BIOTECNOLOGIE RESPIRAZIONE ANAEROBICA E FERMENTAZIONI FERMENTAZIONI In questi processi gli elettroni sottratti agli alimenti non vanno a finire all ossigeno ma ad altri accettori finali (es. nitrati, o nella fermentazione molecole organiche). Le fermentazioni (alcolica e lattica) hanno una resa energetica molto inferiore rispetto alla fosforilazione ossidativa (respirazione aerobica). 1
METABOLISMO CELLULARE Anabolismo (endoergonico G>0, richiesta ATP) Catabolismo, (esoergonico G<0, produzione ATP) METABOLISMO CELLULARE Una cellula muscolare in attività ricicla il proprio contenuto di ATP alla velocità di circa 10 milioni molecole /secondo METABOLISMO CELLULARE RESPIRAZIONE CELLULARE Le cellule ricavano energia trasformando l energia contenuta negli alimenti (energia chimica) in ATP in un processo noto come respirazione cellulare. La respirazione cellulare può essere aerobica (richiede O 2 ) o anaerobica (es. fermentazioni). RESA ENERGETICA NELLA RESPIRAZIONE CELLULARE AEROBICA DEL GLUCOSIO ANCHE ALTRI NUTRIENTI (diversi dal glucosio) SONO UTILIZZATI NELLA RESPIRAZIONE CELLULARE 2
RESPIRAZIONE AEROBICA REAZIONI REDOX Con la respirazione aerobica le molecole organiche sono convertite in CO 2 +H 2 O. C 6 H 12 O 6 +6O 2 =6CO 2 +6H 2 O+Energia (ATP) Il glucosio si ossida, l ossigeno si riduce (acquista elettroni o idrogeni) LA RESPIRAZIONE CELLULARE AEROBICA HA 4 STADI (2 molecole 3C) (1molecola 6C) 1. Citosol Dove avvengono le reazioni della respirazione cellulare? 2. Mitocondri 3. Mitocondri (Matrice mitocondriale) 4. Mitocondri (Membrana mitocondriale interna) Nelle cellule eucariotiche, i mitocondri possiedono la maggior parte degli enzimi necessari per effettuare la respirazione cellulare e portare quindi alla produzione di ATP. REAZIONI REDOX Durante i primi 3 stadi si produce ATP, inoltre gli idrogeni (o elettroni) sottratti al glucosio (che si trasforma in CO 2 ) sono captati da NAD + (che forma NADH) o da una molecola simile ad esso, FAD (che forma FADH 2 ). Nella quarta fase della respirazione, gli elettroni, precedentemente captati da NADH e FADH 2 sono poi rilasciati e la loro energia utilizzata per produrre ATP. Infine essi reagiscono con l O 2 per produrre H 2 0. FAD- FADH 2 3
NAD + -NADH REAZIONI REDOX Fig. 14.2 Fig 14.6 Figure 14-2 Essential Cell Biology ( Garland Science 2010) 14 20 REAZIONI REDOX L energia delle reazioni redox non viene rilasciata rapidamente come nella combustione, ma gradualmente, in tappe o reazioni chimiche sequenziali. LA CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI E ACCOPPIATA ALLA SINTESI DI ATP Questo processo è noto come FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA 14 21 Biologia Robert J. Brooker, Eric P. Widmaier, Linda E. Graham, Peter D. Stiling Copyright 2011 The McGraw-Hill Companies srl FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA SECONDO LA TEORIA CHEMIOSMOTICA Peter D. Mitchell Premio Nobel per la chimica (1978) Biologia Robert J. Brooker, Eric P. Widmaier, Linda E. Graham, Peter D. Stiling Copyright 2011 The McGraw-Hill Companies srl 4
ATP SINTASI testa: contiene 3 siti di legame per ADP e Pi RUOTANDO, L ATP SINTASI PUÒ PRODURRE PIÙ DI 100 MOLECOLE DI ATP AL SECONDO 14 25 Biologia Robert J. Brooker, Eric P. Widmaier, Linda E. Graham, Peter D. Stiling Copyright 2011 The McGraw-Hill Companies srl Biologia Robert J. Brooker, Eric P. Widmaier, Linda E. Graham, Peter D. Stiling Copyright 2011 The McGraw-Hill Companies srl 17 28 The Nobel Prize in Chemistry 1997 Disaccoppianti: disaccoppiano il trasporto di elettroni dalla sintesi di ATP Paul D. Boyer Prize share: 1/4 John E. Walker Prize share: 1/4 Prize motivation: "for their elucidation of the enzymatic mechanism underlying the synthesis of adenosine triphosphate (ATP)" In presenza di un disaccoppiante, il trasporto di e - continua, gli H + vengono spinti nello spazio intermembrana ma non si forma un gradiente elettrochimico e quindi non si forma ATP Spiegazione: i disaccoppianti favoriscono il movimento di H + secondo gradiente 17 29 17 30 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1997/ 5
