Fosforilazione Ossidativa e Respirazione Cellulare

Fosforilazione Ossidativa

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

Caratteristiche Generali della Fosforilazione Ossidativa

• Le molecole di NADH e FADH2 prodotte nella glicolisi e nel ciclo di Krebs vengono utilizzate.
• Queste molecole cedono elettroni alla catena respiratoria e ioni H+ nella matrice.
• I complessi della catena respiratoria trasportano elettroni all'ossigeno per produrre acqua.
• Il trasporto degli elettroni induce cambiamenti conformazionali che consentono ai complessi della catena respiratoria di far passare ioni H+ nello spazio intermembrana contro il gradiente di concentrazione.

Respirazione Cellulare

• La respirazione cellulare è un processo metabolico che coinvolge diverse fasi.
• Il glucosio (6C) viene trasformato con una resa di 36 ATP.
• L'acido palmitico (16C) viene trasformato con una resa di 108 ATP.
• La glicolisi produce 2 ATP e 2 NADH.
• La trasformazione del piruvato in Acetil-CoA produce 2 NADH.
• Il ciclo dell'acido citrico produce 2 ATP, 6 NADH e 2 FADH2.
• Il trasporto di elettroni nella chemiosmosi produce 32-34 ATP.

Mitocondri

• La membrana interna e quella esterna sono di natura lipoproteica e differentemente ripartite.
• La frazione proteica è costituita da circa 60 tipi di proteine idrofobe, trasportatrici e della catena respiratoria.

Teoria Endosimbiotica

• Si ipotizza che i mitocondri abbiano avuto origine quando una cellula ha internalizzato un procariote di dimensioni inferiori.

Funzioni dei Mitocondri

• Trasformazione del piruvato in acetil CoA.
• Ciclo degli acidi tricarbossilici.
• Fosforilazione ossidativa.
• Catabolismo degli acidi grassi.
• Ciclo dell'urea (in parte).
• Serbatoio di Ca2+.

Fosforilazione Ossidativa: Processo

• Gli elettroni trasportati dai 10 NADH e 2 FADH2 (prodotti da glicolisi e ciclo di Krebs) passano nella catena di trasporto degli elettroni.
• 4 complessi enzimatici contengono circa 10 centri redox assemblati sulla membrana interna del mitocondrio.
• NADH e FADH2 vengono riossidati a NAD+ e FAD.
• Gli elettroni vengono trasferiti secondo una sequenza dettata dal potenziale ossidoriduttivo dei trasportatori, raggiungendo l'ossigeno.
• Durante il trasferimento, vengono espulsi protoni nello spazio intermembrana (processo esoergonico).
• L'energia conservata nel gradiente protonico permette la sintesi di ATP quando i protoni ritornano nella matrice.

Complesso I: NADH Deidrogenasi

• È compostoだ 43 catene polipeptidiche con un peso di 850 kD.
• Contiene 1 FMN (= FAD-AMP) che partecipa alle reazioni redox.
• Possiede 6 o 7 centri ferro-zolfo che partecipano al trasporto di elettroni.
• Durante il trasporto di elettroni, 4 protoni vengono trasferiti fuori dalla matrice nello spazio intramembrana.
• Il NADH proveniente dalle diverse deidrogenasi del catabolismo si lega all'enzima trasferendo i suoi elettroni al gruppo prostetico FMN.
• È un complesso multimerico che contiene vari centri ferro-zolfo, i quali trasferiscono elettroni dalla flavina ridotta al CoenzimaQ.

Complesso II: Succinato Deidrogenasi

• Contiene la succinato deidrogenasi (ciclo di Krebs) che contiene FAD.
• Trasferisce gli elettroni dal succinato al CoQ.
• Contiene 4 centri Fe-S.
• Contiene citocromo b560.
• Non 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).
• Contiene 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 (trasportatore a un e-) mediante il Ciclo Q.

Complesso IV: Citocromo Ossidasi

• Catalizza l'ossidazione (con acquisto di 1 elettrone) di 4 molecole consecutive di citocromo c ridotto.
• Contemporaneamente riduce una molecola di O2.

Teoria Chemiosmotica

• L'energia libera prodotta trasferendo elettroni viene conservata in un gradiente protonico.
• Gran parte di questa energia viene usata per pompare protoni attraverso la membrana interna mitocondriale, creando un gradiente elettrochimico di H+.

Forza Motrice Protonica

• Nel modello chemiosmotico di Peter Mitchell, la forza motrice protonica è il meccanismo chimico che accoppia il flusso protonico con la fosforilazione.
• Il gradiente elettrochimico che si crea porta alla sintesi di ATP quando il flusso protonico inverte la sua direzione.

ATP-Sintasi

• L'ATP-sintasi catalizza la formazione di ATP a partire da ADP e Pi, accompagnata dal flusso di protoni.
• La molecola è formata da due domini funzionali: Fo e F₁.

