Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa - Altervista
Trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa - Altervista
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<strong>Trasporto</strong> <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> e<br />
<strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong><br />
1
LA RESPIRAZIONE CELLULARE<br />
Le cellule respirano?<br />
La respirazione cellulare è il meccanismo attraverso cui<br />
la cellula, in presenza di ossigeno, è in grado di ricavare<br />
energia utilizzabile nei processi vitali dai legami chimici<br />
delle molecole assorbite nella digestione.<br />
La respirazione cellulare consta di diverse reazioni, in cui<br />
i prodotti di un passaggio sono utilizzati come reagenti<br />
per il processo successivo.<br />
I prodotti di scarto della respirazione cellulare (come<br />
CO 2 o H 2O) vengono eliminati dalla cellula e, negli<br />
organismi superiori, escreti attraverso la respirazione<br />
polmonare e le urine.<br />
2
Gli organismi aerobici durante il processo di ossidazione dei carburanti<br />
metabolici consumano ossigeno e producono biossido di carbonio:<br />
C6H12O6 + 6O2 6CO2 + 6 H2O<br />
Glucosio<br />
3
Le 12 coppie di e- rilasciate<br />
durante l’ossidazione del glucosio<br />
non sono trasferite direttamente<br />
all’O2 ma ai coenzimi NAD+ e FAD<br />
tramite i coenzimi, gli e- passano<br />
alla catena di trasporto <strong>degli</strong> e-<br />
4
Durante il processo di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> accadono i eguenti eventi:<br />
1) NADH e FADH2 sono riossidati a NAD+ e FAD<br />
2) il trasferimento <strong>degli</strong> e- partecipa all’ossidazione-riduzione di 10 centri<br />
redox<br />
3) durante il trasferimento <strong>degli</strong> e-, dal mitocondrio vengono espulsi dei<br />
protoni con la generazione di un gradiente protonico attraverso la<br />
membrana mitocondriale.<br />
5
Struttura di un<br />
mitocondrio<br />
50% lipidi, 50% proteine<br />
80% proteine<br />
7
LA RESPIRAZIONE CELLULARE<br />
Modello di mitocondrio e schema<br />
generale della respirazione<br />
cellulare<br />
La respirazione aerobica ha luogo nella<br />
matrice e nella membrana mitocondriale<br />
interna e questo processo è incrementato<br />
dalla grande superficie offerta dalle creste.<br />
La matrice contiene la maggior parte <strong>degli</strong><br />
enzimi coinvolti nell’ossidazione <strong>degli</strong> acidi<br />
grassi e gli enzimi <strong>degli</strong> acidi tricarbossilici<br />
(ciclo di Krebs); sono inoltre presenti DNA<br />
mitocondriale ed RNA.<br />
La membrana mitocondriale interna<br />
contiene i citocromi, le molecole di trasporto<br />
della catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> e gli<br />
enzimi coinvolti nella produzione di ATP.<br />
I mitocondri sono considerati organuli<br />
semiautonomi, perché riescono a<br />
sintetizzare molte delle proteine di cui<br />
necessitano; inoltre, vanno incontro ad<br />
un’autoreplicazione mediante un processo<br />
che è analogo alla divisione dei batteri.<br />
8
La porina ha una struttura a foflietto β antiparallelo<br />
che si arrotola a formare un barile.<br />
Sono proteine che formano canali nella membrana dei<br />
batteri gram-negativi<br />
Le porine sono presenti anche negli eucarioti, nella<br />
membrana esterna dei mitocondri e dei cloroplasti.<br />
11
NAD+, NADH, NADP+, NADPH, FAD, FADH2<br />
La membrana mitocondriale interna è priva di una proteina trasportatrice<br />
del NADH<br />
Nel mitocondrio vengono trasportati soltanto gli <strong>elettroni</strong> del NADH<br />
citosolico mediante ingegnosi sistemi “ navetta”<br />
14
Sistemi navetta di substrati:<br />
si servono di isoforme citoplasmatiche e mitocondriali<br />
dello stesso enzima<br />
15
Shuttle malato – aspartato (fegato, muscolo cardiaco)<br />
GOT cit.<br />
reaz. di transamminazione<br />
4<br />
3<br />
reaz. di transamminazione<br />
GOT mit.<br />
(e-)<br />
1<br />
malato deidrogenasi (citosolica)<br />
(reaz. di riduzione)<br />
2<br />
16<br />
mmi<br />
malato deidrogenasi (ciclo di Krebs)<br />
(reaz. di ossidazione)
trasferimento di una<br />
coppia di e-<br />
isozima<br />
Il sistema navetta del<br />
Glicerofosfato del muscolo<br />
alare <strong>degli</strong> insetti<br />
glicerolo 3-P deidrogenasi<br />
FAD dip.<br />
17
Meccanismo conformazionale del traslocatore ADP-ATP o adenina nucleotide traslocasi<br />
che trasporta l’ATP fuori dalla matrice scambiandolo con l’ADP (dimero costituito da<br />
due subunità identiche di 30 kD)<br />
Il Pi che è necessario anche per la sintesi di ATP nella matrice, viene importato dal<br />
citosol mediante un sistema di simporto Pi-H + .<br />
Il gradiente protonico transmembrana generato dalla catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong><br />
presente sulla membrana mitocondriale interna non fornisce soltanto la forza<br />
termodinamica necessaria per la sintesi di ATP ma promuove anche il trasporto dei suoi<br />
materiali di partenza , ADP e Pi.<br />
18
I due sistemi di trasporto<br />
mitocondriale per il Ca 2+<br />
antiporto<br />
con ioni Na+<br />
I MT funzionano da tamponi per il calcio<br />
citosolico.<br />
Importanza della distribuzione<br />
intracellulare del calcio:<br />
contrazione muscolare<br />
trasmissione neuronale<br />
secrezione, azione <strong>degli</strong> ormoni<br />
L’entrata nella matrice<br />
è promossa dal potenziale di membrana<br />
