


gsartor 49



- 97 -



7acn

- 98 -

97

98


gsartor 50


Isocitrato deidrogenasi (EC1.1.1.41)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4


EC 1.2.4.2


EC 1.3.5.1

FumarasiEC 4.2.1.2


Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

Mg++

O–

O

O–

O

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

HOH

O–

O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

- 99 -

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4


EC 1.2.4.2


EC 1.3.5.1

FumarasiEC 4.2.1.2


Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

Mg++

O–

O

O–

O

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

HOH

O–

O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA


Isocitrato deidrogenasi (EC1.1.1.41)• Catalizza la decarbossilazione ossidativa del isocitrato, • La porzione nicotinamidica del NAD+ (o del NADP+ in un

isoenzima) ossida il gruppo OH a carbonile,• Si forma l’intermedio ossalosuccinato nel quale vi è

l‘interazione con lo ione Mg++ (Mn++),• Il gruppo COO- non interessato nella formazione del

complesso esce come CO2, • Si forma α−chetoglutarato.

- 100 -

99

100


gsartor 51

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4


EC 1.2.4.2


EC 1.3.5.1

FumarasiEC 4.2.1.2


Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

Mg++

O–

O

O–

O

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

HOH

O–

O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA


Isocitrato deidrogenasi (EC1.1.1.41)• La reazione è altamente spontanea, sia il processo di

decarbossilazione che quello di ossidazione sono spontanei (∆G°’ = -20.9 kJ/mol).

• L’isocitrato deidrogenasi è regolata:– Attivata allostericamente da ADP (ATP antagonista)– Attivata da Ca++ e NAD+ (NADH antagonista)– Quando il rapporto ATP/ADP è basso il ciclo di Krebs

è attivo.

- 101 -

Isocitrato deidrogenasi (EC1.1.1.41)


3blw

- 102 -

101

102


gsartor 52


Isocitrato deidrogenasi (EC1.1.1.41)

IsocitratoC-OH ossidato a C=O

NADP+

Mg++

Isocitrato

Esce come CO2

- 103 -


α-chetoglutarato deidrogenasi (EC1.2.4.2)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4

a-Chetoglutarato

deidrogenasi

EC 1.2.4.2

Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

O

O–O

O–

O

O–

O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

SO

O–

O

O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 104 -

103

104


gsartor 53

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


AconitasiEC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4

a-Chetoglutarato

deidrogenasi

EC 1.2.4.2

Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

O

O–O

O–

O

O–

O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

SO

O–

O

O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA


α-chetoglutarato deidrogenasi (EC1.2.4.2)• È un complesso enzimatico che converte l’α-chetoglutarato a

succinil-CoA e CO2.• La reazione produce NADH e conserva l’energia nel legame

tioestere • La reazione è spontanea (∆G°’ = -33.5 kJ/mol).• Meccanismo quasi identico a quello del complesso piruvato

deidrogenasi (E1, E2, E3) – E2 ed E3 sono conservati nei due complessi enzimatici,– E1 ha diversa specificità di substrato.

- 105 -

α-chetoglutarato deidrogenasi (EC1.2.4.2)


105

106


gsartor 54

α-chetoglutarato deidrogenasi


piruvato deidrogenasi- 107 -


SuccinilCoA sintetasi (EC6.2.1.4)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasi

EC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Isocitrato

deidrogenasi

EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

a-Chetoglutarato

deidrogenasi

EC 1.2.4.2

Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

SuccinilCoA

Succinato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–

O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoA

ACo

- 108 -

107

108


gsartor 55

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasi

EC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Isocitrato

deidrogenasi

EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato

deidrogenasi

EC 1.2.4.2

Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

SuccinilCoA

Succinato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–

O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA


SuccinilCoA sintetasi (EC6.2.1.4)

• Converte il succinil-CoA in succinato e produce GTP (ATP) da GDP (ADP) e Pi.

• L’enzima è fosforilato in una His.• È un eterodimero:

– La subunità α contiene il sito di fosforilazione (His) e lega CoA.

