WUSTL: Fosforilazione ossidativa

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Traduzione di Natale Marzari

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Wednesday 22 October 2008

Dopo 41 anni e 5 mesi, nel maggio 2006 la magistratura di Trento ha riconosciuto l'esistenza e la gravità di quella malattia rara che nessuna altra istituzione o persona singola della provincia di Trento ancora mi riconosce, e per negare la quale mi perseguita.
Natale Marzari

PERCORSI MITOCONDRIALI

Ossidazione degli acidi grassi
Fosforilazione ossidativa
Composizione

Complesso I
Complesso II
Complesso III
Complesso IV
Complesso V
Carenza combinate
Percorsi
Malattie mitocondriali

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Modificato da MW King

Catena respiratoria mitocondriale

Localizzazione: Membrana mitocondriale interna
Composizione
- > 80 peptidi organizzati in 5 complessi enzimatici (I-V)
- Molecole trasportatrici di elettroni: Coenzima Q (CoQ); Citocromo c (Cyt c)
Azioni generali: Produzione di ATP dalla riduzione di ossigeno per generare energia per la funzione cellulare
Percorso
- Riceve elettroni prodotti dai donatori nel metabolismo intermedio
- Gli elettroni vengono trasferiti sequenzialmente attraverso i gruppi redox (di ossidoriduzione all'accettore finale, ossigeno
- Viene generata e liberata energia: Usata per pompare protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembranico
- Viene generato un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna
- La proteina rifluita dentro la matrice mitocondriale attraverso il ComplessoV viene accoppiata alla ATP sintetasi
- Vedi: il diagramma animato della pompa protonica e della ATP sintetasi

Altre funzioni mitocondriali

β-ossidazione degli acidi grassi
Biosintesi: Pirimidine; Aminoacidi; Fosfolipidi; Nucleotidi; Eme

CATENA RESPIRATORIA MITOCONDRIALE: COMPOSIZIONE
Complesso	I	II	III	IV	V
Enzima	NADH-CoQ Riduttasi	Succinato-CoQ Riduttasi	CoQ-Citocromo C Riduttasi	Citocromo C Ossidasi	Sintesi ATP
Inibitore	Rotenone Amital	TTFA malonate	Antimicina A	Cianide Monossido di carbonio Azide	Oligomicina
Subunità del DNA nucleare	39	4	10	10	~14
Subunità DNA mitocondriale	7 ND1-6, ND4L	0	1 Citocromo b	3 Citocromo Ossidasi I , II , III	2 ATPasi 6 ATPasi 8
Flavoproteina	Flavina mononucleotide	FAD (SDHA)
Ferroproteina	proteina ferro-zolfo (FeS) NDUFS1	FeS proteina SDHB	Rieske FeS ; Citocromo (Eme) b, c1	Citocromo (Eme) a, a3
Altre caratteristiche		Proteine della membrana Citocromo b560 SDHC SDHD		Rame-proteina
Malattie	Generale Alper Alzheimer/ Parkinsonismo Cardiomiopatia Carenza Barth Infantile letale Encefalopatia CNS infantile Leber Leigh Longevità MELAS MERRF Miopatia ± CNS PEO Midollo spinale	Generale Kearns-Sayre Leigh Miopatia Infantile ± CNS Paraganglioma Feocromocitoma	Generale Cardiomiopatia infantile letale GRACILE Leber Miopatia ± CNS PEO	Generale Alper Atassia Sordità Leber Leigh Miopatia Infantile Fatale Benigna Adulti Rabdomiolisi PEO, KSS, MNGIE MERRF, MELAS	Leber Leigh NARP ATP12 Cardiomiopatia
Note La maggior parte delle encefalomiopatie mitocondriali sono associate con mutazioni nel DNA mitocondriale Mutazioni nucleari ® Difetti nella catena respiratoria Leigh: Subunità flavoproteina della succinato deidrogenasi (Complesso II) : Carenza del Complesso I multisistemica fatale: Insorgenza infantile NADH Deidrogenasi (Ubichinone) 4 proteine Fe-S 18-kD (AQDQ) subunità del Complesso I Sindrome di Barth: Tafazzine Paraparesi spastica ereditaria 7: Paraplegine ~ 1.000 peptidi mitocondriali non coinvolti nella catena respiratoria: Codificati dal DNA nucleare 2 superossido dismutasi (SOD2) Enzimi spazzini dei radicali liberi intramitocondriali Superossido degradato prodotto come sottoprodotto dalla fosforilazione ossidativa

