Biochimica Flashcards

Question

Disegna i coenzimi e i citocromi della fosforilazione ossidativa

Answer 1

COMPLESSO I Il complesso I si chiama NADH ubichinone ossidoreduttasi perché trasferisce elettroni:  dal NADH che si ossida a NAD+ ;  all’ubichinone che si riduce a ubichinolo. Contestualmente a questo trasferimento esoergonico di elettroni si verifica il pompaggio di 4 protoni per ogni coppia di elettroni dalla matrice allo spazio intermembrana, ovvero un trasferimento endoergonico. REAZIONE GLOBALE 𝑵𝑨𝑫𝑯 + 𝑯+ + 𝑪𝒐𝑸 + 𝟒𝑯+(𝒎) → 𝑵𝑨𝑫+ + 𝑪𝒐𝑸𝑯𝟐 + 𝟒𝑯+(c) COMPLESSO II Il complesso II è chiamato succinato ubichinone ossidoreduttasi perché trasferisce gli elettroni:  dal succinato che si ossida a fumarato;  all’ubichinone che si riduce a ubichinolo. REAZIONE GLOBALE è 𝑺𝒖𝒄𝒄 + 𝑪𝒐𝑸 → 𝑭𝒖𝒎 + 𝑪𝒐𝑸𝑯2 COMPLESSO III Il complesso III è chiamato ubichinolo citocromo c ossidoreduttasi perché trasferisce gli elettroni:  dall’ubichinolo, ottenuto dall’attività dei complessi I e II;  al citocromo c, che NON appartiene a nessuno dei complessi. Contestualmente a questo trasferimento esoergonico di elettroni si verifica il pompaggio di 4 protoni per ogni coppia di elettroni dalla matrice allo spazio intermembrana, ovvero un trasferimento endoergonico. 1° semireazione 𝑪𝒐𝑸𝑯𝟐 + 𝑪𝒐𝑸 + 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟑+ → 𝑪𝒐𝑸 + 𝑪𝒐𝑸𝑯. + 𝟐𝑯+ (𝒄) + 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟐+ 2° semireazione 𝑪𝒐𝑸𝑯𝟐 + 𝑪𝒐𝑸𝑯. + 𝟐𝑯+(𝒎) + 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟑+ → 𝑪𝒐𝑸 + 𝟐𝑯+(𝒄) + 𝑪𝒐𝑸𝑯𝟐 + 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟐+ REAZIONE GLOBALE 𝑪𝒐𝑸𝑯𝟐 + 𝟐𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟑+ + 𝟐𝑯+(𝒎) → 𝑪𝒐𝑸 + 𝟐 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟐+ + 4𝑯+ (𝒄) COMPLESSO IV Il complesso IV è chiamato citocromo c ossidasi perché è responsabile del trasferimento degli elettroni:  dal citocromo c, che si ossida;  all’ossigeno che si riduce ad acqua. Contestualmente a questo trasferimento esoergonico di elettroni, si verifica il pompaggio di 2 protoni per ogni coppia di elettroni dalla matrice allo spazio intermembrana, ovvero un trasferimento endoergonico. REAZIONE GLOBALE 𝟒 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟐+ + 𝟖𝑯+ + 𝟎𝟐 → 𝟒 𝒄𝒊𝒕. 𝒄𝟑+ + 𝟒𝑯+ + 𝟐𝑯𝟐O

