I MITOCONDRI, COLORATI IN VERDE, I MITOCONDRI, COLORATI IN VERDE,

FORMANO UNA RETE ALL’INTERNO DI FORMANO UNA RETE ALL’INTERNO DI

UN FIBROBLASTAUN FIBROBLASTA

nb.nb. Il potenziale di riduzione standard di un coenzima flavinico, Il potenziale di riduzione standard di un coenzima flavinico,

a diferenza di quello dei coenzimi piridinicia diferenza di quello dei coenzimi piridinici , ,

dipendedipende dalla proteina a cui è associato. dalla proteina a cui è associato.

Oltre ai Oltre ai trasportatori di elettroni trasportatori di elettroni solubili in acqua solubili in acqua

NADH, FMNHNADH, FMNH22 ed FADH ed FADH22

nella catena respiratoria mitocondriale nella catena respiratoria mitocondriale

operano altri gruppi di trasportatori di elettroni:operano altri gruppi di trasportatori di elettroni:

- un benzochinone,- un benzochinone,

due tipi diversi di proteine contenenti ferrodue tipi diversi di proteine contenenti ferro

- i citocromi e- i citocromi e

-le proteine ferro-zolfo ele proteine ferro-zolfo e

- ioni rame.ioni rame.

Unità isoprenicaUnità isoprenica

VinileVinile

(Eme modificato)(Eme modificato)

Catena isoprenoideCatena isoprenoide

nb. 1. I doppi legami coniugati (ombreggiati) nb. 1. I doppi legami coniugati (ombreggiati) della porfirina della porfirina sono responsabili dell’assorbimento della sono responsabili dell’assorbimento della luce visibile da parte di queste strutture;luce visibile da parte di queste strutture;

2. Il potenziale di riduzione standard 2. Il potenziale di riduzione standard dell’atomo di Fe dipende fortemente dalle dell’atomo di Fe dipende fortemente dalle sue i nterazioni con le catene laterali dei sue i nterazioni con le catene laterali dei

residui della proteina.residui della proteina.

I tre tipi di citocromiI tre tipi di citocromi

sono distinguinbilisono distinguinbili

in base agli spettri di in base agli spettri di

assorbimento della luce.assorbimento della luce.

Per distinguere citocromi molto

simili, appartenenti allo stesso

tipo, viene spesso inserito nel

loro nome la lunghezza d’onda a

cui presentano il max di

assorbimento.

Il gruppo eme è legato Il gruppo eme è legato covalentementecovalentemente alla proteina alla proteina

da legami tioeteri formati dalla reazione tra gruppi da legami tioeteri formati dalla reazione tra gruppi

sulfidrilici di residui di cisteina e gruppi vinilici sulfidrilici di residui di cisteina e gruppi vinilici

presenti sulla protoperfirina.presenti sulla protoperfirina.

Legame dei citocromi di tipo cLegame dei citocromi di tipo c

Centri ferro-zolfoCentri ferro-zolfo

2Fe-2S2Fe-2S4Fe-4S4Fe-4S

Molte delle proteine Fe-S assorbono la luce visibile Molte delle proteine Fe-S assorbono la luce visibile nella regione tra 400 e 460 nm.nella regione tra 400 e 460 nm.

Il loro assorbimento si riduce del 50% quando sono Il loro assorbimento si riduce del 50% quando sono nello stato ridotto.nello stato ridotto.

Ione Fe legato a 4 Ione Fe legato a 4 residui di Cisteinaresidui di Cisteina

Il potenziale di riduzione standard del Ferro di questi centri Il potenziale di riduzione standard del Ferro di questi centri

dipende dipende

- dal tipo di centro e - dal tipo di centro e

- dalle specifiche interazioni che il centro ha con la proteina in cui è - dalle specifiche interazioni che il centro ha con la proteina in cui è

inserita. inserita.

A parte alcune eccezioni, le proteine Fe-S hanno potenziali di riduzione A parte alcune eccezioni, le proteine Fe-S hanno potenziali di riduzione

standard piuttosto bassi, per cui sono dei buoni donatori di elettroni. standard piuttosto bassi, per cui sono dei buoni donatori di elettroni.

FAD + 2HFAD + 2H++ + 2e + 2e-- FADH FADH22 - 0.06 - 0.06

COMPONENTI PROTEICI

DELLA CATENA RESPIRATORIA MITOCONDRIALE

COMPLESSO I o NADH:UQ ossidoreduttasi o NADH deidrogenasiCOMPLESSO I o NADH:UQ ossidoreduttasi o NADH deidrogenasiè il complesso proteico più grande della C.R.è il complesso proteico più grande della C.R.

