La catena di trasporto degli elettroni e i suoi componenti

L'energia libera necessaria a generare l'ATP viene estratta dall'ossidazione del NADH e del FADH2 da parte della catena di trasporto degli elettroni, una serie di quattro complessi proteici attraverso cui gli elettroni passano da potenziali di riduzione standard più bassi a potenziali più alti. Gli elettroni vengono trasferiti dai Complessi I e II al Complesso III attraverso il coenzima Q (CoQ) e dal Complesso III al Complesso IV attraverso una proteina periferica di membrana, il citocromo c.
Il Complesso I catalizza l'ossidazione del NADH da parte del CoQ:
NADH + CoQ → NAD+ + CoQ   
Δξ'0 = 0,36 V                     
ΔG°' = -70 KJ/mol-1                
(il NADH si ossida e il CoQ si riduce)
Questo complesso è probabilmente il componente proteico più grande della membrana mitocondriale interna e contiene una molecola di flavin mononucleotide (FMN) e sei o sette centri ferro-zolfo che partecipano al trasporto degli elettroni. Questi centri sono i gruppi prostetici delle proteine ferro-zolfo, proteine con un atomo di ferro non inserito in un gruppo eme. Si conoscono tre tipi di centri ferro zolfo: (1) [Fe—S], (2) [2Fe—2S] e (3) [4Fe—4S]. Essi, comunque, sono trasportatori mono-elettronici i quanto i loro atomi di ferro possono avere stati di ossidazione tra +2 e +3. A questo punto, anche se il NADH può partecipare soltanto a reazioni in cui vengono trasferiti due elettroni per volta, sia l'FMN che il CoQ sono in grado di accettare e di donare sia uno che due elettroni, in quanto la loro forma semichinonica è stabile. In generale l'FMV e il CoQ hanno tre stati di ossidazione: forma ossidata, forma semichinonica e forma ridotta. Sono, quindi, trasportatori sia mono che bi-elettronici e fanno da ponte tra il donatore a due elettroni, il NADH, ed accettori ad un elettroni, i citocromi.
Il Complesso II, invece, che contiene l'enzima dimerico del ciclo dell'acido citrico succinato deidrogenasi e altre tre piccole subunità idrofobiche, trasferisce gli elettroni dal succinato al CoQ. Al passaggio degli elettroni partecipano il FAD legato all'enzima, un centro [4Fe—4S], due centri [2FE—2S] e un citocromo b560. Il potenziale redox standard per il trasferimento di elettroni dal succinato al CoQ è troppo basso per consentire la sintesi di ATP. Tuttavia questo complesso è ugualmente importante in quanto consente a questi elettroni con un potenziale relativamente elevato di entrare nella catena di trasporto degli elettroni.
Il Complesso III trasferisce gli elettroni dal CoQ ridotto al citocromo c:
CoQ (ridotto) + citocromo c (ossidato) → CoQ (ossidato) + citocromo c (ridotto)
Δξ'0 = 0,19 V   ΔG° = -37 KJ/mol-1
Il complesso contiene due citocromi b, un citocromo c e un centro [2Fe—2S].
I citocromi sono proteine che partecipano a reazioni redox e sono presenti in tutti gli organismi. Queste proteine contengono gruppi eme, i cui atomi di ferro saltano continuamente, durante il trasporto degli elettroni, tra gli stati di ossidazione +2 e +3. Il gruppo eme dei citocromi ridotti [(FeII)] assorbe la luce visibile principalmente a livello di tre lunghezze d'onda: le bande α, β e γ. La lunghezza d'onda della banda α varia in modo caratteristico con la specie di quel particolare citocromo ed è utile quindi per differenziarli. Gli spettri di assorbimento della luce delle membrane mitocondriali indicano che esse possono contenere tre specie di citocromi, i citocromi a, b e c. All'interno di ogni gruppo di citocromi, l'ambiente che circonda il gruppo eme può determinare lunghezze d'onda della banda α leggermente diverse tra loro. Inoltre ogni gruppo di citocromi contiene un anello porfirinico sostituito in modo diverso coordinato con l'atomo di ferro attivo nelle ossido-riduzioni. I citocromi b contengono la protoporfirina IX, identica a quella presente nell'emoglobina. Il gruppo eme dei citocromi c, invece, differiscono dalla protoporfirina IX per il fatto che i gruppi vinilici hanno formato, mediante il loro doppio legame, legami tioetere con il gruppo sulfidrinico di residui di Cys della proteina. L'eme a contiene una lunga catena idrofobica di unità isopreniche attaccata alla porfirina e un gruppo formilico al posto di un sostituente metilico. Anche i ligandi assiali del ferro-eme variano con il tipo di citocromo. Nei citocromi a e b, entrambi i ligandi sono residui di His, mentre nel citocromo c, uno è un residuo di His e l'altro è un residuo di Met. Comunque il complesso III è disposto asimmetricamente nella membrana mitocondriale interna. Sia il citocromo c che la proteina con ferro non eminico sono localizzati sulla superficie esterna della membrana mitocondriale, mentre il citocromo b è una proteina transmembrana. Inoltre, il citocromo c è una proteina periferica di membrana legata alla superficie esterna della membrana mitocondriale interna. Esso si lega alternativamente al componente citocromo c1 del Complesso III e alla citocromo c ossidasi (Complesso IV) e quindi funziona da navetta per gli elettroni tra queste strutture. In un certo senso, i citocromi hanno la funzione opposta a quella degli enzimi: invece di persuadere molecole poco reattive a reagire, devono impedire ai loro gruppi eme di trasferire gli elettroni in modo non specifico ad altri componenti cellulari. È probabilmente per questo motivo che i gruppi eme sono completamente circondati dalla proteina.
Il Complesso IV (citocromo c ossidasi). La citocromo c ossidasi catalizza l'ossidazione, a cui prende parte un solo elettrone per volta, di quattro molecole in sequenza di citocromo c ridotto, con la concomitante riduzione a quattro elettroni, di una molecola di O2:
4 citocromo c2+ + 4H+ + O2 → → 4 citocromo c3+ + 2H2O
Comunque, il Complesso IV è una proteina transmembrana composta da 6 a 13 subunità; le più grandi di queste subunità, chiamate, I, II e III sono codificate da DNA mitocondriale. Le prime due (I e II) contengono tutti centri redox attivi: due gruppi eme tipo-a (a ed a3) e due atomi di Cu che alternativamente passano dallo stato di ossidazione +1 a +2. Il gruppo a e l'atomo Cu, definito CuA,  hanno un potenziale basso, mentre l'eme a3 e l'atomo CuB hanno un potenziale più alto. La riduzione di una molecola di O2 richiede il passaggio di 4 elettroni attraverso questi trasportatori, uno alla volta. Si ricordi che i citocromi e i centri a rame sono monoelettronici.