Answer 2

La variazione di energia libera durante il trasporto degli elettroni è uguale a -220 kJ/mole. Questo modello dimostra come l'energia libera derivante dal trasporto di elettroni, conservata sotto forma di gradiente protonico, viene utilizzata dall’ATP sintasi per sintetizzare l’ATP a partire da ADP e Pi quando i protoni rientrano dallo spazio intermembrana nella matrice. Per la precisione, per ogni coppia di elettroni che entrano nella catena respiratoria come NADH:  il complesso I pompa 4 protoni e ha una variazione di energia libera di -71kj/mole;  il complesso II NON è una pompa protonica e la sua variazione di energia libera è -2,1kj/mol;  il complesso III pompa 4 protoni e ha una variazione di energia libera di -37kj/mole;  il complesso IV pompa 2 protoni e ha una variazione di energia libera di -113kj/mol. Grazie ai quale è possibile sintetizzare 2,5 ATP. Le variazioni di energia libera nel caso del passaggio di molecole NON cariche si calcolano con la seguente formula: ∆𝐺𝑡 = 𝑅𝑇 𝑙𝑛 (𝐶1/𝐶2) Le variazioni di energia libera nel caso del passaggio di molecole cariche si calcolano con la seguente formula: ∆𝑮𝒕 = 𝑹𝑻 𝒍𝒏 (𝑪𝟏/𝑪𝟐)+ 𝒁𝑭∆𝜳 Dove:  R è la costante universale dei gas = 𝟖, 𝟑𝟏𝟒 𝑱/𝑲𝒎𝒐𝒍 ;  T è la temperatura;  C1 è la concentrazione della molecola nel 1° compartimento;  C2 è la concentrazione della molecola nel 2° compartimento;  Z è la carica della molecola;  F è la costante di Faraday = 𝟗𝟔𝟒𝟖𝟓 𝑪/𝒎𝒐𝒍 ;  ∆𝜳 è la differenza di potenziale elettrico tra i 2 compartimenti. Considerando che la carica di un protone è unitaria e che la concentrazione degli H+ non è altro che la variazione di pH, questa formula può essere semplificata nel seguente modo: ∆𝑮𝒕 = 𝟐, 𝟑 𝑹𝑻∆𝒑𝑯 + 𝑭∆𝜳 FORZA PROTON MOTRICE = GRADIENTE PROTONICO La variazione di energia libera viene conservata sottoforma di gradiente protonico, più comunemente noto come forza proton motrice. Per la precisione, questa risulta formata dalla sommatoria:  di una componente chimica = ∆𝒑𝑯, che corrisponde alla variazione di pH tra la matrice, dove diminuisce, e lo spazio intermembrana, dove aumenta.  e di una componente elettrica = ∆𝜳, che corrisponde alla variazione del potenziale elettrico tra la matrice, che si carica negativamente, e lo spazio intermembrana, che si carica positivamente. Considerando che:  la variazione di potenziale elettrico è tra 0,15 e 0,2Volt;  mentre il pH della matrice è di circa 1 unità più alcalino di quello dello spazio intermembrana; la variazione di energia libera necessaria per trasportare 1 protone dalla matrice allo spazio intermembrana è pari a circa 20kJ/mol. In altre parole, il pompaggio dei protoni implica l'instaurarsi di un gradiente di concentrazione protonico responsabile della variazione dei 2 parametri sopracitati (pH e potenziale elettrico). La sommatoria di questi corrisponde alla forza proton motrice, che è la forma di energia che verrà utilizzata dall'ATP sintasi per sintetizzare ATP.

Answer 3

CONFORMAZIONI Le conformazioni possibili sono 3, una per ciascun eterodimero. Quindi:  un dimero assume la conformazione T = Tight quando lega fortemente l’ATP;  un dimero assume la conformazione L = Loose quando lega ADP e Pi;  un dimero assume la conformazione O = Open quando NON lega nulla. Il meccanismo proposto per spiegare i continui cambiamenti conformazioni è quello della catalisi rotazionale di Paul Boyer. 1) Il tutto inizia quando 1 protone H+ entra nell’emicanale della subunità a che affaccia nello spazio intermembrana: si lega al residuo di arginina 210. 2) Subito viene ceduto al residuo di aspartato della subunità c più prossima. Cosa che provoca in quest’ultima: o un cambio conformazionale che promuove il movimento rotazionale; o la neutralizzazione del residuo di aspartato: il gruppo carbossilico perde la propria carica netta negativa perché compensata dal protone - COOH. 3) Contemporaneamente il residuo di arginina 210 avrà preso contatto con la subunità c adiacente e a un altro protone sarà permesso di entrare. 4) Man mano si spostano tutte le subunità c adiacenti fino a quando la prima del ciclo prende contatto con l’emicanale della subunità a rivolto verso la matrice. A questo punto il protone viene rilasciato. RILASCIO ATP È stato dimostrato come l’entrata di 3 protoni porti alla rotazione in senso ANTIorario di 120° del canale transmembrana del dominio FO. Tale rotazione viene trasmessa al core del dominio F1 tramite le subunità γ ed ε. Per la precisione, ogni 120° gradi la subunità γ entra in contatto con una subunità β differente. Questo promuove il cambiamento conformazionale di un dimero nell’altro:  T in O perché l’ATP viene liberato;  O in L perché si legano un nuovo ADP e un nuovo Pi;  L in T perché l’ADP e il Pi reagiscono a formare una nuova molecola di ATP pronta a essere liberata. COOPERATIVITÀ NEGATIVA In linea teorica, l’ingresso di 9 protoni dovrebbe provocare una rotazione totale di 360° e quindi il rilascio di 3 molecole di ATP. In realtà, per la formazione di 1 molecola di ATP servono 4 protoni. Il 4° è quello necessario all’ingresso del gruppo fosfato all’interno della matrice. Per questa ragione si parla di cooperatività negativa. INGRESSO ADP e Pi Dato che la membrana mitocondriale interna è impermeabile, ADP e Pi necessitano di trasportatori.  L’ADP entra grazie all’azione della ADP/ATP traslocasi, ovvero un antiporto che prevede la fuoriuscita di 1 ATP. Questo trasporto utilizza parte della componente elettrica della forza proton motrice.  Il Pi = H2PO4 - entra grazie alla fosfato-traslocasi, ovvero un simporto che prevede l’entrata di protone H+ . Quest’ultimo è il 4° protone che contribuisce alla formazione di ATP. Questo trasporto utilizza parte della componente chimica della forza proton motrice. Quindi, se per ogni molecola di NADH, 10 protoni vengono pompati all’esterno e 4 rifluiscono all’interno per sintetizzare ATP, il numero di molecole di ATP che vengono prodotte da un NADH è pari a 2,5. È bene ricordare che il gradiente mitocondriale non serve solo a sintetizzare ATP, ma è necessario anche ad altre funzioni importanti per l’omeostasi cellulare, come il trasporto del piruvato, del calcio e di altre molecole. Infatti, il carrier del piruvato è un trasportatore elettrogenico che consuma il potenziale di membrana mitocondriale perché è un simporto con un protone proveniente dallo spazio intermembrana.

