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Citocromo c ossidasi |
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Molecola del mese di maggio 2000 La citocromo c ossidasi è l'ultimo complesso della catena di trasporto degli elettroni e dona elettroni direttamente all'ossigeno O2  IntroduzioneL'ossigeno O2 è una molecola reattiva e tende a rompersi con facilità per combinarsi con altre molecole. Questo processo è chiamato ossidazione e lo vediamo nel mondo attorno a noi per esempio nell'arruginirsi del ferro nei chiodi e nelle ringhiere o nella combustione del legno nel caminetto. Le particolari proprietà della molecola di ossigeno, però, rendono la sua reazione molto lenta a bassa temperatura per cui il legno o il gas metano non si incendiano spontaneamente, ma richiedono un innesco per esempio con una scintilla o con un fiammifero acceso. Sia gli animali che le piante, ma anche molti microorganismi, usano la reazione con ossigeno per ottenere l'energia necessaria per loro processi vitali. Le molecole presenti nel cibo vengono ossidate e l'energia ottenuta da questa reazione è usata per costruire nuove molecole, per il movimento o per la riproduzione. Le molecole del cibo, però, non vengono ossidate con una fiamma altrimenti tutta l'energia ottenuta sarebbe dispersa in calore. L'ossidazione avviene in molti passaggi lenti e controllati, progettati per catturare sotto forma di energia chimica la maggior parte dell'energia liberata dalla reazione. Il complesso proteico citocromo c ossidasi controlla l'ultimo passaggio dell'ossidazione delle molecole ottenute dal cibo. A questo punto i nutrienti, per esempio il glucosio, sono stati ossidati completamente e trasformati in CO2, ma gli elettroni liberati da queste reazioni non sono ancora giunti all'ossigeno O2. Questi elettroni scorrono attraverso una serie di quattro complessi proteici chiamati catena di trasporto degli elettroni localizzata nella membrana interna dei mitocondri. Il quarto e ultimo complesso è la citocromo c ossidasi mostrata qui sopra (file PDB 1oco) che raccoglie gli elettroni dal complesso 3 e li fa arrivare all'ossigeno O2. Questo, unendosi a quattro ioni idrogeno, forma due molecole di acqua. Accumulare energia La reazione di ossigeno e idrogeno per formare acqua è un processo favorevole che rilascia molta energia. La loro reazione diretta è esplosiva ed è per questo che i dirigibili sono riempiti di elio e non di idrogeno. Nei mitocondri delle nostre cellule l'energia di questa reazione non viene liberata in modo incontrollato, ma viene accumulata sotto forma di differenza di acidità tra i due comparti che esistono nei mitocondri. Gli elettroni che fluiscono nella catena di trasporto azionano tre pompe protoniche che spostano ioni idrogeno dal cuore dei mitocondri verso lo spazio intermembrana. La prima pompa protonica è il complesso 1 (mdm 12/2011), la seconda è il complesso 3 (mdm 5/2011), il complesso 4, la citocromo c ossidasi, è la terza ed ultima di queste pompe protoniche. La citocromo c ossidasi è una proteina di membrana immersa nella membrana interna dei mitocondri. Questa è rappresentata, nella figura qui sopra, da due righe verdi. Notate che tra le due righe, nella porzione di proteina immersa nella membrana, vi sono amminoacidi apolari (sfere bianche) che possono interagire meglio con i lipidi che formano la membrana. Le porzioni esterne alla membrana, invece, sono ricche di amminoacidi polari (vi sono molti atomi di ossigeno, rossi, e di azoto, blu) che preferiscono un ambiente polare acquoso. Questa struttura è perfetta per la citocromo c ossidasi perché la mantiene ancorata mentre pompa ioni idrogeno da un lato all'altro della membrana usando l'energia degli elettroni che fluiscono verso l'ossigeno O2. Poi, l'energia accumulata come differenza di acidità viene usata per azionare l'enzima ATP sintasi (mdm 12-2005) che produce ATP mentre lascia tornare indietro gli ioni idrogeno attraverso la membrana interna.  Evoluzione
