Fosforilazione ossidativa

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1 Fosforilazione ossidativa H 2 2H + + 2e - NADH+H + NAD + + 2H + +2e - FADH 2 FAD + 2H + + 2e - ½O 2 + 2H + + 2e - H 2 O + Calore ½ O 2 + 2H + + 2e - H 2 O + ATP 1

2 La fosforilazione ossidativa avviene nella MMI 2

3 Catena respiratoria (1) I III IV MMI II FADH 2 FAD Complesso I NADH:ubichinone ossidoreduttasi o NADH deidrogenasi Complesso III Ubichinone:citocromo C ossidoreduttasi) Complesso IV Citocromo ossidasi NADH+H + E-FMNH 2 (2+) Fe-S(Fe) QH 2 (2+) Cit b(fe) (2+) Cit C 1 (Fe) (2+) Cit C(Fe) (2+) Cit a(fe) (+) Cit a 3 (Cu) 2H 2 O NAD + E-FMN (3+) Fe-S(Fe) Q (3+) Cit b(fe) (3+) Cit C 1 (Fe) (3+) Cit C(Fe) (3+) Cit a(fe) (2+) Cit a 3 (Cu) 4H + +O 2 (2+) Fe-S(Fe) E-FADH 2 Succinato (Palmitoil-CoA) (Glicerolo-3 fosfato) * (3+) Fe-S(Fe) E-FAD Fumarato (Trans -D 2 -enoil-coa) (Diidrossiacetone fosfato) * Complesso II Questa reazione avviene nel lato citosolico della MMI 3

4 Catena respiratoria (2) Dai valori di E red si nota che solo a livello dei complessi I, III, IV, il passaggio di elettroni può generare un DG sufficiente per pompare gli elettroni all esterno della MMI I Potenziali di riduzione standard della catena respiratoria e dei suoi trasportatori di elettroni II FADH 2 FAD III IV Semi-reazione di riduzione e red (V) NAD + + 2e - +2H + NADH + H + -0,32 E-FMN +2H + +2e - E-FMNDH 2-0,30 E-FAD + 2H + +2e - E-FADH 2-0,06 Q + 2H + +2e - QH 2 +0,05 Cit.b (Fe 3+ ) + e - Cit.b(Fe 2+ ) Cit.c 1 (Fe 3+ ) + e - Cit.c 1 (Fe 2+ ) Cit.c (Fe 3+ ) + e - Cit.c (Fe 2+ ) Cit.a (Fe 3+ ) + e - Cit.a (Fe 2+ ) Cit.a 3 (Fe 3+ ) + e - Cit.a 3 (Fe 2+ ) O 2(g) + 4H + (aq) + 4e - 2H 2 O +0,82 DG (Kcal/mol) ~-15 1 ATP ~ -9 1 ATP ~-24 1 ATP DG = -nfe pila 4

5 Catena respiratoria (3) II FADH 2 I FAD III E red NADH/NAD + = -0,32v E red FAD/FADH 2 = -0,06v Il NADH ha un potenziale di riduzione sufficiente a cedere elettroni al complesso I della MMI con attivazione di tre pompe protoniche (produzione indiretta di 2,5 molecole di ATP. IV Il FAD avendo un E red minore cede elettroni al complesso II e genera solo 1,5 molecole di ATP. 5

6 Trasportatori di idrogeni (H + + e - ) (1) NAD + NADH+H + NAD + + 2e - + 2H + NADH+H + La variazione di energia libera che accompagna il trasferimento di elettroni dal NADH a O 2 è pari a 53 Kcal/mol, sufficienti per la biosintesi di 3 mol di ATP NADH + H + NAD + + 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e- H 2 O NADH + H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O E red NAD + / NADH+H + = -0,32 v E red O 2 / H 2 O = +0,82 v NADH+H + NAD + ½ O 2 H 2 O E pila = E catodo - E anodo = 0,82 - (-0,32) = 1,14 v DG r = -nfe pila = -2 (9, c)(1,14v)= -220Kj -53Kcal 6

7 Trasportatori di idrogeni (H + + e - ) (2) FAD + 2H + + 2e - FADH 2 La variazione di energia libera che accompagna il trasferimento di elettroni dal FADH 2 a O 2 è pari a 35 Kcal/mol, sufficienti per la biosintesi di 2 mol di ATP FADH 2 FAD + 2H + + 2e - ½ O 2 + 2H + + 2e- H 2 O E red FAD/ FADH 2 = +0,06v E red O 2 / H 2 O = +0,82 v FADH 2 + ½ O 2 FAD + H 2 O FADH 2 FAD H 2 O ½ O 2 E pila = E catodo - E anodo = 0,82 - (+0,06) = 0,76 v DG r = -nfe pila = -2 (9, c)(0,76)= -147Kj -35Kcal 7

