10. Sistema DI Sintesi DELL\'ATP PDF

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sintesi dell'atp, tappe di reazione...

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Sistema di sintesi di ATP Nel ciclo degli acidi tricarbossilici si produce NADH che è un cofattore ossido riduttivo che possiede elettroni ad elevato potenziale. Questi elettroni si trovano anche nel FADH2. Tali elettroni devono essere tradotti in una forma energetica che possa rendere possibile la produzione di ATP, questa energia deriva energia elettrica Ossia da elettroni. L'NADH presenta elettroni ad alto potenziale, le cariche elettriche H+ sono separate dalle cariche negative interne al mitocondrio della membrana mitocondriale in questo modo in questo modo si viene a creare un gradiente di carica. Oltre che su questa differenza di carica sistema di trasduzione e conservazione di ATP si baaa anche su un complesso proteico che prende il nome di complesso chemiosmotico. Questo complesso è responsabile della respirazione cellulare. Immagine meccanismo chemiosmotico:

Ci sono per questo sistema quattro complessi che sono i complessi della Catena respiratoria, poi via il complesso 5 che è rappresentato dalla ATP sintetasi, ossia l'enzima che sfrutta il gradiente elettrico per sintetizzare ATP. L'energia contenuta sotto forma di elettroni ad alto potenziale nel NADH viene ceduta al complesso uno( NADH deidrogenasi) che lo converte in NAD+, dunque perde questi elettroni sono ceduti ad un secondo substrato che è il coenzima Q. Non è nient'altro che ubichinone, e diventa QH, aspettando un altro giro diventerà poi QH2. Questo processo ovviamente avviene su più stadi se in un unico stadio si produrrebbe tanto calore e dunque buona parte dell'energia verrebbe dispersa. Se non vi fosse questo sistema a gradini da una molecola di NADH si produrrebbe una sola molecola di ATP, invece essendo presente tale sistema ne vengono prodotte tre. L'NADH cede elettroni, questi elettroni non allergia ma soltanto una parte, il coenzima Q si andrà a ridurre e sarà presente ad un livello energetico più basso rispetto al NADH. Verrà recuperata una parte di questa energia che verrà utilizzata per spingere 4 ioni H+ la matrice dello spazio per membrana non primo gradiente che servirà per la sintesi di ATP. Nel complesso due avremmo QH2, gli elettroni al citocromo C, il cui livello energetico è leggermente più basso rispetto al coenzima Q, l'energia recuperata dalla cessione di elettroni viene utilizzata per spingere 4 ioni idrogeno al di fuori. Il citocromo C cD su elettroniche vanno all'ossigeno e altri protoni vengono portati fuori. In questo modo si va a creare un gradiente protonico che è la somma di tutti questi piccoli passi verso la Scarica energetica completa, essendo presenti g l'emissione di calore minima perché ne viene prodotto poco viene recuperata alla fine quasi tutta l'energia sotto forma di gradiente protonico si andrà a creare una forza

elettrochimica che Dipenderà dalla carica elettrica e dalla concentrazione dell'elemento. Gli ioni H+ si andranno ad accumulare all'esterno ed aumentano verso l'esterno e cercheranno di andare dove la loro concentrazione più bassa tuttavia la membrana glielo impedisce, entra così in gioco il complesso 5 che permette il passaggio di genera così energia che viene utilizzata per sintetizzare ATP . Ricordiamo in particolare i gruppi Eme serviranno per far passare gli elettroni attraverso il complesso 5.

I gruppi Eme sono simili a quelli dell' emoglobina e della mioglobina in questo caso servono a consentire il trasferimento di elettroni ad energia più bassa, quindi a far avvenire delle reazioni di ossidoriduzione a carico del ferro il quale passa da uno stato di ossidazione +2 a +3, ha un elettrone nel significa che lo ha lasciato. L'elettrone giunge lo ione ferrico che diventa ferroso il quale lo cederà divenendo di nuovo ione ferrico, gli elettroni che fluiscono attraverso questi ioni passano da stati di ossidazione differenti del ferro e cedono energia che viene acquistata dalla struttura della proteina per spingere i protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Partecipano a queste reazioni gruppi Eme con il ferro, il rame e i centri Ferro zolfo. Presentano 4 residui di cisteina che si trovano Affacciati in una tasca a distanza tale da poter coordinare uno ione ferrico, entrano in gioco anche due atomi di zolfo che interferiscono con gli ioni Ferro, la loro funzione è quella di poter coordinare più di uno ione ferrico e di conseguenza le spese di trasporto elettronico aumenta viene trasportato più di un elettrone.

