Lezione 8: Fosforilazione Ossidativa e Danni da Stress Ossidativo

Fosforilazione Ossidativa - Fase 1: Produzione di Acetil-CoA

LEZIONE 8 FOSFORILAZIONE OSSIDATIVAFase 1 Ammino- Acidi Produzione acidi di acetil-CoA Glucosio grassi Glicolisi Piruvato e complesso della piruvato deidrogenasi e e- CO2 e Acetil-CoA

Fosforilazione Ossidativa - Fase 2: Ossidazione dell'Acetil-CoA

Fase 2 Ossidazione dell'acetil-CoA Citrato Ossalacetato e Ciclo dell'acido citrico e e- CO2 e- CO2 NADH, FADH2 (trasportatori ridotti di e-)

Fosforilazione Ossidativa - Fase 3: Trasferimento degli Elettroni e Fosforilazione Ossidativa

Fase 3 Trasferimento degli elettroni e fosforilazione ossidativa e- 2H+ + 202 Catena respiratoria (trasferimento degli elettroni) H2O ADP + Pi ATP

Respirazione Cellulare e Struttura del Mitocondrio

RESPIRAZIONE CELLULAREATP sintasi (FF1) Membrana esterna Liberamente permeabile a piccole molecole e ioni Creste Membrana interna Impermeabile alla maggior parte delle piccole molecole e degli ioni, compresi gli H+ Contiene: · i trasportatori di elettroni della catena respiratoria (Complessi I-IV) . l'ADP-ATP traslocasi . l'ATP sintasi (F.F1) · altri trasportatori di membrana Matrice Contiene: · il complesso della piruvato deidrogenasi · gli enzimi del ciclo dell'acido citrico · gli enzimi della ß-ossidazione degli acidi grassi · gli enzimi dell'ossidazione degli amminoacidi Ribosomi · DNA, ribosomi Canali di porina · molti altri enzimi · ATP, ADP, P, Mg2+, Ca2+, K+ · molti intermedi metabolici solubili

Mitocondrio: Sede della Fosforilazione Ossidativa

MITOCONDRIO - SEDE DELLA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA Nella matrice mitocondriale, spazio delimitato dalla membrana mitocondriale interna, avvengono tutte le vie di ossidazione delle sostanze nutritive, eccetto la glicolisi che avviene nel citosol. La membrana mitocondriale interna è selettivamente permeabile, questa struttura determina una separazione netta degli intermedi, degli enzimi e dei processi metabolici che avvengono nel citosol da quelli che hanno luogo nella matrice mitocondriale.

Fosforilazione Ossidativa - Teoria Chemiosmotica

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA - TEORIA CHEMIOSMOTICA

1. Il substrato ridotto (combustibile metabolico) dona e -.
2. -I trasportatori di elettroni pompano all'esterno gli H+ quando gli elettroni fluiscono verso l'O2. H+ Trasportatori di elettroni (catena respiratoria) H+ Membrana H+ H+ H+ H+ H+ mitocondriale interna + H+ + H+ e- - H+ - H+ Donatore 02 di e- ridotto (accettore di e-) H+
3. - L'energia generata dal flusso di e- viene immagazzinata sotto forma di potenziale elettrochimico. + - - ATP sintasi + ADP + P. i - H+ - + H+ - - H+ ++ + + + H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ H+ Costituisce il principale processo di sintesi dell'ATP per gli organismi non fotosintetici. Avviene nei MITOCONDRI e coinvolge grandi complessi proteici inseriti nelle membrane mitocondriali interne. Si basa sulla TEORIA CHEMIOSMOTICA che prevede l'esistenza di differenze nella concentrazione dei protoni tra le due facce della membrana per poter mantenere l'energia estratta dalle ossidazioni metaboliche.
4. L'ATP sintasi utilizza il potenziale elettrochimico per sintetizzare ATP. H+ + + - + - + + + + H+ - + I - ATP + H+ H+ H+

