Biochimica

B

centri possono legare una molecola di ossigeno. 73

2. La molecola di ossigeno rimuove un elettrone da ognuno degli ioni nelle vicinanze del

centro attivo, per formare un ponte perossido tra i due centri

3. Altre due molecole di citocromo c si legano e rilasciano elettroni che arrivano al centro

attivo ⁺ ₂

4. La reazione con altri due H favorisce il rilascio di due molecole di H O e riporta l’enzima

alla sua forma iniziale completamente ossidata.

I quattro protoni di questa reazione provengono esclusivamente dalla matrice. Pertanto il consumo

di questi quattro protoni contribuisce direttamente al gradiente protonico.

Il consumo di questi quattro protoni richiede una quantità nettamente inferiore all’energia libera

rilasciata dalla riduzione dell’ossigeno ad acqua.

La citocromo c ossidasi utilizza questa energia per pompare altri quattro protoni dalla matrice al

versante citoplasmatico della membrana nel corso di ogni ciclo di reazione, per un totale di otto

protoni rimossi dalla matrice. L’energia insita nel gradiente protonico verrà usata per sintetizzare

ATP. ₂

DERIVATI TOSSICI DELLA RIDUZIONE DELL’O

₂

La riduzione di O comporta però dei rischi dovuti alle possibili reazioni collaterali come la

₂

riduzione parziale. Il trasferimento di un singolo elettrone all’O genera, infatti, l’anione

superossido, mentre il trasferimento di due elettroni forma il perossido; questi composti sono

potenzialmente molto dannosi e distruttivi.

E’ inevitabile pero che si formino piccole quantità di anione superossido e di perossido di idrogeno,

queste sostanze si chiamano anche specie reattive dell’ossigeno o ROS poiché reagiscono

praticamente con tutte le macromolecole presenti nella cellula, comprese le proteine.

Le strategie difensive messe in atto dalla cellula contro il danno ossidativo dovuto ai rosi consiste

nell’enzima superossido dismutasi, che rimuove i radicali superossido, catalizzando la conversione

di due radicali in una molecola di perossido di idrogeno e una di ossigeno molecolare.

Il perossido di idrogeno che si forma viene rimosso poi dalla catalasi, una eme proteina ubiquitaria.

Altre difese cellulari contro il danno ossidativo comprendono le vitamine antiossidandi E e C e

l’esercizio fisico, che aiuta ad aumentare la quantità di superossido dismutasi nella cellula. 74

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA:

FORZA MOTRICE PROTONICA

Durante il flusso elettronico i protoni vengono pompati dalla matrice mitocondriale verso la parte

esterna della membrana mitocondriale interna creando un gradiente protonico, cioè l’energia viene

trasformata e la nuova energia del gradiente protonico promuove la sintesi di ATP.

SINTESI DELL’ATP

Un complesso proteico localizzato nella membrana mitocondriale interna catalizza la sintesi

dell’ATP, questo complesso è detto ATP sintasi, oppure Complesso V.

Nel 1961 Peter Mitchell formulò l’Ipotesi Chemiosmotica, suggerendo che il trasporto di elettroni e

la sintesi dell’ATP fossero accoppiate da un gradiente protonico attraverso la membrana

mitocondriale interna.

Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena respiratoria provoca il pompaggio di prptoni dalla

matrice verso il lato citplasmatico della membrana mitocondriale interna, quando i protoni

rifluiscono nella matrice il flusso fornisce energia per la sintesi dell’ATP tramite l’ATP sintasi.

Si può pensare a questa forma di energia come suddivisa in gradiente chimico, cioè il pH, e

gradiente di carica.

Entrambe le componenti contribuiscono alla sintesi dell’ATP.

Struttura dell’ATP sintasi

L’ATP sintasi è un enzima di grandi dimensioni con una forma simile a una sferula posta

all’estremità di un bastoncino, localizzata sulla membrana mitocondriale interna.

₀ ₁

Il bastoncino è detto subunità F ed è immerso nella membrana, la sferula è detta subunità F e

sporge nella matrice; è il luogo dove avviene l’attività catalitica della sintasi.

₁ ₃ ₃

La subunità F è composta da cinque tipi di catene polipeptidiche (α , β , γ,δ,ε). Le subunità α eβ

sono disposte in modo alternato a formare un anello esamerico. I siti attivi sono localizzati nelle

subunità β.

Al centro vi è uno stelo centrale formato dalle proteine γ e ε. La subunità γ è costituita da una

₃ ₃

lunga elica superavvolta che si estende nella parte centrale dell’esamero α β .

Ciascuna subunità β è diversa poiché ciascuna interagisce con una differente faccia della subunità

γ.

₀

F è un segmento idrofobico che attraversa la membrana e contiene il canale dei protoni del

complesso. Il canale è formato da un anello che comprende da 10 a 14 subunità c immerse nella

membrana.

Una singola subunità a si lega all’esterno dell’anello.

₀ ₁

F è collegata a F in due modi: per mezzo dello stelo centrale γε e da una giunzione esterna

formata sa subunità a, da due subunità b e dalla subunità δ. 75

Funzionamento dell’ATP sintasi Catalisi Rotazionale

L’ATP sintasi catalizza la formazione dell’ATP da ADP e ortofosfato.

Sull’enzima ci sono tre siti attivi che possono cambiare la loro funzione nel momento in cui il flusso

protonico attraversa il componente dell’enzima.

