REAZIONI ACCOPPIATE Una cellula compie lavoro: chimico (sintesi ...

REAZIONI ACCOPPIATE
Una cellula compie lavoro: chimico (sintesi di molecole, quali
costituenti strutturali della cellula, enzimi, etc); di trasporto (pompaggio
di sostanze attraverso la membrana in direzione opposta a quella
spontanea); meccanico (movimenti che coinvolgono il citoscheletro,
contrazione muscolare, etc.)
Per questo lavoro sono necessarie reazioni ENDOERGONICHE ( G+)
A queste reazioni è necessario fornire energia, liberata da processi
ESOERGONICI ( G-), quali quelli catabolici. L’ uso di un processo
esoergonico per fornire energia ad uno endoergonico è detto
accoppiamento energetico.
Una molecola nota come ATP (adenosintrifosfato) è la principale
mediatrice degli accoppiamenti energetici nelle cellule.

anidride
legame fosfoanidridico

L’ ATP ha un alto potenziale di trasferimento del gruppo fosforico:
cioè, le reazioni di trasferimento del gruppo fosforico dell’ ATP
sono molto esoergoniche:
ATP + H 2O —> ADP + P i
G° = -7,3 kcal/mol
Ciò accade perché i prodotti dell’ idrolisi sono più stabili dell’ ATP:
quando un sistema cambia nella direzione di una maggiore stabilità,
il cambiamento è esoergonico.
La maggiore stabilità dei prodotti dell’idrolisi rispetto all’ ATP è
dovuta a due fattori:
-la repulsione fra le cariche negative dei gruppi fosfato dell’ ATP;
-la migliore stabilizzazione per risonanza dei prodotti dell’ idrolisi
rispetto al legame fosfoanidridico

LA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Nelle diverse vie cataboliche, attraverso
reazioni di ossido-riduzione, dalle
molecole catabolizzate vengono presi
ELETTRONI, che vengono dati al NAD o
al FAD (che diventano, rispettivamente,
NADH + H + e FADH 2)
Gli ELETTRONI devono quindi giungere
alla CATENA RESPIRATORIA, che si
trova nella MEMBRANA
MITOCONDRIALE INTERNA

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1 - Come arrivano gli elettroni alla catena respiratoria?
Gli elettroni provengono dai coenzimi NAD e FAD, che li
assumono nelle reazioni ossidoriduttive del catabolismo.
Alcune di queste vie cataboliche (in particolare, ciclo di Krebs e
beta- ossidazione degli acidi grassi) avvengono nella matrice
mitocondriale, e dunque da qui gli elettroni hanno facile accesso
ai complessi della catena respiratoria, che si trovano nella
membrana mitocondriale interna.
Altre molecole di NAD ridotto si formano durante il catabolismo
nel citosol. Il NAD non può attraversare la membrana
mitocondriale interna, e dunque gli elettroni vengono trasferiti
attraverso alcuni sistemi di trasporto.

Uno di tali sistemi è la NAVETTA (SHUTTLE) DEL MALATO-
ASPARTATO.
Nel citosol l’ ossalacelato viene ridotto a malato, assumendo gli
elettroni dal NAD ridotto.
Il malato attraversa le membrane mitocondriali e, nella matrice,
viene riconvertito in ossalacetato, con produzione di NAD ridotto,
che porta gli elettroni alla catena respiratoria.
L’ ossalacetato viene poi convertito in aspartato, che può
attraversare le membrane mitocondriali e giungere nel citosol, dove
torna a dare ossalacetato.

Un altro sistema è lo SHUTTLE DEL GLICEROLO-FOSFATO.
Gli elettroni del NAD ridotto presente nel citosol vengono usati
per ridurre il diidrossiacetone fosfato a 3- fosfoglicerolo. Questo
passa la membrana mitocondriale esterna ed arriva a quella
interna.
Sul lato esterno della membrana mitocondriale interna è presente
un enzima che ossida il glicerolo fosfato a diidrossiacetonfosfato.
Gli elettroni vengono presi dal FAD e portati alla catena
respiratoria.
Poi il diidrossiacetone fosfato torna nel citosol.

2 - Come è formata e come funziona la catena respiratoria?
La catena respiratoria è formata da complessi della
membrana mitocondriale interna, che si riducono quando
assumono gli elettroni e si ossidano quando li passano al
complesso successivo. Al termine della catena si trova l’
ossigeno.
I componenti della catena respiratoria sono disposti, nella
membrana mtocondriale interna, con
ELETRONEGATIVITA’ CRESCENTE. Perciò, Il
passaggio degli elettroni attarverso la catena è un processo
ESOERGONICO; l’ energia si libera in varie tappe, e in
ognuna di queste tappe l’ energia liberata consente il
pompaggio di protoni dalla matrice allo spazio
intermembrana.

Complesso I: NADH-CoQ reduttasi. Contiene una molecola
di FMN e sei centri ferro- zolfo. Gli elettroni provenienti dal
NAD ridotto (NADH + H + ) al FMN ed ai centri ferro-zolfo,
per arrivare al COENZIMA Q, detto anche UBICHINONE.
Questo è caratterizzato da una coda idrofobica che lo rende
solubile nel doppio strato lipidico della membrana
mitocondriale interna.
Nel momento in cui gli elettroni vengono trasportati tra i vari
centri redox quattro protoni vengono trasferiti dalla matrice
nello spazio intermembrana.

