Biochimica ed elementi di nutrizione - Parte 2

FOSFORILAZION

E

OSSIDATIVA 97

10.8.1 Complesso 1: NADH deidrogenasi o NADH ubichinone ossidoreduttasi

La catena di trasporto parte dal complesso 1 o

NADH deidrogenasi, che accetta elettroni

sottoforma di ioni idruro H dal NADH.

-

Nello specifico possiamo vedere come gli elettroni

sotto forma di ione idruro sono ceduti NADH alla

FMN: flavin mono nucleotide (simile al FAD) che si

riduce a FMNH 2

Successivamente gli elettroni vengono passati ad

una serie di proteine che contengono il legame ferro

zolfo Fe-S, ovvero legami cisteina ferro in cui il ferro

Fe accetta e- passando a Fe .

3+ 2+

Successivamente gli elettroni vengono passati

all’ubichinone che non è una proteina ma un

coenzima, più precisamente è il Co-Q.

Questa molecola è idrofobica e può diffondere

nello strato fosfolipidico della membrana.

Si ha perciò il passaggio degli elettroni dal NADH al

Complesso 1, e dal Complesso 1 al Co-Q, durante il

passaggio degli elettroni, vengono anche trasferiti

quattro protoni dalla matrice allo spazio

intermembrana.

Il passaggio di elettroni causa una riduzione per chi

li accetta e una ossidazione per chi li dona, alla fine

del passaggio tutte le molecole tornano alla forma

iniziare per continuare a ridurre altro NADH.

10.8.2 Complesso 2: Succinato Deidrogenasi

Il complesso II è costituito da una proteina integrale di

membrana, la succinato deidrogenasi, è lo stesso enzima

che abbiamo visto nel ciclo di Krebs e può catalizzare la

reazione inversa, difatti ossida il FADH a FAD, sempre

2

attraverso l’FMN e proteine che contengono il legame

ferro zolfo Fe-S (come il complesso 1).

Anche questo complesso alla fine trasferisce gli elettroni

all’ubichinone.

Il complesso 1 e complesso 2 lavorano in parallelo, ed

entrambi passano gli elettroni all’ubichinone.

Attenzione però, perché il complesso 1 ossida il NADH e

pompa 4 protoni, mentre il complesso 2 ossida il FADH 2

senza pompare protoni nello spazio intra-membrana.

Il complesso II è deputato a raccogliere gli H ed elettroni che si formano dalla riossidazione del FADH , che

2

può avvenire o può formarsi: - Nel TCA livello della succinato deidrogenasi (6 reazione),

FADH2 prodotto durante la degradazione degli acidi grassi (vedi beta-ossidazione)

- FADH2 che si produce nel sistema navetta del glicerofosfato (per portare nel mitocondrio il NADH della

- glicolisi. 98

10.8.3 Coenzima Q o Ubichinone

Come abbiamo già detto l’ubichinone

non è una proteina ma un coenzima,

è una molecola è idrofobica che può

diffondere nello strato fosfolipidico

della membrana. L’ubichinone

accetta elettroni dai complessi E1 ed

E2, si riduce a ubichinolo,

quest’ultimo passerà gli elettroni al

complesso E3 così da tornare nella

sua forma ossidata: ubichinone.

L’ubichinone è una molecola con

anello esatomico e ha doppi legami

con ossigeni.

L’ubichinolo (QH2), cioè l’ubichinone ridotto, non

ha più i doppi legami con gli ossigeni ma ha

accettato i due atomi di idrogeno.

Le unità isopreniche (in verde) dell’ubichinone lo

rendono lipofilo e capace di diffondere nelle

membrane. L’ubichinone quindi raccoglie gli

elettroni che provengono sia dal complesso I che

dal complesso II e si passa al complesso III.

