La maggior parte delle cellule eucariotiche ha mitocondri, che producono ATP dai prodotti del ciclo dell’acido citrico, dall’ossidazione degli acidi grassi e dall’ossidazione degli aminoacidi. Nella membrana mitocondriale interna, gli elettroni di NADH e FADH2 passano attraverso la catena di trasporto degli elettroni all’ossigeno, che viene ridotto all’acqua. La catena di trasporto degli elettroni comprende una serie enzimatica di donatori e accettori di elettroni. Ogni donatore di elettroni passerà elettroni ad un accettore più elettronegativo, che a sua volta dona questi elettroni ad un altro accettore, un processo che continua lungo la serie fino a quando gli elettroni vengono passati all’ossigeno, l’accettore di elettroni più elettronegativo e terminale nella catena. Il passaggio di elettroni tra donatore e accettore rilascia energia, che viene utilizzata per generare un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale “pompando” i protoni nello spazio intermembrana, producendo uno stato termodinamico che ha il potenziale per funzionare. Questo intero processo è chiamato fosforilazione ossidativa poiché l’ADP è fosforilato in ATP utilizzando il gradiente elettrochimico stabilito dalle reazioni redox della catena di trasporto degli elettroni.
Portatori redox mitocondrialimodifica
L’energia ottenuta attraverso il trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni viene utilizzata per pompare protoni dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana, creando un gradiente di protoni elettrochimici (ΔpH) attraverso la membrana mitocondriale interna. Questo gradiente protonico è in gran parte ma non esclusivamente responsabile del potenziale di membrana mitocondriale (ΔΨM). Consente all’ATP sintasi di utilizzare il flusso di H + attraverso l’enzima nella matrice per generare ATP da adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorganico. Complesso I (NADH coenzima Q reduttasi; etichettato I) accetta elettroni dal ciclo di Krebs portatore di elettroni nicotinamide adenina dinucleotide (NADH) e li passa al coenzima Q (ubichinone; etichettato Q), che riceve anche elettroni dal complesso II (succinato deidrogenasi; etichettato II). Q passa gli elettroni al complesso III (complesso del citocromo bc1; etichettato III), che li passa al citocromo c (cyt c). Cyt c passa elettroni al complesso IV (citocromo c ossidasi; etichettato IV), che utilizza gli elettroni e gli ioni idrogeno per ridurre l’ossigeno molecolare all’acqua.
Quattro complessi legati alla membrana sono stati identificati nei mitocondri. Ognuno è una struttura transmembrana estremamente complessa che è incorporata nella membrana interna. Tre di loro sono pompe protoniche. Le strutture sono collegate elettricamente da portatori di elettroni liposolubili e portatori di elettroni solubili in acqua. The overall electron transport chain:
NADH+H+ → Complex I → Q Complex II Succinate → Complex III → cytochrome c → Complex IV → H2O Complex II Succinate
Complex IEdit
In complex I (NADH ubiquinone oxireductase, Type I NADH dehydrogenase, or mitochondrial complex I; EC 1.6.5.3), two electrons are removed from NADH and transferred to a lipid-soluble carrier, ubiquinone (Q). The reduced product, ubiquinol (QH2), freely diffuses within the membrane, and Complex I translocates four protons (H+) across the membrane, thus producing a proton gradient. Il complesso I è uno dei principali siti in cui si verifica una perdita prematura di elettroni in ossigeno, essendo quindi uno dei principali siti di produzione di superossido.
La via degli elettroni è la seguente:
Il NADH viene ossidato a NAD+, riducendo il mononucleotide di Flavina a FMNH2 in un passaggio a due elettroni. FMNH2 viene quindi ossidato in due fasi a un elettrone, attraverso un intermedio semiquinone. Ogni elettrone si trasferisce quindi dal FMNH2 a un cluster Fe-S, dal cluster Fe-S all’ubichinone (Q). Il trasferimento del primo elettrone provoca la forma del radicale libero (semiquinone) di Q e il trasferimento del secondo elettrone riduce la forma del semiquinone alla forma dell’ubiquinolo, QH2. Durante questo processo, quattro protoni vengono traslocati dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana. Mentre gli elettroni diventano continuamente ossidati e ridotti in tutto il complesso, viene prodotta una corrente di elettroni lungo la larghezza di 180 Angstrom del complesso all’interno della membrana. Questa corrente alimenta il trasporto attivo di quattro protoni nello spazio intermembrana per due elettroni da NADH.
Complex IIEdit
In complex II (succinate dehydrogenase or succinate-CoQ reductase; EC 1.3.5.1) additional electrons are delivered into the quinone pool (Q) originating from succinate and transferred (via flavin adenine dinucleotide (FAD)) to Q. Complex II consists of four protein subunits: succinate dehydrogenase, (SDHA); succinate dehydrogenase iron-sulfur subunit, mitochondrial, (SDHB); succinate dehydrogenase complex subunit C, (SDHC) and succinate dehydrogenase complex, subunit D, (SDHD). Other electron donors (e.g., acidi grassi e glicerolo 3-fosfato) anche elettroni diretti in Q (via FAD). Il complesso II è un percorso di trasporto di elettroni parallelo al complesso 1, ma a differenza del complesso 1, nessun protone viene trasportato nello spazio intermembrana in questo percorso. Pertanto, il percorso attraverso il complesso II contribuisce meno energia al processo complessivo della catena di trasporto degli elettroni.
