Biochimica Parte 2

I COMPLESSI MITOCONDRIALI CHE COMPONGONO LA CATENA

RESPIRATORIA

Complesso 1

Il primo si chiama NADH Deidrogenasi: è il complesso che cattura il NADH ossia riceve il NADH

ridotto dal ciclo di Krebs dato che sporge verso la matrice mitocondriale che è la sede dove avviene

il ciclo di krebs e dove vengono riversati i NADH. Il complesso 1 ha un sito che interagisce col NADH

legandolo e quindi catturando gli elettroni del NADH avviandoli verso la catena respiratoria. Il

complesso 1 è il più grande (850 kDa) e ha 42 subunità quindi ha tantissime proteine. Tutte queste

sono coinvolte in processi di ossido-riduzione che non si sanno ancora. Solo 14 di queste sono

codificate dal DNA mitocondriale. Inoltre sono presenti gruppi prostetici che sono il FMN (flavin

mononucleotide) che lega il NADH e le proteine ferro-zolfo (Fe-S).

Complesso 2

Si chiama succinato deidrogenasi che è un enzima gia visto nel ciclo di krebs. E' l'unico enzima che

non è libero nella matrice ma legato alla membrana. E' il più semplice (140 kDa e 5 subunità tre

delle quali fondamentali senza subunità prodotte dal DNA mitocondriale) e ha il FAD come principale

gruppo prostetico e anche le Fe-S.

Complesso 3

Si chiama ubichinone citocromo c ossidoreduttasi. Sono presenti oltre alle proteine Fe-S anche i

gruppi EME dato che nella membrana mitocondriale interna ci sono i citocromi (proteine aventi come

gruppi prostetici i gruppi EME con al centro il Fe che può essere bivalente e trivalente alternandosi

tra ossidazione e riduzione). E' un punto delicato della catena respiratoria perchè fino a qui gli

eletroni viaggiano uniti ai protoni ossia a coppie (2 elettroni per volta trasportati dal NAD o FAD). I

gruppi EME invece trasportano 1 elettrone per volta. Ha una massa di 250 kDa con 11 subunità.

Il citocromo c si trova a volte legato al complesso 3 e 4.

Complesso 4

Si chiama citocromo ossidasi. E' il complesso direttamente responsabile del trasferimento degli

elettroni dal citocromo c (accettore finale del complesso 3) fino all'ossigeno (accettore finale del 4).

Esso contiene rame che anch'esso può ricevere elettroni.

Oltre a questi complessi, essi sono correlati con un'altra struttura della membrana mitocondriale

interna: ATP sintasi. Fa parte della fosforilazione ossidativa ossia è la struttura che trasforma l'ADP

in ATP legando il legame anidride tra due fosfati.

Subunità dei complessi e subunità codificate dal

DNA mitocondriale

COMPLESSO 1

Ha questa forma L rovesciata con la punta che si immerge nella matrice mitocondriale avente

affinità col NADH presente nella matrice a cui si lega al coenzima FMN della prima coppia redox che

funge da porta per gli elettroni. (L'FMN non ha il

nucleotide adenilico del FAD per il resto è

uguale). Il percorso degli elettroni nel complesso

1 non è molto conosciuto (per nostra fortuna). Gli

elettroni una volta entrati passando attraverso

numerose tappe, attraverso 5 proteine Fe-S che

si riducono dopo aver legato gli elettroni dell'FMN

quindi almeno 5 ossido-riduzioni. Alla fine del

percorso gli elettroni trovano il componente

addetto al check-out ossia a far uscire gli

elettroni. Questo è il coenzima Q (ubichinone

nella forma ossidata dato che avendo

caratteristiche idrofobiche può muoversi sciallamente nella struttura mitocondriale). Esso prende gli

elettroni che vengono trasferiti dalle Fe-S recuperando anche 2 protoni della matrice mitocondriale

per formare la forma completamente ridotto dell'ubichinone (QH2). Esso esce nel complesso 1

portandosi nello spazio di membrana che non è occupato da complessi multienzimatici.

