Fosforilazione Ossidativa PDF

Docente Sara Baldelli Lezione Fosforilazione ossidativa  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa – Ultima tappa per la produzione di energia – Avviene nella membrana interna tramite il sistema di trasport...

Docente Sara Baldelli Lezione Fosforilazione ossidativa  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa – Ultima tappa per la produzione di energia – Avviene nella membrana interna tramite il sistema di trasporto degli elettroni – Enzima chiave: ATP-sintetasi, utilizza H+ gradiente per generare ATP Fosforilazione ossidativa 2 di 34  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa: caratteristiche generali Si utilizzano le molecole di NADH e FADH2 prodotte nella glicolisi e nel ciclo di Krebs Cedono elettroni alla catena respiratoria e ioni H+ nella matrice I complessi della catena respiratoria trasportano gli elettroni all’ossigeno per produrre acqua Cambiamenti conformazionali indotti dal trasporto degli elettroni permettono ai complessi della catena respiratoria di far passare ioni H+ nello spazio intermembrana contro il gradiente di concentrazione Fosforilazione ossidativa 3 di 34  Sara Baldelli Respirazione cellulare Fosforilazione ossidativa 4 di 34  Sara Baldelli Mitocondrio Fosforilazione ossidativa 5 di 34  Sara Baldelli Teoria endosimbiotica Fosforilazione ossidativa 6 di 34  Sara Baldelli Mitocondri: funzioni Trasformazione del piruvato ad acetil Coa; Ciclo degli acidi tricarbossilici; Fosforilazione ossidativa; Catabolismo acidi grassi; Ciclo dell’urea (in parte); Serbatoio di Ca2+ Fosforilazione ossidativa 7 di 34  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa Gli elettroni trasportati dai 10 NADH e 2 FADH2 prodotti da Glicolisi e ciclo di Krebs passano nella catena di trasporto di elettroni in cui: 4 complessi enzimatici contenenti circa 10 centri redox assemblati sulla membrana interna del mitocondrio; 1. NADH e FADH2 vengono riossidati a NAD+ e FAD; 2. Gli elettroni vengono trasferiti secondo una sequenza dettata dal potenziale ossidoriduttivo dei trasportatori (verso potenziali redox via via crescenti), fino ad arrivare all’ossigeno; Fosforilazione ossidativa 8 di 34  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa 3. Durante il trasferimento (che è un processo ESOERGONICO ) vengono espulsi protoni nello spazio intermembrana; 4. L’energia conservata in questo gradiente protonico permette la sintesi di ATP (FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA), nel momento in cui i protoni tornano nella matrice. Fosforilazione ossidativa 9 di 34  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa Fosforilazione ossidativa 10 di 34  Sara Baldelli Fosforilazione ossidativa Fosforilazione ossidativa 11 di 34  Sara Baldelli Complesso I: NADH deidrogenasi 43 catene polipeptidiche 850 kD 1 FMN (= FAD-AMP) che partecipa alle reazioni redox 6 o 7 centri ferro-zolfo che partecipano al trasporto di e- Durante il trasporto di e- , 4 protoni vengono trasferiti fuori dalla matrice nello spazio intra-membrana Il NADH proveniente dalle diverse deidrogenasi del catabolismo si lega all’enzima trasferendo i suoi elettroni al gruppo prostetico FMN. La NADH-deidrogenasi è un complesso multimerico che contiene vari centri ferro-zolfo che trasferiscono elettroni dalla flavina ridotta ad un altro trasportatore della catena resipratoria, il CoenzimaQ. Fosforilazione ossidativa 12 di 34  Sara Baldelli Complesso II: Succinato deidrogenasi 1. Contiene la succinato deidrogenasi (ciclo di Krebs) che contiene FAD 2. Passa gli elettroni dal succinato al CoQ 3. Contiene centri Fe-S 4. Contiene citocromo b560 5. NON opera dopo il Complesso I, ma fornisce un altro ingresso alla catena Fosforilazione ossidativa 13 di 34  Sara Baldelli Complesso III: Citocromo c Ossidoreduttasi 1. Contiene 2 x 11 subunità (PM : 2 x 248 kD) 2. Contiene 2 citocromi b, 