Biologia Generale e Cellulare I, Crimi

La catena di trasporto mitocondriale degli elettroni

In un primo tempo, nel citoplasma avviene una degradazione parziale dei nutrienti (molecole organiche che giungono alla cellula). Questi entrano poi in un metabolismo catabolico che permette di produrre energia: il processo di ossidazione completa dei composti, che consente di estrarre il massimo dell'energia disponibile al loro interno, avviene nei mitocondri. Il vantaggio dei mitocondri è che utilizzano come accettore finale di questa cascata di reazioni redox un composto estremamente ossidante, l'ossigeno molecolare.

All'interno della matrice mitocondriale sono presenti gli enzimi metabolici del ciclo dell'acido citrico (o ciclo di Krebs). I catabolismi glucidico e lipidico (attraverso la glicolisi e la beta-ossidazione) producono acetil-CoA, un gruppo acetile legato al coenzima A; l'acetil-CoA costituisce il principale substrato del ciclo: il suo ingresso consiste in una condensazione con ossalacetato.

Elettroni lungo la catena respiratoria è favorito energeticamente. Esso, inoltre, avviene in tre passaggi che consentono di conservare l'energia.

Negli anni Sessanta, era risaputo che l'ATP fosse la riserva di energia delle creature viventi, ma si riteneva che il meccanismo con cui l'ATP veniva sintetizzato nei mitocondri fosse la fosforilazione a livello di substrato. La teoria chemiosmotica del biochimico britannico Peter Mitchell, proposta nel 1961, fu la base per la comprensione dei reali processi della fosforilazione ossidativa, che erano al tempo sconosciuti. A cominciare dal glucosio, le prime tappe del processo di ossidazione dei carboidrati vengono attuate dagli enzimi della glicolisi, localizzati nel citosol. Solo una piccola porzione dell'energia libera contenuta nel glucosio viene resa disponibile per la cellula durante la glicolisi, abbastanza per la sintesi netta di due molecole di ATP per molecola di glucosio ossidata; la maggior parte dell'energia

Resta immagazzinata nel piruvato. Ogni molecola di NADH che si forma durante l'ossidazione della gliceraldeide 3-fosfato porta con sé anche una coppia di elettroni ad alta energia. I due prodotti finali della glicolisi - piruvato e NADH - possono essere metabolizzati in due modi diversi, a seconda del tipo di cellula in cui essi sono stati prodotti e a seconda della presenza o assenza di ossigeno.

In presenza di ossigeno, gli organismi aerobi sono in grado di estrarre grandi quantità di energia addizionale dal piruvato e dal NADH prodotti dalla glicolisi, tanto da sintetizzare altre 30 molecole di ATP: questa energia è prodotta nei mitocondri. Per quanto riguarda le molecole di piruvato prodotte dalla glicolisi, queste sono trasportate attraverso la membrana mitocondriale interna nella matrice, dove vengono decarbossilate per formare gruppi acetile-a due atomi di carbonio (—CH COO ). Il gruppo acetile forma poi un complesso con il coenzima A (una complessa

molecola organica derivante dalla vitamina acido pantotenico)per formare l'acetilCoA. + +Piruvato + HS—CoA + NAD → acetilCoA + CO + NADH + H2La decarbossilazione del piruvato e il trasferimento del gruppo acetile al CoA sonocatalizzati dal complesso multienzimatico della piruvato deidrogenasi.

Una volta formato, l'acetilCoA entra in una via ciclica detta ciclo degli acidi tricarbossilici(ATC), in cui il substrato viene ossidato e la sua energia conservata. Ad eccezione dellasuccinato deidrogenasi, che è legata alla membrana interna, tutti gli enzimi del ciclo degliATC si trovano nella fase solubile della matrice. Il ciclo degli ATC è chiamato anche ciclo diKrebs, dal nome del biochimico inglese Hans Krebs che descrisse questa via metabolicanegli anni '30. Paradossalmente, quando Krebs ottenne dati sufficienti per sostenere l'ideadi un ciclo metabolico, propose l'articolo sulla ricerca alla rivista inglese Nature e il lavoro glifu

Restituito alcuni giorni dopo, accompagnato da una lettera di rifiuto. Il direttore aveva concluso che non era abbastanza importante da essere pubblicato sulla sua rivista.