Answer 4

AGENTI DISACCOPPIANTI Il gradiente protonico mitocondriale può essere dissipato chimicamente utilizzando i cosiddetti agenti disaccoppianti. Questi:  sono acidi deboli che si protonano nello spazio intermembrana;  passano attraversano il bilayer fosfolipidico perché sono molecole idrofobiche;  raggiungono la matrice e si deprotonano. L’energia del gradiente è dissipata sotto forma di calore. Il flusso di elettroni attraverso i vari complessi, e quindi il gradiente protonico, è strettamente associato all’attività e alla funzionalità dell’ATP sintasi. Infatti, questo complesso enzimatico dissipa il gradiente per poter pompare altri protoni. Se il gradiente non venisse dissipato, il flusso di elettroni raggiungerebbe una velocità minima. Un agente disaccoppiante dissipa il gradiente indipendentemente dall’ATP sintasi. Quindi, l’aggiunta di una di queste sostanze permette agli elettroni di fluire alla massima velocità nella catena respiratoria, senza essere vincolati all’ATP sintasi. Un disaccoppiante chimico comunemente usato in laboratorio è il dinitrofenolo TERMOGENESI Nel corpo umano ci sono proteine che operano come disaccoppianti. Un esempio è la UCP che permette la termogenesi. La UCP = Un-Coupling Protein è una proteina transmembrana che si comporta come un disaccoppiante chimico: lega i protoni dello spazio intermembrana e li trasporta alla matrice, dissipando il gradiente protonico in calore. Questo fenomeno ha luogo quando la catena respiratoria è alimentata dagli elettroni provenienti dal catabolismo degli acidi grassi. In altre parole, la UCP è attivata da elevate concentrazioni di grassi liberi, quindi in intensa lipolisi. Durante l’intensa attività fisica:  il muscolo produce l’irisina, una miochina che converte gli adipociti bianchi in beige, simili ai bruni;  vengono sintetizzati più mitocondri e il colore più scuro è dovuto proprio ai citocromi, in particolare ai gruppi eme in essi presenti. DIMAGRIMENTO In questo modo tutti gli acidi grassi disponibili possono essere utilizzati dai complessi della catena respiratoria. La diminuzione degli acidi grassi si traduce in un processo di dimagrimento. Gli elettroni e i protoni che ne derivano NON sono usati per sintetizzare ATP e vengono dissipati sotto forma di calore dall’UCP. AUMENTO DI PESO Se, invece, la concentrazione di ATP nella cellula è alta, i processi catabolici non vengono attivati: i substrati, come gli acidi grassi, si accumulano nel tessuto adiposo e si assiste al fenomeno contrario, ovvero all’aumento di peso.

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