I Mitocondri Centrale elettrica cellulare
Potenziale redox standard Fe 2+ D Fe 3+ + e - Fe 2+ + Cu 2+ D Fe 3+ + Cu + Cu 2+ + e - D Cu + Ε = E + RT nf ln [accettore elettroni] [donatore elettroni] n = n di elettroni F = costante di Faraday (23.6 Kcal/mole x volt)
POTENZIALI REDOX STANDARD DI COPPIE REDOX DI INTERESSE BIOCHIMICO Negativo = bassa affinità per gli e - (es. NADH) Positivo = alta affinità per gli e - (es. O 2 )
Gli elettroni possono essere trasferiti: Direttamente come elettroni Fe 2+ + Cu 2+ D Fe 3+ + Cu + Come atomi di idrogeno (uno protone e un elettrone) AH 2 D A + 2e - + 2 H + Come ione idruro, H + con 2e - (H:) Combinazione diretta di un riducente organico con l ossigeno Es, ossidazione di un idrocarburo ad un alcol R-CH 3 + ½ O 2 g R-CH 2 -OH Equivalente riducente = singolo elettrone che partecipa ad una reazione di ossido-riduzione
ENERGETICA DELLE OSSIDORIDUZIONI CELLULARI ΔG = - nf ΔE Piruvato +2H + +2e - g lattato E = -0.19V ΔG = +8.8 kcal/mol NADH g NAD + +H + +2e - E = +0.32V ΔG = -14.8 kcal/mol ΔG tot = - 6 kcal/mole
TRASPORTO DEGLI ELETTRONI ½ O 2 +2H + +2e - g H 2 O E = 0.82V ΔG = -37.8 kcal/mol NADH g NAD + +H + +2e - E = 0.32V ΔG = -14.8 kcal/mol ΔG tot = -52.6 kcal/mol ΔG ATP = -7.5 kcal/mol 1 NADH = 3 ATP Efficienza processo = 42%- 70%
NADH e NADPH Associazione debole
FMN e FAD Associazione forte, in alcuni casi covalente.
Assorbimento FAD e FMN Trasportatori 1 o 2 elettroni
Ubichinone Trasportatori e - /H + R = diverse unità di isoprene
Gruppi eme dei citocromi
1. Fe - S 2Fe - 2S 4Fe - 4S Proteine Fe- S 1 elettrone per volta 2. Rieske: Fe coordinato da 2 His. Forma ridotta più stabile e potenziale di riduzione più elevato
Determinazione sperimentale della sequenza dei trasportatori 1. Separazione e purificazione del complessi di membrana 2. Determinazione dei potenziali di riduzione 3. Esame del processo in assenza di O 2 4. Utilizzo di inibitori (i trasportatori a valle della tappa inibita rimangono ossidati)
COMPLESSO I (NADH deidrogenasi) (NADH:ubichinone ossidoreduttasi) 42 catene polipeptidiche 1 FMN 6 centri Fe-S (2Fe-S/4Fe-S)
POMPE PROTONICHE Cambiamento conformazionale dovuto allo stato redox (es. batteriorodopsina)
COMPLESSO II Succinato deidrogenasi 4 catene polipeptidiche 1 FAD centri Fe-S Non c è trasporto ioni H +
Complesso III: citocromo c reduttasi (ubichinone:citocromo c ossidoreduttasi) Dimero, 11 subunità per monomero Citocomo b, con due gruppi eme (b L e b H, diversi potenziali redox) Citocromo c 1 1 centro Fe-s di Rieske
Citocromo c, un trasportatore di elettroni solubile
COMPLESSO IV: Citocromo ossidasi 6-13 subunità 2 gruppi eme: a e a 3 3 ioni rame Cu A /Cu A Cu B
L energia liberata nel trasferimento elettronico viene conservata in un gradiente elettrochimico
Teoria dell accoppiamento chemiosmotico
ATP sintasi, COMPLESSO V F 1 = α 3 β 3 γδε F 0 = ab 2 c 10-12
Asp-COO - Asp-COOH
ADP + P i D ATP + H 2 O ΔG 0, reazione reversibile La sintasi stabilizza l ATP tanto quanto i suoi prodotti ADP + P i
Sistemi di trasporto: LE TRASLOCASI
SHUTTLE MALATO-ASPARTATO
SHUTTLE GLICEROLO 3-FOSFATO
La fosforilazione ossidativa è controllata a livello della citocromo c ossidasi, dalle concentrazioni intramitocondriali di : NAD + /NADH [ADP][P i ]/[ATP] Ca 2+ (effetto stimolatorio sui complessi e sulla ATPsintasi)
Disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa
VANTAGGI E SVANTAGGIO DEL METABOLISMO AEROBICO Metabolismo lattico Metabolismo aerobico g 2 ATP g 32 ATP Necessità di ossigeno specialmente cervello e cuore (ictus e infarto) Citocromi P 450 - RH + NADPH + H + g R-OH + NADP + + H 2 O - Idrossilazioni (es. colesterolo), ω-ossidazioni - Enzimi detossificanti, idrossilazioni di substrati idrofobici (solubilizzazione ed escrezione)
PRODUZIONE DI SPECIE REATTIVE PERICOLOSE (ROS) Radicale superossido O 2 + e - g O 2 - Radicale perossido O 2 - + e - g O 2 2- Radicale ossidrilico H 2 O 2 + O 2 - g O 2 + H 2 O + OH ENZIMI DIFENSIVI Superossido dismutasi O 2 - + 2H + g H 2 O 2 + O 2 Catalasi 2 H 2 O 2 g 2 H 2 O + O 2 Glutatione perossidasi 2 GSH + H 2 O 2 g GSSG + 2H 2 O
Trappole per radicali tossici dell O 2 I prodotti finali di vie degradative possono essere stati scelti dall evoluzione per esercitare azioni protettive Bilirubina, meno solubile della biliverdina, ma con un attività antiossidante molto maggiore. A livello delle membrane compete con la vitamina E. Acido urico, efficace nell intrappolare derivati tossici dell ossigeno. La concentrazione ematica è ai limiti della sua solubilità. Nell uomo è 10 volte più concentrato che negli altri Primati. Vitamina C, maggior agente riducente nel sangue.