Biologia molecolare - catena respiratoria

Gruppo prostetico dei citocromi

Emo b

Emo b è caratteristico dei citocromi del gruppo b, incluso il citocromo P450. È del tutto simile all’emoglobina, infatti è formato dal sistema tetrapirrolico della porfina, che porta undici doppi legami alterni in risonanza. Questo sistema è sostituito in 1,3,5,8 da quattro radicali metilici, in 2,4 da due radicali vinilici ed in 6,7 da due radicali propionici. L’anello tetrapirrolico è quindi una protoporfirina IX come l’emo dell’emoglobina. Inoltre, come nell’emoglobina, è unito alla proteina con legami non covalenti.

Emo c

Emo c è caratteristico dei citocromi c e c₁. Si differenzia dall’emo b perché si può considerare derivato da una mesoporfirina IX, in quanto i due vinili in 2 e 4 sono sostituiti da due etili (CH₂-CH₃) in cui nel gruppo CH₂ un idrogeno è sostituito da un atomo di solfo, che fa parte del gruppo tiolico dei residui di cisteina 13 e 16 inseriti sulla catena peptidica della proteina nella sequenza –lys(13)-cys-ala-gln-cys-his(18)-. Di conseguenza, in questi citocromi, l’anello porfinico è legato covalentemente alla proteina mediante due legami tioeterei. Il ferro al centro dell’anello porfinico è mantenuto in loco da 4 legami coordinativi, uno per ciascuno degli atomi di azoto facenti parte dei 4 anelli pirrolici, e da altri due legami coordinativi diretti uno ad uno degli atomi di azoto dell’anello imidazolico dell’istidina 18 e l’altro al solfo della metionina 80 della sequenza proteica. Inoltre, la proteina è ricca di amminoacidi basici (pI oltre 11) ed è solubile, a differenza di tutte le altre proteine, in acido tricloracetico, proprietà che ne rende estremamente facile la purificazione da omogenati di tessuto. Ricchissimo di cit c è il tessuto muscolare cardiaco, in particolare quello di cavallo.

Emo a

Emo a è caratteristico della citocromoossidasi o complesso IV della catena respiratoria. Si differenzia dall’emo b perché in esso il metile in 8 è sostituito da un formile (CHO) ed il vinile in 2 da un idrossietile (-CHOH-CH₂), del quale il radicale CH₂ è a sua volta legato a tre unità isoprenoidi (CH₂-CH=C(CH₃)-CH₂-).

Catena respiratoria

La catena respiratoria è devoluta all'ossidazione dei cofattori piridinici e flavinici ridotti, che direttamente o indirettamente si sono formati nei diversi processi metabolici, e al trasferimento degli elettroni all’ossigeno molecolare con formazione di una molecola di H₂O. Consta di quattro complessi proteici, numerati come I, II, III, IV, interamente localizzati nella membrana interna del mitocondrio in stretta associazione con la componente fosfolipidica della membrana.

Complesso I

Il complesso I provvede alla riossidazione del NAD ridotto (derivato dalle reazioni catalizzate dalla piruvato deidrogenasi, isocitrato deidrogenasi, α-chetoglutarato deidrogenasi, malato deidrogenasi, glutammato deidrogenasi, importanti per il catabolismo degli amminoacidi ramificati valina, leucina e isoleucina, enzimi tutti distribuiti nella matrice del mitocondrio) con successiva riduzione del coenzima Q (Q) o ubichinone (Ubi). È quindi spesso definito anche NADH deidrogenasi. Il complesso ha massa molecolare elevata (intorno ad 800 kDa); è formato da 26-38 catene proteiche, di cui alcune legano come gruppo prostetico FMN, altre sono ferro-solfo proteine con centri Fe-S di tipo 2Fe-2S o 4Fe-4S in cui il ferro varia di valenza nel corso della catalisi. Nella sua interezza, il complesso ha la forma di una L che si infossa nella membrana mitocondriale, in cui la parte alta del braccio verticale è prospiciente la matrice ed in questa regione si accentrano le unità che legano FMN, mentre nel braccio orizzontale, che si affaccia sul lato citosolico della membrana, si accentrano le componenti proteiche portanti i centri Fe-S. Il complesso nella sua funzione lega NAD ridotto proveniente dalla matrice, lo riossida e trasferisce l’idrogeno al proprio gruppo prostetico FMN, successivamente riossida quest’ultimo trasferendo l’idrogeno al coenzima Q, che si trasforma in coenzima ridotto (QH₂), trasformazione che converte il coenzima da chinone (para-chinone, 1,4-cicloesadiene dione) a chinolo (1,4-diidrossibenzene). In questo secondo passaggio intervengono i centri Fe-S nei quali la valenza del ferro rapidamente passa alternativamente da 3+ a 2 e viceversa. Questo complesso funge quindi da pompa protonica che sposta H dalla matrice, lo fa scorrere al proprio interno e lo rilascia sul lato citosolico della membrana in forma legata al coenzima Q. La reazione di riduzione del coenzima Q è fortemente esoergonica; parte dell’energia liberata si traduce in modificazioni di conformazione di proteine della membrana che comportano liberazione di protoni, probabilmente derivanti da deprotonazione di residui di His delle proteine componenti la membrana, che vengono ad accumularsi nello spazio intermembrana.