Mentre si svolge questo trasporto di elettroni nel complesso 1 sulle Fe-S, si ha anche un trasporto

attivo di protoni nello spazio intermembrana (freccia rossa).

Per capire il significato dobbiamo dire che tra il NADH e il coenzima Q c'è un salto di ∆G quindi

potenziale di ossido-riduzione rendendo disponibile una certa quantità di energia libera, utilizzata

per fare lavoro.

Ma che lavoro fa con sta energia libera?

Da un salto di ∆G tra il NADH e QH2 corrisponde il pompaggio contro gradiente di protoni nello

spazio intermembrana.

COMPLESSO 2

Esso è un enzima del ciclo di krebs FAD-dipendente

che lavora sul succinato per produrre fumarato. Lega il

succinato insomma prelevandone due H+.

C'è un citocromo in questo enzima avente un gruppo

EME e a quanto pare sino ad ora l'EME non viene mai

ridotto ossia gli elettroni non passano di qui.

Ci sono le Fe-s che trasferiscono gli elettroni al

coenzima Q quindi anche il 2 da i suoi elettroni al Q

prelevando due protoni dalla matrice. Quindi insomma il

Q preleva 2H+ per potersi unire agli elettroni del

complesso 2. Questi protoni nn sono quelli di prima. Il

complesso 2 non si vede un pompaggio attivo di protoni

che prima avveniva perchè il complesso 2 non

attraversa completamente la membrana ma si appoggia sulla faccia interna e dato che i H+ sono

impermeabili alla membrana non possono andare nello spazio intermembrana.

Il gradiente protonico del complesso 1 è più elevato del gradiente protonico del complesso 2 dato

che non c'è quel pompaggio attivo contro gradiente.

Esistono meccanismi inoltre che collaborano con la catena respiratoria per ridurre il coenzima Q. Il

principale fornitore è il succinato ovviamente ma anche il metabolismo lipidico rifornisce di elettroni

il coenzima Q utilizzando FAD.

Riassunto complesso 1 Riassunto complesso 2

L'eme b del complesso 2 del suo citocromo è quello che apparentemente non viene interessato

perchè gli elettroni provenienti dal succinato passando di fianco. Insomma è li a rompere ri coglioni.

COMPLESSO 3

E' il più complicato. E' caratterizzato dal fatto

che delimita una sorta di cavità (tra le due

componenti verdi) dove è presente il sito attivo.

Contiene proteine Fe-S il cui Fe è legata all'Hys

oltre che alla Cis. Ci sono citocromi bL e bH,

citocromi c1 e c. Le proteine più importanti

sono gli EME del bL e bH, Fe-S e citocromi c e

c1.

Arriva il QH2 completamente ridotto dai 2 complessi precedenti. Esso entra nel complesso cedendo 2

elettroni (freccia blu) trasformandosi in

coenzima Q ossidato perchè i due protoni

presenti nel QH2 vengono spediti nello spazio

intermembrana collaborando a formare il

gradiente protonico. Il coenzima Q riesce dal

complesso 3. Un elettrone va verso l'alto

occupando il primo sito, il secondo non può

seguire questa strada e ne segue un'altra verso

il basso legandosi al primo gruppo EME del

citocromo bL e poi su quello bH. Il primo

elettrone va verso il citocromo c1 cedendolo al

citocromo c ridotto che era quello che trovavamo

sul complesso 3. Quando esso riceve gli elettroni e viene ridotto dal complesso 3 esso rotola sulla

membrana mit. interna ponendosi a contatto sul complesso 4.

