Fosforilazione ossidativa

Fosforilazione

L'energia generata attraverso il processo di degradazione ossidativa dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi viene impiegata per la sintesi di ATP. La ri-ossidazione degli equivalenti riducenti di NADH e FADH₂ avviene attraverso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriale, localizzata nella membrana mitocondriale interna negli eucarioti.

Sequenza dei complessi mitocondriali

La sequenza dei complessi lungo la membrana interna mitocondriale è la seguente, in ordine di potenziale di riduzione (E') crescente, garantendo un processo redox globalmente esoergonico:

• Complesso I: NADH-deidrogenasi
• Complesso II: Succinato-deidrogenasi (FADH₂)
• Complesso III: Ubichinone:citocromo C ossidoreduttasi
• Complesso IV: Citocromo ossidasi

ΔG complessivo = -nFΔE = -2(96.5KJ/V•mole)[0.82 V-(-0.32 V)] = -220 KJ/mol

Complesso I: NADH-deidrogenasi

Il complesso I, noto anche come NADH-deidrogenasi o NADH: ubichinone ossidoreduttasi, è uno dei componenti della catena di trasporto degli elettroni coinvolta nella fosforilazione ossidativa nelle membrane mitocondriali dei eucarioti. Questo complesso è essenziale per il trasferimento di elettroni dalla NADH al coenzima Q (ubichinone).

I centri redox del complesso I sono cruciali per il processo di trasporto degli elettroni e la generazione di un gradiente protonico utilizzato per la sintesi di ATP. I centri redox del complesso I includono:

• Centro di Ferro-Zolfo (Fe-S): Questo centro contiene cluster di atomi di ferro e zolfo legati tra loro. Nella NADH-deidrogenasi, il centro Fe-S è coinvolto nel trasferimento di elettroni dalla NADH al complesso (lo ione ferro trasferisce 1 e^- cambiando stato di ossidazione: Fe³⁺ → Fe²⁺).
• Coenzima Ubichinone (Q): Il complesso I trasferisce elettroni al coenzima Q (ubichinone), che è una molecola idrofobica mobile all'interno della membrana. Il Q funge da shuttle per trasportare elettroni dal complesso I al complesso III della catena di trasporto degli elettroni.
• Centro di Flavina (FMN): La NADH-deidrogenasi contiene una molecola di flavina mononucleotide (FMN) come cofattore. Questa molecola è coinvolta nel processo di ossidoriduzione durante il trasferimento di elettroni.

Il processo complessivo nel complesso I inizia con l'ossidazione del NADH e il trasferimento degli elettroni attraverso i centri redox, generando un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna. Questo gradiente protonico è poi utilizzato dall'ATP sintasi per la produzione di ATP durante la fosforilazione ossidativa.

Indipendentemente dal numero di ioni Fe, ogni centro FeS differisce dall’altro per una sola carica formale: quando sono presenti 2 o più ioni Fe, essi costituiscono un sistema coniugato che accoglie o rilascia 1 SOLO e^-.

Il FMNH rilascia i suoi due elettroni uno alla volta ai centri Fe-S e contemporaneamente rilascia due protoni nella matrice. Il NADH, a sua volta, è generato nei cicli ossidativi.

I centri Fe-S hanno la capacità di trasportare un solo elettrone alla volta. All'interno del complesso I, si trovano 8 o 9 centri Fe-S, tra cui 2 centri Fe-S e 7 centri 4Fe-4S. Questi centri hanno potenziali di riduzione crescenti e sono disposti in sequenza lungo un percorso che favorisce un trasferimento di elettroni esoergonico. Essi costituiscono una sorta di canale attraverso cui gli elettroni sono indirizzati verso l'accettore finale, che è l'ubichinone. +4H⁺ vengono traslocati nello spazio intermembrana per ogni NADH che è ossidato.

I cambiamenti conformazionali indotti dalla variazione dello stato di ossidazione del complesso proteico (dal flusso spontaneo di e^-) attivano il pompaggio di protoni. I valori di pKa dei residui amminoacidici specifici, che costituiscono la porzione transmembrana della proteina, subiscono cambiamenti, inducendo lo spostamento sequenziale di ioni H⁺ tra questi gruppi fino al loro rilascio verso l'esterno.

Complesso II: Succinato-deidrogenasi

Il complesso II, noto anche come succinato-deidrogenasi o succinato: ubichinone ossidoreduttasi, è uno dei componenti della catena di trasporto degli elettroni coinvolta nella fosforilazione ossidativa nelle membrane mitocondriali dei eucarioti. A differenza del complesso I, il complesso II è coinvolto in una tappa del ciclo di Krebs (ciclo dell'acido citrico) e partecipa direttamente alla catena di trasporto degli elettroni.

Ecco una descrizione del complesso II:

• Succinato-deidrogenasi (FADH2): Il complesso II è costituito da succinato-deidrogenasi, un enzima coinvolto nella conversione del succinato a fumarato nel ciclo di Krebs. Durante questo processo, il FAD (flavina adenina dinucleotide) presente nell'enzima accetta elettroni dal succinato, formando FADH₂.
• FADH2: Il FADH₂ generato nel complesso II trasferisce gli elettroni direttamente al coenzima Q nella catena di trasporto degli elettroni.