Catena di trasporto degli elettroni Flashcards
Catena respiratoria
Fase finale della respirazione cellulare. Costituita da siti di trasferimento degli elettroni che formano NADH e FADH₂ nella glicolisi e nel ciclo di Kreb. Si ha il trasferimento completo di 24 ELETTRONI derivanti dalla completa ossidazione del glucosio a CO₂ e H₂O (20 e⁻ NADH, 4 e⁻ FADH₂)
Mitocondri
Le reazioni OSSIDORIDUTTIVE avvengono nei MITOCONDRI che sono costituiti da
MEMBRANA ESTERNA: non è selettiva (permeabile)
MEMBRANA INTERNA: selettiva, ci sono proteine di membrana, trasportatori che consentono il passaggio dal citosol alla matrice e viceversa, e le proteine coinvolte nella catena di trasporto degli elettroni
SPAZIO INTERMEMBRANA: tra la membrana interna ed esterna, serve per generare una forza proton motrice che servirà per la sintesi di ATP
MATRICE: enzimi che partecipano al ciclo di Krebs e a reazioni che avvengono nella matrice mitocondriale
CRESTE MITOCONDRIALI: invaginazioni della membrana interna che servono ad aumentare la sua superficie per operare molte funzioni
Componenti che partecipano alla catena
NADH, FADH₂ e FMN. FMN fa parte del complesso I, ha lo stesso anello che accetta elettroni e protoni ma non contiene l’adenosina
CITOCROMI: proteine che hanno gruppo eme
Citocromo b: stesso gruppo eme di Hb e Mb
Citocromo a: struttura identica tranne che per un gruppo aldeidico e una catena idrocarburica
Citocromo c: ha i sostituenti del nucleo tetrapirrolico differenti
PROTEINE FERRO-ZOLFO: contengono Fe che può acquisire o donare elettroni passando da uno stato ridotto a uno ossidato. Il Fe è inserito in un nucleo in cui è legato allo S
Descrizione generale della catena di trasporto
Attraverso la catena di trasporto degli elettroni si verificano una serie di reazioni ossidoriduttive che comportano l’OSSIDAZIONE di NADH e FADH₂. In questo modo i coenzimi diventano disponibili per i processi catabolici e si forma un FLUSSO DI ELETTRONI che arriva all’OSSIGENO.
Si chiama catena di trasporto perché ci sono 4 COMPLESSI che sono il COMPLESSO I, II, III e IV che trasferiscono gli elettroni dall’I al IV generando un flusso di trasferimento di elettroni. I complessi sono coppie redox cioè all’interno di questi complessi ci sono proteine coinvolte in reazioni di ossidoriduzione.
Il trasporto di elettroni e il meccanismo chemiosmotico consentono la produzione di una grande quantità di ATP.
Accanto a questi complessi ci sono due COMPONENTI MOBILI: il COENZIMA Q10 o UBICHINONE che è un componente LIPOSOLUBILE all’interno della membrana interna e il CITOCROMO C che è una proteina IDROSOLUBILE sulla superficie esterna della membrana interna.
Il flusso di elettroni e idrogeno del NADH e del FADH₂ ha una DIREZIONALITA’ perché c’è un gradiente che consente il trasferimento dalle proteine ad ELEVATO POTENZIALE DI RIDUZIONE a proteine che hanno un potenziale di riduzione più BASSO. Questo rende il flusso unidirezionale.
Nello SPAZIO INTERMEMBRANA si crea un GRADIENTE PROTONICO perché i complessi I, III e IV sono POMPE PROTONICHE che durante il trasferimento degli elettroni da un accettore all’altro pompano all’esterno i PROTONI creando un gradiente protonico e una differenza di potenziale. Il gradiente protonico porta ad avere una ELEVATA [H⁺] nello spazio intermembrana e una bassa [H⁺] nella matrice. L’elevata [H⁺] viene utilizzata per la produzione di ATP che avviene nel versante mitocondriale e affinché possa essere utilizzato per i metabolismi deve essere trasportato all’esterno
Complesso I
Pompa protonica costituita da molte subunità in cui c’è l’FMN. Il NADH si OSSIDA sul complesso I cedendo i suoi elettroni all’FMN che si RIDUCE. Dall’FMN gli elettroni arrivano alle proteine Fe-S dove RIDUCONO lo S e poi vengono raccolti dal CoQ che con 2H⁺ presi dal mezzo si RIDUCE a QH₂. Nella porzione integrale di membrana ci sono dei CANALI per H⁺ e per ogni NADH OSSIDATO vengono pompati 4H⁺ nello SPAZIO INTERMEMBRANA
Complesso II
Contiene la SUCCINATO DEIDROGENASI, proteine Fe-S e il CITOCROMO B560 contenente il gruppo eme. NON è una POMPA PROTONICA.
