Componentele catenei respiratorii bacteriene

Componentele catenei respiratorii bacteriene

Catena respiratorie bacteriana este alcatuita din componente transportoare de e^-, asociate membranei si diverticulilor ei. Catena indeplineste doua functii :

accepta e^- de la un donor si-i transfera la un acceptor

conserva o parte a E eliberate in timpul transferului de e^-, pentru sinteza ATP. Cantitatea mare de energie produsa in respiratie rezulta din transportul e^- din catena, de la un component cu un nivel energetic inalt, la unul cu nivel energetic mai scazut. Energia este captata in legaturi macroergice prin combinarea P anorganic cu ADP,    cu formarea ATP. Procesul se numeste fosforilare oxidativa

Componentele catenei sunt reduse de forma redusa a purtatorului anterior si sunt oxidate de forma oxidata a componentului urmator.

Catena poate fi impartita in trei segmente functionale, al caror potential redox creste de la flavoproteine, pana la citocrom-oxidaza terminala.

Intrarea protonilor (H⁺) in catena respiratorie are loc la nivelul primului segment functional format din urmatoarele componente:

dehidrogenazele cu nucleu piridinic (NAD sau NADP) sunt asociate fetei interne a membranei celulare. NAD functioneaza ca purtator de e^- in reactiile catabolice, iar NADP functioneaza in reactiile de biosinteza fixatoare ale CO₂. Ele accepta atomi de H generati in diferite reactii celulare si ii transfera la flavoproteine. Coenzima redusa (NADH), formata prin oxidarea glucozei, este reoxidata si H⁺ este transferat la grupul prostetic al flavoproteinelor (FMN);

dehidrogenazele cu nucleu flavinic(un derivat al riboflavinei), FAD si FMN.

Flavoproteinele sunt proteine care contin un derivat al riboflavinei(vitamina B₂). Portiunea flavinica, legata de o proteina, este grupul prostetic care accepta atomi de H si se reduce sau doneaza e^- si se oxideaza. {n celule se gasesc 2 flavine: FMN si FAD.

proteine nehemice cu Fe-S. S-au identificat la Cl. pasteurianum si functioneaza ca transportori de e^- pentru ca sufera tranzitii reversibile Fe²⁺- Fe³⁺. Sunt foarte electronegative (-0,49 V) si contin o grupare prostetica alcatuita din Fe nehemic si S acidolabil, care formeaza aglomerari dimerice (Fe-S)₂ sau mai frecvent, tetramerice (Fe-S)₄, legate de resturile de cisteina ale proteinei. Potentialul redox al proteinelor Fe- S variaza mult in functie de numarul atomilor de Fe si S si de modul de legare de proteine. De aceea, proteinele Fe-S pot functiona in diferite puncte ale catenei transportoare de e^-. Ca si citocromii, proteinele Fe-S transporta numai e^-.

Al II-lea segment functional este constituit dintr-o familie de molecule chinonice liposolubile, denumite lipoquinone sau coenzime Q.

Quinonele (ubiquinona = CoQ) sunt molecule foarte hidrofobe, solubile in lipide si au rol in transportul e^-. Unele sunt inrudite cu vitamina K (un factor de crestere al animalelor superioare). Ca si flavoproteinele, quinonele functioneaza ca acceptori de H⁺ si ca donori de e^-. Quinonele difuzeaza liber prin membrane si transporta e^- de la proteinele cu Fe-S, la citocromi. Coenzimele Q sunt adevaratele navete transportoare de e^- , intre flavoproteinele reduse (FMNH) si citocromii oxidati.

Al III-lea segment functional al lantului respirator este format din citocromi.

Citocromii sunt proteine de care se ataseaza inelul porfirinic cu Fe - hemul, ca grup prostetic. {n centrul grupului prostetic se gaseste un atom de Fe. Gruparea prostetica se numeste hem, daca Fe este in stare redusa (Fe²⁺) sau hemina, daca Fe este oxidat (Fe³⁺). Functia redox este intim legata de schimbarea valentei Fe hemic (citocrom-Fe²⁺ citocrom-Fe³⁺ + e^-). Citocromii transporta numai e^- si se gasesc numai in celulele aerobe. Citocromii bacterieni functioneaza in transportul fotosintetic al e^- si in respiratia aeroba, cuplata cu oxidarea substratului redus (substante organice, H₂, S redus sau metale). Citocromii au rolul de a transporta e^- la alt citocrom cu potential redox mai pozitiv, pana la acceptorul final. Diferitii citocromi sunt desemnati prin litere: a, b, c. Citocromul terminal al catenei de respiratie - a ₃ (citocrom-oxidaza) contine Cu. Citocromii unui organism pot sa difere de ai altora si variantele sunt desemnate a₁, a₂, aa₃ etc.