10.8.4 Complesso 3: Citocromo BC1

Il terzo complesso ovvero il Citocromo BC1 accetta gli

elettroni dall’ubichinolo (che torna ubichinone) e li trasporta al

complesso citocromo C, contemporaneamente questo

complesso pompa 4 protoni dalla matrice mitocondriale allo

spazio intermembrana. Tutto ciò è possibile in quanto questo

complesso presenta un gruppo eme che come sappiamo

presenta un atomo di Fe al centro, questo è importantissimo

3+

in quanto sarà la parte della molecola che sarà ridotta a Fe 2+

quando il complesso accetterà l’elettrone.

In altre parole: il complesso III (citocromo c reduttasi) accetta

elettroni dall’ubichinolo e li trasferisce al citocromo C

aumentando il gradiente protonico.

In realtà i due elettroni accettati dal Citocromo BC1 non finisco entrambi sul citocromo C, ma gli prendono

due percorsi diversi in quanto si passa da un trasportatore a due elettroni (l’ubichinone) a trasportatori ad 1

elettrone i citocromi, tutto ciò viene chiamato ciclo q.

10.8.4.1 Ciclo Q

Fase 1: Ossidazione di QH₂ e rilascio di 2 elettroni

Una molecola di ubichinolo (QH₂) si lega al Complesso III e viene ossidata a ubichinone (Q).

I 2 elettroni vengono separati e prendono due percorsi diversi:

Primo elettrone → Passa attraverso il centro ferro-zolfo (Fe-S) e il citocromo c₁, arrivando al citocromo C, che

lo trasporterà al Complesso IV.

Secondo elettrone → Viene deviato verso il citocromo b, dove riduce una molecola di ubichinone (Q) a

ubisemichinone (Q•⁻, forma radicalica)→ 4 protoni (H⁺) vengono rilasciati nello spazio intermembrana.

Fase 2: Secondo ciclo di riduzione

Un'altra molecola di QH₂ arriva e subisce lo stesso processo: il primo elettrone va di nuovo al citocromo C,

il secondo elettrone completa la riduzione dell’ubisemichinone (Q•⁻) a ubichinolo (QH₂), che può essere

riutilizzato nel ciclo.

Risultato del Ciclo del Q: Per ogni 2 molecole di QH₂ ossidate, il ciclo produce:

4 H pompati nello spazio intermembrana → Aiutano a creare il gradiente protonico per la sintesi di ATP.

+

- 2 molecole di citocromo C ridotte → Trasportano gli elettroni al Complesso IV.

- 1 molecola di QH₂ rigenerata → Può rientrare nella catena di trasporto degli elettroni.

-

Il Ciclo del Q permette al Complesso III di gestire il passaggio da un trasportatore di 2 elettroni (ubichinone,

QH₂) a trasportatori di 1 elettrone (citocromi), ottimizzando la produzione di ATP. 99

10.8.5 Citocromo C

Il citocromo C è una piccola proteina che collega i complessi III e IV.

Nei citocromi ci sono dei centri eme simili a quelli

dell’emoglobina, ma con il FERRO che può avere due

stadi di ossidazione (ferroso e ferrico), mentre nell’

emoglobina e mioglobina il ferro è sempre ferroso.

Al contrario degli altri citocromi che sono inseriti in

complessi multiproteici il citocromo C è piccolo, ed è in

grado di muoversi sulla membrana e porta, uno alla

volta gli elettroni dal complesso III al complesso IV

grazie alla riduzione del Fe contenuto nel gruppo eme.

10.8.6 Complesso 4: Citocromo C Ossidasi

Il complesso IV o citocromo C ossidasi è l’unica proteina non

vincolata alla membrana, è solubile quindi può muoversi e trasferire

gli elettroni provenienti dai citocromi C all’ O riducendolo a H O.

2 2

Durante questa riduzione vengono contemporaneamente pompati

4H nello spazio intermembrana.

+

Il Complesso IV è un grande enzima transmembrana con più

subunità. Tra queste, tre subunità sono fondamentali per la catalisi:

1. Subunità II (CuA)

Contiene due ioni rame (Cu) che formano complessi con gruppi

tiolici (-SH) di residui di cisteina.