negativo che attrae gli ioni positivi.<br />
La velocità dipende dalla [Ca ++ ] esterna<br />
Se la [Ca++]cit<br />
= aumenta l’entrata<br />
Se la [Ca++] cit = diminuisce<br />
l’entrata<br />
19
Quando la [Ca++] citoplasmatica aumenta per un lavoro<br />
muscolare sostenuto<br />
la [Ca++] aumenta anche nella matrice mitoc., attivando<br />
gli enzimi del ciclo di Krebs che porta a un aumento dei<br />
livelli di NADH, la cui riossidazione tramite il sistema<br />
di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> genera l’ATP necessario per<br />
la contrazione.<br />
20
I trasportatori <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> che portano gli <strong>elettroni</strong> dal<br />
NADH e dal FADH all’O2 sono associati alla membrana<br />
mitocondriale interna.<br />
Alcuni di questi centri redox sono mobili, altri sono invece<br />
componenti di complessi di proteine integrali di membrana.<br />
La sequenza dei trasportatori <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> riflette<br />
grossolanamente i loro potenziali di riduzione relativi,<br />
cosicchè il processo di trsporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> è<br />
complessivamente esoergonico.<br />
21
La via più importante per la formazione di ATP, presente sia negli<br />
organismi autotrofi che in quelli eterotrofi, è la <strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong>:<br />
questo processo è fortemente endoergonico (cioè necessita di una grande<br />
quantità di energia, DG > 0)<br />
Il meccanismo più rilevante per la sintesi di ATP da ADP e Pi utilizza<br />
energia derivante da gradienti elettrochimici.<br />
Questa energia viene liberata grazie alla presenza nella cellula<br />
(mitocondrio) di catene trasportatrici di <strong>elettroni</strong> (processo redox<br />
fortemente esoergonico, DG < 0)<br />
22
La La catena catena respiratoria respiratoria libera libera energia energia grazie grazie alla alla differenza differenza tra tra<br />
i i potenziali potenziali di di riduzione riduzione tra tra il il donatore donatore (NADH (NADH + + H H++<br />
), ), complessi complessi<br />
della della catena catena respiratoria respiratoria e e l’’accettore l accettore (O (O22)<br />
) di di <strong>elettroni</strong>. <strong>elettroni</strong>.<br />
Gran Gran parte parte di di questa questa energia energia viene viene impiegata impiegata dall’’ATP dall ATP sintasi sintasi<br />
per per convertire convertire l’’ADP l ADP in in ATP<br />
ATP<br />
23
Il flusso di <strong>elettroni</strong> può produrre un lavoro<br />
biologico:<br />
Nel “circuito che potenzia un motore”, la fonte di e- può essere<br />
una batteria che contiene due specie chimiche che hanno una<br />
diversa affinità per gli e- .<br />
Il flusso <strong>elettroni</strong>co procederà spontaneamente nel circuito<br />
guidato da una forza proporzionale alla differenza tra le due<br />
affinità detta forza elettromotrice (fem).<br />
La fem può generare un lavoro se al circuito viene collegato un<br />
trasduttore energetico.<br />
24
In un analogo “circuito biologico” la fonte di <strong>elettroni</strong> è un<br />
composto ridotto come per es. il glucosio.<br />
Quando viene ossidato enzimaticamente sono rilasciati e-<br />
che fluiscono spontaneamente attraverso una serie di<br />
trasportatori intermedi fino a raggiungere una specie<br />
chimica con un’elevata affinità per gli e- come l’ossigeno.<br />
La forza motrice che si genera fornisce energia ad una<br />
varietà di trasduttori molecolari (enzimi e proteine) che<br />
compiono un lavoro biologico.<br />
25
L’ossidazione ossidazione biologica completa di sostanze organiche nutrienti crea crea<br />
un<br />
flusso di <strong>elettroni</strong> che procede verso l’ossigeno l ossigeno mediante una serie di<br />
trasportatori di <strong>elettroni</strong> intermedi che si comportano come un ponte ponte<br />
a<br />
cestelli:<br />
reazione redox esoergonica: esoergonica:<br />
gli <strong>elettroni</strong> passano spontaneamente da un<br />
trasportatore a bassa affinità affinit per gli <strong>elettroni</strong> ad un altro con affinità affinit<br />
maggiore e così cos via. La reazione complessiva è: :<br />
sostanza organica + O 2 CO 2 + H 2O O + energia<br />
26
Il sistema mitocondriale di trasporto <strong>degli</strong> e- e non è altro che una sequenza di<br />
reazioni di ossido riduzione<br />
Durante le reazioni redox, gli <strong>elettroni</strong> trasferiti possono passare passare<br />
direttamente dai donatori agli accettori:<br />
Fe 2+ + Cu 2+ Fe 3+ + Cu +<br />
In alternativa, gli <strong>elettroni</strong> possono essere trasferiti da un donatore donatore<br />
a un<br />
accettore mediante un trasportatore di <strong>elettroni</strong>:<br />
NADH + H + + FAD<br />
XH 2 + Y X +Y H 2<br />
NAD+ + FADH2<br />
27
Un atomo di idrogeno neutro è in grado di trasferire un singolo<br />
elettrone:<br />
H ee-- + H +<br />
Lo ione negativo idruro (H - ) è invece in grado di trasferire due<br />
<strong>elettroni</strong>:<br />
H- 2e-- 2e + H +<br />
28
Le forme ossidate e ridotte dei composti sono dette coppie<br />
redox.<br />
donatore di e- (agente riducente)<br />
accettore di e- (agente ossidante)<br />
La facilità con la quale gli e- passano dal riducente<br />
all’ossidante è espressa quantitativamente dal valore del<br />
potenziale di ossido-riduzione del sistema.<br />
29
In una coppia redox il riducente con un potenziale di ox-red<br />
molto negativo cede facilmente i suoi e- a coppie con<br />