COMPLESSO I (NADH-Ubichinone Ossidoriduttasi): Caratteristiche e Carenze¹

Complesso I: Caratteristiche³
- Composizione
  - Il più largo complesso della catena respiratoria
    - 46 proteine assemblate
    - 7 proteine codificate dai mitocondri
    - 39 proteine codificate dal nucleo
  - Subunità maggiori: Flavoproteine; proteina ferro-zolfo; frazione idrofobica
  - Subunità coinvolte nella struttura del Complesso I
    - NDUFAB1 (SDAP) : Trasportatrice della catena degli acidi grassi
    - NDUFA1 (MWFE) :
      - Espressa primariamente nel cuore e nei muscoli scheletrici
      - Malattie: Encefalopatie
  - Subunità coinvolte nella regolazione dell'attività del Complesso I
    - NDUFS4 (AQDQ)
      - Funzioni: Aumenta l'attività del Complesso I con la fosforilazione
      - Malattie: Encefalopatia infantile multisistemica con carenza del complesso I, sindrome di Leigh
  - Proteine coinvolte nell'assemblaggio del complesso I
    - Proteina mitocondriale inducente MYC (B17.2L; Mimitina)
      - Malattia: Encefalopatia infantile
  - Collegamento esterno: Componenti
- Struttura generale
  - Conformazione a L
  - Ramo idrofobico
    - Contiene subunità codificate dal mtDNA
    - Alloggiato sulla membrana mitocondriale interna
    - ? Formato da 2 complessi piccolo e grosso (in Neurospora)
      - Gioca un ruolo nell'assemblaggio con: CIA30; CIA84
  - Ramo idrofilico periferico
    - Contiene il sito del legame NADH ed il centro attivo redox
    - Si estende dentro la matrice mitocondriale
- Collocazione: Parti nella
Complesso I: Associazioni (Respirasomi)
- Supercomplesso I, III, IV
- Stabilizza la struttura del Complesso I
- Stechiometria I:III:IV = 1:2:4
- Carenze in altri complessi possono produrre la perdita della funzione del Complesso I
Complesso I: Funzioni
- Trasporto degli elettroni dal NADH all'ubichinone
- Simultaneo passaggio di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna nello spazio intermembranico
- Stechiometria: 4H⁺/2e^-
Malattie
- Complesso I ± Altri complessi
  - Alper
  - Alzheimer/Parkinsonismo
  - Cardiomiopatia
  - Carenza: Barth; CNS infantile
  - Encefalopatia, insorgenza adulta
  - Leber (LHON)
  - Leigh
  - Longevità
  - MELAS
  - MERRF
  - Miopatia
  - ± CNS
  - PEO
  - Midollo spinale
- Carenza isolata del complesso I: mutazioni del mtDNA
  - MELAS: tRNA^Leu A3243G e T3271C
  - Miopatia: tRNA^Leu T3250C, A3251G e A3303G
  - Leber (LHON): tRNA^Lys G11778A, ND1 G3460A e ND6 T14484A
  - MERRF: tRNA^Lys G8363A, ND1 A8344G, tRNA^{Ser (MTTS2)}
  - Sindrome di Leigh: ND4 G14459A
  - Sindrome del QT lungo: tRNA^leu T3394C
  - Diabeti e sindrome di Fanconi: Delezione multipla
  - Atassia, Ipogonadismo e distrofia Coroidale: Delezione multipla
- Carenza isolata del complesso I: mutazioni del nucleare
  - Caratteristiche cliniche: Generali
    - Mutazioni nucleari più comuni di quelle mitocondriali
    - Insorgenza: Infantile; Media da 4 a 5 mesi
    - Maschi:Femmine = 3,5:1
    - Prognosi: Morte nel 1° o 2° anno nel 67% dei casi; ? MIgliore con lattato nel sangue normale
    - Acidosi lattica: Sangue 85%; CSF 90%
    - Ereditarietà: Solitamente autosomica recessiva
    - MRI risonanza magnetica: Anormale
  - Sindromi specifiche
    - Grave acidosi lattica neonatale
    - Sindrome di Leigh: NDUFS4; NDUFS7; NDUFS8
    - Macrocefalia con leucodistrofia progressiva: NDUFV1
    - Cardiomiopatia neonatale con acidosi lattica
    - Encefaalomiopatia: NDUFV1
    - Epatomegalia con tubolopatia renale
    - Neonatale letale: NDUFS6
    - Cardiomiopatia + Encefalomiopatia: NDUFS2
    - Encefalopatia infantile: NDUFS1; MYC-induced mitochondrial protein; NDUFA1

