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Argomenti: Mitocondrio e Perossisomi Il NAD+ è in grado di ricevere elettroni, e quindi serve per ossidare una molecola organica che gli cederà elettroni trasformandolo in NADH; invece il NADH serve per ridurre una molecola organica a cui cederà elettroni diventando NAD+. La glicolisi è quella via centrale che serve per la produzione di ATP, e quindi energia, in modo estremamente rapido. (Se devo fare 100 metri lo sforzo che devo fare richiede un consumo di energia in modo estremamente rapido. Per fornire questa energia devo fare glicolisi). La glicolisi è però un processo che sebbene sia rapido è anche poco efficiente, ovvero produce per una molecola di glucosio solo 2 molecole di ATP (in realtà ne produce 4, ma 2 vengono consumate), 2 molecole di piruvato, un prodotto a tre atomi di carbonio e 2 molecole di NADH (vengono quindi consumate 2 molecole di NAD+, che rappresentano però la tappa finale del processo). Rappresenta la tappa finale proprio perché se non vi è più NAD+ servono dei processi per rigenerarlo, come la fermentazione lattica , dove grazie all'enzima lattico deidrogenasi, il piruvato (CH3COCOH) viene ridotto a lattato. Il NADH cede elettroni al piruvato spezzando il doppio legame tra il carbonio e l'ossigeno, facendolo diventare lattato (CH3CHOHCOH). Pertanto attraverso la conversione del piruvato a lattato avviene la rigenerazione di due molecole di NAD+ che porta alla continuazione della glicolisi. Invece nella fermentazione alcolica (che il prof introduce con la battuta L'UOMO HA INIZIATO PRIMA A BERE ALCOL CHE A LAVARSI, trovando la fermentazione alcolica un processo molto interessante) il processo avviene grazie all'enzima alcol deidrogenasi che svolge questo processo in 2 tappe: la prima tappa è la decarbossilazione del piruvato: il piruvato (CH3COCOH), perde il gruppo COH, che significa perdita di una molecola di CO2 ogni molecola di piruvato, che porta alla formazione dell'acetaldeide. L'acetaldeide per generare NAD+ deve subire un processo di idrogenazione. Il NADH deve quindi cedere elettroni all'acetaldeide, ossidandosi e diventando NAD+. L'acetaldeide quando viene ridotta spezza quindi il legame tra carbonio e ossigeno e il piruvato rimane quindi CH3CH2OH. La CO2 liberata è quella che vediamo visivamente durante la fermentazione alcolica, quando l'alcool inizia a bollire. Sappiamo che la fermentazione alcolica viene svolta da batteri e funghi, in particolare tra i funghi ricordiamo quelli del genere saccharomyces.
Troviamo questo processo di decarbossilazione anche in un altro enzima fondamentale per il metabolismo aerobico, nei mitocondri, chiamato piruvato deidrogenasi o decarbossilasi, che elimina la CO2 e forma il gruppo acetilico che però va a legarsi al coenzima A per formare l'acetil-coenzima A. Dove quest'ultimo è un importantissimo metabolita impiegato in molti processi, tra cui quello più importante è il metabolismo degli acidi grassi e il ciclo di Krebs. L'acetil-coA viene fuso insieme all'enzima ossalacetato per formare l'enzima citrato sintasi (intermedio molto importante del ciclo di Krebs) che poi perderà una CO2 e diventerà chetoglutarato, che a sua volta diventerà succil-coA, succinato, fumarato, malato, nuovamente ossalacetato e si ripete il ciclo. Per ogni molecola di acetil-coA che entra nel ciclo di Krebs vengono formate 3 molecole di NADH, 1 di GTP, 2 di CO2 (in realtà questo si forma se il ciclo di Krebs ha un fine catabolico, cosa che non succede in quanto il ciclo è fatto da una serie di reazioni anaplerotiche , ovvero di riempimento, e quindi alcuni intermedi che si formano possono fuoriuscire dal ciclo di Krebs e rappresentare un precursore da cui inizierà una via biosintetica. Es. il citrato è il precursore della sintesi del colesterolo e degli acidi grassi; il chetoglutarato è il precursore del glutammato, della glutammina, se vi si aggiunge un gruppo amminico, e della sintesi delle purine; il succinil-coA è importante per la sintesi del gruppo EME che ritroviamo nell’emoglobina; l’ossalacetato se viene amminato serve per la biosintesi dell’aspartato, e serve per la biosintesi di purine e pirimidine ) e 1 di FADH2, che sta per flavin adenosin dinucleotide, (che si forma nel metabolismo del