Fosforilazione Ossidativa - Teoria Chemiosmotica e Compartimentalizzazione

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA - TEORIA CHEMIOSMOTICA La compartimentalizzazione dei mitocondri permette ad un unico sistema, la CATENA RESPIRATORIA, di accoppiare l'energia delle ossidazioni, conservata nel pool dei coenzimi ridotti prodotti nelle diverse deidrogenazione mitocondriali, alla sintesi di ATP. La particolare impermeabilità della membrana interna mitocondriale consente di mantenere una diversa concentrazione di protoni fra le due facce creando un gradiente protonico. La catena respiratoria consente il trasferimento degli elettroni all'ossigeno con generazione di un gradiente di H+ che si traduce in un elevato potenziale elettrochimico transmembrana in grado di spingere la sintesi di ATP via ATP sintetasi. La compartimentalizzazione dei mitocondri permette inoltre la separazione delle vie cataboliche (prevalentemente nei mitocondri) da quelle anaboliche (prevalentemente citosoliche). Le vie anaboliche richiedono grandi quantitativi di ATP mentre le vie cataboliche producono ATP. Tale compartimentalizzazione previene l'instaurarsi di cicli futili, ovvero cicli che portano complessivamente a dissipazione di energia. Tuttavia, fisiologicamente non vi è una completa eliminazione di tali cicli futili che determinano una dissipazione di energia generando calore. Questo permette la funzione di termogenesi controllata per cui alcune volte l'efficienza del sistema viene abbassata per generare calore.

Catena Respiratoria / Catena di Trasporto degli Elettroni

CATENA RESPIRATORIA/CATENA DI TRASPORTO DEGLI e- Spazio intermembrana 4H+ 4H+ Cyt c IV 202 + 2H+ H2O NADH + H+ NAD+ Succinato Fumarato Matrice 2H+ Glicerolo-3Pi DH Acil CoA DH La funzione della catena respiratoria è quella di utilizzare tutti gli elettroni che arrivano dalle deidrogenasi per ridurre l'ossigeno ad acqua. La fosforilazione ossidativa consiste nella sintesi di ATP accoppiata all'ossidazione degli equivalenti riducenti di NADH e FADH2, ovvero i coenzimi ridotti ad opera delle deidrogenasi, e ricchi di energia derivante dall'ossidazione dei nutrienti. I complessi respiratori sono grossi enzimi costituiti da molte subunità proteiche, in gran parte completamente immersi nella membrana con porzioni che sporgono fuori dalla membrana stessa. I complessi sono concatenati funzionalmente, cioè organizzati, nella cosiddetta catena respiratoria, dal complesso I al complesso IV per garantire un graduale efficiente trasferimento degli elettroni.

Catena Respiratoria - Componenti

Complesso I e Coenzima Q

CATENA RESPIRATORIA - componenti Spazio intermembrana (lato P) Cit c ·(2X) IV 2H+ H+ H+ H+ H+ I II QH2 QH2 QH2 Q Q Matrice (lato N) 2H+ 2H++202 H2O Succinato 2e Fumarato 2H+ NADH + H+ NAD+ Complesso I: il complesso I catalizza l'ossidazione del NADH trasferendo gli elettroni al Coenzima Q ossidato. Questo complesso funziona come pompa protonica, per cui vengono espulsi 4 protoni H+ per ogni coppia di elettroni. Coenzima Q (Q): il coenzima Q o ubichinone viene ridotto con due atomi di H a idrochinone, QH2. Il Q È presente in elevata concentrazione della membrana interna, avendo una lunga catena idrofobica è in grado di navigare nel doppio strato lipidico e raggiungere tutti i complessi. L'idrochinone trasporterà gli elettroni al complesso III. 4H+ III

Complesso II (Succinato Deidrogenasi)

CATENA RESPIRATORIA - componenti Spazio intermembrana (lato P) Cit c e ·(2X) IV 2H+ H+ H+ H+ H+ I II 1 QH2 QHI2 QH2 Q Q Matrice (lato N) 2H+ 5 2H++202 H2O Succinato Fumarato 2H + 2e NADH + H+ NAD+ Complesso II: consiste nella succinato deidrogenasi (VEDI STEP 6 DEL CICLO DI KREBS). È un enzima FAD dipendente, trasferisce gli elettroni dell'ossidazione del succinato a fumarato, al FADH2 il quale a sua volta li trasferisce al coenzima Q, formando idrochinone (QH2). COO FAD FAD H 2 H COO H-C-H C H-C-H C succinato deidrogenasi TOOC H COO- Succinato Fumarato AG'º = 0 kJ/mol 4H+ III