Complesso II : Succinato- CoQ reduttasi. Questo
complesso è in una posizione particolare rispetto alla catena
respiratoria: non si trova in sequenza dopo il complesso I,
ma opera indipendentemente. Esso, infatti, è costituito da un
enzima, la succinato deidrogenasi, che fa parte di un ciclo
catabolico della matrice, il ciclo di Krebs. Nella sua
costituzione entrano anche alcuni centri ferro-zolfo ed un
citocromo b.
La succinato deidrogenasi trasferisce gli elettroni dal suo
substrato (succinato) al FAD; da qui gli elettroni passano ai
centri ferro-zolfo, al citocromo b (tutti centri redox del
complesso II) ed infine al coenzima Q.
Il coenzima Q, dunque, è un punto di raccolta per elettroni
provenienti da NADH + H + e da FADH 2.

Complesso III: CoQH 2- citocromo c ossidoreduttasi.
Questo complesso passa gli elettroni dal CoQ ridotto al
citocromo c, una proteina non inserita, come le altre della
catena, nella membrana mitocondriale interna, ma
associata (debolmente legata) ad essa nello spazio
intermembrana.
Questo complesso contiene due citocromi b, un citocromo
c 1 ed un centro ferro- zolfo.
Anche a livello del complesso III c’è il passaggio di
protoni dalla matrice allo spazio intermembrana.

Complesso IV: Citocromo c ossidasi.
Attraverso questo complesso gli elettroni passano dal
citocromo c all’ ossigeno molecolare, con formazione di
acqua.
Il complesso contiene i citocromi a ed a 3, oltre a due ioni Cu 2+
che partecipano al processo del trasporto degli elettroni.
Anche a livello del complesso III c’è il passaggio di protoni
dalla matrice allo spazio intermembrana.

3 - Come l’ energia del gradiente elettrochimico (forza
motrice protonica) viene utilizzata per la fosforilazione
dell’ ADP?
I protoni rientrano nella matrice attraverso l’ ATP
SINTETASI. Ciò libera l’ energia del gradiente e l’ energia
liberata consente la reazione di fosforilazione, ad opera
della stessa ATP sintetasi.

L’ ATP sintetasi è una proteina oligomerica complessa:
-una porzione (F 0) , formata da tre catene polipeptidiche
(a, b e c), attraversa la membrana mitoconfdriale interna;
- un’ altra porzione (F 1), formata da cinque catene
poipeptidiche diverse (nel rapporto ) si espande
nella matrice ed è il sito di sintesi dell’ ATP.

Possiamo immaginare l’ ATP sintetasi come formata da
un rotore cilindrico immerso nella membrana
mitocondriale interna, una protuberanza che sporge nella
matrice ed un segmento (stelo) che collega i due.
Quando fluiscono attraverso il cilindro (seguendo
semplicememnte il loro gradiente di concentrazione), gli
H + causano la rotazione del cilindro e dello stelo
collegato.
Lo stelo in rotazione causa una modificazione
conformazionale della protuberanza sporgente che attiva
i siti catalitici.
L’ energia libera rilasciata dal flusso dei protoni viene
sfruttata per consentire le variazioni conformazionali.

Questo meccanismo generale, che accoppia le reazioni
redox della catena di trasporto degli elettroni alla sintesi
dell’ ATP, viene detto CHEMIOOSMOSI (dal greco
osmos= spinta).

Quindi, ricapitolando:
la FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA dell’ ADP ad ATP
avviene nella membrana mitocondriale interna.
Qui, infatti, sono presenti i componenti della CATENA
RESPIRATORIA, cioè molecole attraverso cui vengono
trasportati gli ELETTRONI provenienti dall’ ossidazione
degli alimenti. Tali elettroni giungono infine all’ ossigeno
(O 2) formando H 2O.
Il flusso degli elettroni attraverso le reazioni di ossidoriduzione
della catena respiratoria è un processo
ESOERGONICO. L’ energia liberata consente il pompaggio
di protoni (H + ) dalla matrice allo spazio intermembrana. Si
crea così un GRADIENTE ELETTROCHIMICO (ai cioè, di
carica e di pH) ai lati della membrana mitocondriale interna.

Il GRADIENTE ELETTROCHIMICO ha energia potenziale.
Nella membrana mitocondriale interna c’è il complesso proteico dell’
ATP SINTETASI. Una parte di questo complesso costituisce un
CANALE attraverso cui i protoni accumulatisi nello spazio
intermembrana RIENTRANO NELLA MATRICE.
Tale rientro LIBERA l’ energia potenziale del gradiente.
Questa energia viene utilizzata da altre componenti dell’ ATP
sintetasi per catalizzare la reazione endoergonica:
ADP+ Pi —> ATP

Composti conosciuti come DISACCOPPIANTI
inibiscono la fosforilazione dell’ ADP senza influire
sul trasporto degli elettroni.
Un noto disaccoppiante è il 2,4 dinitrofenolo.Esso è
un agente lipofilico che lega i protoni dello spazio
intermembrana e li rilascia nella matrice, dissipando
così il gradiente.
Alcuni antibiotici, come la valinomicina e la
gramidicina A, sono agenti disaccoppianti.

Nel grasso bruno degli animali che vanno in
letargo è contenuta la TERMOGENINA, una
proteina che costituisce un canale per i protoni
nella membrana mitocondriale interna.
Essa agisce dunque da agente disaccoppiante e l’
energia rilasciata dal trasporto degli elettroni
genera calore.

Considerazioni generali
-Da ogni due molecole di NAD ridotto utilizzate nella
catena si ottiene la riduzione di una molecola di O 2 con
formazione di due molecole di acqua.
-La resa media di molecole di ATP per molecola di
NADH è tra due e tre.
-Poiché gli elettroni del FADH 2 entrano nella catena di
trasporto ad un livello energetico minore rispetto a quello
in cui entrano gli elettroni del NAD ridotto, da ogni
molecola di FADH 2 si ottiene la sintesi di massimo circa
due molecole di ATP.