Citologia - mitocondri e produzione di energia

OSSIDO-RIDUZIONE.

Poi sulla membrana interna del mitocondrio il NADH viene

nuovamente ossidato ad NAD+ cedendo ioni H+ che

vengono pompati nello

spazio tra le membrane

mitocondriali; un lungo processo che infine porta legare

ioni H+ all'Ossigeno formando H2O. La nicotinammide

(NAD) è questo anello aromatico nella forma NAD+ è

caricato positivamente, mentre quando subisce una reazione di riduzione acquista 2

elettroni, per bilanciare sia la carica positiva del NAD sia quella del protone H+, formando

quindi il NADH, la reazione è questa:

mentre questa è quella complessiva del ciclo dell'acido citrico, il quale inizia con la

formazione del citrato da cui il ciclo prende il nome, per poi procedere verso altri passaggi

in cui si ha la formazione di CO2 e NADH, in oltre si ha la formazione di energia sotto

forma di GTP, invece che ATP. altre reazioni di riduzione portano alla fuoriuscita di FADH2

da FADH che contribuirà anch'esso alla formazione di gradiente protonico all'interno del

mitocondrio. Vengono prodotte al''interno del ciclo 3 molecole di NADH 2 di FAH2 e 2

molecole di CO2. la reazione chimica è questa: (vedi formula)

Il ciclo dell'acido citrico avviene nella matrice mitocondriale,

quindi quest’ultima si arricchisce di NADH e in parte anche

di FADH2. Sulla membrana mitocondriale interna, poi,

esiste questo complesso chiamato NADH reduttasi (senza entrare nel dettaglio su come

funzioni) in cui fondamentalmente il NADH viene scisso in NAD+ e H+ cedendo 2 elettroni

che aveva assunto, i quali procedono in questo complesso proteico che contiene ferro nel

fare questo avvengono tutta una serie di modificazioni allosteriche che portano al

pompaggio 4 H+ nello spazio intermembrana mitocondriale; quindi il complesso dell'NADH

reduttasi e una pompa a idrogeno. che funziona grazie ai 2 e- dati al NADH che vengono

trasferiti a un nuovo trasportatore che è l'ubiquinone,con sigla "Uq", che è

un coenzima, una molecola liposolubile che, salita all'interno della

membrana mitocondriale interna, viene ridotta per il legame con i 2

e- ,utilizzati per legare 2 H+. L'ubiquinolo continua a spostarsi nella

membrana grazie sempre alla sua natura liposolubile, finché non incontra un nuovo

complesso, anch' esso una pompa idrogeno, chiamata Ubiquinone-citrocromo-c reduttasi

che è composto da un complesso di proteine che prendono il nome di citocromi (cyt-b e

cyt-c1) dove avviene un altro passaggio di e- e questo passaggio favoriscono ancora una

volta il pompaggio di H+ dalla matrice alla spazio intermembrana (in questo caso vengono

pompati 2H+). Lo spostamento di e- viene indicato da queste frecce blu gli e- vengono poi

donati a quest'altra molecola che è il cyt-c questa è una proteina presente nello spazio

intermembrana ed è in grado di interagire sia con il complesso Ubiquinolo-citocromo-c

reduttasi che con l'ultimo complesso di questa catena del trasporto di e- che è la

citocromo-c ossidasi ancora una volta il cyt-c cede e- a due H+ perché si associno con un

atomo di O2, vedete viene indicato 1/2 di una molecola di O2 che si combina con 2H+ e i

2e- che provengono dal cyt-c portando alla formazione di 1 molecola di H2O. Il tutto

ancora una volta porta a una modificazione allosterica e a pompare 2H nello spazio

intermembrana.

La cosa fondamentale è che la membrana interna ed esterna del mitocondrio abbiano

caratteristiche diverse di permeabilità:

la membrana esterna permette l'entrata e l'uscita dei nutrimenti che devono essere

effettivamente utilizzati dalla cellula in effetti è l'unico posto della cellula che possiamo

trovare le porine cioè complessi proteici che fungono da pori non comprovati, viceversa c'è

un controllo molto ferreo del passaggio dei soluti a livello della membrana interna, quindi ci

sono dei trasportatori dei nutrienti e soprattutto la membrana è di per sé impermeabile al

passaggio di ioni H. La complessità di quanto vi ho descritto.

lasciando stare il complesso secondo, che non vi ho descritto, il quale praticamente è

richiesto da una parte del processo,diciamo una variante del processo appena descritto; il

complesso 1,3 e 4 contengono tutti una serie di proteine, sono 46 nel complesso 1 che è

la reduttasi del NADH e dopo di ché sono un pochino più piccoli ma entrambi contengono

atomi di ferro , ioni ferrosi, che consentono di intrappolare momentaneamente gli elettroni,

tramite reazioni di ossido riduzione.

Perché questa catena è così complessa?

E' per quello che vi descrivevo all'inizio di questa lezione e alla fine della

precedente, ovvero quello di trasformare un'energia

immagazzinata, in questo caso dentro in NADH sotto forma di

potenziale ossidativo in energia utile. per fare ciò, con questa serie di

passaggi si cerca di amplificare l'utilizzo di quei due elettroni che sono

stati attaccati al NADH e quindi vi viene mostrato come pian piano si abbia una produzione

del potenziale riducente durante i vari passaggi che culminano alla fine con la produzione

di 1 molecola d'acqua; corrispondentemente anche l'energia immagazzinata tramite

questo NADH in forma di potenziale redox viene via via liberata in termini di formazione di

gradiente di H+ fino appunto ad azzerarsi nel momento in cui si va a formare la molecola

d'acqua. Questa reazione di respirazione è simile come concetto alla combustione di gas

H2, quindi una reazione esplosiva; tutti questi passaggi che abbiamo visto e che portano

alla formazione di molecole d'acqua, altrettanto come lo scoppio di un pallone a idrogeno,

permettono di ottenere energia senza disperderla sotto forma di calore.

