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E' uno dei due sistemi di trasduzione
dell'energia più importanti della biosfera, e costituisce la via di sintesi
dell'ATP (partendo da ADP e Pi) attraverso il trasferimento di
elettroni all'ossigeno. E' la tappa finale di tutte le reazioni enzimatiche che
prevedono la degradazione ossidativa dei carboidrati, degli acidi grassi e
degli amminoacidi nelle cellule aerobiche. Il processo di fosforilazione
ossidativa avviene nei mitocondri e consente di ossidare l'ossigeno ad acqua.
I mitocondri, organelli cellulari, sono provvisti di una doppia membrana. La
membrana esterna è facilmente permeabile a piccole molecole e a ioni, mentre la
membrana interna è impermeabile a quasi tutti gli ioni ed alle piccole
molecole, consentendo il passaggio attraverso di essa solo alle specie chimiche
aventi specifici trasportatori di membrana. Nella membrana sono presenti i
componenti della catena respiratoria preposti alla sintesi di ATP.
Nella matrice mitocondriale (lo spazio fra le due membrane) è
contenuto il complesso della piruvato deidrogenasi, gli enzimi del ciclo
dell'acido citrico e della via di ossidazione degli acidi grassi.
Gli elettroni che agiscono nella catena respiratoria sono differenti,
esaminiamoli nel dettaglio. Premettiamo che, quasi tutti gli elettroni
coinvolti nel trasporto, sono il frutto di varie fasi di deidrogenazione
(ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico, β ossidazione degli
acidi grassi ecc.).br> I trasportatori di elettroni verso cui gli elettroni
sopra esaminati vengono incanalati sono , in massima parte, proteine integrali
di membrana, contenenti gruppi prostetici capaci di accettare e donare uno o
due elettroni, accettandoli dal trasportatore che lo precede e donandoli al
donatore che lo segue, instaurando in questo modo la catena di trasporto
specifica.
Oltre ai trasportatori noti, nella matrice lavorano altri 3 gruppi
di trasportatori di elettroni: l'ubichinone, i citocromi e le proteine
ferro-zolfo.
L'ubichinone può accettare un solo elettrone (trasformandosi in radicale
semichinonico) o due elettroni (quindi riducendosi completamente a ubichinolo
UQH2). L'ubichinone, avendo dimensioni fisiche molto ridotte, ed
essendo idrofobico, può liberamente diffondere nel doppio strato lipidico della
membrana mitocondriale interna agendo da ponte con i trasportatori di elettroni
meno mobili.
I citocromi sono proteine contenenti ferro con il compito di trasferire
gli elettroni localizzati nella membrana mitocondriale interna, il loro gruppo
prostetico eme conferisce loro il caratteristico colore rosso. Distinguiamo 3
classi di citocromi indicate con le lettere a, b, e c, caratterizzati da
diverse modalità di assorbimento della luce. Di questi i citocromi a e b sono
saldamente legati alla proteina, i citocromi del gruppo c sono covalentemente
legati ai residui di Cys della proteina. Ad eccezione del citocromo c dei
mitocondri, gli altri sono rappresentati da proteine integrali di membrana.
Le proteine ferro-zolfo hanno generalmente strutture molto semplici (ad
esempio un singolo atomo di ferro coordinato con quattro atomi di zolfo) ma
possono anche essere molto complesse e contenere sino a 4 atomi di fero, sono
buoni donatori di elettroni avendo vassi potenziali di riduzione standard.
Nella reazione complessiva di ossidoriduzione gli elettroni passano da un donatore primario (esempio il NADH) attraverso flavoproteine, ubichinone, proteine ferro-zolfo e citocromi (tutti immersi nella membrana mitocondriale) per arrivare all'ossigeno. Ognuno di questi complessi rappresenta una frazione delle 4 che costituiscono la catena respiratoria.
Il complesso I è una flavoproteina complessa (contenente più di 25 catene polipeptidiche), la reazione catalizzata è la seguente:
NADH + H+ +UQ <==> NAD+ + UQH2