Fosforilazione ossidativa
Hai appena letto di due vie del catabolismo del glucosio – la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico – che generano ATP. La maggior parte dell’ATP generato durante il catabolismo aerobico del glucosio, tuttavia, non è generato direttamente da queste vie. Piuttosto, deriva da un processo che inizia con il passaggio di elettroni attraverso una serie di reazioni chimiche a un accettore di elettroni finale, l’ossigeno. Queste reazioni avvengono in complessi proteici specializzati situati nella membrana interna dei mitocondri degli organismi eucarioti e nella parte interna della membrana cellulare degli organismi procarioti. L’energia degli elettroni viene raccolta e usata per generare un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna. L’energia potenziale di questo gradiente è usata per generare ATP. L’insieme di questo processo è chiamato fosforilazione ossidativa.
La catena di trasporto degli elettroni (Figura 4.19 a) è l’ultimo componente della respirazione aerobica ed è l’unica parte del metabolismo che utilizza l’ossigeno atmosferico. L’ossigeno si diffonde continuamente nelle piante per questo scopo. Negli animali, l’ossigeno entra nel corpo attraverso il sistema respiratorio. Il trasporto degli elettroni è una serie di reazioni chimiche che assomiglia a una brigata di secchi in quanto gli elettroni vengono passati rapidamente da un componente al successivo, fino al punto finale della catena dove l’ossigeno è l’accettore finale di elettroni e viene prodotta acqua. Ci sono quattro complessi composti da proteine, etichettati da I a IV nella Figura 4.19 c, e l’aggregazione di questi quattro complessi, insieme ai portatori di elettroni mobili e accessori associati, è chiamata catena di trasporto degli elettroni. La catena di trasporto degli elettroni è presente in più copie nella membrana mitocondriale interna degli eucarioti e nella membrana plasmatica dei procarioti. In ogni trasferimento di un elettrone attraverso la catena di trasporto degli elettroni, l’elettrone perde energia, ma con alcuni trasferimenti, l’energia viene immagazzinata come energia potenziale usandola per pompare ioni idrogeno attraverso la membrana mitocondriale interna nello spazio intermembrana, creando un gradiente elettrochimico.
Il cianuro inibisce la citocromo c ossidasi, un componente della catena di trasporto degli elettroni. Se si verifica un avvelenamento da cianuro, ti aspetteresti che il pH dello spazio intermembrana aumenti o diminuisca? Che effetto avrebbe il cianuro sulla sintesi dell’ATP?
Gli elettroni da NADH e FADH2 sono passati ai complessi proteici nella catena di trasporto degli elettroni. Quando passano da un complesso all’altro (ce ne sono quattro in totale), gli elettroni perdono energia, e parte di questa energia viene usata per pompare ioni idrogeno dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana. Nel quarto complesso proteico, gli elettroni sono accettati dall’ossigeno, l’accettore terminale. L’ossigeno con i suoi elettroni extra si combina poi con due ioni idrogeno, aumentando ulteriormente il gradiente elettrochimico, per formare acqua. Se non ci fosse ossigeno presente nel mitocondrio, gli elettroni non potrebbero essere rimossi dal sistema, e l’intera catena di trasporto degli elettroni si fermerebbe. I mitocondri non sarebbero in grado di generare nuovo ATP in questo modo, e la cellula finirebbe per morire per mancanza di energia. Questa è la ragione per cui dobbiamo respirare per aspirare nuovo ossigeno.
Nella catena di trasporto degli elettroni, l’energia libera dalla serie di reazioni appena descritte è usata per pompare ioni idrogeno attraverso la membrana. La distribuzione non uniforme degli ioni H+ attraverso la membrana stabilisce un gradiente elettrochimico, dovuto alla carica positiva degli ioni H+ e alla loro maggiore concentrazione su un lato della membrana.
Gli ioni idrogeno si diffondono attraverso la membrana interna attraverso una proteina integrale di membrana chiamata ATP sintasi (Figura 4.19 b). Questa proteina complessa agisce come un piccolo generatore, fatto girare dalla forza degli ioni idrogeno che diffondono attraverso di essa, lungo il loro gradiente elettrochimico dallo spazio intermembrana, dove ci sono molti ioni idrogeno che si respingono reciprocamente, alla matrice, dove ce ne sono pochi. La rotazione delle parti di questa macchina molecolare rigenera ATP da ADP. Questo flusso di ioni idrogeno attraverso la membrana attraverso l’ATP sintasi è chiamato chemiosmosi.
La chemiosmosi (Figura 4.19 c) è usata per generare il 90% dell’ATP prodotto durante il catabolismo aerobico del glucosio. Il risultato delle reazioni è la produzione di ATP dall’energia degli elettroni rimossi dagli atomi di idrogeno. Questi atomi erano originariamente parte di una molecola di glucosio. Alla fine del sistema di trasporto degli elettroni, gli elettroni sono usati per ridurre una molecola di ossigeno a ioni di ossigeno. Gli elettroni extra sugli ioni di ossigeno attraggono ioni di idrogeno (protoni) dal mezzo circostante, e si forma l’acqua. La catena di trasporto degli elettroni e la produzione di ATP attraverso la chemiosmosi sono chiamate collettivamente fosforilazione ossidativa.