Riassunto esame Biochimica, Prof. Cappiello Mario, libro consigliato I principi di Biochimica, Lehninger

Il ruolo dell'ubichinolo e il ciclo Q

Per spiegare il ruolo dell'ubichinolo è stato proposto un modello denominato ciclo Q. Con il ciclo Q, si ha la regolazione del trasferimento degli elettroni dall'ubichinolo (CoQH₂), un trasportatore misto che trasporta 2 protoni e 2 elettroni, a trasportatori puri che trasportano solo 1 elettrone alla volta, cioè i gruppi eme B del citocromo B e i gruppi eme dei citocromi C1 e C.

Il ciclo Q è composto da due fasi:

1. Prima fase:
   • Una molecola di CoQH₂, che trasporta 2 H+ e 2 e-, e che si trova nel sito Q, cede 1 elettrone al centro Fe-S di Rieske, che lo trasferisce al Cyt C1, che poi lo trasferisce al Cyt C.
   • Contemporaneamente, CoQH₂ cede i suoi due protoni all'esterno, convertendosi nel radicale anionico semichinonico CoQ^•-.
   • Questo radicale CoQ^•- trasferisce il secondo elettrone sull'eme B del Cyt B, convertendosi nella forma ossidata CoQ.
   • L'eme B trasferisce l'elettrone all'eme B che ha una più alta

affinità per gli elettroni.L H- Il CoQ ossidato (a differenza della forma radicalica, che avendo una carica negativa non può muoversi liberamente) può spostarsi e tornare indietro nel sito Q (il sito Q lega CoQH ridotto e il sito Q lega CoQ ossidato), dove accetta nuovamente l'elettrone dell'eme B, e viene convertito in radicale anionico semichinonico CoQ۰. -Con questa prima fase è stato trasferito un solo elettrone al Cyt C (si ricordi che i due e vengono trasferiti separatamente al Cyt C perché questo può accettarne solo uno alla volta).

2. Seconda fase:- Una seconda molecola di CoQH cede un elettrone al centro Fe-S di Rieske, che lo cede al Cyt C1,2 che lo cede al Cyt C; due protoni vengono espulsi e si forma il radicale anionico semichinonico CoQ۰.- Questo radicale CoQ۰ cede l'elettrone all'eme B, che lo cede all'eme B, che infine cede l'elettrone al radicale anionico semichinonico CoQ۰ che si

Era formato nella prima fase del ciclo.- Per questo secondo processo di trasferimento di elettroni sono necessari anche due protoni, che vengono captati dalla matrice.- Si generano così il Cyt C ossidato e la forma ridotta di CoQH mentre il CoQ si allontana dal complesso. Facendo la somma dei due semicicli, si ottiene il ciclo completo:

• Sono state necessarie 2 molecole di CoQH che sono state entrambe ossidate a CoQ, e 1 delle due è stata di nuovo ridotta a CoQH.
• 2 elettroni, uno alla volta, sono stati trasferiti al citocromo C che si riduce;
• 2 protoni vengono prelevati dal lato N e ne vengono rilasciati 4 nel lato P:
• 2 dei quattro protoni rilasciati nel lato P sono elettrogenici;
• Gli altri 2 sono elettricamente neutri, essendo bilanciati dai 2 e trasferiti al citocromo C sul lato P.

Approfondimento sui citocromi: I componenti fondamentali del complesso 3 sono i citocromi, proteine che hanno un gruppo prostetico particolare, il gruppo eme, che presenta un anello

Il gruppo eme detto protoporfirina IX è lo stesso gruppo eme della mioglobina e dell'emoglobina e si trova nel citocromo di tipo b. Nei citocromi a e b il gruppo eme è legato alla proteina non covalentemente.

L'eme C si trova nei citocromi di tipo C e differisce dal precedente per un legame con un residuo di cisteina della proteina, assente nella protoporfirina IX. Nei citocromi c il gruppo eme è legato covalentemente a residui di cisteina della proteina.

L'eme A, presente nei citocromi A, possiede una catena idrocarburica ramificata. Nei citocromi a e b il gruppo eme è legato alla proteina non covalentemente.

La struttura di questi gruppi eme è dunque molto simile o uguale a quella dell'eme della mioglobina e dell'emoglobina, ma la funzione che assume l'eme in questi due tipi di proteine è completamente diversa:

Nelle globine,

lega all’eme A3.2▪ Subunità II: contiene 2 ioni Cu che formano complessi con i gruppi -SH di due residui di cisteine aformare un centro binucleare Cu .

