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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