mitocondriali e che noi troviamo a livello del DNA mitocondriale, e poi troviamo chiaramente tutto il macchinario trascrizionale e replicazionale del DNA mitocondriale. La membrana mitocondriale interna contiene invece le creste, come abbiamo detto, troviamo poi tutti i complessi che costituiscono la catena di trasporto degli elettroni e la proteina ATP-sintasi. Nello spazio intermembrana troviamo un accumulo enorme di ioni H+, quindi vi è un ambiente molto più acido rispetto alla matrice. Il motivo per il quale troviamo questi protoni accumulati è dovuto al processo di fosforilazione ossidativa , che oltre a produrre ATP serve proprio alla rigenerazione del NAD+. Così come abbiamo visto nella glicolisi, che funziona in concomitanza con il processo fermentativo, in cui abbiamo la rigenerazione del NAD+, anche il ciclo di Krebs funziona in concomitanza con la fosforilazione ossidativa, che riconvertirà tutto il NADH prodotto durante il ciclo di Krebs a NAD+. Il potere riducente del NADH quindi, potere di cedere elettroni energetici, viene sfruttato da un processo che serve per la sintesi di ATP, e quindi per produrre energia, cedendo elettroni all’ossigeno, a cui essi arriveranno alla fine della catena di trasporto degli elettroni mitocondriali, che acquistandoli e quindi riducendosi, diventerà acqua. Durante questo processo di movimento di elettroni dal NADH all’ossigeno, vengono continuamente pompati ioni H+ dalla matrice allo spazio intermembrana, ed è proprio questo che determina l’accumulo degli ioni dello spazio intermembrana, che genera un gradiente elettrochimico molto forte, che agisce come se si accumulasse energia potenziale che vorrebbe far ritornare i protoni dallo spazio intermembrana verso la matrice.
Il gradiente elettrochimico protonico è spinto da due forze: una che è quella della concentrazione degli ioni H+, ovvero gli ioni H+ sono più concentrati nello spazio intermembrana rispetto alla matrice e ciò genera chiaramente un gradiente, in quanto noi sappiamo che una molecola vuole sempre muoversi da una zona a più alta concentrazione a una più bassa; ma in questo caso vi è anche un gradiente elettrochimico in quanto gli ioni H+ fanno repulsione tra di loro e vogliono assolutamente muoversi verso l’ambiente matriciale che è più carico negativamente essendo attratti dalla carica di segno opposto che troviamo a livello della matrice. Come avviene questo processo degli elettroni dal NADH verso l’ossigeno? Il NADH cede 2 elettroni ad un complesso, che troviamo a livello della membrana mitocondriale interna, che si chiama complesso I o complesso della NADH deidrogenasi , complesso ricco di centri ferro-zolfo e di gruppi che si chiamano flavin mononucleotide, dove troviamo degli anelli aromatici che hanno la caratteristica di cedere e acquistare elettroni. La flavin mononucleotide accetta quindi gli elettroni per cederli ai centri ferro-zolfo che costituiscono sempre il complesso NADH deidrogenasi. I centri ferro-zolfo sono gruppi molto importanti, in quanto anch’essi hanno la funzione di accettare o cedere elettroni, perché il ferro può passare da uno stato ridotto a uno stato ossidato e viceversa (Fe3+ stato ossidato, Fe2+ stato ridotto). Il ferro è legato quindi agli atomi di zolfo delle cisteine e ciò serve proprio per acquistare elettroni, passando allo stato ridotto Fe2+, per poi cederli ad una molecola che sta nella membrana mitocondriale esterna che si chiama ubichinone , che quando accetta elettroni passa da uno stato ossidato a uno stato ridotto.
Il complesso 3 ha 2 citocromi: il citocromo b e il citocromo c. L’ubichinone ridotto, passando ad uno stato ossidato, va a cedere elettroni prima al citocromo b, che passa invece ad uno stato ridotto, il citocromo b cede elettroni al citocromo c e in questi passaggi altri 4 protoni vengono pompati dalla matrice allo spazio intermembrana. Per ogni NADH quindi vengono pompati 8 protoni. Il citocromo c, prima cederà questi elettroni al complesso 4 , anche chiamato complesso della citocromo c ossidasi , che cederà poi elettroni al citocromo a , che è un citocromo che non possiede ferro, ma un atomo di rame che passa dalla forma Cu2+ quando cede elettroni e Cu+ quando li acquista. Dal citocromo agli elettroni arriveranno infine all’ossigeno, che diventerà acqua, e in questo passaggio altri 4 protoni vengono pompati. Il complesso 2 invece anziché acquistare elettroni dal NADH, acquista elettroni dal FADH2, cedendoli poi al complesso 3, che li cederà al complesso 4 che poi li cederà all’ossigeno, secondo lo stesso procedimento.
