Ciclo di Krebs

CATENA RESPIRATORIA E FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

La fosofrilazione ossidativa è il processo che porta alla formazione di ATP nel

mitocondrio diviso in 2 fasi: catena di trasporto di elettroni usando il nadh

e Fadh2 per generare gradiente protonico. Sintesi atp grazie fosforilazione

dell’adp. Il compito finale + la riduzione dell’ossigeno in acqua nella matrice

mitocondriale ed spostamento dello ione H+ nello spazio intermembrana.

Questo spostamento di protoni si ha grazie a dei trasportatori disposti in modo

tale da avere potenziale di riduzione crescente.

Nella catena di trasporto operano il NAdh e fadh2 oltre all’uchinone detto

coenzima Q, molecola idrofobica che sta nel doppio strato fosfolipidico. Ha un

anello chinonico, con tutti atomi di carbonio sostituiti, di cui uno con una

catena isoprenoide con 5 atomi di carbonio ripetuti 10 volte, a formare una

catena lunga 50 atomi di carbonio. È proprio questa catena che conferisce alla

molecola l’idrofobicità. La sua solubilità è garantita dalle catene degli acidi

grassi del doppio strato fosfolipidico della membrana mitocondriale interna.

Caratteristica del coenzima Q10 è l’ossido-riduzione dell’anello chinonico.

Per passare dalla forma ossidata alla forma ridotta si acquistano 2 H e 2

elettroni (contemporaneamente o uno per volta). Si forma il semichinone

radicalico, con un elettrone dispari. Acquistando un elettrone, il doppio

legame C-O si rompe e il carbonio non può restare con solo 3 legami, quindi si

formano doppi legami coniugati e l’elettrone è delocalizzato sull’anello. Con la

delocalizzazione degli elettroni si abbassa la reattività dell’anello, infatti il

semichinone radicalico è un radicale stabile. In generale, un radicale ha

una vita media di 10 secondi ma questo dura alcuni secondi (è più stabile).

-12/-9

Quindi il CoQ sta nella forma ossidata per diventare CoQH ed acquistare

2

gli elettroni

I citocromi sono proteine con elevata capacità di assorbire la luce visibile

grazie al gruppo eme distinti in 3 lettere a-b-c i primi due gruppi eme legati

saldamente alle proteine associate, il terzo ( c ) legato al residuo di cisteina

con legame covalente.

centro ferro-zolfo è una proteina dove il metallo è complessato attraverso 4

cisteine, cioè 4 -SH delle cisteine diventano -S e complessano l’atomo di ferro.

Ci sono diverse combinazioni (2 atomi di ferro e 2 atomi di zolfo o 4 atomi di

zolfo e 3 atomi di ferro) e ognuna di queste combinazioni ha lo scopo di

modificare il potenziale redox del centro ferro-zolfo, andando ad influire sulla

capacità del ferro di passare dallo stato ossidato allo stato ridotto

Nella membrana mitocondriale Ci sono 4 aggregati proteici costituiti da un

numero diverso di catene polipeptidiche diverse tra di loro. Questi 4

complessi multi-enzimatici (I, II, II e IV) hanno attività enzimatica e sono

in quest’ordine da sinistra verso destra in base al loro potenziale redox (da

sinistra verso destra c’è un aumento del potenziale redox): a sinistra i più

riducenti fino ad arrivare ai più ossidanti. Chi sta a destra ossida chi sta

a sinistra, e se si fanno entrare gli elettroni questi si spostano perché c’è un

potenziale maggiore sempre più alto. C’è un unico punto di ingresso e di

uscita, il complesso IV, e l’accettore finale è la specie più ossidante di

questo sistema (quella che sta aspettando gli elettroni) ovvero l’ossigeno

molecolare. Fino ad ora tutte le ossidazioni sono state senza ossigeno ma

con l’utilizzo di coenzimi. Se non ci fosse l’ossigeno non si avrebbe l’accettore

finale e gli elettroni rimarrebbero intrappolati dentro i complessi. Essere

ossigeno dipendenti vuol dire fornire, grazie all’emoglobina, una quantità di

ossigeno sufficiente ai mitocondri di ogni cellula per far funzionare la catena di

trasporto degli elettroni.

