CATENA RESPIRATORIA (CR)
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (FO)
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- Decarb. ossid. piruvato
- β-Ossidazione acidi grassi
- Vie ossidative aa
- Ciclo di Krebs
avvengono tutte nella matrice mitocondriale
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In tutte queste vie si formano
2
NADH e FADH che hanno un elevato
potenziale
di trasferimento degli e-
2
Questi e vengono trasportati fino all’O
attraverso una catena di trasporto degli eIl processo
fortemente
esoergonico:
respiratoria
dettaè catena
una parte dell’energia viene usata
per generare ATP
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Ossidazione = Trasporto di eFosforilazione = Formazione di ATP
L'ossidazione e la fosforilazione
sono processi accoppiati:
fosforilazione ossidativa
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Il potenziale di trasferimento
degli e- (potenziale redox)
2
del NADH e del FADH
potenziale di trasferimento del gruppo fosforico
(potenziale fosforico) dell’ATP
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La F.O. ha luogo
sulla catena respiratoria localizzata
nella membr. mitoc. interna
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Il numero e le dimensioni
dei mitocondri, nonchè
lo sviluppo delle creste mitocondriali,
riflettono la capacità ossidativa
dei tessuti
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Dimensione dei genomi mitocondriali
Rickettsia: un presunto
antenato di tutti
i mitocondri
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Miocardio
- metabolismo aerobio
- mitocondri grandi e numerosi
- creste molto sviluppate
Muscolo scheletrico
- metabolismo aerobio e anaerobio
- meno mitocondri, più piccoli
- creste poco sviluppate
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Mitocondri di fegato di ratto
a riposo
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in attività
La membr. mitoc. est. è permeabile alla
maggior parte delle molecole piccole ed agli
ioni, grazie alla presenza di canali proteici
costituiti dalla porina
La membr. mitoc. int. presenta
una permeabilità altamente selettiva
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La CR consiste in
- cinque complessi enzimatici
(I, II, III, IV, V o ATP sintasi)
- due trasportatori mobili
(CoQ e citocromo c)
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I complessi isolati dall'I al IV
catalizzano anche in vitro
trasferimenti di e- da donatori
(NADH o succinato) all‘O2,
mediante alcuni trasportatori
intermedi (Q e cit c).
L’ATP sintasi possiede in vitro
solo un'attività che idrolizza
l'ATP, mentre l'attività
sintetasica è assente
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Composizione dei complessi della catena respiratoria
N. Di
Proteine
Gruppo
Prostetico
Complesso
Nome
Complesso I
NADH
Deidrogenasi
46
FMN,
9 centri Fe-S
Complesso II
Succinato-CoQ
Riduttasi
5
FAD, cit b ,
Complesso
III
CoQ-cyt c
Riduttasi
11
Complesso
IV
Citocromo
Ossidasi
H
cit b , cit b , cit
1
13
L
Rieske
c , Fe-S
3
cit a, cit a ,
A
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B
I componenti della CR sono orientati secondo il potenziale redox
crescente, che va da valori negativi (NADH) a valori positivi (O2)
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Un potenziale redox negativo segnala un
-
perdereune
agente
riducente
che positivo
tende asegnala
Un potenziale
redox
-
agente ossidante che tende a captare e
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A monte del blocco i trasportatori sono ridotti (blu)
A valle del blocco i trasportatori sono ossidati (rosso)
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PRINCIPALI COMPONENTI DELLA
CATENA RESPIRATORIA
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Centri Fe-S
- sono i gruppi prostetici delle proteine
Fe-S (o ferroproteine non eminiche)
- sono presenti nei complessi I, II e III
- il Fe passa ciclicamente da +2 a +3
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Coenzima Q (CoQ, Q, Ubichinone)
O
CH3O
CH3
CH3
CH3
CH3O
(CH2 CH
O
C
coenzyme Q
CH2)nH
H2C
C
C
CH2
H
isoprene
Il Coenzima Q (CoQ, Q, ubichinone) è una molecola fortemente
idrofobica.
Presenta una lunga coda isoprenoide (nell’uomo spesso n = 10).
La coda isoprenoide del coenzima Q10 è più lunga dello spessore del
doppio strato lipidico. Può ripiegarsi per ottenere una struttura
compatta. Si ipotizza che il coenzima Q10 si trovi nel dominio centrale
della membrana tra i due foglietti lipidici.
