Fosforilazione ossidativa
La fosforilazione ossidativa è la produzione di ATP utilizzando energia derivata dal trasferimento di elettroni in un sistema di trasporto di elettroni e avviene per chemiosmosi.
Per capire la fosforilazione ossidativa, è importante prima rivedere l’atomo di idrogeno e il processo di ossidazione e riduzione. Un atomo di idrogeno contiene solo un protone (H+) e un elettrone (e-). Pertanto, il termine protone e il termine ione idrogeno (H+) sono intercambiabili. Ricorda anche che gli elettroni hanno energia immagazzinata, o energia potenziale, pronta a fare lavoro e quando un atomo o una molecola perde quell’elettrone (diventa ossidato) quell’energia viene rilasciata e può fare lavoro cellulare.
Le reazioni di ossidoriduzione sono reazioni chimiche accoppiate in cui un atomo o molecola perde uno o più elettroni (ossidazione) mentre un altro atomo o molecola guadagna quegli elettroni (riduzione). Il composto che perde elettroni diventa ossidato; il composto che guadagna quegli elettroni diventa ridotto. Nei composti covalenti, tuttavia, è solitamente più facile perdere un intero atomo di idrogeno (H) – un protone e un elettrone – piuttosto che solo un elettrone. Una reazione di ossidazione durante la quale si perdono sia un protone che un elettrone è chiamata deidrogenazione. Una reazione di riduzione durante la quale si guadagnano sia un protone che un elettrone è chiamata idrogenazione.
Le cellule usano molecole specifiche per trasportare gli elettroni che vengono rimossi durante l’ossidazione di una fonte di energia. Queste molecole sono chiamate portatori di elettroni e si ossidano e si riducono alternativamente durante il trasferimento di elettroni e protoni. Questi includono tre coenzimi liberamente diffusibili noti come NAD+, FAD e NADP+. Le forme ridotte di questi coenzimi (NADH, FADH2, e NADPH) hanno potere riducente perché i loro legami contengono una forma di energia utilizzabile.
- NAD+ , o nicotinamide adenina dinucleotide, è un coenzima che spesso lavora insieme a un enzima chiamato deidrogenasi. L’enzima rimuove due atomi di idrogeno (2H+ e 2e-) dal suo substrato. Entrambi gli elettroni ma solo un protone sono accettati dal NAD+ per produrre la sua forma ridotta, NADH, più H+. Il NADH è usato per generare la forza motrice protonica (discussa di seguito) che può guidare la sintesi dell’ATP.
- FAD , o flavin adenina dinucleotide, è un coenzima che funziona anche in combinazione con un enzima chiamato deidrogenasi. L’enzima rimuove due atomi di idrogeno (2H+ e 2e-) dal suo substrato. Entrambi gli elettroni ed entrambi i protoni sono accettati dal FAD per produrre la sua forma ridotta, FADH2. FADH2 è usato per generare la forza motrice protonica (discussa di seguito) che può guidare la sintesi di ATP.
- NADP+, o nicotinamide adenina dinucleotide fosfato, è un coenzima che usa la deidrogenasi per rimuovere due atomi di idrogeno (2H+ e 2e-) dal suo substrato. Entrambi gli elettroni ma solo un protone sono accettati dal NADP+ per produrre la sua forma ridotta, NADPH, più H+. Il NADPH non è usato per la sintesi dell’ATP, ma i suoi elettroni forniscono l’energia per alcune reazioni di biosintesi come quelle coinvolte nella fotosintesi.
Durante il processo di respirazione aerobica, discusso nella prossima sezione, le reazioni accoppiate di ossido-riduzione e i trasportatori di elettroni sono spesso parte di quella che è chiamata catena di trasporto degli elettroni, una serie di trasportatori di elettroni che alla fine trasferisce gli elettroni da NADH e FADH2 all’ossigeno. I portatori di elettroni diffusibili NADH e FADH2 trasportano atomi di idrogeno (protoni ed elettroni) dai substrati nelle vie cataboliche esergoniche come la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico ad altri portatori di elettroni che sono incorporati nelle membrane. Questi trasportatori di elettroni associati alla membrana includono flavoproteine, proteine ferro-zolfo, chinoni e citocromi. L’ultimo trasportatore di elettroni nella catena di trasporto degli elettroni trasferisce gli elettroni all’accettore di elettroni terminale, l’ossigeno.
La teoria chemiosmotica spiega il funzionamento delle catene di trasporto degli elettroni. Secondo questa teoria, il trasferimento di elettroni lungo un sistema di trasporto di elettroni attraverso una serie di reazioni di ossido-riduzione rilascia energia (Figura \(\PageIndex{1})). Questa energia permette a certi trasportatori della catena di trasportare ioni idrogeno (H+ o protoni) attraverso una membrana.
A seconda del tipo di cellula, la catena di trasporto degli elettroni può trovarsi nella membrana citoplasmatica, nella membrana interna dei mitocondri e nella membrana interna dei cloroplasti.
- Nelle cellule procariotiche, i protoni sono trasportati dal citoplasma del batterio attraverso la membrana citoplasmatica allo spazio periplasmatico situato tra la membrana citoplasmatica e la parete cellulare.
- Nelle cellule eucariotiche, i protoni sono trasportati dalla matrice dei mitocondri attraverso la membrana mitocondriale interna allo spazio intermembrana situato tra la membrana mitocondriale interna ed esterna.
- Nelle cellule delle piante e nelle cellule delle alghe, i protoni sono trasportati dallo stroma del cloroplasto attraverso la membrana del tillakoide nello spazio interno del tillakoide.
Quando gli ioni idrogeno si accumulano su un lato di una membrana, la concentrazione di ioni idrogeno crea un gradiente elettrochimico o differenza di potenziale (tensione) attraverso la membrana. (Il fluido sul lato della membrana dove si accumulano i protoni acquisisce una carica positiva; il fluido sul lato opposto della membrana viene lasciato con una carica negativa). Lo stato eccitato della membrana come risultato di questa separazione di carica è chiamato forza motrice protonica o PMF.
Questa forza protonica motrice fornisce l’energia necessaria agli enzimi chiamati ATP sintasi (Figura \(\PageIndex{5}), anch’essi situati nelle membrane sopra menzionate, per catalizzare la sintesi di ATP da ADP e fosfato. Questa generazione di ATP avviene quando i protoni attraversano la membrana attraverso i complessi di ATP sintasi e rientrano nel citoplasma batterico (Figura 5), nella matrice dei mitocondri o nello stroma dei cloroplasti. Mentre i protoni si muovono lungo il gradiente di concentrazione attraverso l’ATP sintasi, l’energia rilasciata fa ruotare il rotore e l’asta dell’ATP sintasi. L’energia meccanica di questa rotazione viene convertita in energia chimica quando il fosfato viene aggiunto all’ADP per formare ATP.
La forza motrice dei protoni è usata anche per trasportare sostanze attraverso le membrane durante il trasporto attivo e per far ruotare i flagelli batterici.
Alla fine della catena di trasporto degli elettroni coinvolta nella respirazione aerobica, l’ultimo trasportatore di elettroni nella membrana trasferisce 2 elettroni a mezza molecola di ossigeno (un atomo di ossigeno) che contemporaneamente si combina con 2 protoni dal mezzo circostante per produrre acqua come prodotto finale (Figura \(\PageIndex{3}). Le catene di trasporto degli elettroni coinvolte nella fotosintesi trasferiscono infine 2 elettroni a NADP+ che si combina simultaneamente con 2 protoni dal mezzo circostante per produrre NADPH.