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19 | 1Nelson • Cox, I PRINCIPI DI BIOCHIMICA DI LEHNINGER, Zanichelli editore S.p.A. Copyright © 2014
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
Lo scopo ultimo dei processi metabolici ossidativi è quello di canalizzare l’energia contenuta nello scheletro carbonioso di zuccheri, ac. grassi e amminoacidi nella sintesi di molecole di ATP.
IN CHE MODO?
processi ossidativi catabolici producono NADH e FADH2 (EQUIVALENTI RIDUCENTI)
dalla loro riossidazione si può ottenere l’energia necessaria alla sintesi di ATP.
avviene a carico della catena di trasporto degli elettroni mitocondriale localizzata nella Membrana mitocondriale interna (eucarioti)
o nella Membrana plasmatica (procarioti)
Complesso INADH-deidrogenasi
Complesso IVCitocromo C-ossidasi
Complesso IIICitocromo C-Ubichinolo
-ossidoreduttasi
Complesso IISuccinato-deidrogenasi
NADH e FADH2 si riossidano trasferendo gli e- a centri redox organizzati in complessi
Il flusso degli elettroni lungo la
catena di trasporto è spontaneo, ogni
reazione redoxrisulta esoergonica
La sequenza dei trasportatori lungo la membrana interna mitocondriale non è casuale: sono disposti secondo un ordine di potenziale di riduzione (E0’) crescente, che garantisce un processo redox globalmente esoergonico
NADH + H+ + ½ O2 NAD+ + H2O
ΔG0’complessivo = -nFΔE0’ = -2(96.5)[0.82-(-0.32)] = -220 KJ/mol
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1 :H- trasferito sull’FMN
FMNH2 cede i 2 elettroni 1 alla volta ai centri Fe-S e rilascia 2 H+
alla matrice
NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2
H:- + H+
FMNH2 + Fe+3S FMNH· + Fe+2S1H+ 1e-
FMNH· + Fe+3S FMN + Fe+2S 1H+ 1e-
COMPLESSO I (14>>46 componenti proteiche)(NADH-deidrogenasi o NADH:ubichinone ossidoreduttasi)
I centri Fe-S trasportano solo e-
e solamente 1 alla volta.Sono presenti 8 centri Fe-S che costituiscono un canale per gli e- e li indirizzano all’accettore finale: UBICHINONE
Proviene dai cicli ossidativi
D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A. Copyright © 2007
CENTRI Fe-S (è lo ione ferro che trasferisce l’e- cambiando stato di ossidazione: Fe3+ > Fe2+ )
Fe-S Fe2-S2
Fe4-S4
D. Voet, J.G. Voet, C.W. Pratt, FONDAMENTI DI
BIOCHIMICA 2/E, Zanichelli Editore S.p.A.Copyright © 2007
Nella porzione del complesso integrata nella membrana mit. interna è localizzata una pompa protonica (antiporto H+/Na+).
Attivata da cambiamenti conformazionali associati al flusso di e-
all’interno del complesso proteico.
4H+ vengono traslocati nello spazio intermembranaper ogni NADH che è ossidato
Il complesso I può accettare e- anche dal NADPH (con bassa efficienza). Il NADPH è preferibilmente riossidato in altre vie (biosintesi) o se necessario attraverso una transidrogenasiNADPH + NAD+ NADP+ + NADH Rifornisce la catena di
trasporto mitocondriale
Si dirige al complesso III
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COMPLESSO II (4 subunità proteiche e 5 gruppi prostetici)(Succinato deidrogenasi o Succinato:Ubichinone ossidoreduttasi)
Enzima coinvolto nel ciclo di Krebs, catalizza l’ossidazione del succinato a fumarato a carico del FAD.
Succinato + FAD Fumarato + FADH22H+ 2e-
QH2 Verso il complesso III
Il FADH2 trasferisce i 2 e- 1 alla volta ai centri 2Fe-2S che cedono poi gli e- all’ubichinone (Q) che si riduce a Ubichinolo (QH2) accettando anche 2 H+
dalla matrice.Nel complesso II è presente anche un gruppo eme b che protegge dalla formazione di specie reattive dell’O2 (ROS): “acchiappa e- in fuga”
Il complesso II non è associato ad una pompa protonica, d’altra parte la redox che avviene non libererebbe energia sufficiente ad attivare la traslocazione di H+
La formazione di radicali liberi dell’O2 è frequente durante il trasporto di e-. Sono però vari i meccanismi di difesa dalle specie reattive dell’O2 (ROS).
Altri agenti antiossidanti oltre al glutatione sono l’ac. Ascorbico, le vitamine E, A che agiscono come trappole di radicali liberi.
Nelson-Cox, I principi di Biochimica di Leningher 5/E, Zanichelli Ed. S.p.A. Copyright © 2010
L’ubichinone o coenzima Q rappresenta il punto di raccolta degli e- provenienti dai processi ossidativi catabolici.
