Fosforilazione Ossidativa e Mitocondri

Fosforilazione Ossidativa

• È l'ultima fase della produzione di energia.
• Si verifica nella membrana interna attraverso il sistema di trasporto degli elettroni.
• L'enzima chiave è l'ATP-sintetasi, che utilizza il gradiente di H+ per generare ATP.

Caratteristiche Generali della Fosforilazione Ossidativa

• Vengono utilizzate molecole di NADH e FADH2, prodotte nella glicolisi e nel ciclo di Krebs.
• Gli elettroni vengono ceduti alla catena respiratoria e gli ioni H+ nella matrice.
• I complessi della catena respiratoria trasportano gli elettroni all'ossigeno, risultando nella produzione di acqua.
• I cambiamenti conformazionali, indotti dal trasporto di elettroni, consentono ai complessi della catena respiratoria di far passare ioni H+ nello spazio intermembrana contro il gradiente di concentrazione.

Importanza dei Mitocondri

• Il fegato regola la glicemia, soprattutto fra un pasto e l’altro.
• Il muscolo fornisce energia per la contrazione muscolare
• Il glicogeno nel fegato e muscoli scheletrici costituisce riserve prontamente utilizzabili di glucosio.
• Il cervello e il muscolo scheletrico sono i maggiori consumatori di glucosio tramite la via aerobica.
• La membrana interna ed esterna sono lipoproteiche, ma ripartite differentemente.
• La matrice è costituita da tipi di proteine idrofobe, trasportatrici e della catena respiratoria.
• Nel mitocondrio avvengono la trasformazione del piruvato in acetil Coa, il ciclo degli acidi tricarbossilici, la fosforilazione ossidativa, il catabolismo degli acidi grassi, il ciclo dell'urea (in parte) ed è il serbatoio di Ca2+.

Teoria Endosimbiotica

• La teoria endosimbiotica spiega l'origine dei mitocondri come risultato dell'internalizzazione di procarioti più piccoli da parte di cellule più grandi.

Fasi della Fosforilazione Ossidativa

• Gli elettroni trasportati dai 10 NADH e 2 FADH2 passano nella catena di trasporto dove 4 complessi enzimatici, assemblati nel mitocondrio, contengono circa 10 centri redox.
• NADH e FADH2 vengono riossidati a NAD+ e FAD.
• Gli elettroni sono trasferiti secondo un potenziale ossidoriduttivo crescente verso l'ossigeno.
• I protoni sono espulsi nello spazio intermembrana durante il trasferimento esoergonico.
• Un gradiente protonico permette, quando i protoni tornano nella matrice di avere la sintesi di ATP.

Complesso I: NADH Deidrogenasi

• Contiene 43 catene polipeptidiche, con una massa di 850 kDa.
• Include 1 FMN (= FAD-AMP), che partecipa alle reazioni redox.
• Presenti anche 6 o 7 centri ferro-zolfo che partecipano al trasporto di elettroni.
• Trasferisce 4 protoni fuori dalla matrice durante il trasporto di elettroni.
• L'NADH proveniente da deidrogenasi si lega all'enzima e trasferisce elettroni al gruppo FMN.
• È un complesso multimerico che contiene centri ferro-zolfo e trasferisce elettroni dalla flavina ridotta al CoenzimaQ.

Complesso di II: Succinato deidrogenasi

• Contiene la succinato deidrogenasi (ciclo di Krebs) che contiene FAD.
• Trasferisce gli elettroni dal succinato al CoQ.
• Contiene centri Fe-S 4.
• Contiene citocromo b560 5.
• Opera dopo il Complesso I, ma fornisce un altro ingresso alla catena.

Complesso III: Citocromo c Ossidoreduttasi

• Contiene 2 x 11 subunità (PM: 2 x 248 kD).
• Include 2 citocromi b, 1 citocromo c1, e 1 centro [2Fe-2S].
• Consente al trasportatore a 2 e- (CoQH2, ubichinolo) di ridurre due molecole di citocromo c mediante il Ciclo Q.

Complesso IV: Citocromo Ossidasi

• Catalizza le ossidazioni di 4 molecole di citocromo c ridotto, con l'acquisto di un elettrone
• Si verifica la riduzione di una molecola di O2.

Teoria Chemiosmotica

• L'energia prodotta dal trasferimento di elettroni si conserva in un gradiente protonico.
• L'energia è usata per pompare protoni attraverso la membrana, creando un gradiente.

Forza Motrice Protonica

• Descritto dal Modello Chemiosmotico di Peter Mitchell.
• Il flusso protonico guida la sintesi di ATP quando inverte la direzione.

ATP-Sintasi

• Il complesso enzimatico catalizza la formazione di ATP a partire da ADP e Pi.
• L'ATP sintasi o Complesso V è formato da due domini funzionali, Fo e F1 , dove Fo è sensibile all'oligomicina.
• La F1 è una proteina periferica che catalizza l'idrolisi di ATP, la FO una proteina integrale di membrana ha un canale per i protoni.
• La rotazione della parte catalitica viene indotta dal trasferimento di protoni e consente la sintesi.

Regolazione della Fosforilazione Ossidativa

• Viene utilizzato un rapporto di massa per avere una Produzione di ATP adeguata.
• La velocità di ossidazione delle sostanze nutrienti è regolata.
• Il rapporto di azione di massa si modifica di poco, e l'energia varia in base al fabbisogno.

Mitocondri e Salute Umana

• Durante il trasferimento di elettroni lungo la catena,l‘1-2% può sfuggire, determinando la specie reattiva dell'ossigeno (ROS).
• I radicali liberi attaccano DNA e strutture causando danni funzionali.
• Problemi di mitocondri danneggiati possono portare a senescenza, cancro, e malattie neurodegenerative.
• I mitocondri invecchiati e con scarsa efficienza subiscono autofagia per eliminare organelli non funzionali.

Mitocondri e Alimentazione

• I mitocondri sfruttano ossigeno e nutrienti dai cibi per l'energia.
• La dieta supporta le funzioni mitocondriali.
• Alcuni tipi di cibi riducono la produzione di radicali liberi (stress ossidativo),.
• La qualità e cottura di cibi aumentano le difese antiossidanti.
• Proporzioni di macronutrienti regolano indice e carico glicemico.
• Quantità e frequenza dei pasti promuovono la longevità. Tutte le variabili possono essere manipolate per lavorare sui mitocondri e ridurre i danni da dieta non corretta portando allo Sviluppo del diabete, cardiovasculopatie, cancro e parkinson/alzheimer.
• Gli introiti adeguati di vitamine del gruppo b, coenzima Q, antiossidanti, vengono da frutta e verdura, le proteine, i grassi, carboidrati che assicurano il giusto funzionamento dei mitocondri.
• I grassi buoni migliorano il funzionamento della membrana dei mitocondri, la dieta occidentale va evitata.
• La dieta chetogenica ha dato molti risultati efficaci con una più efficiente produzione di energia e una riduzione dello stress ossidativo grazie ad un incremento del mitocondrio
• La ricerca dell'Intermittent Fasting si può ottimizzare con le funzioni cerebrali, che attiva una mitocondriogenesi che avviene in modo ossidativo e diminuisce i danni