8 I trasportatori di H + ed e - della catena respiratoria Ubichinone (Q o coenzima Q) Centri Fe-S Gruppi prostetici dei citocromi 8

9 Il flusso di elettroni nella catena respiratoria NADH cit H + H + H + b-ossidazione acidi grassi 9

10 La forza motrice protonica (+) (-) Forza motrice protonica (potenziale elettrochimico) Energia potenziale chimica Energia potenziale elettrica 10

11 Modello chemiosmotico della sintesi dell ATP 11

12 Agenti disaccoppianti chimici (1) Alcune molecole trasportano H + dall esterno all interno della MMI annullando così sia il potenziale chimico che il potenziale elettrico con conseguente arresto totale della sintesi di ATP Il più noto agente disaccoppiante di questo tipo è il 2,4-Dinitrofenolo, usato in passato come agente dimagrante; ora ritirato dal mercato perché cancerogeno 12

13 Agenti disaccoppianti chimici (2) Altre molecole (ionofori), trasportano ioni Na +, K + ecc attraverso la MMI annullando così solo il potenziale elettrico legato al gradiente ionico, con conseguente diminuzione (non arresto totale) della sintesi di ATP La valinomicina è un antibiotico ionoforo in grado di legare sul lato esterno alla MMI ioni K + (formando un complesso solubile in grado di attraversare il doppio strato fosfolipidico) e rilasciarli sul lato interno 13

14 Agenti disaccoppianti biologici F 1 F O ATPasi Termogenina 14

15 ATP sintetasi (F 1 F O ATPasi) Da sola catalizza la reazione inversa (vedi ATPasi tipo F) F 1 O sta per Oligomicina, un potente inibitore di questa unità F O 15

16 I sistemi di trasporto nella MMI (1) Traslocasi per rifornire la matrice mitocondriale dei substrati (ADP, Pi) per la sintesi dell ATP e per la sua fuoriuscita Inibita dall atrattiloside, un glicoside tossico prodotto da una specie di cardo (velenoso per il bestiame da pascolo) ATP sintetasi Traslocasi del piruvato per il rifornimento del ciclo di Krebs Piruvato traslocasi (simporto) CH 3 -CO-COO -- CH 3-CO-COO -- 16

17 I sistemi di trasporto nella MMI (2) Sistema a navetta aspartato-malato per trasportare nel mitocondrio il NADH citosolico prodotto durante la glicolisi nel fegato, rene e cuore 2,5 ATP GAP Pi Catena respiratoria 1,3 DPG 17

18 I sistemi di trasporto nella MMI (3) Sistema a navetta glicerolo 3-fosfato per trasportare nel mitocondrio il NADH citosolico prodotto durante la glicolisi nel muscolo e nel cervello 1.5 ATP 18

19 Regolazione della produzione di ATP Concentrazioni elevate di ATP (oppure basse di ADP e AMP) producono un rallentamento della glicolisi, dell ossidazione del piruvato e dell ossidazione dell acetato attraverso il ciclo di Krebs e la fosforilazione ossidativa. Viceversa le quattro vie accelerano la loro attività quando vi è un aumento di ADP e AMP (eccessivo consumo di ATP). Con la stessa logica si spiega l azione dei livelli di NAD + e NADH 19

20 La catena respiratoria batterica Questa somiglianza fra i batteri e i mitocondri è un ulteriore prova della probabile origine dei mitocondri da batteri aerobi nel corso della evoluzione delle cellule eucariotiche Equivalente batterico dell ubichinone 20

21 La turbina a protoni nei batteri flagellati 21

22 La funzione dei mitocondri nello stress ossidativo superossido dismutasi (SOD) O 2 + 4H + + 4e - 2H 2 O O 2 + 2H + + 2e - 2O - H 2 O 2 + 2H + H 2 O 2 + O 2 2 O 2 + e - O - catalasi 2 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 22

23 La funzione dei mitocondri nell apoptosi Il citocromo C mitocondriale, quando viene rilasciato nel citosol, partecipa all attivazione della caspasi 9, una proteasi coinvolta nella morte cellulare (apoptosi) 23

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