Metabolismo chemiotrofo

CATENA DI TRASPORTO DEGLI ELETTRONI

1. (membrana interna del mitocondrio e spazio intermembrana)

Come il NADH prodotto dalla glicolisi può entrare nella catena di trasporto degli elettroni?

In realtà all'interno del mitocondrio non entra fisicamente il NADH, ma il suo riducente. Questo avviene perché, a livello della membrana mitocondriale interna, il NADH incontra una barriera poco permeabile, a differenza di quella esterna che, invece, è molto permeabile. C'è bisogno, dunque, di un meccanismo che permetta al potenziale riducente del NADH di attraversare entrambe le membrane. Il NADH, infatti, riduce altre molecole, come diidrossiacetone-fosfato (a glicerolo 3-fosfato) e ossalacetato (a malato). Si formano dunque delle specie ridotte, in grado di entrare all'interno del mitocondrio. E, come specie ridotte, sono in grado di, ossidandosi, ridurre altri coenzimi, che si trovano già nella matrice mitocondriale. Quindi il NADH.

sono costituiti da diverse subunità proteiche che contengono gruppi prostetici, come il ferro-zolfo o il citocromo, che sono in grado di accettare e cedere elettroni durante la catena di trasporto degli elettroni. Questi complessi sono disposti in modo sequenziale lungo la membrana mitocondriale interna o la membrana plasmatica e sono collegati tra loro da cofattori come l'ubichinone o il citocromo c. Durante il passaggio degli elettroni da un complesso all'altro, viene generato un gradiente di protoni attraverso la membrana, che viene utilizzato per sintetizzare ATP attraverso l'enzima ATP sintasi. In questo modo, l'energia liberata dalla riduzione dei coenzimi viene convertita in energia chimica sotto forma di ATP.come già detto, possono essere costituiti da proteine oppure da molecole più piccole e semplici e si dividono in 5 categorie:

• Flavoproteine: contengono il coenzima FAD;
• proteine: contengono atomi di ferro e di zolfo, che possono essere centri redox, in quanto possiedono più stati di ossidazione;
• incorporato in un gruppo prostetico porfirinico detto eme: il ferro è presente anche nei citocromi contenenti ferro e garantisce reazioni di ossido-riduzione grazie al doppio numero di ossidazione;
• rame: anche il rame possiede due numeri di ossidazione;
• (coenzima q): piccola molecola lipofila, non ancorata ad altri gruppi proteici, che può assumere una forma di completa ossidazione (ubichinone), di parziale riduzione (semichinone) o di completa riduzione (diidrochinone).

Questi complessi partecipano dunque a reazioni di ossido-riduzione, fondamentali perché il trasporto degli.

Elettroni avvenga. Ogni complesso, infatti, acquista elettroni da quello precedente e poi li cede a quello successivo, fino ad arrivare all'ossigeno. Quindi ogni complesso, prima, si riduce e poi si ossida. Il coenzima ridotta raggiunge il primo complesso presente sulla membrana interna, che è una flavoproteina (nell'immagine, flaminmononucleotide). In prossimità di questo complesso avviene, nella matrice, l'ossidazione del coenzima, e la riduzione del complesso presente sulla membrana, quindi, da una parte il protone viene pompato nello spazio intermembrana mentre gli elettroni entrano nella catena di trasporto. Il flaminmononucleotide, che ora è nella sua forma ridotta, si ossida, cedendo gli elettroni alla proteina, che, da ossidata, diventa ridotta. Avviene lo stesso processo per i successivi anelli della ferro-zolfo catena.

In che ordine sono posti gli anelli della catena?

Tutti questi spostamenti di elettroni garantiscono l'efficienza della catena.

ma è importante anche l'ordine in cui questi spostamenti avvengono. I complessi presenti sulla membrana, infatti sono sistemati in ordine di crescente potenziale di riduzione standard (misura in Volt dell'affinità di un composto per gli elettroni, indica sostanzialmente quanto facilmente un composto acquista elettroni, ovvero si riduce), in modo che le reazioni di ossidoriduzione possano avvenire in modo esoergonico, in quanto il complesso successivo è un accettore di elettroni migliore del precedente. La catena si chiude infatti con l'ossigeno, che è il miglior accettore di elettroni in assoluto. Il valore di potenziale di membrana standard si lega alla termodinamica delle reazioni in quanto il passaggio di elettroni avviene in modo spontaneo, G<0, e libera energia. L'energia liberata dalla catena di trasporto degli elettroni, poi, viene sfruttata per pompare nello spazio intermembrana protoni, l'accumulo di una stessa specie chimica da

una delle due parti della membrana richiede infatti lavoro. Il pompaggio degli elettroni è dunque un diretto, che porta alla formazione di un e di un trasporto attivo gradiente elettrochimico potenziale di membrana. Questi due elementi garantiscono un successivo indiretto, ovvero il flusso spontaneo di protoni attraverso il trasporto attivo dallo spazio intermembrana alla matrice mitocondriale, attraversando il complesso dell'ATP-sintasi, macchina molecolare che sintetizza ATP a partire da ADP e P. L'energia contenuta nei legami dei coenzimi è molto alta, infatti, 1 molecola di NADH può far pompare nello spazio intermembrana 10 H+, che, quando ritornano nella matrice portano alla formazione di 3 ATP. Quindi, se la catena funziona bene, per ogni molecola di NADH si producono 3 molecole di ATP. Per ogni molecola di FADH2, invece, si producono 2 molecole di ATP, dato che entra nella catena a livello del complesso II, e non a livello del complesso I, come il NADH. Questo

significa meno protoni pompati nello spazio intermembrana e dunque minore efficienza energetica.

