Molecola del Mese
di David S. Goodsell
trad di Mauro Tonellato

Citocromo c


Molecola del Mese di Dicembre 2002

Citocromo c
L'elettricità è un fenomeno comune nel nostro mondo, fa funzionare quasi tutto: dalle luci nella nostra stanza, al computer di fronte a noi. L'elettricità è costituita da un flusso di elettroni all'interno di un materiale conduttore, come un filo di rame. Questi elettroni fluiscono in massa, scorrendo nello spazio tra gli atomi lungo il filo. Anche le cellule usano l'elettricità per dare energia a molti processi, ma qui gli elettroni si muovono in un modo molto diverso. Gli elettroni non fluiscono in modo continuo lungo un filo sottile all'interno della cellula. Piuttosto, vengono trasportati uno alla volta, saltando da una proteina all'altra attraverso una serie di reazioni chimiche. Si hanno reazioni di ossidazione quando l'elettrone se ne va, reazioni di riduzione quando l'elettrone arriva. In questo modo, gli elettroni possono essere raccolti da un particolare luogo e portati esattamente dove sono necessari.

Trasportare Elettroni
Il citocromo c, mostrato qui a fianco (file PDB 3cyt), è un trasportatore di elettroni. Come molte proteine che trasportano elettroni, contiene un gruppo prostetico speciale in grado di maneggiare gli elettroni ossidandosi e riducendosi. Il citocromo c contiene un gruppo eme (rosso) che ha uno ione ferro saldamente legato al centro. Lo ione ferro è in grado di accettare o rilasciare un elettrone. La proteina circostante crea l'ambiente ideale per l'elettrone, regolando con precisione la forza con cui viene trattenuto. Come è illustrato nella prossima pagina, la proteina determina anche dove il citocromo c può inserirsi nel circuito elettrico cellulare.

Una Famiglia Prestigiosa
Il citocromo c è una proteina antica che si è formata molto presto nel corso dell'evoluzione. Dato che questa proteina svolge un ruolo essenziale nella produzione di energia nella cellula, ha subito pochi cambiamenti nel corso dei milioni di anni. Quindi si possono trovare forme molto simili di citocromo c nelle cellule di lievito, in quelle vegetali o nelle nostre cellule. Negli archivi PDB, comunque, c'è una vasta raccolta di altre molecole trasportatrici di elettroni. Vi sono molti tipi di citocromo, tutti usano il ferro eme per trasportare elettroni, ma cambia la proteina che circonda il gruppo eme e questo li mette in grado di lavorare a potenziali diversi. Altri trasportatori usano gruppi prostetici diversi per trasportare elettroni, come i gruppi ferro-zolfo (ferredossina), gli ioni rame dal caratteristico colore blu chiaro (azurina e plastocianina) o gli ioni di metalli più esotici. Come il citocromo c, ognuna di queste proteine rappresenta una singola connessione nel circuito elettrico cellulare, trasferendo elettroni da un punto ad un altro.



Circuiti Cellulari
Il citocromo c costituisce una delle tante connessioni in una specie di circuito elettrico cellulare, la catena di trasporto degli elettroni che rappresenta l'ultimo passaggio nella produzione di energia nella cellula (la respirazione cellulare). Gli elettroni provenienti dalla degradazione dello zucchero (glucosio), alla fine giungono all'ossigeno che così viene trasformato in acqua (questo è il destino finale dell'ossigeno che respiriamo).
Il citocromo c (mostrato qui sopra in rosa) trasferisce singoli elettroni tra due grandi complessi proteici (chiamati complessi 3 e 4), raccoglie gli elettroni dal complesso 3 (che contiene i citocromi b e c1), mostrato sulla sinistra (file PDB 1kyo) e li consegna al complesso 4 chiamato citocromo c ossidasi che contiene i citocromi a e a3, mostrato sulla destra (file PDB 1oco) (si veda anche la Molecola del Mese del maggio 2000).
I complessi 1, 3 e 4 si comportano come delle macchine elettriche, infatti usano l'energia degli elettroni che scorrono al loro interno per compiere del lavoro. Mentre gli elettroni fluiscono attraverso i loro gruppi trasportatori di elettroni (mostrati in rosso nella figura qui sopra) pompano ioni H
+ dal lato inferiore a quello superiore della membrana in cui sono immersi (rappresentata qui schematicamente dalla striscia gialla). Questi ioni H+ sono poi usati per dare energia alla produzione di ATP. Il citocromo c fa in modo che questa macchina così complessa funzioni correttamente, trasportando elettroni dal complesso 3 al complesso 4 quando ce n'è bisogno.

Esplorando la Struttura
La struttura mostrata qui a fianco (file PDB 1kyo) permette di osservare in dettaglio come gli elettroni vengono trasferiti tra due trasportatori di elettroni nella cellula. Gli elettroni non fluiscono attraverso un filo continuo, come nei normali dispositivi elettrici, ma, dato che le distanze sono così piccole, passano direttamente per effetto tunnel da un trasportatore al successivo.
La figura mostra il citocromo c (in alto) ed il citocromo c1 del complesso 3 (più sotto). La catena proteica del citocromo c è rappresentata con tubi rosa, mentre la catena proteica del citocromo c1 con tubi gialli. I due gruppi eme sono mostrati con sfere colorate grigie per gli atomi di carbonio e trattengono al centro l'atomo di ferro giallo.
Notate come il gruppo eme del citocromo c è spinto vicino al gruppo eme del citocromo c1. A questa distanza, gli elettroni passano per effetto tunnel da un eme all'altro in meno di un milionesimo di un secondo.

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Bibliografia

Richard E. Dickerson (1980): Cytochrome c and the Evolution of Energy Metabolism. Scientific American 242 (3), pp. 136-153.

Christian Lange and Carola Hunte (2002): Crystal Structure of the Yeast Cytochrome bc1 Complex with its Bound Substrate Cytochrome c. Proceedings of the National Academy of Science USA 99, pp. 2800-2805