potenziali redox meno negativi o più positivi<br />
Viceversa un forte ossidante (caratterizzato da un<br />
potenziale redox molto positivo) mostra una grande affinità<br />
per gli e-.<br />
30
Il potenziale di riduzione standard (E 0 ) è una misura<br />
quantitativa dell'affinità dell'affinit di un accettore per gli <strong>elettroni</strong> in una<br />
semi-reazione.<br />
semi reazione.<br />
Per convenzione internazionale, alla semi-reazione<br />
semi reazione<br />
H + + e- e 1/2H 2<br />
viene assegnato un potenziale di riduzione standard pari a zero,<br />
quando la concentrazione di ioni H + è 1 M e H 2 è presente alla<br />
pressione parziale di 101,3 kPa. kPa.<br />
Questa semi-reazione semi reazione viene usata come riferimento per la<br />
determinazione dei potenziali delle altre semi-reazioni.<br />
semi reazioni.<br />
31
Il più pi forte agente<br />
ossidante cioè cio ha elevata<br />
affinità affinit per gli <strong>elettroni</strong><br />
e -<br />
32
La catena respiratoria comprende 3 complessi proteici inseriti nella<br />
membrana mitocondriale interna (complessi I, III e IV) e molecole di<br />
trasferimento mobili, quali il coenzima Q e il citocromo-c:<br />
• complesso I: NADH deidrogenasi<br />
• complesso III: citocromo-c reduttasi<br />
• complesso IV: citocromo-c ossidasi<br />
II<br />
Il complesso II è la succinato deidrogenasi, è l’unico enzima presente del<br />
ciclo dell’acido citrico presente nella membrana interna mitocondriale. Il<br />
complesso V, l’ATP sintasi, non partecipa al trasferimento di <strong>elettroni</strong><br />
33
Tutti i complessi della catena respiratoria sono formati da numerose numerose<br />
subunità subunit polipeptidiche e contengono una serie di coenzimi redox<br />
legati alle proteine:<br />
• Flavine: FMN e FAD nei complessi I e II<br />
• Coenzima Q<br />
• Centri Ferro-Zolfo:<br />
Ferro Zolfo: complessi I, II e III<br />
• Gruppi eme: II, III e IV<br />
I trasportatori flavinici e il CoQ sono trasportatori misti: misti:<br />
trasportano<br />
<strong>elettroni</strong> e H +<br />
I centri Ferro-Zolfo Ferro Zolfo e i gruppi eme dei citocromi sono trasportatori<br />
puri: puri:<br />
trasportano <strong>elettroni</strong><br />
34
Nicotinamide adenina dinucleotide (NAD+)<br />
e nicotinamide adenina dinucleotide fosfato<br />
(NADP+).<br />
R= H nel NAD+<br />
R= PO 3 –- nel NADP<br />
35
• L’FMN FMN e il FAD<br />
subiscono delle reazioni di<br />
ossido-riduzione<br />
ossido riduzione<br />
reversibili.<br />
•L’FMN FMN è saldamente<br />
legato al complesso-I complesso I della<br />
catena respiratoria e non si<br />
comporta come un<br />
substrato diffusibile.<br />
•Il Il FAD è tenacemente<br />
legato al complesso II, o<br />
succinato deidrogenasi.<br />
•Le Le flavine sono dei<br />
derivati riboflavina<br />
della vitavina<br />
36
Flavina adenina dinucleotide (FAD)<br />
Costituita da FMN + AMP<br />
37
•Il Il CoQ, CoQ,<br />
a a differenza differenza dei dei<br />
nucleotidi nucleotidi flavinici flavinici èè<br />
diffusibile diffusibile e e può può<br />
spostarsi, spostarsi, durante durante il il<br />
trasporto trasporto <strong>elettroni</strong>co, <strong>elettroni</strong>co, tra tra<br />
molecole molecole donatrici donatrici e e<br />
accettrici. accettrici.<br />
•Il Il coenzima coenzima QQ èè un un<br />
benzochinone benzochinone con con una una<br />
catena catena isoprenoide<br />
isoprenoide<br />
insatura. insatura.<br />
•Un Un valore valore numerico numerico<br />
riportato riportato al al pedice pedice indica indica<br />
il il numero numero di di unitàà unit<br />
isoprenoidi isoprenoidi (CoQ6, (CoQ6,<br />
CoQ10)<br />
CoQ10)<br />
38
Flavin mononucleotide (FMN)<br />
( forma ossidata o chinonica)<br />
Forma ossidata<br />
Forma radicalica<br />
FMNH*(forma radicalica o semichinonica) CoenzimaQH*o ubisemichinone<br />
(forma radicalica o semichinonica<br />
FMNH 2 (forma ridotta o idrochinonica)<br />
Forma ridotta<br />
CoenzimaQ (CoQ) o ubichinone<br />
(forma ossidata o chinonica)<br />
Coenzima QH 2 o ubichinolo<br />
(forma ridotta o idrochinonica)<br />
I tre stati di<br />
ossidazione<br />
dell’FMN dell FMN e del<br />
CoQ<br />
39
Flavin mononuleotide (FMN) e<br />
Coenzima Q (CoQ ( CoQ) ) o ubichinone<br />
Stati di ossidazione di Flavin<br />
Il FMN (a) e il coenzimaQ (b) formano radicali liberi<br />
semichinonici stabili.<br />
IL FMN e il CoQ (che possono trasferire uno o due<br />
<strong>elettroni</strong> per volta) sono quindi il punto di contatto tra<br />
il donatore a due <strong>elettroni</strong> NADH e i citocromi<br />
accettori ad un solo elettrone<br />
40
• I centri Fe-S, Fe , come i nucleotidi flavinici, flavinici,<br />
sono strettamente<br />
legati alle proteine.<br />
•Il Il ferro è legato allo zolfo elementare e ai gruppi tiolici di<br />
cisteine messe a disposizione dalla proteina.<br />
•Bench Benchè in un centro possano essere presenti vari atomi di<br />
ferro, i centri ferro-zolfo ferro zolfo partecipano a reazioni di<br />
trasferimento di un solo elettrone<br />
Esempi di centri ferro-zolfo<br />
ferro zolfo<br />
41<br />
33
• I citocromi rappresentano l<br />
rappresentano l’ultima ultima classe di componenti che<br />
partecipano al trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>.<br />
•I I citocromi sono delle proteine contenenti eme.<br />
•L’eme eme è la ferro-porfirina<br />
ferro porfirina che si trova nelle emoglobine e nella<br />
mioglobina. mioglobina.<br />
I citocromi del tipo a, b e c sono le principali varianti<br />
