3.05 – Catena di trasporto degli elettroni

3.05 – Catena di trasporto degli elettroni

Ultimo aggiornamento: 30/07/2023

Con il ciclo di Krebs sono stati formati vari coenzimi ridotti. La tappa successiva è sfruttare il potenziale riducente di NADH e FADH2 sull’ossigeno, che ha invece un forte potere ossidante, per produrre ATP. Gli elettroni trasportati dal NADH e FADH2 sono trasportati sino all’ossigeno mediante la catena di trasporto degli elettroni, detta anche catena respiratoria costituita da 4 complessi. 

Il processo è fortemente esoergonico e una parte dell’energia viene utilizzata per la sintesi dell’ATP. Oltre alla catena di trasporto, vi è poi il processo di fosforilazione che consiste appunto nella sintesi dell’ATP dalla fosforilazione dell’ADP mediante il complesso enzimatico ATP sintasi. La combinazione di questi due processi consiste nella fosforilazione ossidativa. 

L’ubicazione fisica di tale processo è la membrana mitocondriale interna (creste mitocondriali). Le dimensioni dei mitocondri e di introflessioni riflettono la capacità ossidativa del tessuto. Ad esempio, se un metabolismo è fortemente aerobio, come nel miocardio, si osserveranno mitocondri più grandi e sviluppati con creste numerose. Al contrario, in un metabolismo sia aerobio che enaerobio, come quello del muscolo scheletrico, troveremo un numero di creste inferiori e poco sviluppate. 

La membrana mitocondriale interna inoltre è completamente impermeabile perché fatta da proteine e il passaggio avviene solo attraverso canali proteici. Ciò comporta un problema per il passaggio del NADH nel mitocondrio che avviene attraverso dei sistemi navetta (shuttle del glicerolo-fosfato e shuttle del malato-aspartato).

Complesso I 

Il complesso I o NADH deidrogenasi, ha una forma ad «L» con due domini posti perpendicolarmente l’uno all’altro e legati da una zona di connessione detta peduncolo (stalk). Il dominio idrofobico è posto interamente nella membrana mitocondriale, mentre quello idrofilico è rivolto verso la metrice mitocondriale. Tale complesso, come anche altri, presenta dei centri Fe-S per il trasporto degli elettroni, garantito in particolare dal ferro che oscilla da Fe2+ a Fe3+. 

Il complesso I catalizza il trasferimento di 2e- dal NADH, che si lega al dominio idrofilico e viene ossidato, all’Ubichinone. Nel primo step il NADH cede 2e- e 2H+ al complesso. I 2e- si legano alla FMN (flavina mononucleotide) staccandosi dai 2H+, e attraverso i centri Fe-S raggiungono l’Ubichinone che è poi ridotto dai 2H+. 

Non si sa ancora per quale motivo, ma tale trasporto comporta lo spostamento di 4H+ nello spazio intermembrana. Questo complesso da solo genera il 40% del gradiente protonico transmembrana della catena respiratoria. 

Complesso II 

Il complesso II o succinato deidrogenasi è un enzima del ciclo di Krebs ed è assemblato a formare una struttura simile ad un fungo. È costituito da 4 polipeptidi diversi: due maggiori ( Ache contiene il FAD e B che contiene i centri Fe-S, giallo e verde ), idrosolubili, e due minori ( C e D, blu e arancione che contengono i sito di legame all’ubichinone e un gruppo eme che evita la formazione dei ROS), strettamente ancorati ai lipidi di membrana. 

Si pensa che gli elettroni passino dal succinato, ossidato a fumarato, al FAD, che è ridotto a FADH2 e poi, con una reazione inversa, il FADH2 ritorna FAD e gli elettroni passano dal FADH2 ai centri Fe-S e quindi all’ubichinone, che viene ossidato ad ubichinolo. 

Il Complesso II non è implicato nella traslocazione di protoni, dalla matrice allo spazio intermembrana e non partecipa alla formazione del gradiente transmembrana. E’ tuttavia necessario per consentire ad elettroni con potenziale relativamente elevato di entrare nella catena di trasporto ‘saltando’ il Complesso I. 

Da questo momento in poi, si procede indifferentemente se si è partiti da NADH o da FAD, dato che in entrambi i casi abbiamo ottenuto l’ubichinolo (QH2)

Gli elettroni del FADH2… arrivano sull’ubichinone anche da altre vie oltre che dal complesso II. 

Infatti possono derivare: 

1. dalle reazioni della Glicerolo-3-P deidrogenasi 

2. dallo shuttle glicerolo-3-P 

3. dall’acil-CoA deidrogenasi impegnata nella degradazione degli acidi grassi. 

Complesso III 

Il complesso III o ubichinolo – Citocromo C ossidoreduttasi. la struttura di questo complesso appare come un dimero simmetrico, con una parte più̀ larga immersa nella matrice e una parte più̀ stretta esterna. 

