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Fosforilazione ossidativa
NADH+H+ ⇌ NAD+ + 2H++2eH2 ⇌ 2H++ 2e½O2 + 2H++ 2e-H2O + Calore
FADH2 ⇌ FAD + 2H+ + 2e½ O2 + 2H++ 2e-H2O + ATP
1
La fosforilazione ossidativa avviene nella MMI
2
Catena respiratoria (1)
III
I
MMI
II
FADH2
FAD
Complesso I
NADH:ubichinone ossidoreduttasi
o NADH deidrogenasi
NADH+H+
NAD+
IV
E-FMNH2
E-FMN
(2+)
Fe-S(Fe)
(3+)
Fe-S(Fe)
(2+)
Fe-S(Fe)
E-FADH2
Complesso III
Ubichinone:citocromo C
ossidoreduttasi)
QH2
Q
(2+)
Cit b(Fe)
(3+)
Cit b(Fe)
(2+)
Complesso IV
Citocromo ossidasi
(2+)
(2+)
Cit C1(Fe) Cit C(Fe) Cit a(Fe)
(3+)
(3+)
(3+)
Cit C1(Fe) Cit C(Fe) Cit a(Fe)
(+)
Cit a3(Cu)
2H2O
(2+)
Cit a3(Cu) 4H++O2
(3+)
Fe-S(Fe)
E-FAD
Succinato
Fumarato
(Palmitoil-CoA)
(Glicerolo-3 fosfato) *
(Trans -D2-enoil-CoA)
(Diidrossiacetone fosfato) *
Complesso II
•Questa reazione avviene nel lato
citosolico della MMI
3
Catena respiratoria (2)
Dai valori di E°red si nota che solo a livello dei complessi I, III, IV, il passaggio di elettroni può
generare un DG sufficiente per pompare gli elettroni all’esterno della MMI
Potenziali di riduzione standard della catena
respiratoria e dei suoi trasportatori di elettroni
I
Semi-reazione di riduzione
II
FADH2
NAD++ 2e-+2H+ ⇌ NADH + H+
+2H++2e- ⇌
FAD
E-FMN
E-FMNDH2
E-FAD + 2H++2e- ⇌ E-FADH2
Q + 2H++2e- ⇌ QH2
Cit.b (Fe3+) + e- ⇌ Cit.b(Fe2+)
Cit.c1 (Fe3+) + e- ⇌ Cit.c1 (Fe2+)
Cit.c (Fe3+) + e- ⇌ Cit.c (Fe2+)
III
Cit.a (Fe3+) + e- ⇌ Cit.a (Fe2+)
IV
Cit.a3 (Fe3+) + e- ⇌ Cit.a3 (Fe2+)
O2(g) + 4H+(aq) + 4e- ⇌ 2H2O
e°red (V)
-0,32
-0,30
-0,06
+0,05
+0.08
+0.22
+0.25
+0.29
+0.35
+0,82
DG°(Kcal/mol)
~-15 ≡1 ATP
~ -9 ≡1 ATP
~-24 ≡1 ATP
DG°= -nFE°pila
4
Catena respiratoria (3)
E°red NADH/NAD+ = -0,32v
I
II
FADH2
E°red FAD/FADH2 = -0,06v
FAD
III
IV
Il NADH ha un potenziale di
riduzione sufficiente a cedere
elettroni al complesso I della
MMI con attivazione di tre
pompe protoniche (produzione
indiretta di 2,5 molecole di
ATP.
Il FAD avendo un E°red
minore cede elettroni al
complesso II e genera solo
1,5 molecole di ATP.