di queste proteine presenti nelle cellule.<br />
•Ciascun Ciascun citocromo è costituito da una catena polipeptidica e da un<br />
gruppo eme specifico.<br />
•Il Il ferro presente nei citocromi, ma non quello nell’emoglobina<br />
nell emoglobina, ,<br />
subisce delle ossido-riduzioni ossido riduzioni fisiologiche passando dallo stato<br />
ferroso (2+) a quello ferrico (3+) e viceversa<br />
42
Esempi di gruppi eme<br />
(Fe-protoporfirina IX)<br />
I gruppi eme sono composti<br />
tetrapirrolici contenenti<br />
ferro<br />
I singoli citocromi differiscono<br />
l’uno dall’altro per la natura del<br />
nucleo porfirinico<br />
43
Sequenza del trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong><br />
LL’’ossidazione ossidazione del del NADH NADH e e del del FADH FADH22<br />
viene viene compiuta compiuta dalla dalla catena catena di di<br />
trasporto trasporto <strong>degli</strong> <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>, <strong>elettroni</strong>, un un insieme insieme di di complessi complessi proteici proteici contenenti contenenti<br />
centri centri<br />
redox redox caratterizzati caratterizzati da da affinitàà affinit per per gli gli <strong>elettroni</strong> <strong>elettroni</strong> progressivamente<br />
crescenti. crescenti. Gli Gli <strong>elettroni</strong> <strong>elettroni</strong> viaggiano viaggiano lungo lungo questa questa catena catena partendo partendo da da potenziali potenziali<br />
di di riduzione riduzione standard standard piùù pi bassi bassi verso verso potenziali potenziali piùù pi alti. alti.<br />
Gli Gli <strong>elettroni</strong> <strong>elettroni</strong> vengono vengono trasportati trasportati dai dai Complessi Complessi I I e e II II al al Complesso Complesso<br />
III III<br />
mediante mediante il il CoQ, CoQ,<br />
e e dal dal complesso complesso III III al al Complesso Complesso IV IV attraverso attraverso la la proteina proteina<br />
periferica periferica di di membrana membrana citocromo citocromo cc<br />
Complesso I<br />
Complesso II<br />
Succinato<br />
deidrogenasi-FAD<br />
FeS, cit b560<br />
4 H +<br />
44
Il complesso I o NADH-coenzima<br />
NADH coenzima Q ossidoreduttasi(NADH<br />
ossidoreduttasi NADH deidrogenasi)<br />
deidrogenasi<br />
catalizza l’ossidazione l ossidazione del NADH da parte del CoQ. CoQ.<br />
E’ E il più pi grosso, complesso contenente<br />
43 catene polipeptidiche. polipeptidiche.<br />
Contiene una molecola di FMN e sei o sette centri ferro-zolfo<br />
ferro zolfo<br />
che partecipano al trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>.<br />
NADH + CoQ (ossidato)<br />
(6-7)<br />
Complesso I<br />
Complesso II<br />
Succinato<br />
deidrogenasi-FAD<br />
FeS, cit b560<br />
4 H +<br />
NAD + + CoQ (ridotto)<br />
3745
Il NADH può trasferire soltanto due <strong>elettroni</strong> per volta, mentre i citocromi del<br />
Complesso III a cui il CoQ passa i suoi <strong>elettroni</strong>, sono in grado di accettare solo un<br />
elettrone per ogni passaggio.<br />
Il FMN e CoQ che possono trasferire uno o due <strong>elettroni</strong> per volta, sono quindi il<br />
punto di contatto tra il donatore a due <strong>elettroni</strong> NADH e i citocromi accettori a un<br />
solo elettrone.<br />
46
Modello che rappresenta il trasporto dei protoni (batteriodopsina,una proteina<br />
integrale di membrana di Halobacterium halabium)<br />
Nel momento in cui gli <strong>elettroni</strong> vengono trasportati tra i vari centri redox del<br />
Complesso I, quattro protoni vengono trasferiti fuori dalla matrice nello spazio<br />
inermembrana .<br />
Il complesso I potrebbe esistere in due stadi conformazionali:<br />
ossidato e ridotto.<br />
47
FADH 2 +<br />
FADH<br />
Il complesso II (citocromo c-reduttasi)<br />
c reduttasi)<br />
catalizza l’ossidazione l ossidazione del FADH 2 da parte del CoQ<br />
+ CoQ<br />
Complesso I<br />
CoQ (ossidato)<br />
Complesso II<br />
Succinato<br />
deidrogenasi-FAD<br />
FeS, cit b560<br />
4 H +<br />
FAD + CoQ<br />
CoQ (ridotto)<br />
I suoi centri redox comprendono il FAD legato covalentemente alla succinato<br />
deidrogenasi, sul quale passano inizialmente gli <strong>elettroni</strong> , un centro 4Fe-4S, due<br />
centri 2Fe-2S e un citocromo b560 .<br />
48
Quando il succinato è convertito in fumarato nel ciclo del TCA, nella succinico<br />
deidrogenasi avviene una concomitante riduzione del FAD legato a FADH2. Questo<br />
FADH2 trasferisce i suoi <strong>elettroni</strong> immediatamente ai centri Fe-S che li passano<br />
al UQ.<br />
UQ + 2H+ + 2e = UQH2<br />
49
L’energia libera per il trasferimento <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> dal succinato al CoQ è<br />
insufficiente per promuovere la sintesi di ATP .<br />
Il complesso II è però ugualmente importante perché consente ad <strong>elettroni</strong> con un<br />
potenziale relativamente alto di entrare nelle catene di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong><br />
saltando il Complesso I.<br />
Il complesso I e II non operano in serie, anche se entrambi trasferiscono<br />
<strong>elettroni</strong> da substrati ridotti, NADH o Succinato al CoQ.<br />
Il CoQ che diffonde nel doppio strato lipidico tra i complessi respiratori, serve<br />
come una sorta di punto di raccolta per gli <strong>elettroni</strong>.<br />
Dalla prima tappa dell’ossidazione <strong>degli</strong> acidi grassi si generano gli <strong>elettroni</strong> che<br />
entrano nella catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> a livello del CoQ.<br />
