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Maria Assunta Bevilacqua » 14.Fosforilazione ossidativa


Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa rappresenta il punto finale del metabolismo energetico negli organismi aerobici.

Le reazioni cataboliche determinano sottrazione di elettroni dalle molecole ossidate.

Gli elettroni dai coenzimi (NAD+ e FAD) delle deidrogenasi sono trasferiti a specifici trasportatori di elettroni ed infine all’ossigeno.

Lezione della dott.ssa Marina De Rosa

Schema riassuntivo del metabolismo ossidativo

Schema riassuntivo del metabolismo ossidativo


I trasportatori di elettroni

Membrana mitocondriale esterna, permeabile a piccole molecole.

Membrana mitocondriale interna, permeabile solo a CO2, H2O e O2 impermeabile ad H+.

Sulla membrana interna ci sono:

  • trasportatori di elettroni;
  • ATP-sintasi;
  • trasportatori di metaboliti.

Nella matrice avvengono le reazioni di:

  • decarbossilazione ossidativa del piruvato;
  • ciclo acido citrico;
  • ossidazione acidi grassi;
  • ossidazione aa.
Matrice mitocondriale; membrana mitocondriale interna; spazio intermembrana

Matrice mitocondriale; membrana mitocondriale interna; spazio intermembrana


I trasportatori di elettroni (segue)

Struttura dei citocromi

Struttura dei citocromi


I trasportatori di elettroni (segue)

Citocromi

  • Proteine contenenti il gruppo eme.
  • 3 classi di citocromi: a b c.
  • Nei cit. a e b: eme legato non covalentemente alla proteina.
  • Nei cit. c: eme legato covalentemente alla proteina.
  • Trasporto di elettroni.
  • Fe3+ → Fe2+.

Proteine ferro-zolfo

  • Contengono ferro associato ad atomi di zolfo [FeS].
  • Gli atomi di zolfo possono essere residui di Cys o zolfo inorganico.
  • Le proteine Fe-S trasportano elettroni.

I centri [FeS] Nelle proteine Fe-S di Rieske l’atomo di ferro è coordinato con residui di His

I centri [FeS] Nelle proteine Fe-S di Rieske l'atomo di ferro è coordinato con residui di His


I trasportatori di elettroni (segue)

Ubichinone (coenzima Q)

  • Benzochinone con lunga catena laterale.
  • Trasporto di elettroni e H+.
  • Diffonde nella membrana mitocondriale interna.
Ubiquinoni

Ubiquinoni


La catena di trasporto degli elettroni

I trasportatori di elettroni sono organizzati in complessi ordinati.

I complessi sono dei sistemi multienzimatici.

Il potenziale di riduzione e l’affinità per gli elettroni aumentano dal complesso I fino all’O2.

La catena di trasporto degli elettroni

La catena di trasporto degli elettroni


Complesso I

Il Complesso I: NADH Coenzima Q ossidoreduttasi

Il Complesso I: NADH Coenzima Q ossidoreduttasi


Complesso II

Il complesso I: NADH Coenzima Q ossidoreduttasi; 43 subunità.

Catalizza due processi accoppiati e simultanei: il passaggio esoergonico di elettroni al CoQ e il trasferimento endoergonico di 4 protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Il complesso I è quindi una pompa protonica guidata dall’energia che deriva dal trasferimento di protoni. E’ il primo sito di pompaggio dei protoni. NADH trasporta protoni ed elettroni, le proteine Fe-S solo elettroni. Questa è la base della pompa protonica.

Complesso II: succinato CoQ ossidoreduttasi

4 subunità proteiche:

  • C e D proteine integrali di membrana
  • A e B si estendono nella matrice

Esse contengono

  • proteine [FeS];
  • l’enzima succinato deidrogenasi del ciclo acido citrico;
  • (succinato → fumarato).
Complesso II: succinato CoQ ossidoreduttasi

Complesso II: succinato CoQ ossidoreduttasi


Complesso II (segue)

Al Coenzima Q arrivano anche altri elettroni

Al Coenzima Q arrivano anche altri elettroni


Complesso III

Complesso III CoQ citocromo c ossidoreduttasi

  • Dimero (11 subunità)
  • Proteine FeS
  • Cit. b (eme bH, eme bL)
  • Cit. c1

Coenzima Q trasporta 2 elettroni

  • I citocromi b, c1 e c trasportano 1 elettrone;
  • 2 molecole di citocromo per molecola di Coenzima Q.
Complesso III: CoQ citocromo c ossidoreduttasi

Complesso III: CoQ citocromo c ossidoreduttasi


Ciclo dell’ubichinone

La via seguita dal flusso elettronico in questo segmento della catena respiratoria è molto complessa, ma il risultato è semplice: coenzima Q viene ossidato e vengono ridotte 2 molecole di citocromo C.