– La subunità β dà la specificità per ATP o GTP.

• La reazione è vicina all’equilibrio (∆G°’=-2.9 kJ/mol).

- 109 -


Meccanismo

SuccinilCoA

Succinato

GTP

GDP

- 110 -

109

110


gsartor 56



Sito di Fosforilazione

(fosfoistidina) Subunità α

Subunità β

CoA

- 111 -



Mitocondriale2fp4

Citosolica1cqi

- 112 -

111

112


gsartor 57


Succinato deidrogenasi (EC1.3.5.1)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasi

EC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Isocitrato

deidrogenasi

EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasi

EC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato



EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malato


Succinato

Fumarato

O

O–O

O–

O

O–

O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–

SO

O–O

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 113 -


Succinato deidrogenasi (EC1.3.5.1)

• Per completare il ciclo il succinato deve venire convertito in ossalacetato.

• Il succinato è deidrogenato a fumarato stereospecificatamente dalla flavoproteina succinato deidrogenasi con produzione di FADH2.

• La succinato deidrogenasi è il solo enzima di membrana del ciclo di Krebs.

• Gli elettroni passano dal succinato al FAD, che è legato covalentemente alla proteina attraverso un residuo di His.

• Il FADH2 è riossidato a FAD dal Coenzima Q nella catena di trasporto degli elettroni.

• Il malonato, strutturalmente analogo al succinato, è un forte inibitore competitivo e blocca il ciclo.

Succinato

Malonato- 114 -

113

114


gsartor 58

Succinato deidrogenasi (EC1.3.5.1)


1nek

- 115 -


Fumarasi (EC4.2.1.2)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasi

EC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Isocitrato

deidrogenasi

EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

Fumarato

Malato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

O H

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

- 116 -

115

116


gsartor 59

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Citrato sintasi

EC 2.3.3.1

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Aconitasi

EC 4.2.1.3

Isocitrato

deidrogenasi

EC 1.1.1.41


EC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato

deidrogenasi

EC 1.3.5.1

Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malatodeidrogenasi

EC 1.1.1.37

Fumarato

Malato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

O H

O–

O

O–

O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA


Fumarasi (EC4.2.1.2)

• La fumarasi catalizza l’idratazione reversibile del fumarato, si forma (S)-malato (L-malato).

• È una reazione stereospecifica, viene idratato il doppio legame trans ma non il cis (maleato).

• Nella reazione inversa solo il L-malato è substrato dell’enzima non l’isomero D.

- 117 -


Meccanismo

Fumarato S-Malato

Carbocatione

Carbanione

OH-

OH-

- 118 -

117

118


gsartor 60

Fumarasi (EC4.2.1.2)


1fuo

- 119 -


Malato deidrogenasi (EC1.1.1.37)CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+


Aconitasi

EC 4.2.1.3

AconitasiEC 4.2.1.3


EC 1.1.1.41

SuccinilCoA

sintetasiEC 6.2.1.4

α-Chetoglutarato


Succinato


Fumarasi

EC 4.2.1.2

Malato

deidrogenasi

EC 1.1.1.37

Ossalacetato

Malato

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

O H

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O–

O

O

O–

O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

• La L-malato deidrogenasi ossida il malato a ossalacetato rigenerando il composto di partenza del ciclo e producendo NADH.

• La reazione è sfavorita (∆G°’= 29.7 kJ/mol), ma la concentrazione di ossalacetato è bassa (<10-6 M), il che spinge la reazione in avanti.

• Inoltre la reazione successiva catalizzata dalla citrato sintasi è altamente favorita (∆G°’= -31.5 kJ/mole) e sottrae ulteriormente l’ossalacetato dal mezzo.