Deoarece respiratia are loc in membrana citoplasmatica, citocromii sunt adeseori localizati in acest compartiment, dar se gasesc si in spatiul periplasmic, unde functia lor de transfer al e^- este legata cu a citocromilor membranari. Citocromii diferitelor organisme pot sa difere intre ei    si sunt desemnati a₁, a₂, aa₃ etc.

Proteinele componente ale citocromilor sunt desemnate prin litere, urmate de un indice sau prin cifre, care indica lungimea de unda a spectrului lor maxim de absorbtie.

NADH si coenzimele Q transporta e^- sub forma atomilor de H, iar citocromii transporta e^- ca atare. Nu transporta protoni (H⁺). La trecerea in citocromi, H⁺ trece in citosol si va fi extras in treapta finala reducerii O₂, cu formarea apei.

Citocromul terminal, care are rolul unei enzime finale acceptoare de e^- se numeste citocrom-oxidaza. Este singura proteina capabila sa transfere e^- la O₂ molecular, dupa reactia:

Toate proteinele catenei sunt situate in membrana citoplasmatica a celulei bacteriene. Unele sunt agregate in grupari functionale complexe.

Reducerea unei molecule de O₂ la H₂O necesita 4 e^-. Reducerea O₂ cu un singur e^- produce O₂^- (radicalul superoxid), iar reducerea cu 2 e^- produce H₂O₂, ambii avand efecte distructive.

Catena de respiratie celulara este formata din proteine transmembranare, incluse in stratul lipidic si expun domenii pe ambele fete ale membranei. Transportorii de e^- sunt astfel orientati in membrana incat, in timpul transportului realizeaza o separare a protonilor de e^-.

Curgerea e^- prin sistemul de transport poate fi considerata ca o cascada cu mai multe trepte. La fiecare treapta, energia electronilor este captata enzimatic si folosita pentru a forma molecula de ATP din ADP + Pi. In cele mai multe transferuri de energie se elibereaza cantitati mici, dar trei dintre ele elibereaza catitati mari de energie utilizata pentru sinteza ATP.

Atomii de H, la nivelul transportorilor specifici (NADH, NADPH), pe fata interna a membranei, sunt disociati in protoni (H⁺) si e^-. Electronii se intorc pe fata citoplasmatica a membranei prin transportorii specifici (citocromii), iar protonii sunt eliminati la exteriorul celulei Gram pozitive si produc o usoara acidificare a mediului extern sau in spatiul periplasmic al bacteriilor Gram negative.

Fig. 53. Structura coenzimei NAD⁺ si NADP⁺.

Structura FMN si FAD.

La capatul catenei de respiratie celulara, e^- reduc acceptorul final (O₂). O₂ redus necesita H⁺ din citoplasma pentru formarea apei. H⁺ citosolic provine din disocierea apei    in H⁺ si OH^-. Consumul H⁺ pentru reducerea O₂ la H₂O si eliminarea H⁺ determina acumularea OH^- pe fata interna a membranei. Deoarece au sarcina electrica, H⁺ si OH^- nu trec liber prin membrana, iar echilibrul lor nu poate fi restabilit spontan.

Excesul de H⁺ pe fata externa confera membranei o sarcina neta pozitiva in raport cu fata interna. Rezultatul net al distributiei asimetrice a acestor ioni este generarea unui gradient de pH si a unui potential electric de membrana (potential electrochimic). Fata interna a membranei are sarcina negativa si este alcalina, datorita ionilor OH^- (derivat din disocierea apei), iar fata externa are sarcina pozitiva si este acida (datorita protonilor).

Transportul e^- la O₂, aparent produce H₂O, dar de fapt, prin disocierea H₂O, produce H⁺ si OH^-, care se concentreaza pe cele doua fete ale membranei.

Diferenta de pH si de potential electrochimic de pe cele doua fete determina o stare energizata a membranei, asemenea unei baterii, care se masoara in volti si se exprima ca forta proton motrice.