Nel momento in cui il carbonio passa ad uno stato di ossidazione Maggiore l'energia prodotta da questa reazione viene trasferita agli elettroni che muove acquisiscono una maggiore energia cinetica e dovranno andare su un substrato che consente di accogliere questi elettroni ad energia cinetica Maggiore come il NADH. Dopodiché verranno trasferiti in modo tale che possano perdere energia ed entreranno così nella catena di trasporto degli elettroni Passeranno così al complesso uno hanno accedere energia che passerà attraverso i gruppi eme e attraverso i centri Ferro zolfo, questa energia viene poi presa dal complesso che la utilizzerà per trasportare elettroni contro gradiente di concentrazione. Anticamente si pensava che fornendo elettroni il consumo di ossigeno aumentava, ma questo non era vero in quanto il sito di rilascio degli elettroni troviamo all'interno della matrice ma il NADH non è in grado di attraversare la membrana mitocondriale. Dunque per produrre NADH all'interno dei mitocondri evadare del piruvato che può entrare. I mitocondri così consumavano ossigeno,l'NADH andava catena di elettroni e l'ossigeno li accetta formando H2O. Successivamente si è visto che dando ossido di carbonio, cianuro, antimicina A e rotenone(insetticida)il consumo di ossigeno si interrompeva bruscamente e con le prime 2 sostanze si interrompeva in maniera irreversibile. Con l antimicina A e con il rotenone il consumo di ossigeno si ripristinava dando vitamina C, questa è un riducente ovvero un composto che cede elettroni per questo motivo il processo riprende. Questo perché il blocco era presente a Valle invece se noi andiamo a bloccare L'ultimo passaggio che consiste nella cessione di elettroni all'ossigeno, anche se i processi precedenti funzionano comunque non si potranno portare elettroni ha l'ossigeno. Gli elettroni vengono ceduti al complesso uno della parte interna del mitocondrio dopodiché passano al complesso 3, questo passaggio è catalizzato da una molecola di QH2 che è in grado di muoversi nella membrana non passando attraverso il complesso 2. Giunti al complesso 3 gli elettroni passano al citocromo C che li cede al complesso 4. Saranno presenti Dunque complessi proteici e navette che trasferiscono gli elettroni da un complesso all'altro questi saranno rappresentati dal QH2 che è una molecola organica e dal citocromo C che è una piccola proteina. Il primo presenta una navetta che si sposta nella membrana e deve essere Dunque una molecola liposolubile e quindi idrofobica, il secondo invece risposta nello spazio intermembrana deve essere Dunque una molecola idrosolubile e dunque idrofila in quanto si sposta in uno spazio acquoso. Inoltre che gli elettroni presentano man mano un'energia sempre più bassa, QH2 presenta una energia potenziale Maggiore rispetto al citocromo C che ha un energia potenziale minore in quanto c'è degli elettroni al complesso 4 che poi li porterà all'ossigeno. Dunque avremo un fornitore iniziale elettroni rappresentato dal NADH, due navette portano elettroni attraverso i complessi, ed infine un accettore finale ovvero l'ossigeno. Il complesso 2 che è suicidato deidrogenasi può accettare elettroni In una via alternativa che è quella del FADH2 , cederli soltanto al QH2, giungono così al complesso 4 e presenteranno una energia più bassa. Gli scienziati hanno notato che una somministrazione di ADP+P causa una stimolazione aumentando enormemente il consumo di ossigeno, dando dei disaccoppianti il consumo di ossigeno aumenta anche senza ADP+P. La cessione di energia è accoppiata alla spinta di protoni, infatti gli elettroni possono fluire solo se i protoni e

