Meccanismo di sintesi dell'ATP

L'energia libera del gradiente elettrochimico protonico generato attraverso la membrana mitocondriale viene utilizzata per la sintesi di ATP da parte dell'ATP sintasi capace di traslocare protoni (detta anche ATPasi che pompa protoni oppure F0F1-ATPasi). L'ATP sintasi che trasporta protoni è la struttura più complessa della membrana mitocondriale. Essa contiene due sottostrutture principali, dette F0 e F1, e numerose subunità diverse. F0 è una proteina transmembrana insolubile in acqua costituita da 3 subunità idrofobiche chiamate a, b e c. F0, inoltre, forma un poro attraverso cui passano i protoni per promuovere la sintesi di ATP. F1, invece, è una proteina periferica solubile in acqua, costituita da cinque tipi di subunità, chiamate α, β, γ, δ e ε. (F1 si distacca facilmente da F0 mediante trattamento con urea). Fotografie al microscopio elettronico dei mitocondri mettono in evidenza strutture simili a pomelli disposti sulla superficie della membrana mitocondriale interna che guarda la matrice. Queste particelle submitocondriali sono appunto F1 e F0. La struttura che lega queste due particelle è uno stelo di circa 50 Å composto da due proteine: la proteina che conferisce la sensibilità alla oligomicina (OSCP) ed il fattore di accoppiamento 6 (F6). L'antibiotico oligomicina inibisce l'ATPasi legandosi ad una subunità della sottostruttura F0 e interferisce con il trasporto degli ioni H+ attraverso F0.
Il meccanismo di sintesi dell'ATP da parte dell'ATP sintasi che trasloca protoni può essere concettualmente diviso in tre fasi:
Traslocazione dei protoni ad opera della subparticella F0;
Formazione catalitica del legame fosfoanidridico dell'ATP ad opera della subparticella F1;
Accoppiamento della dissipazione del gradiente protonico con la sintesi di ATP, che richiede l'interazione tra F1 e F0.
Le prove sperimentali disponibili sono a favore del meccanismo di formazione dell'ATP che ricorda l'ipotesi dell'accoppiamento conformazionale della fosforilazione ossidativa. Infatti, la subparticella F1, si pensa abbi tre subunità catalitiche interagenti, ciascuna con un diverso stato conformazionale: una che lega i substrati e i prodotti debolmente (stato L), una che li lega saldamente (stato T) e una che non li lega affatto (stato O). La reazione avviene in tre tappe:

1. Legame dell'ADP e del Pi alla subunità nello stato L (legame debole);
2. Un cambio conformazionale dipendente dall'energia che converte la subunità dallo stato L allo stato T (legame forte) catalizza anche la formazione dell'ATP. A questo punto avviene probabilmente la traslocazione esoergonica dei protoni necessaria per fornire l'energia libera richiesta dal processo; ciò porta alla dissipazione del gradiente elettrochimico generato dal trasporto degli elettroni;
3. L'ATP viene sintetizzato nel sito dello stato T su una subunità e contemporaneamente si dissocia allo stato O di un'altra subunità.

DISACCOPPIAMENTO DELLA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Il trasporto degli elettroni (l'ossidazione del NADH e del FADH2 da parte dell'ossigeno) e la fosforilazione ossidativa (la sintesi di ATP) sono normalmente strettamente accoppiati. Nello stato a riposo, quando la fosforilazione ossidativa è minima, il gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna arriva al suo massimo ed impedisce un'ulteriore traslocazione di protoni; anche il trasporto di elettroni risulta, quindi, inibito in queste condizioni. In quest'ultimi anni di ricerca sono stati scoperti numerosi composti, compreso il 2,4-dinitrofenolo (DNP) e il carbonilcianuro-p-trifluorometossifenilidrazone (FCCP), che possono disaccoppiare questo processo. La presenza nella membrana mitocondriale interna di un agente che aumenta la sua permeabilità agli ioni H+ disaccoppia la fosforilazione ossidativa dal trasporto degli elettroni, formando una nuova via per la dissipazione del gradiente elettrochimico di protoni che non porta a sintesi di ATP. Il disaccoppiamento consente quindi il trasporto degli elettroni, anche se la sintesi di ATP è inibita.

CONTROLLO DELLA FOSFORILAZIONE OSSIDATIVA

Nella reazione della citocromo ossidasi (Complesso IV), la tappa terminale della catena di trasporto degli elettroni è un processo irreversibile ed è quindi un sito di controllo della via. La citocromo ossidasi sembra essere regolata esclusivamente dalla disponibilità di uno dei suoi substrati, il citocromo c ridotto (c2+). Poiché questo substrato è in equilibrio con la restante parte del sistema di fosforilazione ossidativa accoppiata, la sua concentrazione dipende dal rapporto [NADH]/[NAD+] e dal rapporto dell'azione di massa dell'ATP. Più alto è il primo rapporto e basso il secondo, tanto più alta sarà la concentrazione di citocromo c ridotto e quindi l'attività della citocromo ossidasi.