Respirația celulară (partea a IV-a): lanțul transportor de electroni

În părțile anterioare am învățat despre două căi metabolice – glicoliza și ciclul acidului citric – care utilizează catabolismul glucozei pentru a genera ATP. Totuși, majoritatea ATP-ului generat în timpul catabolismului aerob al glucozei nu este generat direct din aceste căi. Mai degrabă, este derivat dintr-un proces care începe cu trecerea electronilor printr-o serie de transportori de electroni care suferă reacții redox. Acest lucru face ca ionii de hidrogen să se acumuleze în spațiul intermembranar. Prin urmare, se formează un gradient de concentrație în care ionii de hidrogen difuzează din spațiul intermembranar în matricea mitocondrială, trecând prin enzima ATP-sintază. Fluxul ionilor de hidrogen alimentează acțiunea catalitică a enzimei, care fosforilează ADP-ul la ATP.

Lanțul transportor de electroni

Lanțul de transport de electroni (Figura 7) reprezintă ultima componentă a respirației aerobe și este singura parte a metabolismului glucozei care utilizează oxigenul atmosferic. Oxigenul difuzează continuu în plante; la animale, el pătrunde în organism prin sistemul respirator.

Transportul de electroni reprezintă o serie de reacții redox care seamănă cu o cursă de ștafetă, prin aceea că electronii sunt transferați rapid de la o componentă la alta, până la punctul final al lanțului, unde ei reduc oxigenul molecular, producând apă. Există patru complexe compuse din proteine, marcate de la I la IV, iar totalitatea acestor patru complexe, împreună cu purtătorii de electroni mobili, accesorii, se numește lanț transportor de electroni. Lanțul transportor de electroni este prezent în mai multe copii în membrana internă a mitocondriilor eucariotelor și în membrana plasmatică a procariotelor.

Figura 7 – Lanțul transportor de electroni reprezintă o serie de transportatori de electroni încorporați în membrana mitocondrială interioară care transportă electronii de la NADH și FADH,₂ la oxigenul molecular. În acest proces, protonii sunt pompați din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar, iar oxigenul este redus pentru a forma apă.

Complexul I

Pentru început, doi electroni sunt transportați către primul complex prin intermediul NADH. Acest complex, denumit complexul I, este compus dintr-o flavin- mononucleotidă (FMN) și o proteină ce conține fier-sulf (Fe-S). FMN, care este derivată din vitamina B2, numită și riboflavină, este una dintre grupările prostetice (cofactori) din lanțul transportor de electroni.

O grupare prostetică este o moleculă neproteică necesară pentru activitatea unei proteine. Grupările prostetice sunt molecule organice sau anorganice, nepeptidice, legate de o proteină, care facilitează funcția acesteia; grupările prostetice includ co-enzimele (grupările prostetice ale enzimelor).

Enzima din complexul I este NADH-dehidrogenaza și este compusă din 44 de lanțuri polipeptidice separate. Complexul I poate pompa prin membrana mitocondrială patru ioni de hidrogen din matricea mitocondrială în spațiul intermembranar și în acest fel se stabilește și se menține gradientul ionilor de hidrogen între cele două compartimente separate de membrana internă mitocondrială.

Q și complexul II

Complexul II primește direct FADH₂, care nu trece prin complexul I. Compusul care leagă primul și al doilea complex de al treilea este ubichinona (Q). Molecula Q este solubilă în lipide și se deplasează liber prin miezul hidrofob al membranei.

Odată ce este redusă (la QH₂), ubichinona își livrează electronii către următorul complex din lanțul  transportor de electroni. Q primește electronii de la NADH din complexul I și electronii de la FADH2 din complexul II. Această enzimă și FADH₂ formează un mic complex care livrează electroni direct lanțului transportor de electroni, ocolind primul complex. Deoarece acești electroni ocolesc și, prin urmare, nu activează pompa de protoni din primul complex, din electronii FADH₂ se formează mai puține molecule de ATP. Numărul de molecule de ATP obținute în cele din urmă este direct proporțional cu numărul de protoni pompați prin membrana internă mitocondrială.

Complexul III

Al treilea complex este compus din citocromul b, o altă proteină cu Fe-S, centrul Rieske (centrul 2Fe-2S) și proteinele citocromului c; acest complex se mai numește și citocrom-oxidoreductază. Proteinele citocromului prezintă o grupare hem cu rol de grupare protetică. Molecula de hem este similară cu hemul din hemoglobină, dar transportă electroni, nu oxigen. Ca urmare, ionul de fier din miezul său este redus și oxidat pe măsură ce transferă electronii, fluctuând între diferite stări de oxidare: Fe²⁺ (redus) și Fe³⁺ (oxidat). Moleculele hem din citocromi au caracteristici ușor diferite datorită efectelor diferitelor proteine care le leagă, ceea ce conferă caracteristici ușor diferite fiecărui complex.

Complexul III pompează protoni prin membrană și își transferă electronii către citocromul c pentru a fi transportați la al patrulea complex de proteine și enzime (citocromul c este acceptorul de electroni din Q; totuși, în timp ce Q transportă perechi de electroni, citocromul c poate accepta doar un singur electron la un moment dat).

