La fosforilazione ossidativa

E' uno dei due sistemi di trasduzione dell'energia più importanti della biosfera, e costituisce la via di sintesi dell'ATP (partendo da ADP e P_i) attraverso il trasferimento di elettroni all'ossigeno. E' la tappa finale di tutte le reazioni enzimatiche che prevedono la degradazione ossidativa dei carboidrati, degli acidi grassi e degli amminoacidi nelle cellule aerobiche. Il processo di fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri e consente di ossidare l'ossigeno ad acqua.
I mitocondri, organelli cellulari, sono provvisti di una doppia membrana. La membrana esterna è facilmente permeabile a piccole molecole e a ioni, mentre la membrana interna è impermeabile a quasi tutti gli ioni ed alle piccole molecole, consentendo il passaggio attraverso di essa solo alle specie chimiche aventi specifici trasportatori di membrana. Nella membrana sono presenti i componenti della catena respiratoria preposti alla sintesi di ATP.

Nella matrice mitocondriale (lo spazio fra le due membrane) è contenuto il complesso della piruvato deidrogenasi, gli enzimi del ciclo dell'acido citrico e della via di ossidazione degli acidi grassi.
Gli elettroni che agiscono nella catena respiratoria sono differenti, esaminiamoli nel dettaglio. Premettiamo che, quasi tutti gli elettroni coinvolti nel trasporto, sono il frutto di varie fasi di deidrogenazione (ossidazione del piruvato, ciclo dell'acido citrico, β ossidazione degli acidi grassi ecc.).br> I trasportatori di elettroni verso cui gli elettroni sopra esaminati vengono incanalati sono , in massima parte, proteine integrali di membrana, contenenti gruppi prostetici capaci di accettare e donare uno o due elettroni, accettandoli dal trasportatore che lo precede e donandoli al donatore che lo segue, instaurando in questo modo la catena di trasporto specifica.

Oltre ai trasportatori noti, nella matrice lavorano altri 3 gruppi di trasportatori di elettroni: l'ubichinone, i citocromi e le proteine ferro-zolfo.
L'ubichinone può accettare un solo elettrone (trasformandosi in radicale semichinonico) o due elettroni (quindi riducendosi completamente a ubichinolo UQH₂). L'ubichinone, avendo dimensioni fisiche molto ridotte, ed essendo idrofobico, può liberamente diffondere nel doppio strato lipidico della membrana mitocondriale interna agendo da ponte con i trasportatori di elettroni meno mobili.
I citocromi sono proteine contenenti ferro con il compito di trasferire gli elettroni localizzati nella membrana mitocondriale interna, il loro gruppo prostetico eme conferisce loro il caratteristico colore rosso. Distinguiamo 3 classi di citocromi indicate con le lettere a, b, e c, caratterizzati da diverse modalità di assorbimento della luce. Di questi i citocromi a e b sono saldamente legati alla proteina, i citocromi del gruppo c sono covalentemente legati ai residui di Cys della proteina. Ad eccezione del citocromo c dei mitocondri, gli altri sono rappresentati da proteine integrali di membrana.
Le proteine ferro-zolfo hanno generalmente strutture molto semplici (ad esempio un singolo atomo di ferro coordinato con quattro atomi di zolfo) ma possono anche essere molto complesse e contenere sino a 4 atomi di fero, sono buoni donatori di elettroni avendo vassi potenziali di riduzione standard.

Nella reazione complessiva di ossidoriduzione gli elettroni passano da un donatore primario (esempio il NADH) attraverso flavoproteine, ubichinone, proteine ferro-zolfo e citocromi (tutti immersi nella membrana mitocondriale) per arrivare all'ossigeno. Ognuno di questi complessi rappresenta una frazione delle 4 che costituiscono la catena respiratoria.

le tappe della fosforilazione ossidativa

Il complesso I è una flavoproteina complessa (contenente più di 25 catene polipeptidiche), la reazione catalizzata è la seguente:

NADH + H⁺ +UQ <==> NAD⁺ + UQH2

Dove l'ubichinone accetta 2 elettroni ed un protone (sottoforma di ione idruro) dal NADH ed un protone dal solvente acquoso della matrice mitocondriale, divenendo ubichinolo. L'ubichinolo è in grado di diffondere dal complesso I al complesso III dove viene ossidato a UQ.

Il complesso II, succinato, contiene due tipi di gruppi prostetici ed almeno 4 proteine diverse. Si suppone che gli elettroni passino dal succinato al FAD e da questo, attraverso i centri ferro-zolfo all'ubichinone. L'ubichinone riceve elettroni anche attraverso altre deidrogenasi.

Il complesso III contiene tre differenti tipi di citocromi, una proteina ferro-zolfo, ad almeno altre sei subunità proteiche. Il suo funzionamento è assimilabile a quello di una pompa protonica, qui i protoni che si liberano dall'UQH₂ vengono rilasciati nello spazio intermembrana generando un gradiente protonico.

Il complesso IV è costituito da due citocromi a e a3, il complesso enzimatico catalizza il trasferimento contemporaneo di 4 e^- ad una molecola di ossigeno senza la formazione di intermedi. Il medesimo flusso di elettroni determina lo spostamento di protoni dalla matrice mitocondriale allo spazio intermembrana.

Nella catena respiratoria descritta, due elettroni passano dal NADH all'ossigeno, rilasciando una quantità sufficiente di energia per la sintesi di ATP attraverso la fosforilazione di ADP. Descriviamo nel dettaglio questo processo.
Abbiamo già abbondantemente osservato che, il trasporto di elettroni lungo la catena respiratoria è accompagnato da un ingresso di protoni attraverso la membrana mitocondriale interna, con conseguente formazione di un potenziale protonico e quindi un aumento del pH, con la parete interna della membrana mitocondriale interna alcalino rispetto alla faccia esterna della medesima membrana.
Questa energia elettrochimica rappresenta la conservazione di una parte dell'energia liberata dalle ossidazioni ed è definita come forza motrice protonica. La forza motrice protonica si spiega semplicemente tenendo conto che, per pompare protoni contro il gradiente elettrochimico occorre spendere energia, in questo caso, lasciando fluire spontaneamente i protoni accumulati, si rende disponibile una quantità di energia pari a quella che sarebbe occorsa per pompare i protoni. Per avere un'idea ulteriormente chiarificatrice, da prove sperimentali si ritiene che ogni 2 elettroni che passano dal NADH all'ossigeno (attraverso la catena respiratoria) 10 protoni vengono pompati fuori dalla matrice.
La forza protonica è quella che, di fatto, fornisce l'energia per la sintesi di ATP, anche se non è ancora del tutto chiaro come tale forza venga trasmessa all'ATP sintasi. Sembrerebbe che la forza protonica riesca a liberare il sito attivo dell'enzima in cui resta legato l'ATP dopo la sua sintesi, da parte dell'enzima stesso, partendo da ADP e P_i. La rimozione dell'ATP consentirebbe all'ATP sintasi di effettuare un nuovo processo di sintesi, impossibile prima della rimozione della precedente molecola sintetizzata.