L’enzima dei mammiferi contiene:

• 42 - 43 differenti subunità in una stechiometria non nota

• 1 FMN• 7 - 8 differenti centri Fe-S (sia del tipo 2Fe-2S, che 4Fe-4S)

• lipidi legati covalentemente• minimo 3 molecole di chinolo legate

presenta:

• una struttura ad L con 2 domini maggiori separati da un sottile collare

Struttura della NADH-Q ossidoreduttasi Struttura della NADH-Q ossidoreduttasi

determinata mediante microscopia elettronica determinata mediante microscopia elettronica

ad una risoluzione di 22ad una risoluzione di 22ÅÅ, ,

inin

estest

Chinone Chinone legatolegato

CII o SUCCINATO:UQ OSSIDOREDUTTASICII o SUCCINATO:UQ OSSIDOREDUTTASI

o SUCCINATO DHo SUCCINATO DH

• E’ UN ENZIMA DEL CICLO CITRICO, E’ UN ENZIMA DEL CICLO CITRICO,

ANCORATO SULLA FACCIA INTERNA DELLA MEMBRANA ANCORATO SULLA FACCIA INTERNA DELLA MEMBRANA

MITOCONDRILE INTERNA, MITOCONDRILE INTERNA,

CHE RIFORNISCE DI eCHE RIFORNISCE DI e-- LA CATENA RESPIRATORIA; LA CATENA RESPIRATORIA;

• TRASFERISCE eTRASFERISCE e-- DAL SUCCINATO AL POOL DI UBICHINONE DAL SUCCINATO AL POOL DI UBICHINONE

CONTIENECONTIENE

• 1 FAD1 FAD

• DIVERSI CENTRI FeSDIVERSI CENTRI FeS

CIII o UQHCIII o UQH22:CITOCROMO c OSSIDOREDUTTASI:CITOCROMO c OSSIDOREDUTTASI

o COMPLESSO b-co COMPLESSO b-c11

Il complesso dei mammiferi

contiene 11 subunità di cui:

solo 3, che peraltro hanno omologhi nei batteri

e possiedono i centri redox coinvolti nel processo di conservazione di energia,

rappresentano le subunità indispensabili all’attività del CIII:

- cit.b (codificato dal mtDNA, è caratterizzato da

8 eliche transmembrana e 2 emi posti a sandwich tra le eliche B e D)

- 1 Fe-S proteina (ISP) ancorata alla membrana

contenente un centro Fe2S2 di tipo Rieske

- 1 cit.c1 ancorato alla membrana

le altre 8le altre 8 sono subunità più piccole sono subunità più piccole

di cui non si conosce il ruolo e di cui non si conosce il ruolo e sono dette subunità sovranumerarie. sono dette subunità sovranumerarie.

I gruppi prostetici maggiori, I gruppi prostetici maggiori,

3 gruppi eme ed un centro 2Fe-2S, 3 gruppi eme ed un centro 2Fe-2S,

mediano il trasferimento di e- tra i mediano il trasferimento di e- tra i

chinoni nella membrana ed il cit.c chinoni nella membrana ed il cit.c

nello spazio intermembrana.nello spazio intermembrana.

Questo enzima è un Questo enzima è un omodimero con 11 distinte omodimero con 11 distinte

catene polipeptidiche. catene polipeptidiche.

CIV o CITOCROMO c OSSIDASI o COXCIV o CITOCROMO c OSSIDASI o COX

L’ENZIMA BOVINOL’ENZIMA BOVINO CONTIENE 13 SUBUNITA’CONTIENE 13 SUBUNITA’

LE LE 3 SUBUNITA’ MAGGIORI3 SUBUNITA’ MAGGIORI SONO SONO CODIFICATE DAL mtDNACODIFICATE DAL mtDNA

E E FORMANO LA PARTE FUNZIONALE FORMANO LA PARTE FUNZIONALE “CORE”“CORE” DEL COMPLESSO: DEL COMPLESSO:

- LA LA I SUBUNITA’I SUBUNITA’ CONTIENE IL CONTIENE IL cit.acit.a (eme a basso spin) ED IL CENTRO (eme a basso spin) ED IL CENTRO aa33/Cu/CuBB

CHE RAPPRESENTA IL SITO ATTIVO DEL COMPLESSOCHE RAPPRESENTA IL SITO ATTIVO DEL COMPLESSO

- LA LA II SUBUNITA’II SUBUNITA’ CONTIENE UN CENTRO RAME CONTIENE UN CENTRO RAME CuCuAA

DINUCLEARE A VALENZA MISTADINUCLEARE A VALENZA MISTA, CHE E’ IL I SITO PREPOSTO, CHE E’ IL I SITO PREPOSTO

A RICEVERE GLI eA RICEVERE GLI e-- DAL cit.c DAL cit.c2+2+

- LA LA III SUBUNITA’III SUBUNITA’ CONTIENE FOSFOLIPIDI LEGATI. CONTIENE FOSFOLIPIDI LEGATI.