- 120 -

119

120


gsartor 61

Malato deidrogenasi (EC1.1.1.37)


Mitocondriale1mld

Citosolica5mdh

- 121 -


Ciclo di KrebsCO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

O

O–O

O–

O

O–

O

SO

O–O

SH

SH

SH

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O

O– O

CoA

CoA

CoA

CoA

CoACoA

Piruvato

Acetil-CoA

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato


Succinil-CoA

Succinato

Fumarato

Malato

Ossalacetato

- 122 -

121

122

Metab

olism

o d

ei carboid

rati -III

31

/03

/20

20 1

0:0

9:1

5

gsarto

r62

v. 3.5

.1 ©

gsa

rtor 2

001-2

020

Meta

bolism

o d

ei ca

rboid

rati -

III

Energ

ia

Re

az

ion

e1

23

45

67

8

∆G°' (kJ/mol)

-40

-30

-20

-10 0

10

20

30

40

Citrato sintasi

Malatodeidrogenasi

Aconitasi


α-chetoglutaratodeidrogenasi

Succinil-CoAsintasi


Fumarasi

-123

-

v. 3.5

.1 ©

gsa

rtor 2

001-2

020

Meta

bolism

o d

ei ca

rboid

rati -

III

Energ

ia

-124

-

Re

az

ion

e1

23

45

67

8

∆G (kJ/mol)

0

Citrato sintasi

Malatodeidrogenasi

Aconitasi


α-chetoglutaratodeidrogenasi

Succinil-CoAsintasi


Fumarasi

PO

SIT

IV

O

NE

GA

TIV

O

12

3

12

4


gsartor 63


Energia

Reazione12345678

∆G (

kJ/m

ol)

0

Citra

to s

inta

si

Mal

ato

dei

dro

gen

asi

Aco

nitas

i

Isoci

trat

odei

dro

gen

asi

α-ch

etog

luta

rato

dei

dro

gen

asi

Succ

inil-

CoA

sinta

si

Succ

inat

odei

dro

gen

asi

Fum

aras

i

POSITIVO

NEGATIVO

- 125 -

R eazione12345678

∆G (

kJ/m

ol)

0

Citra

to s

inta

si

Mal

ato

dei

dro

gen

asi

Aco

nitas

i

Isoci

trat

odeid

rogenasi

α-ch

eto

glu

tara

todei

dro

gen

asi

Succ

inil-

CoA

sinta

si

Succ

inato

dei

dro

gen

asi

Fum

ara

si

PO SITIVO

N EGA TIVO


Ciclo di KrebsCO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Piruvato

Acetil-CoA

Citrato

cis-Aconitato

Isocitrato

Ossalosuccinato

α-Chetoglutarato

Succinil-CoA

Succinato

Fumarato

Malato

Ossalacetato

O

O–O

O–

O

O–

O

S

CoA

O

O–O

SH

CoA

SH

CoA

SH

CoA

O

OH

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

OH

O–

O

SH

CoA

S

CoA

CH3

OO– O

OCH3

O– O

O

O– O

- 126 -

125

126


gsartor 64


Energia

- 127 -


Ciclo di Krebs

• Il ciclo di Krebs è al centro del metabolismo.• Le vie degradative (catabolismo) lo

alimentano, le vie sintetiche (anabolismo) ne usano i componenti.

• È una via “ANFIBOLICA”, opera infatti sia nel catabolismo che nell’anabolismo cellulare.

• Tutte le reazioni avvengono nella matrice mitocondriale.

• Nei mitocondri vi sono anche gli enzimi della fosforilazione ossidativa e quelli della ossidazione degli acidi grassi e degli aminoacidi.