1 citocromo c1 , 1 centro [2Fe-2S] 3. Consente al trasportatore a 2 e- (CoQH2, ubichinolo) di ridurre due molecole di citocromo c (trasportatore a un e- ) mediante il Ciclo Q Fosforilazione ossidativa 14 di 34  Sara Baldelli Complesso IV: Citocromo Ossidasi Catalizza le ossidazioni (con acquisto di 1 e- ) di 4 molecole consecutive di citocromo c ridotto e la contemporanea riduzione di una molecola di O2 Fosforilazione ossidativa 15 di 34  Sara Baldelli Teoria chemiosmotica L’energia libera prodotta durante il trasferimento di elettroni viene efficientemente 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+. Fosforilazione ossidativa 16 di 34  Sara Baldelli Forza motrice protonica Fosforilazione ossidativa 17 di 34  Sara Baldelli ATP-SINTASI Fosforilazione ossidativa 18 di 34  Sara Baldelli ATP-SINTASI F1 proteina periferica catalizza l’idrolisi di ATP (F1 ATPasi) FO proteina integrale di membrana ha un canale per i protoni Fosforilazione ossidativa 19 di 34  Sara Baldelli ATP-SINTASI Fosforilazione ossidativa 20 di 34  Sara Baldelli Regolazione fosforilazione ossidativa Fosforilazione ossidativa 21 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e salute umana Durante il trasferimento di e- lungo la catena di trasporto mitocondriale l’1-2% degli e- può sfuggire al trasferimento determinando la produzione e l’accumulo 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. Senescenza Cancro Malattie neurodegenerative Mitocondri invecchiati e poco efficienti vanno incontro ai fenomeni di autofagia che permette di eliminare gli organelli non funzionali, insieme a proteine e altre molecole danneggiate. Fosforilazione ossidativa 22 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e salute umana Nei casi più estremi, quando la compromissione delle strutture cellulari è avanzata, sono ancora i mitocondri a innescare i processi che portano all’apoptosi, la morte cellulare programmata, che è essenziale per regolare i processi di sviluppo e crescita dei tessuti e per eliminare le cellule tumorali che si formano via via. Fosforilazione ossidativa 23 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e salute umana Può diventare un problema quando l’apoptosi è attivata in maniera impropria e porta alla distruzione di cellule del sistema nervoso, come accade in alcune patologie neurodegenerative, o del muscolo cardiaco e scheletrico, come avviene nell’infarto, in alcune distrofie e, purtroppo, anche semplicemente invecchiando: si ritiene infatti che la sarcopenia, la riduzione del tessuto muscolare che si osserva in soggetti anziani, sia almeno in parte legata a processi di questo tipo. Fosforilazione ossidativa 24 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e salute umana Può accadere, con meccanismi che ancora non sono stati ben chiariti, che i processi di autofagia e apoptosi che eliminano mitocondri e cellule danneggiate provochino il rilascio di frammenti del DNA mitocondriale, di cardiolipina e altre componenti del mitocondrio che possono attivare una complessa struttura, l’inflammasoma, che a sua volta stimolerà il rilascio di sostanze che inducono e sostengono processi infiammatori, TNF-α, IL-1α/β, IL-8, IFNγ. Fosforilazione ossidativa 25 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione I mitocondri sono strutture, presenti in ogni cellula, deputate alla produzione di energia sfruttando l’ossigeno e i nutrenti che provengono dai cibi. Negli ultimi anni molti studi scientifici hanno sottolineato l’importanza della dieta e dello stile di vita per supportare le funzioni di questi organelli, alleati della nostra salute: la ricerca conferma che mangiare alcuni tipi di cibi può ridurre la produzione di radicali liberi, molecole particolarmente reattive che provocano dei danni nell’organismo in un processo chiamato stress ossidativo. Fosforilazione ossidativa 26 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione