Margherita Ruoppolo » 17.Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa

I mitocondri

I mitocondri sono organelli subcellulari, in cui viene prodotta la maggiore quantità di ATP
Il numero di mitocondri varia con il tipo cellulare: nelle cellule del cuore il numero di mitocondri è superiore rispetto a quello delle cellule del fegato.
Sono costituiti da:
- Membrana esterna, membrana interna con differente capacità selettiva
- Spazio intermembrana
- Matrice mitocondriale, sede di importanti vie metaboliche come il ciclo di Krebs, la beta-ossidazione degli acidi grassi, la sintesi dei corpi chetonici e parte del ciclo dell’urea
La struttura del mitocondrio è illustrata in figura e descritta in dettaglio nel video.

Mitocondrio

Sono costituiti da: membrana esterna, e membrana interna con differente capacità selettiva, spazio intermembrana e matrice mitocondriale, sede di importanti vie metaboliche come il ciclo di Krebs, la beta-ossidazione degli acidi grassi, la sintesi dei corpi chetonici e parte del ciclo dell’urea.

Mitocondrio

Catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

Catena respiratoria

La catena respiratoria è costituita da quattro complessi multienzimatici, siti nella membrana mitocondriale interna e riportati in figura:
- Complesso I, NADH: Ubiquinone ossidoreduttasi
- Complesso II, Succinato: Ubiquinone ossidoreduttasi
- Complesso III, Ubichinolo: Citocromo c ossidoreduttasi
- Complesso IV, Ferrocitrocromo c: Ossigeno ossidoreduttasi
Le caratteristiche di tali complessi sono descritti in dettaglio nel video.

Catena di trasporto degli elettroni

Gli elettroni presenti sul NADH passano attraverso una catena di trasportatori disposti in modo asimmetrico nella membrana interna. Il flusso di elettroni è accompagnato da una traslocazione di protoni attraverso la membrana che crea un gradiente chimico.

Catena di trasporto degli elettroni

Catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

Teoria chemio-osmotica

Tra le due faccie della membrana mitocondriale interna si forma un gradiente elettrochimico costituito da due componenti:
1. ll potenziale elettrico con carica positiva nello spazio intermembrana e carica negativa nella matrice in prossimità della membrana.
2. Il potenziale chimico, ΔpH, con una maggiore concentrazione di H⁺ all’esterno della membrana mitocondriale interna.
La membrana mitocondriale interna è impermeabile agli ioni H⁺. Gli ioni H⁺ sono prelevati dall’interno e pompati verso l’esterno.
L’energia ricavata dalla dissipazione del gradiente protonico serve per la sintesi di ATP.

ATP sintasi

L’ATP sintasi è un enzima costituito da due porzioni F₀ ed F₁
La struttura dell’ATP sintasi è riportato in figura.
Il meccanismo dell’azione dell’ATP sintasi è descritto in dettaglio nel video.

ATP sintasi

L’ATP sintasi o Complesso V è formata da due componenti distinte: F₁ una proteina periferica di membrana ed F₀, una proteina integrale di membrana. Il complesso F₁ è costituito da nove unità α₃ β₃ Υ δ ε. F₀ costituisce il canale protonico ed è composto dalle unità a b e c nelle quantità a b₂ c_10-12

ATP sintasi

Catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

Bilancio energetico della degradazione del glucosio

Citoplasma

Glicolisi: Glucosio → 2 Piruvato + 2ATP + 2NADH

Mitocondri

Piruvato deidrogenasi: 2Piruvato → 2Acetil-CoA + 2NADH

Ciclo di Krebs: 2Acetil-CoA → 2GTP + 6NADH+ 2FADH₂

Nella catena respiratoria la riossidazione del NADH produce 3 ATP e la riossidazione del FADH₂ 2 ATP. In totale si producono 34 ATP.
Il bilancio energetico della degradazione del glucosio produce 38 ATP: 34 dalla riossidazione di NADH e FADH₂; 2 ATP (reazione 1), 2 GTP (reazione 3)

Shuttle mitocondriali

Il NADH citoplasmatico non può passare attraverso la membrana mitocondriale e quindi non può essere ossidato.
Ci sono due sistemi che permettono il trasporto degli equivalenti riducenti del NADH citoplasmatico all’interno dei mitocondri: sistemi navetta (shuttles) del
- malato\aspartato
- glicerolo fosfato
Le reazioni sono rappresentate nella figura.
Lo shuttle malato\aspartato è bidirezionale e fornisce 3 ATP ed è più utilizzato nel fegato, nel cuore e nel rene.
Lo shuttle glicerolo fosfato è unidirezionale e fornisce 2 ATP, ma è più veloce del precedente ed è pertanto più utilizzato nel cervello e nel muscolo scheletrico, dove è più attiva la glicolisi.

Shuttles mitocondriali

I sistemi navetta (shuttles) trasportano equivalenti riducenti del NADH citoplasmatico all’interno del mitocondrio. I sistemi navetta mostrati in figura sono il sistema malato\aspartato e glicerolo fosfato.