Catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

L

servono quattro molecole di citocromo C ridotte (quindi anche 4 QH2) che cedano i loro elettroni.

E’ importante che non si stacchino degli intermedi del processo di riduzione dell’ossigeno, ovvero

delle specie reattive pericolose a casa del loro notevole potere ossidante (superossido e perossido),

per cui serve un meccanismo che faccia staccare gli atomi di ossigeno soltanto nel momento in cui

sono stati completamente ridotti ad acqua, altrimenti degli intermedi non saranno ancorati

all’enzima, verranno liberati e creeranno danni.

I due atomi di rame CuA accettano un elettrone in due, in condivisione, dal citocromo c e quindi

diventano + 1,5 ( in realtà sarò uno con 1+ e l’altro con 2+).

-Poi l'elettrone fluisce verso Eme a, Eme a3 e si ferma su CuB.

-Un altro elettrone riduce a3. Il CuB ridotto e il Fe2+ dell’eme a3 ridotto si legano all’ossigeno O 2

22-

formando un ponte perossido (O ).

che

-Arrivano altri due citocromi c che cedono 2 elettroni, che rompono il ponte perossido (legame tra

2+

gli ossigeni) che diventano O- e questi acquistano ciascuno un protone H+ diventando CuB -OH e

+

Fe3 -OH

-aggiunta di altri due H+ provoca il rilascio di acqua.

I 4 protoni di questa reazione provengono esclusivamente dalla matrice per cui il consumo di questi

quattro protoni contribuisce direttamente al gradiente protonico. Altri 4 protoni vengono pompati

dalla matrice al citoplasma per un totale di 8 protoni rimossi dalla matrice

Inibitori della catena di trasporto degli elettroni:

-rotenone e amital bloccano il trasferimento degli elettroni dal complesso I al Coenzima Q, per cui

inibiscono l'utilizzo del NAPH come substrato di partenza

-antimicina A blocca il passaggio degli elettroni dal complesso III al citocromo C

- 3-

-cianuro (CN ) , monossido di carbonio (CO) e azide (N ) bloccano trasporto degli elettroni dal

complesso IV all’ossigeno

La catena di trasporto degli elettroni, se bloccata da questi inibitori, risulta essere divisa in modo

tale che:

-a monte dell'inibitore i complessi risultano essere ridotti

-a valle dell'inibitore i complessi risultano essere ossidati

L'inibizione della catena di trasporto degli elettroni blocca la sintesi dell’ATP in quanto non si

genera la forza protono-motrice

Pericolo: liberazione di specie reattive dell’ossigeno prodotte come intermedi durante la

reazione di ossidazione del citocromo c e quindi riduzione dell’ossigeno.

Principali prodotti:

Il trasferimento di un singolo elettrone all'ossigeno forma l'anione superossido

Il trasferimento di due elettroni forma il perossido che tramite l'assunzione di due protoni

diventa acqua ossigenata.

Nonostante ci siano dei meccanismi di sicurezza per evitare la formazione di questi intermedi

(come esempio la presenza di ferro era nome nella citocromo C ossidadasi) È inevitabile che si

formino piccole quantità di questi intermedi parzialmente ridotti

Nelle cellule esistono sistemi enzimatici che rimuovono i ROS, le specie reattive dell'ossigeno in

grado di danneggiare proteine, DNA, e membrane, provocando una serie di condizioni

patologiche ed invecchiamento

L’enzima più importante che agisce per degradare questi composti tossici, che possono sfuggire

in piccola quantità allo stratagemma della citocromo ossidasi di vincolare gli intermedi al ferro

dell’Eme a3 e al rame del CuB, è la superossido dismutasi.

Rimuove i radicali su perossido, Catalizzando la conversione di due di essi in una molecola di

perossido di idrogeno e in una di ossigeno.

negli eucarioti esistono due forme di questo enzima: una forma contenente manganese

localizzata nei mitocondri e una forma citosolica rame-zinco -dipendente. Questi enzimi

svolgono la reazione di dismutazione con un meccanismo simile.

forma ossidata dell'enzima viene ridotta dal Primo ione

➢La

superossido e si forma ossigeno.

forma ridotta dell'enzima, formata in quella reazione,

➢La

reagisce poi con un secondo ione superossido per formare

perossido, che capta due protoni lungo la via di reazione per

dare perossido di idrogeno.

Il perossido di idrogeno formato dalla superossido dismutasi e

da altri processi viene rimosso dalla catalasi, una eme proteina ubiquitaria che catalizza la

dismutazione del perossido di idrogeno in acqua e ossigeno molcolare.

La superossido dismutasi e la catalasi sono

enzimi molto efficienti la cui velocità limitata

esclusivamente dalla diffusione

Un altro enzima importante nella

degradazione dell’acqua ossigenata è la

glutatione perossidasi.

Altre difese sono le vitamine antiossidanti, E

e C.

In particolare la vitamina E è lipofilica, quindi

svolge un ruolo fondamentale nella difesa

delle membrane dall’ossidazione.

La glutatione perossidasi deve essere ridotta

per funzionare. La riduce il NADPH.

Uno dei benefici a lungo termine dell'esercizio fisico potrebbe essere l'aumentare della quantità

di superossido dismutasi nella cellula. Infatti l'elevato metabolismo aerobico causa un aumento

delle ROS. In risposta la cellula aumenta la sintesi degli enzimi protettivi.

L'effetto globale è una maggiore protezione della superossido dismutasi durante i periodi di

riposo

POMPAGGIO PROTONI

L'energia del gradiente elettrochimico viene utilizzata per formare legami fosfo-anidridici.

