CATENA RESPIRATORIA (CR) FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (FO)
- Decarb. ossid. piruvato - -Ossidazione acidi grassi - Vie ossidative aa -Ciclo di Krebs avvengono tutte nella matrice mitocondriale
In tutte queste vie si formano NADH e FADH 2 che hanno un elevato potenziale di trasferimento degli e - Questi e - vengono trasportati fino all O 2 attraverso una catena di trasporto degli e - detta catena respiratoria Il processo è fortemente esoergonico: una parte dell energia viene usata per generare ATP
Ossidazione = Trasporto di e - Fosforilazione = Formazione di ATP L'ossidazione e la fosforilazione sono processi accoppiati: fosforilazione ossidativa
Il potenziale di trasferimento degli e - (potenziale redox) del NADH e del FADH 2 potenziale di trasferimento del gruppo fosforico (potenziale fosforico) dell ATP
La F.O. ha luogo sulla catena respiratoria localizzata nella membr. mitoc. interna
Il numero e le dimensioni dei mitocondri, nonchè lo sviluppo delle creste mitocondriali, riflettono la capacità ossidativa dei tessuti
Miocardio - metabolismo aerobio - mitocondri grandi e numerosi -creste molto sviluppate Muscolo scheletrico - metabolismo aerobio e anaerobio - meno mitocondri, più piccoli - creste poco sviluppate
Mitocondri di fegato di ratto a riposo in attività
La membr. mitoc. est. è permeabile alla maggior parte delle molecole piccole ed agli ioni, grazie alla presenza di canali proteici costituiti dalla porina La membr. mitoc. int. presenta una permeabilità altamente selettiva
La CR consiste in - cinque complessi enzimatici (I, II, III, IV, V o ATP sintasi) -due trasportatori mobili (CoQ e citocromo c)
I complessi isolati dall'i al IV catalizzano anche in vitro trasferimenti di e - da donatori (NADH o succinato) all O 2, mediante alcuni trasportatori intermedi (Q e cit c). L ATP sintasi possiede in vitro solo un'attività che idrolizza l'atp, mentre l'attività sintetasica è assente
I componenti della CR sono orientati secondo il potenziale redox crescente, che va da valori negativi (NADH) a valori positivi (O 2 )
Un potenziale redox negativo segnala un agente riducente che tende a perdere e - Un potenziale redox positivo segnala un agente ossidante che tende a captare e -
A monte del blocco i trasportatori sono ridotti (blu) A valle del blocco i trasportatori sono ossidati (rosso)
Centri Fe-S - sono i gruppi prostetici delle proteine Fe-S (o ferroproteine non eminiche) - sono presenti nei complessi I, II e III - il Fe passa ciclicamente da +2 a +3
Il CoQ -essendo piccolo ed idrofobico, diffonde liberamente nel bilayer lipidico - potendo trasportare sia e - che H + svolge un ruolo importante nell accoppiamento tra flusso elettronico e movimento protonico
I citocromi sono proteine eminiche che partecipano a reazioni redox In essi il Fe passa continuamente durante il trasporto degli e - dallo stato di ossidazione +3 a +2 In base agli spettri di assorbimento della luce si distinguono tre classi: a, b e c
Le tre classi a, b e c differiscono per la natura delle catene laterali dell eme, nonché per il tipo di legame che lega l eme alla parte proteica
L eme dei citocromi di tipo a e b èlegato non covalentemente alla parte proteica L eme del citocromo c è invece legato covalentemente attraverso residui di Cys della proteina
I citocromi di tipo a e b sono proteine integrali di membrana Il citocromo c è invece una proteina solubile che si lega mediante interazioni elettrostatiche alla superf. esterna della membr. mitoc. int.
COMPLESSO I COMPLESSO III NADH +CoQ NAD + + CoQH 2 CoQH 2 + cit c (Fe 3+ ) CoQ + cit c (Fe 2+ ) COMPLESSO IV cit c (Fe 2+ ) + ½ O 2 cit c (Fe 3+ ) + H 2 O COMPLESSO II FADH 2 + CoQ FAD + CoQH 2
Oltre che dal NADH, gli e - che arrivano sul CoQ provengono da - succinato (succinato DH => complesso II) - glicerolo 3P (glicerolo 3P DH) - acil CoA (acil CoA DH)
Struttura del complesso II (succinato DH)
Il complesso del citocromo bc 1 (Complesso III) èun dimero formato da due monomeri identici La proteina di Rieske è una variante delle proteine Fe-S: in esse il Fe è coordinato con due His, non con Cys
Il ciclo dell'ubichinone (ciclo Q) Due molecole di QH 2 vengono ossidate a Q rilasciando 2 H + per Q (4 H + in totale) nello spazio intermembrana Ciascun QH 2 dona un e - (tramite il centro Fe-S) al cit c 1 e un altro (tramite il cit b) a una molecola di Q riducendola a QH 2 in due tappe successive, utilizzando anche 2 H + prelevati dalla matrice mitocondriale
Il ciclo Q regola il trasferimento degli e - da un trasportatore a due e - (Q) a trasportatori ad un solo e - (i citocromi) e spiega la stechiometria della reazione in cui sono traslocati 4 H + per ogni 2 e - trasferiti
Il citocromo c è una proteina solubile dello spazio intermembrana: quando il suo gruppo eme accetta un e - del complesso III, il cit c si sposta verso il complesso IV per donare l'e - a un centro rameico binucleare di questo enzima
Il complesso IV (o citocromo ossidasi) trasporta gli e - dal cit c all O 2 riducendolo ad H 2 O È composto da 13 subunità di cui tre (I, II e III) sono fondamentali per la funzionalità del complesso, ma il ruolo preciso della III non è ancora chiaro
Complesso IV o citocromo ossidasi La subunità I contiene un eme a ed un centro binucleare, Fe-Cu, formato da un eme a3 e da uno ione rame, CuB La subunità II contiene un centro binucleare, CuA, formato da due ioni Cu complessati con gli -SH di due Cys
Il trasferimento degli e - procede dal cit c al centro Cu A, al gruppo eme a, al centro a 3 -Cu B e finalmente all O 2
Complesso IV Ognuna delle due molecole di cit c ridotte dona un e- al centro CuA Da qui gli e- passano attraverso l'eme a al centro Fe-Cu. L O2 ora si lega al gruppo eme a3 e viene ridotto nel suo perossido derivato (O22-) dagli e- provenienti dal centro Fe-Cu.
Complesso IV Il rilascio di altri due e- provenienti dal cit c converte O22- in due molecole di H2O, utilizzando 4 H+ substrato della matrice mitocondr. Nello stesso momento altri 4 H+ vengono pompati dalla matrice (meccanismo ancora non chiaro)
Il trasferimento di due e - dal NADH all O 2 NADH + H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O è una reazione fortemente esoergonica G 0 = -52.6 kcal/mole Il reale rapporto [NADH]/[NAD + ] è ben al di sopra dell'unità, e quindi G = >> -52.6 kcal/mole
Una parte di questa energia viene usata per pompare H + fuori dalla matrice mitocondriale Per ogni coppia di e - trasferiti all O 2,vengono trasferiti dalla matrice allo spazio intermembrana 4 H + dal complesso I 4H + dal complesso III 2H + dal complesso IV
Il pompaggio di H + determina una differenza sia nella concentrazione chimica di H + ( ph) sia nella distribuzione delle cariche attraverso la membrana ( ). Si crea così un gradiente elettrochimico che genera la forza motrice protonica che porta alla sintesi di ATP.