Settima parte appunti Biologia

TRASLOCATORI PROTEICI

Nelle membrane mitocondriali vi sono dei complessi di proteine integrali di membrana che

consentono alle altre proteine di attraversarlo, tramite

dei pori, per entrare all’interno del mitocondrio e sono

detti traslocatori di membrana, sono: il Complesso TOM

(Translocator Outer Membrane) e il complesso TIM

(Translocator Inner Membrane).

1. La proteina (in fase di sintesi nel citosol) è

riconosciuta da proteine chaperon citosoliche

come le msf e le hsp70 che si dispongono lungo

la catena peptidica che si sta formando e la

mantengono distesa, in struttura primaria,

perché se andasse incontro al folding nel

citosol, sarebbe troppo ingombrante per essere

trasportata da TOM e TIM

2. La sequenza presegnale viene intercettata da una porzione recettoriale sporgente di

TOM, in questo modo la veicola all’interno dei suoi pori, creando un legame che gli fa

cambiare conformazione, rendendo possibile l'allineamento tra TOM e TIM. In questo

modo gli consente di attraversare il canale di trasporto.

3. Quindi la proteina da traslocare riesce a passare attraverso un canale di trasporto

formato dall’allineamento di TOM e TIM

4. Nella matrice mitocondriale la sequenza segnale viene rimossa da una peptidasi

5. La proteina viene trasferita ad una hsp60 mitocondriale (chaperoni tipici che

risiedono nella matrice mitocondriale), dove si ripiega nella configurazione finale.

In questo modo le proteine che non vengono sintetizzate vengono fornite ai mitocondri, per

questo si dice che il mitocondrio è un organulo semi autonomo.

Se invece la proteina da destinare al mitocondrio, è di membrana e quindi deve essere

inserita nella membrana interna, avviene la stessa procedura ma interviene il complesso

TIM22, che allineandosi con il complesso TOM-TIM consente l’entrata, il quale poi provvede

ad aprirsi lateralmente per lasciare passare la proteina nella membrana interna, come il

traslocone del RER; la traslocazione, a differenza del RER, avviene post-traduzione

(completamente sintetizzata nel citosol).

LA PRODUZIONE DI ENERGIA

Il processo catabolico, che porta alla distruzione di molecole organiche, con il ruolo di

produrre ATP, utilizzato per i lavori cellulari. L’ATP, che per essere utilizzato deve essere

scisso, è costituito da un ribosio che lega al C3 una base azotata purinica (adenina) e al C5

un gruppo trifosfato, dove viene accumulata l’energia in un legame altamente energetico

definito fosfoanidride.

I composti organici vengono completamente ossidati e l’ossigeno viene ridotto ad acqua.

Il trasferimento di gruppi fosfato è il meccanismo responsabile del lavoro cellulare e i

principali lavori cellulari che richiedono questo tipo di energia sono:

● LAVORO DI TRASPORTO: es. il trasporto attivo che comporta il movimento di

sostanze attraverso la membrana plasmatica contro il loro gradiente di

concentrazione

● LAVORO MECCANICO (movimenti intracellulari): es. contrazione muscolare,

movimento di cromosomi durante la mitosi, traffico vescicolare (le vescicole non

diffondono casualmente, anzi subiscono un trasporto mediato da microtubuli che

richiede ATP)

● LAVORO CHIMICO: es. reazioni endoergoniche che non potrebbero avvenire

spontaneamente come la costruzione di polimeri a partire dai loro monomeri (es.

l’attività delle polimerasi o la sintesi proteica, sono processi anabolici)

Molte reazioni cataboliche sono redox in cui la molecola substrato si ossida e gli enzimi

cofattori (NAD+) si ricudocono (a NADH che può essere a sua volta ossidato per ridurre altre

molecole).

Vettori specializzati nel trasporto di elettroni ad alta energia e ioni H+:

● NAD, NADP, FAD sono coenzimi trasportatori di H

● NADH, NADPH, FADH2 hanno potere riducente sotto forma di coenzimi ridotti e

possono trasferire idrogeno ed elettroni ad un accettore finale.