ATP-Sintasi: Domini

• F1 è una proteina periferica che catalizza l'idrolisi di ATP(F1 ATPasi).
• F0 è una proteina integrale di membrana che ha un canale per i protoni.
• La rotazione della parte catalitica α3β3 è indotta dal trasferimento di protoni e consente la sintesi di ATP.

Regolazione della Fosforilazione Ossidativa

• L'adeguata produzione di ATP è regolata in base alle necessità energetiche delle cellule.
• La velocità è limitata dalla disponibilità del substrato (ADP).
• La velocità di ossidazione delle sostanze nutrienti è regolata con sensibilità e precisione, per cui il rapporto di azione di massa si modifica poco.

Mitocondri e Salute Umana: Metabolismo e Danno

• Durante il trasferimento di elettroni nella catena di trasporto mitocondriale, una piccola percentuale di elettroni può sfuggire, portando alla produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS).
• I radicali liberi possono attaccare il DNA mitocondriale e altre strutture dell'organello, danneggiandone la funzionalità.
• Mitocondri invecchiati vanno incontro al fenomeno dell'autofagia.
• L'autofagia consente di eliminare gli organelli non funzionali, insieme a proteine e altre molecole danneggiate.

Mitocondri e Salute Umana: Apoptosi

• Nei casi più estremi, quando le strutture cellulari sono compromesse, i mitocondri danno il via all'apoptosi.
• L'apoptosi è una morte cellulare programmata.
• È essenziale per regolare i processi di sviluppo e crescita dei tessuti ed eliminare le cellule tumorali.

Mitocondri e Salute Umana: Patologie

• L'attivazione impropria dell'apoptosi cellulare può portare alla distruzione di cellule del sistema nervoso, come accade nelle patologie neurodegenerative.
• Può colpire il muscolo cardiaco e scheletrico.
• La sarcopenia (perdita di tessuto muscolare) legata all'invecchiamento.
• I processi di autofagia e apoptosi che eliminano mitocondri e cellule danneggiate possono provocare il rilascio di frammenti di DNA mitocondriale, cardiolipina e altre componenti.
• Queste componenti possono attivare l'inflammasoma, che stimola il rilascio di sostanze pro-infiammatorie.

Mitocondri e Alimentazione

• I mitocondri, presenti in ogni cellula, producono energia utilizzando ossigeno e nutrienti.
• Mangiare alcuni tipi di cibi può ridurre la produzione di radicali liberi, prevenendo lo stress ossidativo.
• Qualità e metodi di cottura dei cibi che scegliamo per aumentare le difese antiossidanti.
• Proporzioni tra i macronutrienti per tenere basso l'indice e il carico glicemico.
• Quantità di cibo e frequenza con cui ci alimentiamo, per promuovere la longevità.
• I mitocondri aiutano a ridurre la stanchezza, il dolore e i problemi cognitivi.
• Supportano la massa muscolare e favoriscono l'ossidazione dei grassi in eccesso.

Mitocondri e Alimentazione: Dieta

• Variabili manipolabili per lavorare sui mitocondri e ridurre i danni dell'alimentazione scorretta.
• Riduzione del rischio di diabete, malattie cardiovascolari, cancro e patologie neurologiche.
• Adeguati introiti di proteine, grassi, carboidrati, vitamine del gruppo B, coenzima Q e antiossidanti.
• I grassi "buoni" migliorano la qualità della membrana interna dei mitocondri, dove avviene la produzione di energia.

Mitocondri e Alimentazione: Antiossidanti

• Spesso, la biotrasformazione epatica produce un eccesso di specie reattive dell'ossigeno (ROS).
• Gli antiossidanti, come alcune verdure, spezie e proteine "nobili", favoriscono la produzione e l'utilizzo di glutatione.
• La glutatione è un antiossidante prodotto dal corpo e coinvolto nelle reazioni di detossificazione epatica.

Mitocondri e Alimentazione: Dieta Occidentale

• La dieta occidentale, ricca di cibi industriali, snack e carboidrati ad alto indice glicemico, causa infiammazione e accelera processi dannosi per i mitocondri.
• Mantenere i livelli di glicemia e insulina in un range ottimale riduce il rischio di sviluppare patologie neurologiche e metaboliche a carico mitocondriale.

Mitocondri e Alimentazione: Dieta Chetogenica

• La dieta chetogenica (ridotto apporto di carboidrati, giusto apporto di proteine e maggiore qualità di grassi) è correlata a una produzione più efficiente di ATP.
• Il regime riduce la vulnerabilità dei neuroni allo stress ossidativo grazie a un incremento del numero di mitocondri.

Mitocondri e Alimentazione: Digiuno Intermittente e Restrizione Calorica

• Aiutano ad ottimizzare le funzioni cerebrali, la longevità e l'invecchiamento attivando la mitocondriogenesi.
• Aumentano la produzione di energia e diminuiscono il danno ossidativo.