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

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.

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 trasportatori di elettroni (segue)

Ubichinone (coenzima Q)

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

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.

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 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.

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 b_L b_H 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.

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:

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

ATP sintasi

Struttura dell’ATP sintasi:

F1

α₃β₃γδε

Fo

a 2b 12c

Rotazione delle subunità β intorno alla subunità γ

Cambio conformazionale → enzima attivo

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.

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.