L'altro elettrone si dispone sul bH e poi su un altra molecola di Q dando origine a un Q

parzialmente ridotto con un solo elettrone (•Q-). Su questo va a finire un altro elettrone che fa la

stessa strada del primo che deriva da una nuova molecola di QH2 ridotto formando un nuovo QH2

completamente ridotto. Ovviamente l'ingresso di elettroni deve essere regolato per poter ridurre

correttamente nel tempo il coenzima Q. La cinetica della catena respiratoria ovviamente è regolata a

seconda delle esigenze. Quindi dal complesso 3 fuoriesce un coenzima Q e un QH2.

COMPLESSO 4

E' formato da 11 subunità, 3 delle quali si sa a

cosa servono e le altre sono rappresentate dal

colore grigio.

Il citocromo c del complesso 3 riducendosi

abbiamo detto rotola sulla membrana sino al

contatto sul complesso 4 trasportando gli

elettroni. Arrivano sul 4 precisamente 4 molecole

di citocromo c ridotte cedendo 4 elettroni. Alla

fine sull'O vanno a finire 4 elettroni e il

conseguente richiamo di 4 protoni per formare 2

molecole di acqua.

L'entrata di elettroni viene rappresentata dal

centro rame A che è una proteina contenente

rame chelato dall'Hys che si riduce e a sua volta trasferisce gli elettroni all'EME a cedendo gli

elettroni a un centro rame B coordinata ad un altro gruppo eme: EME a3. Sono accettori di elettroni

e li trasferisce poi sull'O2 formando poi 2H2O.

Il funzionamento comunque non è molto noto. Se queste cose non funzionano bene si rischia di

produrre specie reattive dell'O2 elevato e quindi ci devono essere meccanismi che impediscono del

tutto la formazione di essi. Uno d questi è che per arrivare a ridurre l'O2 dobbiamo metterci

frazioni di secondo ossia i 4 elettroni arrivano contemporaneamente quasi.

Si ha anche qui il pompaggio di 4H+ nello spazio intermembrana (freccia rossa). Sono 4H+ perchè

facciamo riferimento a due atomi di ossigeno con formazione di 2H2O.

Riassunto di tutto

Alla fine abbiamo pompato 10/12 H+ creando un certo gradiente protonico nello spazio

intermembrana del mitocondrio. Se non consumassimo ATP il pompaggio continua fino a che esso non

riesce più a superare la forza del gradiente anche se non accade quasi mai perchè si produce

sempre ATP.

Ovviamente se si accumula H+ nello spazio intermembrana, dall'altro lato si accumula OH-

producendo un certo ∆G.

Se gli elettroni sfuggessero porterebbe a

danni ossidativi. Il punto più probabile è a

livello del coenzima Q con formazione di

ossigeno radicalico che da origine all'ossidrile

radicalico e di conseguenza all'acqua ossigenata

ad opera della superossido dismutasi. I danni

ossidativi possono trasformare gli SH delle

proteine in ponti disolfuro modificando la

conformazione della proteina.

Il glutatione ridotto è un tripeptide (uno dei

quali è una cisteina) la quale forma un ponte

disolfuro con un altra molecola di glutatione

ridotto sotto stress ossidativo, formando un

ponte disolfuro riducendo la specie reattiva dell'ossigeno in questione. Infatti l'acqua ossigenata ad

opera della glutatione perossidasi si trasforma in acqua. Il glutatione ossidato si trasforma in forma

ridotta (due molecole di tripeptide) dalla glutatione reduttasi, il quale è un enzima che utilizza il

NADPH che può essere usato dal complesso 1. Se l'enzima ha i due tripeptidi di glutatione con i due

SH liberi allora è allo stato attivo, se si forma un ponte disolfuro allora è inattivo (nella riduzione

dei tioli proteici).

COMPLESSO 5 MULTIENZIMATICO (ATP SINTASI)

Abbiamo un complesso diviso in F1 che sporge nella

matrice mitocondriale e l'Fo che sporge nello spazio

intermembrana ed è il frammento al quale si lega

l'oligomicina. Questo complesso acc