Complesso V= ATP sintesi

È localizzato nella membrana mitocondriale interna e ha la funzione di accoppiare l'entrata dei

protoni secondo gradiente elettrochimico (rilasciando energia libera) alla fosforilazione dell’ADP

in ATP (processo endoergonico)-

Ipotesi chemiosmotica di Peter Mitchell del 1961:

Il trasferimento di elettroni attraverso la catena respiratoria provoca il pompaggio di protoni

dalla matrice verso il lato citoplasmatico della membrana mitocondriale (LATO P, positivo)

interna quindi la concentrazione di protoni diminuisce nella matrice e si genera un campo

elettrochimico con il polo negativo verso la matrice.

I protoni refluiscono nella matrice per riequilibrare la distribuzione e tale flusso di protoni

fornisce l'energia per la sintesi ATP

La diversa distribuzione degli elettroni è detta forza motrice protonica. Questa forma di energia

ha due componenti:

-gradiente chimico

-gradiente elettrico (di carica)

Il gradiente chimico può essere rappresentato come gradiente di pH, il gradiente di carica è

generato dalla diversa distribuzione delle cariche (le stesse che formano il gradiente chimico)

Dimostrazione della teoria chemiosmotica:

La batteriodopsina è una proteina di membrana degli alobatteri che pompa protonica se viene

illuminata. Dimostrazione del fatto che la catena respiratoria e L'ATP sintasi sono sistemi

biochimicamente separati, Legati tra loro dalla sola forza protone motrice

La ATPsintetasi è un enzima complesso, di grandi dimensioni, con la forma simile a una sfera

sulla posta all'estremità di un bastoncino:

-il bastoncino È la subunità F , immersa nella membrana mitocondriale interna

0

-la sferula è la subunita F , che sporge nella matrice mitocondriale

1

Nomenclatura tradizionale:

F = zona trans-membrana sito di legame dell'inibitore oligomicina. Contiene il canale dei protoni

0

del complesso

F = sporge nella matrice mitocondriale E qui all'uovo l'attività catalitica della sintasi. Se in forma

1

isolata esprime l'attività ATPasica (può sia sintetizzare che idrolizzare ATP)

Nomenclatura moderna:

F

0

-subunità C presente in più copie, Da 8 a 13, costituite ciascuna da due alfa eliche antiparallele

collegate da un loop. L'associazione laterale di queste forma una struttura ad anello

-subunità A con una sola copia

F

1

-subunità B (b2) dotata di una regione transmembrana e una immersa nella matrice

-complesso alfa3 beta3 (ciambella) ciaostrutture Alfa e beta alternate formare un anello

esamerico, sono omologhe tra loro ma solo le subunità beta partecipano alla catalasi (le

subunità alfa contengono ATP E non partecipano ad alcuna reazione)

-le subunità epsilon e gamma (stelo) collegano (F0 con F1) la subunità C al complesso

Alfa3beta3. Le subunità gamma penetrano nel complesso Alfa3beta3, tramite un alfa elica

rompendo la simmetria dell’esamero Alfa3beta3. Ciascuna subunità beta diventa diversa

integrandosi con una faccia differente dell'elica gamma

-la subunità delta mette in collegamento il complesso Alfa3beta3 con la subunità b2

vedi foto pag478

Altra nomenclatura:

-statore (elementi fissi)= subunità a, b2, delta e Alfa3beta3

-rotore (elementi mobili)= subunità c, epsilon e gamma

Esperimenti hanno dimostrato che si forma facilmente ATP legato all'enzima anche in assenza

Diana forza motrice protonica. Tuttavia ATP non lascia il sito catalitico se non in presenza un

flusso protonico attraverso l’ enzima. Il ruolo del gradiente protonico non è quindi quello di

formare ATP ma di liberarlo dalla sintasi

Le 3 subunità beta della subunità F1 (ciambella alfa3beta3) sono i tre siti attivi dell’enzima,

ognuno dei quali, in ogni istante, svolge una delle tre diverse funzioni. La forza motrice

protonica fa si che i tre siti attivi cambino funzione in sequenza nel momento in cui i protoni

fluiscono attraverso la componente transmembrana dell’enzima.

Ogni subunità beta può catalizzare le tre tappe sequenziali della sintesi dell’ATP cambiando ad

ogni tappa la propria conformazione:

legame dell’ADP e del Pi

1) sintesi ATP (attraverso intermedio pentacovalente)

2) rilascio di ATP e acqua

3)

Le interazioni con e diverse facce della subunità gamma rendono le tre subunità beta NON-

equivalenti.

In ogni momento la subunità beta può esistere in conformazione:

-L, o lassa, che lega ADP e Pi (1)

-T, o tesa, che converte ADP e Pi in ATP (e acqua) ovvero reazione (2)

Queste due conformazioni sono chiuse e non rilasciano i nucleotidi legati, la terza subunità si

trova nella conformazione

-O, o aperta (open), che in grado di legare e rilasciare I nucleotidi adeninici

Il determinante per questo cambiamento di conformazione è la rotazione in senso antiorario

(guardando il complesso dall’alto) della subunità gamma che, ogni 120°, porta al cambio di

conformazione. Ogni subunità passa dalla forma T alla forma O alla forma L senza che mai due

subunità si trovino contemporaneamente nella stessa conformazione. L'ATP può essere

sintetizzato e rilasciato facendo ruotare la subunità gamma nella giusta direzione.

L’ATP si forma in maniera istantanea senza problemi per la formazione del legame fosfo-

anidridico. L