La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

La presentazione è in caricamento. Aspetta per favore

Dott.ssa A. R. M. Sabbatini - Università degli Studi di Pisa La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa.

Presentazioni simili


Presentazione sul tema: "Dott.ssa A. R. M. Sabbatini - Università degli Studi di Pisa La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa."— Transcript della presentazione:

1 Dott.ssa A. R. M. Sabbatini - Università degli Studi di Pisa La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

2 Luomo è un organismo aerobio pertanto non può vivere in assenza di ossigeno. Lossigeno respirato a livello polmonare (respirazione polmonare), trasportato ai tessuti mediante lemoglobina, è utilizzato a livello cellulare per ossidare i nutrienti capaci di donare energia (respirazione cellulare) Le molecole ricche di energia (carboidrati, acidi grassi, amminoacidi) sono metabolizzate a livello cellulare in una serie di reazioni di ossidazione che portano alla formazione di CO 2 e di H 2 O. Nei mitocondri avvengono diverse reazioni ossidoriduttive (decarbossilazione ossidativa del piruvato, ciclo di Krebs, -ossidazione etc.) nelle quali i substrati si ossidano cedendo elettroni a specifici coenzimi, come il NAD + e il FAD, che si riducono.

3 I Mitocondri Membrana esterna liberamente permeabile alla maggioranza degli ioni e delle piccole molecole. Membrana interna insolitamente ricca di proteine (inclusi i complessi ATP sintasi che protrudono nella matrice mitocondriale) impermeabile alla maggior parte degli ioni (compresi H +, Na +, K + ), ad ATP, ADP, piruvato ed altri metaboliti importanti per la funzione mitocondriale. Il trasporto di molecole può avvenire grazie a trasportatori specializzati. Matrice simile ad un gel, è composta per il 50% da proteine contiene NAD + e FAD, ADP e Pi, mtDNA, mtRNA, enzimi (per lossidazione di piruvato, AA ed acidi grassi; per il TCA; per parte della sintesi dellurea e delleme).

4 La Catena Respiratoria Nei mitocondri avvengono diverse reazioni ossidoriduttive (decarbossilazione ossidativa del piruvato, ciclo di Krebs, -ossidazione etc.) nelle quali i substrati si ossidano cedendo elettroni a specifici coenzimi, come il NAD + e il FAD, che si riducono a NADH e FADH 2. A livello della membrana mitocondriale interna è collocata la catena di trasporto degli elettroni attraverso la quale, mediante un sistema di reazioni ossidoriduttive consecutive, gli elettroni dal NADH e FADH 2 vengono trasferiti allO 2. Questo complesso di reazioni prende il nome di CATENA poiché gli elettroni vengono ceduti allO 2 attraverso passaggi intermedi; si aggiunge laggettivo RESPIRATORIA poiché si consuma ossigeno.

5 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

6 Dalla membrana mitocondriale interna si possono separare 5 distinti complessi enzimatici (Complesso I, II, III, IV e V). I Complessi I-IV fanno parte della catena di trasporto degli elettroni. Ciascun Complesso accetta o dona elettroni a trasportatori di elettroni intermedi (Coenzima Q e Citocromo c), dotati di una certa libertà di movimento. Ciascun trasportatore riceve e - da un donatore e li cede al trasportatore successivo della catena (gli e - fluiscono dalle coppie ox/red a potenziale più elettronegativo a quelle a potenziale più elettropositivo). Gli e - infine si combinano con l O 2 e con i protoni, formando molecole di H 2 O. Il Complesso V (ATP sintasi) catalizza la sintesi dellATP.

7 Le reazioni della catena di trasporto degli elettroni 1) Formazione del NADH. Il NAD + NADH ad opera di deidrogenasi che rimuovono 2 atomi di H dal loro substrato. Entrambi gli e - ma un solo H + si trasferiscono al NAD + (nellinsieme uno ione idruro :H - ). Si formano così il NADH e un H + libero. 2) NADH deidrogenasi. Il H + libero e lo ione idruro (H - ) trasportato dal NADH si trasferiscono al Complesso I (NADH deidrogenasi). Al Complesso I è saldamente legata una molecola di Flavina mono-nucleotide (FMN) che accetta i 2 atomi di H (2 e H + ), trasformandosi in FMNH 2. La NADH deidrogenasi contiene vari atomi di Fe coordinati ad atomi di S (centri ferro-zolfo), che permettono di trasferire gli e - al componente successivo della catena (Coenzima Q) grazie al passaggio del Fe da Fe +++ a Fe ++.