COMPLESSO II (Succinato Deidrogenasi-CoQ Oxoriduttasi): Caratteristiche e Carenze

Funzione: Catena respiratoria mitocondriale
Composizione: 4 Subunità; tutte codificate dal nucleo
- Flavoproteina: FAD (SDHA; Fp)
  - Funzioni: Sito catalitico; cofattore del legame covalente FAD
  - Mutazioni: Sindrome di Leigh
- Proteina ferro-zolfo: SDHB (Ip)
  - Funzione:Trasferimento di elettroni tra la FAD ed il chinonone membrano-legato
  - Struttura: Contiene tre differenti gruppi ferro-zolfo
  - Mutazioni SDHB: Feocromocitoma e Paraganglioma
- Citocromo b subunità: SDHC ; SDHD
  - Proteine integrali della membrana: Lega Fp e Ip alla matrice
  - Mutazioni SDHC e SDHD: Paraganglioma
Collocazione del COMPLESSO II
- Nella lato della matrice sul lato interno della membrana mitocondriale
- Il legame alla membrana è dipendente da due piccole proteine (15.5 e 13.5 kDa) SDHC e SDHD

COMPLESSO III (CITOCROMO RIDUTTASI): Caratteristiche e Carenze

Caratteristiche del complesso III

Composizione
- Subunità nucleari
  - Numero: 10
  - Componenti
    - Citocromo c1 (CYC1)
    - Proteina legante-Ubichinone (UQPC)
    - Ubichinolo-Citocromo c riduttasi proteina cuore II (UQCRC2)
    - Proteina Rieske FeS
- Subunità mitocondriali
  - Numero: 1
  - Componenti: Citocromo b
Collocazione del Complesso III: Membrana mitocondriale interna
Associazioni
- SuperComplesso dei Complessi I, III, IV
- L'associazione dei Complessi III e IV può essere stabilizzata da cardiolipina
- Difetti nel rimodellamento della cardiolipina: Barth

Complesso III Funzioni

Trasferisce elettroni dall'ubichinolo al citocromo c
Accoppiamento con trasferimento di elettroni attraverso la membrana mitocondriale interna
Contiene 3 centri redox

Citocromo b
Citocromo c
Proteina Rieske FeS

Complesso III Malattie

Nessuna mutazione nucleare identificata
Difetti biochimici selettivi del Complesso III
- Citocromo b : Mitocondriale; Sporadica
  - Leber
  - Miopatia ± CNS
- GRACILE
- UQCRB
Altri difetti
- Cardiomiopatia
- Infantile fatale
- PEO
- Tubulopathy, encephalopathy & liver failure

COMPLESSO IV (CITOCROMO OSSIDASI): Caratteristiche e Carenze

Complesso IV Composizione e proteine collegate

Subunità nucleare
- Numero: 10
- Si presume giochi un ruolo strutturale e regolatore nel COX
Subunità mitocondriali
- Numero: 3
- La più larga subunità COX
- Forma il cuore catalitico del COX
- Contiene 3 atomi di rame e 2 molecole Eme A
  - Serve come gruppo prostetico nell'oloenzima
  - Direttamente coinvolto nel trasferimento degli elettroni
Fattori di assemblaggio relativi alla COX
- Componenti essenziali del percorso biosintetico della COX
- Espressione delle singole subunità COX
- Fornisce gruppi prostetici all'apoenzima
- Fattori inclusi: SURF-1; SCO1; SCO2; COX 10; COX 17