Il CoQ raccoglie anche gli <strong>elettroni</strong> provenienti dal FADH2 prodotto dalla navetta del<br />
glicerolfosfato.<br />
50
Il complesso III<br />
catalizza l’ossidazione l ossidazione del CoQ (ridotto) da parte del citocromo c . La UQ UQcitocromocitocromo<br />
c c riduttasi riduttasi (UQ ( UQ--cit cit c c riduttasi, riduttasi, nome nome con con cui cui èè noto noto questo questo complesso) complesso)<br />
Tale complesso funziona per consentire a una molecola di CoQH 2 , un trasportatore a due<br />
<strong>elettroni</strong> , di ridurre due molecole di citocromo c, un trasportatore a un elettrone.<br />
Questo complesso contiene due citocromi b,un citocromo c 1 e un centro 2Fe-2S (centro<br />
di Rieske) al quale è legata la proteina ferro zolfo detta ISP.<br />
CoQ (ridotto) + citocromo c (ossidato)<br />
Complesso I<br />
Complesso II<br />
Succinato<br />
deidrogenasi-FAD<br />
FeS, cit b560<br />
4 H +<br />
citocromo c (ridotto) + CoQ (ossidato)<br />
51
Il Complesso III è un dimero a forma di pera la cui parte più larga è immersa nella<br />
matrice mitocondriale.<br />
La porzione che attraversa la membrana è costituita da 13 eliche transmembrana<br />
per ogni monomero la maggior parte delle quali sono inclinate rispetto al piano della<br />
membrana.<br />
Otto di queste eliche appartengono alle subunità del citocromo b che lega i gruppi<br />
eme di entrambi i citocromi di tipo b, il citocromo b 562 ( detto anche citocromo H a<br />
causa del suo alto potenziale e che si trova vicino allo spazio intermembrana ) e b 566<br />
( chiamato anche b1 per il basso potenziale e che si trova nella matrice ).<br />
La proteina ferro-zolfo (ISP) che lega il centro di Rieske, è ancorata nella<br />
regione transmembrana mediante due eliche situate alla sua estremità N-terminale e<br />
si estende nello spazio intermembrana.<br />
Il citicromo c1 è ancorato nella regione transmembrana mediante la sua eleica Cterminale<br />
relativamente mobile contenente un gruppo eme di tipo c<br />
52
Esempi di gruppi eme I gruppi eme sono composti tetrapirrolici contenenti ferro<br />
I cit a contengono una catena<br />
contengono una catena isoprenoide di<br />
15 carbonii uniti a un gruppo vinilico modificato<br />
ed un gruppo formile al posto di uno dei metili.<br />
I cit b contengono la<br />
contengono la ferro-protoporfirina<br />
ferro protoporfirina IX<br />
lo stesso eme che si trova nell’emoglobina e nella<br />
mioglobina .<br />
I cit c contengono l’eme c , derivato dalla<br />
ferro-protoporfirina<br />
ferro protoporfirina IX ma legata<br />
covalentemente a residui di cisteina della<br />
apoproteina.<br />
54
La membrana mitocondriale interna contiene una grande concentrazione di CoQ e CoQH2<br />
Il ciclo Q inizia quando una molecola di UQH2 diffonde dalla membrana ad un sito catalitico del complesso<br />
III il sito QP.<br />
L’ossidazione di QUH2 ha luogo in due fasi:<br />
1. Un primo elettrone proveniente dal UQH2 è trasferito alla proteina di Rieske e successivamente al cit<br />
c1. Questa reazione rilascia due H+ nel citosol e produce UQ.-, un anione semichinonico del UQ nel sito<br />
QP.<br />
2. Un secondo elettrone è successivamente trasferito a l’eme bL convertendo l’ UQ.- a UQ. L’elettrone<br />
sull’eme bL vicino al lato citosolico della membrana è quindi trasferito ad una molecola di UQ su un<br />
secondo legante chinoni QN convertendo questo UQ a UQ.-. UQ.- rimane saldamente legato al sito<br />
QN .<br />
Si completa la prima metà del ciclo del CoQ<br />
55
La seconda metà del ciclo è simile alla prima.<br />
1. Una seconda molecola di UQH2 viene ossidata al sito QP ed en secondo elettrone è trasferito al cit<br />
c1<br />
2. L‘ altro elettrone passa all’eme bL e successivamente all’eme bH.<br />
3. L’elettrone su bH è trasferito sul anione semichinonico UQ.-, al sito QN .<br />
4. Con l’apporto di due H+ provenienti dalla matrice mitocondriale questa reazione produce UQH2, che<br />
viene rilasciato dal sito QN e torna nella membrana completando il ciclo del CoQ<br />
56
L’essenza del ciclo Q è che il CoQH2 subisce una riossidazione che avviene in<br />
due cicli, in cui il semichinone, CoQ.-, è un intermedio stabile.<br />
Questo richiede che vi siano per il coenzima Q due siti di legame indipendenti:<br />
1. QP che si lega a CoQH2 ed è localizzato tra il centro di Rieske [2Fe-2S] e il<br />
gruppo eme bL in prossimità dello spazio intermembrana.<br />
2. QN che lega sia CoQ.- sia CoQ ed è localizzato vicino al gruppo eme bH in<br />
prossimità della matrice.<br />
57
Il citocromo c è un trasportatore mobile di <strong>elettroni</strong><br />
Gli <strong>elettroni</strong> che attraversano il Complesso III sono<br />
trasferiti al citocromo C dal cit c1.<br />
Il citocromo C è il solo citocromo nella catena di<br />
trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> che sia idrosolubile.<br />
Il citocromo C come l’UQ è un trasportatore mobile<br />
, è associato debolmente alla membrana interna<br />
mitocondriale ( nello spazio intermembrana dalla parte<br />
citosolica della membrana interna) .<br />
In questa posizione è in grado di acquisire <strong>elettroni</strong><br />
dall’insieme Fe-S-cit1 del Complesso III e<br />
successivamente migrare lungo la superfice della<br />
membrana allo stato ridotto, per trasferire gli<br />
<strong>elettroni</strong> alla citocromo c ossidasi , il IV complesso<br />
della catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>.<br />
