Fosforilazione ossidativa

 

IPOTESI DELL'ACCOPPIAMENTO ENERGETICO

Nei circa cinquant'anni di studio sul trasporto degli elettroni e sulla fosforilazione ossidativa sono stati proposti numerosi meccanismi per spiegare come si accoppiano questi processi. Questi meccanismi sono principalemente tre:
1.L'ipotesi dell'accoppiamento chimico propone che il trasporto di elettroni potesse produrre intermedi reattivi la cui demolizione guidava la fosforilazione ossidativa. Comunque tutto questo non sembra possibile possa operare nella fosforilazione ossidativa, in quanto non è stata possibile trovare un intermedio reattivo appropriato;
2.L'ipotesi dell'accoppiamento conformazionale propone che il trasporto degli elettroni induca le proteine presenti sulla membrana mitocondriale interna ad assumere stati conformazionali “attivati” e che il loro rilassamento nello stato conformazionale deattivato favorisce la sintesi di ATP. In questo caso non abbiamo molte prove sperimentali a favore;
3.L'ipotesi chemiosmotica, appare il modello che meglio si adatta alle prove sperimentali. Esso postula che l'energia libera del trasporto degli elettroni venga conservata pompando ioni H+ dalla matrice mitocondriale nello spazio intermembrana, in modo da creare un gradiente elettrochimico di ioni H+ attraverso la membrana mitocondriale interna. Il potenziale elettrochimico di questo gradiente è sufficiente a sintetizzare ATP.

 

GENERAZIONE DEL GRADIENTE PROTONICO

Il trasporto degli elettroni induce i complessi I, III e IV a trasportare protoni attraverso la membrana mitocondriale interna dalla matrice, una regione con una concentrazione di ioni H+ bassa e un potenziale elettrico negativo, allo spazio intermembrana (che è invece in contatto con il citosol), una regione con una concentrazione di ioni H+ elevata e che presenta un potenziale elettrico positivo. L'energia libera sequestrata dal risultante gradiente elettrochimico, detto forza motrice protonica (fmp), viene poi riversata nella sintesi di ATP. La variazione di energia libera che si ha nel trasportare un protone fuori dal mitocondrio contro un gradiente elettrochimico, è espressa dall'equazione, che nei termini di pH, è:
ΔG = 2,3RT [pH (dentro) – pH (fuori)] + ZFΔψ
dove Z è la carica sul protone (incluso il segno), F è la costante di Faraday, e Δψ è il potenziale di membrana. Per convenzione, il segno di Δψ è positivo quando uno ione viene trasportato da un potenziale negativo ad uno positivo. Poiché il pH (fuori) è minore del pH (dentro), l'esportazione di un protone dalla matrice mitocondriale (contro un gradiente di protoni) è un processo endoergonico. Inoltre, il trasporto di protoni fuori dalla matrice rende la superficie interna della membrana mitocondriale interna più negativa della superficie esterna. È stato calcolato che il ΔG per il trasporto dei protoni fuori dalla matrice mitocondriale è uguale a circa -21,5 KJ/mol. D'altra parte il ΔG per il flusso di protoni verso l'interno vale +21,5 KJ/mol. L'energia libera per la sintesi di una molecola di ATP, calcolata in condizioni fisiologiche, è tra i 40 e i 50 KJ/mol. Essa è quindi troppo grande perché sia fornita dal passaggio di un singolo protone nella matrice. Sono necessari almeno due protoni. È difficile valutare questo numero con precisione, anche perché i protoni tendono a riattraversare la membrana mitocondriale. Comunque, il valore medio è circa 2 o 3 protoni che devono ritornare per ogni molecola di ATP prodotta. Tre dei quattro complessi che trasportano gli elettroni, i Complessi I, III e IV, sono anche coinvolti nella traslocazione dei protoni. Sono stati postulati due meccanismi per accoppiare l'energia libera del trasporto degli elettroni al trasporto attivo dei protoni:
(1) Il meccanismo dei cicli redox richiede che i centri redox della catena respiratoria (FMN, CoQ, citocromi e centri ferro-zolfo) siano disposti nella membrana in modo tale che durante la sua riduzione, un centro redox possa accettare un elettrone e contemporaneamente uno ione H+ dal lato della membrana che guarda la matrice. Quindi la riossidazione di questo centro redox, da parte del centro successivo della catena, dovrebbe coinvolgere il rilascio del protone sul lato citosolico della membrana, insieme al trasferimento dell'elettrone di nuovo sul lato della membrana che guarda la matrice. Comunque, alcuni dei trasportatori redox, il FMN e il CoQ, contengono più atomi di idrogeno nel loro stato ridotto rispetto allo stato ossidato e quindi possono essere qualificati sia come trasportatori di protoni che come trasportatori di elettroni. Se questi centri si alternano con i trasportatori puri di elettroni (citocromi e centri ferro-zolfo), il meccanismo proposto si potrebbe adattare alla catena respiratoria. Tuttavia, la principale difficoltà che si ha con l'ipotesi dei cicli redox è data dalla deficienza di trasportatori (H+ + e-) rispetto ai trasportatori puri (e-). Mentre possiamo avere ben 15 trasportatori puri di elettroni, sono noti soltanto due trasportatori (H+ + e-).
(2) Nel meccanismo delle pompe protoniche, invece, il trasferimento degli elettroni genera modificazioni conformazionali nel complesso. La traslocazione del protone avviene come risultato di questa variazione conformazionale dei valori di pK delle catene laterali di alcuni amminoacidi e dalla loro esposizione sulla superficie interna o esterna della membrana mitocondriale. La riossidazione porta ad un'altra modificazione conformazionale che ripristina lo stato originale. In questo meccanismo quindi non è richiesto che i  centri redox siano anche trasportatori di protoni. Una pompa protonica è la proteina intrinseca di membrana batteriorodopsina, che ottiene l'energia necessaria per pompare i protoni dall'assorbimento della luce da parte del suo gruppo prostetico.