Bioenergetica mitocondriale

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: la succinato

deidrogenasi e la glicerolo-3-P deidrogenasi sono enzimi di membrana, mentre la acil-CoA deidrogenasi è

presente nella matrice; inoltre la succinato deidrogenasi è il complesso II della catena respiratoria.

I nucleotidi flavinici presenti in tutte queste deidrogenasi possono accettare uno o due elettroni per volta e

quindi possono accoppiare reazioni in cui vengono ceduti due elettroni a reazioni in cui ne viene accettato

solo uno.

- Coenzima Q (ubichinone).

L’ubichinone è un benzochinone dotato di una catena laterale isoprenoide formata da 6-10 unità isopreniche,

grazie alla quale è ampiamente mobile nell’ambiente idrofobico della membrana mitocondriale interna.

Grazie alla grande mobilità di cui gode, l’ubichinone può entrare in contatto sia con la NADH deidrogenasi

e le varie flavoproteine, da cui riceve gli elettroni, sia con il citocromo b a cui cede gli elettroni, di conseguenza

questo coenzima funziona come carrier mobile.

I coenzimi flavinici ridotti trasferiscono gli elettroni al CoQ ossidato, riducendono a CoQH o ubichinolo.

2

Il coenzima Q può anche formare un semichinone relativamente stabile e partecipare anche al trasferimento

di un solo elettrone.

- Citocromi.

I citocromi sono cromoproteine che trasportano gli elettroni dal CoQ all’ossigeno; sono proteine coniugate

formate dal gruppo prostetico eme legato alla catena polipeptidica.

A differenza dell’eme di mioglobina ed emoglobina, in cui il ferro si trova sempre allo stato ridotto Fe , nei

2+

citocromi il ferro accetta e cede un elettrone, oscillando sempre fra lo stato ridotto e lo stato ossidato.

I singoli citocromi si differenziano per la natura della porzione proteica e delle catene laterali del nucleo

porfinirico e per il sistema di connessione fra gruppo eme e proteine; nei mitocondri si trovano tre classi di

citocromi. I differenti citocromi sono organizzati in maniera specifica all’interno della membrana mitocondriale

interna.

• Citocromo c. Piccola proteina che presenta grande mobilità e si trova sulla superficie esterna della

membrana mitocondriale interna.

• Citocromo b e c1. Sono associati ad altre proteine e formano il complesso III della catena respiratoria.

• Citocromo a e a3. Formano il complesso IV della catena respiratoria.

L’eme del citocromo c è legato covalentemente alla proteina grazie a due legami tioeterei tra i due gruppi

laterali vinilici e due residui di cisteina della proteina, inoltre il ferro si lega con due legami coordinativi a un

residuo di istidina e a un residuo di metionina.

Dal punto di vista funzionale il citocromo c agisce come carrier mobile fra gli altri citocromi immobilizzati nella

membrana ed è facilitato in questo dal fatto di essere lassamente associato alla superficie esterna della

membrana mitocondriale interna.

- Proteine ferro-zolfo.

Nelle proteine Fe-S il ferro non è inserito nel gruppo prostetico eme, ma si trova associato ad un atomo di

zolfo inorganico o allo zolfo di residui di cisteina, formando i cosiddetti centri Fe-S, che possono essere di

vario tipo.

Le proteine Fe-S trasferiscono un elettrone per volta, in quanto il ferro oscilla dallo stato ferroso allo stato

ferrico.

Un tipo particolare di proteine Fe-S sono le proteine di Rieske, in cui l’atomo di ferro è coordinato a residui

di istidina invece che di cisteina.

Organizzazione e sequenza dei complessi

- Complesso I.

Il complesso I (NADH deidrogenasi o NADH:CoQ ossidoreduttasi) è formato da 45 proteine e contiene FMN

e 8 centri Fe-S. Questo complesso provvede alla riossidazione del NADH presente nella matrice

mitocondriale in NAD e convoglia gli equivalenti riducenti verso il CoQ: durante questo trasferimento viene

+

liberata energia che serve per pompare protoni contro gradiente dalla matrice mitocondriale verso lo spazio

intermembrana, conservando parte dell’energia sotto forma di gradiente di potenziale elettrochimico.

Il complesso I riceve quindi gli elettroni dal NADH e li trasferisce a una flavoproteina FMN-dipendente che a

sua volta si cede ai vari centri Fe-S, i cui ioni ferro partecipano al trasporto degli elettroni riducendosi quando

ricevono gli elettroni dal FMNH e riossidandosi quando li cedono al CoQ.

2

Il trasferimento degli elettroni è inibito da sostanze come l’Amital (barbiturico) e il rotenone (insetticida).

- Complesso II.

Il complesso II (succinato deidrogenasi) è responsabile dell’ossidazione del succinato in fumarato, con

contemporanea riduzione del FAD a FADH ed è formato da 4 subunità proteiche, un FAD e 3 centri Fe-S.

2

Gli elettroni che vengono sottratti al succinato passano prima al FAD e poi agli atomi di ferro dei centri Fe-S,

prima di arrivare al CoQ che rappresenta l’accettore.

Nella struttura del complesso II si trova anche un eme b che non è implicato nel flusso elettronico, ma si

occupa di prevenire la formazione di ROS, dannosi per l’organismo.

