Bioenergetica mitocondriale

Bioenergetica mitocondriale

Introduzione

La fosforilazione ossidativa si riferisce al processo mitocondriale in cui l’ossidazione dei substrati nella catena respiratoria è accompagnata dalla fosforilazione dell’ADP in ATP: l’energia chimica viene quindi trasformata in energia di legame e conservata nel legame dell’ATP. La maggior parte dell’energia ricavata dall’ossidazione dei nutrienti viene usata per la fosforilazione dell’ADP in ATP e questo a sua volta viene continuamente defosforilato in ADP liberando l’energia necessaria per far avvenire le reazioni biologiche.

Mitocondri

La struttura dei mitocondri è quella di un sacco rivestito da due membrane, una esterna e una interna, che delimitano fra loro lo spazio intermembrana; la membrana interna si invagina in creste e delimita a sua volta la matrice mitocondriale. Le due membrane mitocondriali hanno una diversa composizione:

Nella membrana interna sono presenti alcune specifiche proteine di trasporto che permettono il passaggio di diverse specie cariche attraverso l’ambiente idrofobico del doppio strato lipidico. Inoltre, i mitocondri sono dotati di un sistema di compartimentazione degli enzimi, essenziale per la regolazione dei diversi processi mitocondriali. A differenza degli altri organelli intracellulari, i mitocondri si ottengono per divisione di mitocondri già esistenti: ogni mitocondrio è infatti dotato di DNA, RNA e ribosomi: il DNA mitocondriale codifica però solo per una piccola parte delle proteine del mitocondrio, mentre la maggior parte è codificata dal DNA cellulare e poi importata nel mitocondrio.

Catena respiratoria

La catena respiratoria è un sistema formato da proteine e altri componenti che svolgono la funzione di trasportatori di elettroni nel doppio strato lipidico della membrana mitocondriale interna. Durante la fosforilazione ossidativa avvengono varie reazioni redox che sono innescate dall’iniziale ossidazione di NADH e FADH₂ e culminano nella riduzione finale dell’ossigeno molecolare ad acqua; gli elettroni, prima di essere assunti dall’ossigeno, scorrono lungo la catena di trasportatori redox, che si trovano integrati nella membrana mitocondriale interna e comprendono flavoproteine, chinoni, citocromi, proteine ferro-zolfo e proteine di altra natura. L’energia che si libera durante questo flusso di elettroni promuove il trasporto di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna, creando un potenziale elettrochimico che viene usato per la sintesi di ATP.

Alimentazione della catena respiratoria

La catena respiratoria viene alimentata con equivalenti riducenti provenienti da vari substrati ossidabili: gli equivalenti riducenti sono elettroni liberi, associati a protoni o ad atomi di idrogeno, formando rispettivamente atomi di idrogeno o ioni ioduro, che vengono trasferiti da un donatore che viene ossidato ad un accettore che viene ridotto. In genere, i substrati ossidabili sono i nutrienti introdotti con l’alimentazione. Le deidrogenasi NAD(P) -dipendenti sono enzimi che catalizzano le reazioni redox in cui due atomi di idrogeno vengono sottratti ai substrati ossidabili e convogliati verso il NAD(P)⁺: uno degli atomi di idrogeno viene trasferito sotto forma di ioduro al NAD(P)⁺, formando il coenzima ridotto NAD(P)H, mentre l’altro viene rilasciato nell’ambiente sotto forma di H⁺.

Queste deidrogenasi, che non fanno in realtà parte della catena respiratoria, ma forniscono gli equivalenti riducenti in forma di NAD(P)H necessari per il funzionamento della catena respiratoria, sono enzimi localizzati nel citosol o nella matrice e la loro funzione è quella di produrre grandi quantità di NAD(P)H. Il NADPH in realtà viene generalmente usato nelle reazioni anaboliche riduttive per la sintesi di altre molecole importanti per l’organismo e in alcuni casi il NADPH può generare NADH nella reazione catalizzata dalla piridin nucleotide transidrogenasi. La reazione è reversibile e avviene spontaneamente verso destra, mentre richiede l’idrolisi di ATP per decorrere nel verso opposto.

Componenti della catena respiratoria

• Deidrogenasi flaviniche: queste proteine contengono al loro interno i nucleotidi flavinici FMN o FAD, saldamente legati alla porzione proteica dell’enzima.
• Il complesso I della catena respiratoria, detto NADH deidrogenasi, contiene una deidrogenasi FMN-dipendente.
• Esistono anche delle deidrogenasi FAD-dipendenti che convogliano gli elettroni al coenzima Q (CoQ), riducendolo, e vengono a loro volta ridotte da succinato, glicerolo-3-fosfato e acil-CoA.