Appunti biochimica 2 (312 pg)

IL CICLO Q

Il ciclo Q fornisce un buon MODELLO che spiega sia la STECHIOMETRIA del passaggio di elettroni dal donatore all’accettore

sia come due protoni aggiuntivi vengano prelevati dalla matrice.

Il PERCORSO degli ELETTRONI è piuttosto complicato: un donatore di 2 elettroni, il QH , trasferisce gli elettroni al

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CITOCROMO, accettore di 1 elettrone.

È stato sperimentalmente dimostrato che 4 PROTONI vengono trasportati attraverso la membrana ogni 2 ELETTRONI che

raggiungono il citocromo c.

Il trasferimento avviene in 2 STADI concomitanti:

STADIO 1: QH diffonde e si lega al SITO P, viene ossidato e i 2 ELETTRONI prendono strade diverse: uno viene trasferito al

2

CENTRO FeS RIESKE, si libera un COENZIMA Q ossidato, quindi l’elettrone viene traferito al CITOCROMO c1 e poi

al CITOCROMO c (si stacca facilmente dalla membrana mitocondriale interna); l’altro elettrone passa attraverso

i GRUPPI EME b e b e di qui al Q legato sul SITO N, riducendolo a RADICALE SEMICHINONICO.

i h

L’ENERGIA liberata viene utilizzata per trasferire 2 protoni da QH allo SPAZIO INTERMEMBRANA.

2

STADIO 2: Una seconda molecola di QH è legata al SITO P e viene ossidata: un elettrone viene trasferito al CENTRO FeS

2

RIESKE, si libera un COENZIMA Q ossidato, quindi l’elettrone viene traferito al CITOCROMO c1 e poi al

CITOCROMO c; l’altro viene convogliato verso i GRUPPI EME, fino al RADICALE SEMICHINONICO sul SITO N, il

quale viene convertito in QH , utilizzando 2 PROTONI presi dalla MATRICE.

2

L’ENERGIA liberata viene utilizzata per trasferire 2 protoni da QH allo SPAZIO INTERMEMBRANA.

2

I CITOCROMI

I CITOCROMI sono componenti della CATENA RESPIRATORIA che trasportano in serie gli elettroni dal COENZIMA Q

all’OSSIGENO.

Sono PROTEINE CONIUGATE, cioè formate da una porzione proteica e da una porzione non-proteica.

La porzione non proteica dei citocromi è rappresentata da un GRUPPO EME, formato da una PORFIRINA (composto ciclico

formato da 4 ANELLI PIRROLICI legati fra di loro e da diversi sostituenti angolari) e da un ATOMO DI FERRO legato agli atomi

di azoto degli anelli pirrolici.

A differenza delle emoproteine che trasportano l’ossigeno, nelle quali il ferro è sempre allo stato ridotto, il ferro dei

2+

citocromi può ACCETTARE e CEDERE 1 ELETTRONE oscillando reversibilmente tra lo STATO RIDOTTO (Fe , forma ferrosa)

3+

e lo STATO OSSIDATO (Fe , forma ferrica), perché è un TRASPORTATORE DI ELETTRONI.

I citocromi sono dei trasportatori di elettroni SINGOLI. Per ogni molecola di CoQH da riossidare è quindi necessaria una

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coppia di citocromi.

Si distinguono DIVERSI CITOCROMI (indicati con lettere minuscole) che differiscono:

• Per la PORZIONE PROTEICA.

• Per la struttura del GRUPPO EME (sostituenti laterali dell’anello porfirinico: eme a, eme b, eme c).

• Per i LEGAMI tra gruppo eme e proteina.

Nella catena di trasporto degli elettroni mitocondriale:

– Nel COMPLESSO III → citocromo b566, citocromo b562, citocromo c1.

– Componente MOBILE → citocromo c.

– Nel COMPLESSO IV → citocromo a, citocromo a3.

Esistono ALTRI CITOCROMI, che non fanno parte della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale, ma che

intervengono in ALTRI PROCESSI METABOLICI (es.: citocromi P450, citocromo b5).

I GRUPPI PROSTETICI DEI CITOCROMI:

CITOCROMO C:

È una PROTEINA SOLUBILE contenente EME, presente nello SPAZIO INTERMEMBRANA.

3+ 2+

Il FERRO del gruppo eme può essere sia ferroso (Fe , ossidato) che ferrico (Fe , ridotto).

Sposta un SINGOLO ELETTRONE dal complesso CITOCROMO bc1 alla CITOCROMO OSSIDASI.