Esistono vie alternative alla riduzione del CoQ:

La prima tappa dell’ossidazione degli acidi grassi è catalizzata dalla acil-CoA deidrogenasi che sottrae

equivalenti riducenti agli acidi grassi e allo stesso tempo riduce il FAD a FADH ; poi gli equivalenti riducenti

2

passano all’ETFP e infine al CoQ attraverso la ETF ubichinone ossidoreduttasi, una proteina che lega sia il

FAD che un centro Fe-S.

La glicerolo-3-P deidrogenasi è una flavoproteina posta sulla faccia esterna della membrana mitocondriale

interna e incanala gli equivalenti riducenti sottratti al glicerolo-3-P verso il CoQ.

- Complesso III.

Il CoQ in forma ridotta diffonde nella membrana mitocondriale interna fino a raggiungere il complesso III,

dove viene riossidato a CoQ. Il complesso III recupera quindi gli equivalenti riducenti e li trasferisce al

citocromo c: questo complesso catalizza il trasferimento degli elettroni da un trasportatore a due elettroni ad

un trasportatore a un solo elettrone, attraverso un complesso meccanismo detto ciclo dell’ubichinone. Inoltre

il complesso III associa il flusso di elettroni al pompaggio di protoni attraverso la membrana mitocondriale

interna, come avviene nel complesso I.

La struttura del complesso III comprende tre proteine con ruolo catalitico, il citocromo b, il citocromo c1 e

una proteina ferro-zolfo di Rieske, oltre ad altre 8 proteine con funzione ignota.

Gli equivalenti riducenti passano dall’ubichinolo al citocromo b, poi alla proteina di Rieske e infine al

citocromo c1, da cui vengono trasferiti al citocromo c, un componente mobile della catena respiratoria che

non fa parte del complesso III.

Il complesso III viene inibito da sostanze come antimicina A e mixotiazolo che impediscono la riduzione del

citocromo c.

- Complesso IV.

Il complesso IV (citocromo c ossidasi) è il componente terminale della catena respiratoria ed è l’unico in grado

di reagire con l’ossigeno in un processo in cui 4 elettroni provenienti da 4 molecole di citocromo c ridotto

vengono trasferiti su una molecola di ossigeno per formare acqua. Il trasferimento degli elettroni avviene

quasi completamente senza la formazione di intermedi incompletamente ridotti.

Il complesso IV è inoltre in grado di associare il flusso elettronico al pompaggio di elettroni attraverso la

membrana mitocondriale interna.

La citocromo c ossidasi è formata da 13 subunità proteiche e contiene 2 gruppi eme e 3 atomi di rame: i

gruppi eme differiscono da quelli presenti negli altri citocromi per la presenza di un gruppo formilico al posto

di uno dei 4 gruppi metilici e di una catena carboniosa alifatica al posto di uno dei 2 gruppi vinilici.

Il complesso IV lega con alta affinità il cianuro e il monossido di carbonio, legame che inibisce la possibilità

di reazione con l’ossigeno.

I protoni che vengono espulsi dalla matrice mitocondriale verso lo spazio intermembrana dai complessi I, III

e IV formano un gradiente protonico, che in realtà è un gradiente di potenziale elettrochimico, che viene poi

usato per la sintesi di ATP attraverso il complesso dell’ATP-sintasi. In questo modo si ha l’accoppiamento fra

la respirazione (trasferimento di equivalenti riducenti all’ossigeno) e la fosforilazione: l’accoppiamento prende

il nome di fosforilazione ossidativa.

Inibitori della catena respiratoria

Gli inibitori della catena respiratoria sono composti in grado di bloccare il flusso degli elettroni in

corrispondenza di determinati siti.

Il rotenone blocca il passaggio di elettroni attraverso il complesso I, impedendo l’ossidazione dei substrati

NAD-dipendenti, quindi solo i substrati FAD-dipendenti che immettono i loro elettroni a livello del coenzima

Q possono essere ossidati.

L’antimicina A blocca la tappa del complesso III e impedisce l’ossidazione di tutti i substrati NAD-dipendenti

e FAD-dipendenti e consente l’ossidazione del solo ascorbato, che immette i suoi elettroni in corrispondenza

del citocromo c, a valle del blocco.

Il cianuro, il monossido di carbonio e l’azide bloccano il complesso IV, l’ultima tappa della catena respiratoria,

e impediscono quindi l’ossidazione di qualsiasi substrato.

- Il cianuro e l’azide reagiscono con la forma ferrica (Fe ) dell’eme del complesso IV.

3+

- Il CO reagisce con la forma ferrosa (Fe ) dell’eme del complesso IV.

2+

Conversione dell’energia

Lungo la catena respiratoria, gli elettroni scorrono secondo gradiente dal componente con potenziale

standard di riduzione più negativo (E’°NADH=-0,32V), dotato quindi della massima tendenza a cedere

elettroni, al componente con potenziale standard di riduzione più positivo (E’°O =+0,82V). La reazione

2

complessiva è quindi:

®

NADH + H + ½ O NAD + H O

+ +

2 2

Ed è formata dalle due semireazioni:

®

1) NAD + 2H + 2e NADH + H (E’°=-0,32V)

+ + - +

®

2) ½ O + 2H + 2e H O (E’°=+0,82V)

+ -

2 2

Considerando quindi la differenza fra i due potenziali standard di riduzione, la reazione complessiva procede

nel verso della riossidazione del NADH, che cede due equivalenti riducenti all’ossigeno per formare una

molecola d’acqua.

La variazione di energia libera (DG’°) dipende dalla variazione del relativo potenziale redox (DE’°):

DG’° DE’°

= -nF x in cui n