Fosforilazione ossidativa

Fosforilazione a livello del substrato

La fosforilazione a livello del substrato si basa sul accoppiamento chimico tra un passaggio catabolico e la fosforilazione dell’ADP per formare ATP. Questo processo implica che il gruppo fosforico viene trasferito a partire da un metabolita fosforilato. Il gruppo fosfato è trasferito all’ADP direttamente da un metabolita fosforilato.

Esempi di tali reazioni si verificano nella glicolisi e nel ciclo dell’acido citrico, catalizzate da fosfoglicerato chinasi e piruvato chinasi, oltre alla reazione catalizzata dalla succinil-CoA sintetasi.

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa è basata sull’accoppiamento chemiosmotico tra l'ossidazione del NADH (o del FADH₂) e la fosforilazione dell’ADP per formare ATP, catalizzata dall’ATP sintasi. I due processi sono collegati indirettamente.

Il catabolismo di tutti i combustibili metabolici genera potere riducente (sotto forma di trasportatori ridotti di elettroni, NADH e FADH₂), che rappresenta una forma di energia libera convertita in ATP nella fosforilazione ossidativa.

Catena respiratoria

Enzimi e altri trasportatori che catalizzano il trasporto elettronico mitocondriale e la sintesi di ATP a esso accoppiata costituiscono la catena respiratoria, un sistema organizzato di trasportatori di elettroni, molti dei quali sono complessi enzimatici.

La ATP sintasi è un complesso enzimatico che catalizza la sintesi di ATP. Enzimi e trasportatori di elettroni sono localizzati entrambi nella membrana mitocondriale interna (creste mitocondriali).

Reazioni redox biologiche

In molte reazioni redox biologiche, il trasferimento di elettroni (e^-) è accoppiato al trasferimento di protoni (H⁺).

Esempi tipici sono le reazioni redox in cui sono coinvolti i nucleotidi nicotinamidici (NAD, NADP) e quelli flavinici (FMN, FAD).

Tipi di reazioni biologiche di trasferimento elettronico

• Trasferimento di 1 e^-
• Trasferimento di 1 e^- associato ad 1 H⁺
• Trasferimento di 2 e^- associati a 1 H⁺ (trasferimento di ione idruro, H^-)

La maggior parte dei coenzimi della catena respiratoria sono strettamente associati a proteine (sono quindi gruppi prostetici).

La catena respiratoria è costituita dalla successione ordinata di vari trasportatori di elettroni:

• FMN e FAD (gruppo prostetico di flavoproteine) (trasportatori mono- e bi-elettronici)
• Ubichinone, o coenzima Q (Q) (trasportatore lipidico mono- e bi-elettronico, non associato a proteine)
• Gruppi eme (gruppo prostetico di proteine dette citocromi) (trasportatori mono-elettronici)
• Centri ferro-zolfo (gruppo prostetico di proteine ferro-zolfo) (trasportatori mono-elettronici)

Le reazioni redox richiedono enzimi e coenzimi perché le proteine non possiedono gruppi adatti a catalizzare le reazioni di ossidoriduzione. La catena respiratoria è abbastanza complicata. Si vuole sfruttare tutta l’energia libera a disposizione della reazione per produrre ATP. La complessità del sistema di trasporto mitocondriale dipende dal voler accoppiare la redox alla sintesi dell’ATP.

Ci sono molti complessi enzimatici che usano un gran numero di cofattori redox. In particolare, FMN e diversi gruppi eme.

Coenzima Q

Il coenzima Q è un chinone caratterizzato da una struttura aromatica. È un trasportatore di elettroni altamente idrofobico che si muove liberamente per diffusione nella membrana mitocondriale interna. È un lipide di notevole importanza nel processo di trasporto elettronico.