▪ Subunità III: è essenziale per il rapido movimento dei protoni nella subunità II.

o Funzione: il complesso 4 trasferisce gli elettroni dal citocromo C all'ossigeno, l’accettore finale di elettroni. ilcomplesso 4 è anche una pompa protonica che trasloca 2 protoni nello spazio intermembrana ogni 2elettroni che vengono trasferiti all'ossigeno. La variazione di energia libera associata al trasferimento è -27,7kcal/mol.

o Meccanismo: per ridurre completamente l'O a H O sono necessari 4 elettroni, che provengono uno alla2 2volta dal citocromo C, e 4 protoni.

1. Il Cyt C ridotto dona 2 e- (un elettrone alla volta)all’atomo di rame del centro binucleare Cu (subunità II).

A2. Il centro binucleare Cu cede gli elettroni all’eme A (subunità I).

A3.

L'eme A li cede al centro binucleare Fe-Cu (costituito da eme A3 e Cu) (subunità I).

L'O si lega al Fe dell'eme A3 (subunità I) e gli vengono trasferiti due elettroni, provenienti dal centro binucleare Fe-Cu (rispettivamente uno dal Fe e l'altro dal Cu), perciò si forma un intermedio perossido 2-(O2-), il quale non viene rilasciato e resta legato alla proteina.

Ora viene trasferito il terzo elettrone e vengono captati dalla matrice due protoni: questo porta alla rottura dell'intermedio perossido, per cui un atomo di ossigeno si lega al ferro ferrile (Fe IV) mentre l'altro atomo di ossigeno, sotto forma di acqua, resta legato al rame.

A questo punto il quarto elettrone serve per ridurre l'atomo di ossigeno legato al ferro ad acqua, con captazione di altri due protoni. L'O2 viene così convertito completamente in H2O con trasferimento di 4 elettroni e 4 protoni.

Questo meccanismo non spiega però il rilascio

Dei due protoni che il complesso 4 espelle all'esterno. Il trasferimento di un elettrone alla volta all'ossigeno talvolta può portare alla formazione di ROS, quindi visono dei meccanismi di difesa per essi.

Creazione del gradiente protonico con la catena di trasporto degli elettroni. Esempio: a partire dal ciclo di Krebs. Dai 3 NADH e 1 FADH derivanti dal ciclo di Krebs vengono trasportati 8 elettroni (2 elettroni ciascuno) e in associazione al loro trasferimento si ottiene la seguente traslocazione di protoni:

• Per ogni coppia di elettroni provenienti dal NADH (quindi 2 x 3 = 6 elettroni) vengono trasferiti 10 H+:
  • +4 H+ dal complesso 1
  • +4 H+ dal complesso 3
  • +2 H+ dal complesso 4
• In totale 30 protoni dal NADH (3 x 10 H+).
• Per gli elettroni che derivano dal FADH (cioè 2 x 1 = 2 elettroni) vengono...

traslocati solo 6 H :2 (elettroni) (FADH2)o +4 H dal complesso 3o +2 H dal complesso 4In totale 6 protoni dal FADH (1 x 6 ).2 (FADH2) (protoni)In totale, a partire dal ciclo di Krebs, vengono traslocati 36 protoni (30 dal NADH e 6 dal FADH ).

23.2 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA:

• Attraverso la fosforilazione ossidativa, il potenziale di trasferimento degli elettroni all'O viene convertito in potenziale di trasferimento del P all'ADP. Il potenziale di trasferimento degli elettroni può essere quantificato mediante il potenziale di riduzione, una grandezza elettrochimica che esprime la tendenza di una specie ad accettare elettroni (ossidante), o a cederli (riducente).
• Gli elettroni tendono a fluire dalla coppia a potenziale di riduzione più basso (donatrice) alla coppia a potenziale più alto (accettrice), in presenza di un opportuno catalizzatore.
• Per valutare la differenza di energia libera associata a questo trasferimento si usa la formula ΔG°' =

- n = numero di elettroni trasferiti;

- F = costante di Faraday;

- ΔE°' = differenzia di potenziale di riduzione tra la coppia a potenziale più alto e la coppia a potenziale più basso.

Esempio:

Per l'intera catena respiratoria, ovvero con il trasferimento di due elettroni dal NADH all'ossigeno, abbiamo la seguente quantità di energia libera:

Dato che per sintetizzare ATP c'è bisogno di 7,3 kcal/mol, la catena di trasporto degli elettroni fornisce una quantità di energia libera (-52,6 kcal/mol) altamente sufficiente per sintetizzare ATP.

• +La formazione di ATP si ha quando gli H rientrano nel mitocondrio secondo il gradiente elettrochimico, e negli animali per sintetizzare 1 molecola di ATP servono 4 protoni, quindi:

o Per ogni traslocazione di 2 elettroni dal NADH all'O si generano 2,5 ATP (poiché: 10/4=2,5);

o Per il trasferimento di 2 elettroni dal FADH all'O si generano 1,5