Riassunto esame Biochimica, prof. Lupo, libro consigliato I principi di biochimica di Lehninger, Nelson, Cox

FLUSSO ELETTRONICO MITOCONDRIALE

Tutti i processi ossidativi di degradazione di carboidrati, acidi grassi e aminoacidi convergono nello stadio

finale della respirazione cellulare in cui l’energia prodotta dalle ossidazione guida la sintesi di ATP. La

fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri, in cui si ha la riduzione dell’ossigeno (O2) ad acqua (H2O)

grazie agli elettroni donati dal NADH e dal FADH2. La teoria che spiega la sintesi di ATP nei mitocondri

prende il nome di teoria “chemiosmotica”, secondo la quale la trasduzione energetica avvenga attraverso la

creazione di gradienti protonici transmembrana. Nel processo della fosforilazione ossidativa è coinvolto un

flusso di elettroni attraverso una catena di trasportatori legati alla membrana. L’energia libera resa

disponibile da questo flusso esoergonico di elettroni è accoppiata al trasporto endoergonico di protoni

attraverso una membrana impermeabile ai protoni. Questo trasporto conserva una parte dell’energia libera

di ossidazione delle sostanze nutritive sotto forma di un potenziale elettrochimico. Il flusso transmembrana

di protoni in senso inverso, mediato da specifici canali proteici, fornisce poi l’energia libera per la sintesi di

ATP, catalizzata da un complesso proteico di membrana, l’ATP sintasi.

La fosforilazione ossidativa ha inizio con l’ingresso degli elettroni nella catena respiratoria. La maggior

parte di questi elettroni deriva dall’azione di deidrogenasi che li hanno raccolti nei processi catabolici e poi

incanalati verso gli “accettori universali degli elettroni”: i nucleotidi nicotinammidici (NAD+ o NADP+) o

flavinici (FMN o FAD). Il primo tipo di accettori universali, le “nicotinammide nucleotide deidrogenasi”,

catalizzano reazione reversibili standard:

Substrato ridotto + NAD+ Substrato ossidato + NADH + H+



Substrato ridotto + NADP+ Substrato ossidato + NADPH + H+



Quasi tutte le deidrogenasi sono specifiche per il NAD+ come accettatore di elettroni; le deidrogenasi

NAD+ dipendenti rimuovono due atomi di idrogeno dai loro substrati, di cui uno viene trasferito sotto

­

forma di ione idruro :H al NAD+, mentre l’altro atomo di idrogeno viene rilasciato nell’ambiente

circostante, sotto forma di ione H+. Il NADH e il NADPH sono trasportatori di elettroni i quali si

associano reversibilmente alle deidrogenasi: il NADH trasporta gli elettroni dalle reazioni cataboliche al

“complesso della NADH deidrogenasi” che costituisce il primo punto di ingresso degli elettroni nella catena

respiratoria; il NADPH, invece, generalmente rifornisce di elettroni le reazioni anaboliche (generalmente la

cellula mantiene separate le molecole di NADH e NADPH con diversi potenziali redox). Il secondo tipo di

accettori universali per elettroni è quello delle “flavoproteine” che contengono un flavonucleotide, il FAD o

l’FMN, saldamente legato e che possono accettare sia un singolo elettrone (generando un semichinone) sia

due elettroni (generando FADH2 o FMNH2). In aiuto al NAD e alle flavoproteine nella catena

respiratoria intervengono anche altri tre tipi di trasportatori di elettroni: un “ubichinone” e due tipi diversi

di proteine contenenti ferro, i “citocromi” e le “proteine ferro­zolfo”. L’ubichinone (o coenzima Q o

semplicemente Q) è un benzochinone liposolubile con una lunga catena isoprenoide laterale, il quale può

accettare un singolo elettrone diventando un radicale semichinonico (QH), oppure può accettare due

elettroni diventando “ubiquinolo” (QH2). L’ubichinone possiede una struttura piccola e idrofobica e

pertanto diffonde liberamente tra il doppio strato lipidico della membrana mitocondriale esterna e può agire

da ponte tra trasportatori di elettroni meno mobili presenti nella membrana stessa. I citocromi, invece, sono

proteine contenenti gruppi prostetici EME legati al ferro. I mitocondri contengono tre diverse classi di

citocromi, chiamate “a”, “b” e “c”; a distinguere le varie classi è il cofattore EME che nelle classi “a” e “b” è

legato saldamente ma in modo non covalente mentre nella classe “c” ha legami covalenti. I citocromi “a” e

“b” sono proteine integrali della membrana mitocondriale interna mentre i citocromi “c” sono proteine

solubili associate per via elettrostatica alla superfice esterna della membrana mitocondriale interna. Nelle

proteine ferro­zolfo, infine, il ferro è presente non in un gruppo EME ma in associazione ad atomi di zolfo

inorganico o a zolfo legato a residui di cisteina della proteina (o entrambe le tipologie). I centri ferro­zolfo

possono essere della tipologia più semplice, con un singolo atomo di ferro legato a quattro atomi di zolfo,

oppure strutture più complesse, contenenti da due a quattro atomi di ferro. Nella reazione complessiva

catalizzata dalla catena respiratoria mitocondriale, quindi, gli elettroni passano dal NADH, dal succinato

o da qualche altro donatore di elettroni, attraverso le flavoproteine, ubichinone, proteine ferro­zolfo e

citocromi per arrivare alla fine all’ossigeno.

