Fosforilazione Ossidativa: Processo e Mitocondri

Fosforilazione ossidativa

• È l'ultima fase della produzione di energia.
• Avviene nella membrana interna tramite 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

• Si utilizzano le molecole di NADH e FADH2 prodotte nella glicolisi e nel ciclo di Krebs.
• Si cedono elettroni alla catena respiratoria e ioni H+ nella matrice.
• I complessi della catena respiratoria trasportano gli elettroni all'ossigeno per produrre acqua.
• I cambiamenti conformazionali indotti dal trasporto di elettroni permettono ai complessi della catena respiratoria di far passare ioni H+ nello spazio intermembrana contro il gradiente di concentrazione.

Mitocondri

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

Funzioni dei mitocondri

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

Fasi della fosforilazione ossidativa

• Gli elettroni trasportati dai 10 NADH e 2 FADH2 prodotti dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs passano nella catena di trasporto degli elettroni.
• La catena contiene 4 complessi enzimatici con 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, fino all'ossigeno.
• Durante il trasferimento (processo esoergonico), i protoni vengono espulsi nello spazio intermembrana.
• L'energia conservata nel gradiente protonico permette la sintesi di ATP al ritorno dei protoni nella matrice (fosforilazione ossidativa).

Complesso I: NADH deidrogenasi

• È composto da 43 catene polipeptidiche e pesa 850 kD.
• Contiene 1 FMN (= FAD-AMP) che partecipa alle reazioni redox.
• Ha 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.

Complesso II: Succinato deidrogenasi

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

Complesso III: Citocromo c Ossidoreduttasi

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

Complesso IV: Citocromo Ossidasi

• Catalizza le ossidazioni (con acquisto di 1 e-) di 4 molecole consecutive di citocromo c ridotto.
• Contemporaneamente riduce una molecola di O2.

Teoria chemiosmotica

• L'energia liberata durante il trasferimento di elettroni viene conservata in un gradiente protonico.
• Gran parte di quest'energia viene usata per pompare protoni attraverso la membrana interna mitocondriale, creando un gradiente elettrochimico di H+.

Forza motrice protonica

• Secondo il modello chemiosmotico di Peter Mitchell, la forza motrice protonica è il meccanismo chimico che accoppia il flusso protonico con la fosforilazione.
• L'energia nel gradiente elettrochimico porta alla sintesi di ATP quando il flusso protonico inverte la sua direzione.

ATP-sintasi

• L'ATP-sintasi, scoperta da Efraim Racker nel 1960, catalizza la formazione di ATP a partire da ADP e Pi, accompagnata dal flusso di protoni dal lato P al lato N della membrana mitocondriale interna.
• È un complesso V formato da due domini funzionali, sensibile all'oligomicina.
• F1 è una proteina periferica che catalizza l'idrolisi di ATP (F1 ATPasi).
• FO è una proteina integrale di membrana con 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

• La produzione di ATP è adeguata alle necessità energetiche cellulari, con velocità limitata dalla disponibilità del substrato (ADP).
• La velocità di ossidazione è regolata con sensibilità e precisione elevate, con un rapporto di azione di massa che si modifica poco nella maggior parte dei tessuti, anche se la richiesta energetica varia sensibilmente.

Mitocondri e salute umana

• Durante il trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto mitocondriale, l'1-2% degli elettroni può sfuggire al trasferimento determinando la produzione di specie reattive dell'ossigeno (ROS).
• I radicali liberi attaccano il DNA mitocondriale e altre strutture dell'organello, causando danni che ne alterano la funzionalità.
• I mitocondri invecchiati e poco efficienti vanno incontro all'autofagia, che permette di eliminare gli organelli non funzionali, insieme a proteine e altre molecole danneggiate.
• Nei casi più gravi, l'apoptosi (morte cellulare programmata) è essenziale per regolare lo sviluppo e la crescita dei tessuti ed eliminare le cellule tumorali.
• L'attivazione impropria dell'apoptosi può portare alla distruzione di cellule del sistema nervoso in patologie neurodegenerative, o del muscolo cardiaco e scheletrico come nell'infarto e nelle distrofie.
• La sarcopenia, riduzione del tessuto muscolare negli anziani, è legata a processi di questo tipo.
• I processi di autofagia e apoptosi possono provocare il rilascio di frammenti del DNA mitocondriale, di cardiolipina e di altre componenti del mitocondrio che possono attivare l'inflammasoma, che a sua volta stimolerà il rilascio di sostanze infiammatorie come TNF-a, IL-1α/β, IL-8, IFNY.

Mitocondri e alimentazione

• I mitocondri sono strutture presenti in ogni cellula, deputate alla produzione di energia sfruttando l'ossigeno e i nutrienti provenienti dai cibi.
• La ricerca conferma che mangiare alcuni tipi di cibi può ridurre la produzione di radicali liberi, che provocano danni nell'organismo in un processo chiamato stress ossidativo.
• qualità dei cibi e metodi di cottura, per difese antiossidanti
• proporzioni tra i macronutrienti(tenere basso l'indice glicemico)
• quantità e frequenza con cui ci alimentiamo (promuovere la longevità).
• la qualità dei cibi
• mitocondri lavorano correttamente aiutano a ridurre la stanchezza, il dolore, i problemi cognitivi e supportano la massa muscolare, favorendo l'ossidazione dei grassi in eccesso.
• Adeguati introiti di proteine, grassi, carboidrati, vitamine del gruppo b, coenzima Q e antiossidanti da frutta e verdura assicurano il corretto funzionamento.
• i grassi “buoni” migliorano la qualità della membrana interna, luogo in cui avvengono le ultime fasi dell'energia.
• Mangiare antiossidanti aiuta e favorisce la produzione per favore nel corpo la produzione e l'utilizzo di glutatione , importante antiossidante per l'epatica.

Ulteriori Considerazioni sull'alimentazioine

• "western american diet", basata sui cibi industriali provoca l'infiammazione nei mitocondri.
• Mantenere la glicemia ed evitare di fluttuare durante la giornata permette di ridurre il rischio di patologie.
• Un dieta chetogenica(ridotto carboidrati, proteine giuste e grassi di qualità) è correlata ad un efficente produzione di energia nei mitocondri e ad una produzione della vulnerabilità dei neuroni allo stress.
• IF(Intermittent Fasting) e la CR(Calorie Restriction) possono ottimizzare le funzioni cerebrali, la longevità e l'invecchiamento.