RESPIRAZIONE CELLULARE

C H O + 6 O →6 CO + 6 H O + ATP ; avviene in 3 tappe principali:

6 12 6 2 2 2

1 TAPPA Glicolisi: il glucosio (6C) nel citosol viene scisso in 2 molecole di

piruvato (3C) e si ha produzione di NADH e ATP. Il piruvato viene trasferito

nella matrice mitocondriale dove subisce una decarbossilazione (tolto 1C

sotto forma di CO , prodotto di scarto) e viene ossidato ad acetile, grazie

2

alla riduzione di un NAD+ a NADH. Poi viene coniugato ad un coenzima A

(ossidazione del piruvato ad all’Acetil-CoA). Il coenzima CoA è un

reagente che entrerà nella seconda tappa del ciclo.

2 TAPPA Ciclo di Krebs: (si verifica nella matrice mitocondriale) appena

l’acetile (2C) entra nel ciclo di Krebs, il coenzima A viene staccato e il

gruppo acetile viene completamente ossidato; si formeranno due molecole

di CO che entrano come acetile, al contempo si formerà ATP per ogni

2

Acetil-coA che entra nel ciclo e si produrranno dei NADH e FADH .

2

3 TAPPA Fosforilazione ossidativa: cioè la catena di trasporto degli elettroni e la sintesi di

ATP. Gli elettroni derivati dai coenzimi (NADH e FADH ) vengono trasferiti all’accettore finale

2

di elettroni, l’O e nel frattempo si attua un pompaggio di protoni nello spazio mitocondriale.

2

La catena di trasporto degli elettroni si verifica sulla membrana delle creste mitocondriali e

utilizza l’energia di trasferimento di elettroni da un accettore all’altro fino all’ossigeno. Gli

elettroni sono energia potenziale che verrà sfruttata da un complesso enzimatico ATP sintasi

per produrre ATP.

GLICOLISI

Non necessita di mitocondri, poiché avviene in anaerobiosi nel citosol. Consta di 10 reazioni

ognuna catalizzata da un enzima diverso, suddivisibili in diverse parti:

● la fase 1 (reazioni 1-5): la molecola di glucosio viene scissa in 2 molecole di

glicerol-3-fosfato (fosforilazione) → investimento energetico, consumo di 2 ATP

● fase 2 (reazioni 6-7): produzione di 2 ATP fosforilando 2 adenosin difosfato, e in

questa fase vi è anche la produzione di 2 NADH che servono per far si che il

glicerol-3-fosfato divento 3-fosforglicerato (ossidazione del glicerol e riduzione del

NAD+)

● fase 3 (reazioni 8-10): produzione 2 ATP a partire da 2 ADP, grazie alla

trasformazione del 3-fosfoglicerato in piruvato (2 molecole).

Dalla glicolisi si ha un guadagno netto di 2 molecole di ATP per molecola di glucosio (resa

energetica bassa). L’ATP viene sintetizzato per fosforilazione a livello di substrato

(trasferimento di un gruppo fosfato da un composto fosforilato all’ADP). Il piruvato quindi

viene trasferito nella matrice mitocondriale attraverso dei trasportatori presenti nelle 2

membrane del mitocondrio; il piruvato è composto da 3C tra cui 1 gruppo carbossilico

ionizzato, e 2C che rimangono dopo che il piruvato viene decarbossilato (gruppo

carbossilico eliminato come CO ) e un NAD+ viene ridotto a NADH e otteniamo il gruppo

2

acetile costituito da 2C e aggiunto il coenzima A (si forma l’acetil CoA → attivazione gruppo

acetile per passare al passaggio successivo).

MATRICE MITOCONDRIALE: CICLO DI KREBS

Il piruvato quindi trasformato in Acetil-CoA, entra nel ciclo, in cui si parte

dall’ossalacetato (4C) per arrivare ancora all’ossalacetato dopo varie

reazioni; l’ossalocetato è l’accettore del gruppo acetile, quindi il CoA esce.

