Un complesso sistema di enzimi e altre molecole, proteiche e non proteiche, localizzato nelle creste della membrana interna del mitocondrio è noto come catena respiratoria. Alcune proteine della catena respiratoria sporgono dalla membrana, altre si estendono da un lato all'altra di essa. Al microscopio elettronico la membrana interna, presenta, infatti, un aspetto ruvido e la sua superficie a contatto della matrice è costellata da escrescenze globulari a forma di “lecca-lecca” come si può vedere in figura:
Alcuni componenti della catena respiratoria si comportano da trasportatori di elettroni.
Teoria chemiosmotica
Secondo la teoria chemiosmotica alcuni componenti della catena respiratoria fungono da pompe di H+ in quanto trasportano tali ioni dal lato interno a quello esterno della membrana interna del mitocondrio, ovvero dalla matrice al compartimento esterno. Perciò gli H+ si accumulano sulla faccia esterna della membrana interna, che conseguentemente diviene elettricamente positiva. Alcuni trasportatori sono i citocromi illustrati in figura
Un tipo di proteine che, come l'emoglobina, contengono un gruppo eme, che reca al centro uno ione ferro che, nel caso dei citocromi può passare facilmente dalla forma ridotta Fe2+ a quella ossidata Fe3+ e viceversa. Ogni trasportatore di elettroni consiste di una forma ridotta, capace di cedere elettroni, e di una forma ossidata, capace di acquistare elettroni. Le due forme costituiscono una coppia coniugata riducente-ossidante. Ad ogni coppia redox è associato un determinato valore di potenziale standard di riduzione. Affinché il processo di trasferimento di elettroni funzioni è necessario che intervengano di volta in volta due coppie redox.
Coppie redox della catena respiratoria
| Serie dei potenziali standard di riduzione a 25°C e pH 7 di alcune coppie redox della catena respiratoria | ||
| Forma ossidata | Forma ridotta | Potenziale standard (V) |
| NAD+ + 2 H+ + 2e– ⇌ NADH + H+ | E° = – 0.320 | |
| FMN + 2 H+ + 2e– ⇌ FMNH2 | E° = -0.219 | |
| FAD + 2 H+ + 2e– ⇌ FADH2 | E° = -0.219 | |
| ubichinone + 2 H+ + 2e– ⇌ ubichinolo | E° = + 0.100 | |
| 2 citocromo box + 2e– ⇌ 2 citocromo bred | E° = + 0.077 | |
| 2 citocromo c1ox + 2e– ⇌ 2 citocromo c1red | E° = + 0.220 | |
| 2 citocromo cox + 2e– ⇌ 2 citocromo cred | E° = + 0.254 | |
| 2 citocromo aox + 2e– ⇌ 2 citocromo ared | E° = + 0.290 | |
| ½ O2 + 2 H+ + 2e– ⇌ H2O | E° = + 0.816 | |
I vari trasportatori di elettroni sono disposti secondo una precisa sequenza, in modo che ciascun trasportatore lungo la catena abbia un potenziale di riduzione mano a mano crescente indicante una maggiore tendenza a ridursi, ossia a ricevere elettroni. Pertanto, la forma ridotta di ogni coppia redox cede i propri elettroni alla forma ossidata della coppia redox successiva che, avendo un potenziale maggiore è più “avida” di elettroni. Alcuni trasportatori di elettroni occupano una posizione fissa nella membrana; altri, invece, sono liberi di muoversi e fungono da navette tra i trasportatori fissi.
Flusso di elettroni
Il flusso di elettroni attraverso la catena respiratoria inizia quando, su un lato della membrana a contatto con la matrice, una molecola di NADH e l'ambiente interno cedono due elettroni e due ioni H+ al primo trasportatore della catena come si può vedere in figura:
I due elettroni sono poi ceduti al successivo trasportatore, mentre i due ioni H+ sono “pompati” sul lato esterno della membrana.
A sua volta il secondo trasportatore passa gli elettroni a un terzo trasportatore e così via.
Alla fine della catena, i due elettroni che si trovano a un livello ormai ridotto di energia, migrano verso la matrice, dove si combinano con l'accettore finale, l'ossigeno che si trasforma in O2-.
L'ossigeno così ridotto forma H2O perché si combina con due ioni H+ ritrasportati all'interno della matrice. Se manca l'ossigeno, indispensabile per smaltire il flusso di elettroni lungo la catena respiratoria, l'intero processo si arresta immediatamente, e la cellula, o l'organismo, se strettamente aerobico, muore. Lo stesso avviene se qualsiasi altro passaggio della catena respiratoria viene bloccato: il flusso di elettroni si arresta e tutto il sistema cessa di funzionare.
Alcuni veleni interferiscono con uno dei passaggi della catena respiratoria: lo ione cianuro, ad esempio, si lega agli ioni ferro di uno dei citocromi, bloccando la loro capacità di trasferire elettroni.
Il trasferimento di ioni H+ da un lato all'altro della membrana interna del mitocondrio crea una fonte di energia potenziale sfruttata dalla cellula per produrre ATP.
Gli ioni H+ pompati nel compartimento esterno del mitocondrio tendono, infatti, a comportarsi come dell'acqua che sia stata pompata da un bacino, situato ad un certo livello, a un bacino situato a un livello maggiore.
Al pari dell'acqua che, ricadendo, al livello di partenza può azionare una turbina convertendo la sua energia potenziale in energia cinetica, così gli ioni H+, in eccesso da un lato della membrana, tendono a passare all'altro lato, liberando energia.
Mitocondri
A questo punto entrano in gioco due caratteristiche della membrana interna dei mitocondri:
- impermeabilità nei confronti degli ioni
- escrescenze globulari a forma di lecca-lecca.
L'impermeabilità della membrana impedisce agli ioni H+ più concentrati nel compartimento esterno di ritornare liberamente per semplice diffusione nella matrice. Le escrescenze globulari sono costituite da proteine; parte di queste proteine forma un canale che collega i due lati della membrana e offre una via attraverso la quale possono riversarsi gli ioni H+ in eccesso; le restanti proteine costituiscono un sistema enzimatico denominato ATP sintetasi, che sfrutta il dislivello di potenziale degli ioni H+ per sintetizzare ATP da ADP e Pi. Il terzo stadio della respirazione, denominato fosforilazione ossidativa, richiede da un lato la presenza di ossigeno per il funzionamento della catena respiratoria e dall'altro sfrutta l'energia liberata durante il trasferimento degli elettroni per fosforilare l'ADP da ATP.
