Termodinamica dei composti fosforilati

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1 Termodinamica dei composti fosforilati ATP (trasportatore universale di energia) ATP + H2O ADP + Pi + energia libera ΔG = -7,3 kcal/mol = - 30,5 kj/mol I legami fosfoanidridici sono legami ad alta energia perché la loro idrolisi porta a PRODOTTI aventi una energia libera molto più bassa rispetto ai reagenti la dizione l'energia del legame fosforico è ERRATA.

2 L energia immagazzinata dall ATP viene usata dalla cellula molti processi essenziali per la vita della cellula o per la funzione tissutale: mantenimento del potenziale elettrochimico di membrana processi di biosintesi contrazione muscolare Le reazioni ANABOLICHE sono ENDOERGONICHE ATP utilizzato in una REAZIONE ACCOPPIATA: Meccanismi per la sintesi di ATP

3 Fosforilazione a livello del substrato Succinil-CoA sintetasi Fosforilazione ossidativa Fase terminale del metabolismo ossidativo: ox. di NADH e FADH2 e riduzione dell O2 ad acqua Questo processo è accoppiato alla sintesi di ATP

4 Glicolisi e ciclo di Krebs C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6H2O 2 ATP glicolisi 2 GTP ciclo di Krebs 10 NADH 2 FADH2 CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI 4 complessi multienzimatici uniti da 2 trasportatori mobili di enadh + ½ O2 + H+ NAD+ + H2O

5 Termodinamica del trasporto degli elettroni Una reazione redox: Fe2+ + Cu2+ Fe+3 + Cu+ può essere scritta come 2 semireazioni: Fe2+ Fe3++ ecu2+ + e- Cu+ Fe2+ e Fe3+ coppia coniugata redox In una reazione redox si riduce la coppia con potenziale di riduzione maggiore La misura del Erid di una coppia redox viene determinata rispetto ad una coppia redox presa come standard di riferimento.

6 NADH + ½ O2 + H+ NAD+ + H2O

7 NADH deidrogenasi / NADH -CoQ ossidoredutttasi

8 COMPLESSO I: NADH-CoQ OSSIDOREDUTTASI Costituito da più di 40 subunità.. Contiene una flavoproteina contenente FMN e 6 centri Fe-S. Fe-S. DURANTE IL PASSAGGIO DEGLI ELETTRONI, 4 H+ VENGONO TRASFERITI DALLA MATRICE VERSO LO SPAZIO INTERMEMBRANA. FAD (FMN) e FADH2 (FMNH2) Il FAD e FMN possono trasportare 1 o 2 elettroni 1 e- e 1 H+ oppure 2 e- e 2 H+ FAD e FMN non sono solubili, ma sempre legati a FLAVOPROTEINE.

9 PROTEINE Fe-S Il ferro è associato ad atomi di zolfo inorganico e/o ad atomi di zolfo di residui di cisteina della proteina. Eccezione : proteine Fe-S di Rieske, in cui il ferro è coordinato con 2 residui di istidina. Nella catena respiratoria ci sono anche proteine contenenti rame; la subunità II del complesso IV è simile alle proteine 2Fe-2S. UBICHINONE o COENZIMA Q L ubichinone ha una lunga catena laterale isoprenoide. Liberamente diffusibile nel doppio strato lipidico. Come le flavoproteine è in grado di congiungere processi a due elettroni con altri a un solo elettrone.

10 COMPLESSO II: SUCCINATO DEIDROGENASI Varie DEIDROGENASI MITOCONDRIALI sono FLAVOPROTEINE che trasferiscono elettroni all ubichinone. Una di esse è la SUCCINATO DEIDROGENASI,, che prende il nome di COMPLESSO II nessuna di queste flavoproteine : - succinato deidrogenasi - glicerolo 3P deidrogenasi - acil-coa deidrogenasi È UNA POMPA PROTONICA!

11 Ubichinone-Cit C ossidoreduttasi COMPLESSO III: Ubichinone-Citocromo C Ossidoreduttasi 2 elettroni vengono trasferiti ad un trasportatore (Cyt c) che ne può accettare solo 1!! Il complesso III contiene - centri Fe-S - citocromi: c1, bl, bh.

12 I citocromi Eme-Proteine con caratteristico spettro di assorbimento della luce visibile. Sono tutti, eccettuato il citocromo c, c, proteine integrali di membrana. Il citocromo c è associato alla superficie esterna della membrana mitocondriale interna. IL CICLO DELL UBICHINONE o CICLO Q

13 Citocromo c Albero filogenetico basato sulla comparazione di sequenze del citocromo C

14 IL CICLO DELL UBICHINONE o CICLO Q

15 COMPLESSO IV: CITOCROMO C OSSIDASI La CITOCROMO OSSIDASI trasferisce 4 elettroni da 4 citocromi c ridotti all O2. Si formano 2 molecole di H2O. Sono presenti: CuA Subunità II CuB eme a Subunità I eme a3 L eme a3 e il CuB costituiscono un centro binucleare

16 Il complesso I è la principale sorgente di ROS mitocondriali Dröse S, Brandt U. Adv Exp Med Biol 2012 SINTESI DI ATP: MODELLO CHEMIOSMOTICO di Mitchell In che modo l energia liberata dal trasporto di elettroni è convertita in energia chimica (ATP)?

17 ATP SINTASI L ATP L ATP sintasi possiede 2 domini funzionali Il complesso Fo (oligomicina) costituisce il canale per i protoni ed ha una composizione in subunità: a b2 c10-12 Il complesso F1 costituisce l ATP sintasi ed ha una composizione in subunità : 3 3 Flusso dei protoni attraverso la subunità a

18 subunità catalitica subunità Il passaggio di protoni attraverso Fo provoca la rotazione del cilindro c10-12 e della subunità di F1, ad esso solidale. La subunità β può esistere in stati conformazionali diversi. La conformazione dipende infatti dalla sua interazione (transitoria e variabile) con la subunità γ.

