La catena di trasporto degli elettroni (ETC) è il processo biochimico che produce la maggior parte del carburante di una cellula negli organismi aerobici. Ciò comporta l'accumulo di una forza motrice protonica (PMF), che consente la produzione di ATP, il principale catalizzatore delle reazioni cellulari. L'ETC è una serie di reazioni redox in cui gli elettroni vengono trasferiti dai reagenti alle proteine ​​mitocondriali. Questo dà alle proteine ​​la capacità di spostare i protoni attraverso un gradiente elettrochimico, formando il PMF.

Il ciclo di acido citrico si nutre nell'ETC

I principali reagenti biochimici dell'ETC sono i donatori di elettroni succinati e nicotinammide adenina dinucleotide idrato (NADH). Questi sono generati da un processo chiamato ciclo dell'acido citrico (CAC). I grassi e gli zuccheri vengono scomposti in molecole più semplici come il piruvato, che poi si nutrono nel CAC. Il CAC elimina l'energia da queste molecole per produrre le molecole dense di elettroni necessarie all'ETC. Il CAC produce sei molecole di NADH e si sovrappone all'ETC quando forma succinato, l'altro reagente biochimico.

NADH e FADH2

La fusione di una molecola precursore povera di elettroni chiamata nicotinamide adenina dinucleotide (NAD +) con un protone forma NADH. L'NADH è prodotto all'interno della matrice mitocondriale, la parte più interna del mitocondrio. Le varie proteine ​​di trasporto dell'ETC si trovano sulla membrana interna mitocondriale, che circonda la matrice. Il NADH dona gli elettroni a una classe di proteine ​​ETC chiamate deidrogenasi NADH, note anche come Complesso I. Ciò interrompe il NADH in NAD + e un protone, trasportando quattro protoni fuori dalla matrice nel processo, aumentando il PMF. Un'altra molecola chiamata flavina adenina dinucleotide (FADH2) svolge un ruolo simile a quello di un donatore di elettroni.

Succinato e QH2

La molecola di succinato viene prodotta da una delle fasi intermedie del CAC e successivamente degradato in fumarato per aiutare a formare il donatore di elettroni diidroquinone (QH2). Questa parte del CAC si sovrappone all'ETC: QH2 alimenta una proteina di trasporto chiamata Complex III, che agisce per espellere ulteriori protoni dalla matrice mitocondriale, aumentando il PMF. Il Complesso III attiva un ulteriore complesso chiamato Complesso IV, che rilascia ancora più protoni. Quindi, la degradazione del succinato al fumarato provoca l'espulsione di numerosi protoni dal mitocondrio attraverso due complessi proteici interagenti.

Ossigeno

Le cellule sfruttano l'energia attraverso una serie di reazioni di combustione lente e controllate. Molecole come piruvato e succinato liberano energia utile quando vengono bruciate in presenza di ossigeno. Gli elettroni nell'ETC vengono infine passati all'ossigeno, che viene ridotto in acqua (H2O), assorbendo quattro protoni nel processo. In questo modo, l'ossigeno agisce sia come destinatario di un elettrone terminale (è l'ultima molecola per ottenere gli elettroni ETC) sia come un reagente essenziale. L'ETC non può avvenire in assenza di ossigeno, quindi le cellule affette da ossigeno ricorrono a respirazione anaerobica altamente inefficiente.

ADP e Pi

L'obiettivo finale dell'ETC è produrre l'energia alta molecola adenosina trifosfato (ATP) per catalizzare reazioni biochimiche. I precursori dell'ATP, dell'adenosina difosfato (ADP) e del fosfato inorganico (Pi) sono facilmente importati nella matrice mitocondriale. Ci vuole una reazione ad alta energia per legare insieme ADP e Pi, che è dove lavora il PMF. Consentendo il ritorno dei protoni nella matrice, viene prodotta energia di lavoro, costringendo la formazione di ATP dai suoi precursori. Si stima che 3,5 idrogeni debbano entrare nella matrice per la formazione di ciascuna molecola di ATP.