N.B.: alla fine del processo, l'ossigeno (ultimo accettore di elettroni) si lega con due protoni presenti nella matrice mitocondriale, riducendosi ad acqua. Questo depauperamento valle dell'ossigeno, richiede dunque una continua alimentazione monte, per permettere al processo di continuare. L'ossigeno viene infatti continuamente fornito dalla respirazione, senza la quale la vita della cellula, e di conseguenza quella dell'organismo, cesserebbe, in quanto si arriverebbe, in termini termodinamici, all'equilibrio, ovvero ad un valore di energia libera pari a 0.

SINTESI DI ATP: avviene secondo un modello di chemiosmotico, che combina la sintesi di ATP all'accoppiamento spinta data dal gradiente elettrochimico, generato a sua volta dalla catena degli elettroni. Il gradiente elettrochimico, infatti, è la chiave

dell’accoppiamento energetico, in quanto si accoppia ad un processo di lavoro sintetico. Il gradiente elettrochimico esercita una (pfm) sul complesso dell’ATP-sintasi, dal momento forza protone-motrice che, grazie al passaggio di protoni attraverso un canale del complesso, si può muovere la macchina molecolare. Essa è costituita da due porzioni:

• (porzione attraverso cui transitano i protoni): a sua volta è formata da più subunità:
  • F o a: canale di protoni incastonato nella membrana interna Porzione statica
  • b: peduncolo periferico, collegato alla subunità a ed a F1
  • c: anello di 10 subunità c, che per ogni protone transitato, ruota di 1/10 di giro in senso orario. Porzione dinamica
• (immersa nella matrice, è la porzione che permette la sintesi di ATP): a sua volta è formata da più subunità:
  • F 1 : tre porzioni α α α unite in un anello a 6 termini, chiave per la

sintesi di ATP: tre porzioniβ β• Porzione staticaδ• ε• : peduncolo centrale, legato fermamente all'anello di c, che ruota dunque in sua funzione. Porzione dinamicaγ•La rotazione dell'anello di c, e di conseguenza di intorno a se stesso, è data dal passaggio degli elettroni, spinti dalla forzaγprotone-motrice. Per capire perché avviene questa rotazione, bisogna sapere che su ogni subunità c della porzione F è presenteo-un aminoacido acido, chiamato aspartato, che, nel momento in cui non è protonato (possiede il gruppo COO ), interagisce con4+un aminoacido basico, chiamato (che possiede NH ), che invece protrude dalla subunità a. in una condizione di stasi,argininadunque le due subunità sono legate da questo legame polare. Quando, invece, il protone attraversa il canale, l'aspartato-presente sulle subunità c (COO si trasforma in COOH), di conseguenza illegame polare non può più esistere e viene protonata. Le due subunità sono staccate. Ora quindi, l'anello di c può ruotare di 1/10 di giro. Questo movimento circolare coinvolge anche la subunità γ, che è solidale con l'anello di c. La rotazione di γ può modificare la conformazione delle subunità cataliticamente attive dell'anello γ-. In particolare, sono le α e le β ad essere in grado di sintetizzare ATP, a partire da ADP e P, in quanto le tre subunità possono acquisire forme diverse nel momento in cui vengono toccate o meno da γ durante la sua rotazione: - γ tocca la subunità: cattura di ADP e P; forma aperta - γ si è spostato su quella successiva: le due componenti si avvicinano; forma lassa - γ si è spostato su quella ancora successiva: viene sintetizzato ATP; forma stretta Quando la subunità siapre di nuovo, l'ATP viene rilasciato. N.B.: ATP viene sintetizzato a rotazione da tutte e tre le subunità I 3 ATP prodotti dalle 3 subunità si ottengono dopo un β.+giro completo dell'anello di c, quindi dopo che 10 H hanno attraversato il canale. Si può parlare dunque di sintesi spontanea di ATP? La sintesi di ATP in provetta è una reazione altamente endoergonica, in quanto richiede un'energia pari a 7,3kcal per ogni moledi ATP formato. All'interno della cellula, invece, grazie alla catalisi enzimatica, il processo di sintesi di ATP non è endoergonico, anzi può avvenire quasi spontaneamente (ΔG < 0). Non si può comunque parlare di reazione esoergonica perché il ΔG non è Δ negativo, ma si può parlare di reazione con un costo energetico quasi pari a 0. Questo però può avvenire solo grazie al lavoroenzimatico compiuto a monte. RIASSUMENDO: La completa ossidaz