Possiamo pensare all’enzima come costituito da una parte mobile e da una parte stazionaria:

l’unità mobile, o rotore è l’anello c e lo stelo γε, l’unità stazionaria o statore è composta dalle parti

rimanenti della molecola.

Il meccanismo di modificazione del legame dipende dal flusso protonico e si basa sul fatto che

ogni subunità β possa catalizzare ciascuna delle tre tappe sequenziali attraverso cui si sintetizza

l’ATP, cambiando di volta in volta conformazione.

Le tre tappe sono: il legame dell’ADP e di P , la sintesi dell’ATP e il rilascio dell’ATP.

i

Le tre tappe corrispondono a tre conformazioni dei siti attivi: la conformazione L, o lassa, che lega

ADP e P , la conformazione T o tesa che lega l’ATP e la conformazione O o aperta che libera l’ATP.

i

La rotazione della subunità γ produce l’interconversione delle tre forme convertendo il sito in forma

T nella forma O, quello in forma L in forma T eccetera.

Ogni subunità passa dalla forma T alla forma O e alla forma L senza che due subunità si trovino

mai nella stessa conformazione, questo processo è detto Catalisi Rotazionale.

Flusso dei protoni intorno all’anello

La rotazione della subunità γ è favorita dal flusso dei protoni. Howard Berg e George Oster

₀

intuirono che il meccanismo dipende dalla struttura delle subunità a e c di F .

a prende direttamente contatto con l’anello che attraversa la membrana, formata da 10 a 14

subunità c.

La subunità a ha una forma che comprende due canali idrofilici, che non attraversano

completamente la membrna. I protoni possono entrare nei canali, dove si legano a un residuo di

aspartato presente sulla α-eliche della subunità c.

La subunità c, quindi, ruota nella membrana fino a che l’acido aspartatico non viene a trovarsi

nell’altro semicanale che comunica con la matrice, dove rilascerà il protone.

L’anello c è saldamente legato alle subunità γ e ε e man mano che l’anello ruota anche queste

₃ ₃

subunità ruoteranno all’interno dell’esamero α β , che sarà invece tenuto fermo dalla colonna

estera.

Una rotazione di 120° porta all’intercoversione di conformazione del sito attivo, e ogni rotazione di

360° porta al rilascio di tre molecole di ATP.

Si assume che tre protoni debbano fluire nella matrice per ogni ATP formato, in verità il numero di

protoni è di circa 3,33, poiché gli elettroni provenienti dal NADH pompano un numero sufficiente di

₂

protoni per generare 2,5 molecole di ATP, mentre gli elettroni provenienti dal FADH generano 1,5

molecole di ATP.

Sistemi navetta Sistema navetta del Glicerolo 3-fosfato ⁺

Una delle funzioni della catena respiratoria è quella di rigenerare il NAD . Il NADH come tale non

può entrare nei mitocondri per essere ossidato, per questo motivo sono gli elettroni provenienti dal

NADH e non il NADH stesso a essere trasportato attraverso la membrana mitocondriale. 76

Uno dei modi di trasferire gli elettroni del NADH alla catena di trasporto degli elettroni è il Sistema

di navetta del Glicerolo 3-fosfato che avviene in tre fasi:

1. Trasferimento di una coppia di elettroni dal NADH al diidrossiacetato fosfato formando il

glicerolo 3- fosfato

2. Il glicerolo 3-fosfato viene riossidato a diidrossiacetone fosfato sulla superficie esterna della

membrana mitocondriale interna, la coppia di elettroni viene trasferita al FAD rigenerando

FADH₂ ₂

3. Il FADH trasferisce i suoi elettroni al trasportatore di elettroni Q, che entra ella catena

₂

respiratoria come QH .

Quando il NADH citoplasmatico, trasferito dal sistema navetta viene ossidato dalla catena

respiratoria, si formano 1,5 molecole di ATP anziché 2,5. Il prezzo del trasporto è una molecola di

ATP ogni due elettroni trasportati.

Nel cuore e nel fegato gli elettroni del NADH citoplasmatico vengono trasferiti nei mitocondri dal

Sistema navetta malato-aspartato, costituito da due trasportatori di membrana e quattro enzimi.

Nel citoplasma gli elettroni vengono trasferiti dal NADH all’ossalacetato formando il malato, che

può attraversare la membrana mitocondriale interna grazie a scambi antiportali con lα-

chetoglutarato. ⁺

Successivamente il malato viene riossidato nella matrice dal NAD con formazione di ossalacetato

e NADH.

L’ossalacetato viene convertito in aspartato da una reazione di transaminazione e può essere

trasportato sul versante citoplasmatico della membrana mitocondriale interna in scambio

antiportale con il glutammato.

Il glutammato dona il suo gruppo amminico all’ossalacetato, formando aspartato e α-

chetoglutarato. Nel citoplasma l’aspartato viene poi deaminato e si rigenera ossalacetato.

ATP-ADP translocasi

L’ATP e l’ADP non diffondono liberamente attraverso la membrana mitocondriale interna, uno

specifico trasportatore proteico, l’ATP-ADP translocasi permette alle due proteine di attraversare la

membrana.

E’ rilevante il fatto che il flusso dell’ATP e quello dell’ADP sono accoppiati in un sistema antiportale.

La translocasi contiene un singolo sito di legame per i nucleotidi, che alt