- 128 -

127

128


gsartor 65


CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

CO

SO

O–O

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

CoA

CoA

CoA

CoACoA

Ciclo di Krebs

C1

C1

C2

C6

C6

C6

C6C5

C4

C4C4

C4

C4

- 129 -

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

CO

SO

O–O

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

CoA

CoA

CoA

CoACoA


Ciclo di Krebs

C1

C2

C6

C6

C6

C6C5

C4

C4C4

C4

C4

https://www.youtube.com/watch?v=X6aJJwxrDQg

C1https://www.youtube.com/watch?v=yk14dOOvwMk

- 130 -

129

130


gsartor 66


CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Malato

CO2

COLESTEROLO

ACIDI GRASSI

Glu

PORFIRINE

ACIDI GRASSI

DISPARIIle, Met, Val

Asp, Phe, Tyr

(Asn) AMINOACIDI

GLUCOSO

AMINOACIDIPURINE

PIRIMIDINE

- 131 -

Ciclo di Krebs


1 23

4

5

6

8

7

Citrato sintasi(EC2.3.3.1)

Aconitasi(EC4.2.1.3) Isocitrato deidrogenasi

(EC1.1.1.41)

α-chetoglutarato deidrogenasi(EC1.2.4.2)

SuccinilCoA sintetasi(EC6.2.1.4)

Succinato deidrogenasi(EC1.3.5.1)

Fumarasi(EC4.2.1.2)

Malato deidrogenasi(EC1.1.1.37)

- 132 -

131

132


gsartor 67


Piruvato

Glucosio

Glicolisi

Enzima

malico

Malato

Malatodeidrogenasi

Ossalacetato

Citrato

Aminoacidi

Acetil-CoA

ATP-citrato

liasi

Ciclodi Krebs

Citrato

Ossalacetato

Malato

deidrogenasi

Citrato

sintasi

Acetil-CoA

Piruvato

Malato

Piruvato

carbossilasi

Piruvato

deidrogenasi

NAD+NADH

NADP+

NADPH

ATP

ADP + Pi

CO2NAD+

NADH

CO2

NAD+

NADH

NAD+

NADH

CO2

MATRICEMITOCONDRIALE

LATOCITOPLASMA

Citrato

Malato

Piruvato

Piruvato

carbossilasi

ATP

ADP + Pi

CO2

- 133 -


Reazioni anaplerotiche• Gli intermedi del ciclo di Krebs sono

risintetizzati dalle reazioni anaplerotiche.• La concentrazione degli intermedi nel ciclo

rimane pressoché costante.• La principale reazione anaplerotica è quella

che porta alla produzione di ossalacetato da CO2 e piruvato. La reazione è catalizzata dalla piruvato carbossilasi.

• La produzione di ossalacetato avviene principalmente nel rene e nel fegato.

• La piruvato carbossilasi è fortemente stimolata da acetil-CoA.

- 134 -

133

134


gsartor 68


• Ci sono prove che suggeriscono la formazione di complessi multienzimatici per il ciclo di Krebs.

• Ciò potrebbe facilitare la canalizzazione dei substrati tra i siti attivi.

- 135 -


Controllo• I fattori che controllano il flusso del ciclo sono:

– Disponibilità dei substrati– Inibizione da prodotti– Inibizione allosterica nei primi passaggi

• La citrato sintasi, la isocitrato deidrogenasi e la α-chetoglutarato deidrogenasi possono essere tutti punti di regolazione:– La disponibilità di acetil-CoA e ossalacetato regolano

l’attività della citrato sintasi.– L’accumulo di NADH inibisce le due deidrogenasi.

• L’accumulo di prodotto inibisce gli altri passaggi.

- 136 -

135

136


gsartor 69


Controllo

• L’inibizione della citrato sintasi da ATP è eliminata da ADP.

• Nei muscoli di vertebrato lo ione Ca++ attiva la isocitrato deidrogenasi e la α-chetoglutarato deidrogenasi.

• Le velocità della glicolisi e del ciclo di Krebs sono integrate.

- 137 -


Controllo

NADH

∅∅

∅∅

⊕

⊕⊕

Ca++ATP

ADP

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Malato

ATP

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

SO

O–O

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

OACo

ACo

ACo

CoA

ACo

ACo

- 138 -

137

138


gsartor 70

Varianti al ciclo di Krebs


Mancanza di enzimi• In alcuni microrganismi il

ciclo di Krebs serve per produrre intermedi e non energia.