escono, questi vengono spinti nello spazio intermembrana e si raggiungerà un punto in cui la loro concentrazione aumenterà notevolmente e successivamente dovranno essere spinti contro gradiente ma l'energia necessaria sarà molto più alta dell'energia fornita dagli elettroni. Dunque essendo sufficiente l'energia il consumo di ossigeno si blocca, in condizioni normali dando ADP+P il consumo dipende in quanto essi generano ATP. Questo sistema permette il passaggio dei protoni nella matrice allentando in questo modo il gradiente protonico nello spazio intermembrana, in questo modo l'energia fornita dagli elettroni e di nuovo sufficiente spingere i protoni nello spazio intermembrana. Processi ovvero il trasporto di elettroni è di protoni sono collegati ovvero sono accoppiati. Se noi andiamo a disaccoppiare tale fenomeno faremo entrare protoni andando ad eliminare il gradiente protonico mitocondriale per produrre calore, così facendo abbattiamo un gradiente energetico senza utilizzarlo. Presente un sistema attraverso il quale viene permesso il passaggio di protoni senza utilizzare l'atp sintetasi, questo processo prende il nome di proteina disaccoppiante meccanismo che viene utilizzato nella maniera inversa, viene utilizzato per mantenere costante la temperatura corporea e dunque questo processo entra in gioco nel momento in cui abbiamo freddo. Un disaccoppiante è il dinitrofenolo il quale entra nella matrice fungendo da vettore di protoni. Dunque i mitocondri hanno due membrane: La membrana mitocondriale esterna che è facilmente permeabile a piccole molecole ioni che si muovono liberamente attraverso i canali transmembrana che sono detti porine; La membrana mitocondriale interna è quasi impermeabile a quasi tutti gli ioni e alle piccole molecole compresi i protoni, possono attraversarla solo le specie chimiche che possiedono uno specifico trasportatore inserito nella membrana. In questa struttura Sono presenti anche i componenti della catena respiratoria e il complesso enzimatico che permette di sintetizzare l'atp. I trasportatori consentono il passaggio del piruvato degli acidi grassi e degli amminoacidi o dei loro derivati come gli Alfa- chetoacidici nella matrice mitocondriale dove vengono degradati del ciclo dell'acido citrico. L'ADP fosfato sono anch'essi trasportati all'interno dei mitocondri da specifici trasportatori e contemporaneamente l'atp percorre la via inversa. Gli elettroni sono incanalati verso accessori universali, la fosforilazione ossidativa ha inizio con l'ingresso degli elettroni nella catena respiratoria, questi derivano dall' azione della deidrogenasi, vengono incanalati verso i nucleotidi nicotinammidici (NAD o NADH) o flavinici (FMN o FAD). Tutte le nicotinammide nucleotide deidrogenasi catalizza reazioni irreversibili: Substrato ridotto + NAD+ --> substrato ossidato + NADH + H+ Oppure Substrato ridotto + NADP+ --> substrato ossidato + NADPH + H+ La maggior parte delle deidrogenasi sono specifiche per il NAD, e vengono definite deidrogenasi NAD- dipendenti tieri muovono due atomi di idrogeno dai loro substrati. Di questi viene trasferito sotto forma di ione idruro al NAD, mentre l'altro viene rilasciato nell'ambiente circostante sottoforma di protone. Il NADH e il NADPH sono solubili in acqua e si associano reversibilmente alle deidrogenasi, il primo trasporta gli elettroni delle reazioni cataboliche al complesso della NADH deidrogenasi, il secondo fornisce di elettroni le reazioni anaboliche. Le flavoproteine contengono un cofattore flavinico rappresentato dal FMN o dal FAD, tale cofattore è legato saldamente e in qualche caso covalentemente, il coenzima flavinico ossidato può accettare un elettrone o due elettroni portando la formazione di FADH2 o FMNH2. Il potenziale di riduzione standard di un coenzima flavinico dipende dalla proteina cui associato. Come abbiamo visto gli elettroni passano attraverso una serie di trasportatori nella membrana, la maggior parte dei quali è costituito da proteine integrali di membrana contenenti gruppi prostetici in grado di donare o accettare uno o due elettroni. Nella fosforilazione ossidativa vi sono tre tipi di trasferimento di elettroni: 1) diretto degli elettroni, come nella riduzione del Fe3+ a Fe2+; 2)Trasferimento di un atomo di idrogeno; 3) trasferimento di uno ione idruro. Nella catena respiratoria operano altri tre gruppi di Trasportatori di elettroni che sono: 1)Un chinone idrofobico detto ubichinone; 2)I citocromi; 3)Le proteine Ferro zolfo viste precedentemente.