Il citocromo c assorbe la LUCE VISIBILE, nel BLU (banda di Soret, intorno ai 400 nm), che gli conferisce un intenso colore

rosso.

Citocromo c ossidato e ridotto hanno SPETTRI DI ASSORBIMENTO leggermente DIVERSI.

È possibile seguire la reazione di trasferimento degli elettroni in vitro, monitorando l’ASSORBANZA.

IL COMPLESSO IV CITOCROMO-OSSIDASI

La CITOCROMO-OSSIDASI dei mammiferi è una PROTEINA DI MEMBRANA costituita da 13 SUBUNITÀ.

È un grosso complesso, complicato, che contiene 2 GRUPPI EME (eme a, eme a3) e contiene IONI RAME:

• 2 ioni (CuA) formano un CENTRO BINUCLEARE.

• 1 ione (CuB) legato al gruppo eme forma un CENTRO Fe-Cu.

Trasferimento degli elettroni attraverso il complesso IV:

CITOCROMO c → CENTRO CuA → EME a → CENTRO CuB → OSSIGENO (Trasferimento di 4 elettroni)

Ogni volta che 4 ELETTRONI attraversano questo complesso, l’enzima preleva 4 PROTONI «substrato» dalla matrice per

convertire l’OSSIGENO in 2 molecole di ACQUA.

L’ENERGIA liberata da questa reazione redox viene utilizzata per pompare 4 PROTONI dalla matrice, nello SPAZIO

INTERMEMBRANA. N+ P+

4 citocromo c (ridotto) + 8H + O → 4 citocromo c (ossidato) + 4H + 2H O

2 2

IL FLUSSO DI ELETTRONI NELLA CATENA RESPIRATORIA:

Gli ELETTRONI raggiungono Q attraverso i COMPLESSI I e II. QH funziona da trasportatore di elettroni e protoni: passa gli

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elettroni al complesso III, che li passa ad un altro trasportatore mobile, il citocromo c. Il complesso IV trasferisce poi gli

elettroni dal citocromo c ridotto all’O .

2

Il flusso di elettroni attraverso i complessi I, III e IV è accompagnato da un flusso di protoni dalla matrice allo spazio

intermembrana (↑).

Anche gli elettroni provenienti dall’ossidazione degli acidi grassi possono entrare nella catena respiratoria attraverso Q.

SPECIE REATTIVE DELL’OSSIGENO (ROS)

Durante la respirazione alcuni ELETTRONI possono sfuggire e OSSIDARE DIRETTAMENTE, PARZIALMENTE, l’OSSIGENO,

generando SPECIE REATTIVE dell’ossigeno. 2-

●

Nei mitocondri che respirano attivamente, dallo 0,1% fino al 4% dell’O utilizzato nella respirazione forma O , sufficiente

2

a provocare effetti letali, a meno che il radicale libero non venga INATTIVATO.

-

●

Il RADICALE SEMICHINONICO Q può passare un elettrone all’O , con formazione del RADICALE LIBERO ANIONE

2

2-

●

SUPEROSSIDO ( O ). Nel complesso IV possono facilmente formarsi H O (ad opera di SUPEROSSIDO DISMUTASI) e

2 2

●

spontaneamente RADICALI LIBERI OSSIDRILICI OH.

Un POOL DI ENZIMI presenti nella matrice, sono in grado di DETOSSIFICARE dalle SPECIE REATTIVE:

es. GLUTATIONE PEROSSIDASI (mitocondri), a spese del GLUTATIONE ridotto (ridotto dalla GLUTATIONE REDUTTASI, a spese

di NADPH, a sua volta ottenuto a spese di NADH).

La glutatione perossidasi interviene anche nei GLOBULI ROSSI, per la detossificazione da H O .

2 2

2-

●

L’ANIONE SUPEROSSIDO ( O ) è di per sé RELATIVAMENTE NON TOSSICO, ma reagisce velocemente con l’OSSIDO DI AZOTO

(NO), un secondo messaggero fisiologico, formando PEROSSINITRITO. Il PEROSSINITRITO è una specie radicalica MOLTO

REATTIVA che induce PEROSSIDAZIONE dei lipidi di membrana e NITRAZIONE dei gruppi ossidrilici delle tirosine.

●

Il RADICALE IDROSSILE ( OH) è invece MOLTO REATTIVO ed è responsabile dei DANNI OSSIDATIVI alla maggior parte delle

molecole biologiche, con:

• PEROSSIDAZIONE dei lipidi di membrana.

