Fosforilazione ossidativa
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La fosforilazione ossidativa è un processo biochimico cellulare fondamentale e ubiquitario. Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di Krebs. Il processo genera la fosforilazione di molecole di ADP in ATP attraverso la conversione di NADH e FADH2 nelle forme ossidate, con rilascio di elettroni.
L'ubicazione fisica del processo è sempre a cavallo di una membrana biologica: negli eucarioti, esso avviene presso le creste mitocondriali (ossia i ripiegamenti della membrana interna dell'organello), mentre nei procarioti, ha luogo presso la membrana cellulare.
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[modifica] Generazione del gradiente protonico
I coenzimi NADH e FADH2, le molecole trasportatrici di elettroni caricate durante il ciclo di Krebs, sono utilizzati nella cosiddetta catena di trasporto degli elettroni.
Essa, anzitutto, scarica i due coenzimi (ossidandoli a NAD+ e FAD), trasferendone gli elettroni ad alcune molecole di trasporto, essenzialmente citocromi (particolari enzimi con gruppo prostetico di tipo eme contenente ferro). I citocromi sono deputati al trasporto degli elettroni verso gli enzimi NADH-Q reduttasi, succinato deidrogenasi, citocromo reduttasi e citocromo c ossidasi, in grado di pompare ioni H+ all'esterno della membrana, generando un gradiente protonico a cavallo della membrana stessa.
Il trasferimento degli elettroni attraverso la catena respiratoria richiede l’intervento di tali enzimi, detti anche deidrogenasi, che hanno la funzione di strappare l’idrogeno alle molecole donatrici (FADH e NADH), in modo che si producano ioni H+ ed elettroni per la catena respiratoria; inoltre, sono necessarie alcune vitamine (in particolare, la vitamina C, la E, la K e la B2, o riboflavina, entrano nella struttura del FAD).
L'ossigeno, accettore finale degli elettroni, viene convertito in acqua. Dalla riduzione dell’ossigeno e dagli ioni H+ che si formano dopo il trasferimento degli elettroni dal NADH e dal FADH, derivano molecole di acqua che si aggiungono a quelle prodotte con il ciclo di Krebs.
[modifica] La generazione di ATP
Il passaggio degli elettroni comporta la liberazione di energia che viene immagazzinata nei legami di 36 molecole di adenosindifosfato (ADP), tramite il legame di gruppi fosfato e la sintesi di molecole di adenosintrifosfato (ATP). La sintesi di tali molecole viene operata dall’enzima ATP sintetasi, un grande complesso proteico inserito nella membrana mitocondriale che permette ai protoni di attraversarla in entrambe le direzioni. Il passaggio netto dei protoni avviene però in una singola direzione, secondo il processo di chemiosmosi, e l’energia liberata dal flusso di ioni secondo il gradiente di concentrazione viene usata par la sintesi dell'ATP, secondo la reazione:
ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O.
[modifica] Stechiometria
Per ogni molecola di NADH ossidata vengono prodotti in totale 2,5 molecole di ATP. Per ogni molecola di FADH2 sono invece prodotte 1,5 molecole di ATP.
Attraverso l'ossidazione glicolitica di una molecola di glucosio, la successiva conversione delle molecole di piruvato in acetilCoA e infine il ciclo di Krebs sono sintentizzate in tutto 8 molecole di NADH e 2 di FADH2. Il valore energetico immagazzinato in queste molecole viene convertito in un totale di 23 molecole di ATP.
E' importante però considerare che questi valori sono soltanto teorici, mentre in realtà la resa della reazione di sintesi di ATP è inferiore, per via della permeabilità, seppure bassa, della membrana ai protoni.
[modifica] Inibitori
Alcune molecole sono in grado di inibire alcuni passaggi della fosforilazione ossidativa. Per questo motivo, esse sono a tutti gli effetti delle tossine.
- Il cianuro blocca la catena di trasporto degli elettroni perché si lega al Fe3+ del citocromo a3 più efficientemente dell'ossigeno, impedendo al citocromo di combinare gli elettroni con l'ossigeno.
- La oligomicina inibisce la ATP sintasi, impedendole di ricaricare molecole ATP attraverso il gradiente protonico.
- La CCCP (m-cloro-carbonilcianuro-fenilidrazina) distrugge il gradiente protonico permettendo ai protoni di attraversare la membrana. Senza il gradiente, infatti, la ATP sintasi non è in grado di funzionare.
- Anche un detergente (o una sostanza in grado di distruggere le membrane cellulari) è in grado di distruggere il gradiente protonico, semplicemente eliminando la membrana a cavallo del quale si genera.
- Il rotenone impedisce il trasferimento di elettroni dai centri Fe-S del complesso I all'ubichinone. Gli elettroni che fanno il loro ingresso nella catena attraverso tale complesso sono quelli provenienti dal NADH e costituiscono la parte preponderante del potenziale in grado di generare gradiente protonico.
Per ognuna di queste tossine, l'azione tossica non si confina solo al processo di fosforilazione ossidativa, ma ha effetti a catena su gran parte del metabolismo cellulare. Se si somministra oligomicina, ad esempio, gli H+ non sono in grado di passare attraverso la ATP sintasi. Ciò induce una stabilizzazione del gradiente protonico, che alla lunga rende inefficaci le pompe protoniche, che non funzionano in presenza di gradienti eccessivamente elevati. Se non funzionano tali pompe, le molecole di NADH e FADH2 non saranno più nuovamente ossidate a NAD+ e FAD. Ciò significa che gli altri processi metabolici che se ne servono, come il ciclo di Krebs e la glicolisi, non saranno più in grado di funzionare.
[modifica] Composti reattivi dell'ossigeno
Durante la fosforilazione ossidativa si possono formare composti transienti dell'ossigeno con una forte reattività, ovvero perossido di idrogeno, l'anione superossido e il radicale idrossido. La citocromo c ossidasi, complesso IV, è però in grado di mantenere il controllo sterico sulle molecole create, riducendo l'ossigeno ad acqua.
[modifica] Bibliografia
- Lehninger, D., Cox, M. Principles of Biochemistry 3rd Ed., Worth Publications, New York, NT., 2001.
