Catena respiratoria

• Catena respiratoria e fosforilazione ossidativa


  Fase finale/conclusione del catabolismo ossidativo
• Catena respiratoria: Dove

  • Membrana mitocondriale interna
• Catena respiratoria: Perché

  • Trasporto equivalenti riducenti all'ossigeno, secondo gradiente elettrochimico e riduzione con formazione di acqua, contemporanea sintesi di ATP
• H2O e CO2 sono lo scarto metabolico
• Catena respiratoria: Come

  1. Il potere riducente passa attraverso una serie di trasportatori che alla fine lo convogliano all'ossigeno

  2. Per recuperare l'energia che si libera attraverso il trasferimento di potere riducente (elettroni o H) viene sintetizzato l'ATP con un meccanismo molto complesso
• Architettura

  • La catena di trasporto degli elettroni è composta da 4 complessi e da trasportatori mobili che trasferiscono potere riducente da un donatore a un accettore tramite reazioni redox
• Complessi


  Strutture sovra-molecolari composte da molte proteine
• Coenzimi ridotti che arrivano alla catena respiratoria


  • NADH al complesso 1
  • FADH2 al complesso 2
• Al complesso 3 e al complesso 4 non arrivano più coenzimi
• Complesso 4


  • È quello che riduce l'O2 ad H2O
• Contemporaneamente nei complessi

  Protoni sono trasferiti nello spazio intermembrana generando un gradiente elettrochimico che sarà usato per la sintesi di ATP nel complesso V
• Complessi che sono pompe protoniche

  • Complesso 1
  • Complesso 3
  • Complesso 4
• Trasportatori


  • NAD
  • FMN (flavin mononucleotide) e FAD legati covalentemente alla proteina
  • Proteine con centri Fe-S
  • Coenzima Q (Ubichinone)
  • Citocromi
• Proteine e centri Fe-S


  • Contengono atomi di Fe coordinati ad atomi di S sia legato a Cisteina o S inorganico strutture praticamente cristalline
  • L'atomo di Fe è ossidato o ridotto può cambiare stato di ossidazione in ferro bivalente e trivalente
  • Permettono di trasportare un elettrone alla volta
  • Il Fe è elemento essenziale per la catena respiratoria
• Citocromo C


  104 aminoacidi, 12,4 KDa, molto conservato, molto semplice, di forma globulare ad alfa elica, lega un eme tramite due cisteine contiene un Fe può trasportare 1 elettrone alla volta, è coinvolto nei processi di apoptosi
• Coenzima Q (Ubichinone)


  Benzochinone con lunga catena isoprenica, piccola parte idrofilica a cui è legata una lunga catena idrofobica, trasporta sia protoni che elettroni, atomi di H, importante punto di raccolta di potere riducente che deriva dal catabolismo, per le sue proprietà antiossidanti è usato per il trattamento di patologie cardiache, malattie neurodegenerative e il cancro al seno, il coenzima Q lega anche due protoni in un complesso che si chiama ciclo del coenzima Q
• Complesso I


  • Riceve il NADH, ci sono centri Fe-S e un FMN, ogni molecola di NADH che arriva si forma un ubiquinolo e vengono pompati 4 protoni nello spazio intermembrana, è una pompa protonica, struttura: parte molto grande rivolta verso la matrice, parte transmembrana che è la parte di pompa protonica, 43 subunità e il suo peso complessivo supera un milione di Da è uno dei più grandi della catena, riceve NADH anche dalla beta ossidazione
• Complesso II


  • Succinato deidrogenasi del ciclo di Krebs, costituita da 4 diversi polipeptidi(subunità), trasforma il succinato in fumarato, contiene FAD e due centri Fe-S, si forma FADH2, il potere riducente viene trasferito all'ubichinone che viene ridotto ubiquinolo. Sul coenzima Q convergono anche i FADH2 che derivano dalla beta ossidazione tramite una piccola catena di proteine (3) che in successione trasferiscono il potere riducente del FAD sul coenzima Q
• Come recuperare l'energia liberata

  1. Gran parte dell'energia è stata usata per pompare i protoni dalla matrice allo spazio intermembrana

  2. I trasportatori di elettroni sono disposti secondo una precisa sequenza, in modo che ciascun trasportatore lungo la catena abbia un potenziale redox standard (E°) crescente indicante una maggiore tendenza a ridursi, ossia a ricevere elettroni

  3. Il potenziale redox si calcola dall'inizio alla fine della catena
• Complesso IV

  È responsabile della reazione finale di tutto il metabolismo ossidativo, riducendo l'ossigeno ad acqua
• Per ridurre l'ossigeno molecolare (O2) servono 4 elettroni in contemporanea, da una molecola di O2 si formeranno due molecole di acqua
• Complesso IV

  È una pompa protonica, pompa i protoni grazie all'energia che ricava dalle ossidoriduzioni interne e pompa due protoni dalla matrice allo spazio tra le membrane
• Con il complesso IV termina la catena di trasporto della catena riducente, l'H2O è il prodotto finale della catena respiratoria
• Recupero dell'energia liberata

  1. Gran parte dell'energia è stata usata per pompare i protoni dalla matrice allo spazio intermembrana

  2. I trasportatori di elettroni sono disposti secondo una precisa sequenza, in modo che ciascun trasportatore lungo la catena abbia un potenziale redox standard (E°) crescente indicante una maggiore tendenza a ridursi, ossia a ricevere elettroni

  3. La forma ridotta di ogni coppia redox cede i propri elettroni alla forma ossidata della coppia redox successiva che, avendo un potenziale maggiore è più "avida" di elettroni

