Qual è la catena respiratoria?

definizione

La catena respiratoria è un processo per generare energia nelle cellule del nostro corpo. Si unisce al ciclo dell'acido citrico ed è l'ultimo passo nella scomposizione di zuccheri, grassi e proteine. La catena respiratoria si trova nella membrana interna dei mitocondri. Nella catena respiratoria, gli equivalenti di riduzione (NADH + H + e FADH2) che si sono formati nel frattempo vengono nuovamente ossidati (gli elettroni vengono emessi), per cui può essere costruito un gradiente protonico. Questo viene infine utilizzato per formare il vettore energetico universale ATP (adenosina trifosfato). Anche l'ossigeno è necessario affinché la catena respiratoria possa scorrere completamente.

Sequenza della catena respiratoria

La catena respiratoria è integrata nella membrana mitocondriale interna e consiste in un totale di cinque complessi enzimatici. Segue il ciclo dell'acido citrico, in cui si formano gli equivalenti di riduzione NADH + H + e FADH2. Questi equivalenti di riduzione immagazzinano temporaneamente energia e vengono nuovamente ossidati nella catena respiratoria. Questo processo ha luogo nei primi due complessi enzimatici nella catena respiratoria.

Complesso 1: NADH + H + raggiunge il primo complesso (NADH ubichinone ossidoreduttasi) e rilascia due elettroni. Allo stesso tempo, 4 protoni vengono pompati dallo spazio della matrice nello spazio intermembrana.

Complesso 2: FADH2 rilascia i suoi due elettroni nel secondo complesso enzimatico (succinato-ubichinone-ossidoreduttasi), ma nessun protone entra nello spazio intermembrana.

Complesso 3: Gli elettroni rilasciati vengono passati al terzo complesso enzimatico (ubichinone citocromo c ossidoreduttasi), dove altri 2 protoni vengono pompati dallo spazio della matrice nello spazio intermembrana.

Complesso 4: alla fine, gli elettroni arrivano al quarto complesso (citocromo c ossidasi). Qui gli elettroni vengono trasferiti all'ossigeno (O2), in modo che con due protoni aggiuntivi si crei acqua (H2O). Nel processo, 2 protoni entrano di nuovo nello spazio intermembrana.

Complesso 5: un totale di otto protoni sono stati ora pompati dallo spazio della matrice nello spazio intermembrana. Il requisito fondamentale per la catena di trasporto degli elettroni è la crescente elettronegatività del complesso enzimatico. Ciò significa che la capacità dei complessi enzimatici di attrarre elettroni negativi sta diventando più forte.
Oltre al primo prodotto finale, l'acqua, è stato costruito un gradiente protonico nello spazio intermembrana attraverso la catena respiratoria. Questo immagazzina l'energia che viene utilizzata per costruire ATP (adenosina trifosfato). Questo è il compito del quinto e ultimo complesso enzimatico (ATP sintasi). Il quinto complesso attraversa la membrana mitocondriale come un tunnel. Attraverso questo, guidati dalla differenza di concentrazione, i protoni rifluiscono nello spazio della matrice. Questo crea ATP da ADP (adenosina difosfato) e fosfato inorganico, che è disponibile per l'intero organismo.

Cosa fa la pompa protonica?

La pompa protonica è il quinto e ultimo complesso enzimatico nella catena respiratoria. Attraverso questo i protoni rifluiscono dallo spazio intermembrana nello spazio della matrice. Ciò è reso possibile solo dalla differenza di concentrazione precedentemente stabilita tra i due spazi di reazione. L'energia immagazzinata nel gradiente protonico viene utilizzata per sintetizzare alla fine ATP (adenosina trifosfato) da fosfato e ADP.
L'ATP è il vettore energetico universale del nostro corpo ed è essenziale per una varietà di reazioni. Poiché è generato dalla pompa protonica, è anche noto come ATP sintasi.

Equilibrio della catena respiratoria

Il prodotto finale decisivo della catena respiratoria è l'ATP (adenina trifosfato), che è un vettore energetico universale nel corpo. L'ATP viene sintetizzato con l'aiuto di un gradiente protonico che si manifesta durante la catena respiratoria. NADH + H + e FADH2 sono efficienti in modo diverso. NADH + H + viene ossidato di nuovo in NAD + nella catena respiratoria al primo complesso enzimatico e pompa un totale di 10 protoni nello spazio intermembrana. Quando FADH2 viene ossidato, la resa è inferiore, perché solo 6 protoni vengono trasportati nello spazio intermembrana. Questo perché FADH2 viene introdotto nella catena respiratoria in corrispondenza del secondo complesso enzimatico e quindi bypassa il primo complesso. Per sintetizzare un ATP, 4 protoni devono fluire attraverso il quinto complesso.
Di conseguenza, per NADH + H + 2,5 ATP (10/4 = 2,5) e per FADH2 1,5 ATP (6/4 = 1,5) sono prodotti.
Quando una molecola di zucchero viene scomposta tramite glicolisi, ciclo dell'acido citrico e catena respiratoria, può essere generato un massimo di 32 ATP, che è disponibile per l'organismo.

Che ruolo giocano i mitocondri?

I mitocondri sono organelli cellulari presenti negli organismi animali e vegetali. Vari processi energetici avvengono nei mitocondri, inclusa la catena respiratoria. Poiché la catena respiratoria è il processo decisivo per la generazione di energia, i mitocondri sono anche chiamati le "centrali elettriche della cellula". Hanno una doppia membrana, in modo da creare un totale di due spazi di reazione separati. All'interno si trova lo spazio della matrice e lo spazio intermembrana tra le due membrane. Questi due spazi sono fondamentali per il flusso della catena respiratoria. Solo in questo modo è possibile costruire un gradiente protonico, importante per la sintesi dell'ATP.

Leggi di più sull'argomento in questo articolo: Struttura dei mitocondri

Cosa fa il cianuro nella catena respiratoria?

I cianuri sono tossine pericolose, compresi i composti di acido cianidrico. Sono in grado di arrestare la catena respiratoria.
Nello specifico, il cianuro si lega al ferro del quarto complesso della catena respiratoria. Di conseguenza, gli elettroni non possono più essere trasferiti all'ossigeno molecolare. Di conseguenza, l'intera catena respiratoria non può più scorrere.
Il risultato è una mancanza della fonte di energia ATP (adenosina trifosfato) e si verifica il cosiddetto "soffocamento interno". Sintomi come vomito, perdita di coscienza e crampi si verificano molto rapidamente dopo l'avvelenamento da cianuro e, se non trattati, portano a una morte rapida.

Cos'è un difetto della catena respiratoria?

Un difetto della catena respiratoria è una rara malattia metabolica che spesso si manifesta durante l'infanzia. La causa sono i cambiamenti nelle informazioni genetiche (DNA). I mitocondri sono limitati nella loro funzione e la catena respiratoria non funziona correttamente. Ciò è particolarmente evidente negli organi che consumano molta energia sotto forma di ATP (adenosina trifosfato).
Un sintomo tipico è, ad esempio, dolore muscolare o debolezza muscolare.
La terapia per questa malattia è difficile perché è una malattia ereditaria. Dovrebbe essere assicurato che vi sia una quantità sufficiente di energia (ad esempio attraverso il glucosio). Altrimenti è appropriato un trattamento puramente sintomatico.