• Manca la α-chetoglutarato deidrogenasi.

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Malato

ATP

Nucleotidi

AminoacidiPorfirine

CO2

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

SO

O–O

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

OACo

ACo

CoA

ACo

ACo

- 140 -

139

140


gsartor 71


Ciclo del gliossilato

• In alcuni organismi (piante, microrganismi …) vi è la conversione di acetato (acetil-CoA) a carboidrati attraverso il ciclo del gliossilato.

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

Citrato

AcetilCoA

cis-Aconitato

Isocitrato

Succinato

Malato

Gliossilato

AcetilCoA

SH

CH3

OS

O

H O

O–

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

CH3

OS

O– O

O– O

O

ACo

ACo

ACo

ACo

- 141 -


Ciclo del gliossilato e ciclo di KrebsCO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-Chetoglutarato

SuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Malato

Gliossilato

AcetilCoA

SH

CH3

OS

O

H O

O–

SH

SH

SH

OH

O

O–O

O–

O

O–O

O–

O

O–O

O–

SO

O–O

O

O–O

O–

OO

O–O

O–

O

O–

O

HOH

O–O

O–

O

O–

O

H

O–O

O–

O

O–

O

O–O

O–

O

O–

O

OH

SH

CH3

OSO– O

OCH3

O– O

O– O

O

ACo

ACo

ACo

ACo

ACo

CoA

ACo

ACo

- 142 -

141

142


gsartor 72


Da grassi a zuccheri

• Nei semi in germinazione avviene la conversione di acidi grassi in glucosio.

• Ciò avviene in tre compartimenti diversi:

• I vacuoli lipidici, dove i grassi vengono idrolizzati in acidi grassi e glicerolo

• I gliossisomi, dove gli acidi grassi vengono β-ossidati a AceilCoA e si forma succinato dal ciclo del gliossilato

• Nei mitocondri dove il succinato entra per formare malato che va formare carboidrati.

- 143 -


Da grassi a zuccheri

• Nei semi in germinazione avviene la conversione di acidi grassi in glucosio.

• Ciò avviene in tre compartimenti diversi:

• I vacuoli lipidici, dove i grassi vengono idrolizzati in acidi grassi e glicerolo

• I gliossisomi, dove gli acidi grassi vengono β-ossidati a AceilCoA e si forma succinato dal ciclo del gliossilato

• Nei mitocondri dove il succinato entra per formare malato che va formare carboidrati.

Triacilgliceroli

Acidi grassi

Acidi grassi

AcetilCoA

Ossalacetato

Citrato

Malato

GliossilatoIsocitrato

Succinato

AcetilCoACiclo del

Gliossilato

Vacuolo lipidico

Gliossisoma

Mitocondrio

Ossalacetato

Citrato

Malato

Succinato

Fumarato

Ossalacetato

Malato

Ciclo di

Krebs

Gluconeogenesi

ESOSI

- 144 -

143

144


gsartor 73


Ciclo di Krebs nel Plasmodium falciparum

OO

O

OO

CH3 O

OOS O

CH3

CoA

SHCoA

O

O

OH

O

O

O O

O

O

O

O

O O

H

O

O

O

O

O O

OHH

O

O

O O

O

O O

O S

CoA

O

O O

O

O

O O

O

O

O O

OH

O

SHCoA

SHCoA

SHCoA

O

O

O

O

O O

O

PEP

Sintesidell'eme

Digestione

dell'emoglobina

Glutamina

Malato

Malato

Glutamato

Glutamato

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Glucoso

Glucoso

Glicolisi

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

Acetilazione

degli istoni

AcetilCoA

AcetilCoA

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-ChetoglutaratoSuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Spazioextracellulare

Parassita

Globulo rosso

Branched tricarboxylic acid metabolism in Plasmodium falciparum Kellen L. Olszewski, Michael W. Mather, Joanne M. Morrisey,Benjamin A. Garcia, Akhil B. Vaidya, Joshua D. Rabinowitz, Manuel Llina NATURE, Vol 466, 5 August 2010, pp 774-778