59
IL CITOCROMO C E’ UN MEDIATORE DELLA APOPTOSI<br />
morte cellulare programmata<br />
Reagendo a segnali molecolari nel citosol, nella membrana mitocondriale si aprono i<br />
canali di trasporto che rilasciano il citocromo c.<br />
Il citocromo c a sua volta, attiva le caspasi, una famiglia di proteasi contenenti una<br />
cisteina nel loro sito catalitico.<br />
L’attivazione delle caspasi innesca una serie di reazioni proteolitiche che causano<br />
in ultimo la morte della cellula<br />
60
Il complesso IV (citocromo c-ossidasi) c ossidasi)<br />
catalizza l’ossidazione l ossidazione del citocromo c ridotto da parte dell’O dell 2, , l’accettore<br />
l accettore<br />
terminale <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> nel processo di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> <strong>elettroni</strong><br />
citocromo c (ridotto) + ½ O2 Complesso I<br />
Complesso II<br />
Succinato<br />
deidrogenasi-FAD<br />
FeS, cit b560<br />
4 H +<br />
citocromo c (ossidato) ossidato) + H 2O O<br />
citocromo c<br />
ossidasi<br />
61
Struttura del dimero delle citocromo c ossidasi, l’enzima che catalizza le ossidazioni,<br />
con l’acquisto di un elettrone, di quattro molecole consecutive di citocromo c ridotto e<br />
la contemporanea riduzione di una molecola di O 2 utilizzando quattro <strong>elettroni</strong>.<br />
4 citocromoc (Fe 2+ ) + 4H+ + O 2<br />
Il complesso IV dei mammiferi è un<br />
dimero i cui monomeri hanno un peso<br />
molecolare di 200 KD e sono<br />
costituiti da 13 subunità.<br />
La parte centrale del ComplessoIV<br />
è costituita dalle sue tre subunità<br />
I,II,III, più grandi e più idrfobiche,<br />
che sono codificate dal DNA<br />
mitocondriale, le altre sono<br />
codificate dal DNA nucleare e<br />
devono essere trasportate dentro il<br />
mit.<br />
4 citocromo c(Fe 3+ ) + 2H 2 O<br />
62
Il complesso IV<br />
Contiene quattro centri redox: il citocromo a, il citocromo a 3 , un atomo di rame chiamato<br />
Cu B e un paio di atomi di rame chiamato centro Cu A , Sono anche presenti uno ione Mg 2+ e<br />
uno ione Zn 2+ . Il Fe dell’eme a 3 e il Cu B formano un unico complesso binucleare<br />
63
RIASSUMENDO<br />
Reazione Reazione della citocromo c ossidasi e riduzione di O2 ad H2O. Per ridurre una<br />
molecola di O2 a 2 di H2O a livello del complesso binucleare citocromo citocromo<br />
a3-CuB a3 CuB è<br />
necessario un totale di 4 <strong>elettroni</strong>, donati dal citocromo c, e di di<br />
4 protoni che si<br />
originano nella matrice mitocondriale.<br />
Oltre Oltre ai 4 protoni utilizzati per ridurre l’O2, l , 4 protoni provenienti dalla matrice<br />
vengono traslocati nello spazio intermembrana (ogni 2 e- e che attraversano il<br />
complesso IV, vengono traslocati 2 protoni).<br />
64
Rotenone<br />
Carbossina<br />
Antimicina A<br />
Cianuro<br />
Monossido di carbonio<br />
Oligomicina<br />
Inibitori della catena respiratoria<br />
Inibitore sito/tipo di azione<br />
e Amital<br />
Si lega al complesso I e blocca il<br />
trasferimento di <strong>elettroni</strong> dai gruppi Fe-S<br />
all’ubichinone (Q)<br />
Si lega al complesso II e blocca il<br />
trasferimento di <strong>elettroni</strong> dal FADH2<br />
all’ubichinone<br />
Si lega al complesso III e blocca il<br />
trasferimento dall’ubichinolo ai gruppi<br />
Fe-S<br />
Blocca il flusso <strong>elettroni</strong>co legandosi al<br />
Fe 3+ dei citocromi del complesso IV<br />
Blocca il flusso <strong>elettroni</strong>co legandosi al<br />
Fe 3+ dei citocromi del complesso IV<br />
Blocca il flusso di H + attraverso l’ATP<br />
sintasi<br />
66
Inibitori sito-specifici sito specifici del trasporto di <strong>elettroni</strong><br />
68
Inibitori della respirazione cellulare: il cianuro<br />
Il cianuro è un anione che deriva dalla dissociazione dall'acido cianidrico (HCN)<br />
HCN H + + CN -<br />
Una delle proprietà chimiche del cianuro, utile per capire la sua<br />
tossicità è la capacità di combinazione con i metalli: Fe, Ag, Au<br />
ecc.<br />
Una delle molecole indispensabili per questa funzione è il<br />
citocromo-c ossidasi, (o complesso IV) che è l'ultimo complesso<br />
enzimatico coinvolto nella catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>che e<br />
possiede al centro della sua complessa struttura un atomo di ferro<br />
(Fe). Quando il cianuro entra nella cellula si lega al ferro e<br />
l'enzima cessa la sua funzione. La conseguenza è che la cellula<br />
cessa di respirare e muore.<br />
Per tale ragione il cianuro è un veleno, per tutti gli esseri viventi,<br />
anche dosi molto piccole.<br />
Zyklon B (o Zyclon B) era il nome commerciale dell'acido<br />
cianidrico, un pesticida utilizzato come agente tossico nelle<br />
camere a gas di alcuni campi di concentramento e sterminio<br />
nazisti.<br />
Citocromo-c ossidasi<br />
Cianuro di potassio<br />
69
Modificatori della respirazione cellulare: l’etanolo<br />
I forti bevitori vanno incontro a gravi e spesso letali malattie al fegato.<br />
CH 3CH 2OH CH 3CHO + 2H +<br />
Gli enzimi del fegato ossidano inizialmente l’etanolo ad<br />
acetaldeide eliminando due atomi di idrogeno, come da reazione<br />
schematizzata.<br />
Sebbene gli effetti intossicanti dell’alcol siano dovuti soprattutto<br />
all’acetaldeide, i responsabili dell’insorgenza delle malattie<br />
epatiche sono gli atomi di idrogeno (<strong>elettroni</strong> e protoni) eliminati<br />
dall’etanolo.<br />
Questi atomi di idrogeno “in più”, trasportati dalle molecole di<br />