Perché infatti avviene lo scoppio tra il gas idrogeno e il gas ossigeno?

Perché tutta l'energia immagazzinata viene rilasciata sotto forma di calore, che è una

forma non utile per un organismo, almeno nella maggior parte dei casi, in quanto a volte la

catena respiratoria può anche funzionare per produrre calore,

ma in forma estremamente controllate. Quindi tutti questi

passaggi servono per rilasciare energia in maniera graduale, in

modo tale da porla rendere utilizzabile.

Come può essere resa tale?

Abbiamo una concentrazione intramembrana, in seguito ai vari

passaggi, di 8H+ il che genera un potenziale di membrana

interna molto elevato, inoltre esiste anche un gradiente di

concentrazione, o se volete un gradiente di pH, che rende la

matrice relativamente BASICA e lo spazio intramembrana ACIDO. Si ha una e vera e

propria differenza di potenziale che non è solo dovuta a una differenza di cariche ma

anche a differenza di concentrazione e quindi si ha un'energia immagazzinata in questa

accumulo di H+ nello spazio intra membrana che alla fine corrisponde a circa 220mV che

è la somma del potenziale elettrico che è di 160mV, dovuto a questo accumulo di cariche

positive all'esterno della matrice e una energia liberabile sempre in mV che è di circa

59mV dovuta alla differenza di pH, la somma è circa

220mV.

A questo punto questo gradiente come può essere

trasformato in ATP che è l'energia utile per la cellula?

L'ATP viene prodotta da una pompa inversa che si chiama

ATP-sintasi; questa è posta sulla membrana mitocondriale interna e facendo entrare H+

nella matrice, produce ATP.

Perché è detta "pompa inversa"?

Una pompa generalmente utilizza ATP per spostare dei soluti contro il loro gradiente di

concentrazione o contro il loro gradiente elettrochimico. In questo caso l'H+ si muove nel

verso favorito dal suo gradiente elettrochimico e questo porta alla formazione di ATP,

perché ricordate le pompe sono enzimi enzimi che nelle condizioni in cui abbiamo parlato

fin ora defosforilano l'ATP ma poiché sono catalizzatori

possono funzionare anche al contrario e favorire la

reazione opposta, in questo caso favorire la formazione di

ATP a partire da ADP e Pi.

Quindi nel complesso la respirazione ossidativa è questo.

ATP-sintasi: una pompa inversa

L’ATP-sintasi è un complesso proteico posto sulla membrana mitocondriale interna che,

facendo entrare ioni idrogeno nella matrice, produce ATP.

Le pompe normalmente usano l’ATP per pompare soluti contro il loro gradiente di

concentrazione chimico.

In questo caso invece, gli ioni idrogeno si muovono nel verso dato dal gradiente

elettrochimico, e questo porta alla formazione di ATP.

Le normali pompe proteiche defosforilano L’ATP per produrre energia, trasformandolo in

ADP + Pi, ma essendo enzimi (e quindi catalizzatori) possono anche presiedere al

processo contrario, ovvero la formazione di ATP a partire da ADP e fosfato, come nel caso

dell’ATP-sintasi.

Questo passaggio consiste in una defosforilazione ossidativa.

L’ATP-sintasi non è presente su tutta la membrana mitocondriale interna, ma si trova solo

sulle creste mitocondriali. Tutti i complessi proteici analizzati si trovano sulle creste

+

mitocondriali perché lo ione H deve accumularsi nello spazio intramembrana, ma se sono

presenti delle porine nella membrana mitocondriale esterna che permettono il passaggio di

+

soluti, lo ione H andrebbe a disperdersi nel citoplasma della cellula.

In realtà lo spazio che è compreso all’interno delle creste mitocondriali, pur essendo in

comunicazione con lo spazio intermembrana, è relativamente isolato da esso: in questo

spazio si accumulano quindi gli ioni idrogeno: per questo tutti i processi della respirazione

avvengono all’interno delle creste.

Struttura e funzionamento dell’ATP-sintasi

Le ATP-sintasi sono anastomizzate tra di loro e sporgono verso la matrice (spazio interno

del mitocondrio) e sono composte da due parti connesse tra di loro e hanno una zona che

sporge nella matrice collegata tramite uno stelo, costituito da una proteina γ, a un disco

interno al doppio strato lipidico.

La pompa funziona mediante un meccanismo a rotazione. La subunità C (il disco su cui si

+

inserisce la subunità γ) contiene diversi domini ripetuti che possono legare gli ioni H che

entrano nella subunità A e sono veicolati verso regioni di legame (è presente un

amminoacido con caratteristiche acide che lega lo ione idrogeno). Tale legame porta a un

cambiamento conformazionale che induce la rotazione del dominio C.

A seguito di tale rotazione la posizione occupata dallo ione idrogeno viene sostituita da

una nuova regione, simile alla prima, ma priva dello ione idrogeno perché, dopo aver

ruotato quasi completamente, tale ione viene liberato dalla “tasca” in cui giaceva, ritorna

alla subunità A e esce nella matrice attraverso un altro dominio.

La rotazione interessa anche la subunit&ag