Quando i 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. Nell’alimentazione per favorire la funzionalità dei mitocondri giocano un ruolo importante: La qualità dei cibi che scegliamo e metodi di cottura, per aumentare le difese antiossidanti; Le proporzioni tra i macronutrienti, per tenere basso l’indice e il carico glicemico; La quantità che assumiamo e la frequenza con cui ci alimentiamo, per promuovere la longevità. Fosforilazione ossidativa 27 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione Tutte queste variabili possono essere manipolate abilmente per lavorare sui mitocondri e ridurre i danni provocati da un’alimentazione scorretta che incrementa lo stato infiammatorio del corpo conducendo allo sviluppo del diabete, malattie cardiovascolari, cancro e patologie neurologiche come il Parkinson e l’Alzheimer. Fosforilazione ossidativa 28 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione Adeguati introiti di proteine, grassi, carboidrati, vitamine del gruppo b, coenzima Q e antiossidanti provenienti da frutta e verdura assicurano il giusto funzionamento dei mitocondri. In particolare i grassi “buoni” migliorano la qualità della membrana interna dei mitocondri, luogo in cui avvengono le ultime fasi di produzione dell’energia cellulare. Fosforilazione ossidativa 29 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione Il corpo ha bisogno di ossigeno ma spesso nelle vie di biotrasformazione e detossificazione epatica si forma un eccesso di sottoprodotti noti come specie reattive dell’ossigeno (ROS) che causano danni ai tessuti. L’eccesso di questi “radicali liberi” può accelerare lo sviluppo di patologie croniche. I danni dell’ossidazione possono essere ridotti mangiando cibi contenenti i cosiddetti “antiossidanti”: alcuni vegetali, spezie e proteine “nobili” sono in grado di favorire nel corpo la produzione e l’utilizzo di glutatione, forse il più importante antiossidante prodotto dal nostro corpo, coinvolto anche nelle reazioni di detossificazione epatica. Fosforilazione ossidativa 30 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione La cosiddetta “western american diet” o dieta occidentale, basata sui cibi industriali, snacks e carboidrati ad alto indice glicemico provoca l’infiammazione e accelera processi degenerativi a carico dei mitocondri. Mantenere i livelli di glicemia e insulina in un range ottimale ed evitare eccessive fluttuazioni durante la giornata permette di ridurre il rischio di sviluppare patologie neurologiche e metaboliche a carico mitocondriale. Fosforilazione ossidativa 31 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione La scelta di una dieta chetogenica, caratterizzata da un ridotto apporto di carboidrati, il giusto introito di proteine e una maggiore qualità di grassi, è stata correlata da molteplici studi con una più efficiente produzione di energia (ATP) nei mitocondri e una riduzione della vulnerabilità dei neuroni allo stress ossidativo grazie ad un incremento del numero di mitocondri. Fosforilazione ossidativa 32 di 34  Sara Baldelli Mitocondri e alimentazione La ricerca suggerisce che l’IF (Intermittent Fasting) e la CR (Calorie Restriction), due tipi di regimi alimentari, possono ottimizzare le funzioni cerebrali, la longevità e l’invecchiamento attivando la mitocondriogenesi (produzione di nuovi mitocondri) con aumento della produzione di energia e diminuzione del danno ossidativo. Fosforilazione ossidativa 33 di 34  Sara Baldelli Conclusioni In questa lezione abbiamo trattato di: Fosforilazione ossidativa: caratteristiche generali; Respirazione cellulare; Mitocondrio; Teoria endosimbiotica; Mitocondri: le funzioni; Fosforilazione ossidativa: le fasi; Teoria chemiosmotica; Forza motrice protonica; ATP sintasi; Regolazione della fosforilazione ossidativa; Mitocondri e alimentazione Fosforilazione ossidativa 34 di 34