Catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

Trasportatori di elettroni

• Coenzima Q: detto ubichinone, è un chinone idrofobico che diffonde rapidamente dentro la membrana mitocondriale interna. (È solubile nella membrana per cui si pensa che all'interno ci sia un pool di Q e QH₂).
• Citocromo C

La forma ridotta di Q (QH₂) trasporta gli elettroni del NADH dalla NADH-Q ossido riduttasi alla Q-citocromo c ossidoreduttasi. L'ubichinone riceve inoltre gli elettroni dal FADH₂, ridotto dalla succinato deidrogenasi nel ciclo dell'acido citrico, attraverso la succinato-Q riduttasi e li trasferisce poi al complesso Q-citocromo c ossidoreduttasi. Esiste in 3 forme: ubichinone, radicale chinolico o semichinone, ubichinolo.

Il citocromo c, una piccola proteina idrosolubile che si appoggia al complesso III, trasporta elettroni dalla Q-citocromo c ossido riduttasi alla citocromo c ossidasi, il componente finale della catena, quello che catalizza la riduzione dell'O₂.

Complesso I o NADH deidrogenasi

NADH-Q ossidoreduttasi

• 43 subunità
• 850 kDa
• Contiene due tipi di accettori di elettroni (gruppi prostetici): FMN e almeno 6 centri Fe-S

Sfrutta il passaggio di elettroni in questo modo: NADH (proveniente da ciclo Krebs o degradazione acidi grassi) si lega al proprio dominio di legame extra-membrana che sporge nella matrice e trasferisce i suoi elettroni al FMN, che si riduce a FMNH₂. FMNH₂ a sua volta cede i due elettroni ad una serie di centri ferro zolfo uno di seguito all'altro (ioni ferro oscillano ciclicamente fatto stato ridotto, ione ferroso Fe²⁺ allo stato ossidato, ione ferrico Fe³⁺, ma subiscono generalmente reazioni di ossidoriduzione senza rilasciare o legare protoni come invece fanno gli altri accettori).

Gli elettroni insieme a protoni (2 el + 2 H⁺) sono infine trasferiti al coenzima Q che si riduce a QH₂. Il passaggio di 2 elettroni dal NADH al coenzima Q provoca il pompaggio di 4 protoni fuori dalla matrice mitocondriale (ovvero nello spazio intermembrana). Accettando due elettroni, Q assume due protoni dalla matrice e viene ridotto a QH₂ abbandona l'enzima per spostarsi nella zona interna idrofobica della membrana.

Caratteristiche dell'enzima

L'enzima della NADH-Q ossido reduttasi è a forma di L con un braccio intermembrana, dove si trova il coenzima Q e l'altro braccio che si proietta verso la matrice mitocondriale, da cui entra il NADH e dove si trovano i siti del FMN e dei centri ferro zolfo.

Esistono tre tipi di centri ferro-zolfo:

• 1 ione ferro legato a 4 residui di cisteina della proteina
• 2 ioni ferro e 2 solfuri inorganici legati a 4 residui di cisteina della proteina
• 4 ioni ferro e 4 solfuri inorganici legati a 4 residui di cisteina della proteina

Infatti ogni ione ferro dev'essere legato a 4 ioni solfuro (che siano organici, delle cisterne, o inorganici). Il più comune è 2Fe-2S. NADH-Q reduttasi contiene i centri ferro zolfo sia del tipo 2Fe-2S che 4Fe-4S.

Complesso II o Succinato-Q ossidoreduttasi

Non è in grado di pompare protoni ed è composto da quattro subunità proteiche:

• Subunità A: succinato deidrogenasi, si trova sulla membrana mitocondriale interna ed è in grado di ossidare succinato in fumarato riducendo FAD a FADH₂.
• Subunità B: contiene almeno tre centri ferro zolfo che ricevono gli elettroni dal FADH₂ e li trasferiscono all'ubichinone che diventa ubichinolo.
• Due subunità transmembrana C-D

Il FADH₂ non abbandona il complesso ma i suoi due elettroni vengono subito trasferiti ai centri ferro-zolfo e infine al coenzima Q, che si riduce a ubichinolo. Il complesso succinato-Q riduttasi non è una pompa protonica (la quantità di energia fornita dal trasferimento di elettroni a partire dal FADH₂ non sarebbe comunque sufficiente per garantire il pompaggio di elettroni dalla matrice allo spazio intermembrana). Per questo motivo l'ossidazione del FADH₂ fornisce meno ATP che l'ossidazione del NADH.

La fonte di FADH₂ non è solo la succinato DH ma anche la glicerolo fosfato DH e l'acetil-coA DH (anche qui non sono pompe protoniche). È presente un eme di tipo D che non partecipa al trasporto degli elettroni ma è importante per evitare che gli elettroni finiscano all'ossigeno portando alla formazione di intermedi noti come ioni superossido. Sono presenti anche due subunità come la succinato deidrogenasi che contengono e riducono il FAD. Donano gli elettroni direttamente al coenzima Q riducendo ad saltando il complesso I così vengono pompati nello spazio intermembrana due protoni per coppia di elettroni.