Complexul IV

Al patrulea complex este compus din proteinele citocromilor c, a și a₃. Acest complex conține două grupări hem (câte una în fiecare dintre cei doi citocromi a și a₃) și trei ioni de cupru (o pereche de Cu_A și un Cu_B în citocromul a₃). Citocromii țin o moleculă de oxigen foarte strâns între ionii de fier și de cupru până când oxigenul este complet redus. Oxigenul redus preia apoi doi ioni de hidrogen din mediul înconjurător pentru a genera o moleculă de apă (H₂O). Îndepărtarea ionilor de hidrogen din sistem contribuie la gradientul ionic utilizat în procesul de chemiosmoză.

Chemiosmoza

În chemiosmoză, energia liberă din seria de reacții redox descrise mai sus este folosită pentru a pompa ionii de hidrogen (protoni) prin membrană. Distribuția neuniformă a ionilor de hidrogen de-a lungul membranei stabilește atât gradienții de concentrație, cât și electrici (deci, un gradient electrochimic), datorită sarcinii pozitive a ionilor de hidrogen și agregării acestora pe o parte a membranei.

Dacă membrana ar permite difuzia liberă a ionilor de hidrogen, aceștia ar tinde să difuzeze înapoi în matrice, în sensul gradientului lor electrochimic. Să ne amintim că mulți ioni nu pot difuza prin regiunile nepolare ale membranelor fosfolipidice fără ajutorul canalelor ionice. În mod similar, ionii de hidrogen din spațiul matricei pot trece prin membrana internă mitocondrială doar printr-o proteină integrată în membrană denumită ATP-sintază (Figura 8). Această proteină complexă acționează ca un mic generator, activat de forța ionilor de hidrogen care difuzează prin ea, în sensul gradientului lor electrochimic. Această mașinărie moleculară facilitează adăugarea unei grupări fosfat la ADP, formând o moleculă de ATP, folosind energia potențială a gradientului ionilor de hidrogen.

Figura 8 – ATP-sintaza este o mașinărie moleculară complexă, care utilizează un gradient de protoni (H⁺) pentru a forma ATP din ADP și fosfat anorganic (Pi).

Chemiosmoza (Figura 8) este utilizată pentru a genera 90% din ATP-ul produs în timpul catabolismului aerob al glucozei; este, de asemenea, metoda folosită în reacțiile sensibile la lumină ale fotosintezei pentru a valorifica energia luminii solare în procesul de fotofosforilare. Să ne amintim că producția de ATP folosind procesul de chemiosmoză în mitocondrii se numește fosforilare oxidativă.

Rezultatul general al acestor reacții este producerea de ATP din energia electronilor îndepărtați din atomii de hidrogen. Acești atomi au fost inițial parte a unei molecule de glucoză. La sfârșitul căii, electronii sunt utilizați pentru a reduce o moleculă de oxigen la ioni de oxigen. Electronii suplimentari din oxigen atrag ionii de hidrogen (protonii) din mediul înconjurător și se formează apa.

Figura 9 – În fosforilarea oxidativă, gradientul de pH format de lanțul transportor de electroni este folosit de ATP-sintază pentru a genera ATP.

Producția de ATP

Numărul de molecule de ATP generate de catabolismul glucozei variază. De exemplu, numărul de ioni de hidrogen pe care complexele lanțului transportor de electroni îi pot pompa prin membrană variază între specii. O altă sursă de variație provine din transferul de electroni prin membranele mitocondriilor. (NADH generat în glicoliză nu poate pătrunde cu ușurință în mitocondrii.) Astfel, electronii sunt preluați din interiorul mitocondriilor fie de către NAD⁺, fie de către FAD⁺. FAD⁺ poate transporta mai puțini ioni; în consecință, sunt generate mai puține molecule de ATP atunci când FAD⁺ acționează ca transportor. NAD⁺ este folosit ca transportor de electroni în ficat, iar FAD⁺ acționează în creier.

Un alt factor care afectează randamentul moleculelor de ATP generate din glucoză este utilizarea compușilor intermediari ai acestor căi în alte scopuri. Catabolismul glucozei se conectează cu căile care sintetizează sau descompun toți ceilalți compuși biochimici din celule, iar rezultatul este oarecum mai dezordonat decât situațiile ideale descrise până acum.

De exemplu, alte zaharuri decât glucoza sunt introduse în calea glicolitică pentru extracția energiei. Mai mult decât atât, zaharurile cu cinci atomi de carbon care formează acizii nucleici sunt obținute din intermediari ai glicolizei. Anumiți aminoacizi neesențiali pot fi obținuți din intermediari atât ai glicolizei, cât și ai ciclului acidului citric. Lipidele, cum ar fi colesterolul și trigliceridele, sunt, de asemenea, sintetizate din intermediari ai acestei căi, iar atât aminoacizii, cât și trigliceridele sunt descompuse pentru energie prin aceste căi. În general, în sistemele vii, aceste căi de catabolism al glucozei extrag aproximativ 34% din energia înmagazinată în glucoză.