Mutazioni nucleari

Generale
- Sono richieste 4 nelle proteine per l'assemblaggio dell'olocomplesso
- 1 mutazione nella proteina mRNA legante: LRPPRC
- Nessuna mutazione nucleare che codifica le proteine strutturali del COX
Specifiche mutazioni
- Surfeit-1 (SURF-1) : Sindrome di Leigh (tipo franco-canadese)
  l Cromosoma 9q34; Recessiva
  - Subunità COX ridotte: Tutte tranne: Va e Vb
- SCO1 : Insufficienza epatica neonatale e coma chetoacidotico²
  l Cromosoma 17p13.1; Recessiva
- SCO2 : Cardioencefalomiopatia, infantile fatale
  l Cromosoma 22q13; Recessiva
  - Subunità COX ridotte: I e II
- COX10 (Eme A:farnesyltransferasi) : Atassia; Encefalopatia
  l Cromosoma 17p13.1-q11.1; Recessiva
  - Subunità COX ridotte: II
- LRPPRC: Sindrome di Leigh; Acidosi metabolica
  l Cromosoma 2q16; Recessiva

Mutazioni mitocondriali

Subunità COX I
- Atrofia ottica di Leber
- Anemia sideroblastica, idiopatica acquisita
- Encefalopatia con perdita dell'udito
- Cancro colon-rettale
- Intolleranza all'esercizio e Mioglobinuria
Subunità COX II
- Atassia
- Miopatia
Subunità COX III
- Atrofia ottica di Leber
- Mioglobinuria
- Intolleranza all'esercizio
- Encefalopatia
- Paraparesi spastica, Ritardo mentale e Oftalmoplegia

Altre sindromi associate con carenza del Complesso IV

Alexander
Alper
Atassia
Carenza di rame
Sordità
Iperomocisteinemia
Leber
Leigh
Miopatia
- Insorgenza infantile
  - Fatale
  - Benigna
- Insorgenza adulta
  - Rabdomiolisi
  - PEO
  - KSS
  - MNGIE
  - MERRF
  - MELAS

COMPLESSO V (ATP Sintetasi): Caratteristiche e Carenze

Composizione
- mtDNA che codifica: 2 subunità
- DNA nucleare che codifica: 14 subunità
Funzione: Accoppia il gradiente protonico generato dalla catena respiratoria alla ATP sintesi
Mutazioni
- mtDNA per ATPasi 6
  - Leigh (MILS): Alti livelli (> 90%) di T8993G o T8993C mutazioni nel cervello e sangue
  - NARP: Livelli intermedi (70% a 90%) di T8993G o T8993C mutazioni in cervello e sangue
  - Necrosi bilaterale striata: mutazione T9176C
- Mutazioni nelle proteine codificata dal nucleo
  - ATP12: malattia multisistemica congenita
  - Cardiomiopatia

Carenza combinata dei complessi I, III, IV, e V

Cause: Mutazioni
- mtDNA
- Componenti dell'apparato di traslazione mitocondriale codificati dai geni nucleari
Sintesi di 13 proteine codificate dai geni mitocondriali
- Necessarie per l'apparato dedicato alla traslazione mitocondriale
- Richiede tRNA e RNA ribosomali (rRNAs) codificati nel mtDNA
- Altri fattori
  - Fattori di traslazione
  - Proteine ribosomali mitocondriali (mitoribosomi): Tutte codificate dai geni nucleari
  - Fattori di iniziazione dei mammiferi: IF2 e IF3
  - Fattori di elongazione: EFTu, EFT, EFG1 e EFG2
  - Fattori di rilascio: RF1
  - Fattori ribosomali di riciclo: RRF
- Mitoribosomi
  - 55S particelle
  - Composte di 28 piccole e 39 grandi subunità
  - Contenenti un rapporto molto più alto di proteine RNA delle 70 dei ribosomi batterici
Malattie
- Deplezione di mtDNA
  - Timidina chinasi 2 (TK2)
- Altre mutazioni nei geni nucleari
  - EFG1: Epatoencefalopatia
  - MRPS16: Proteina delle piccole subunità ribosomali
  - EFTs (TSFM)
    - Encefalomiopatia mitocondriale fatale
    - Cardiomiopatia ipertrofica fatale
  - ANT1: Cardiomiopatia

Referenze
1. Human Mutation 2000;15:123-134
2. Am J Hum Genet 2000;67
3. Curr Opin Neurol 2004;17:179–186

21 febbraio 2007

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