8 3) Coenzima Q (CoQ) o Ubichinone. Il coenzima Q può accettare atomi di H sia dal FMNH 2 (prodotto dalla NADH deidrogenasi) sia dal FADH 2 prodotto dalla succinato deidrogenasi (Complesso II). Altri substrati trasferisono e - al CoQ tramite flavoproteine p.es. acil CoA deidrogenasi ( -ossidazione degli acidi grassi), ma non attraverso il Complesso II. Il CoQ può accettare uno o due elettroni, trasformandosi nella forma semichinonica o in quella completamente ridotta.

9 4) Citocromi. I restanti componenti della catena di trasporto degli e - sono dei citocromi. I citocromi sono proteine coniugate, appartenenti al gruppo delle emoproteine. Si distinguono diversi citocromi (a, b, c) in base ai sostituenti legati allanello porfirinico. Ciascuno di essi contiene un gruppo EME in cui latomo di ferro oscilla alternativamente tra lo stato ossidato Fe 3+ e lo stato ridotto Fe 2+, permettendo il trasporto di e -. Le forme ridotte non possono essere riossidate dallO 2 ma soltanto da un altro citocromo, secondo il proprio potenziale di ossidoriduzione. Solo il citocromo a 3 è auto-ossidabile e scarica gli e - sull O 2, costituendo lultimo anello della catena.

10 Il Complesso IV (citocromo ossidasi) è lunico trasportatore di e - nel quale il Fe dell eme può reagire direttamente con lO 2. Contiene il citocromo a, a 3 e rame. E bloccato dagli ioni CN -. Il Complesso IV è costruito in modo da non lasciar sfuggire derivati dellossigeno parzialmente ridotti (ROS). La superossido dismutasi, enzima sia mitocondriale che citoplasmatico, è in grado di distruggere radicali superossido ( O - 2 ) eventualmente sfuggiti. Ha una funzione tipicamente protettiva (neutralizza immediatamente i radicali superossido formati nel corso del metabolismo) catalizzando la reazione: 2 O H + H 2 O 2 + O 2

11 La Fosforilazione Ossidativa Nel percorrere la catena di trasporto, gli elettroni perdono gran parte della loro energia libera. Parte di questa energia è trattenuta mediante la produzione di ATP a partire da ADP e fosfato inorganico (Pi) (FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA). La quota di energia libera che non è trattenuta sotto forma di ATP viene dissipata come calore. Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria è favorito sul piano energetico (il NADH è un potente donatore di elettroni e lO 2 è un avido accettore di elettroni). Tuttavia il flusso di elettroni dal NADH verso l O 2 non ha come esito diretto la formazione di ATP.

12 Ipotesi chemiosmotica di Mitchell Spiega in che modo lenergia libera generata dalla catena respiratoria possa essere utilizzata per formare ATP. 1) Pompa protonica. Durante il trasporto di elettroni, attraverso la membrana mitocondriale interna avviene anche un trasporto di protoni (H + ), dalla matrice allo spazio intermembranale. Questo processo crea un gradiente elettrico (con una quantità di cariche positive maggiore allesterno della membrana) ed un gradiente di pH (allesterno della membrana il pH è più basso rispetto allinterno). Lenergia generata da tale gradiente protonico (g. elettrochimico) è utilizzata per la sintesi di ATP. Il gradiente protonico è quindi lintermedio che accoppia lossidazione alla fosforilazione.

13 Champe et al., Le basi della biochimica, Ed. Zanichelli

14 2) ATP sintasi. Il complesso enzimatico della ATP sintasi (Complesso V) produce lATP, utilizzando lenergia del gradiente protonico. I protoni, dopo essere stati trasferiti sul versante citosolico della membrana mitocondriale interna, rientrano nella matrice mitocondriale attraverso un canale allinterno del complesso dellATP sintasi. (N.B. La membrana mitocondriale interna è impermeabile ai H + ) Durante il flusso di protoni, allinterno del complesso dellATP sintasi avviene la sintesi di ATP a partire da ADP e Pi mentre il gradiente elettrochimico viene dissipato. N.B. Lenzima ATP sintasi è chiamato anche ATPasi mitocondriale perché, se isolato, catalizza anche lidrolisi dellATP ad ADP+Pi