Perché non vi chiedete: Perché la natura ha evoluto la catena di trasporto degli elettroni che
prevede tutti questi componenti, il complesso I con la NADH deidrogenasi, il Complesso III con la
citocromo c reduttasi, il complesso IV della citocromo c ossidasi? Ed invece non ha evoluto un
sistema che trasferisse direttamente gli elettroni dal NADH all’ossigeno? Poteva direttamente
creare una catena più semplice in cui avevamo il NADH che, tramite un enzima, trasferiva gli
elettroni all’ossigeno. Se avvenisse un processo di questo tipo e cioè ci fosse solo un enzima
responsabile del trasferimento degli elettroni dal NADH all’ossigeno, verrebbe dissipata una
quantità enorme di energia sotto forma di calore. Perché il NADH ha una differenza di potenziale
redox così alta rispetto all’ossigeno che se avvenisse un passaggio di elettrone diretto, verrebbe
dissipata una quantità di energia sotto forma di calore enorme. Come se noi immaginassimo di
lanciare una pallina ad una persona che la deve ricevere a 1000 Km/h. Il ricevitore della pallina non
potrebbe ricevere la pallina in questa forma così energetica, non avrebbe modo. Quindi in questo
processo verrebbe dissipata energia sotto forma di calore. Invece la natura ha voluto evolvere un
sistema in cui questi elettroni altamente energetici vengono trasferiti prima ad un gruppo
intermedio (che è come se si muovesse a 900 km/h) con un dislivello più piccolo, con una
variazione di potenziale redox inferiore, poi la cede ad un altro componente che da 900 la lancia a
800 Km/h, mano mano la pallina rallenta fino ad essere ceduta all’accettore finale in grado di
recepire questa pallina. Questa energia che viene persa nel passaggio degli elettroni da un
componente ad un altro della catena, da un gruppo ad un altro anche nella stessa proteina, in tutti
questi passaggi l’energia viene dissipata ma non persa, quella dissipata viene utilizzata nel
muovere contro gradiente di concentrazione gli ioni H+^ dalla matrice allo spazio intermembrana. E
per ogni passaggio di elettroni da un componente all’altro della catena, un numero di protoni
passa contro gradiente di concentrazione dalla matrice allo spazio intermembrana. Quindi
abbiamo un grosso accumulo di protoni nello spazio intermembrana. In questo modo abbiamo
avuto questo grande accumulo e concentrazione di H+^ nello spazio intermembrana. Per ogni
molecola di NADH circa 12 protoni vengono pompati dalla matrice allo spazio intermembrana.
Approssimativamente consideriamo che per ogni molecola di FADH2 che cedono elettroni che
arrivano all’ossigeno, il numero di protoni che si muove dalla matrice allo spazio intermembrana è
circa la metà ovvero circa 6.
L’ultima cosa che vi devo dire è che tutti questi protoni che si sono accumulati nello spazio
intermembrana cosa devono fare? Abbiamo detto che loro vogliono assolutamente tornare nella
matrice perché c’è un gradiente elettrochimico favorevolissimo per lo spostamento dei protoni dallo
spazio intermembrana alla matrice, pertanto, la reazione del movimento dei protoni è
estremamente favorevole. Questo movimento dei protoni viene accoppiata ad una reazione molto
sfavorevole, per farla avvenire.
Questa reazione è la SINTESI DI ATP. Ad opera di questo complesso che si chiama Complesso H+-
ATP Sintasi. Questo complesso è chiamato anche Complesso V, grosso enzima costituito da due
subunità di cui una inserita a livello della membrana mitocondriale interna chiamata F 0 e una
chiamata F 1 , che è legata all’F 0 , ma è rivolta all’interno della martrice. Tramite la subunità F 0 che
fondamentalmente forma un cilindro cavo, i protoni, ad altissima velocità perché spinti dal una
reazione energerticamente favorevole, tornano passando attraverso questa F 0. E il passaggio di
questi protoni fa muovere una parte di questa subunità F 0 , che rappresenta un rotore e che genera
un movimento rotazionale che fa muovere anche il complesso F 1 , presente a livello della matrice
livello dei perossisomi è la formazione dei plasmalogeni (fosfolipi della mielina delle cellule
nervose). La sintesi di questi fosfolipidi avviene in parte nei perossisomi. Nei perossisomi
(parzialmente) avviene nelle piante il ciclo del gliossilato. Svolge inoltre una serie di azioni
detossificanti perché è ricco di questi enzimi che servono per eliminare l’acqua ossigenata. In
realtà il perossisoma possiede dell’acqua ossigenata e anche gli enzimi per degradarla, ma nel
perossisoma abbiamo un accumulo di acuqa ossigenata che può essere usata come ossidante in
tutta una serie di processi di detossificazione soprattutto nelle cellule epatiche. Ad esempio
abbiamo l’ossidazione di sostanze come il fenolo, acido folico, come formaldeide che vengono poi
eliminati. Per quanto riguarda il perossisoma, esso contiene elevatissime concentrazioni di
catalasi, che spezza l’acqua ossigenata in H 2 O^ e^ ossigeno,^ dove^ l’ossigeno^ viene^ utilizzato^ perché^ va
ad ossidare tutti i substrati di cui vi parlavo nelle reazioni di detossificazione.