Vediamo nel dettaglio questi tre gruppi di Trasportatori di elettroni: *L'ubichinone e anche detto coenzima Q, è un benzochinone con una catena laterale isoprenoide molto lunga. Simile all ubichinone è il plastochinone chi è presente nei cloroplasti delle piante e il Menachinone che è presente nei batteri, questi hanno delle funzioni analoghe. L'ubichinone può accettare solo un elettrone trasformandosi in un radicale semichinonico (QH) oppure può accettare due elettroni acquisendo la forma completamente ridotta di ubichinolo (QH2). L'ubichinone ha delle dimensioni molto piccole Inoltre è idrofobico, può agire da Ponte tra Trasportatori di elettroni meno mobili che sono presenti nella membrana. Questa molecola permette il trasporto sia di elettroni che di protoni. Trasporta gli elettroni Dal complesso 1 al complesso 3, essendo una molecola organica può andare incontro a due stati diversi di ossidazione. Quando acquista un elettrone diventa Radicale, quando ne acquista due diventa chinolo questo processo è reversibile. È una molecola estremamente idrofobica e può muoversi all'interno della membrana. In condizioni normali la concentrazione di ubichinone non è un fattore limitante, se le somministriamo di più non si hanno delle modificazioni in quanto la sua concentrazione nel mitocondrio è già sufficiente. se Aggiungiamo ADP e P all'esterno dei mitocondri questi Possono raggiungere la matrice perché le porine ne consentono il passaggio attraverso la membrana mitocondriale esterna in quanto regole hanno un peso molecolare che non supera i 2000 Dalton. La membrana mitocondriale esterna può essere attraversata grazie alle porine tuttavia non riescono poi a passare la membrana mitocondriale interna che assolutamente impermeabile e che non presenta dei pori, riescono a passare solo molecole che presentano un proprio trasportatore, ADP e P sono riconosciuti Tuttavia da due sistemi: l'Adenina nucleotide translocasi e il fosfato traslocasi. Il primo permette il passaggio di ADP e fa uscire ATP. l'ADP3- verrà utilizzato per la sintesi di ATP4- il quale uscirà servirà nel citosol. Questo processo è molto veloce proprio perché l'atp deve essere fornito a tutta la cellula. Il secondo sistema invece serve per il trasporto del fosfato all'interno della matrice, mediante un cootrasporto con un protone, dunque entra una carica negativa H2PO4 e una carica positiva H+.