Complesso III e Citocromo c

CATENA RESPIRATORIA - componenti Spazio intermembrana (lato P) Cit c e ·(2X) IV 2H+ H+ H+ H+ H+ I II 1 QH2 QH2 QH2 Q Q Matrice (lato N) 2H+ 2H++ 202 H2O Succinato 2e Fumarato 2H+ NADH + H+ NAD+ Complesso III: contiene due citocromi c, ed ossida l'idrochinone, ovvero trasferisce gli elettroni che prende dall'idrochinone al citocromo c. Anche in questo caso il complesso III funge da pompa protonica trasferendo 4 protoni H+ verso l'esterno. Citocromo c: è un piccolo peptide libero nello spazio intermembrana che trasporta gli elettroni al complesso IV o citocromo ossidasi. 4H+ III

Complesso IV (Citocromo c Ossidasi)

CATENA RESPIRATORIA - componenti Spazio intermembrana (lato P) Cit c e- ·(2X) IV 2H+ H+ H+ H+ H+ I II QH2 QH2 QH2 Q Q Matrice (lato N) 2H+ 2H++ 202 H2O Succinato 2e Fumarato 2H + NADH + H+ NAD+ 4H+ III 1 Complesso IV: consiste nella citocromo c ossidasi, contiene due citocromi detti a e a3, è l'unico complesso della catena respiratoria in grado di interagire con l'ossigeno molecolare, O2, ovvero l'accettore ultimo degli elettroni della catena respiratoria, determina la completa riduzione degli elettroni (4H+) a due molecole di H2O. Anche il complesso IV funge da pompa protonica, e ad ogni trasferimento di due elettroni rilascia 2H+ verso l'esterno. 2 NADH + H+ (o 2 FADH2) + O2 -> 2 H2O + NAD+ (o FAD)

Catena Respiratoria - Forza Motrice Protonica

CATENA RESPIRATORIA - forza motrice protonica 2H+ 4H+ Cit c 4H+ Spazio intermembrana + + + + + + + IV + Q + + H2O + Fumarato + Succinato - + ADP+Pi Fo F1 ATP Potenziale chimico ApH (alcalino all'interno) Sintesi di ATP guidata della forza motrice protonica Potenziale elettrico Av (negativo all'interno) I I Tre complessi della catena respiratoria funzionano come pompe protoniche: il complesso I, il complesso III e il complesso IV. Il mantenimento di questo gradiente asimmetrico è dato dalla capacità della membrana di essere impermeabile agli H+. Questo gradiente genera un potenziale di membrana, detta forza motrice protonica di circa 180 mV, quindi molto più alto di quello della membrana plasmatica cellulare che è di circa 60 mV. - H+ - NADH + H+ NAD+ Matrice + + 2 02 + 2H+ +

Complesso V - ATP Sintetasi/ATPasi

COMPLESSO V - ATPsintetasi - ATPasi B 8 B ATP ADP+P Y H+ + + + ++ + + ++ + + Fo - ADP nH+ F + P; ATP L'ATP sintetasi è formata da due componenti distinte; F1, una proteina periferica della membrana, ed F., una proteina integrale della membrana (« o » sta per oligomicina, indicando la sensibilità del complesso a questo farmaco il quale bloccando il rientro dei protoni blocca la sintesi dell'ATP). > F. ha un canale per i protoni attraverso il quale questi ioni possono passare ad una velocità pari a quella del pompaggio mediato dal trasferimento degli elettroni. > F1 invece è in grado di sintetizzare ATP. In assenza di dissipazione del gradiente protonico si ferma la sintesi dell'ATP poiché i due fenomeni sono strettamente collegati. FOSFORILAZIONE: sintesi di ATP. OSSIDATIVA: trasporto di elettroni della catena respiratoria e consumo di O2.

Catalisi Rotazionale dell'ATP Sintetasi

CATALISI ROTAZIONALE DELL'ATPsintetasi Authored by www.mekanizmalar.com Francis Turbine ### # Water Head GDF Suez S H L'ATP sintetasi ricorda nel SUO funzionamento una turbina. Nelle turbine il potente flusso di acqua mette in moto le pale generando corrente elettrica. Nel caso dell'ATPasi il movimento di rientro dei protoni attraverso il canale Fo genera uno stato energizzato della subunità F1 la quale è spinta a far avvenire la reazione di sintesi di ATP da ADP e Pi. Il Pi è presente ad alti livelli nelle cellule, invece la presenza di ADP riflette il consumo metabolico cellulare.