NADH, seguono due vie principali nella cellula.<br />
La maggior parte di essi passa direttamente nella catena di<br />
trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>, così da saturare il processo e rallentare<br />
la normale decomposizione di zuccheri, acidi grassi, amminoacidi,<br />
che invece di essere scissi vengono convertiti in grassi che si<br />
accumulano nel fegato.<br />
Gli altri atomi di idrogeno sono utilizzati nella sintesi <strong>degli</strong> acidi<br />
grassi a partire dagli zuccheri e dagli amminoacidi.<br />
70
Il trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> lungo la catena respiratoria<br />
determina un passaggio di protoni<br />
dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana<br />
Teoria Chemiosmotica di Peter Mitchell<br />
L’energia energia libera prodotta durante il trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> viene conservata pompando pompando<br />
ioni<br />
H+ dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana, per creare creare<br />
attraverso la<br />
membrana mitocondriale interna un gradiente elettrochimico di H+. H+<br />
Il potenziale elettrochimico di questo gradiente viene sfruttato per sintetizzare ATP.<br />
Il trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> , promuove il trasferimento dei protoni protoni<br />
da parte dei Complessi I,<br />
III, e IV dalla matrice una regione contenente una bassa [H+ [ H+], ], attraverso la membrana<br />
mitocondriale interna, allo spazio intermembrana ( che è in contatto con il citosol), citosol),<br />
caratterizzato da un’alta un alta [H+ H+]. ].<br />
71
Nel modello proposto da Mitchell, il pH della matrice<br />
si innalza, e la matrice stessa acquista un potenziale<br />
elettrico negativo rispetto al citosol come<br />
conseguenza dell’uscita dei protoni,<br />
Il pompaggio dei protoni cioè produce un gradiente di<br />
pH ed una differenza di potenziale elettrico<br />
attraverso la membrana mitocondriale interna,<br />
condizioni che contribuiscono entrambe ad attrarre i<br />
protoni di nuovo nella matrice del citoplasma.<br />
Il flusso di protoni lungo questo gradiente<br />
elettrochimico è un processo favorito<br />
energeticamente, e può quindi promuovere la sintesi di<br />
ATP.<br />
73
Fosforilazione <strong>ossidativa</strong><br />
l’energia libera prodotta durante il<br />
trasporto <strong>degli</strong> e- deve essere<br />
conservata in una forma utilizzabile<br />
dall’ATP sintasi.<br />
74
Il trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> , promuove il trasferimento dei protoni da parte del<br />
complesso I, III, e IV dalla matrice una regione contenente una bassa concent. di H +,<br />
attraverso la membrana mitocondriale interna, caratterizzata da un’alta concent. di H +<br />
L’energia libera sequestrata dal risultante gradiente elettrochimico (forza motrice<br />
protonica ) alimenta la sintesi di ATP.<br />
75
Il motore della respirazione cellulare: ATP-sintasi<br />
La ATP-sintasi trasportante H+ tra due settori è un complesso<br />
enzimatico che catalizza la seguente reazione:<br />
ADP + fosfato + H+ esterno ATP + H 2 O + H+ interno<br />
Quando la reazione è catalizzata verso destra, l'enzima è comunemente<br />
chiamato ATP-sintasi ed è responsabile della sintesi di<br />
adenosintrifosfato (ATP) utilizzando come substrati adenosindifosfato<br />
(ADP) e fosfato inorganico, sfruttando il gradiente protonico generato<br />
dalla catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>.<br />
76
L’ATP ATP sintasi (F1Fo-ATPasi) ATPasi), , è una<br />
proteina transmembrana costituita da più pi<br />
subunità subunit con un peso complessivo di 450<br />
KD.<br />
Fo ( lega l’antibiotico<br />
l antibiotico oligomicina B) è<br />
costituita nei mammiferi da 6 copie di una<br />
proteina che attraversa la membrana che<br />
formano un canale polare per il passaggio<br />
di H + .<br />
F1 è costituita da subunità subunit α3β3γδε γδε γδε. γδε<br />
γδε<br />
. .<br />
.<br />
Le<br />
subunità subunit α e β sono disposte in modo<br />
alternato.<br />
Lo stelo è costituito dalla subunità subunit γ<br />
associato alle subunità subunit δ ed ε<br />
77
Il meccanismo per la sintesi di ATP può essere suddiviso in tre tappe:<br />
1. Traslocazione di protoni promossa da F0<br />
2. Formazione catalitica del legame fosfoanidrinico dell’ATP promossa da F1<br />
3. Accoppiamento della dissipazione del gradiente protonico con la sintesi di ATP,<br />
che necessitano dell’interazione di F1 con F0<br />
78
Interconversione dei tre stati conformazionali<br />
1 - L'ADP e il P i si legano debolmente al sito di legame nella conformazione L.<br />
2. Un cambiamento conformazionale promosso dal rilascio di energia energia<br />
libera<br />
converte il sito L in sito di legame T (chiamato bTP) TP)<br />
che catalizza la formazione<br />
di ATP. Questa tappa implica anche cambiamenti conformazionali negli negli<br />
altri<br />
due protomeri, protomeri,<br />
che convertono il sito T a cui è legato l'ATP in sito aperto (O)<br />
(detto bE), ), e che convertono il sito O in sito L.<br />
3. L'ATP viene sintetizzato a livello del sito T di una subunità subunit mentre si<br />
dissocia dal sito O di un'altra subunità. subunit . L'energia libera fornita dal flusso dei<br />
protoni facilita principalmente il rilascio dall'enzima dell'ATP appena<br />
sintetizzato; cioè, cio , promuove la transizione T O, distruggendo così cos le<br />
interazioni ATP-enzima ATP enzima che in precedenza avevano promosso la formazione<br />
