Fosforilazione ossidativa

L'ossigeno è una molecola fondamentale, in particolar modo per il processo biochimico chiamato fosforilazione ossidativa. Questo processo a due fasi utilizza le catene di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi (o accoppiamento chemio-osmotico) per generare energia sotto forma di adenosina trifosfato (ATP). L'ATP è la principale moneta energetica della cellula. La sua sintesi è fondamentale per il normale funzionamento di processi quali la contrazione muscolare e il trasporto attivo, per citarne alcuni. La fosforilazione ossidativa avviene nei mitocondri, in particolare nella membrana interna. L'abbondanza di questi organelli in determinate cellule è una buona indicazione di quanto siano metabolicamente attive!

Spiegazione della fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa avviene solo in presenza di ossigeno ed è quindi coinvolta nella respirazione aerobica. La fosforilazione ossidativa produce il maggior numero di molecole di ATP rispetto alle altre vie metaboliche del glucosio coinvolte nella respirazione cellulare, ossia la glicolisi e il ciclo di Krebs.

I due elementi più essenziali della fosforilazione ossidativa sono la catena di trasporto degli elettroni e la chemiosmosi. La catena di trasporto degli elettroni comprende proteine incorporate nella membrana mitocondriale e molecole organiche suddivise in quattro complessi principali, denominati da I a IV. Molte di queste molecole si trovano nella membrana interna dei mitocondri delle cellule eucariotiche. Diverso è il caso delle cellule procariotiche, come i batteri, dove i componenti della catena di trasporto degli elettroni si trovano invece nella membrana plasmatica. Come suggerisce il nome, questo sistema trasporta gli elettroni in una serie di reazioni chimiche chiamate reazioni redox.

Figura 1.

Struttura del mitocondrio

Questo organello ha una dimensione media di 0,75-3μm² ed è composto da una doppia membrana, la membrana mitocondriale esterna e la membrana mitocondriale interna, con uno spazio intermembrana tra di esse. Ci sono circa 2000 mitocondri per cellula, che costituiscono circa il 25% del volume cellulare. Nella membrana interna si trovano la catena di trasporto degli elettroni e l'ATP sintasi. Per questo motivo sono definiti la "centrale elettrica" della cellula.

I mitocondri contengono cristae o creste, strutture altamente ripiegate. Le creste mitocondriali aumentano il rapporto superficie/volume disponibile per la fosforilazione ossidativa, il che significa che la membrana può contenere una quantità maggiore di complessi proteici di trasporto degli elettroni e di ATP sintasi rispetto a una membrana non altamente convoluta. Oltre alla fosforilazione ossidativa, anche il ciclo di Krebs avviene nei mitocondri, in particolare nella membrana interna nota come matrice. La matrice contiene gli enzimi del ciclo di Krebs, il DNA, l'RNA, i ribosomi e i granuli di calcio.

Catena di trasporto degli elettroni e fosforilazione ossidativa

La sintesi di ATP attraverso la fosforilazione ossidativa seguendo quattro fasi principali:

• Trasporto di elettroni da parte di NADH e FADH₂.
• Pompaggio di protoni e trasferimento di elettroni.
• Formazione di acqua.
• Sintesi di ATP.

Figura 2.

Trasporto di elettroni da parte di NADH e FADH₂

Il NADH e il FADH₂ (chiamati anche NAD ridotto e FAD ridotto) vengono prodotti durante le prime fasi della respirazione cellulare nella glicolisi, nell'ossidazione del piruvato e nel ciclo di Krebs. Il NADH e il FADH₂ trasportano atomi di idrogeno e donano gli elettroni a molecole vicine all'inizio della catena di trasporto degli elettroni. In seguito, nel processo, si trasformano nei coenzimi NAD+ e FAD, che vengono poi riutilizzati nelle prime vie metaboliche dell'ossidazione del glucosio.

Il NADH trasporta elettroni ad alta energia. Trasferisce questi elettroni al Complesso I, che sfrutta l'energia rilasciata dagli elettroni che lo attraversano in una serie di reazioni redox per pompare protoni (H+) dalla matrice allo spazio intermembrana.

Nel frattempo, il FADH₂ trasporta elettroni a un livello energetico inferiore e quindi non trasporta i suoi elettroni al Complesso I ma al Complesso II, che non pompa H⁺ attraverso la sua membrana.

Pompaggio di protoni e trasferimento di elettroni

Gli elettroni passano da un livello energetico più alto a uno più basso mentre si muovono lungo la catena di trasporto degli elettroni, liberando energia. Questa energia viene utilizzata per trasportare attivamente H⁺ fuori dalla matrice e nello spazio intermembrana. Di conseguenza, si crea un gradiente elettrochimico e gli H⁺ si accumulano nello spazio intermembrana. Questo accumulo di H⁺ rende lo spazio intermembrana più positivo, mentre la matrice è negativa.

Formazione di acqua

Quando gli elettroni raggiungono il Complesso IV, una molecola di ossigeno accetta H⁺ per formare acqua nell'equazione:

$2{\mathrm{H}}^{+}+\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$

Sintesi di ATP

Gli ioni H⁺ accumulati nello spazio intermembrana dei mitocondri scendono lungo il loro gradiente elettrochimico e ritornano nella matrice, passando attraverso una proteina canale chiamata ATP sintasi. L'ATP sintasi ricopre anche il ruolo di enzima che utilizza la diffusione di H⁺ lungo il suo canale per facilitare il legame dell'ADP con il Pi per generare ATP. Questo processo è comunemente noto come chemiosmosi e produce oltre l'80% dell'ATP prodotto durante la respirazione cellulare.

In totale, la respirazione cellulare produce tra 30 e 32 molecole di ATP per ogni molecola di glucosio. Questo produce una rete di due ATP nella glicolisi e due nel ciclo di Krebs. Durante la glicolisi vengono prodotti due ATP (o GTP) netti e due durante il ciclo dell'acido citrico.

Per produrre una molecola di ATP, 4 H⁺ devono diffondere attraverso l'ATP sintasi nella matrice mitocondriale. Il NADH pompa 10 H⁺ nello spazio intermembrana; pertanto, ciò equivale a 2,5 molecole di ATP. Il FADH₂, invece, pompa solo 6 H⁺, il che significa che vengono prodotte solo 1,5 molecole di ATP. Per ogni molecola di glucosio, nei processi precedenti (glicolisi, ossidazione del piruvato e ciclo di Krebs) vengono prodotti 10 NADH e 2 FADH₂, il che significa che la fosforilazione ossidativa produce 28 molecole di ATP.

Prodotti della fosforilazione ossidativa

La fosforilazione ossidativa genera tre prodotti principali:

• ATP
• Acqua
• NAD+ e FAD

L'ATP viene prodotto grazie al flusso di H⁺ attraverso l'ATP sintasi. Questo flusso è guidato principalmente dalla chemiosmosi, che utilizza il gradiente elettrochimico tra lo spazio intermembrana e la matrice mitocondriale. L'acqua viene prodotta nel Complesso IV, dove l'ossigeno atmosferico accetta elettroni e H⁺ per formare molecole d'acqua.

All'inizio abbiamo letto che il NADH e il FADH₂ forniscono elettroni alle proteine della catena di trasporto degli elettroni, ossia il Complesso I e il Complesso II. Quando rilasciano i loro elettroni, NAD⁺ e FAD vengono rigenerati e possono essere riciclati in altri processi come la glicolisi, dove agiscono come coenzimi.