Il FADH₂ si OSSIDA sul complesso II trasferendo i suoi elettroni ai centri Fe-S e poi al FERRO contenuto nell’eme del CITOCROMO B560. Da qui poi arrivano al CoQ che con 2H⁺ si RIDUCE a QH₂
Complesso III
POMPA PROTONICA costituita da un DIMERO formato da MONOMERI IDENTICI (11 subunità ciascuno). Il centro funzionale del monomero è costituito dal CITOCROMO B con i gruppi eme BL e BH, la proteina Fe-S e il CITOCROMO C1 con il gruppo eme. Nello SPAZIO INTERMEMBRANA è presente il CITOCROMO C che fa da PONTE tra il COMPLESSO III e il COMPLESSO IV.
Nel complesso III avviene nel CICLO Q, il trasferimento degli elettroni provenienti dal CoQ.
Il CoQ ha DUE PUNTI DI INGRESSO nel complesso III: LATO P (QP, membrana) e LATO N (QN, matrice).
DUE molecole di CoQ entrano nel complesso III. QH₂ deve cedere 2e⁻ e 2 protoni, ma i 2e⁻ viaggiano separatamente: 1e⁻ RIDUCE il CITOCROMO C e 1e⁻ RIDUCE un CoQ da RICICLARE. I 2 PROTONI vanno nello SPAZIO INTERMEMBRANA.
Un e⁻ segue un percorso attraverso le PROTEINE Fe-S e arriva al CITOCROMO C che viene RIDOTTO e che può ACCETTARE un SOLO E⁻ alla volta perché possiede solo un GRUPPO EME con un SOLO atomo di Fe da RIDURRE.
L’altro E⁻ RIDUCE il CITOCROMO BL poi passa nel CITOCROMO BH e da qui arriva al CoQ RIDUCENDOLO alla forma SEMICHINONICA che deve essere RICICLATA.
Il QH₂ iniziale quindi si OSSIDA e viene RILASCIATO e 2H⁺ vengono pompati nello SPAZIO INTERMEMBRANA.
In un SECONDO COMPLESSO III avviene lo stesso meccanismo che porta alla RIDUZIONE del CITOCROMO C tramite lo spostamento degli e⁻ dal QH₂ che si OSSIDA e RILASCIA 2H⁺ nello spazio intermembrana.
Il RADICALE SEMICHINONICO formato in precedenza nel primo complesso III entra nell’ALTRO COMPLESSO III e riceve l’E⁻ che proviene dal QH₂ che segue il percorso tramite il citocromo bl e bh RIDUCENDOSI a QH₂ che esce nella membrana.
Realtà: QH₂ entra nel complesso III (lato P) e cede gli elettroni al citocromo c e al CoQ ossidato (lato N). Nel momento in cui il sito Qp viene liberato, viene occupato da un altro QH₂ che con un e⁻ riduce il citocromo c e con l’altro completa la riduzione del Q radicalico che si trova in sede nel monomero adiacente.
Questo ciclo permette di ACCUMULARE CITOCROMI C RIDOTTI che trasferiranno ELETTRONI e PROTONI al COMPLESSO SUCCESSIVO
Complesso IV
POMPA PROTONICA costituita da DUE MONOMERI formati da una decina di subunità che fanno da supporto a TRE PROTEINE (I,II e III) che formano un blocco unico che attraversa la membrana. Sul lato EXTRACELLULARE c’è un sito di RICONOSCIMENTO DI LEGAME per il CITOCROMO C.