COMPLESSI DELLA CATENA RESPIRATORIA

La catena di trasporto degli elettroni è rappresentata da una serie di complessi proteici localizzati lungo la

membrana mitocondriale interna. Il loro scopo è quello di trasportare gli elettroni prelevati dalle molecole

donatrici, quindi il NADH e il FADH2, fino all’accettore finale rappresentato dall’ossigeno, per formare

una molecola di acqua. La catena respiratoria è quindi costituita da 4 complessi: i complessi I e II che

catalizzano il trasferimento elettronico all’ubichinone da NADH o succinato, il complesso III che li

trasferisce dall’ubichinone al citocromo “c”, e il complesso IV che completa il tutto trasferendoli dal

citocromo “c” all’O2.

Complesso I: da NADH a ubichinione

Il Complesso I, detto anche “NADH:ubiquinone ossidoreduttasi” o “NADH deidrogenasi”, è un enzima

complesso costituito da una “flavoproteina” contenente “FMN” (flavin mononucleotide) e almeno sei

proteine ferro­zolfo. Il complesso I ha una forma ad L, con un braccio immerso nella membrana

mitocondriale interna e l’altro orientato verso la matrice. Questo complesso catalizza due reazioni

simultanee e accoppiate: il trasferimento dello ione idruro da NADH ad ubiquinone e il trasferimento di

quattro protoni dalla matrice allo spazio intermembrana; in base alla sua azione è dunque possibile definire

il complesso I come una pompa protonica alimentata dall’energia del trasferimento di elettroni.

NADH + 5H+ + Q NAD+ + QH2 + 4H+

→

La reazione promossa dal Complesso I sposta dunque delle cariche in modo netto: la matrice diventa carica

negativamente mentre lo spazio intermembrana diventa carico positivamente. L’ubiquinolo prodotto

diffonde a questo punto nella membrana mitocondriale interna passando al complesso III dove viene

riossidato a ubichinone in un processo che coinvolge

anch’esso movimenti di protoni H+.

Complesso II: da succinato a ubichinone

Il Complesso II, noto anche come “succinato deidrogenasi”, è il solo enzima del ciclo dell’acido citrico legato

alla membrana mitocondriale interna. Anche se più piccolo e più semplice del Complesso I, il Complesso II

contiene cinque gruppi prostetici di due tipi diversi e quattro subunità proteiche. Le subunità C e D sono

proteine di membrana integrali, ciascuna con tre eliche transmembrana; esse contengono un gruppo EME b

ed un sito di legame per l’ubichinone. Le subunità A e B, invece, si estendono all’interno della matrice e

contengono tre centri 2Fe­2S (ferro–zolfo), un FAD e un sito di legame per il succinato. Il gruppo EME

del complesso II non sembra coinvolto direttamente nella via degli elettroni ma probabilmente serve a

ricatturare gli elettroni che potenzialmente possono sfuggire spostandosi dal succinato a ossigeno

molecolare, producendo “perossido di idrogeno” (H2O2), una specie reattiva dell’ossigeno (ROS) e il radicale

superossido. Il passaggio degli elettroni lungo il complesso II quindi è il seguente: da succinato a FAD, poi

da FAD a proteine ferro­zolfo le quali riducono l’ubiquinone a ubiquinolo (QH2) che poi prende la stessa

via del Complesso I (QH2 verrà poi riossidato a Q nel Complesso III).

Complesso III: da ubichinone a citocromo C

Il complesso III, detto anche “complesso citocromo bc1” o “ubiquinone:citocromo c ossidoreduttasi”,

accoppia il trasferimento di elettroni dall’ubiquinolo al “citocromo c” con il trasporto di protoni dalla

matrice allo spazio intermembrana. L’unità funzionale del complesso è un dimero i cui due monomeri sono

citocromi “b” posti a circondare una cavità della membrana in cui l’ubiquinone è libero di muoversi dal lato

della matrice a quello intermembrana facendo da shuttle per gli elettroni e i protoni. Il passaggio degli

elettroni e dei protoni attraverso il complesso III è stato definito “ciclo Q”, la cui reazione redox netta è:

QH2 + 2citocromo C1 (ossidato) + 2H+ (lato matrice) Q + 2citocromo C1 (ridotto) + 4H+ (spazio

 P

N intermembrana)

Un ubiquinolo viene riossidato a ubiquinone e due molecole di “citocromo c” vengono invece ridotte.

Quando il “citocromo c” viene ridotto si sposta verso il complesso IV per donare il suo unico elettrone.

Complesso IV: dal citocromo all’ossigeno

Nell’ultima fase della catena respiratoria il Complesso IV, detto anche “citocromo ossidasi”, porta gli

elettroni dal “citocromo c” all’ossigeno molecolare riducendolo ad acqua. Il complesso contiene tredici

subunità negli eucarioti e solamente tre nei batteri; nella subunità II degli eucarioti sono contenuti due ioni

rame accoppiati con i gruppi sulfidrilici di due residui di cisteina in un centro binucleare “CuA” non lontano

dalla struttura 2Fe­2S delle proteine ferro­zolfo. La subunità I contiene invece due gruppi EME, “a” e

“a3”, e un altro ione rame a formare un secondo centro binucleare “CuB”, che accetta elettroni dall’EME

“a” e li trasferisce all’ossigeno che si lega all’EME “a3”. I passaggi compiuti dagli elettroni grazie al

complesso IV sono:

“citocromo c” centro CuA EME a centro Eme a3 centro CuB O2

→ → → → →

Ad ogni ciclo il complesso sfrutta quattro ioni H+ “substrato” della matrice (lato N) per convertire

l’ossigeno in due molecole di acqua. Il complesso utilizza anche l’energia di questa reazione per pompare un

protone verso lo spazio intermembrana (lato P) ali