Il coenzima Q (Q detto anche Ubi nell’uomo, in quanto porta dieci unità isoprenoidi, e quindi 50 atomi di C, nella catena laterale in posizione 6 dell’anello chinoide) è compartimentato a livello della membrana mitocondriale in un pool intramembrana prospiciente la matrice mitocondriale detto Q_i, dove i sta per inside o interno, e in un pool intramembrana prospiciente il lato citosolico detto Q_o, dove o sta per outside. Per la disposizione che la NADH deidrogenasi ha all’interno della membrana mitocondriale è molto probabile che a ricevere l’idrogeno sia il pool citoplasmatico del coenzima Q ossia appartenente al pool Q_o.

Complesso II

Il complesso II provvede a trasferire idrogeno dal FAD ridotto, formatosi nel ciclo di Krebs in quanto gruppo prostetico della succinatodeidrogenasi (deidrogenazione del succinato a fumarato), nella prima tappa della β-ossidazione in quanto gruppo prostetico della acil-CoA deidrogenasi, in unione con gli altri enzimi flavinici fattore trasferente elettroni (ETF) ed ETF-Coenzima Q ossido-riduttasi, nel trasporto del potere riducente dal citoplasma al mitocondrio. Del complesso fa parte almeno una Fe-S proteina con centro 2Fe-2S ed un citocromo detto cit b₅₆₀. Pertanto, questo complesso è spesso denominato FADH-Coenzima Q ossido-riduttasi. Il complesso non funziona come pompa protonica poiché l’idrogeno già legato al FAD passa direttamente ad Ubi. Inoltre, la reazione è debolmente esoergonica e l’energia liberata non è tale da comportare liberazione di protoni.

Complesso III

Il complesso III provvede a riossidare il coenzima Q ed a ridurre il citocromo c (cit c); è denominato anche ubichinolo-citocromo c riduttasi o complesso citocromo bc₁, o ancora citocromo riduttasi. La funzione di questo complesso è di trasferire 2 elettroni dall’ubichinolo al citocromo c con liberazione di due protoni e formazione di ubichinone ossidato e citocromo c²⁺ con Fe²⁺ ridotto (Fe). Il complesso è un omodimero, in cui ogni monomero è formato da 11 distinte catene proteiche; ogni monomero a sua volta è costituito da due citocromi, l’uno, identificato come cit b, che ha attività catalitica, e l’altro come citocromo c₁ che fa da trasportatore di elettroni, e da un centro Fe-S, di tipo 2Fe-2S, detto anche centro di Rieske. Il citocromo b a sua volta porta due gruppi emo l’uno detto emo L (b_L o b₅₆₆) a bassa affinità per gli elettroni, e l’altro detto emo b_H (b_H o b₅₆₂) ad alta affinità elettronica. Il monomero sulla membrana è disposto in modo che il centro di Rieske, che sembra essere parte integrante di cit b, e cit c₁ siano sul lato citoplasmatico, mentre b_L e b_H all’interno della membrana con b_H spostato verso il lato matrice. Importante, cit b contiene due distinti siti di legame per l’ubichinone, l’uno che è a contatto con il pool Q_i e l’altro con il pool Q_o.

Durante la catalisi, l’ubichinolo generato dal complesso I e II e parte del pool Q_o, prende contatto con il cit b che lo trasforma in semichinone (QH radicalico QH·) liberando un protone rilasciato sul lato citoplasmatico ed un elettrone trasferito a mezzo del centro Fe-S al cit c₁ e successivamente al cit c ubicato anch’esso sul lato citoplasmatico della membrana.