Reazioni redox
ØLe reazioni redox possono produrre lavoro biologico
∆E = Eossidante - Eriducente
∆G = -nF∆E
o
∆G’
=
o
-nF∆E’
Funzioni della catena respiratoria
La catena respiratoria è parte essenziale del
processo di fosforilazione ossidativa.
Quest’ultimo processo fornisce alla
maggior parte delle cellule l’energia
(ATP) necessaria per tutti i tipi di lavoro:
meccanico, osmotico, biosintetico etc.
La catena respiratoria determina:
Ø la riossidazione del NADH a NAD e del
FADH2 a FAD;
Ø La riduzione dell’ossigeno (O2) che viene
trasformato in H2O;
Ø La generazione di un potenziale
energetico di natura elettrochimica,
necessario per la fosforilazione dell’ADP
da parte del fosfato inorganico (Pi), per
formare l’ATP.
Mitocondrio
Catena Respiratoria
Localizzazione cellulare: membrana mitocondriale interna
La catena respiratoria è costituita da una serie di reazioni redox tra loro concatenate in
modo similare a quello con cui sono concatenate le reazioni di una via metabolica. Cioè
il prodotto della prima reazione (la sostanza che riceve gli elettroni dai coenzimi NADH
o FADH2) li cede al substrato ossidato della seconda reazione e così via finché gli
elettroni verranno raccolti dall’ossigeno molecolare (O2), substrato ossidante
dell’ultima reazione redox.
Tutte le molecole trasportatori di elettroni che partecipano alla catena respiratoria
possono esistere in due stati: uno ossidato ed uno ridotto (coppie redox). Nella catena
respiratoria tali coppie sono ordinate secondo un potenziale redox crescente (potenziale
di riduzione). All’inizio della catena respiratoria viene posta la coppia redox NAD+/
NADH, ed alla fine la coppia redox O2/ H2O. L’ossigeno diffonde infatti nei mitocondri
dove viene utilizzato nella fosforilazione ossidativa per costruire l’ATP. Anche per
l’ossigeno esistono due forme importanti per la catena respiratoria, una ossidata (O2) ed
una ridotta O2- che viene prodotta quando 2 elettroni si legano ad ogni atomo di
ossigeno della molecola O2 (totale 4 elettroni). Questi ioni formano H2O combinandosi
ognuno con 2 protoni (H+):
O2 + 4e2O2- + 4H+
2O22H2O
ØLa catena respiratoria è catalizzata da tre complessi principali (complesso-I,
complesso-III e complesso-IV) formati ognuno da diverse proteine (tra cui
alcuni citocromi), legate tra loro in una sorta di struttura quaternaria, e da
molecole non proteiche quali i gruppi prostetici FMN, eme, “centri ferro-zolfo”
di differenti strutture, ioni rame. Oltre a questi tre complessi c’è anche un quarto
complesso (complesso-II) necessario per fornire alla catena principale gli
elettroni ceduti dal coenzima FADH2.
ØI centri ferro-zolfo contengono ioni ferro legati sia a zolfo inorganico che a
gruppi –SH dell’ammino acido cisteina, gruppi presenti nelle catene laterali di
proteine dei complessi.
ØTutti questi complessi sono localizzati nella membrana interna del
mitocondrio. In tale membrana essi sono fisicamente separati; tuttavia sono
collegati tra loro da altre molecole (il coenzima-Q ed il citocromo-C) che
trasportano elettroni da un complesso all’altro.
Schema della catena respiratoria.
Complesso-I = NADH-CoQ reduttasi
Complesso-III = citocromo-C reduttasi
Complesso-IV = citocromo-C ossidasi
Complesso-II = succinato deidrogenasi
La catena respiratoria è come una cascata termodinamicamente
spontanea che, salto dopo salto, trasferisce elettoni all’ossigeno
molecolare trasformandolo in acqua. Come una cascata di un fiume
può convertire energia potenziale in altra forma di energia durante
la caduta, così la cascata di elettroni (catena respiratoria) converte
l’energia del NADH e del FADH2 in altre forme di energia
(potenziale elettrochimico) che, a sua volta, sarà convertita
nell’energia chimica dell’ATP durante il processo della
fosforilazione ossidativa.
Trasporto degli elettroni nel complesso-I (NADH-CoQ reduttasi)
e nel complesso-III (citocromo-c reduttasi). I citocromi b562 (bL
bL)
e b566 (bH
bH) fanno parte del complesso-III.