β-ossidazione acidi grassi: si producono equivalenti riducenti
di FADH2
(ETF) Flavoproteina trasportatrice di e-
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Sistema navetta glicerolo 3-fosfato (elettroni del NADH citosolico prodotto nella glicolisi)
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COMPLESSO III (11 componenti)(Ubichinolo:citocromo c ossidoreduttasi)
Subunità principali:2 coppie di Citocromo b
(2 gruppi eme: bH e bL)2 coppie di Citocromo C1
(1 gruppo eme c1)2 coppie di ISP
(1 centro 2Fe-2S)
Questi dimeri sono inseriti nella membrana mit. interna.
Citocromo C = accettore finale di e-
È una subunità mobile e solubile, nello stato ossidato si associa al complesso sul lato esterno.
I citocromi hanno come gruppo prostetico dei gruppi eme che coordinano uno ione Fe3+ = centro redox adibito al trasferimento di elettroni
contiene 1 centro 2Fe-2S in cui il Fe è coordinato anche da residui di His
cit c
Eme c1
citocromo c1
citocromo b
Fe-protoporfirina IX (citocromi b, Hb, Mb) Eme c (citocromi c) legato alla proteina con legami tioeteri
Eme a (citocromi a)
Suddivisi in base allo spettro di assorbimento della luce. Hanno potenziali di
riduzione differenti (a seconda delle interazioni stabilite dal Fe
con i residui amminoacidicidella proteina)
Ossidazione del QH2 nel complesso III
A) 1a molecola di QH2 si lega vicino all’eme bL : rilascia 2 elettroni e si ossida a Q liberando 2H+ nello spazio intermembrana
1e- Eme bL Eme bH Q
H+
e-
QH·
1e-ISP (Fe2-S2) Eme c1 Cit c
B) 2a molecola di QH2: rilascia 2 elettroni e si ossida a Q liberando 2H+ nello spazio intermembrana
1e- Eme bL Eme bH
QH2H+
e-
QH·
1e-ISP (Fe2-S2) Eme c1 Cit c
dalla matriceRimane legato nel complesso
Complesso IV
Rilasciato dalla matrice
Complesso IV
Per ogni 2 QH2 riossidati si riforma 1 QH2: complessivamente 2 e- sono trasferiti sul cit. c e 4 H+ sono traslocati nello spazio intermembrana
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COMPLESSO IV (13 subunità) – proteina transmembrana- (citocromo c ossidasi)
Catalizza l’ossidazione del citocromo c e la riduzione dell’O2 ad H2O
Subunità I = 3 centri redox: eme a (Fe3+)eme a3 (Fe3+)CuB
Riduce l’O2
Tutti i centri redox del complesso IV trasferiscono 1 e- per volta. Per ridurre
completamente l’O2 ad H2O occorrono 4 e-
(quindi devono giungere al complesso IV 4 citc ridotti) e 4H+ (sottratti dalla matrice).
Centro binucleare
2H+
2H+ 1 H2O2H+
2CytC2 e-
½ O2Il passaggio di e- attraverso i centri redox libera energia sufficiente da attivare una canale protonico: 2H+ traslocati fuori per ogni ½ O2
che viene ridotto ad 1 H2O
Subunità II = 1 centro redox: CuA (centro binucleare a 2 atomi di rame) riceve e- dal CytCrid
Per ogni NADH riossidato i complessi della catena di trasporto degli e- traslocano 10 H+ nello spazio intermembrana, per ogni FADH2 riossidato sono traslocati 6 H+.
1NADH >>>> 10 H+out >>>> ½ O2 → H2O
1 FADH2 >>>> 6 H+out >>>> ½ O2 → H2O
Nella catena di trasporto sono trasferiti 2 e-
Riduzione completa di O2
2NADH >>>> 20 H+out >>>> O2 → 2H2O Trasferimento di 4 e-
Riduzione completa di O2
2FADH2 >>>> 12 H+out >>>> O2 → 2H2O Trasferimento di 4 e-
I complessi I, III e IV generano un gradiente protonico che è sia un gradiente diconcentrazione [H+] sia un gradiente elettrico. L’energia libera rilasciata dallereazioni redox lungo la catena di trasporto degli e- viene immagazzinata comeFORZA MOTRICE PROTONICA (teoria chemiosmotica di Mitchell)
Spazio intermembrana
Matrice
+ -A cavallo della membrana mitocondriale interna si
stabilisce una differenza di potenziale elettrochimico (differenza di carica e di pH)
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FORZA MOTRICE PROTONICA
I protoni sono spinti a rientrare nella matrice secondo gradiente e ciò rende disponibile energia
libera che viene utilizzata per la sintesi di ATP
La porta d’accesso verso la matrice per i protoni è il canale protonico
dell’ATP-sintasi, l’enzima che sintetizza ATP.