• DANNI di diversa natura alle proteine.

• ROTTURA della doppia elica del DNA e modificazione della struttura delle basi azotate.

* La PEROSSIDAZIONE dei LIPIDI di membrana è un PROCESSO A CATENA nel quale ogni acido grasso che subisce

perossidazione genera un radicale che genera un’altra perossidazione.

STRESS OSSIDATIVO E PATOLOGIE UMANE:

Lo stress ossidativo è implicato in numerose MALATTIE UMANE:

– ICTUS.

– CANCRO.

– MALATTIE CARDIOVASCOLARI.

– MALATTIE NEURODEGENERATIVE.

– MALATTIE INFIAMMATORIE CRONICHE.

– INVECCHIAMENTO.

Dati epidemiologici indicano l’importanza dell’adozione di una DIETA RICCA DI SOSTANZE ANTIOSSIDANTI NATURALI

contenute in FRUTTA e VERDURA, in particolare le VITAMINE C ed E.

FORZA PROTON-MOTRICE

L’ENERGIA associata al trasporto degli elettroni viene efficientemente CONSERVATA sotto forma di un GRADIENTE DI

PROTONI: + +

NADH + H + ½ O → NAD + H O

2 2

+

E°’ NAD /NADH = -0,320 V ΔE°’ = 1,14 V

E°’ O /H O = 0,816 V

2 2

Reazione fortemente esoergonica (ΔG°’ = -52.11 Kcal/mole di NADH).

→ Gran parte di questa energia viene utilizzata per POMPARE PROTONI dalla MATRICE allo SPAZIO INTERMEMBRANA.

Le proteine della catena di trasporto degli elettroni creano un GRADIENTE ELETTROCHIMICO PROTONICO attraverso uno

dei seguenti MECCANISMI:

• COMPLESSO I, trasportando attivamente 4 protoni attraverso la membrana (meccanismi ancora non ben noti).

• COMPLESSO III, passando gli elettroni al coenzima Q, che preleva 4 protoni dalla matrice.

• COMPLESSO IV, accettando elettroni dal QH e rilasciando 2 protoni nello spazio intermembrana (per molecola di

2

ossigeno ridotta a 2 molecole di H O).

2

L’EQUAZIONE VETTORIALE del processo di trasferimento di una coppia di elettroni all’ossigeno è

+N + +P

NADH + 11H + ½ O → NAD + 10 H + H O

2 2

L’ENERGIA ELETTROCHIMICA contenuta in questo GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE PROTONICA e in questa SEPARAZIONE

DELLE CARICHE rappresenta una temporanea conservazione di gran parte dell’energia liberata dal trasferimento elettronico

→ FORZA PROTON-MOTRICE. +

La membrana mitocondriale interna separa 2 COMPARTIMENTI con una differente [H ]. Il risultato è una differenza sia

CHIMICA (ΔpH) che di DISTRIBUZIONE DI CARICA (Δψ) attraverso la membrana. L’effetto netto è la forza proton-motrice

(ΔG):

MODELLO CHEMIO-OSMOTICO PER LA SINTESI DELL’ATP

1) Il TRASPORTO DI ELETTRONI costruisce una FORZA PROTON-MOTRICE.

2) L’ENERGIA della forza proton-motrice guida la SINTESI DELL’ATP.

Secondo la definizione di Mitchell, sono «CHEMIO-OSMOTICHE» le trasformazioni che comportano simultaneamente 2

eventi: una REAZIONE CHIMICA e un PROCESSO DI TRASFERIMENTO di PROTONI (ACCOPPIAMENTO CHEMIO-OSMOTICO).

L’accoppiamento chemio-osmotico richiede una MEMBRANA con CARATTERISTICHE PARTICOLARI:

• Deve essere CHIUSA e IMPERMEABILE, in modo da mantenere il gradiente generato.

Il gradiente protonico necessario per la sintesi dell’ATP può essere costruito stabilmente attraverso:

– La MEMBRANA PLASMATICA dei BATTERI.

– Le CRESTE della MEMBRANA MITOCONDRIALE INTERNA.

– La MEMBRANA TILACOIDALE dei CLOROPLASTI.

• Deve contenere PROTEINE capaci di ACCOPPIARE il FLUSSO degli elettroni SECONDO GRADIENTE (“downhill”) lungo

la catena respiratoria con il FLUSSO di protoni CONTRO GRADIENTE (“uphill”) attraverso la membrana.

• Deve contenere una PROTEINA che ACCOPPI il FLUSSO dei protoni SECONDO GRADIEN