Lanțul respirator și fosforilarea oxidativă

În respirația celulară aerobă, reacțiile anterioare produc NADH și FADH${}_2$, purtători de electroni. Lanțul respirator se află în membrana internă a mitocondriei și transferă electronii prin mai multe complexe. Energia eliberată de aceste transferuri este folosită pentru a pompa protoni din matrice în spațiul intermembranar. Se creează astfel un gradient, asemănător unei diferențe de potențial care poate fi valorificată de celulă.

Protonii revin prin enzima ATP-sintază, iar acest flux permite formarea de ATP din ADP și fosfat. Cuplarea gradientului de protoni cu formarea ATP se numește fosforilare oxidativă. Oxigenul primește electronii la capătul lanțului și, împreună cu protoni, contribuie la formarea apei. Dacă oxigenul lipsește, fluxul electronilor prin acest lanț nu poate continua în același mod.

Învață separat trei roluri: NADH și FADH${}_2$ aduc electroni, membrana internă păstrează gradientul de protoni, iar ATP-sintaza folosește gradientul pentru a produce ATP. Nu spune că electronii trec direct prin ATP-sintază sau că oxigenul este transformat în dioxid de carbon aici. Dioxidul de carbon apare în alte etape ale oxidării nutrimentelor. În bilanțul școlar al oxidării complete a unei molecule de glucoză se obțin 38 ATP: 2 în glicoliză, 2 în ciclul Krebs și 34 prin fosforilare oxidativă.

Complexele transportoare din membrana internă primesc electroni de la NADH și FADH${}_2$ pe căi de intrare diferite. Transferurile redox pompează protoni spre spațiul intermembranar; gradientul electrochimic rezultat alimentează ATP-sintaza când protonii revin în matrice. Oxigenul este acceptorul final de electroni. Fosforilarea oxidativă depinde de integritatea membranei, de disponibilitatea ADP și de regenerarea coenzimelor oxidate.

Electronii din NADH și FADH₂ trec prin complexe ale membranei mitocondriale interne spre oxigen, acceptorul final. Energia eliberată pompează protoni și creează un gradient; ATP-sintaza folosește întoarcerea lor pentru sinteza ATP. De exemplu, dacă oxigenul lipsește, fluxul electronilor se oprește, iar NADH nu mai este oxidat eficient în mitocondrie.

Lanțul respirator cuprinde patru complexe din membrana mitocondrială internă și doi transportori mobili. Complexul I (NADH-dehidrogenaza) primește electronii de la NADH, iar complexul II (succinat-dehidrogenaza) de la FADH₂; coenzima Q (ubichinona) duce electronii la complexul III (complexul citocromilor b și c₁), citocromul c îi duce la complexul IV (citocrom-oxidaza), iar acesta îi cedează oxigenului: $\frac{1}{2}{\mathrm{O}}_2+2{\mathrm{e}}^{-}+2{\mathrm{H}}^{+}\to {\mathrm{H}}_2\mathrm{O}$. Complexele I, III și IV pompează protoni din matrice în spațiul intermembranar, iar complexul II nu pompează protoni; de aceea FADH₂ produce mai puțin ATP decât NADH. Gradientul de protoni (diferența de pH și de sarcină) forțează protonii să revină în matrice prin ATP-sintază (complexul F₀F₁), care leagă ADP și fosfatul și formează ATP.

Funcționarea poate fi oprită de otrăvuri: cianura și monoxidul de carbon blochează citocrom-oxidaza, iar rotenona blochează complexul I. Decuplanții fac membrana permeabilă pentru protoni, astfel încât energia se pierde ca căldură; în țesutul adipos brun al nou-născuților, proteina decuplantă (termogenina) produce căldură în mod fiziologic. Celulele cu nevoie mare de ATP (mușchiul cardiac, neuronii) au multe mitocondrii.

Exemplu rezolvat 1: bilanțul de 38 ATP pentru o glucoză (convenția școlară).

1. NADH: 2 din glicoliză, 2 din decarboxilarea piruvatului și 6 din ciclul Krebs; total 10. Energia: $10\cdot 3=30$ ATP.
2. FADH₂: 2 din ciclul Krebs; energia: $2\cdot 2=4$ ATP.
3. ATP format direct: 2 în glicoliză și 2 (GTP) în ciclul Krebs; total 4 ATP.
4. Suma: $30+4+4=38$ ATP, din care $34$ rezultă prin fosforilare oxidativă ($30+4$).

Exemplu rezolvat 2: intoxicația cu cianură.

1. Cianura se leagă de citocrom-oxidaza (complexul IV) și blochează transferul electronilor spre oxigen.
2. Fluxul de electroni prin lanț se oprește, gradientul de protoni dispare și ATP-sintaza nu mai produce ATP.
3. Celulele nu mai pot folosi oxigenul, deși acesta este prezent în sânge; sângele venos rămâne roșu aprins.
4. Celulele trec la glicoliză anaerobă, se formează lactat și apare acidoza, iar țesuturile cu nevoie mare de energie (creierul, inima) suferă primele.

În convenția bilanțului școlar de 38 ATP pentru oxidarea aerobă completă a unei molecule de glucoză, un NADH furnizează 3 ATP, iar un FADH${}_2$ furnizează 2 ATP. În acest calcul, lanțul respirator valorifică electronii transportați de coenzime și oxigenul este acceptorul final. Pentru calcul, identifică numărul de molecule NADH și FADH${}_2$ produse în etapele anterioare și aplică randamentele convenționale fiecăreia.

Reține: lanțul respirator se află în membrana mitocondrială internă; oxigenul este acceptorul final de electroni și produce apă; ATP-sintaza folosește gradientul de protoni; NADH produce 3 ATP, iar FADH₂ 2 ATP (convenția școlară). Mitocondria este delimitată de două membrane; pliurile membranei interne (crestele) măresc suprafața pe care se află lanțul. Fosforilarea la nivel de substrat se petrece în glicoliză și în ciclul Krebs, iar fosforilarea oxidativă în membrana internă.

Exemplu în formatul examenului (complement grupat). Despre lanțul respirator sunt corecte afirmațiile:

1. Lanțul respirator se află în membrana mitocondrială internă.
2. Oxigenul este acceptorul final de electroni.
3. ATP-sintaza folosește gradientul de protoni pentru a forma ATP.
4. Lanțul respirator are loc în matricea mitocondrială.

• a) „Numai afirmațiile 1, 2 și 3 sunt corecte.”
• b) „Numai afirmațiile 1 și 3 sunt corecte.”
• c) „Numai afirmațiile 2 și 4 sunt corecte.”
• d) „Numai afirmația 4 este corectă.”
• e) „Toate afirmațiile sunt corecte sau toate sunt false.”

Răspuns: a. Afirmația 4 este falsă, deoarece lanțul respirator se află în membrana mitocondrială internă, iar matricea conține enzimele ciclului Krebs.

Greșeli frecvente

• Greșit: Oxigenul furnizează electronii transportați de NADH.
  Corect: NADH donează electroni, iar oxigenul este acceptorul final al acestora.
• Greșit: Lanțul respirator este același lucru cu ciclul Krebs și are loc în matrice.
  Corect: Lanțul respirator se află în membrana internă mitocondrială; ciclul Krebs se desfășoară în matrice.
• Greșit: Cianura blochează glicoliza.
  Corect: Cianura blochează citocrom-oxidaza din lanțul respirator, deci oprește folosirea oxigenului în mitocondrie.

Înainte și după