Le proteine che arrivano al perossisoma sono caratterizzate dalla sequenza SKL in C-terminale. Il
processo di importazione delle proteine destinate al perossisoma ancora non è chiaro ma si pensa
sia mediato da proteine dette perossine, dove il processo di importazione è ATP-dipendente.
Esistono anche malattie genetiche connesse ad una mancata funzionalità o mutazione o delezione
per geni codificanti per perossine, come ad esempio la mutazione di questo gene chiamato Pex
determina la sindrome di Zellweger, dove si creano perossisomi che in microscopia elettronica
appaiono vuoti, che hanno perso la stuttura a causa di difetti dell’importazione di proteine. Questa
patologia porta anomalie gravissime, poco studiate anche perché gli affetti muoiono poco dopo la
nascita e queste anomalie sono cerebrali, del rene, fegato, estremamente gravi, non compatibili
con la vita.
Si pensa che i perossisomi si originano da vescicole che derivano dal Reticolo endoplasmatico e che
queste vescicole portano già inserite in membrana queste proteine precursori di quelle proteine
che poi svolgeranno il processo di importazione delle proteine specifiche del perossisoma
caratterizzata dalla sequenza SKL. Come si accresce e come si duplica? Il perossisoma si pensa che
si accresca per un continuo apporto di vescicole del Reticolo endoplasmatico, quando raggiunge
una certa dimensione, da quel momento in poi parte il processo di scissione e si scinde in due
organelli. Il perossisoma non è autonomo, si accresce e divide in modo meccanico ma non ha dna
o replicazione autonoma come il mitocondrio. Il mitocondrio insieme al cloroplasto è l’unico
organello quasi completamente autonomo, non lo è del tutto perché alcune proteine vengono
codificate dal genoma nucleare.
DOMANDA: come fa il perossido di idrogeno a non oltrepassare la membrana, come l’acqua,
perché è piccola?
RISPOSTA: l’acqua attraversa la membrana in una quantità irrisoria, quindi è sbagliato dire che
l’acqua attraversa la membrana. Un po' può passare per via di alterazioni locali che creano delle
piccole quantità. L’acqua in definitiva non dovrebbe passare. Nei globuli rossi passa mediante le
acquaporine, ma senza queste è trascurabile. Non passa per via del doppio strato fosfolipidico
della membrana, in particolare la parte interna della membrana. L’acqua è polare per via dello
squilibrio di cariche perché l’ossigeno è più elettronegativo. Gli elettroni condivisi tra ossigeno e
idrogeno sono spostati verso ossigeno che acquista una parziale carica negativa. Quindi l’acqua è
un dipolo con carica negativa su ossigeno e carica positiva su idrogeno. Quindi le acquaporine
permettono il passaggio solo dell’acqua sulla membrana plasmatica e non acqua ossigenata. La
membrana plasmatica si accresce con pezzi di membrana che derivano dal reticolo
endoplasmatico. Tutte le proteine di membrana, come arrivano alla membrana? Arrivano tramite
il traffico vescicolare fatto da pezzi di reticolo endoplasmatico sotto forma di vescicole. I fosfolipidi
sono stati sintetizzati nel Reticolo endoplasmatico.
Si pensa che il nucleo in origine si sia evoluto da una sorta di invaginazione della membrana ma è
un’ipotesi su una cellula primordiale di miliardi di anni fa il cui nucleo si ipotizza che derivi da una
sorta di pezzo di membrana ripiegato su se stesso che ha avvolto il dna.
Rimandiamo a lunedì la lezione, sul meccanimo di trasporto dal citosol al reticolo endoplasmatico,
ma considerate che dal Reticolo endoplasmatico ci sarà poi il traffico vescicolare, che prevede la
formazione di vescicole dal Reticolo endoplasmatico che andranno alla membrana plasmatica. La
parte membranosa della vescicola diventa parte integrante della membrana plasnmatica. La
biosintesi dei fosfolipidi, con gli intermedi come la ceramide, avviene sempre nel Reticolo
endoplasmatico.