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Il CoQ
- essendo piccolo ed idrofobico, diffonde
liberamente nel bilayer lipidico
-
-
+
potendo trasportare sia e che H svolge
un ruolo importante nell’accoppiamento tra
flusso elettronico e movimento protonico
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I citocromi sono proteine eminiche che
partecipano a reazioni redox
In essi il Fe passa continuamente durante il
-
trasporto degli e dallo stato di ossidazione
+3 a +2
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Il ferro dell’eme può trasportare un e- con una
transizione fra lo stato ferrico e ferroso:
Fe+++ + e- Fe++
In base agli spettri di assorbimento della
luce si distinguono tre classi: a, b e c
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Le tre classi a, b e c differiscono per
la natura delle catene laterali dell’eme,
nonché per il tipo di legame che lega
l’eme alla parte proteica
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L’eme dei citocromi di tipo a e b è legato
non covalentemente alla parte proteica
L’eme del citocromo c è invece legato
covalentemente attraverso residui di
Cys della proteina
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I citocromi di tipo a e b sono proteine
integrali di membrana
Il citocromo c è invece una proteina
solubile che si lega mediante interazioni
elettrostatiche alla superf. esterna
della membr. mitoc. int.
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COMPLESSO I
NADH +CoQ NAD+ + CoQH2
COMPLESSO III
CoQH2 + cit c (Fe3+) CoQ + cit c (Fe2+)
COMPLESSO IV
cit c (Fe2+) + ½ O2 cit c (Fe3+) + H2O
COMPLESSO II
FADH2 + CoQ FAD + CoQH2
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Struttura della NADH-CoQ ossidoriduttasi
Matrice
EM a risoluzione moderato
Consiste di almeno
46 subunità
NADH è ossidato nel braccio,
e gli elettroni vengono trasferiti
per ridurre il CoQ nella membrana
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Anche se il meccanismo non è completamente
-
chiarito, nel complesso I per ogni 2 e
trasportati
vengono espulsi dalla matrice di 4
+
H.
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Il Complesso I catalizza l’ossidazione del
NADH, con la riduzione del Coenzima Q:
NADH + H+ + Q → NAD+ + QH2
La struttura a livello atomico non è disponibile per l’intero
complesso I, che nei mammiferi include almeno 46 proteine,
inclusi alcuni gruppi prostetici FMN e numerosi centri FeS.
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Il Complesso I presenta una forma ad L
Il dominio periferico, che contiene l’FMN (che accetta 2 edal NADH), protrude nella matrice mitocondriale
I centri ferro-zolfo sono localizzati nel dominio periferico,
dove formano una via per il trasferimento
di e- dall’FMN al coenzima Q.
Si ritiene che il sito di legame per il coenzima Q sia vicino
all’interfaccia tra il dominio periferico e quello
intramembrana.
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I trasferimenti elettronici iniziali sono:
H+
NADH + H+ + FMN NAD+ + FMNH2
FMNH2 + (Fe-S)ox FMNH· + (Fe-S)red +
Successivamente, il centro Fe-S è riossidato dal
trasferimento dell’elettrone al successivo centro
ferro-zolfo.
Gli elettroni attraversano una serie di centri ferrozolfo e sono infine trasferiti al coenzima Q.
Il coenzima Q accetta 2 e- e preleva 2 H+ per QH2.
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Peripheral domain of a bacterial Complex I
I centri ferro-zolfo
sono sono
organizzati come un
filamento e
provvedono una via
per il trasferimento
degli e- dall’FMN
attraverso il
complesso.
A
← FMN
B
← FMN
membrane
domain
↓
← N2
PDB 2FUG
N2, l’ultimo centro ferro-zolfo, cede l’elettrone (uno
alla volta) al carrier mobile coenzima Q.
E’ stato suggerito che il sito di legame per il coenzima
Q sia vicino ad N2 all’interfaccia tra i domini periferico
e di membrana.
