Il complesso processo di trasferimento degli elettroni nei mitocondri

Trasferimento degli elettroni

Dopodiché questo complesso li passa al citocromo c (idrosolubile: viaggia nello spazio intermembrana) e, infine, vanno al Complesso IV. In pratica gli elettroni si spostano da un complesso ad un altro complesso che ha potenziale di riduzione maggiore, generando un gradiente protonico che la ATPsintasi utilizzerà per produrre ATP. Il gradiente di protoni produce un’energia motrice protonica dovuta sia alla differenza di concentrazione di H+, sia al potenziale elettrico che si genera tra le cariche.

Funzionamento del complesso I

Complesso I (NADH deidrogenasi) è una struttura enorme composta da 45 catene proteiche e contiene FMN e centri ferro-zolfo. Ha due bracci che formano una L: il braccio nella matrice preleva gli elettroni dal NADH, mentre il braccio nella membrana spinge i protoni (H+) nello spazio intermembrana. Quando il NADH (prodotto nel ciclo di Krebs) arriva al complesso cede due elettroni sotto forma di ione idruro (H-). Gli elettroni passano attraverso FMN e poi passano lungo una serie di centri ferro-zolfo, che fungono da cavi elettrici. La destinazione finale è l'ubichinone (Q) che, ricevendo gli elettroni, si riduce a ubichinolo (QH2). Questo complesso da un lato fa la reazione esoergonica di donare elettroni all’ubichinone, ma contemporaneamente utilizza l’energia liberata per pompare protoni dalla matrice allo spazio intermembrana (ogni 2 elettroni vengono espulsi 4 H+). In questo modo si genera un gradiente di protoni nello spazio intermembrana, utile alla sintesi di ATP. Questo complesso può essere inibito dall’insetticida rotenone.

Ruolo del complesso II

Complesso II (succinato deidrogenasi) è l'unico enzima che appartiene anche al ciclo di Krebs. Questo Complesso II trasferisce elettroni dal succinato all'ubichinone (Q), ma non pompa protoni nello spazio intermembrana. È caratterizzato da un sito di legame per il succinato, il quale viene ossidato e riduce il FAD che possiede il complesso. Quindi vediamo che il FADH2 entra nella catena al livello del complesso II, saltando il complesso I che pompa 4 protoni. Ecco perché il FAD produce meno ATP rispetto al NAD.

Ciclo Q e complesso IV

In questo complesso troviamo anche tre centri ferro-zolfo che trasportano gli elettroni e, infine, troviamo il sito di legame per l'ubichinone (Q), sul quale vengono caricati gli elettroni. Quindi Succinato → FAD → FADH2 → centri ferro-zolfo → ubichinone (Q). In questo complesso troviamo anche un gruppo eme b che serve a ridurre la probabilità di produrre i ROS. Il prodotto del Complesso I e II formano l'ubichinone, che poi procederà nella catena. Altre vie per produrre l'ubichinone (Q) sono: L'ubichinolo (QH2) arriva con 2 elettroni, ma il citocromo c può accettare solo 1 elettrone. Per non sprecare l’altro elettrone, abbiamo il ciclo Q. Quando arriva QH2, cede un elettrone alla proteina di Rieske la quale lo passa al citocromo c e pompa 2H+ all’esterno. L’altro elettrone lo passa al citocromo b, il quale lo riporta sul Q che l’ha rilasciato. Quindi ci resta un radicale simichinone Q• (ha un solo elettrone). Successivamente, questo meccanismo si ripete e otteniamo un altro radicale semichinone. Questi due radicali semichinoni si uniscono e prendono 2H+ per formare un QH2 che può essere riutilizzato. Complesso IV (citocromo ossidasi) trasferisce elettroni dal citocromo c all’ossigeno molecolare (O₂), producendo H2O. Allo stesso tempo, per ogni coppia di elettroni pompa anche 2 protoni (H+) nello spazio intermembrana. È un enzima dimerico presente nella membrana mitocondriale interna e ogni monomero ha 13 subunità. Subinità I: contiene il gruppo eme a e a3 e uno ione rameico (CuB). Eme a3 e CuB formano un centro ferro-rame che prendono gli elettroni dal gruppo eme a e lo danno all’ossigeno, producendo H2O. Subunità II: ha due ioni rame chiamati CuA, collegati a due residui di cisteina (—SH), formando due centri rame-zolfo (simili a ferro-zolfo). La sequenza è: citocromo c → centro CuA → eme a → centro a3-CuB → O2 Questo complesso utilizza l’energia della reazione con cui forma H2O, per pompare 2 protoni (H+) nello spazio intermembrana. In conclusione, per ogni coppia di elettroni donata da un NADH pompiamo 10 protoni (H+) nello spazio intermembrana (4 dal complesso I + 4 dal complesso III + 2 dal complesso IV).

Navette e sintesi ATP

Navetta malato-aspartato: il NADH cede i suoi elettroni all'ossalacetato, che si trasforma in malato (grazie alla malato deidrogenasi citosolica). Il malato ha un trasportatore specifico ed entra nel mitocondrio. Nella matrice, il malato viene riconvertito in ossalacetato, restituendo gli elettroni a un NAD+ interno, che diventa NADH. Poiché l'ossalacetato non può uscire, viene trasformato in aspartato (tramite transaminazione), il quale esce nel citosol per ricominciare il giro. Navetta Glicerolo 3-Fosfato (Muscolo scheletrico e Cervello): è più veloce ma meno efficiente dal punto di vista energetico. Sono definite chemiosmotiche tutte le trasformazioni che combinano reazioni chimiche e trasferimento di protoni. Quindi la sintesi di ATP è una trasformazione chemiosmotica.