* i citocromi, sono proteine con capacità di assorbire la luce visibile dovuta al gruppo prostetico Eme che contiene Ferro, nei mitocondri abbiamo tre classi di citocromi: a, b e c. Ogni tipo di citocromo nel suo stato ridotto Fe2+ a tre bande di assorbimento della luce nell' ambito del visibile: La banda con la lunghezza d'onda più lunga e a circa 600 nanometri nei citocromi di tipo A, a circa 560 nanometri nei citocromi di tipo B è a circa 550 nanometri in quelle di tipo c. Il gruppo Eme nei citocromi di tipo A e B è saldamente legato alla proteina ma senza legami covalenti, mentre il gruppo Eme dei citocromi di tipo c è legato covalentemente attraverso residui di cisteina della proteina. Come le flavoproteine, il potenziale di riduzione standard dell'atomo di ferro all'interno del gruppo Eme Dipende dalle sue interazioni con le catene laterali dei residui della proteina e quindi risulta diverso in ogni tipo di citocromo. I citocromi di tipo A e di tipo B ed alcuni di tipo C sono proteine integrali della membrana mitocondriale interna, un'eccezione è il citocromo ci dei mitocondri, il solubile che si legga mediante interazioni elettrostatiche alla superficie esterna della membrana mitocondriale interna. * nelle proteine Ferro zolfo il ferro non è presente all'interno del gruppo Eme, ma è associato ad atomi di zolfo inorganico o ad atomi di zolfo di residui di cisteina della proteina. Un singolo atomo di ferro può essere coordinato con 4 atomi di zolfo di catene laterali di residui di cisteina oppure possono essere molto complessi e contenere da 2 a 4 atomi di ferro. Le proteine Ferro zolfo hanno potenziali di riduzione standard che variano da -0,65mV a +0,65 mV, questo dipende dalle interazioni del ferro con la proteina in cui è inserito. Tutte queste proteine e partecipano a reazioni Redox in cui viene trasferito un elettrone alla volta utilizzando modificazioni dello stato di ossidazione dei loro atomi di ferro, almeno 8 proteine Ferro zolfo sono coinvolte Nel trasferimento mitocondriale degli elettroni. Nella reazione complessiva catalizzata dalla catena respiratoria dei mitocondri gli elettroni passano dal NADH, dal succinato o da qualche altro donatore primario attraverso flavoproteine, ubichinone, proteine Ferro zolfo e citocromi fino ad arrivare all ossigeno. L'ordine dei trasportatori è: NADH--> Q ---> citocromo B --> citocromo C1 --> citocromo C --> citocromo A --> citocromo A3--> O2. Quando viene introdotto l'ossigeno nel sistema la velocità con cui ogni trasportatore verrà riossidato evidenzierà l'ordine con cui entro in relazione i vari trasportatori nella catena respiratoria, il trasportatore più vicino a L'ossigeno presente dunque alla fine della Catena respiratoria i suoi elettroni per primo, mentre il secondo ad essere ossidato sarà il penultimo e così via.

I Trasportatori di elettroni funzionano in complessi multienzimatici: I complessi 1 e 2 trasferiscono elettroni al ubichinone da due donatori differenti il NADH nel complesso 1 il succinato nel complesso 2. Il complesso 3 trasporta gli elettroni dal ubichinone al citocromo C, il complesso 4 completa la sequenza trasferendo gli elettroni dal citocromo all'ossigeno. COMPLESSO I: da NADH a ubichinone

Costituito da 16 subunità, viene anche definito ubichinone ossidoreduttasi o NADH deidrogenasi. È un enzima di grande dimensioni contenente più di 42 catene peptidiche differenti, tra cui la flavoproteina contenente FMN e almeno sei centri Ferro zolfo. È costituito proteine che attraversano la membrana ed hanno una struttura prevalentemente ad Alfa elica. Tale complesso ha una forma ad L, con un braccio immerso nella membrana mitocondriale interna e l'altro orientato verso la matrice. L'NADH rilascia gli elettroni che tramite il passaggio verso i vari complessi che contengono Ferro Perdono una parte della loro energia. l'NADH si lega al complesso al braccio che si affaccia nella matrice, gli elettroni perdo l'energia man mano che passano sui complessi Ferro zolfo e gradualmente si avvicinano alla membrana, questa energia viene poi convertita in un gradiente protonico e dunque rappresenta l'energia utilizzata per il trasporto dei protoni dalla matrice allo spazio per membrana contro gradiente di concentrazione. Il primo accettore di elettroni è la mononucleotide, ovvero il FAD senza adenina, questa presenta un livello energetico leggermente al di sotto del NADH, dopodiché sì andranno alle gare ha dei centri Ferro zolfo ad arrivare al sito di legame del coenzima Q. Una volta compiuti questi passaggi arrivano una serie di informazioni di movimento le strutture ad alfa elica, questa si muove longitudinalmente in entrambi i versi e permette così ai protoni di essere spinti contro gradiente di concentrazione. I protoni si legano a dei residui di lisina presentano un gruppo amminico NH2 che andrà a legare i protoni portando alla formazione di NH3+. Successivamente questi protoni verranno rilasciati dall'altra parte, oltre alle lysine è presente anche il glutammato che effettuerà lo stesso trasporto, tuttavia il glutammato andrà a rilasciare più facilmente i protoni Ecco perché si trova sulla faccia esterna Mentre lì si me si trovano verso la faccia Interna perché tendono allegare di più i protoni. I protoni così vengono presi, trasportati, trasferiti sul glutammato e infine rilasciati. Gli elettroni viaggiano sui centri Ferro zolfo e g...