Nel complesso-I il NADH prodotto nelle vie cataboliche viene
ossidato trasformandosi in NAD+. Quest’ultima forma del
coenzima è necessaria per il buon funzionamento delle vie
cataboliche (glicolisi, β-ossidazione, ciclo di Krebs etc.) e perciò
viene riciclata. Contemporaneamente, due elettroni del NADH
vengono ceduti al flavinmononucleotide (FMN), che a sua volta
li cede, uno alla volta, ai centri ferro-zolfo. Quindi, un centro
ferro-zolfo ridotto (Fe2+-S) li cede, ancora uno alla volta, al
CoQ (ubichinone) che viene trasformato in CoQH2, (CoQ ridotto
o ubichinolo).
Nel complesso-III, il coenzima-QH2 cede elettroni, uno alla volta,
al complesso ferro-zolfo (Fe-S) che a sua volta li cede al
citocromo-c1, il quale a sua volta li cede al citocromo-c[Fe3+]
trasformandolo nella forma ridotta (citocromo-c[Fe2+].
Come si vede nello schema, solo la forma QH2 del coenzima può
cedere un elettrone al centro Fe-S, trasformandosi in QH• (forma
questa detta semichinone). Una volta formate 2 molecole di QH•,
queste vengono trasformate: una nella forma ossidata e l’altra nella
forma ridotta dai citocromi b566 (bH) e b562 (bL) contenuti nel
complesso-III:
QH• + QH•
Q + QH2
Mentre Q (forma ossidata) può tornare a ricevere altri elettroni dal
complesso-I, QH2 cede di nuovo elettroni al complesso-III.
Nel complessocomplesso-IV avviene la riduzione dell’ossigeno (O2) ad
acqua. Infatti, lo schema sotto riportato mostra come un totale
di 4 elettroni + 4 ioni H+ vengono ceduti al complesso IV,
perché questo li possa combinare con una molecola di O2 allo
scopo di formare 2 molecole di H2O. E’ essenziale che O2
riceva tutti i 4 elettroni: infatti, se ne ricevesse solo uno, si
formerebbe l’ione superossido (O2-), una sostanza pericolosa
per la cellula, perché è una forma radicalica molto reattiva.
Anche se O2 ricevesse solo 2 elettroni, si formerebbe un’altra
sostanza pericolosa, lo ione perossido (-O-O-)
Trasporto degli elettroni nel complesso-IV (Citocromo-c ossidasi)
Il complesso IV, olre a numerose catene polipeptidice, contiene due gruppi eme
(eme-A ed eme A3) e due centri binucleari formati da ioni rame (Cu-A e Cu-B).
Trasporto degli elettroni nel complesso-IV
Ø1° stadio:
stadio la molecola O2 si lega all’ione ferroso (Fe2+) dell’eme-A3 e viene
rapidamente ridotta a ione perossido (O22-) acquistando 2 elettroni: uno dal Fe2+
dell’eme ( Fe2+
Fe3+ + e- ) e l’altro dal vicino ione Cu+ (Cu+
Cu2+ + e- ).
Come si vede, in questa fase sia il ferro sia il rame vengono ossidati dall’ossigeno che
accetta i due elettroni ceduti dagli ioni metallici.
Ø2° stadio:
stadio ora inizia l’acquisizione dei 4 elettroni ceduti al complesso dal citocromo-c
ridotto. Il primo elettrone + 2 H+, insieme alla ulteriore ossidazione dell’ione ferrico
(Fe3+) a ione ferrile (Fe4+), causano la rottura del legame tra i due atomi di ossigeno
della molecola O2: si forma così la prima molecola di H2O (che resta legata a Cu2+) e di
un ione O2-, che resta legato all’ione Fe4+.
Ø3° stadio: il secondo elettrone determina la riduzione di Fe4+ a Fe3+, ed i due ioni H+
che entrano nel complesso insieme all’elettrone determinano la formazione della
seconda molecola di H2O. Ambedue le molecole di acqua vengono rilasciate dal
complesso-IV.
Ø4° stadio:
stadio entra il terzo elettrone e riduce lo ione rameico (Cu2+) a ione rameoso
(Cu+).
Ø5° stadio:
stadio entra il quarto elettrone e riduce lo ione ferrico (Fe3+) a ione ferroso (Fe2+),
ripristinando così la forma iniziale del complesso-IV, già pronta a ricominciare un
nuovo ciclo di reazioni per ridurre ad acqua una seconda molecola di O2.
Schema della catena respiratoria
che mette anche in evidenza il
ruolo attivo dei complessi I, III e
IV nella esportazione di ioni H+
dalla matrice allo spazio tra le due
membrane mitocondriali. Come si
vede, il complesso-II non pompa
nessun ione H+ attraverso la
membrana: il suo ruolo è quello di
trasferire elettroni dal FAD al
CoQ.