Nel complesso IV ci sono CENTRI per l’OSSIDORIDUZIONE: sulla PROTEINA II si trova un CENTRO RAME CuA che è il PRIMO ACCETTORE degli E⁻ del citocromo c. Il CuA accoglie 2E⁻ per volta quindi due citocromi c in sequenza trasferiscono i loro 2e⁻ al CuA che si RIDUCE. Il CuA trasferisce gli E⁻ al CITOCROMO A che si trova nella PROTEINA I il quale li trasferisce al CITOCROMO A3 che è legato ad un CENTRO RAME CuB. Da qui gli E⁻ andranno a RIDURRE l’OSSIGENO MOLECOLARE.
Per avere una MOLECOLA D’ACQUA bisogna partire da 1/2O₂ e c’è bisogno di 2H⁺ presi dalla matrice oltre agli elettroni. Contemporaneamente 2H⁺ vengono pompati dalla matrice allo spazio intermembrana
Ipotesi chemiosmotica
A partire da una molecola di NADH si forma una molecola d’acqua e vengono pompati 10H⁺ nello spazio intermembrana. Questi protoni determinano un GRADIENTE DI CONCENTRAZIONE che prevede un’ALTA [H⁺] nello SPAZIO INTERMEMBRANA e una BASSA [H⁺] all’INTERNO. Si crea un POTENZIALE ELETTROCHIMICO tra i due lati della membrana che può essere DISSIPATO facendo entrare i PROTONI nella MATRICE. Questo movimento è a favore di GRADIENTE cioè da una regione dove la [] è maggiore a una regione dove la [] è minore. Quando le DUE [H⁺] si EQUILIBRANO si ricava ENERGIA che viene utilizzata per la SINTESI DI ATP
Complesso V ATP sintasi
E’ la sede dove avviene la FOSFORILAZIONE DI ADP e Pi per formare ATP.
Il COMPLESSO V è costituito da una porzione di membrana che si chiama CANALE F0 e una COMPONENTE F1 che si affaccia sulla matrice.
La componente F0 si trova all’INTERNO della MEMBRANA MITOCONDRIALE. E’ costituita da una PROTEINA A che interagisce con delle ELICHE C e una PROTEINA B2 che si trova in parte nella membrana e in parte nella matrice.
Le ELICHE C sono 10-15 a seconda dell’organismo, hanno una struttura COILED-COIL e ogni SUBUNITA’ è formata da DUE αELICHE legate insieme disposte le une accanto alle altre a formare un ANELLO. All’interno dell’anello c si innesta un’ASTA formata da una SUBUNITA’ γ che interagisce con una SUBUNITA’ ε costituendo lo STELO γε.
Lo stelo γε interagisce con un gruppo di PROTEINE che sono TRE di tipo α e TRE di tipo β (sei subunità α₃β₃). Questa TESTA costituisce la COMPONENTE F1.
La testa α₃β₃ interagisce con l’anello C tramite lo stelo γε.
Una PROTEINA δ LEGA la PROTEINA B2 e insieme MANTENGONO la TESTA α₃β₃.
Il sistema è tenuto insieme perché la proteina b2 da una parte lega la proteina a e dall’altra lega la testa α₃β₃ tramite la proteina δ.
Per cui un movimento della proteina a si riflette sull’anello c che cambiando conformazione riflettono il movimento sullo stelo γε e quindi sulla testa α₃β₃ che subisce un cambiamento conformazionale
Sintesi ATP
La testa α₃β₃ è costituita da tre subunità α che sono di SUPPORTO e tre subunità β che sono CATALITICHE.
Le subunità β presentano contemporaneamente TRE CONFORMAZIONI DIVERSE:
1. Una forma O (OPEN) APERTA nella quale entra l’ADP e il Pi che sono i substrati per la fosforilazione. BASSA AFFINITA’ per i LIGANDI e INATTIVA. Serve per il RILASCIO dell’ATP
2. Una forma L (LOOSE) in cui ADP e Pi sono LEGATI LABILMENTE e NON c’è ATTIVITA’
3. Una forma T (TENSE) che è ATTIVA dove avviene la SINTESI DELL’ATP
Una ROTAZIONE dello STELO γ comporta il CAMBIAMENTO CONFORMAZIONALE delle subunità β che ACCOLGONO ADP e Pi nella CONFORMAZIONE L, SINTETIZZANO ATP nella CONFORMAZIONE T e RILASCIANO ATP nella CONFORMAZIONE O.
