Catena di trasporto elettroni

Il ciclo di Krebs riesce ad ossidare l'acido piruvico in modo più efficiente della glicolisi perché abbiamo calcolato 10 molecole tra NADH+H+ e FADH2. Ha una migliore resa energetica, produce solo due molecole di ATP. Questi hanno ancora un grande potenziale ossidoriduttivo e possiedono ancora molta energia.
Alla fine del ciclo di Krebs la molecola di glucosio risulta completamente ossidata: parte della sua energia è stata utilizzata per produrre ATP ma gran parte dell’energia è rimasta negli elettroni rimossi dagli atomi di carbonio e traferiti ai trasportatori di elettroni NAD+ e FAD. Questi elettroni dalla glicolisi, dalla ossidazione dell’acido piruvico e dall’ ciclo di Krebs, si trovano ancora a un livello energetico molto elevato.
Nel trasporto finale di elettroni che è la fase conclusiva della respirazione, gli elettroni (quelli degli idrogeni tolti al substrato e legati al NAD+ e al FAD) che si trovano a un livello alto di energia sono trasferiti all’ossigeno scendendo gradualmente a un livello energetico inferiore. Questo passaggio graduale è reso possibile dalla catena respiratoria che è costituita da una serie di trasportatori di elettroni ognuno dei quali accoglie gli elettroni a un livello energetico via via più basso. Il potenziale elettrico DV va da -0,32V a +0,22V a +0,81V. C'è una discesa progressiva della quantità di energia. Tra i componenti principali della catena di trasporto di elettroni ci sono molecole chiamate citocromi: sono proteine che contengono anche ferro, sono ferro-proteine. Tutti i citocromi allo stesso modo contengono almeno un ione ferroso (Fe+++) che si riduce e diventa ferrico (Fe++) quando acquista un e-. A livello del coenzima Q avviene una separazione tra elettroni e protoni quindi a livello dei citocromi passano gli e-. Alla fine della catena respiratoria c'è O2. O2 assume protoni e si formano molecole di H2O. L'accettore finale di H+ ed e- è l'O2 atmosferico che termina con la formazione di H2O. Il coenzima Q può legare 2e- riducendosi a coenzima QH2 con 2 protoni e due elettroni. Sono delle proteine che contengono ferro che può presentarsi in due forme: Fe++ ridotta, e Fe+++ ossidata. Occorrono due forme perché abbiamo due protoni e due elettroni. I citocromi non tengono legati i protoni e gli elettroni a sé stessi, scambiano solo e- non H tant'è che fanno andare avanti solo il percorso di e-, li cedono all'ossigeno e ottengono una molecola di H2O. Finalmente questi elettroni e protoni trovano un'occupazione definitiva nella riduzione in H2O. L'accettore finale di idrogeno è l'ossigeno con la formazione di acqua. Nello spazio intermebrana i protoni formano un gradiente, una differenza di concentrazione di ioni H+ tra lo spazio intermenbrana e la matrice mitocondriale che garantisce anche per gli ioni H+ e non solo per gli elettroni un percorso che andrà a confluire sull'ossigeno molecolare. Sull'ossigeno molecolare quindi confluiscono sia gli elettroni sia i protoni.
Le strutture dei vari citocromi differiscono tra loro abbastanza da poter ricevere gli elettroni a livelli di energia diversi. Il flavin mononucleotide FMN e il coenzima Q sono i principali trasportatori di elettroni. A mano a mano che scendono lungo la catena, gli elettroni passano gradualmente a livelli inferiori di energia e alla fine vengono accettati dall’ossigeno che caricato negativamente si combina con gli ioni idrogeno per formare acqua. Passando lungo la catena di trasporto gli elettroni scendono a livelli energetici inferiori e si libera energia; questa energia viene utilizzata dai mitocondri per favorire la sintesi di ATP a partire da ADP+fosforo in organico, un processo noto come fosforilazione ossidativa. Con la sintesi di ATP, durante la fosforilazione si completa il processo che ha avuto inizio con la molecola di glucosio. La catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione sono due processi accoppiati. Dal primo infatti viene liberata l’energia contenuta nei trasportatori NADH e FADH2 attraverso un passaggio graduale degli elettroni a un livello energetico inferiore mentre nel secondo processo tale energia viene utilizzato per produrre ATP. La fosforilazione ossidativa mediante cui si produce ATP a partire da ADP in presenza di ossigeno è un processo che utilizza l’energia potenziale di un gradiente protonico ossia di una differente concentrazione di ioni H+ che si crea tra lo spazio transmembrana e la matrice interna dei mitocondri.
Il NADH+H+ percorre questa catena per intero quindi ogni molecola di NADH+H+ è in grado di produrre 3 ATP percorrendo tutta la catena respiratoria. In FADH2 entra in un momento successivo in un gradino più in basso ed è in grado di produrre 2 ATP. Il gradino è dato dai valori del potenziale è il FAD entra a un potenziale meno negativo e ciò vorrebbe dire che entra a un gradino più in basso.
La catena respiratoria è formata da diverse molecole: c'è il coenzima A che si riduce perché lega quegli idrogeni appartenenti al NADH+H+ e quindi si ossida a NAD+. Il coenzima A si riduce e diventa COQH2.
La terza e ultima fase della respirazione cellulare avviene entro il doppio stato fosfolipidico della membrana interna dei mitocondri e prende il nome di fosforilazione ossidativa attraverso cui tutto l’idrogeno che nelle fasi precedenti era stato ceduto dal glucosio alle molecole di NADH e FADH2 passa all’ossigeno. Gli elettroni rimossi dal glucosio vengono trasferiti tramite NADH e FADH2 a una serie di reazioni redox che rilasciano gradualmente l’energia attraverso una catena di trasporto degli elettroni. Il trasporto degli elettroni avviene grazie a complessi proteici localizzati a livello della membrana mitocondriale interna. All’interno di ciascun complesso sono presenti molecole in grado di accettare e cedere elettroni. Grazie alla presenza di atomi di ferro, molecole quali i citocromi e le proteine ferro zolfo passano facilmente dallo stato di ossidazione Fe3+ a Fe2+ e viceversa.
Il NADH cede quindi a coenzima Q elettroni che dopo essere passati attraverso diversi complessi proteici, arrivano a reagire con l’ossigeno portando alla formazione di acqua. Mentre gli elettroni scendono lungo la catena di trasporto, gli ioni H+ presenti nella matrice mitocondriale sono trasportati nello spazio intermembrana creando una differenza nella loro concentrazione ai due lati della membrana interna mitocondriale.
Il coenzima Q (forma ossidata) diventa OH2 (forma ridotta A questo punto i due H+ e i due e- formano 2H2O. Dopo il coenzima Q, e- e protoni si separano: gli e- proseguono mentre gli H+ proseguono un'altra strada per cui poi si produce H2O.
Il NADH+H+ percorre tutta la catena respiratoria e produce per ogni molecola tre molecole di ATP. Il FADH2 entra invece dal secondo passaggio: produce infatti solo due molecole di ATP. Gli ATP in totale sono 38 o meglio 36 perché due vengono consumati, mentre nella glicolisi venivano prodotti solo due ATP. Il processo ossidativo fornisce molta più energia.