di un enzimaLa reazione con ossigeno nelle nostre cellule avviene all'interno di speciali organelli chiamati mitocondri. Se osservati al microscopio elettronico, i mitocondri assomigliano a normali batteri. Probabilmente sono il risultato di un'infezione batterica avvenuta in un lontano passato. Un batterio capace di vivere in presenza di ossigeno ha infettato una cellula evoluta, ma incapace di gestire l'ossigeno. Invece di morire quella cellula evoluta ha continuato a vivere insieme col batterio che portava dentro. Quando si è divisa per riprodursi, anche il batterio ha fatto altrettanto, così anche le cellule figlie hanno mantenuto il batterio invasore al loro interno. Dopo molte generazioni la cellula ospite e il batterio sono diventati totalmente dipendenti una dall'altro. Il batterio si è specializzato nel produrre energia in presenza di ossigeno e in cambio la cellula lo ha protetto e nutrito. Oggi quei batteri sono i nostri mitocondri, ma conservano ancora una biochimica primitiva tipica dei batteri. Una prova di questa relazione simbiotica si trova nella citocromo c ossidasi. Questo enzima nei mammiferi è molto complesso, infatti è composto di 13 catene proteiche, ed è mostrato qui a fianco (file PDB 1oco). Tre grandi catene nel cuore dell'enzima (gialla, arancione e rossa) realizzano la maggior parte del lavoro. Intorno a queste ve ne sono altre dieci più piccole (verdi e blu) come si vede nella prossima immagine qui sotto. Se osserviamo la citocromo c ossidasi batterica mostrata qui sopra sulla destra(file PDB 1qle), vediamo che è molto più semplice. E' composta solo di quattro catene. Tre sono simili alle tre catene nel cuore del nostro enzima (gialla, arancione, rossa), la quarta piccola catena (blu) è appena visibile, sporge un po' da sotto. Notate come questo enzima batterico assomigli al cuore di quello di mammifero più a sinistra.  I
nostri enzimi mitocondrialiLa somiglianza vista sopra è sorprendente, ma la storia e ancora più interessante. I nostri mitocondri contengono tutto il macchinario per la sintesi delle loro proteine. Hanno il DNA, i ribosomi e ogni altro enzima necessario. Nelle nostre cellule le tre catene fondamentali della citocromo c ossidasi vengono sintetizzate nei mitocondri, ma le altre dieci vengono sintetizzate fuori, nel citoplasma e vengono aggiunte alle altre tre in un secondo momento. Quindi i nostri mitocondri sintetizzano un enzima simile a quello batterico e poi le nostre cellule lo decorano con altre catene per ottimizzarne la funzione. Esplorando la struttura Una visione d'insieme della citocromo c ossidasi ci può dare un'idea della sua complessità. L'immagine qui sotto, realizzata con Chimera (vedi chimica al computer), è presa dal file PDB 1oco.  La citocromo c ossidasi ha quattro centri redox che devono caricarsi tutti di elettroni per realizzare la reazione dato che l'ossigeno O2 richiede 4 elettroni per ridursi e formare due molecole di acqua. Nella figura qui sotto (file PDB 1oco) si vedono in dettaglio i quattro centri redox: CuA, eme a, eme a3, CuB. Due ioni rame (magenta), nella parte alta della figura, sono il punto di ingresso per gli elettroni. Questi ioni rame vengono chiamati CuA e sono molto vicini alla regione dove si lega il citocromo c (mdm 12-2002, non mostrato qui), la piccola proteina che porta qui gli elettroni proveniendo dal complesso 3. Più sotto, nel centro dell'enzima, vi è il gruppo eme a3 (a destra) ed un altro ione rame chiamato CuB (magenta vicino al bordo destro). L'ossigeno O2 si lega proprio tra il ferro dell'eme a3 e il CuB. Un altro gruppo eme a (al centro) aiuta nel trasferimento di elettroni dal CuA verso l'eme a3. La struttura mostrata qui sotto , al posto dell'ossigeno, ha una molecola di monossido di carbonio CO (sfere grigia e rossa sulla destra) legata tra il ferro dell'eme a3 e il CuB (magenta), in questo modo l'enzima è avvelenato e non può legare ossigeno. La molecola di CO, in ogni caso, ci mostra il punto dove si lega O2 per ricevere gli elettroni dal complesso e ridursi ad acqua. . . . . . . . 
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