Il complesso I (nahd deidogenasi) ha + di 43 catene peptidiche diverse esso

ha forma a L con un braccio immerso nella matrice e altro bracccio membrana

mitocondriale interna . :

Il primo accettore degli elettroni che è la FMN (flavina mono nucleotide).

L’FMN si riduce diventando FMNH e gli elettroni camminano grazie agli Fe-S,

2

caratteristica di tutti i complessi (sono ferro-zolfo proteine). Un centro ferro-

zolfo. Il potenziale redox dei centri ferro-zolfo è crescente. In realtà

alla fine del complesso I ci sono 7 centri ferro-zolfo, l’uno vicino

all’altro, con potenziale redox crescente. L’accettore di questo primo

passaggio di elettroni (l’ultimo accettore) è il coenzima Q.

Il complesso I agisce anche come pompa protonica. Infatti prende i

protoni dalla matrice e li trasferisce nello spazio intermembrana (4 per ogni

coppia di elettroni). La matrice è carica negativamente, lo spazio

intermembrana è carico positivamente, quindi c’è una differenza di potenziale

di carica. Il CoQH non va al complesso II ma va al complesso III, .

2

Complesso II è la succinato deidrogenasi, che non attraversa il doppio

strato fosfolipidico (è la subunità catalitica nonchè punto di incastro tra

ciclo di Krebs e catena di trasporto degli elettroni). Quindi succede che

gli elettroni del FADH vengono trasferiti internamente dentro altri 2 centri

2

ferro-zolfo di 2 subunità diverse (sempre con potenziale redox crescente). Al

secondo centro ferro-zolfo trovano un’altra molecola di CoQ. Alla fine del

percorso degli elettroni del complesso I e alla fine del complesso II ci sono 2

molecole diverse di CoQ ossidato e si formano 2 molecole di CoQ ridotto (1

proveniente dal complesso I e 1 dal complesso II). I CoQH si muovono nel

2

doppio strato fosfolipidico fino a raggiungere il complesso III.

Complesso III (complesso del citocromo Bc1) La caratteristica del complesso

III è che il CoQ ridotto arriva con due coppie di elettroni, ma esso può

accettare solo 1 coppia, quindi si parla del citocromo C. Il citocromo C è una

emoproteina, pesa come la mioglobina, è costituita da una catena

polipeptidica, contiene un gruppo eme un po’ diverso con sostituenti diversi

sull’anello tetrapirrolico. Anche questo è legato ad una tasca idrofobica e la

sua caratteristica è quella di accettare elettroni e non legare ossigeno. Il

ferro fa ossidoriduzioni per trasformare il citocromo C da ridotto ad

ossidato. Quindi sul complesso III c’è un citocromo C (nella forma ossidata)

agganciato sulla parte dello spazio intermembrana, dove il pH è acido. Il

citocromo C è acido-solubile (fino a pH 3 svolge il suo ruolo) e termostabile, è

piccolo e compatto. Cambia conformazione se ha l’elettrone oppure no.