  4. Alla fine di questa scala in discesa abbiamo l'O molecola che attira gli elettroni, potenziale redox molto più positivo

  5. Se calcoliamo la differenza del potenziale redox tra NAD/NADH e O2/H2O troviamo una differenza di potenziale di 1,23 volt

  6. Tutta questa energia non si può liberare in una reazione unica, per questo abbiamo varie reazioni

  7. Per un ATP servono 30kJ/mol, quindi possiamo sintetizzare idealmente 7 ATP ma la resa non sarà mai del 100% (c'è perdita sottoforma di calore)

  8. Ci sono tre salti energetici: Complesso I tra NADH e citocromo Q, Complesso III tra citocromo Q e C, Complesso IV tra citocromo A e O2

  9. In questi tre punti abbiamo energia necessaria per formare ATP, quindi in questi punti se ne formeranno 3

  10. La sintesi dell'ATP avviene mediante un meccanismo molto complesso che accoppia l'energia liberata nei processi di ossidoriduzione con la sintesi chimica di ATP
• ATP sintasi


  • È molto complesso costituito da molte subunità
  • Boyer e Walker, premio Nobel 1997 processo chemiosmotico di sintesi dell'ATP nella fosforilazione ossidativa
  • È un canale protonico di membrana
  • Contiene un segmento Fo transmembrana che è un canale protonico e permette il passaggio dei protoni
  • La membrana mitocondriale interna è impermeabile ai protoni, non possono rientrare nella matrice si forma un gradiente di carica e di concentrazione a cavallo della membrana
  • Sulla membrana mitocondriale interna preme un gradiente elettrochimico di protoni, passano attraverso l'ATP sintasi che è un canale protonico
  • F1 è unito a Fo tramite un collo in grado di ruotare, si mette in movimento quando passano i protoni all'interno del segmento Fo
  • Il movimento di questo segmento crea dell'energia cinetica che verrà trasferita alla parte catalitica dell'enzima dove avverrà la sintesi dell'ATP
  • Fo è unito a F1 anche tramite la subunità b
  • L'ATP sintasi contiene una parte che sporge nella matrice mitocondriale F1, è costituita da due tipi di subunità: α e β, sono quelle catalitiche dove l'ADP verrà unita al fosfato per formare ATP
  • Il movimento del collo fa sì che le subunità catalitiche in F1 passano da una conformazione che lega ADP a una più affine all'ATP che viene poi sintetizzato e rilasciato
  • Quando all'interno della matrice si accumulano concentrazioni molto alte di ATP può funzionare in senso inverso quindi utilizzare l'ATP per pompare indietro protoni, non succede quasi mai in vivo
  • In caso di ischemia non arriva l'ossigeno la catena respiratoria rallenta fino a bloccarsi perché manca l'accettore finale, l'ATP sintasi cominci a utilizzare quel poco ATP che ha in senso inverso determinando un disastro a livello metabolico perché consuma tutta l'ATP della cellula, quindi interviene un inibitore dell'ATP sintasi e si attende la riossigenazione, se non avviene morte cellulare
• Per NADH (+H+) che si riossida in CR si ottengono 3 ATP
• Per FADH2 che si riossida in CR si ottengono 2 ATP
• Dall'ossidazione completa del Glucosio a CO2 e H2O si ottengono 38 ATP
• Dall'ossidazione completa dell'acido palmitico a CO2 e H2O si ottengono 129 ATP
• Disaccoppianti UCP


  Sono molecole che disaccoppiano il flusso di elettroni dalla sintesi dell'ATP, disperdono il gradiente elettrochimico dei protoni offrendo una via alternativa ai protoni per rientrare nel canale mitocondriale, l'energia liberata quando il gradiente protonico viene dissipato attraverso le UCP non viene usata per compiere lavoro biochimico (non sono ATP sintasi), ma dissipata come calore (termogenesi)
• Veleni


  • Cianuro (inibitore selettivo del complesso IV della catena respiratoria)
  • Rotenone (blocca il complesso I)
  • Dinitrofenolo (è un disaccoppiante)
  • Oligomicina (blocca l'ATP sintetasi)
• Tutti questi veleni sono stati usati in laboratorio per studiare i singoli complessi, ruolo importante per capire la struttura della catena respiratoria
• Nel complesso 1 e 2 i coenzimi ridotti vengono ossidati e rimessi in gioco
• L’accettore finale degli elettroni è l’ossigeno molecolare che combinandosi con i protoni forma acqua.
• pompe protoniche 


  Prendono i protoni dalla matrice e contro gradiente li pompano nello spazio tra le due membrane. Fornisce l’energia le reazioni di ossido riduzione che avvengono all’interno dei complessi. è l'energia che era stata immagazzinata nei coenzimi ridotti
• centri Fe-S


  Troviamo zone particolari di alcune proteine dove ci sono cisteine in posizione chiave che legano il ferro
• ciclo del coenzima Q,

  • In questo ciclo si alternano coenzimi Q con elettrone spaiato, coenzima Q con il protone legato all’elettrone, è molto complesso
  • lo scopo finale è passare elettroni al complesso III
• Complesso III


  Il coenzima Q porta il potere riducente al complesso III
• Potere riducente del coenzima Q ridotto

  1. Atomi di H (2) arrivano al complesso III

  2. 2 protoni fuori nello spazio intermembrana

  3. 2 elettroni verso il citocromo C
• Complesso III


  • È un dimero di due complessi identici
  • Ogni complesso è costituito da 11 subunità