IL SUO RUOLO NON E’ STATO ANCORA INDIVIDUATO. IL SUO RUOLO NON E’ STATO ANCORA INDIVIDUATO.

LE ALTRELE ALTRE 10 SUBUNITA’ 10 SUBUNITA’, , SONO CODIFICATE DAL nDNASONO CODIFICATE DAL nDNA, ,

SONO PIU’ PICCOLE E SONO PIU’ PICCOLE E SEMBRA SIANO DI SOSTEGNO ALLE 3 MAGGIORI. SEMBRA SIANO DI SOSTEGNO ALLE 3 MAGGIORI.

Contiene fosfolipidi Contiene fosfolipidi legatilegati

Gruppi prostetici principali della cit.c ossidasi:Gruppi prostetici principali della cit.c ossidasi:

CuCuAA/Cu/CuAA, l’eme a e l’eme a, l’eme a e l’eme a33-Cu-CuBB..

L’eme aL’eme a33-Cu-CuBB. è il sito di riduzione dell’ossigeno ad acqua. . è il sito di riduzione dell’ossigeno ad acqua.

Gruppo carbonilico Gruppo carbonilico

dello scheletro peptidico.dello scheletro peptidico.

Ponte perossidoPonte perossido

La riduzione dell’ossigeno legato all’eme aLa riduzione dell’ossigeno legato all’eme a33 a perossido è a perossido è

reso possibile dalla vicinanza di Cureso possibile dalla vicinanza di CuBB..

Ipotesi chemiosmoticaIpotesi chemiosmotica

vedere la didascalia!

Poiché il pH all’esterno della membrana mitocondriale interna Poiché il pH all’esterno della membrana mitocondriale interna

dei dei mitocondri in attiva respirazionemitocondri in attiva respirazione è di 1,4 unità più basso di è di 1,4 unità più basso di

quello interno ed il potenziale di membrana è di 0,14Vquello interno ed il potenziale di membrana è di 0,14V

HH++ = = pH + pH +

HH++ = 2,303 x RT x = 2,303 x RT x pH + pH + nFnF

HH++ = 0,084V + 0,14V = 0,084V + 0,14V

ovveroovvero

HH++ = 0,224V = 224mV = 0,224V = 224mV

Il disaccoppiamento regolato determina produzione di caloreIl disaccoppiamento regolato determina produzione di calore

La membrana mitocondriale interna dei mitocondri La membrana mitocondriale interna dei mitocondri

del tessuto adiposo bruno del tessuto adiposo bruno

contiene una grande quantità di contiene una grande quantità di

proteina dissaccoppianteproteina dissaccoppiante (UCP-1) o termogenina, (UCP-1) o termogenina,

che genera calore che genera calore

mettendo in corto circuito la batteria protonica mitocondriale. mettendo in corto circuito la batteria protonica mitocondriale.

Questa via protonica dissipativa Questa via protonica dissipativa

è attivata dagli acidi grassi liberi rilasciati dai triacilgliceroli, è attivata dagli acidi grassi liberi rilasciati dai triacilgliceroli,

in risposta a segnali ormonali, in risposta a segnali ormonali,

quali gli agonisti quali gli agonisti adrenergici. adrenergici.

CV o ATPsintasi o FCV o ATPsintasi o F11FFoo ATPasi ATPasi

E’ UN E’ UN ENZIMA FUNZIONALMENTE REVERSIBILE ENZIMA FUNZIONALMENTE REVERSIBILE

(quello(quello bovino sembra essere costituito da 16 differenti subunità)bovino sembra essere costituito da 16 differenti subunità)

CARATTERIZZATO MOLECOLARMENTE DA 3 PARTI:CARATTERIZZATO MOLECOLARMENTE DA 3 PARTI:

1) UN 1) UN SETTORE DI MEMBRANASETTORE DI MEMBRANA FFoo

2) UN 2) UN SETTORE CATALITICOSETTORE CATALITICO FF11

3) UNO 3) UNO STELOSTELO

IL SETTORE DI MEMBRANA IL SETTORE DI MEMBRANA FFoo

E’ ASSOCIATO ALLA COMPONENTE CATALITICAE’ ASSOCIATO ALLA COMPONENTE CATALITICA F F11

DALLO “DALLO “STELOSTELO” ”

