Definizione della catena di trasporto di elettroni

La catena di trasporto di elettroni è un gruppo di proteine che trasferiscono elettroni attraverso una membrana all’interno dei mitocondri per formare un gradiente di protoni che guida la creazione di adenosina trifosfato (ATP). L’ATP viene utilizzato dalla cellula come energia per i processi metabolici per le funzioni cellulari.

Dove si verifica la catena di trasporto degli elettroni?

Durante il processo, viene creato un gradiente protonico quando i protoni vengono pompati dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana della cellula, che aiuta anche a guidare la produzione di ATP. Spesso, l’uso di un gradiente di protoni è indicato come il meccanismo chemiosmotico che guida la sintesi di ATP poiché si basa su una maggiore concentrazione di protoni per generare “forza motrice protonica”. La quantità di ATP creata è direttamente proporzionale al numero di protoni che vengono pompati attraverso la membrana mitocondriale interna.

La catena di trasporto degli elettroni comporta una serie di reazioni redox che si basano su complessi proteici per trasferire elettroni da una molecola donatrice a una molecola accettore. Come risultato di queste reazioni, il gradiente protonico viene prodotto, consentendo al lavoro meccanico di essere convertito in energia chimica, consentendo la sintesi di ATP. I complessi sono incorporati nella membrana mitocondriale interna chiamata cristae negli eucarioti. Racchiuso dalla membrana mitocondriale interna è la matrice, che è dove si trovano enzimi necessari come piruvato deidrogenasi e piruvato carbossilasi. Il processo può anche essere trovato negli eucarioti fotosintetici nella membrana tilacoide dei cloroplasti e nei procarioti, ma con modifiche.

I sottoprodotti di altri cicli e processi, come il ciclo dell’acido citrico, l’ossidazione degli aminoacidi e l’ossidazione degli acidi grassi, sono utilizzati nella catena di trasporto degli elettroni. Come si vede nella reazione redox complessiva,

2 H+ + 2 e+ + ½ O2 → H2O + energia

l’energia viene rilasciata in una reazione esotermica quando gli elettroni vengono fatti passare attraverso i complessi; vengono create tre molecole di ATP. Il fosfato situato nella matrice viene importato tramite il gradiente protonico, che viene utilizzato per creare più ATP. Il processo di generazione di più ATP tramite la fosforilazione di ADP si riferisce alla fosforilazione ossidativa poiché l’energia dell’ossigenazione dell’idrogeno viene utilizzata in tutta la catena di trasporto degli elettroni. L’ATP generato da questa reazione continua ad alimentare la maggior parte delle reazioni cellulari necessarie per la vita.

Passi della catena di trasporto degli elettroni

Nella catena di trasferimento degli elettroni, gli elettroni si muovono lungo una serie di proteine per generare una forza di tipo di espulsione per spostare gli ioni idrogeno, o protoni, attraverso la membrana mitocondriale. Gli elettroni iniziano le loro reazioni nel Complesso I, continuando sul Complesso II, attraversato al Complesso III e al citocromo c tramite il coenzima Q, e poi infine al Complesso IV. I complessi stessi sono proteine strutturate complesse incorporate nella membrana fosfolipidica. Sono combinati con uno ion metallico, come il ferro, per aiutare con l’espulsione del protone nello spazio intermembrana e altre funzioni. I complessi subiscono anche cambiamenti conformazionali per consentire aperture per il movimento transmembrana dei protoni.

Questi quattro complessi trasferiscono attivamente elettroni da un metabolita organico, come il glucosio. Quando il metabolita si rompe, due elettroni e uno hydrogen idrogeno vengono rilasciati e poi raccolti dal coenzima NAD+ per diventare NADH, rilasciando uno hydrogen idrogeno nel citosol.

Il NADH ora ha due elettroni che li passano su una molecola più mobile, l’ubiquinone (Q), nel primo complesso proteico (Complesso I). Il complesso I, noto anche come NADH deidrogenasi, pompa quattro ioni idrogeno dalla matrice nello spazio intermembrana, stabilendo il gradiente protonico. Nella proteina successiva, Complesso II o succinato deidrogenasi, un altro vettore di elettroni e coenzima, succinato viene ossidato in fumarato, causando FAD (flavina-adenina dinucleotide) da ridurre a FADH2. La molecola di trasporto, FADH2 viene quindi reossidata, donando elettroni a Q (diventando QH2), rilasciando un altro hydrogen idrogeno nel citosol. Mentre il Complesso II non contribuisce direttamente al gradiente protonico, serve come un’altra fonte per gli elettroni.

Complesso III, o citocromo c reduttasi, è dove avviene il ciclo Q. C’è un’interazione tra Q e citocromi, che sono molecole composte da ferro, per continuare il trasferimento di elettroni. Durante il ciclo Q, l’ubiquinolo (QH2) precedentemente prodotto dona elettroni all’ISP e al citocromo b diventando ubiquinone. ISP e citocromo b sono proteine che si trovano nella matrice che trasferisce quindi l’elettrone ricevuto dall’ubiquinolo al citocromo c1. Il citocromo c1 lo trasferisce quindi al citocromo c, che sposta gli elettroni nell’ultimo complesso. (Nota: A differenza dell’ubiquinone (Q), il citocromo c può trasportare solo un elettrone alla volta). L’ubiquinone viene quindi ridotto nuovamente a QH2, riavviando il ciclo. Nel processo, un altro hydrogen idrogeno viene rilasciato nel citosol per creare ulteriormente il gradiente protonico.

I citocromi si estendono quindi nel Complesso IV, o citocromo c ossidasi. Gli elettroni vengono trasferiti uno alla volta nel complesso dal citocromo c. Gli elettroni, oltre all’idrogeno e all’ossigeno, reagiscono quindi per formare acqua in una reazione irreversibile. Questo è l’ultimo complesso che sposta quattro protoni attraverso la membrana per creare il gradiente protonico che sviluppa ATP alla fine.

Quando viene stabilito il gradiente protonico, F1F0 ATP sintasi, a volte indicato come Complesso V, genera l’ATP. Il complesso è composto da diverse subunità che si legano ai protoni rilasciati nelle reazioni precedenti. Mentre la proteina ruota, i protoni vengono riportati nella matrice mitocondriale, consentendo ADP di legarsi al fosfato libero per produrre ATP. Per ogni giro completo della proteina, vengono prodotti tre ATP, concludendo la catena di trasporto degli elettroni.

Quiz

1. Il complesso IV, noto anche come citocromo ossidasi, esegue quale reazione?
A. NADH + Q ↔ NAD+ + QH2
B. NADH ↔ NAD+ + 2H+ + 2e–
C. 2 H+ + 2 e+ + ½ O2 → H2O + energia
D. 4 H+ + 4 e– + O2 → 2 H2O

2. Quale componente(i) viene passato al primo complesso nella catena di trasporto degli elettroni?
A. NADH + H+
B. FADH+
C. Q
D. Citocromo c

3. Dov’è la maggiore concentrazione di protoni mentre viene attivata la catena di trasporto degli elettroni?
A. Strato fosfolipidico
B. Matrice mitocondriale
C. Spazio intermembrana
D. Membrana cellulare