La Catena di Trasporto degli Elettroni per i test Medico Sanitari

Prima di continuare a leggere, ti avviso che molte delle informazioni che troverai in questa dispensa sono avanzate, non strettamente necessarie quindi per te che vuoi preparare un test Medico Sanitario.

Pertanto, l’obiettivo di questa dispensa è sia aumentare il tuo grado di preparazione in vista della prova che fornirti una visione di insieme sull’intero processo di respirazione cellulare: curiosità, prima di ogni cosa.

E’ quella che mettiamo in ogni nostra attività, è quella che permette a noi, ragazzi poco più che ventenni, di aiutare centinaia di ragazzi ai nostri Corsi in aula, che rendiamo ogni anno sempre più interattivi e stimolanti (clicca qui per tutte le info).

Ma ora, iniziamo!

La catena di trasporto degli elettroni è una via che gli elettroni percorrono fino alla riduzione dell’ossigeno in acqua. Gli elettroni provengono dai coenzimi NADH e FADH2 e attraversano diversi complessi proteici prima ad arrivare alla reazione finale di riduzione dell’ossigeno. Ha sede nella membrana mitocondriale interna e sostanzialmente è composta da 4 complessi:
1. Complesso I
2. Complesso II
3. Complesso III
4. Complesso IV

Andiamo ad analizzare ora la loro azione nel dettaglio.

Complesso I

Il complesso I è un complesso enorme formato da ben 45 subunità, con una parte del complesso associata alla membrana mitocondriale interna e una che protrude verso la matrice mitocondriale. Il NADH trasferisce un idruro ad un FMN posto nella parte verso la matrice, legato alla parte più lontana rispetto alla matrice. Da qui l’idruro (un protone e due elettroni) viene ceduto a dei centri Fe-S di ossido-riduzione, che lo cede a sua volta all’ubichinone che quindi si riduce ad ubichinolo.
Questo complesso media quindi due processi accoppiati: il trasferimento di un idruro e di un protone sull’ubichinone e il trasferimento di 4 nello spazio intermembrana, con questi protoni che si pensano possano passare nello spazio intermembrana grazie a dei particolari domini proteici ad alfa elica presenti nella membrana interna.

Complesso II

Il complesso II è l’unico complesso del Ciclo di Krebs associato alla membrana mitocondriale interna. Infatti è noto anche come Succinato Deidrogenasi, enzima che nel ciclo di Krebs catalizza la formazione del Fumarato a partire dal Succinato. Questa reazione porta alla formazione del coenzima ridotto FADH2 , in quanto è una reazione di deidrogenazione e quindi di ossidazione del Succinato.
Quindi, la SuccinatoDH catalizza l’ossidazione del Succinato in Fumarato. Il coenzima ridotto risultante trasferisce gli elettroni a dei centri Fe-S (3 per la precisione) che trasferiranno poi questi elettroni all’ubichinone per farlo ridurre ad ubichinolo, grazie ad uno specifico sito di legame sul complesso II.

Complesso III

Il complesso III è un omodimero, quindi è presente sempre in due copie legate, con all’interfaccia tra di essi i siti d’interazione con l’ubichinone e ubichinolo.
L’ubichinolo (ubichinone ridotto) entra nel primo complesso, perde due elettroni di cui uno va a ridurre il citocromo c, che non fa parte del complesso III, e l’altro viene usato invece per ridurre parzialmente un ubichinone entrato anch’esso nel complesso III (per ridurre ubichinone ad unbichinolo servono due elettroni). Dal processo di ossidazione dell’ubichinolo (perdita di due elettroni) vengono liberati anche 2 ioni , che vengono pompati nello spazio intermembrana.
Dato che abbiamo detto che i complessi III sono in coppia, nel secondo entra un ubichinolo che viene ossidato allo stesso modo del primo processo, con un elettrone che riduce un altro citocromo c ed un altro che riduce l’ubichinone parzialmente ridotto venuto fuori nel primo complesso III ad ubichinolo.
Anche qui verranno liberati 2 ioni Il risultato di questo processo è quindi la riduzione di due molecole di citocromo c e la liberazione nello spazio intermembrana di 4 ioni .

Complesso IV

Il complesso IV consta di 13 subunità, 3 delle quali sono sintetizzate a partire dal genoma mitocondriale. Una determinata subunità contiene due ioni rameici legati con gruppi tiolici (-SH) di cisteine (questo complesso viene chiamato ). Un’altra subunità invece contiene due gruppi eme (chiamati a e ) con quest’ultimo che forma, con un terzo ione rameico, un altro complesso binucleare che riceve gli elettroni dall’eme a e li trasferisce all’ossigeno.
Sappiamo che servono 4 elettroni e 4 protoni per ridurre l’ossigeno ad acqua. Quindi, considerato che ogni citocromo c porta un elettrone, servono 4 citocromi c per ridurre completamente una molecola di ossigeno ed ogni 4 elettroni, l’enzima preleva 4 ioni dalla matrice.