Il primo passo nel ciclo degli ATC è la condensazione del gruppo acetile a due atomi di carbonio con l'ossalacetato a quattro atomi per formare una molecola di citato a sei atomi di carbonio. Durante il ciclo, la catena della molecola del citrato viene accorciata, un carbonio alla volta, rigenerando la molecola a quattro atomi di carbonio dell'ossalacetato, che può tornare a condensarsi con un altro acetilCoA.

Sono i due atomi di carbonio rimossi durante il ciclo degli ATC (che non sono gli stessi che vi erano stati introdotti con il gruppo acetile) ad essere completamente ossidati fino ad anidride carbonica.

Nel ciclo degli ATC, avvengono quattro reazioni in cui una coppia di elettroni viene trasferita da un substrato a un coenzima+accettore di elettroni. Tre di queste reazioni riducono il NAD a NADH.

una riduce il FAD(derivante dalla vitamina riboflavina) a FADH . L'equazione complessiva per le reazioni del2ciclo degli ATC può essere scritta così:

AcetilCoA + 2 H2O + FAD + 3 NAD+ + GDP + P → 2 CO2 + FADH2 + 3 NADH + 3 H+ + GTP

Il ciclo degli ATC è la via metabolica principale per la cellula. Se consideriamo la posizione del ciclo degli ATC nel complesso del metabolismo della cellula, si osserva che i metaboliti di questo ciclo sono gli stessi composti prodotti dalla maggior parte delle vie cataboliche della cellula. Ad esempio, l'acetilCoA è un importante prodotto finale di parecchie vie cataboliche, compresa la degradazione degli acidi grassi, che vengono decomposti in unità di due atomi di carbonio alla volta all'interno dei perossisomi; questi composti a due atomi di carbonio entrano nel ciclo degli ATC come acetilCoA. Anche la degradazione degli amminoacidi, i mattoni di cui sono costituite le proteine, genera

Dei metaboliti che entrano nel ciclo degli ATC, arrivando nella matrice attraverso speciali sistemi di trasporto sulla membrana mitocondriale interna. È evidente che tutte le macromolecole che la cellula utilizza a scopo energetico (polisaccaridi, grassi e proteine) vengono decomposte in metaboliti del ciclo degli ATC. Il mitocondrio, quindi, rappresenta il centro per le tappe finali del metabolismo energetico, a partire da materiali di qualsiasi natura. È evidente dal risultato netto dell'equazione del ciclo degli ATC che i prodotti principali delle reazioni sono i coenzimi ridotti FADH e NADH, che contengono gli elettroni strappati dai diversi substrati che sono stati ossidati. Il NADH è, assieme al piruvato, anche uno dei prodotti principali della glicolisi. I mitocondri non sono però in grado di importare il NADH che si forma nel citosol dalla glicolisi; i suoi elettroni sono utilizzati invece per ridurre un metabolita a basso peso molecolare che può

protoni al di là della membrana mitocondriale interna. L'energia rilasciata durante il trasporto degli elettroni viene dunque immagazzinata sotto forma di gradiente protonico tra i due lati della membrana. Gli elettroni a bassa energia vengono trasferiti ad un accettore finale di elettroni, l'ossigeno molecolare (O₂), che viene ridotto ad acqua.

Tappa 2. Il ritorno controllato dei protoni (H⁺) attraverso la membrana, mediante un enzima che sintetizza ATP, produce l'energia necessaria a far procedere la reazione endoergonica che porta alla fosforilazione dell'ADP con formazione di ATP. L'importanza del movimento dei protoni nella formazione dell'ATP fu proposta per la prima volta nel 1961 da Peter Mitchell, dell'Università di Edimburgo; questi esperimenti hanno portato ad accettare il meccanismo chemiosmotico, come era stato chiamato da Mitchell.

Ogni coppia di elettroni trasferita