La rotazione dello stelo converte le tre subunità nelle tre conformazioni (L diventa T, T diventa O e O diventa L).
Una ROTAZIONE COMPLETA (360°) produce 3 ATP.
La proteina A (componente F0) presenta un CANALE DI INGRESSO per i PROTONI che si trovano in ELEVATA [] nello SPAZIO INTERMEMBRANA.
Il protone che viene inserito in questo SEMICANALE vie trasferito alle ELICHE C.
Le eliche c contengono un residuo di Asp 61 che riceve il protone e si PROTONA diventando ACIDO ASPARTICO. Questo causa un CAMBIAMENTO CONFORMAZIONALE che fa RUOTARE le ELICHE C. In questo modo l’elica c con l’Asp 61 ADIACENTE si trova in prossimità del canale a dove entra un altro protone. Nell’anello c entrano tanti protoni quante sono le eliche e ogni protone che entra sposta in avanti la rotazione del cilindro. Dopo un GIRO COMPLETO del cilindro il PROTONE ESCE dal SEMICANALE DI MATRICE.
Il cilindro ruota in SENSO ORARIO e questo indica la direzione di SINTESI DELL’ATP perché il movimento dei protoni viene dallo spazio intermembrana alla matrice.
L’ATP sintasi ha anche il ruolo opposto di ATPasi ossia l’IDROLISI DELL’ATP. Per questo la ROTAZIONE deve avvenire in SENSO ANTIORARIO quindi i protoni si muovono dalla matrice allo spazio intermembrana
Protoni che occorrono per sintetizzare una molecola di ATP
Una rotazione completa produce 3 ATP.
L’anello c ha 10-15 eliche ognuna delle quali lega e rilascia un protone quindi in un giro completo vengono rilasciati tanti protoni quante sono le eliche (10-15).
Per cui servono 10-15 protoni per produrre 3 molecole di ATP.
Quindi in media servono 4 protoni per sintetizzare 1 molecola di ATP
Accoppiamento
La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa sono accoppiate perché la sintesi dell’ATP richiede il gradiente protonico. Oltre un certo limite non è possibile aumentare il gradiente protonico quindi la catena respiratoria cessa fino a quando non viene consumato il gradiente protonico.
Quindi il modo ottimale di consumare il gradiente protonico è quello di accoppiarlo alla sintesi di ATP quindi alla fosforilazione ossidativa che consuma il gradiente protonico fino a che questo non è più sufficiente per la sintesi dell’ATP e la catena respiratoria può andare avanti
Disaccoppiamento
I disaccoppianti consentono la dissipazione del gradiente protonico senza la produzione di ATP (senza la fosforilazione ossidativa). La dissipazione del gradiente protonico avviene nel tessuto adiposo bruno dove la termogenina UCP1 (uncoupling protein 1) consente il passaggio di protoni dallo spazio intermembrana alla matrice sottraendo i protoni alla fosforilazione ossidativa. L’energia libera si disperde sotto forma di calore
Traslocasi
Una volta che l’ATP è stato prodotto nella matrice viene trasferito al citosol dove avvengono molte reazioni che necessitano di ATP. Il trasporto di ATP avviene tramite un trasportatore di nucleotidi adeninici chiamato TRASLOCASI che lavora in ANTIPORTO con l’ADP. L’ADP deve essere presente nella matrice perché costituisce il substrato per la sintesi di ATP.
Tramite l’antiporto l’ADP entra nella matrice e qui può essere utilizzato per la sua fosforilazione ad ATP e sempre con l’antiporto l’ATP può essere spostato nello spazio intermembrana e poi nel citosol.
Accanto a questo meccanismo per poter sintetizzare ATP serve anche il Pi. Il Pi con un SIMPORTO entra nella matrice insieme a ioni H⁺. Questo consente di avere i due substrati per l’azione dell’ATP SINTASI.
Parte dell’ATP rimane nel mitocondrio dove è indispensabile per tutte le reazioni mitocondriali ma con l’antiporto l’ATP viene trasferito al citosol
