# Catena di trasporto degli elettroni

La catena di trasporto degli elettroni è un processo cellulare di ossidoriduzione che avviene nei mitocondri tramite trasferimento di elettroni. È un meccanismo fondamentale per la respirazione cellulare e costituisce la prima parte della fosforilazione ossidativa, che termina con la sintesi di ATP.
È costituita da una serie di complessi enzimatici lipoproteici capaci di acquisire atomi di idrogeno da molecole donatrici quali i coenzimi NADH, FADH$_2$ e succinati. La catena di trasporto separa gli elettroni dai protoni. Gli elettroni, attraverso la membrana interna mitocondriale, vengono veicolati tramite vari complessi proteici verso l'accettore finale che è l'ossigeno. I trasportatori hanno potenziali di riduzione crescenti, in modo che gli elettroni, passando a uno stato energetico via via inferiore, liberino energia utilizzata per attivare i canali di trasporto transmembrana.
I protoni vengono liberati all'interno dello spazio intermembrana creando ai due lati della membrana interna, tramite il gradiente di concentrazione di ioni H$^+$, un potenziale elettrochimico, utilizzato nella tappa finale in parte per la sintesi di ATP e in parte come fonte di calore necessario al mantenimento della temperatura corporea.

## Tappe

Ogni tappa rappresenta una pompa protonica localizzata nella membrana interna del mitocondrio.
1. Da NADH a Coenzima Q: il NADH viene ossidato liberando due elettroni e riducendo la FMN a FMNH$_2$. Quest'ultima, riossidandosi, trasferisce due elettroni al gruppo prostetico (costituito da centri Fe-S) dell'enzima NADH-coenzima Q reduttasi (o coenzima Q reduttasi o NADH deidrogenasi o complesso I). I centri Fe-S trasferiscono gli elettroni al coenzima Q trasformandolo in QH$_2$ passando da Fe$^{2+}$ a Fe$^{3+}$.
    Tappa alternativa: invece che ridurre l'FMN a FMNH$_2$ si riduce il FAD a FADH$_2$. La riduzione del FAD tramite ossidazione del succinato a fumarato porta alla formazione di FADH$_2$ che viene ossidato dal centro Fe-S (che si riduce da Fe$^{3+}$ a Fe$^{2+}$). La successiva ossidazione del Fe riduce Q a QH$_2$. L'enzima di questa tappa è il succinato-coenzima Q reduttasi (o complesso II)
Questa pompa protonica porta 4 protoni fuori dalla matrice del mitocondrio e abbiamo un flusso di 2 elettroni per ogni NADH. Nella tappa alternativa non c'è trasporto di protoni.
2. Da QH$_2$ a citocromo c (ciclo Q) : il QH$_2$ si ossida a Q liberando due H$^+$ e riducendo il Fe$^{3+}$ del citocromo b a Fe$^{2+}$ che riossidandosi a sua volta riduce i centri Fe-S da Fe$^{3+}$ a Fe$^{2+}$. La successiva ossidazione di questi centri riduce il Fe$^{3+}$ del citocromo c$_1$ a Fe$^{2+}$. Il Fe$^{2+}$ del citocromo c$_1$ riossidandosi riduce il Fe$^{3+}$ del citocromo c a Fe$^{2+}$. L'enzima di questa tappa è il QH$_2$-citocromo c reduttasi (o citocromo c reduttasi o complesso III).
    Durante questa tappa due protoni vengono prelevati dalla matrice e quattro vengono liberati nel citoplasma mitocondriale.
3. Da citocromo c a O$_2$ : il Fe$^{2+}$ del citocromo c viene ossidato riducendo il Fe$^{3+}$ del citocromo a; quest'ultimo riossidandosi riduce il Fe$^{3+}$ del citocromo a$_3$. Il Fe$^{2+}$ del citocromo a$_3$ riduce il Cu$^{2+}$ legato alla citocromo ossidasi (o citocromo c ossidasi o complesso IV) a Cu$^{1+}$ che riossidandosi riduce l'O$^{2-}$ a H$_2$O consumando due H$^+$ ogni O.
    Altri due protoni vengono portati dalla matrice allo spazio intermembrana.
Il gradiente formatosi a cavallo della membrana mitocondriale interna viene utilizzato dall'enzima ATP sintasi che riporta i protoni nella matrice mitocondriale per formare ATP a partire dai suoi substrati ADP e fosforo inorganico (P$_I$).

