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1 Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa.

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Presentazione sul tema: "1 Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa."— Transcript della presentazione:

1 1 Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

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3 3 Gli organismi aerobici durante il processo di ossidazione dei carburanti metabolici consumano ossigeno e producono biossido di carbonio : C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO H 2 O suddivisa in due semireazioni: 6CO H e - 6O H e - 6 H 2 O C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Ossidazione degli atomi di C del glucosio Riduzione dellossigeno molecolare

4 4 Gli e- rilasciati durante lossidazione del glucosio non sono trasferite direttamente allO 2 ma ai coenzimi NAD+ e FAD tramite i coenzimi, gli e- passano alla catena di trasporto degli e-

5 5 Durante il processo di trasporto degli elettroni accadono i eguenti eventi: 1)NADH e FADH2 sono riossidati a NAD+ e FAD 2)il trasferimento degli e- partecipa allossidazione-riduzione di 10 centri redox localizzati in 4 complessi enzimatici 3)durante il trasferimento degli e-, dal mitocondrio vengono espulsi dei protoni con la generazione di un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale.

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7 7 Struttura di un mitocondrio 50% lipidi 50% proteine 80% proteine

8 8 NAD+, NADH, NADP+, NADPH, FAD, FADH2 non possono attraversare la membrana mitocondriale interna

9 9 Sistemi navetta di substrati: si servono di isoforme citoplasmatiche e mitocondriali dello stesso enzima per trasportare gli elettroni dal citosol al mitocondrio.

10 10 Il sistema navetta del glicerofosfato trasferimento di una coppia di e- isozima glicerolo 3-P deidrogenasi FAD dip. Gli elettroni del NADH vengono trasportati dal citosol allinterno del mitocondrio mediante un processo che implica 3 tappe.

11 11 Shuttle malato – aspartato (fegato, muscolo cardiaco) il NADH(H + ) formatosi nella glicolisi può essere ossidato a spese dellossalacetato: (e-) 1 mmi malato deidrogenasi (reaz. di ossidazione) 2 reaz. di transamminazione 3 4 malato deidrogenasi (reaz. di riduzione) ossidato nella catena respiratoria

12 12 Meccanismo conformazionale del traslocatore ADP-ATP: adenina nucleotide traslocasi MITOCONDRIO

13 13 I due sistemi di trasporto mitocondriale per il Ca 2+ I MT funzionano da tamponi per il calcio citosolico. Importanza della distribuzione intracellulare del calcio: contrazione muscolare, trasmissione neuronale, secrezione, azione degli ormoni Lentrata nella matrice è promossa dal potenziale di membrana negativo che attrae gli ioni positivi. La velocità dipende dalla [Ca ++ ] esterna Se la [Ca++]cit antiporto con ioni Na+ = aumenta lentrata Se la [Ca++] cit = diminuisce lentrata matrice mitocondriale

14 14 La catena respiratoria libera energia grazie alla differenza dei potenziali di riduzione tra il donatore (NADH + H + ) e laccettore (O 2 ) di elettroni. Gran parte di questa energia viene impiegata dallATP sintasi per convertire lADP in ATP

15 15 Il flusso di elettroni può produrre un lavoro biologico: nel circuito che potenzia un motore, la fonte di e- può essere una batteria che contiene due specie chimiche che hanno una diversa affinità per gli e-. Il flusso elettronico procederà spontaneamente nel circuito guidato da una forza proporzionale alla differenza tra le due affinità detta forza elettromotrice (fem). La fem può generare un lavoro se al circuito viene collegato un trasduttore energetico.

16 16 In un analogo circuito biologico la fonte di elettroni è un composto ridotto come per es. il glucosio. Quando viene ossidato enzimaticamente sono rilasciati e- che fluiscono spontaneamente attraverso una serie di trasportatori intermedi fino a raggiungere una specie chimica con unelevata affinità per gli e- come lossigeno. La forza motrice che si genera fornisce energia ad una varietà di trasduttori molecolari (enzimi e proteine) che compiono un lavoro biologico.

17 17 Lossidazione biologica completa di sostanze organiche nutrienti crea un flusso di elettroni che procede verso lossigeno mediante una serie di trasportatori di elettroni intermedi che si comportano come un ponte a cestelli: reazione redox esoergonica: gli elettroni passano spontaneamente da un trasportatore a bassa affinità per gli elettroni ad un altro con affinità maggiore e così via. La reazione complessiva è: sostanza organica + O 2 CO 2 + H 2 O + energia

18 18 Il sistema mitocondriale di trasporto degli e- non è altro che una sequenza di reazioni di ossido riduzione Durante le reazioni redox, gli elettroni trasferiti possono passare direttamente dai donatori agli accettori: Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu + In alternativa, gli elettroni possono essere trasferiti da un donatore a un accettore mediante un trasportatore di elettroni: XH 2 + Y X +Y H 2 NADH + H + + FAD NAD + + FADH 2

19 19 Le forme ossidate e ridotte dei composti sono dette coppie redox. donatore di e- (agente riducente) accettore di e- (agente ossidante) La facilità con la quale gli e- passano dal riducente allossidante è espressa quantitativamente dal valore del potenziale di ossido-riduzione del sistema.

