Fosforilazione ossidativa

FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

La catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa hanno

luogo sulla membrana interna dei mitocondri. Nella catena

respiratoria, gli elettroni contenuti delle molecole di NADH e

FADH2 sono trasferiti attraverso una serie di trasportatori fino

ad arrivare all’ossigeno. Prima di ridurre l’ossigeno ad H2O, gli

elettroni prendono parte ad una serie di reazioni redox,

rilasciando gradualmente la propria energia, che viene usata

per pompare ioni H+ dalla matrice mitocondriale verso lo

spazio intermembrana, compreso tra la membrana esterna e

quella interna del mitocondrio. Così facendo si crea un

gradiente che verrà usato dalla fosforilazione ossidativa per

generare ATP.

La catena respiratoria è costituita da complessi mitocondriali,

dal coenzima Q o ubichinone (un piccola molecola apolare in

grado di accettare e cedere elettroni, in grado di muoversi

liberamente nella membrana) e dal citocromo C. I complessi

mitocondriali sono 4 grosse proteine che si trovano nella

membrana interna dei mitocondri. Ciascun complesso

contiene dei centri redox in grado di accettare e rilasciare

elettroni, passando da uno stato ossidato a uno ridotto.

Il complesso mitocondriale 1 o NADH deidrogenasi è un

enzima molto grande, formato da più di 43 catene

polipeptidiche, e riceve elettroni ad alta energia dal NADH

prodotto dalla glicolisi e dal ciclo di Krebs. Il NADH cede i suoi

due elettroni ed si ossida a NAD+.

Gli elettroni vengono trasferiti all’ubichinone.

Contemporaneamente il complesso 1 pompa 4 protoni nello

spazio intermembrana.

Una fonte alternativa di elettroni è il succinato, anch’esso

proveniente dal ciclo di Krebs. A livello del complesso 2

(succinato deidrogenasi) due elettroni sono trasferiti

all’ubichinone attraverso il FADH2, che a sua volta li ha presi

dal succinato nel ciclo di Krebs. Il complesso 2 è il più piccolo

dei complessi mitocondriali ed è l’unico che NON POMPA

PROTONI nello spazio intermembrana.

L’ubichinone trasferisce gli elettroni al complesso 3, la

citocromo C reduttasi. Da qui gli elettroni passano al

citocromo C, un altro trasportatore mobile, costituito da una

proteina posta nello spazio intermembrana.

Il citocromo C si sposta quindi verso il complesso 4, ossia la

citocromo C ossidasi, e gli cede i propri elettroni. L’accettore

finale di elettroni è l’ossigeno. Mezza molecola di ossigeno

riceve 2 elettroni, che assieme a due protoni H+ forma acqua.

Nel complesso 4 in realtà ci sono due siti di reazione di questo

tipo, quindi in sostanza si ottengono due molecole di H2O a

partire da una molecola di O2.

Come nel complesso 1, anche nel 3 e nel 4 l’energia viene

utilizzata per pompare ioni H+ nello spazio intermembrana, in

particolare per ogni coppia di elettroni, ogni complesso

trasferisce 4 ioni H+. L’accumularsi

dei protoni nello spazio intermembrana genera un gradiente. È

questo il modo in cui l’energia dei protoni viene convertita in

energia chimica (ATP), ovvero grazie alla fosforilazione

ossidativa. La conversione avviene ad opera dell’ ATP-

sintetasi. Gli ioni H+ non possono attraversare la membrana

per diffusione, quindi per tornare nella matrice devono per

forza passare nel canale di Fo. Il passaggio è energicamente

favorito grazie al gradiente di concentrazione e grazie a

potenziale negativo della membrana che attira protoni positivi.

L'ATP-sintasi è una pompa protonica di tipo F costituita da

F F

due strutture dette e .

o 1

La subunità polipeptidica F è direttamente responsabile della

1

sintesi di ATP; è costituita da 3 subunità proteiche α e 3

subunità proteiche β, organizzate in dimeri α-β, disposte come

gli spicchi di un'arancia. Al centro vi è la subunità γ che si

collega alla struttura della porzione F .

o

Associate a F vi sono altre subunità, δ ed ε.

1

La subunità polipeptidica F attraversa la membrana

o

mitocondriale interna, nel caso degli eucarioti, o la membrana

cellulare, nel caso dei Procarioti. Essa costituisce il canale

per il passaggio degli ioni H (o protoni), i quali forniscono

+

l'energia necessaria alla sintesi di ATP. a b

La porzione F è costituita da una subunità , 2 subunità e

o

c

14 subunità organizzate queste ultime come un mazzetto di

fiammiferi. Il passaggio dei protoni attraverso il canale creato

dalle subunità c della F determina la rotazione della subunità

o

γ che a sua volta provoca il cambiamento conformazionale

contemporaneo dei 3 dimeri α-β e la sintesi di ATP.

Sulla porzione F vi sono 3 siti attivi che catalizzano a turno la

1 β-

sintesi di ATP: uno di questi siti si trova in conformazione

ATP β-ADP β-vuoto

(che lega ATP), un altro in e l'ultimo sito in

(incapace di legare ATP). La forza motrice protonica provoca

c

la rotazione dell'asse centrale che entra in contatto con le

β

subunità .

Ciò causa una modifica conformazionale cooperativa in cui il

β-ATP β-vuoto

sito viene convertito in rilasciando ATP; quindi