Quindi, dal citocromo c gli elettroni passano prima al complesso che li trasferisce a sua volta all’eme a che, trasferendo infine gli elettroni al complesso binucleare -Cu, permette la riduzione dell’ossigeno.

Il NADH, coenzima fondamentale

Il NADH è un coenzima ridotto che proviene dalla reazione catalizzata dalla Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi. Questo enzima è fondamentale nella glicolisi in quanto catalizza la reazione che porta da Gliceraldeide 3-fosfato a 1,3 bisfosfoglicerato, reazione che prevede una prima ossidazione, con produzione di NADH, e una successiva fosforilazione.

Credo tu sappia che quando avviene un’ossidazione si forma sempre un coenzima ridotto ma, in caso non lo sapessi, adesso lo sai. Comunque sia, il NADH ha funzione fondamentale per quanto riguarda la catena respiratoria e la fosforilazione ossidativa.
L’ossidazione dei composti organici è sempre esoergonica, liberando quindi energia. Proprio per questo, il NADH può essere usato a scopo energetico, entrando nel mitocondrio per essere ossidato, liberando quindi energia. Ma come viene trasportato questo potenziale riducente nei mitocondri?
Esistono due vie, che vengono usate in base al metabolismo e allo stato delle cellule e dei tessuti.

Primo shuttle

La prima via è quella più veloce, utilizzata perlopiù dal cervello (che ha un bisogno di NADH da soddisfare subito) e che sfrutta la reazione del Diidrossiacetone fosfato che viene portato a divenire glicerolo 3-fosfato, con una reazione che prevede una tappa di riduzione, consumando il NADH che proviene dalla reazione della Gliceraldeide 3-fosfato deidrogenasi.

Si forma nel citosol quindi NAD. Viene trasportato il Glicerolo 3-fosfato nel Mitocondrio (ha dei trasportatori sulla membrana mitocondriale esterna)e, nello spazio intermembrana, è presente la forma mitocondriale della Glicerolo 3-fosfato deidrogenasi (che catalizza la reazione Diidrossiacetone fosfato -> Glicerolo 3-fosfato, reazione reversibile) che, al posto di presentare il coenzima NADH, presenta il coenzima FMN.

Quindi, nello spazio intermembrana avviene la reazione inversa catalizzata sempre dallo stesso enzima (se la reazione fosse stata irreversibile, non sarebbe stata catalizzata dallo stesso enzima. Ma, dato che la reazione è reversibile, l’enzima può agire in entrambe le direzioni), e che porta alla formazione di FMN ridotto.
L’FMN ridotto ha un potenziale riducente minore del NADH (un FMN ridotto può dare 1,5-2 molecole di ATP, mentre il NADH può darne 2,5-3) e quindi, attraverso questo processo, vi è una perdita di potenziale riducente.

Secondo shuttle

Per quanto riguarda la seconda via, non vi è una perdita di potenziale riducente, ma è molto più complessa. L’enzima che viene sfruttato è la Malato deidrogenasi, enzima che, nel citosol, catalizza la reazione che porta alla formazione di Malato e di NAD ossidato a partire da NADH e Ossalacetato. A questo punto, il Malato entra nel Mitocondrio attraverso dei specifici trasportatori di membrana e trova, nello spazio intermembrana, la forma mitocondriale della Malato deidrogenasi.
Questa, catalizzando una reazione reversibile, può agire in entrambe le direzioni. Quindi, nel Mitocondrio si passa da Malato e NAD a Ossalacetato e NADH. Ma a questo punto sorge il problema: come faccio a portare fuori l’Ossalacetato? Infatti, questo composto non ha trasportatori di membrana e non può uscire dal Mitocondrio.

Si sfrutta quindi la reazione:
Ossalacetato + Glutammato -> alfa-chetoglutarato + Aspartato

Sia l’Asp che l’alfa-chetoglutarato hanno trasportatori sulla membrana mitocondriale, quindi escono dall’organulo e, arrivati nel citosol, l’enzima che ha catalizzato la reazione nel mitocondrio (aspartato transaminasi) catalizza la reazione inversa, avendo anche un’isoforma citosolica.

Abbiamo quindi riformazione di Ossalacetato e Glutammato, con il Glutammato che rientra nel Mitocondrio per dare la reazione sopra descritta e l’Ossalacetato che resta nel citosol per venire ridotto in Malato e permettere quindi questa via.
Quindi, qui viene consumato un NADH nel citosol e ne viene prodotto un altro nel Mitocondrio, con potenziale riducente invariato.

Nel primo shuttle, viene consumato un NADH nel citosol e viene prodotto un FMN ridotto nel Mitocondrio, con perdita di potenziale riducente.

Disclaimer finale

Molte di queste nozioni non sono necessarie ai fini del test, lo sappiamo bene.
Sappiamo bene che nessuno vi chiederà Shuttle e quant’altro, ma in tanti ci hanno chiesto come realmente funzionasse la catena di trasporto, e questa è la nostra risposta.

Nel nostro stile.

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