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Citocromo C

Struttura e funzione del citocromo C

Il citocromo C è una molecola facente parte della categoria dei citocromi, molecole fondamentali implicate principalmente (ma non esclusivamente) nel trasporto di elettroni durante la respirazione cellulare.

I citocromi: caratteristiche generali

I citocromi sono complesse molecole di natura proteica che generano una struttura tridimensionale nel centro della quale si posiziona uno ione metallico. La presenza di uno (o più) ioni metallici in grado di modificare il proprio numero di ossidazione partecipando a reazioni di ossidoriduzione (redox) conferisce a queste molecole le capacità di acquisire o cedere elettroni.

La porzione della proteina che contiene lo ione metallico è detta “gruppo prostetico” ed è formata da un anello porfirinico in cui gli atomi di azoto formano legami con lo ione metallico.

Il gruppo prostetico può essere legato covalentemente o mediante interazioni elettrostatiche e la sua natura determina l’appartenenza del citocromo ad una delle sue differenti classi (a,b,c). Le differenze nella porzione proteica invece determinano il livello energetico in cui la proteina è in grado di interagire con gli elettroni; la presenza di molecole ad affinità energetica differente permette la realizzazione di una catena di trasporto di elettroni essenziale per la sintesi dell’ATP.

Citocromo C: specificità

I citocromi C hanno la caratteristica di contenere uno ione di ferro (Fex+), pertanto il gruppo prostetico che li caratterizza è definito gruppo EME. Il gruppo eme è legato covalentemente, a differenza di quanto accade per altri citocromi.

Gruppo EME

Figura 1: Gruppo EME.

E’ una proteina solubile e lega la superficie interna della membrana esterna dei mitocondri, potendo però diffondere all’interno dello spazio compreso tra le due membrane e venire anche rilasciato nel citoplasma, come accade durante il controllo dell’attività apoptotica delle cellule.

A livello strumentale, è possibile riconoscere il citocromo C grazie allo specifico spettro d’assorbimento. Ogni citocromo, infatti, in funzione della diversa composizione chimica del gruppo prostetico, assorbe la luce in maniera differente: il citocromo C assorbe principalmente la radiazione a 550 nm di lunghezza d’onda.

Il ferro contenuto nel gruppo eme può passare dallo stato ossidato (Fe3+) allo stato ridotto (Fe2+) e viceversa; all’intero della catena di trasporto degli elettroni riceve l’elettrone dal complesso III e lo trasferisce al complesso IV.

Struttura tridimensionale del Citocromo C

Figura 2: struttura tridimensionale del Citocromo C. In rosso lo ione ferro, in blu gli atomi di azoto.

Citocromi e sintesi dell’ATP

Come abbiamo visto, la capacità di partecipare alle reazioni di ossidoriduzione e i diversi livelli energetici di interazione dei vari citocromi li rendono una componente fondamentale della catena di trasporto degli elettroni durante la respirazione cellulare.

La respirazione cellulare è quella serie di reazioni chimiche che avvengono nei mitocondri e consentono di trasformare l’energia liberata dal metabolismo del glucosio in molecole di ATP, utilizzate come fonte di energia immediatamente disponibile per tutti i processi cellulari che ne richiedano il consumo.

In questa serie di reazioni, la catena di trasporto degli elettroni è un momento essenziale: durante il trasferimento di elettroni tra i vari accettori intermedi, prima di giungere all’ossigeno (accettore finale) si genera un gradiente protonico in corrispondenza della membrana dei mitocondri.

Il citocromo C non partecipa direttamente all’accumulo di protoni ma permette il passaggio degli elettroni dal complesso III (a più alta energia) al complesso IV (a energia inferiore); costituisce quindi una sorta di ponte tra questi due complessi energeticamente molto distanti.

I complessi III e IV, che contengono altri tipi di citocromo, utilizzano l’energia sviluppata da questo passaggio di corrente per attivare pompe protoniche che accumulano ioni H+ tra le membrane. Tali ioni ritornano nella matrice interna dei mitocondri muovendosi secondo gradiente attraverso proteine ATP-sintasi che a loro volta usano l’energia sprigionata per aggiungere un gruppo fosfato all’ADP.

Citocromo C e catena di trasporto degli elettroni

Figura 3: Il citocromo C rappresenta un collegamento, nella catena di trasporto degli elettroni, tra i complessi III e IV che partecipano all’accumulo di protoni sulla membrana esterna dei mitocondri.

Citocromo C e analisi filogenetiche

Dato il ruolo fondamentale esercitato dai citocromi, queste proteine sono altamente conservate nei viventi. Questa affermazione sta a significare che i citocromi sono presenti in specie viventi molto lontane tra loro, dai lieviti ai batteri fino a tutti i vertebrati e le differenze nelle sequenza di amminoacidi di queste proteine è molto bassa se confrontata con la variabilità riscontrata in proteine meno conservate.

Per dare un termine di paragone basti pensare che lo scimpanzé e l’uomo hanno lo stesso identico citocromo C, mentre la sequenza di amminoacidi nel macaco differisce dalla nostra solo per un amminoacido.

Grazie a questa caratteristica, le sequenze amminoacidiche del citocromo C sono utilizzate come indicatori della distanza filogenetica tra le specie secondo gli schemi della moderna cladistica, allo stesso modo di quanto avviene, ad esempio, con l’rRNA 16s nei batteri.

Citocromo C e apoptosi

L’apoptosi è il fenomeno di morte programmata a cui vanno incontro le cellule anziane o danneggiate, fondamentale nel mantenimento del corretto funzionamento dei processi fisiologici degli organismi. Alla base dei fenomeni tumorali c’è spesso un difetto nel meccanismo apoptotico che rende immortali le cellule cancerose. Il citocromo C ha un ruolo importante anche in questo processo.

E’ stato dimostrato infatti come gli stimoli pre-apoptotici, ossia quelle modificazioni fisiologiche che precedono l’apoptosi della cellula, determinino il rilascio di piccole quantità di citocromo C nel citoplasma, andando quindi a superare la barriera costituita dalle membrane mitocondriali.

Una volta nel citosol, il citocromo C interagisce con i recettori IP3 responsabili dell’apertura dei canali del calcio a dell’iniziale incremento di questo ione nell’ambiente intracellulare.

In seguito a questo processo, mediante una risposta a feedback positivo, l’ingresso di ioni Ca++  incrementa notevolmente portando all’attivazione degli enzimi Caspasi 9 e successivamente 3 e 7, che causano la morte cellulare.

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