Appunti Biochimica

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Si tratta della fase 3. Si tratta di una situazione metabolica in cui non si sa come possa avvenire la

trasduzione energetica. Nelle prime due fasi della respirazione sono stati prodotti equivalenti riducenti che si

accumulano dotto forma di molecole di NADH (in un giro del ciclo di Krebs se ne producono 3) o di FADH 2

(una molecola prodotta nel ciclo di Krebs). Quindi si ha un eccetto di equivalenti riducenti accumulati

sottoforma di coenzimi piridinici ridotti e coendimi flavinici ridotti.

Nella fase 3 si ha il trasferimento di questi equivalenti riducenti all’ossigeno molecolare, in modo tale che

siano prodotte molecole di acqua. Durante questo trasferimento di elettroni all’ossigeno, viene liberata

energia e l’energia liberata viene utilizzata per sintetizzare molecole di ATP. Questo processo che avviene a

livello della fase 3 prende il nome di fosforilazione ossidativa.

Si ha un flusso di elettroni esoergonico attraverso la catena respiratoria, un insieme di proteine e

trasportatori di elettroni localizzati nella membrana mitocondriale interna (MMI). Quindi, si hanno dei

donatori di elettroni (NADH o FADH ) che cedono gli elettroni. Questi fluiscono lungo la catena di elettroni.

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Questo flusso libera energia (esoergonico). Le molecole che hanno accumulato gli elettroni (o equivalenti

riducenti) passano alla forma ossidata cedendo gli elettroni all’ossigeno, che viene ridotto diventando acqua.

L’energia ceduta non viene dissipata.

Avviene il meccanismo della trasduzione energetica, ossia un meccanismo tramite il quale l’energia

derivante dal flusso endoergonico di elettroni viene utilizzata per un flusso di protoni transmembrana. I

protoni vengono presi dalla matrice e pompati nello spazio intermembrana, processo che richiede energia.

Durante questa tappa viene creato un gradiente protonico transmembrana (dal lato della matrice ci sono

meno protoni che nello spazio intermembrana) , il che crea un potenziale elettrochimico.

Nella terza tappa i protoni tornano nella matrice, processo nel quale viene ad essere nuovamente liberata

energia. Questa energia viene ad essere utilizzata per la sintesi delle molecole di ATP. Quello che accade è:

Gli elettroni fluiscono nella catena respiratoria localizzata nella MMI. Durante questo flusso viene

ad essere liberata energia. Gli elettroni vanno all’ossigeno che diventa acqua. l’energia non viene

dissipata ma viene utilizzata per il pompaggio dei protoni;

Viene creato un gradiente protonico trans membrana che genera un potenziale elettrochimico;

I protoni che si erano accumulati nello spazio intermembrana tornano nella matrice. Viene ad esser

liberata energia utilizzata per la sintesi di molecole di ATP.

Quello che viene ad essere liberato nella MMI è un potenziale elettrochimico. Se si considerano dei protoni

presenti nella matrice e se questi protoni vengono pompati attraverso la membrana interna nello spazio

intermembrana, si avrà una bassa concentrazione di protoni nella matrice e una elevata concentrazione nello

spazio intermembrana. Questo crea a livello dello spazio intermembrana un potenziale elettrochimico, che ha

due componenti: una componente elettrica e una componente chimica.

La componente elettrica è il fatto che se vengono pompati i protoni abbiamo un passaggio di cariche positive

dalla matrice verso lo spazio intermembrana (a livello della matrice ci sarà un eccesso di cariche negative , a

livello dello spazio intermembrana si avrà un eccesso di cariche positive). Si ha quindi un disequilibrio di

+

cariche. La componente chimica è legata al fatto che si avrà una concentrazione più alta di H nello spazio

intermembrana rispetto alla matrice. Si ha quindi una differente concentrazione di ioni tra matrice e spazio

+

intermembrana. Gli ioni H sono il fattore scatenante.

Alla base di tutto c’è il flusso degli elettroni nella catena respiratoria mitocondriale che libera energia.

L’energia liberata dal flusso esoergonico degli elettroni, viene utilizzata per il pompaggio endoergonico di

protoni.

Il potenziale elettrochimico è un accumulo transitorio dell’energia. Quando gli elettroni vanno dal NADH al

FADH e vanno verso l’ossigeno viene liberata energia, che non viene dissipata ma viene ad essere

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accumulata sottoforma di potenziale elettrochimico tramite il trasporto dei protoni. I protoni che erano

accumulati nello spazio intermembrana tornano nella matrice e viene generata una forza motrice protonica.

Quando i protoni, dallo spazio intermembrana tornano alla matrice, l’energia viene ad essere ceduta e

impiegata per la sintesi delle molecole di ATP.

Le reazioni che avvengono sono tante e avvengono tra lo spazio intermembrana e la matrice.

Catena respiratoria mitocondriale

Sono presenti delle molecole ricche di elettroni, come NADH, il quale cede elettroni ai complessi della

catena respiratoria. Ad esempio, il complesso I è costituito da tante proteine che sono inserite a livello della

MMI. Gli elettroni fluiscono attraverso il complesso I, giungono a livello di un trasportatore di elettroni

molto piccolo, chiamato ubichinone (Q). C’è poi un complesso II che prende gli elettroni dal succinato, che

diventa fumarato (è una reazione del ciclo di Krebs, catalizzata dalla succinato deidrogenasi – unico enzima

del ciclo di Krebs legato alla MMI). La succinato deidrogenasi costituisce il complesso II della catena

respiratoria, che toglie gli elettroni al succinato, che cede gli elettroni al FAD che diventa FADH . Questi

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elettroni fluiscono attraverso il complesso II per poi raggiungere il Q. L’ubichinone porta gli elettroni al

complesso III della catena respiratoria. Il complesso III cede gli elettroni ad un altro piccolo trasportatore, il

citocromo C (Cyt c), il quale si trova sulla superficie della MMI dal lato dello spazio intermembrana. Il

citocromo C cede gli elettroni al complesso IV che li cede a sua volta a livello dell’ossigeno molecolare, che

diventa acqua. Quanto rappresentato è il flusso esoergonico degli elettroni a livello della catena respiratoria.