Teoria Chemio-Osmotica di Mitchell (premio Nobel)
Il gradiente elettroelettro-chimico
ØDurante il trasferimento degli elettroni dai coenzimi NADH e FADH2 all’ossigeno
avviene, in maniera strettamente accoppiata a tale trasferimento, un fenomeno molto
importante per la generazione mitocondriale dell’ATP, la formazione di un gradiente
energetico di natura elettro-chimica.
ØTre dei complessi della catena respiratoria (I, III, IV), oltre a trasportare gli elettroni
all’ossigeno, trasferiscono ognuno un certo numero di protoni (H+) dall’interno del
mitocondrio (matrice) all’esterno (nel citoplasma). Quindi, i complessi sono anche
pompe protoniche direzionali che determinano la formazione di un gradiente di
pH tra il compartimento interno e quello esterno del mitocondrio (cioè, il pH del
fluido contenuto dentro il mitocondrio diviene più basico, mentre il pH del fluido che
si trova nello spazio intermembrana diviene più acido).
ØInoltre, dato che i protoni hanno una carica ionica positiva, tale trasferimento
provoca sia una diminuzione della carica elettrica positiva sul lato interno della
membrana mitocondriale sia un aumento della carica positiva sul lato esterno. Ciò
determina una differenza di potenziale elettrico tra le due facce della membrana
mitocondriale interna. Il potenziale di membrana ed il gradiente di pH costituiscono
insieme un potenziale elettro-chimico (una forma di energia che i mitocondri
utilizzano per costruire ATP a partire da ADP e fosfato inorganico (Pi).
Il complesso della ATP sintasi (Fo(Fo-F1) ed il meccanismo chemioosmotico di
formazione dell’
dell’ATP.
La reazione di formazione dell’ATP a partire da ADP e Pi è la seguente:
Adenosina-P∼P + Pi
ADP
Adenosina-P∼P∼P
P
ATP
Il simbolo “ ∼ “ viene utilizzato per indicare legami ricchi di energia
Questa reazione avviene, in condizioni standard, solo se viene
fornita un’energia libera di Gibbs di 7,3 kcal/mole di ATP
formato (30,5 kJ/mole), appunto l’energia che il potenziale elettrochimico generato dai complessi I. III e IV della catena respiratoria
possono fornire.
L’enzima che catalizza la reazione di sintesi dell’ATP è l’ ATPATP-sintasi . Si trova
anch’esso intessuto nella membrana mitocondriale interna. Esso è costituito da due
parti con funzioni differenti: la prima detta Fo è costituita da un complesso di proteine
che formano un canale per far passare gli ioni H+ attraverso la membrana
mitocondriale interna, mentre la seconda, detta F1, di forma sferoidale, è formata
anch’essa da un complesso di diverse proteine e contiene i siti attivi dell’enzima, che
sono tre, e si trovano in ogni istante in uno stato funzionale differente. Uno dei tre siti
lega fortemente l’ATP (sito T), il secondo (sito O) è vuoto ed a bassa affinità, mentre
il terzo contiene ADP e Pi (sito L). Quando passano gli ioni H+ (protoni) attraverso la
membrana in direzione citoplasma ? mitocondrio, il sito che contiene l’ATP si apre e
rilascia la molecola di ATP nella matrice, perché la sua affinità diminuisce dato che i
tre siti cambiano la loro forma in modo sincrono, con conseguente cambiamento del
loro stato funzionale. Il sito T diviene O, il sito O diviene L (e lega nuovamente ADP
e Pi), mentre il sito L diviene T (cioè cataliticamente attivo, e con alta affinità per
l’ATP); perciò capace di legare tra loro ADP e Pi formando nuovo ATP. Ciò significa
che la dissipazione del gradiente energetico provocata dal ritorno dei protoni
all’interno del mitocondrio viene utilizzata dal complesso Fo-F1 della ATP-sintasi
per produrre l’ATP. Questo processo biologico, che accoppia le reazioni redox della
catena respiratoria con la fosforilazione dell’’ADP, è estremamente importante per la
vita di molti tipi di cellule (aerobiotiche), e viene indicato complessivamente come
FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA
∆G = 20 kJ/mole
kJ/mole di ioni H+
Dato che per ogni NADH ossidato dalla catena respiratoria ci sono
sono
10 e- pompati nello spazio intermembrana, 200 kJ dei 220
disponibili dalla ossidazione del NADH sono conservati dal
potenziale elettrochimico.
Sostanze disaccoppianti