L'acetil-coA deidrogenasi è un enzima FAD dipendente presente a matrice mitocondriale interna. Durante la reazione l'acetil-coA si ossida andando a ridurre il FAD a FADH₂. A questo punto gli elettroni provenienti dal gruppo prostetico FADH₂ dell'acetil-coA DH (FADH₂-E) vengono trasferiti a una seconda flavoproteina denominata flavoproteina di trasferimento degli elettroni (ETF). A sua volta l'ETF dona i suoi elettroni ai centri ferro-zolfo della coenzima-Q ossidoreduttasi che poi arriveranno al coenzima Q che diventerà QH₂.

Glicerolo-3P deidrogenasi: enzima FAD dipendente che si trova nello spazio intermembrana e anche questo cede elettroni al coenzima Q saltando la prima stazione di pompaggio del complesso I. Vedi inibitori.

Complesso III della coenzima QH₂-citocromo c ossido reduttasi

Dimero, ciascun monomero formato da 11 subunità.

• Contiene due citocromi:
• Citocromo B (che contiene i gruppi eme BL e BH)
• Citocromo C1 (che contiene un gruppo eme C1)

I citocromi sono chiamati in questo modo in quanto sono colorati. Il colore deriva dalla loro caratteristica di possedere molti doppi legami coniugati (ovvero alternati a legami singoli), quindi la presenza di numerosi elettroni Pi greco molto delocalizzati che possono assorbire energia per passare al livello energetico superiore (eccitati). Possono assorbire elettroni anche dalla luce (una volta assorbito tutto riflettono).

I citocromi hanno tre bande di assorbimento della luce visibile. Mettendo in soluzione il citocromo C ossidato e il citocromo C ridotto è possibile distinguerli grazie alla presenza di diversi picchi di assorbimento (alfa=560 e beta=500); per distinguere citocromi molto simili, della stessa classe, si indica a pedice la lunghezza d'assorbimento massima.

Contiene un centro di 2 Fe-2 S di Rieske: uno ione è legato a due cisteine (e a due solfuri inorganici), ma l'altro è legato a due istidine e due solfuri inorganici. Ciò stabilizza il centro nella sua forma ridotta, aumentandone il potenziale di riduzione in modo da potere facilmente accettare elettroni da QH₂.

Le altre 8 subunità hanno il ruolo di pompaggio dei protoni: il flusso di due elettroni da ubichinolo al citocromo c provoca il trasferimento netto di due protoni al di fuori della matrice (versante citoplasmatico), la metà di quelli trasferiti dalla NADH-Q riduttasi a causa della minore forza termodinamica. Ne pompa 4 nello spazio intermembrana ma pompa due protoni per ogni coppia di elettroni (la metà del complesso 1).

La Q-citocromo c ossido riduttasi stessa contiene un totale di tre gruppi eme, contenuti dentro due subunità del citocromo (due diversi intorno polipeptidici che influenzano affinità diverse):

• Nel citocromo B ci sono due gruppi eme di tipo b, ovvero eme BL (L sta per bassa affinità, low) e eme BH (H sta per alta affinità, high). Al centro si forma una cavità occupata dalla componente proteica.
• Nel citocromo C1, un eme di tipo C coordinato con una metionina e una istidina.

L'eme presente come gruppo prostetico nei citocromi B, C1 e C è la ferroprotoporfirina IX, lo stesso eme che è presente nella mioglobina e nell'emoglobina, che legano e cedono CO₂ H₂.

Eme

• Parte organica è la protoporfirina 9 formata da 4 anelli pirrolici legati da ponti metilici.
• Parte inorganica è lo ione ferro (può accettare 1 el oscillando da 2+ rid a 3+ ox).
• Mentre i gruppi eme BH e BL presentano i vinili scoperti.
• 1 atomo di ferro al centro legato a 4 atomi di azoto legati.
• 2 residui di acido propionico.
• 2 vinili e 4 metili.

I gruppi eme presenti nei citocromi C e C1, a differenza di quelli presenti nel citocromo b, sono legati covalentemente alla proteina (negli altri è solo inserito nella proteina). I legami sono di tipo tioetere, tra gruppi solfidrilici dei due residui di cisteina e i gruppi vinilici dell'eme. Al contrario, i gruppi eme BH e BL presentano i vinili scoperti. Per la presenza di questi gruppi questo enzima è detto anche citocromo BC1.

Ciclo Q

QH₂ cede due elettroni al complesso della Q-citocromo c ossido reduttasi che tuttavia ne accetta solo uno. Due monomeri lavorano in maniera indipendente, ma allo stesso modo. Per ovviare a questo problema, il complesso presenta due siti diversi:

• Sito Qo (outer)
• Sito Qi (inner)

Sul sito Qo si lega QH₂ ridotto mentre nel Qi si lega Q ossidato. QH₂ ridotto che entra nel sito Qo cede un elettrone al centro Fe-S di Reiske che a sua volta lo rilascia al citocromo C1 che lo cede al citocromo C ossidato. Citocromo C si riduce completamente (in quanto acquista solo un elettrone) e può proseguire verso il prossimo complesso. L'altro elettrone rilasciato dall'ubichinone ridotto prosegue verso un'altra direzione, prima si sposta sul citocromo BL, quindi sul citocromo BH e poi su un altro Q ossidato che si trova nel sito Qi e che diventa un radicale semichinonico (Q-).

A questo punto il Q completamente ossidato si stacca da Qo e arriva un altro QH₂ ridotto, che agisce nello stesso modo: un elettrone riduce completamente citocromo c, il secondo elettrone trasforma il radicale semichinonico.