Fosforilazione ossidativa

Redox e fosforilazione ossidativa

Concetti di ossidazione e riduzione

Deve essere chiaro:

• Ossidare = perdere elettroni
• Ridurre = acquistare elettroni

Potenziale redox

Gli elettroni vanno da chi ha potenziale più basso a chi ha potenziale più alto.

Scambio di elettroni

Gli elettroni possono essere scambiati:

• Due alla volta: NADH cede sempre 2 elettroni e 1 H^-
• Uno alla volta: FADH può cedere 2 o 1 elettrone

Reazioni di NADH e FADH:

• NADH → NAD⁺ + H^-
• FADH₂ → FAD + 2H⁺ + 2e^-
• FADH₂ → FAD + 1H⁺ + e^-

Ossidazione dei composti

Un composto si ossida se:

• Perde H
• Acquista O₂
• Acquista cariche positive
• Perde cariche negative

Fosforilazione ossidativa

Si tratta di due processi accoppiati:

• Riossidazione di NADH e FADH₂ (processo esoergonico).
• Sintesi di ATP (processo endoergonico). L'energia rilasciata dal primo processo permette il secondo.

Tutto avviene a livello della matrice mitocondriale, lo spazio delimitato dalla membrana interna, che contiene gli enzimi di tutte le vie di ossidazione delle sostanze nutrienti, eccetto la glicolisi che avviene nel citosol.

Gli H⁺ vengono pompati contro gradiente di concentrazione di carica sfruttando l’energia della riossidazione dei coenzimi ridotti, in questo modo si crea un potenziale di membrana. Gli H⁺ tornano spontaneamente nel mitocondrio (processo esoergonico), quindi liberano energia per sintetizzare ATP, concetto chiave della respirazione.

Catena respiratoria

Per riossidare i coenzimi ridotti, gli elettroni vengono ceduti a intermedi dell’ossigeno per sfruttare a pieno tutta l’energia. Questo processo ha luogo nella catena dei trasportatori degli elettroni, formata da complessi proteici localizzati nella membrana mitocondriale interna. Ogni complesso è costituito da molte subunità e molti cofattori.

Nella catena respiratoria, i potenziali redox passano da un cofattore all’altro in ordine di affinità crescente per gli elettroni, cioè da una specie meno affine per gli elettroni ad una più affine. Ogni passaggio di elettroni libera energia, e l’energia è usata per pompare H⁺ nello spazio intermembrana contro gradiente elettrochimico.

Trasportatori nella catena respiratoria

Trasportatori importanti nella catena respiratoria:

• Attivi: pompe di H⁺ che pompano gli ioni fuori dal mitocondrio
• Passivi: coinvolgono trasporti come ATP esce, ADP entra, Malato/Fosfato, Citrato, Piruvato, e Fosfato/OH^-

Produzione di NADH

La maggior quantità di NADH viene prodotta nel ciclo di Krebs nei mitocondri, ma viene prodotto del NADH anche fuori dal mitocondrio, nel citosol (glicolisi). Questo NADH deve essere portato all'interno del mitocondrio per riossidarlo e poterlo utilizzare nella catena respiratoria. Poiché la membrana mitocondriale interna è impermeabile a NAD/NADH, ci sono due sistemi di trasporto:

Sistemi di trasporto del NADH

• Trasporto passivo: il NADH viene trasportato dal citosol all'interno del mitocondrio finché le due concentrazioni sono uguali (navetta passiva).
• Fegato, rene, cuore: sistema navetta malato/aspartato. L'ossalacetato grazie alla malato deidrogenasi viene ridotto a malato, il NADH viene ossidato a NAD⁺. Il malato possiede un sistema di trasporto, per cui entra nel mitocondrio in modo passivo. Nel mitocondrio il malato ritorna a ossalacetato con il NAD⁺ che diventa NADH. Quindi è come se il NADH non si fosse consumato. Con questa navetta, per ogni molecola di NADH ottengo 2,5 ATP. È una navetta passiva: non consuma tutto il NAD.