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La catena respiratoria
La catena respiratoria è costituita da una serie di trasportatori, molti dei quali sono proteine integrali
di membrana (interna), i cui gruppi prostetici sono in grado di accettare e cedere uno o due elettroni.
L'accettore finale è l'ossigeno.
Il complesso I è una NADH deidrogenasi su cui vengono incanalati tutti i NADH prodotti nelle
ossidazioni compreso quello glicolitico dello shuttle malato-aspartato. Gli ioni idruro vengono trasferiti
all'ubichinone (UQ)detto anche coenzima Q secondo la reazione:
NADH + H+ + UQ ———→ NAD+ + UQH2 (ubichinolo)
Il flusso di elettroni attraverso il complesso I è accompagnato da spostamento di protoni dalla
matrice allo spazio intermembrana.
Il complesso II è la succinato deidrogenasi, enzima del ciclo di Krebs ed è la sede sella riossidazione
del FADH2. Anch'esso, come il complesso I trasferisce gli elettroni all'ubichinone, riducendolo ad
ubichinolo. Anche la glicerolo 3-P deidrogenasi, enzima di membrana rivolto verso lo spazio
intermembrana (non presente in figura) che riossida il NADH citosolico trasportato dalla shuttle del
glicerolo 3-P, trasferisce gli elettroni all'ubichinone.
L'ubichinone, in figura CoQ, è una molecola idrofobica, completamente immerso nella membrana
mitocondriale nella quale diffonde
liberamente spostandosi nel
doppio strato lipidico. La sua
forma ossidata contiene due
gruppi carbonilici che possono
accettare due elettroni e due
protoni riducendosi
completamente a ubichinolo
avente due gruppi alcolici.
UQ + 2e
+ 2H ———→ UQH2
+
L'UQH2 diffonde dal complesso I
al complesso III, dove viene
riossidato.
Il complesso III è il complesso che riossida l'ubichinolo ed è costituito da citocromi b e c. Il
citocromo c è una proteina solubile che, come tutti i citocromi, ha come gruppo prostetico l'eme,
contenente Fe che accetta elettroni passando da ferro ferrico a ferro ferroso e viceversa. Esso può
spostarsi nella parte polare della membrana per la sua possibilità di fare legami elettrostatici. E' di
notevole interesse osservare come il citocromo c sia una proteina presente in tutti gli organismi aerobi
con una sequenza aminoacidica che è cambiata di poco nella scala evoluzionistica, segno di una elevata
efficienza nel trasportare elettroni che si è selezionata tra tutte quelle possibili.
La riossidazione dell'ubichinolo è accompagnata da un secondo spostamento di protoni dalla matrice
allo spazio intermembrana. Si incrementa così il gradiente di concentrazione protonica, iniziato a livello
del complesso I, tra le facce della membrana che realizza una differenza di potenziale elettrico e un
gradiente di pH.
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Il complesso IV, chiamato citocromo ossidasi, contiene ioni rame che partecipano al trasferimento
degli elettroni all'ossigeno. Il flusso di elettroni dal citocromo c all'ossigeno determina un nuovo ed
ultimo spostamento di protoni dalla matrice verso lo spazio intermembrana.
In conclusione, nei mitocondri, l'azione dei complessi I, III e IV porta elettroni dal NADH all'ossigeno
e quello dei complessi II, III e IV, dal succinato (FADH2) all'ossigeno.
La reazione complessiva
NADH + H+ + 1/2 02 ———→ H2O + NAD+ ha un
ΔG0 ≈ - 52Kcal/mole
0
Quella che parte dal succinato invece ha un ΔG ≈ - 36 Kcal/mole (si salta un sito di spostamento
protonico)
Quindi il trasferimento esoergonico di elettroni lungo la catena respiratoria produce energia più che
sufficiente per "spingere" la reazione endoergonica che porta alla sintesi di ATP:
ADP + Pi ———→ ATP
Come tale energia viene incanalata nella sintesi dell'ATP è un processo che prende il nome di
fosforilazione ossidativa
La fosforilazione ossidativa
Abbiamo visto che il flusso di elettroni attraverso la catena respiratoria produce una notevole quantità
d'energia. Resta ora da capire come questa energia, liberata dalle ossidazioni biologiche operate dalle
deidrogenasi possa rendersi disponibile per la fosforilazione dell'ADP.
Per capire come avvenga l'accoppiamento dell'ossidazione con la fosforilazione dobbiamo conoscere
un'altra proteina integrale di membrana: l'ATPsintasi.
L'ATPsintasi è un complesso di membrana formato da due subunità principali, Fo e F1. Come si vede in
figura F1 si protende nella matrice ed è il complesso che lega ATP e ADP in diversi siti . Il complesso Fo
contiene un canale protonico asimmetrico e proteso verso la matrice mitocondriale.
Esiste una teoria che accoppia l'ossidazione dei substrati alla fosforilazione ed è la teoria
chemiosmotica proposta da P. Mitchell nel 1960 e che è alla base dell'attuale ricerca nel campo della
trasduzione energetica.
Il flusso elettronico attraverso la membrana interna dei mitocondri è accompagnato da un pompaggio di
protoni dalla matrice allo spazio intermembrana. Ciò genera una differenza di potenziale elettrico e
una differenza di pH tra i due lati della membrana rendendo quello che guarda la matrice più
alcalino.
Questa concentrazione protonica e queste separazione di cariche determinano una energia
elettrochimica che prende il nome di forza motrice protonica che rappresenta la forma di
conservazione dell' energia prodotta e liberata nelle ossidazioni biologiche.
Il pompaggio contro gradiente protonico avviene con consumo d'energia e quindi avrà un ΔG > 0.
La membrana mitocondriale è impermeabile ai protoni che non possono così rientrare per annullare il
gradiente elettrochimico.
Ma quando questi potranno fluire attraverso i canali protonici specifici posti nel complesso F o
dell'ATPsintasi in direzione del gradiente elettrochimico, si renderà disponibile una quantità di energia
pari al ΔG consumato per il trasporto in senso contrario (reso possibile dal flusso elettronico).
Il complesso F1 condenserà un fosfato all'ADP per generare ATP.
In definitiva quindi la generazione di ATP dai nutrienti, ed in particolare dal glucosio seguirà le seguenti
tappe:
Energia radiante —→ Glucosio —→ coenzimi ridotti—→ energia elettrochimica di membrana —→ATP
Per ogni NADH riossidato si ha un flusso protonico in tre siti e si otterranno 3 moli di ATP.
Per ogni FADH2 riossidato si avranno solo 2 ATP perché viene bypassato il complesso I. Lo stesso vale
per il NADH citosolico trasportato dal glicerolo 3-P.
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L'ATP prodotto nella matrice mitocondriale deve essere esportato fuori dai mitocondri ma sappiamo
che la membrana interna è impermeabile a quasi tutte le sostanze a meno che non abbiamo sistemi di
trasporto proteici specifici.
Vi sono importanti sistemi di trasporto nella membrana
mitocondriale interna che operano il trasporto di ADP e P i
nella matrice e consentono l'uscita dell'ATP neo formato.
L'enzima fondamentale è l'ATP-ADP traslocasi che
funziona come un antiporto.
Il fosfato entra nella matrice con un simporto favorito dal
rientro degli ioni idrogeno a favore di gradiente.
Quindi la forza motrice protonica fornisce l'energia
necessaria alla sintesi di ATP e nel contempo favorisce il
trasporto dei substrato (ADP e Pi) nella matrice e i prodotti
della reazione (ATP).