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OO

O

OO

CH3 O

OOS O

CH3

CoA

SHCoA

O

O

OH

O

O

O O

O

O

O

O

O O

H

O

O

O

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O O

OHH

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O S

CoA

O

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O

O

O O

O

O

O O

OH

O

SHCoA

SHCoA

SHCoA

O

O

O

O

O O

O

PEP

Sintesidell'eme

Digestione

dell'emoglobina

Glutamina

Malato

Malato

Glutamato

Glutamato

CO2

H2O

H2O

NAD+

NADH + H+

CO2

NAD+

NADH + H+

CO2

GDP + Pi

GTP

FAD

FADH2

H2O

NAD+

NADH + H+

Glucoso

Glucoso

Glicolisi

Ossalacetato

Citrato

Piruvato

Acetilazione

degli istoni

AcetilCoA

AcetilCoA

AcetilCoA

cis-Aconitato

Ossalosuccinato

Isocitrato

α-ChetoglutaratoSuccinilCoA

Succinato

Fumarato

Spazioextracellulare

Parassita

Globulo rosso


Viariduttiva

Viaossidativa

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145

146


gsartor 74




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147

148


gsartor 75


Sommario• Il piruvato è convertito in acetilCoA e CO2

dalla piruvato deidrogenasi (E1+E2+E3).• L’acetilCoA è convertito in CO2 attraverso il

ciclo di Krebs, si generano: tre NADH, unFADH2, e un GTP (per fosforilazione a livello del substrato).

• Gli intermedi del ciclo di Krebs sono anche precursori per la sintesi di altre biomolecole (acidi grassi, steroidi, aminoacidi, porfirine purine, pirimidine e glucoso).

• L’ossalacetato è riformato dal piruvato attraverso la carbossilazione catalizzata dalla piruvato carbossilasi.

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Crediti e autorizzazioni all’utilizzo• Questo materiale è stato assemblato da informazioni raccolte dai seguenti testi di Biochimica:

– CHAMPE Pamela , HARVEY Richard , FERRIER Denise R. LE BASI DELLA BIOCHIMICA [ISBN 978-8808-17030-9] – Zanichelli

– NELSON David L. , COX Michael M. I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER - Zanichelli – GARRETT Reginald H., GRISHAM Charles M. BIOCHIMICA con aspetti molecolari della Biologia

cellulare - Zanichelli– VOET Donald , VOET Judith G , PRATT Charlotte W FONDAMENTI DI BIOCHIMICA [ISBN 978-

8808-06879-8] - Zanichelli

• E dalla consultazione di svariate risorse in rete, tra le quali:– Kegg: Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes http://www.genome.ad.jp/kegg/– Brenda: http://www.brenda.uni-koeln.de/– Protein Data Bank: http://www.rcsb.org/pdb/ (http://pdb101.rcsb.org/motm/154) – Rensselaer Polytechnic Institute:

http://www.rpi.edu/dept/bcbp/molbiochem/MBWeb/mb1/MB1index.html

• Il materiale è stato inoltre rivisto e corretto dalla Prof. Giancarla Orlandini dell’Università di Parma alla quale va il mio sentito ringraziamento.

Questo ed altro materiale può essere reperito a partire da: http://www. gsartor.org/pro

• Il materiale di questa presentazione è di libero uso per didattica e ricerca e può essere usato senza limitazione, purché venga riconosciuto l’autore usando questa frase:

Materiale ottenuto dal Prof. Giorgio Sartor

Università di Bologna

Giorgio SartorUfficiale: [email protected]: [email protected]

Aggiornato il 31/03/2020 09:53:25

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SA B09-Metabolismo dei carboidrati III - Giorgio Sartor · 2020-03-31 · Metabolismo dei carboidrati - III 31/03/2020 10:09:15 gsartor 3 Aerobiosi Anaerobiosi O2 O H OH OH H H OH

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