Con l’aggiunta del gruppo acetile all’ossaloacetato si forma citrato, primo

composto del ciclo, acido a 6C (4C ossalocetato e 2C CoA). Il citrato, quindi,

poi va incontro ad una serie di reazioni catalizzate da diversi enzimi in cui

viene ossidato completamente il gruppo acetile ed eliminato come 2CO , più

2

formazione di 2NADH (per ogni acetile che entra nel ciclo) e 1 molecola di

ATP. Tramite alcune trasformazioni poi il succinato viene trasformato in

ossaloacetato e tramite questa ossidazione vengono prodotti il FADH e

2

NADH.

Gruppi acetilici vengono ossidati nel ciclo dell’acido citrico i cui prodotti finali

sono:

● 2 CO , prodotto di scarto

2

● 1 ATP

● vettori temporanei di e- (sotto forma di H) ad alta energia portati da 3 NADH e 1

FADH

2

Gli e- vengono ceduti a complessi proteici della catena di trasporto di e- presenti nella

membrana interna per unirsi all’O e formare H O (gli elettroni perdono energia perché i

2 2

trasportatori hanno potenziali di riduzione crescenti) → la cessione (da parte di NADH e

FADH ) di e- rende nuovamente disponibili NAD+ e FAD necessari per continuare il

2

metabolismo ossidativo.

CATENA PER IL TRASPORTO DI ELETTRONI

Consta di 40 proteine immerse nella membrana mitocondriale interna, raggruppabili in 3

complessi:

1. complesso I, della NADH deidrogenasi che pompa H nello spazio intermembrana

2. complesso II,

3. complesso III, citocromo C reduttasi, il quale riceve elettroni dal complesso della

NADH deidrogenasi attraverso un vettore di elettroni che di chiama che si trova nella

membrana interna e che trasferisce elettroni, facendo da tramite tra i 2 complessi

4. complesso IV, che accetta e- dal citocromo C ossidasi che si ossida

Molti trasportatori di elettroni sono Ferro-zolfo proteine, in cui 2 o 4 atomi di Fe sono legati

ad un ugual numero di atomi di S e a catene laterali di Cisteine della catena polipeptidica. Il

potere riducente dei trasportatori di elettroni è sempre più elevato, sono via via sempre più

affini agli elettroni, per cui vanno verso livelli di energia sempre più bassi.

Nello spazio intermembrana si forma quindi gradiente protonico che fa si che si crei un

gradiente elettrochimico e di concentrazione a cavallo della membrana interna e un

potenziale di membrana, che fa da forza motrice per il trasporto di H+ verso l’interno del

mitocondrio.

Teoria chemiosmotica

Nel processo di fosforilazione ossidativa (produzione ATP in seguito al trasporto ossidativo

degli elettroni), il gradiente elettrochimico protonico a cavallo della membrana mitocondriale

interna viene utilizzato per alimentare la sintesi di ATP, grazie all’ATP sintasi. L’ATP sintasi

crea un percorso idrofilico che permette il fluire di H+ secondo il gradiente elettrochimico. Il

passaggio di H+ nella ATP sintasi alimenta la sintesi di ATP.

STRUTTURA DELLA ATP SINTASI

Si ipotizza che i protoni passando per il vettore transmembrana facciano ruotare lo stelo

dentro la

porzione a calice con attivazione dei siti catalitici e formazione di ATP. La sintasi produce 1

molecola

di ATP al passaggio di 3H+. È come un mulino molecolare, con più subunità, formata da 2

parti:

1. un complesso F0 che si trova nello spessore della membrana mitocondriale interna

ed è il vettore vero e proprio (lascia fluire gli ioni H+); è costituito da uno statore fisso

collegato a delle subunità proteiche in grado di ruotare, esso contiene il canale ed il

flusso di H+ fa ruotare queste subunità all’interno della m