La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa

CATENA RESPIRATORIA (CR)
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA (FO)
scaricato da www.sunhope.it
- Decarb. ossid. piruvato
- β-Ossidazione acidi grassi
- Vie ossidative aa
- Ciclo di Krebs
avvengono tutte nella matrice mitocondriale
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
Ossidazione = Trasporto di eFosforilazione = Formazione di ATP
L'ossidazione e la fosforilazione
sono processi accoppiati:
fosforilazione ossidativa
scaricato da www.sunhope.it
Il potenziale di trasferimento
degli e- (potenziale redox)
2
del NADH e del FADH
potenziale di trasferimento del gruppo fosforico
(potenziale fosforico) dell’ATP
scaricato da www.sunhope.it
La F.O. ha luogo
sulla catena respiratoria localizzata
nella membr. mitoc. interna
scaricato da www.sunhope.it
Il numero e le dimensioni
dei mitocondri, nonchè
lo sviluppo delle creste mitocondriali,
riflettono la capacità ossidativa
dei tessuti
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
Dimensione dei genomi mitocondriali
Rickettsia: un presunto
antenato di tutti
i mitocondri
scaricato da www.sunhope.it
Miocardio
- metabolismo aerobio
- mitocondri grandi e numerosi
- creste molto sviluppate
Muscolo scheletrico
- metabolismo aerobio e anaerobio
- meno mitocondri, più piccoli
- creste poco sviluppate
scaricato da www.sunhope.it
Mitocondri di fegato di ratto
a riposo
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
La CR consiste in
- cinque complessi enzimatici
(I, II, III, IV, V o ATP sintasi)
- due trasportatori mobili
(CoQ e citocromo c)
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
B
I componenti della CR sono orientati secondo il potenziale redox
crescente, che va da valori negativi (NADH) a valori positivi (O2)
scaricato da www.sunhope.it
Un potenziale redox negativo segnala un
-
perdereune
agente
riducente
che positivo
tende asegnala
Un potenziale
redox
-
agente ossidante che tende a captare e
scaricato da www.sunhope.it
A monte del blocco i trasportatori sono ridotti (blu)
A valle del blocco i trasportatori sono ossidati (rosso)
scaricato da www.sunhope.it
PRINCIPALI COMPONENTI DELLA
CATENA RESPIRATORIA
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
Anche se il meccanismo non è completamente
-
chiarito, nel complesso I per ogni 2 e
trasportati
vengono espulsi dalla matrice di 4
+
H.
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
-
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)
scaricato da www.sunhope.it
Struttura del
complesso II
(succinato DH)
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
Coenzima Q citocromo C riduttasi
Omodimero con 11
Differenti polipeptidi
Più importanti
gruppi prostetici:
3 eme, e un centro
2Fe-2S
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
-
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
membrane
Cytochrome oxidase dimer
(PDB file 1OCC)
Il oominio intramembrana della citocromo
ossidasi (complesso IV) consiste in gran
parte di α-eliche transmembrana.
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
Citocromo c ossidasi
Consiste di 13
peptidi
⇓
⇓
2
⇓
Sito di riduzione di O
3 principali gruppi
prostetici
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
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)
scaricato da www.sunhope.it
O2 si mantiene fortemente tra
Fe e Cu prevenendo il rilascio
di pericolosi ossidi
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
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
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it
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.
scaricato da www.sunhope.it
scaricato da www.sunhope.it