Tre subunità ̀ costituiscono il core funzionale dell’enzima e contengono i centri redox: il citocromo b, che possiede due gruppi eme, il citocromo c1 ancorato alla membrana, ed un centro fe-s ad alto potenziale, chiamato centro di Rieske.

Il trasferimento degli elettroni avviene mediante il ciclo dell’ubichinone che consiste di due stadi:

1. ha inizio quando l’ubichinolo (che cede 2e- e 2H+) cede un primo elettrone al centro Fe-S (di Rieske), che attraverso il citocromo c1 giunge al citocromo c, ottenendo così un semichinone QH legato al centro Qp. Contemporaneamente abbiamo l’emissione di 2 H+ nello spazio intermembrana.

Il semichinone cede il secondo elettrone, che viene riarrangiato all’interno dell’enzima e viene ceduto ad un ubiquinone legatosi nel sito Qn, che si riduce a semichinone.

2. La seconda metà è simile alla prima. Abbiamo una seconda molecola di ubiquinolo che si lega al sito Qp, sempre con due elettroni e due protoni da cedere. Un primo elettrone è ceduto al centro Fe-S (di Rieske), passa poi per il citocromo c1 e giunge al citocromo c. I due protoni H+ passano sempre nello spazio intermembrana.

Il secondo elettrone arriva al sito Qn, dove trova il semichinone che viene ridotto a ubichinolo assumendo due H+ dalla matrice.

In pratica il citocromo b crea un sistema ciclico che permette ad un trasportatore di due elettroni (l’Ubichinone) di interagire con un solo elettrone per volta (centro Fe-S). 

Per completare il ciclo, l’Ubichinone acquista dalla matrice due protoni, riducendosi ad ubichinolo (QH2). In totale si ha il trasferimento di due elettroni (2e-) dall’ubichinolo al citocromo c e la traslocazione di quattro protoni (H+) dal lato di matrice della membrana a quello citoplasmatico.

Complesso IV

Il complesso IV porta gli elettroni, giunti tramite il citocromo C, all’ossigeno.

La particolarità di questo complesso è che contieni centri Fe-Cu.

Gli elettroni dal citrocromo C passano prima al centro binuclaere (CuA) nella subunità II, poi si spostano alla subunità I dove c’è il gruppo EME e il centro binucleare Fe-Cu.

All’ossigeno arriva un elettrone per volta, nel momento in cui arrivano 4 elettroni, esso richiama 4H+ dalla matrice e forma due molecole d’acqua.Inoltre sono trasferiti 4H+ nello spazio intermembrana creando una differenza di potenziale utile per la sintesi dell’ATP.

Fosforilazione ossidativa: ATP sintasi

Il complesso enzimatico dell’ATP sintasi è costituito da due parti dette F1 e Fo (effe O e non effe zero).

F1 presenta 6 subunità (3 alfa e 3 beta) e ha una forma che ricorda gli spicchi di una arancia. questa porzione è detta pomello e sporge nella matrice. All’interno vi è poi un’altra subunità detta gamma che si aggancia alla membrana mitocondriale tramite una struttura detta epsilon. Infine vi è la subunità delta che salda F1 a Fo.

Fo è definita così perche è sensibile all’oligomicina, un antibiotico che blocca il passaggio degli H+ attraverso questo complesso enzimatico. È localizzata nella membrana ed è costituita dalla proteina c (in numero di 10) che forma l’anello, la proteina a e la proteina b che mantengono in posizione le due parti dell’ATP sintasi.

I protoni che si trovano nello spazio intermebrana tendono a spostarsi verso la matrice per ristabilire il gradiente protonico. Non potendo attraversare la membrana perché impermeabile, sono costretti a passare attraverso l’ATP sintasi. Le proteine c legano un protone alla volta determinando una rotazione di Fo.

Tale rotazione si propaga anche a F1 che comporta un cambio confromazionale delle subunità beta che porta alla sintesi dell’ATP in tre passaggi:

La subunità beta è nella conformazione con il sito attivo che lega ADP e Pi.

La subunità beta cambia la conformazione e avviene la fosforilazione dell’ADP ad ATP.

La subunità beta cambia nuovamente conformazione e libera l’ATP.

In sentisi,gli H+ fanno ruotare c, che a sua volta fa ruotare gamma e infine beta per il rilascio di ATP.

Questo processo è detto catalisi rotatoria.

Se non ci sono i protoni, il processo funziona al contrario e viene scissa l’ATP e ciò è quello che succede per il movimento dei flagelli che non sfruttano il gradiente protonico.

Bilancio finale della respirazione cellulare

In generale il guadagno totale teorico è di massimo 38 ATP.

Il guadagno netto è di 32 ATP perché da ogni NADH ricaviamo 2,5 ATP, mentre da ogni FADH2 ricaviamo 1,5 ATP.