Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

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

1 Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

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3 C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 12 H+ + 12 e-
Gli organismi aerobici durante il processo di ossidazione dei carburanti metabolici consumano ossigeno e producono biossido di carbonio: C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O suddivisa in due semireazioni: C6H12O6 + 6O2 6CO H e- Ossidazione degli atomi di C del glucosio 6O H e- 6 H2O Riduzione dell’ossigeno molecolare

4 Gli e- rilasciati durante l’ossidazione del glucosio non sono trasferite direttamente all’O2 ma ai coenzimi NAD+ e FAD tramite i coenzimi, gli e- passano alla catena di trasporto degli e-

5 Durante il processo di trasporto degli elettroni accadono i eguenti eventi:
NADH e FADH2 sono riossidati a NAD+ e FAD il trasferimento degli e- partecipa all’ossidazione-riduzione di 10 centri redox localizzati in 4 complessi enzimatici 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 Struttura di un mitocondrio
50% lipidi 50% proteine 80% proteine

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

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

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

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

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

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 L’entrata 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 l’entrata Se la [Ca++] cit = diminuisce l’entrata matrice mitocondriale

14 La catena respiratoria libera energia grazie alla differenza dei potenziali di riduzione tra il donatore (NADH + H+) e l’accettore (O2) di elettroni. Gran parte di questa energia viene impiegata dall’ATP sintasi per convertire l’ADP in ATP

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 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 un’elevata affinità per gli e- come l’ossigeno. La forza motrice che si genera fornisce energia ad una varietà di trasduttori molecolari (enzimi e proteine) che compiono un lavoro biologico.

17 sostanza organica + O2 D CO2 + H2O + energia
L’ossidazione biologica completa di sostanze organiche nutrienti crea un flusso di elettroni che procede verso l’ossigeno 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 + O2 D CO2 + H2O + energia

18 reazioni di ossido riduzione
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: Fe2+ + Cu2+ D Fe3+ + Cu+ In alternativa, gli elettroni possono essere trasferiti da un donatore a un accettore mediante un trasportatore di elettroni: XH2 + Y D X +Y H2 NADH + H+ + FAD NAD+ + FADH2

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 all’ossidante è espressa quantitativamente dal valore del potenziale di ossido-riduzione del sistema.

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

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

23 complesso I: NADH deidrogenasi
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: complesso I: NADH deidrogenasi complesso III: citocromo-c reduttasi complesso IV: citocromo-c ossidasi II Il complesso II è la succinato deidrogenasi, è l’unico enzima presente del ciclo dell’acido citrico presente nella membrana interna mitocondriale. Il complesso V, l’ATP sintasi, non partecipa al trasferimento di elettroni

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 Nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+)
e nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADP+). R= H nel NAD+ R= PO3–- nel NADP

26 L’FMN e il FAD subiscono delle reazioni di ossido-riduzione reversibili. L’FMN 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 Flavina adenina dinucleotide (FAD)
Costituita da FMN + AMP

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

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 Forma ossidata Forma radicalica Forma ridotta

31 Esempi di centri ferro-zolfo
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 I citocromi sono delle proteine contenenti eme.
I citocromi rappresentano l’ultima 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 nell’emoglobina, subisce delle ossido-riduzioni fisiologiche passando dallo stato ferroso (2+) a quello ferrico (3+) e viceversa Struttura del citocromo c mitocondriale

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

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

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

36 FADH2 + CoQ (ossidato) FAD + CoQ (ridotto)
Complesso II: catalizza l’ossidazione del FADH2 da parte del CoQ FAD + CoQ (ridotto) FADH2 + CoQ (ossidato) 4 H+ Complesso I Complesso II Succinato deidrogenasi/ a glicerofosfato deidrogenasi

37 CoQ (ridotto) + citocromo c (ossidato)
Il complesso III catalizza l’ossidazione 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 (*) il semichinone trasferisce l’e- prima ad un
Ciclo Q : 1) accoppiamento del trasferimento degli e- (dal CoQ al cit.c) con il trasporto dei protoni transmembrana. 2) facilita il passaggiio dall’ubichinolo (che trasporta 2 e-) al cit.c (che trasporta 1 e-) (*) (*) il semichinone trasferisce l’e- prima ad un centro FeS detto Centro di Rieskie e poi al cit.c1.

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

40 citocromo c (ridotto) + ½ O2
citocromo c (ossidato) + H2O citocromo c (ridotto) + ½ O2 Il complesso IV (citocromo c-ossidasi) catalizza l’ossidazione del citocromo c ridotto da parte dell’O2, l’accettore terminale degli elettroni nel processo di trasporto degli elettroni 2 H+ 4 H+ Complesso I citocromo c ossidasi Complesso II

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43 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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48 dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana
Il trasporto degli elettroni lungo la catena respiratoria determina un passaggio di protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana

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50 L’ATP sintasi (F1Fo-ATPasi), è una proteina transmembrana costituita da più subunità con un peso complessivo di 450 KD. Fo (o perché lega l’antibiotico oligomicina B) è costituita nei mammiferi da 6 copie di una proteina che attraversa la membrana che formano un canale polare per il passaggio di H+. F1 è costituita da subunità a3b3gde. Le subunità a e b sono disposte in modo alternato. Lo stelo è costituito dalla subunità g associato alle subunità d ed e

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52 Disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa
La presenza nella membrana interna di un agente che ne aumenta la permeabilità agli ioni H+ disaccoppia la fosforilazione ossidativa dal trasporto degli elettroni in quanto fornisce una strada per la dissipazione del gradiente protonico elettrochimico che non necessita della sintesi di ATP. La dissipazione di un gradiente elettrochimico di H+, che viene generato dal trasporto degli elettroni ed è disaccoppiato dalla sintesi di ATP, produce calore .

53 Meccanismo d’azione del 2,4-dinitrofenolo
Uno ionoforo trasportatore di protoni, come il DNP, disaccoppia la fosforilazione ossidativa dalla catena di trasporto degli elettroni dissipando il gradiente elettrochimico di protoni generato dal trasporto degli elettroni.

54 Controllo coordinato della glicolisi e del ciclo dell’acido citrico

55 . Nella riduzione di O2 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 O2 e- O2 - . O2 2-

56 I derivati tossici dell’ossigeno molecolare (ROS) vengono rimossi da enzimi protettivi
. 2 + 2H+ O2 + H2O2 superossido dismutasi H2O . 2 O2 + 2H2O Catalasi

57 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.

58 Malattie mitocondriali
Neuropatia ottica ereditaria di Leber (mutazione del Complesso I) Miopatie mitocondriali I mitocondri svolgono un ruolo centrale nell’apoptosi