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-
Oltre che dal NADH, gli e che arrivano
sul CoQ provengono da
- succinato (succinato DH => complesso II)
- glicerolo 3P (glicerolo 3P DH)
- acil CoA (acil CoA DH)
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Struttura del
complesso II
(succinato DH)
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Il complesso del citocromo bc1 (Complesso III)
è un dimero formato da due monomeri identici
La proteina di Rieske è una variante delle proteine Fe-S:
in esse il Fe è coordinato con due His, non con Cys
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Coenzima Q citocromo C riduttasi
Omodimero con 11
Differenti polipeptidi
Più importanti
gruppi prostetici:
3 eme, e un centro
2Fe-2S
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Il ciclo dell'ubichinone (ciclo Q)
Due molecole di QH2 vengono ossidate a Q
rilasciando 2 H+ per Q (4 H+ in totale) nello
spazio intermembrana
Ciascun QH2 dona un e- (tramite il centro Fe-S)
al cit c1 e un altro (tramite il cit b) a
una molecola di Q riducendola a QH2
in due tappe successive, utilizzando anche
2 H+ prelevati dalla matrice mitocondriale
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Il ciclo Q regola il trasferimento degli
-
e- da un trasportatore a due e (Q) a
-
trasportatori ad un solo e (i citocromi)
e spiega la stechiometria della reazione
+
in cui sono traslocati 4 H per ogni 2 e
trasferiti
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-
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Il citocromo c è una proteina solubile dello
spazio intermembrana: quando il suo gruppo
-
eme accetta un e del complesso III, il cit c
-
si sposta verso il complesso IV per donare l'e
a un centro rameico binucleare di questo enzima
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Il complesso IV (o citocromo ossidasi) trasporta
gli e- dal cit c all‘O2 riducendolo ad H2O
È composto da 13 subunità di cui tre (I, II e III)
sono fondamentali per la funzionalità del complesso,
ma il ruolo preciso della III non è ancora chiaro
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membrane
Cytochrome oxidase dimer
(PDB file 1OCC)
Il oominio intramembrana della citocromo
ossidasi (complesso IV) consiste in gran
parte di α-eliche transmembrana.
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Complesso IV o
citocromo ossidasi
La subunità I contiene un eme a
ed un centro binucleare, Fe-Cu,
3
formato da un eme a e da uno
B
ione rame, Cu
La subunità II contiene un centro
A
binucleare, Cu , formato da due
ioni Cu complessati con gli -SH
di due Cys
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Citocromo c ossidasi
Consiste di 13
peptidi
⇓
⇓
2
⇓
Sito di riduzione di O
3 principali gruppi
prostetici
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Il trasferimento degli e- procede dal cit c
A
al centro Cu , al gruppo eme a, al centro
3
B
2
a -Cu e finalmente all’O
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Complesso IV
Ognuna delle due molecole di cit
c ridotte dona un e- al centro CuA
Da qui gli e- passano attraverso
l'eme a al centro Fe-Cu.
2
3
L‘O ora si lega al gruppo eme a
e viene ridotto nel suo perossido
22-
derivato (O ) dagli e- provenienti
dal centro Fe-Cu.
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Complesso IV
Il rilascio di altri due e- provenienti
22-
dal cit c converte O
in due
2
+
molecole di H O, utilizzando 4 H
“substrato” della matrice mitocondr.
+
Nello stesso momento altri 4 H
vengono pompati dalla matrice
(meccanismo ancora non chiaro)
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O2 si mantiene fortemente tra
Fe e Cu prevenendo il rilascio
di pericolosi ossidi
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Il trasferimento di due e- dal NADH all‘O2
+
2
+
2
NADH + H + ½ O NAD + H O
è una reazione fortemente esoergonica
0
∆G’ = -52.6 kcal/mole
Il reale rapporto [NADH]/[NAD+] è ben al di sopra
dell'unità, e quindi
∆G’ = >> -52.6 kcal/mole
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Una parte di questa energia viene usata per
+
pompare H fuori dalla matrice mitocondriale
Per ogni coppia di e- trasferiti all‘O2,vengono
trasferiti dalla matrice allo spazio intermembrana
+
4 H dal complesso I
+
4 H dal complesso III
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Il pompaggio di H+ determina una differenza sia nella concentrazione
∆pH) sia nella distribuzione delle cariche attraverso la
chimica di H+ (∆
membrana (∆ψ
∆ψ).
∆ψ
Si crea così un gradiente elettrochimico che genera la forza motrice
protonica che porta alla sintesi di ATP.
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