5
Trasportatori di idrogeni (H+ + e-) (1)
NAD+ + 2e-+ 2H+ ⇌ NADH+H+
NAD+
NADH+H+
La variazione di energia libera che accompagna il
trasferimento di elettroni dal NADH a O2 è pari a ⋍53
Kcal/mol, sufficienti per la biosintesi di 3 mol di ATP
NADH + H+ ⇌NAD+ + 2H+ + 2e½ O2 + 2H+ + 2e- ⇌H2O
E°red NAD+ / NADH+H+ = -0,32 v
E°red O2 / H2O = +0,82 v
NADH + H+ + ½ O2 ⇌NAD+ + H2O
NADH+H+ NAD+
½ O2 H2O
E °pila = E°catodo- E°anodo = 0,82 - (-0,32) = 1,14 v
DG°r= -nFE°pila= -2 (9,65·104c)(1,14v)= -220Kj ⋍ -53Kcal
6
Trasportatori di idrogeni (H+ + e-) (2)
FAD + 2H+ + 2e- ⇌ FADH2
La variazione di energia libera che accompagna il
trasferimento di elettroni dal FADH2 a O2 è pari a ⋍35
Kcal/mol, sufficienti per la biosintesi di 2 mol di ATP
FADH 2⇌FAD + 2H+ + 2e-
E°red FAD/ FADH2= +0,06v
½ O2 + 2H+ + 2e- ⇌H2O
E°red O2 / H2O = +0,82 v
FADH2 + ½ O2 ⇌ FAD + H2O
FADH2 FAD
½ O2 H 2 O
E °pila = E°catodo- E°anodo = 0,82 - (+0,06) = 0,76 v
DG°r= -nFE°pila= -2 (9,65·104c)(0,76)= -147Kj ⋍ -35Kcal
7
I trasportatori di H+ ed e- della catena respiratoria
Centri Fe-S
Ubichinone (Q o coenzima Q)
Gruppi prostetici dei citocromi
8
Il flusso di elettroni nella catena respiratoria
NADHcit
H+
H+
H+
b-ossidazione
acidi grassi
9
La forza motrice protonica
(+)
Forza motrice
protonica
(potenziale
elettrochimico)
(-)
Energia
potenziale
chimica
Energia
potenziale
elettrica
10
Modello chemiosmotico della sintesi dell’ATP
11
Agenti disaccoppianti chimici (1)
Alcune molecole trasportano
H+ dall’esterno all’interno
della MMI annullando così
sia il potenziale chimico che il
potenziale elettrico con
conseguente arresto totale
della sintesi di ATP
Il più noto agente
disaccoppiante di questo tipo
è il 2,4-Dinitrofenolo, usato
in passato come agente
dimagrante; ora ritirato dal
mercato perché cancerogeno
 
12
Agenti disaccoppianti chimici (2)
Altre molecole (ionofori),
trasportano ioni Na+, K+ ecc
attraverso la MMI
annullando così solo il
potenziale elettrico legato al
gradiente ionico, con
conseguente diminuzione
(non arresto totale) della
sintesi di ATP

La valinomicina è un
antibiotico ionoforo in grado
di legare sul lato esterno alla
MMI ioni K+ (formando un
complesso solubile in grado
di attraversare il doppio
strato fosfolipidico) e
rilasciarli sul lato interno
13
Agenti disaccoppianti biologici
F1FO
ATPasi
Termogenina
14
ATP sintetasi (F1FO ATPasi)
Da sola catalizza la reazione inversa
(vedi ATPasi tipo F)
F1
“O” sta per Oligomicina, un potente
inibitore di questa unità
FO
15
I sistemi di trasporto nella MMI (1)
 Traslocasi
per rifornire la matrice
mitocondriale dei substrati (ADP,
Pi) per la sintesi dell’ATP e per la
sua fuoriuscita
Inibita dall’atrattiloside,
un glicoside tossico
prodotto da una specie
di cardo (velenoso per il
bestiame da pascolo)
 Traslocasi del piruvato per il
rifornimento del ciclo di Krebs
ATP sintetasi
Piruvato
traslocasi
(simporto)
-CH -CO-COO
3
--
CH3-CO-COO
16
I sistemi di trasporto nella MMI (2)
Sistema a navetta aspartato-malato per trasportare nel mitocondrio il NADH
citosolico prodotto durante la glicolisi nel fegato, rene e cuore
2,5 ATP
GAP
Pi
Catena
respiratoria
1,3 DPG
17
I sistemi di trasporto nella MMI (3)
Sistema a navetta glicerolo 3-fosfato per trasportare nel mitocondrio il NADH
citosolico prodotto durante la glicolisi nel muscolo e nel cervello
1.5 ATP
18
Regolazione della produzione di ATP
Concentrazioni elevate di ATP
(oppure basse di ADP e AMP)
producono un rallentamento
della glicolisi, dell’ossidazione
del piruvato e dell’ossidazione
dell’acetato attraverso il ciclo di
Krebs e la fosforilazione
ossidativa. Viceversa le
quattro vie accelerano la loro
attività quando vi è un
aumento di ADP e AMP
(eccessivo consumo di ATP).
Con la stessa logica si spiega
l’azione dei livelli di NAD+ e
NADH
19
La catena respiratoria batterica
Questa somiglianza fra i batteri e i
mitocondri è un’ulteriore prova della
probabile origine dei mitocondri da
batteri aerobi nel corso della
evoluzione delle cellule eucariotiche
Equivalente batterico
dell’ubichinone
20
La “turbina a protoni” nei batteri flagellati
21
La funzione dei mitocondri nello stress ossidativo
O2 + 4H+ + 4e- 2H2O
O2 + 2H+ + 2e- H2O2
O2
+ e- O2-
2O2- + 2H+
2 H2 O 2
superossido
dismutasi (SOD)
catalasi
H2 O 2 + O 2
2 H2 O + O 2
22
La funzione dei mitocondri nell’apoptosi
Il citocromo C mitocondriale, quando viene rilasciato nel citosol, partecipa
all’attivazione della caspasi 9, una proteasi coinvolta nella morte cellulare (apoptosi)
23
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