L’ATPasi SOLUBILEL’ATPasi SOLUBILE FF11

CONTIENE CONTIENE

5 DIFFERENTI SUBUNITA’ 5 DIFFERENTI SUBUNITA’

IN UNA BEN DEFINITA STECHIOMETRIA:IN UNA BEN DEFINITA STECHIOMETRIA:

LE SUBUNITA’ LE SUBUNITA’ e e

SONO OMOLOGHE ED ENTRAMBE LEGANO NUCLEOTIDI,SONO OMOLOGHE ED ENTRAMBE LEGANO NUCLEOTIDI,

LA SUBUNITA’ LA SUBUNITA’ HA ATTIVITA’ CATALITICA HA ATTIVITA’ CATALITICA

COMPOSIZIONE DEL SETTORE DI MEMBRANA FCOMPOSIZIONE DEL SETTORE DI MEMBRANA Foo

L’FL’Fo o DELL’DELL’ENZIMA BATTERICOENZIMA BATTERICO

E’ COSTITUITO DA :E’ COSTITUITO DA :

• un oligomero formato da un oligomero formato da 12 COPIE DELLA SUBUNITA’ c12 COPIE DELLA SUBUNITA’ c

• UNA SUBUNITA’ aUNA SUBUNITA’ a

• UN DIMERO DELLA SUBUNITA’ bUN DIMERO DELLA SUBUNITA’ b

MECCANISMO DI SCAMBIO DI LEGAME DI BOYERMECCANISMO DI SCAMBIO DI LEGAME DI BOYER

IN UN QUALUNQUE MOMENTOIN UN QUALUNQUE MOMENTO,, CIASCUNO DEI CIASCUNO DEI 3 SITI CATALITICI3 SITI CATALITICI,,

PRESENTI NELL’INTERFACCIA PRESENTI NELL’INTERFACCIA , ,

SAREBBE IN UNO DEI SEGUENTI SAREBBE IN UNO DEI SEGUENTI

3 DIFFERENTI STATI CONFORMAZIONALI3 DIFFERENTI STATI CONFORMAZIONALI::

““OPENOPEN” “” “LOOSELOOSE” “” “TIGHTTIGHT””

corrispondenti rispettivamente ad uno stato conformazionale:corrispondenti rispettivamente ad uno stato conformazionale:

““APERTOAPERTO” ”

““LASSOLASSO” con ” con ADP e Pi LEGATIADP e Pi LEGATI

“ “SERRATOSERRATO” con ” con ATP LEGATO SALDAMENTEATP LEGATO SALDAMENTE

ATTRAVERSO CUI PASSEREBBE CICLICAMENTE ATTRAVERSO CUI PASSEREBBE CICLICAMENTE

DURANTE L’ATTIVITA’ CATALITICADURANTE L’ATTIVITA’ CATALITICA

MODELLOMODELLO

MOTORE MECCANO-CHIMICOMOTORE MECCANO-CHIMICO

Secondo questo modelloSecondo questo modello

L’OLIGOMERO L’OLIGOMERO cc1212

ED IL COMPLESSO DELLE SUBUNITA’ED IL COMPLESSO DELLE SUBUNITA’ ED ED

COSTITUIREBBERO UN COSTITUIREBBERO UN ROTOREROTORE CHE RUOTEREBBECHE RUOTEREBBE

NELLO NELLO STATORESTATORE

COSTITUITO DALLA SUBUNITA’ COSTITUITO DALLA SUBUNITA’ aa , ,

DAL DIMERO DAL DIMERO bb22 E E

DALLA SUBUNITA’ DALLA SUBUNITA’

QUANDOQUANDO

I I PROTONIPROTONI SI TRASFERISCONO SI TRASFERISCONO

DAL CITOPLASMA NELLA MATRICE MITOCONDRIALEDAL CITOPLASMA NELLA MATRICE MITOCONDRIALE

CitoplasmaCitoplasma

matrice

Rilascio dell’ATP dalla subunità Rilascio dell’ATP dalla subunità nella subunità aperta nella subunità aperta

A differenza della forma serrata e della forma lassa, A differenza della forma serrata e della forma lassa,

la forma aperta della subunità la forma aperta della subunità può cambiare può cambiare

conformazione tanto quanto basta per rilasciare conformazione tanto quanto basta per rilasciare

i nucleotidi legati.i nucleotidi legati.