Il risultato delle reazioni è il pompaggio di 4H+ a cui è accoppiata la produzione di ATP.

QH2 dona 1 elettrone alla proteina FeS e poi al cit c1.

1 elettrone al cit bL bH e poi ad un’altra molecola di CoQ.

La 2° molecola di Q si riduce utilizzando 2 H+ della matrice.

QH2 rilasciano 2 H+ nello spazio intermembrana (4 H+).

Coenzima Q viene ossidato e vengono ridotte 2 molecole di citocromo c.

Il risultato delle reazioni è il pompaggio di 4H+ a cui è accoppiata la produzione di ATP.

Ciclo dell’ubichinone

Ciclo dell'ubichinone


Complesso IV citocromo ossidai

cit. c → complesso IV → O2

13 subunità

CuA, CuB (proteine rame-zolfo), cit a, cit a3

Cit c → CuA → cit a → cit a3 → CuB → O2

O2 si riduce ad H2O

Sono necessari:

  • 4e- (di 4 cit c );
  • 4 H+ (della matrice);
  • per ridurre 1 molecola di O2;
  • a 2 molecole di H2O.
Complesso IV: citocromo ossidasi

Complesso IV: citocromo ossidasi


Flusso degli elettroni e dei protoni

Flusso degli elettroni e dei protoni: per ogni coppia di elettroni fuoriescono in totale 10 H+

Flusso degli elettroni e dei protoni: per ogni coppia di elettroni fuoriescono in totale 10 H+


Flusso degli elettroni e dei protoni, sintesi di ATP

Trasporto di elettroni -> gradiente protonico -> sintesi di ATP

Trasporto di elettroni -> gradiente protonico -> sintesi di ATP


ATP sintasi

Struttura dell’ATP sintasi:

F1

α3β3γδε

Fo

a 2b 12c

Rotazione delle subunità β intorno alla subunità γ

Cambio conformazionale → enzima attivo

Struttura dell’ATP sintasi

Struttura dell'ATP sintasi


Formazione di ATP

La formazione di ATP avviene con il riflusso dei protoni nella matrice mitocondriale

La formazione di ATP avviene con il riflusso dei protoni nella matrice mitocondriale


ATP sintasi

3 subunità β ciascuna con un sito catalitico per la sintesi di ATP.

3 diversi stati conformazionali interconvertibili.

  1. Legame ADP e Pi
  2. Sintesi di ATP
  3. Rilascio di ATP

3 molecole di ATP sintetizzate.

Cambi conformazionali dell’ATP sintasi

Cambi conformazionali dell'ATP sintasi


Sintesi di ATP

Passaggio di protoni

  • Complesso I → 4H+
  • Complesso III → 4H+
  • Complesso IV → 2 H+

NADH (complessi I →  III →  IV) →  10 H+

FADH2 (complessi III →  IV) →  6 H+

4 H+ che rientrano attraverso l’ATP-sintasi producono energia per la sintesi di 1 molecola di ATP

NADH →  10/4

2.5 molecole di ATP

FADH2 → 6/4

 1.5 molecole di ATP

La velocità della respirazione cellulare dipende dalla disponibilità di ADP.

ATP prodotto

ATP prodotto


Stress ossidativo

Durante il trasporto degli elettroni l’O2:

  • può essere ridotto parzialmente;
  • può accettare singoli elettroni generando.

Derivati instabili contenenti uno o più elettroni spaiati

Specie reattive dell’ossigeno (ROS)

  • radicale superossido O2-;
  • perossido di idrogeno H2O2;
  • radicale ossidrile •OH;
  • ossigeno singoletto 1 O2;

I ROS determinano l’ossidazione di lipidi di membrana, proteine e acidi nucleici.

Ciò provoca un DANNO CELLULARE.

Sistema navetta

Sistema navetta malato aspartato

Sistema navetta malato aspartato


ATP prodotto per molecola di glucosio

ATP prodotto per molecola di glucosio. Dipende dal sistema navetta utilizzato per trasportare NADH dal citosol al mitocondrio

ATP prodotto per molecola di glucosio. Dipende dal sistema navetta utilizzato per trasportare NADH dal citosol al mitocondrio


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