19 COORDINATA DI REAZIONE DELL ATP SINTASI Nella reazione catalizzata dall ATP sintasi la maggiore barriera energetica da superare è il rilascio dell ATP e non la sua formazione. ATPase is a Rotating Motor Bound subunits to glass slide Attached a fluroescent actin chain to subunit. Hydrolysis of ATP to ADP + Pi cause filament to rotate 120o per ATP. (fluorescens)

20 Motore a scoppio Wankel (1957) utilizzato da Mazda (1967) of relative to & Rotation Studies using varied techniques have shown ATP-induced rotation to occur in discrete 120o steps, with intervening pauses.

21 Cloroplasto Nei mitocondri degli adipociti del tessuto grasso bruno, la proteina di membrana TERMOGENINA ha un effetto disaccoppiante che determina produzione di calore.

22 Resa dell ossidazione del NADH Per l ox di un NADH 2,5 ATP Per l ox di un FADH2 1,5 ATP ADP + Pi ATP G ' = 30,5 kj/mol Resa= (30,5 x 2,5) =0, in condizioni standard... In realtà in vivo G = -51,8 kj/mol quindi la resa effettiva è del ~ 60%!!!! Resa dell'ossidazione completa del glucosio

23 Durante il trasferimento degli e- è importante che non si generino specie radicaliche!! Regolazione della velocità di funzionamento della catena respiratoria la via da NADH al cit.c funziona vicino all'equilibrio: quindi:

24 invece la cit.c ossidasi catalizza una reazione irreversibile ed è controllata esclusivamente dalla disponibilità del substrato ( cit.c2+) quindi: la velocità della fosforilazione ossidativa (proporzionale alla [cit.c2+] ) è tanto MAGGIORE quanto MAGGIORE è il rapporto : e CONTROLLO DELL ACCETTORE: la concentrazione di ADP determina la velocità della catena respiratoria Le vie che producono ATP sono regolate in modo coordinato dai rapporti intracellulari di:

25 Trasporto di ioni e metaboliti attraverso la membrana mitocondriale 1) Sistemi navetta (trasporto di elettroni all'interno del mitocondrio) 2) Trasporto ATP e ADP 3) Trasporto Ca 2+ 4) Trasporto Pi 5) Trasporto citrato ATP/ADP translocasi Trasporto a favore di gradiente elettro-chimico. Questo trasporto impoverisce il gradiente elettrochimico. Una porzione considerevole del potenziale elettrochimico di membrana è speso per questo trasporto.

26 Trasporto Ca2+ Trasporto Pi Malattie mitocondriali DNA mitocondriale bp - 37 geni: 22 per trna 2 per rrna (12S, 16S) 13 per enzimi della fosforilazione ossidativa - Introni assenti

27 Trasmissione di malattia mitocondriale: tutta la progenie dei maschi affetti è sana. Tutta la progenie delle femmine affette è malata

28 MALATTIE EREDITARIE DOVUTE A LESIONI DNA MITOCONDRIALE LHON Leber s Hereditary Optic Neuropathy CIPO Chronic Intestinal Pseudoobstruction with myopathy and Ophthalmoplegia AD Alzeimer's Disease CPEO Chronic Progressive External Ophthalmoplegia ADPD Alzeimer's Disease and Parkinsons's Disease MMC Maternal Myopathy and Cardiomyopathy NARP Neurogenic muscle weakness, Ataxia, and Retinitis Pigmentosa; alternate phenotype at this locus is reported as Leigh Disease FICP Fatal Infantile Cardiomyopathy Plus, a MELAS-associated cardiomyopathy MM Mitochondrial Myopathy LIMM Lethal Infantile Mitochondrial Myopathy DMDF Diabetes Mellitus + DeaFness MHCM Maternally inherited Hypertrophic CardioMyopathy MELAS Mitochondrial Encephalomyopathy, Lactic Acidosis, and Stroke-like episodes LDYT Leber's hereditary optic neuropathy and DYsTonia MERRF Myoclonic Epilepsy and Ragged Red Muscle Fibers DEAF Maternally inherited DEAFness or aminoglycoside-induced DEAFness PEM Progressive encephalopathy KSS Kearns-Sayre Syndrome. Opthalmoplegia, pigmentary retinopathy, myopathy. LS Leigh Syndrome. Psychomotor regression, seizures, dystonia, ataxia, optic atrophy, ophthalmoplegia Possono anche essere presenti: Diabete Acidosi lattica Insufficienze ormonali Epatopatie

29 Malattie correlate a mutazioni del DNA mitocondriale Neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON) - Cecità negli adulti di mezza età per la degenerazione del nervo ottico. Mutazioni in ND1, ND2, ND4, ND5, ND6, citocromo b, CO I, II CO, e ATP sintasi inibiscono la catena di trasporto degli elettroni Kearns-Sayre Paralisi dei muscoli degli occhi, accumulo di pigmento,degenerazione della retina e malattie cardiache Delezione del mtdna codifcante trna Epilessia mioclonica e Malattia delle fibre rosse logore (MERRF) Spasmi e tessuti anormali, accumulo di acido lattico nel sangue e movimenti scoordinati mutazione nel trna della lisina La maggior parte delle persone con disturbi del mtdna hanno un mix di mtdna normale e mutante; quindi la gravità delle malattie è variabile nei vari soggetti