20 20 donatore di e- (agente riducente) accettore di e- (agente ossidante) In una coppia redox il riducente con un potenziale di ox-red molto negativo cede facilmente i suoi e- a coppie con potenziali redox meno negativi o più positivi Viceversa un forte ossidante (caratterizzato da un potenziale redox molto positivo) mostra una grande affinità per gli e-.

21 21 Il più forte agente ossidante cioè ha elevata affinità per gli elettroni e-e- Conoscendo i potenziali standard di ox-red si può predire la direzione del flusso di e -

22 22 Schema dei complessi e del percorso degli elettroni nella catena di trasporto degli elettroni nei mitocondri La catena di trasporto degli elettroni può essere divisa in 4 complessi:

23 23 La catena respiratoria comprende 3 complessi proteici inseriti nella membrana mitocondriale interna (complessi I, III e IV) e molecole di trasferimento mobili, quali il coenzima Q e il citocromo-c:catena respiratoria complesso I: NADH deidrogenasi complesso III: citocromo-c reduttasi complesso IV: citocromo-c ossidasi Il complesso II è la succinato deidrogenasi, è lunico enzima presente del ciclo dellacido citrico presente nella membrana interna mitocondriale. Il complesso V, lATP sintasi, non partecipa al trasferimento di elettroni II

24 24 Tutti i complessi della catena respiratoria sono formati da numerose subunità polipeptidiche e contengono una serie di coenzimi redox legati alle proteine: Flavine: FMN e FAD nei complessi I e II Coenzima Q Centri Ferro-Zolfo: complessi I, II e III Gruppi eme: II, III e IV I trasportatori flavinici e il CoQ sono trasportatori misti: trasportano elettroni e H + I centri Ferro-Zolfo e i gruppi eme dei citocromi sono trasportatori puri: trasportano elettroni

25 25 Nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+) e nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADP+). R= H nel NAD+ R= PO 3 –- nel NADP

26 26 LFMN e il FAD subiscono delle reazioni di ossido-riduzione reversibili. LFMN è saldamente legato al complesso-I della catena respiratoria e non si comporta come un substrato diffusibile. Il FAD è tenacemente legato al complesso II, o succinato deidrogenasi. Le flavine sono dei derivati della vitavina riboflavina LFMN e il FAD subiscono delle reazioni di ossido-riduzione reversibili. LFMN è saldamente legato al complesso-I della catena respiratoria e non si comporta come un substrato diffusibile. Il FAD è tenacemente legato al complesso II, o succinato deidrogenasi. Le flavine sono dei derivati della vitavina riboflavina

27 27 Flavina adenina dinucleotide (FAD) Costituita da FMN + AMP

28 28 Il CoQ è diffusibile e può spostarsi, durante il trasporto elettronico, tra molecole donatrici e accettrici.

29 29 Stati di ossidazione di Flavin mononuleotide (FMN) e Coenzima Q (CoQ) o ubichinone IL FMN e il CoQ (che possono trasferire uno o due elettroni per volta) sono il punto di contatto tra il donatore di due elettroni NADH e i citocromi accettori di un solo elettrone

30 30 Forma ossidata Forma radicalica Forma ridotta

31 31 I centri Fe-S, come i nucleotidi flavinici, sono strettamente legati alle proteine. Il ferro è legato allo zolfo elementare e ai gruppi tiolici di cisteine messe a disposizione dalla proteina. Benchè in un centro possano essere presenti vari atomi di ferro, i centri ferro-zolfo partecipano a reazioni di trasferimento di un solo elettrone Esempi di centri ferro-zolfo

32 32 I citocromi rappresentano lultima classe di componenti che partecipano al trasporto degli elettroni. I citocromi sono delle proteine contenenti eme. Ciascun citocromo è costituito da una catena polipeptidica e da un gruppo eme specifico. Il ferro presente nei citocromi, ma non quello nellemoglobina, subisce delle ossido- riduzioni fisiologiche passando dallo stato ferroso (2+) a quello ferrico (3+) e viceversa Struttura del citocromo c mitocondriale

33 33 Esempi di gruppi eme I gruppi eme sono composti tetrapirrolici contenenti ferro