15 Accoppiamento Il trasporto degli elettroni (catena respiratoria) e la sintesi di ATP (fosforilazione ossidativa) avvengono in modo continuo in tutti i tessuti che contengono mitocondri. La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa sono strettamente accoppiate: luna può avvenire solo se avviene anche laltra: - se il gradiente protonico non è consumato, la catena respiratoria cessa perché diventa impossibile termodinamicamente aumentare il gradiente di protoni; - se la catena respiratoria cessa, la fosforilazione consuma il gradiente protonico fino a che questo non è più sufficiente per la sintesi di ATP.

16 Il trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa possono essere disaccoppiati da composti che la permeabilità della membrana mitocondriale interna ai protoni (H + ). Questi agenti, detti disaccoppianti, sono capaci di dissipare il gradiente elettrochimico generato dal trasporto elettronico, producendo calore: si realizza un della respirazione e un del consumo di substrati accompagnati da un effetto termogenetico. a) Un classico disaccoppiante di sintesi è il 2,4- dinitrofenolo. b) A dosi elevate, laspirina disaccoppia la fosforilazione ossidativa (ciò spiega la febbre che accompagna lassunzione di dosi tossiche del farmaco). c) Leffetto termogenetico dell ormone tiroideo tiroxina (T 4 ) è dovuto alla sua azione disaccoppiante.

17 Fisiologicamente, la dissipazione del gradiente protonico per produrre calore avviene nel tessuto adiposo bruno. Qui è presente una proteina (termogenina) che controlla la permeabilità della membrana mitocondriale interna verso gli H +. La termogenina, come altre proteina disaccoppianti (UCP), crea una falla che permette ai protoni di rientrare nella matrice mitocondriale senza che lenergia sia utilizzata per sintetizzare ATP: lenergia libera si disperde sotto forma di calore. Il grasso bruno, a differenza del più comune grasso bianco, in risposta al freddo disperde quasi il 90% dellenergia respiratoria nella termogenesi. Tale processo è attivo alla nascita e nella fase di risveglio degli animali ibernanti.

18 I sistemi di trasporto di membrana La membrana mitocondriale interna è impermeabile a moltissime sostanze dotate di carica elettrica (idrofiliche). Essa contiene numerose proteine di trasporto che permettono il passaggio di molecole specifiche dal citosol (più precisamente dallo spazio intermembranale) alla matrice mitocondriale. 1) Lo scambio ATP-ADP. Trasportatori specifici trasferiscono lADP ed il Pi dal citosol ai mitocondri, dove è risintetizzato lATP. Un trasportatore specifico dei nucleotidi adenilici trasferisce una molecola di ADP dal citosol allinterno dei mitocondri, esportando al contempo una molecola di ATP. Il Pi passa dal citosol ai mitocondri grazie ad un trasportatore del fosfato.

19 2) Il trasporto degli equivalenti riducenti. Il NADH prodotto nel citosol non può entrare nei mitocondri perché, a livello della membrana mitocondriale, mancano specifiche proteine trasportatrici del NADH. Dei sistemi navetta (shuttle) rendono possibile il trasferimento dal citosol ai mitocondri di 2 e - del NADH (equivalenti riducenti). Shuttle del glicerofosfato. Avviene il trasferimento di 2 e - dal NADH ad un sistema flavoproteico presente sulla membrana mitocondriale interna che convoglierà gli e - verso la catena respiratoria. Shuttle malato-aspartato. Nel citosol, lossalacetato si riduce a malato (e si riforma NAD + ). Il malato entra nel mitocondrio scambiandosi col chetoglutarato. La malato deidrogenasi ossida il malato ad ossalacetato NADH che trasferirà 2 e - alla catena respiratoria.

20 Regolazione del metabolismo energetico Le attività dei sistemi che producono e che consumano energia rispondono direttamente al rapporto del fosfato ad alta energia rispetto al contenuto totale in nucleotidi adenilici. 1/2 [ADP] + [ATP] Carica energetica = [AMP] + [ADP] + [ATP]

21 FINE


Scaricare ppt "Dott.ssa A. R. M. Sabbatini - Università degli Studi di Pisa La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa."

Presentazioni simili


Annunci Google