Fosforilazione ossidativa - Schemi riassuntivi di Biochimica

Fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa rappresenta il culmine del metabolismo energetico negli organismi aerobici. È costituita da due fenomeni strettamente accoppiati:

• I coenzimi ridotti prodotti durante le reazioni ossidative vengono ossidati nella catena di trasporto degli elettroni, lungo la quale gli elettroni vengono trasferiti all’ossigeno molecolare. La catena respiratoria di trasporto degli elettroni è un sistema di complessi proteici localizzati nella membrana mitocondriale interna. Tre di questi complessi sono ossidoreduttasi che pompano protoni, cioè generano un gradiente di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna.
• Il gradiente di protoni è una fonte di energia libera che viene dissipata quando i protoni passano nuovamente attraverso la membrana mitocondriale interna tramite il complesso ATP sintasi. In questo processo si forma ATP.

Il flusso degli elettroni nei mitocondri

Nel 1948, Kennedy e Lehninger scoprirono che negli eucarioti i mitocondri sono il compartimento cellulare in cui avviene la fosforilazione ossidativa. I mitocondri, come i batteri gram-negativi, hanno due membrane:

• La membrana mitocondriale esterna facilmente permeabile
• La membrana mitocondriale interna è impermeabile anche a molecole di piccole dimensioni e a quasi tutti gli ioni, compresi i protoni (H⁺). Le uniche specie chimiche che possono attraversarla sono quelle che hanno uno specifico trasportatore inserito nella membrana stessa.

In questa struttura sono localizzati anche i componenti della catena respiratoria e il complesso enzimatico, l’ATP sintasi, che sintetizza l’ATP. La matrice mitocondriale, lo spazio delimitato dalla membrana interna, contiene i complessi e gli enzimi di tutte le vie di ossidazione delle sostanze nutrienti, eccetto la glicolisi che avviene nel citosol. Trasportatori specifici consentono il passaggio del piruvato, degli acidi grassi, degli amminoacidi o dei loro derivati nella matrice mitocondriale, dove vengono degradati dal ciclo dell’acido citrico. L’ADP e il P_i anch’essi trasportati all’interno dei mitocondri da specifici trasportatori. Contemporaneamente, l’ATP neosintetizzato può uscire nel citosol.

La fosforilazione ossidativa ha inizio con l’ingresso degli elettroni nella catena dei trasportatori di elettroni, chiamata catena respiratoria. La maggior parte di questi elettroni deriva dall’azione della deidrogenasi che li hanno raccolti nei processi catabolici e poi incanalati verso gli accettori universali di elettroni:

• I nucleotidi nicotinammidici NAD e NADP⁺ che sono trasportatori di elettroni solubili in acqua e si associano reversibilmente alle deidrogenasi. Le deidrogenasi NAD-dipendenti rimuovono due atomi di idrogeno dai loro substrati, uno di questi viene trasferito sotto forma di ione idruro (H⁻) al NAD (e si trasforma nella forma ridotta NADH o NADPH) e l’altro atomo di idrogeno viene rilasciato nell’ambiente circostante sotto forma di ione H⁺. NADH si comporta come un composto diffusibile che trasporta gli elettroni dalle reazioni cataboliche al complesso della NADH-deidrogenasi, primo punto di ingresso degli elettroni nella catena respiratoria.
• I nucleotidi flavinici, le flavoproteine contengono un cofattore flavinico FMN o FAD legato saldamente e in qualche caso covalentemente all’enzima. Il coenzima flavinico ossidato può accettare sia un elettrone, generando una forma semichinonica, sia due elettroni, generando FADH₂ o FMNH₂.

Gli elettroni ceduti a NADH o a FADH₂ vengono ceduti all’O₂. Come fanno gli elettroni ad arrivare all’ossigeno? Esistono 4 complessi proteici:

• Complesso I NADH deidrogenasi
• Complesso II succinato deidrogenasi
• Complesso III citocromo C reduttasi
• Complesso IV citocromo C ossidasi

Durante il passaggio di elettroni nei 4 complessi, ioni H⁺ attraversano la membrana e si riversano nello spazio intermembrana. NADH cede elettroni al complesso I, mentre FADH₂ cede elettroni al complesso II. Oltre a NADH e a FADH₂ nella catena respiratoria operano altri tre gruppi di trasportatori di elettroni:

Ubichinone

L’ubichinone, detto anche coenzima Q o semplicemente Q, è un benzochinone liposolubile con una catena laterale isoprenoide molto lunga. L’ubichinone può accettare un solo elettrone, trasformandosi in un radicale semichinonico (QH^•), oppure può accettare due elettroni, acquisendo la forma completamente ridotta di ubichinolo (QH₂). Poiché l’ubichinone ha piccole dimensioni ed è idrofobico, può liberamente diffondere nel doppio strato lipidico della membrana mitocondriale interna e può agire da ponte tra trasportatori di elettroni meno mobili presenti nella membrana stessa. Inoltre, poiché questa molecola trasporta sia elettroni sia protoni, riveste un ruolo importante nel processo di accoppiamento tra flusso elettronico e movimento protonico.

Citocromi

I citocromi sono proteine con un’elevata capacità di assorbire la luce visibile, dovuta alla presenza nella loro molecola di un gruppo prostetico eme contenente ferro. Nei mitocondri ci sono 3 classi di citocromi, distinguibili in base agli spettri di assorbimento della luce e indicate con le lettere a, b e c. Il gruppo eme dei citocromi di tipo a e b è saldamente legato alle proteine loro associate, ma senza legami covalenti. Il gruppo eme dei citocromi di tipo c è invece legato covalentemente attraverso residui di Cys. Il potenziale standard di riduzione del ferro all’interno del gruppo eme dipende dalle sue interazioni con le catene laterali dei residui della proteina e quindi risulta diverso in ogni tipo di citocromo.

Proteine ferro-zolfo

Nelle proteine ferro-zolfo, il ferro non è presente all’interno del gruppo eme, ma è associato ad atomi di zolfo inorganico o ad atomi di zolfo di residui di Cys della proteina. Questi centri ferro-zolfo (Fe-S) possono avere strutture molto semplici, con un singolo atomo di ferro coordinato con 4 atomi di zolfo di catene laterali di residui di Cys, oppure possono essere molto complessi e contenere da 2 a 4 atomi di Fe. Partecipano a reazioni redox in cui viene trasferito un elettrone alla volta utilizzando la modificazione dello stato di ossidazione degli atomi di Fe.

Nella reazione complessiva catalizzata dalla catena respiratoria dei mitocondri, gli elettroni passano dal NADH, dal succinato o da qualche altro donatore primario di elettroni attraverso flavoproteine, ubichinone, proteine ferro-zolfo e citocromi, per arrivare alla fine all’ossigeno. Sono stati determinati sperimentalmente i potenziali di riduzione standard.