spontanea di ATP a partire da ADP e P i, , quando la subunità subunit era nella<br />
conformazione T.<br />
79
IL RAPPORTO P/O<br />
E possibile esprimere la quantità di ATP sintetizzato in termini di molecole di<br />
substrato ossidate.<br />
Le ossidazioni di NADH e FADH2 sono associati rispettivamente con la sintesi di 3,<br />
2 molecole di ATP.<br />
Questa stechiometria chiamata rapporto P/O mette in relazione la quantità di ATP<br />
sintetizzata con la quantità di ossigeno che viene ridotto.<br />
80
Disaccoppiamento della <strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong><br />
La presenza nella membrana interna di un agente che ne aumenta la la<br />
permeabilità permeabilit agli ioni H + disaccoppia la <strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong> dal trasporto<br />
<strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> in quanto fornisce una strada per la dissipazione dissipazione<br />
del gradiente<br />
protonico elettrochimico che non necessita della sintesi di ATP. La<br />
dissipazione di un gradiente elettrochimico di H + , che viene generato dal<br />
trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> ed è disaccoppiato dalla sintesi di ATP, produce<br />
calore .<br />
81
Meccanismo d’azione d azione del 2,4-dinitrofenolo<br />
2,4 dinitrofenolo<br />
Uno ionoforo trasportatore di protoni, come il DNP, disaccoppia la<br />
<strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong> dalla catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong><br />
dissipando il gradiente elettrochimico di protoni generato dal trasporto<br />
<strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong>.<br />
82
Nel tessuto adiposo bruno ( grasso bruno ) il disaccoppiamento della<br />
<strong>fosforilazione</strong> <strong>ossidativa</strong> genera calore.<br />
I mitocondri del grasso bruno contengono un canale per i protoni conosciuto con<br />
il nome di proteina disaccoppiante ( UCP, chiamata Termogenina ).<br />
Il flusso di protoni porta alla dissipazione del gradiente protonico presente<br />
attraverso la membrana mitocondriale interna.<br />
Questo processo consente all’ossidazione del substrato di procedere e di<br />
generare calore senza sintesi diATP:<br />
83
Controllo coordinato della glicolisi e del<br />
ciclo dell’acido dell acido citrico<br />
Le fonti principali <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> che entrano<br />
nella catena di trasporto <strong>degli</strong> <strong>elettroni</strong> sono:<br />
Glicolisi<br />
Degradazioni <strong>degli</strong> ac. grassi<br />
Ciclo dell’ac. citrico<br />
Disegno schematico ,la sfera verde indica attivazione,<br />
la sfera rossa indica inibizione<br />
84
Specie reattive dell’ossigeno<br />
Nella riduzione di O 2 si cela un pericolo:<br />
-il trasferimento di 4 <strong>elettroni</strong> dà origine a prodotti<br />
innocui<br />
- il trasferimento di un singolo elettrone forma un<br />
anione superossido<br />
-il trasferimento di 2 <strong>elettroni</strong> genera un perossido<br />
O 2<br />
e-<br />
. - O e-<br />
2<br />
O 2 2-<br />
85
I derivati tossici dell’ossigeno molecolare (ROS)<br />
vengono rimossi da enzimi protettivi<br />
O -.<br />
2 2 + 2H + superossido<br />
dismutasi<br />
O2 + H2O2 2H2 O2 Catalasi<br />
.<br />
2 H2O + O2<br />
2 GSH+H 2 O 2 GSSG+ 2 H 2 O<br />
glutatione perossidasi<br />
Della superossido dismutasi (SOD) esistono due forma:<br />
La SOD mitocondriale un tetramero contenente Mn<br />
La SOD citosolica un dimero contenente Cu e Zn<br />
86
Alcune malattie degenerative sono associate a danni<br />
ossidativi del mitocondrio:<br />
Morbo di Parkinson<br />
La malattia di Alzheimer<br />
La Corea di Huntington<br />
87
Alcuni individui affetti dalla malattia ereditaria sclerosi laterale<br />
amiotrofica (ALS; malattia di Lou Gehrig)<br />
sono caratterizzati da una Cu,Zn-SOD mutata<br />
Negli enzimi la magior parte delle mutazioni porta a una perdita<br />
della funzione.<br />
Nella ALS il difetto viene ereditato con un tratto dominante,<br />
fattore che è compatibile con l’acquisizione di una attività tossica.<br />
Infatti la SOD si comporta come una perossidasi e si pensa che<br />
ossidi i lipidi, causando la degenerazione dei motoneuroni,<br />
caratteristica della malattia.<br />
88
Anemia da carenza di Ferro<br />
Fabbisogno di ferro<br />
in un uomo adulto: 1mg/die<br />
in una donna in età fertile: 2mg/die<br />
in una donna in gravidanza: 3mg/die<br />
Il ferro è necessario per il mantenimento di una<br />
quantità normale di<br />
1. Hb,<br />
2. di citocromi<br />
3. di centri ferro-zolfo.<br />
89
Miopatie mitocondriali<br />
-il lattato si accumula nel liquido cerebrospinale<br />
-crampi, debolezza muscolare, encefalopatia<br />
trattamento con CoQ10<br />
-Carenza di CoQ10: forma rara che colpisce i bambini.<br />
90
Malattie mitocondriali<br />
-Neuropatia ottica ereditaria di Leber (mutazione del<br />
Complesso I)<br />
- Miopatie mitocondriali<br />
-I mitocondri svolgono un ruolo centrale nell’apoptosi<br />
91
Sono enzimi ossidativi detossificanti<br />
CITOCROMO P450<br />
Idrolizzano le molecole idrofobiche in modo da ottenere prodotti solubili<br />
Molti dei substrati sono composti tossici come alcuni idrocarburi aromatici policiclici<br />
alcuni dei quali cancerogeni: bifenili policlorurati(PCB)<br />
L’idrossilazione catalizzata dal cit. 450 converte queste molecole in sostanze più<br />
solubili per la successiva escrezione<br />
92