Quando il CoQH cammina sul complesso III c’è il citocromo C dove avvengono

2

alcune reazioni note come ciclo Q: Il complesso è fatto da 11 subunità ed il

centro funzionale ha 3 subunità: citocromo B con i suoi gruppi eme Bh e Bl,

la proteina ferro-zolfo di rieske con i suoi centri 2fe-2s e il citocromo c con

il cuo gruppo eme. Oltre a questi abbiamo dei siti di legami detti sito QP ha

affinità per il CoQ ridotto, mentre il sito QN ha affinità per le forme ossidate

(sia radicalica che totalmente ossidata)

. All’inizio questi due siti sono vuoti(Qn e Qp ) poi arriva il primo CoQ ridotto

che deve cedere gli elettroni: intanto un elettrone viene trasferito ad un

centro ferro-zolfo interno (rieske) che cede l’elettrone al citocromo C che si

riduce, cambia conformazione e si stacca dal sito dove era appoggiato. Nel

frattempo, l’altro elettrone è stato dato al complessi BL e BH sono messi

in sequenza di potenziale redox crescente e uno dei due elettroni ceduti dal

CoQ ridotto pasa prima da BL e poi da BH. Nel frattempo il CoQ è diventato

ossidato per aver ceduto i due elettroni e, se è ossidato, ha affinità per il

sito QN qui riceve nuovamente elettrone del centro Bl-Bh e si trasforma in

QH( forma semichinonica)

Il secondo CoQH2 trova il sito Q0 libero, e cede elettrone al ferro- zolfo che

lo da citocromo c altro elettrone va al complesso Bl Bh che dona elettrone a il

CoQ semi-chinonico ha accettato il secondo elettrone e lascia il complesso ,il 2

Q adesso è ossidatoe si inserisce sito Qn, e ricomincia il ciclo. (il citocromo C

si è ossidato, è tornato indietro e ha preso il secondo elettrone. Questo

trasferimento degli elettroni avviene alla velocità della luce.) Per ogni CoQ che

interviene sul complesso III, 2 protoni vengono trasferiti all’esterno:

quindi, vengono trasferiti 4 protoni tra versante interno ed esterno

sfruttando la differenza di potenziale. Ergo, per ridurre una molecola di

ossigeno molecolare ad acqua servono quattro elettroni. Devono

arrivare quattro citocromi C dal complesso III che finiscono nel complesso IV.

Il primo e il terzo elettrone che vengono trasferiti sono pericolosi perché

sono elettroni dispari, visto che sotto c’è l’ossigeno

((Fisicamente la distanza tra ossigeno molecolare e specie radicalica è piccola,

quindi che succede se per caso va a reagire sul sito dove si è formato il

sito radicalico? Una volta su cento è possibile. Su cento molecole di

ossigeno che vengono riotte completamente ad acqua, una raggiunge il CoQ

semi-chinonico, gli toglie l’elettrone e diventa lui un radicale, ossigeno

radicalico o anione superossido. Questa è una molecola molto reattiva,

molto instabile e pericolosa. Infatti all’interno del mitocondrio, in tutti gli

organismi ossigeno dipendenti, c’è un enzima (superossido dismutasi) che

ha lo scopo di vedere la presenza dell’anione super ossido ed eliminarlo quasi

completamente.))

Il complesso IV detto citocromo ossidasi . esso è un complesso di grandi

dimensioni con 13 subunità ,a 3 sono le principali. Sub 1 ha due gruppi eme a

a3 in prossimità di uno ione rame Cub . a3 ed Cub costituiscono un centro

binucleare Fe-Cu

sub 2 ha due ioni rame complessati con gruppi sh di residui di cisteina detto

Cua ed esso è il sito legame del citocromo c. sub 3 è fondamentale per il

rapido movimento dei protoni. 4 citocromi c arrivano al complesso 4 nelle sub

2 cedono 4 elettroni al Cua che li manda alla sub 1 nel gruppo eme a e poi a3

ed esso riduce il Cu2+ in Cu1+ una volta riossidatosi riduce O2 in H2O

consumando 2H+ ogni O. oltre a questo vengono pompati altri 2 H+ nello

spazio intermembrana.

Alla fine avremo 2 elettroni trasferiti, 10 protoni trasportati nello spazio

intermembrana, mezza mole di ossigeno che si è trasformata in acqua.

Il potenziale di membrana della membrana interna è 0.7 millivolt e c’&egra