## Complessi proteici

I complessi normalmente associati alla catena di trasporto degli elettroni mitocondriale sono quattro:
* Complesso I – NADH deidrogenasi, chiamato anche Coenzima Q reduttasi: questo complesso riceve due elettroni dal coenzima NADH e li trasferisce interamente al secondo trasportatore della catena di trasporto degli elettroni, cioè il Coenzima Q. L'energia ricavata dal passaggio degli elettroni è utilizzata da questo complesso per trasportare 4 protoni nello spazio intermembrana.
* Complesso II – Succinato deidrogenasi: è parte del ciclo di Krebs.
* Complesso III – Complesso del citocromo bc$_1$, anche detto Citocromo c reduttasi: riceve elettroni dal Coenzima Q e li cede al citocromo c; in seguito trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana (ciclo Q)
* Complesso IV – Citocromo-c ossidasi: è l'ultimo complesso, quello che trasferisce gli elettroni direttamente all'ossigeno (proveniente dai polmoni) trasformandolo insieme agli ioni H$^+$, in H$_2$O. Anche questo trasporta 4 protoni nello spazio intermembrana.
Tutti questi sono complessi lipoproteici che contengono flavina, cluster ferro-zolfo o rame. I complessi I, III e IV sono "pompe protoniche".

## Altre molecole

All'interno della catena di trasporto degli elettroni, oltre ai complessi proteici, ci sono anche molecole più semplici (già citate in precedenza) che sono il Coenzima Q ed il Citocromo c:

### Il Coenzima Q

    Viene anche chiamato Ubichinone, si trova tra il Complesso I ed il Complesso III ed ha la funzione di ricevere atomi di idrogeno e donare elettroni al complesso successivo. Questo infatti è il responsabile della separazione dei protoni (che vengono liberati nella matrice mitocondriale) dagli elettroni.
    Il coenzima FADH2, avendo minore energia del NADH, dona direttamente al Coenzima Q i suoi atomi di idrogeno senza passare per il complesso I.
    L'Ubichinone, molecola lipofila, si trova in cluster disciolti all'interno del doppio strato lipidico della membrana mitocondriale interna.

### Il Citocromo c

    Anche il Citocromo c è una parte essenziale della catena di trasporto degli elettroni. È una proteina periferica di membrana, solubile e debolmente associata alla membrana mitocondriale interna (sul versante che affaccia sullo spazio intermembrana) e trasferisce elettroni tra i complessi III e IV.
    Questo è dotato, come tutti i citocromi, di un gruppo prostetico chiamato gruppo eme e costituito da un anello tetrapirrolico che coordina un atomo di ferro. Il Citocromo c permette il passaggio degli elettroni tramite l'oscillazione del ferro dalla forma ferrica Fe$^{3+}$ (ossidata) alla forma ferrosa Fe$^{2+}$ (ridotta).

## Inibitori

La catena di trasporto degli elettroni può essere inibita da svariati veleni. Tra essi si annoverano l'ossido di carbonio, i cianuri (entrambi inibitori del complesso IV), l'antimicina (inibitore del complesso III), l'amital e il rotenone (inibitori del complesso I).

## Disaccoppianti

La catena respiratoria può essere disaccoppiata dalla fosforilazione ossidativa tramite alcuni agenti come il 2,4-dinitrofenolo, il dicumarolo e la tiroxina. In questo modo il ciclo di Krebs avviene normalmente, quindi si consuma ossigeno e si produce anidride carbonica e acqua, ma l'energia liberata viene dissipata sotto forma di calore. I disaccoppianti sono comunque compatibili con la vita, grazie alle due molecole di ATP prodotte dalla fosforilazione al livello del substrato durante la glicolisi e alla molecola di ATP (GTP) prodotta dalla fosforilazione al livello del substrato nel ciclo di Krebs.