Fosforilazione ossidativa

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La fosforilazione ossidativa è un processo biochimico cellulare per la produzione di ATP nei mitocondri, fondamentale e ubiquitario. Si tratta della fase finale della respirazione cellulare, dopo glicolisi e ciclo di Krebs.

L'ubicazione fisica del processo è sempre a cavallo di una membrana biologica: negli eucarioti, esso avviene presso la cresta mitocondriale, mentre nei procarioti, ha luogo presso la membrana cellulare.

La fosforilazione ossidativa è composta da due parti:

Generazione del gradiente protonico[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Catena di trasporto degli elettroni.

I coenzimi caricati durante il ciclo di Krebs sono utilizzati nella cosiddetta catena di trasporto degli elettroni. Essa 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+ dalla matrice mitocondriale interna (dove avviene il ciclo di krebs) a quella esterna, generando un gradiente protonico tra le due membrane. Tale gradiente protonico si verifica perché all'interno della matrice mitocondriale interna c'è un ambiente basico, mentre nella membrana esterna ce n'è uno acido. Questi protoni H+ ad un certo punto cercano di rientrare nella matrice mitocondriale interna affinché si possa ristabilire un differenziale di potenziale, ma non possono perché la cresta mitocondriale è impermeabile. Il pertugio lo trovano nella proteina ATP-sintasi. Essa li fa passare, ma in cambio chiede loro l'energia che le serve per attaccare un gruppo fosfato all'ADP.

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 (FADH2 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 FADH2, derivano molecole di acqua che si aggiungono a quelle prodotte con la glicolisi.

La generazione di ATP[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi ATP sintetasi e Catalisi rotazionale.

Quando gli elettroni arrivano all'ossigeno, la catena di trasporto si interrompe per una frazione di tempo necessaria affinché avvenga il riequilibrio protonico. Si annullano le differenze di potenziale e la variazione del pH e i protoni ritornano attraverso il complesso proteico (proteina canale) dell'ATP sintetasi. L'energia endoergonica (dovuta alle differenze di potenziale e di pH), forma di conservazione dell'energia metabolica, così liberata, è l'energia capace di spingere la reazione endoergonica ADP+Pi=ATP. Si avrà quindi l'ultima forma di conservazione di energia immagazzinata nei legami di 38 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 sintasi, un grande complesso proteico inserito nella membrana mitocondriale interna che permette ai protoni di attraversarla in una singola direzione, secondo il processo di chemiosmosi, e l'energia liberata dal flusso di ioni secondo il gradiente di concentrazione viene usata per la sintesi dell'ATP, secondo la reazione:

ADP3- + H+ + Pi ↔ ATP4- + H2O.

La cellula, quando ne avrà bisogno, potrà liberare l'energia contenuta nell'ATP tramite un processo chiamato idrolisi catalizzato dall'enzima ATPasi Mg++ dipendente.

Sistema navetta malato-aspartato[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Sistema shuttle del malato-aspartato e Sistema shuttle del glicerolo fosfato.

Dopo la sintesi di ATP per ristabilire la concentrazione di NADH all'interno della matrice si sfrutta il sistema navetta malato-aspartato, un sistema di due trasportatori. Il NADH non può attraversare la membrana mitocondriale quindi attraverso questa vengono trasportati gli elettroni provenienti dal NADH. Nel citosol il NADH si ossida e trasforma l'ossalacetato in malato grazie all'enzima malato deidrogenasi. Quest'ultimo attraversa la membrana mitocondriale interna e viene riossidato dal NAD+. L'ossalacetato tramite una reazione di transamminazione con il glutammato diventa aspartato grazie all'enzima aspartato transaminasi e viene trasportato nello spazio intermembrana.

Stechiometria[modifica | modifica wikitesto]

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 acetil-CoA e infine il ciclo di Krebs sono sintetizzate in tutto 10 molecole di NADH e 2 di FADH2. Il valore energetico immagazzinato in queste molecole viene convertito in un totale di 28 molecole di ATP [(10x2,5) + (2x1,5)].

È 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.

Inibitori[modifica | modifica wikitesto]

Alcune molecole sono in grado di inibire alcuni passaggi della fosforilazione ossidativa. Per questo motivo, esse sono a tutti gli effetti delle tossine.

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.

Composti reattivi dell'ossigeno[modifica | modifica wikitesto]

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.

Peter Dennis Mitchell[modifica | modifica wikitesto]

Exquisite-kfind.png Per approfondire, vedi Peter Dennis Mitchell.
« L'aspetto dell'attuale situazione di consenso che ho trovato più rimarchevole ed ammirevole è l'altruismo e la generosità con cui i primi oppositori dell'ipotesi chemiosmotica non solo l'hanno accettata, ma hanno attivamente contribuito a promuoverla allo status di teoria. »
(Peter Mitchell, Discorso alla cerimonia del premio Nobel, 1978)

La fosforilazione ossidativa è rimasta un mistero fino agli inizi degli anni '60 ed è grazie al biochimico inglese Peter D. Mitchell (e a successivi ricercatori) se ora conosciamo questo processo fino a questo punto.

Proprio grazie a questa ricerca Mitchell fu insignito del Premio Nobel per la chimica nel 1978.

Bibliografia[modifica | modifica wikitesto]

  • Lehninger, D., Cox, M. Principles of Biochemistry 3rd Ed., Worth Publications, New York, NT., 2001.
  • David L. Nelson, Michael M. Cox, I Principi di Biochimica di Lehninger, 3ª ed., Bologna, Zanichelli, febbraio 2002, ISBN 88-08-09035-3.
  • Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko; Lubert Stryer, Biochimica, 5ª ed., Bologna, Zanichelli, ottobre 2003, ISBN 88-08-07893-0.

Voci correlate[modifica | modifica wikitesto]

Collegamenti esterni[modifica | modifica wikitesto]