Questi ioni rame accettano gli elettroni dal citocromo c.

2. Subunità I (Eme a e CuB)

Contiene due gruppi eme (eme a e eme a₃) e un altro ione

rame (CuB).

Gli elettroni vengono trasferiti in sequenza:

Dal citocromo c → CuA (subunità II).

- CuA → eme a → centro eme a₃-CuB (subunità I).

- Dal centro eme a₃-CuB → O₂, che si riduce a H₂O.

-

3. Subunità III: Ha un ruolo più strutturale e facilita il

trasporto di protoni.

Funzionamento e trasferimento di elettroni

1. Il citocromo c ridotto (Cit. c) cede un elettrone alla

coppia CuA nella subunità II.

2. L’elettrone si sposta al gruppo eme a e poi al centro

eme a₃-CuB nella subunità I.

3. Il centro eme a₃-CuB lega una molecola di ossigeno

(O₂) e, dopo aver ricevuto 4 elettroni, la riduce a 2

molecole di H₂O.

4. Per ogni elettrone trasferito, viene pompato 1 H⁺

nello spazio intermembrana.

5. Quando 4 elettroni passano attraverso il complesso, l’enzima preleva 4 H⁺ dalla matrice per formare

l’acqua.

Bilancio energetico del Complesso IV

4 elettroni riducono 1 O₂ a 2 H₂O.

• 4 protoni dalla matrice vengono

• usati per formare acqua.

4 protoni vengono pompati nello

• spazio intermembrana,

contribuendo al gradiente

protonico che alimenterà la sintesi

di ATP. 100

10.8.7 Gradiente protonico e Sintesi di ATP: ATP sintasi

Durante tutta la catena respiratori, i

complessi E1, E3 ed E4, hanno pompato

protoni nello spazio trans-membrana dei

mitocondri, ciò è fondamentale in quanto

si viene a creare un gradiente protonico

che sarà utilizzato per la sintesi di ATP.

Tutto ciò avviene in quanto i potenziali

Redox sono via via crescenti nella catena

di trasporto degli elettroni e permettono il

passaggio degli elettroni dal NADH all’O permettono

2

anche la fuoriuscita di H nello spazio intermembrana

+

mitocondriale.

Si forma, cioè, un gradiente di ioni H+ la cui energia

viene impiegata per la sintesi di ATP.

Perciò: la catena di trasporto degli elettroni nei

mitocondri non solo trasferisce elettroni dal NADH e

FADH₂ all'ossigeno, ma sfrutta anche questa energia

per pompare protoni (H⁺) nello spazio

intermembrana.

Questo processo crea un gradiente elettrochimico

che sarà essenziale per la sintesi di ATP.

La separazione dei protoni genera:

Un gradiente di concentrazione di H⁺:

L’accumulo di H⁺ nello spazio intermembrana

abbassa il pH rispetto alla matrice mitocondriale.

Questo crea una forza chimica che tende a riportare i protoni

nella matrice mitocondriale.

Un gradiente elettrico (ΔΨ, differenza di potenziale)

Poiché gli H⁺ sono

carichi

positivamente, la

loro

accumulazione

crea un potenziale

elettrico positivo

nello spazio

intermembrana

rispetto alla

matrice, che

diventa negativa.

Questo crea una

forza

elettrostatica che

spinge gli H⁺ a

rientrare nella

matrice

mitocondriale.

L’unico modo che hanno i protoni per attraversare la

membrana interna ed arrivare alla matrice mitocondriale è

quello di passare attraverso un complesso

proteico/enzimatico ovvero l’ATP sintetasi, ed è proprio

questo passaggio che fornirà l’energia necessaria per la produzione di ATP.

Resa netta della catena respiratoria

Per ogni NADH o FADH2 che vengono ossidati ½ molecola di oss