Disaccoppianti: disaccoppiano il trasporto di elettroni dalla sintesi di ATP Disaccoppianti (proteine UCP): disaccoppiano il trasporto di elettroni dalla sintesi di ATP 17 31 17 32 In adipociti specializzati (grasso bruno, presente nei neonati e negli animali ibernanti), la respirazione cellulare è normalmente disaccoppiata dalla sintesi di ATP La maggior parte dell energia che deriva dall ossidazione dei nutrienti è dissipata in calore e non convertita in ATP Nei mitocondri di queste cellule è presente una proteina disaccoppiante che permette ai protoni di muoversi secondo il loro gradiente elettrochimico 17 33 17 34 Gradiente protonico alimenta il trasporto attivo attraverso la membrana mitocondriale interna PROBABILE ORIGINE DELLA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA 17 35 17 36 6
Produzione di ATP nei batteri 17 37 17 38 17 39 17 40 STRESS OSSIDATIVO Stress chimico indotto dalla presenza, in un organismo vivente, di un eccesso di specie chimiche reattive, generalmente centrate sull ossigeno (reactive oxygen species, ROS), secondario ad un aumentata produzione delle stesse e/o a una ridotta efficienza dei sistemi fisiologici di difesa antiossidanti. Protezione dalle malattie Antiossidanti Radicali liberi Danno cellulare (invecchiamento e malattie) https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed 17 41 17 42 7
STRESS OSSIDATIVO MECCANISMI DI PRODUZIONE DI ROS Sbilanciamento dell equilibrio tra pro-ossidanti e antiossidanti nell organismo a favore dei pro-ossidanti PRO-OSSIDANTI ANTIOSSIDANTI Negli organismi viventi i ROS sono generati nel corso della normale attività metabolica cellulare 17 43 17 44 Lo stress ossidativo è la conseguenza di uno squilibrio tra processi proossidanti e processi antiossidanti (Sies, 1991) Radiazioni, farmaci, metalli pesanti Fumo di sigaretta, alcool, inquinamento Esercizio fisico inadeguato, sedentarietà Infezioni ed altre malattie Specie reattive Malattie cardiovascolari Demenza, M. di Parkinson Danno cellulare Danno tissutale Danno d organo Danno sistemico Invecchiamento precoce Ridotta assunzione e/o diminuita sintesi e/o ridotta capacità di utilizzazione e/o aumentato consumo di antiossidanti Difese antiossidanti Infiammazioni, tumori Altre malattie A concentrazioni elevate i ROS sono dannosi per l organismo in quanto attaccano i maggiori costituenti della cellula (proteine, acidi nucleici, lipidi) partecipando così a processi complessi quali l invecchiamento e le patologie ad esso correlate. A concentrazioni moderate i ROS partecipano attivamente ad una varietà di processi biologici complessi, implicati nella normale crescita cellulare quali la trasduzione del segnale, il controllo dell espressione genica, la senescenza cellulare, l apoptosi 17 45 17 46 Diverse specie chimiche reattive sono implicate nella patogenesi dello STRESS OSSIDATIVO Effetto dei ROS sulle macromolecole I ROS causano danni ossidativi, chimici alle biomolecole Specie chimica Ozono Anione superossido Ossigeno singoletto Perossido di idrogeno ossidrile alchilico (Alchill-)perossil Formula O 3 O 2 1 * O 2 H 2 O 2 HO R ROO Classe (?) Specie chimica Ossido nitrico Acido nitroso Tetrossido nitrico Triossido nitrico Perossinitrito Acido perossinitroso Catione nitronio Formula NO HNO 2 N 2 O 4 N 2 O 3 ONOO - ONOOH NO + 2 Classe Il idrossilico OH reagisce con le biomolecole tramite reazioni di sottrazione o addizione di H. Uno dei siti più sensibili al danno causato dai ROS è la membrana plasmatica, in particolare il bersaglio è a livello degli acidi grassi poliinsaturi Il idrossilico OH reagisce con vari amminoacidi per formare derivati idrossilati Il idrossilico OH reagisce con le basi azotate I ROS reagiscono anche con i carboidrati per formare composti dicarbonilici 17 47 17 48 8