Complesso IIIEdit
Nel complesso III (complesso del citocromo bc1 o CoQH2-citocromo c reduttasi; EC 1.10.2.2), il ciclo Q contribuisce al gradiente protonico mediante un assorbimento/rilascio asimmetrico di protoni. Due elettroni vengono rimossi da QH2 nel sito QO e trasferiti sequenzialmente a due molecole di citocromo c, un vettore di elettroni solubile in acqua situato all’interno dello spazio intermembrana. Gli altri due elettroni passano sequenzialmente attraverso la proteina al sito Qi dove la parte chinonica dell’ubiquinone è ridotta a chinolo. Un gradiente protonico è formato da un chinolo (2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2H+2e-}}} ) ossidazioni nel sito Qo per formare un chinone (2 H 2 + e − {\displaystyle {\ce {2H+2e-}}} ) nel sito Qi. (In totale, quattro protoni vengono traslocati: due protoni riducono il chinone a chinolo e due protoni vengono rilasciati da due molecole di ubiquinolo.)
QH 2 + 2 {\displaystyle {\ce {QH2 + 2}}} citocromo c {\displaystyle {\text{ citocromo }}c} ( Fe III ) + 2 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{III}) + 2 H}}} in + {\displaystyle _{\text{e}}^{+}} ⟶ Q + 2 {\displaystyle {\ce {-> Q + 2}}} citocromo c {\displaystyle {\text{ citocromo }}c} ( Fe II ) + 4 H {\displaystyle {\ce {(Fe^{II}) + 4 H}}} out + {\displaystyle _{\text{out}}^{+}}
Quando il trasferimento di elettroni è ridotto (da un alto potenziale di membrana o respiratoria inibitori come antimycin A), il Complesso III può essere una perdita di elettroni all’ossigeno molecolare, con conseguente formazione di superossido.
Questo complesso è inibito da dimercaprol (Antilewisite britannico, BAL), Napthoquinone e antimicina.
Complesso IVEdit
Nel complesso IV (citocromo c ossidasi; EC 1.9.3.1), a volte chiamato citocromo AA3, quattro elettroni vengono rimossi da quattro molecole di citocromo c e trasferiti all’ossigeno molecolare (O2), producendo due molecole di acqua. Il complesso contiene ioni di rame coordinati e diversi gruppi eme. Allo stesso tempo, otto protoni vengono rimossi dalla matrice mitocondriale (anche se solo quattro vengono traslocati attraverso la membrana), contribuendo al gradiente protonico. I dettagli esatti del pompaggio di protoni nel complesso IV sono ancora in fase di studio. Il cianuro è inibitori del complesso 4.
Accoppiamento con la fosforilazione ossidativamodifica
Rappresentazione dell’ATP sintasi, il sito di fosforilazione ossidativa per generare ATP.
L’ipotesi dell’accoppiamento chemiosmotico, proposta dal premio Nobel per la Chimica Peter D. Mitchell, la catena di trasporto degli elettroni e la fosforilazione ossidativa sono accoppiati da un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna. L’efflusso di protoni dalla matrice mitocondriale crea un gradiente elettrochimico (gradiente protonico). Questo gradiente viene utilizzato dal complesso sintasi ATP FOF1 per produrre ATP tramite fosforilazione ossidativa. L’ATP sintasi è talvolta descritto come Complesso V della catena di trasporto degli elettroni. Il componente FO dell’ATP sintasi agisce come un canale ionico che fornisce un flusso protonico nella matrice mitocondriale. È composto da subunità a, b e C. I protoni nello spazio inter-membranoso dei mitocondri entrano per la prima volta nel complesso ATP sintasi attraverso un canale subunità. Quindi i protoni si spostano verso le subunità C. Il numero di subunità c che ha determina quanti protoni richiederà per far girare il FO di una rivoluzione completa. Ad esempio, negli esseri umani, ci sono 8 subunità c, quindi sono necessari 8 protoni. Dopo subunità c, protoni finalmente entra matrice utilizzando un canale subunità che si apre nella matrice mitocondriale. Questo reflusso rilascia energia libera prodotta durante la generazione delle forme ossidate dei portatori di elettroni (NAD+ e Q). L’energia libera viene utilizzata per guidare la sintesi di ATP, catalizzata dal componente F1 del complesso.
L’accoppiamento con la fosforilazione ossidativa è un passo chiave per la produzione di ATP. Tuttavia, in casi specifici, disaccoppiare i due processi può essere biologicamente utile. La proteina di disaccoppiamento, la termogenina-presente nella membrana mitocondriale interna del tessuto adiposo bruno-fornisce un flusso alternativo di protoni alla matrice mitocondriale interna. La tiroxina è anche un disaccoppiatore naturale. Questo flusso alternativo si traduce nella termogenesi piuttosto che nella produzione di ATP.
Reverse electron flowEdit
Reverse electron flow, è il trasferimento di elettroni attraverso la catena di trasporto di elettroni attraverso le reazioni redox inverse. Di solito richiedendo una quantità significativa di energia da utilizzare, questo può portare a ridurre la forma ossidata dei donatori di elettroni. Ad esempio, NAD+ può essere ridotto a NADH dal complesso I. Ci sono diversi fattori che hanno dimostrato di indurre il flusso inverso di elettroni. Tuttavia, deve essere fatto più lavoro per confermare questo. Uno di questi esempi è il blocco della produzione di ATP da parte dell’ATP sintasi, con conseguente accumulo di protoni e quindi una maggiore forza motrice del protone, inducendo il flusso inverso di elettroni.