Gli elettroni che fluiscono sono carichi di energia e la rilasciano man mano che passano attraverso i

complessi. Gli elettroni arrivano a livello del complesso IV cedono ancora energia e vengono ad essere

accettati dall’ossigeno. È la prima parte della fosforilazione ossidativa. L’energia che viene ad essere liberata

dagli elettroni a livello del complesso I viene ad essere utilizzata dal complesso I per pompare elettroni a

livello dello spazio intermermbrana. I protoni sono pompati anche dal complesso III e dal complesso IV.

Facendo questo, viene ridotta la concentrazione di protoni nella matrice e viene aumentata la concentrazione

di protoni a livello dello spazio intermembrana. L’accumulo di protoni che avviene spontaneamente, in

quanto processo endoergonico, sfruttando l’energia che è stata liberata durante il flusso di elettroni,

+

garantisce un accumulo di elettroni a livello dello spazio intermembrana. L’eccesso di H genera il

potenziale elettrochimico. Il pH nello spazio intermembrana è più acido a livello dello spazio intermembrana

+

perché è maggiore la concentrazione degli ioni H . il potenziale elettrochimico che si è creato a livello della

membrana, è un accumulo transitorio di energia, la quale viene utilizzata per pompare i protoni.

Nella terza tappa della fosforilazione ossidativa, i protoni che erano stati accumulati nello spazio

intermembrana, tornano nella matrice grazie al gradiente protonico trans membrana (i protoni tornano da una

zona ad alta concentrazione, lo spazio intermembrana, verso una zona a bassa concentrazione che è la

matrice). Inoltre, il flusso delle cariche positive è favorito dalla presenza delle cariche negative presenti a

livello della matrice. Durante il flusso inverso dei protoni verso la matrice viene liberata energia che è

utilizzata per la sintesi di molecole di ATP.

L’ATP viene sintetizzato grazie ad altre proteine presenti a livello della membrana che sono diverse dai

complessi della catena respiratoria. Si tratta di componenti proteiche mediante le quali, il flusso protonico

dallo spazio intermembrana alla matrice è in grado di produrre molecole di ATP.

Componenti della catena respiratoria

Nella catena respiratoria sono presenti il complesso I, il complesso II, il complesso III, il complesso IV,

citocromo C.

Complesso I: si tratta di un complesso proteico con la forma di L rovesciata. prende anche il nome di

NADH deidrogenasi perché va ad ossidare l’NADH. È costituito da 45 proteine diverse (subunità).

Anche la massa è molto ampia, è pari infatti a 850 kDa. Presenta gruppi prostetici, quindi gruppi di

natura non proteica legati saldamente alle proteine del complesso. Questi sono: FMN è una forma

attiva della vitamina B2 e dei centri Fe-S.

Complesso II: succinato deidrogenasi. Si tratta di un enzima del ciclo di Krebs che si trova

saldamente legato alla membrana mitocondriale interna. È più piccolo del complesso I; presenta una

massa di 140kDa. È costituito solo da 4 subunità. Presenta dei gruppi prostetici: il FAD, derivato

della vitamina B2, e centri Fe-S.

Complesso III: anche chiamato complesso del citocromo bc . Ha una massa di 250kDa. È costituito

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da 11 subunità e come gruppi prostetici presenta gruppi eme (presenti a livello dell’emoglobina e

della mioglobina) e centri Fe-S.

Citocromo C: si tratta di una piccola proteina che rotola sulla membrana mitocondriale. Presenta una

massa di 13kDa ed è costituita da una sola catena polipeptidica. Come gruppi prostetici presenta dei

gruppi eme.

Complesso IV: o citocromo ossidasi, presenta una massa di 204 kDa, è costituito da 13 subunità.

Come gruppi prostetici presenta il gruppo eme, il rame A e rame B (si tratta di ioni rame presenti a

livello del complesso IV come gruppi prostetici).

Complesso I

Il complesso I ha forma di L rovesciata. Vi è il lato della matrice e il lato dello spazio intermembrana. Il

complesso I si trova nella MMI con una porzione che sporge nella matrice. la maggior parte del complesso è

inserite nella MMI. La matrice è anche indicata come lato N, che sta con lato negativo perché sarebbe il lato

in cui si accumulano le cariche negative e i protoni vengono ad essere pompati nello spazio intermembrana.

Lo spazio intermembrana è anche chiamato lato P, lato positivo, il lato dove si accumulano le cariche

positive.

A livello del complesso I sono sottratti gli equivalenti riducenti all’NADH. Vengono tolti 2 elettroni (NADH

lega lo ione idruro, un H con due elettroni), fluiscono attraverso l’FMN, gruppo prostetico legato al

complesso I. Fluiscono attraverso i centri Fe-S che sono presenti attraverso il complesso I. gli elettroni

fluiscono attraverso un altro centro Fe-S, denominato N-2, finché vanno a finire alla