09/11/17 PRODUZIONE DI RADICALI LIBERI I mitocondri vengono considerati la fonte principale di ROS cellulari poiché i radicali del superossido vengono generati costantemente durante la fosforilazione ossidativa e possono essere convertiti in H2O2 ed altre specie reattive dell ossigeno 17 49 Nella cellula, i ROS oltre che nei mitocondri, vengono generati anche in altri compartimenti e da molti enzimi. Durante i processi di fosforilazione ossidativa, il 4-5% dell ossigeno non viene completamente ridotto ad H2O, ma forma prodotti intermedi dell O2 altamente reattivi Numerose attività metaboliche sono in grado di generare ROS NADPH ossidasi Lipoossigenasi NADPH ossidasi Lipoossigenasi Stress ossidativo da modificazioni reattive della superficie cellulare Xantina ossidasi Xantina Aldeideossidasi ossidasi Aldeide ossidasi Stress ossidativo da variazioni intracellulari della po2 17 51 17 50 NADH deidrogenasi Citocromo ossidasi NADH deidrogenasi Citocromo ossidasi Stress ossidativo da ridotta efficienza della respirazione cellulare Citocromo P450 Citocromo Citocromo bp5 450 Citocromo b5 Stress ossidativo da induzione farmacometabolica 17 52 I ROS vengono prodotti sia attraverso una serie di reazioni catalizzate da enzimi che attraverso reazioni di natura non enzimatica. I ROS possono essere prodotti anche in seguito ad esposizione a radiazioni ionizzanti, xenobiotici, agenti chemioterapici. 17 53 9
DNA MITOCONDRIALE UMANO 16,569 base pairs (bp) Il Genoma mitocondriale Umano possiede 37 geni codificanti per 2 RNA ribosomiali (rrna), 22 RNA di trasporto (trna) e 13 proteine che fanno parte dei complessi della fosforilazione ossidativa. DNA mitocondriale: grandezza e numero di geni variabile a seconda delle specie. Il resto delle proteine presenti nel mitocondrio deriva da geni nucleari. mtdna Nuclear DNA Size (bp) 16.569 3x10 9 Gene number 37 30.000 Code TGA=TRP TGA=STOP Intron No Yes Copies/cell 100-10000 46 chromosomes Inheritance -Mendelian Mendelian Histones No Yes Repair Poor Better Rate of mutations 10 times larger low Mitochondrial diseases are caused by defects in one or more mitochondrial proteins (more than 1000) encoded by either nuclear DNA or mitochondrial DNA (mtdna). ASPETTI IMPORTANTI COLLEGATI AL DNA MITOCONDRIALE EREDITA CITOPLASMATICA (non mendeliana) EREDITA MATERNA (poiché i mitocondri sono ereditati dalla madre) ETEROPLASMIA: quando accanto a copie normali del genoma mitocondriale coesistono nella stessa cellula copie in cui il DNA presenta delle mutazioni 10
CARATTERISTICHE DELLE MALATTIE MITOCONDRIALI associate a difetti della fosforilazione ossidativa gravità variabile da individuo a individuo nella discendenza della madre affetta INTERESSANO PREVALENTEMENTE I MUSCOLI E IL CERVELLO ETEROGENEITA : Età di esordio; tipo di evoluzione; tessuto coinvolto INTOLLERANZA ALLO SFORZO FACILE AFFATICAMENTO Sono state identificate più di 400 mutazioni del DNA mitocondriale che causano una varietà di malattie incluso miopatie, sordità, cecità, alcune forme di diabete EREDITABILI. Alterazioni del DNA mitocondriale sono state implicate nel processo di invecchiamento e malattie correlate come morbo di Alzheimer e malattia di Parkinson. NEUROPATIA OTTICA DI LEBER: tipica dell età adulta, comporta la perdita progressiva della vista, insieme a difetti nella conduzione cardiaca Neuropatia ottica ereditaria di Leber (LHON) causa degenerazione del nervo ottico e cecità Sostituzione del nucleotide 11,778 SOLO LA MADRE TRASMETTE AI FIGLI UNA MUTAZIONE NEL mtdna Mitocondri (rosso) si muovono lungo i microtubuli ( verde) 11