34 34 Sequenza del trasporto degli elettroni 4 H + Complesso I Complesso II Succinato deidrogenasi-FAD FeS, cit b560

35 35 Complesso I (NADH deidrogenasi) NADH Q 4 H + NADH NADH deidrogenasi (FMN)

36 36 Complesso II: catalizza lossidazione del FADH 2 da parte del CoQ FAD + CoQ (ridotto) FADH 2 + CoQ (ossidato) 4 H + Complesso I Complesso II Succinato deidrogenasi/ glicerofosfato deidrogenasi

37 37 Il complesso III catalizza lossidazione del CoQ (ridotto) da parte del citocromo c citocromo c (ridotto) + CoQ (ossidato) CoQ (ridotto) + citocromo c (ossidato) 4 H + Complesso I Complesso II

38 38 Ciclo Q : 1) accoppiamento del trasferimento degli e- (dal CoQ al cit.c) con il trasporto dei protoni transmembrana. 2) facilita il passaggiio dallubichinolo (che trasporta 2 e-) al cit.c (che trasporta 1 e-) (*) il semichinone trasferisce le- prima ad un centro FeS detto Centro di Rieskie e poi al cit.c1. (*)

39 39 ridotto (*) Ciclo Q: 1) e- centro FeS cit. c1 cit. c 2) e- cit. bL cit. bH UQ (ubichinone ossidato) ubichinone ridotto (semichinonico) che capta due protoni dal versante della matrice per formare QH2

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41 41 citocromo c ossidato) + H 2 O citocromo c (ossidato) + H 2 O citocromo c (ridotto) + ½ O 2 Il complesso IV (citocromo c-ossidasi) catalizza lossidazione del citocromo c ridotto da parte dellO 2, laccettore terminale degli elettroni nel processo di trasporto degli elettroni 4 H + Complesso I Complesso II citocromo c ossidasi 2 H +

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44 44 Anemia da carenza di Ferro Fabbisogno di ferro in un uomo adulto: 1mg/die in una donna in età fertile: 2mg/die in una donna in gravidanza: 3mg/die Il ferro è necessario per il mantenimento di una quantità normale di Hb, di citocromi e di centri ferro-zolfo.

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49 49 Microfotografia elettronica di particelle submitocondriali sulla membrana mitocondriale interna.

50 50 Struttura del complesso mitocondriale dellATP sintasi

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52 52 A B G= G B - G A il cambiamento di energia libera è uguale alla differenza delle energie libere di A e B LENERGIA LIBERA Se la [B] è più elevata della [A], la reazione è favorita, è spontanea, è esoergonica: G0 A B 0 Se la [A] è più elevata della [B], la reazione è sfavorita, non spontanea, endoergonica: G0 A B 0 (energia libera positiva) (energia libera negativa)

53 53 NADH + H + + ½ O 2 NAD + + H 2 O G°= -220 kJ/mol (-52 kcal/mol) ADP + Pi ATP + H 2 O G°= -30,5 kJ/mol (-7,3 kcal/mol) Il trasferimento di energia dai coenzimi ridotti ai legami fosforici ad alta energia

54 54 Il dinitrofenolo, farmaco dimagrante

55 55 Proteine disaccoppianti UCP, UnCoupling Proteins UCP 1 (termogenina): presente nel tessuto adiposo bruno UCP 2:ubiquitaria UCP 3: muscolo scheletrico UCP 4,UCP 5: cervello

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59 59 Regolazione della fosforilazione ossidativa regolazione retroattiva: ADP stimola la respirazione e la sintesi di ATP ATP le inibisce regolazione mediata da modifiche covalenti: il complesso IV fosforilato è inattivo (PKA) e defosforilato è attivo (fosfatasi)

60 60 Nella riduzione di O 2 si cela un pericolo: -il trasferimento di 4 elettroni dà origine a prodotti innocui - il trasferimento di un singolo elettrone forma un anione superossido -il trasferimento di 2 elettroni genera un perossido O2O2 e- O 2 -. e- O 2 2-

61 61 I derivati tossici dellossigeno molecolare (ROS) vengono rimossi da enzimi protettivi O H + O2O2 + H 2 O 2 superossido dismutasi H2OH2O. 2 O2O2 + 2H 2 O Catalasi 2 GSH + H 2 O 2 GSSG + 2 H 2 O

62 62 Miopatie mitocondriali -il lattato si accumula nel liquido cerebrospinale -crampi, debolezza muscolare, encefalopatia -esame dei MT del tessuto muscolare -trattamento con CoQ10 -Carenza di CoQ10: forma rara che colpisce i bambini. -Neuropatia ottica ereditaria di Leber (mutazione del Complesso I) -I mitocondri svolgono un ruolo centrale nellapoptosi


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