La conservazione dell'energia da parte della forza proton-motrice: la chemiosmosi

I trasportatori di elettroni sono orientati nella membrana in modo che durante il processo di trasporto avvenga la separazione di protoni dagli elettroni attraverso le membrana. Due elettroni associati a due protoni, rimossi da sostanza come il NADH, vengono trasportati attraverso la catena da specifici trasportatori. Durante questo processo, i protoni vengono pompati al di fuori dalla cellula nell'ambiente (nel caso dei Gram-negativi nel periplasma); da ciò risulta una debole acidificazione della superficie esterna della membrana. Al termine della catena di trasporto, gli elettroni sono trasferiti all'accettore terminale che nel caso della respirazione aerobica è O2, che viene ridotto ad acqua. Per completare la riduzione di O2 ad H2O sono necessari protoni provenienti dal citoplasma, che si sono originati dalla dissociazione dell'acqua in H+ e OH-. L'uso di H+ nella riduzione di O2 in H2O e l'estrusione di H+ causano un accumulo di OH- all'interno della membrana. Nonostante la loro piccola dimensione, né H+ né OH- passano liberamente attraverso la membrana, dal momento che sono carichi, per cui l'equilibrio non può ristabilirsi spontaneamente. Il risultato finale è la generazione di un gradiente di pH e un potenziale elettrochimico attraverso la membrana, per cui l'interno del citoplasma è elettricamente negativo e alcalino e l'esterno della membrana è elettricamente positivo e acido. Il gradiente di pH e il potenziale elettrochimico (definiti nell'insieme forza proton-motrice) causano l'energizzazione della membrana agendo come una batteria. Parte di questa energia può essere conservata dalla cellula sotto forma di ATP. Risultato dei processi del trasporto di elettroni, lo stato energizzato della membrana può essere direttamente impiegato per eseguire un lavoro, come il trasporto di ioni o la rotazione flagellare. L'idea che un gradiente protonico potesse determinare la sintesi dell'ATP venne proposta per la prima volta come teoria della chemiosmosi nel 1961, questa si verifica in tutti i tipi cellulari, siano essi Batteri, Archea o Eucarioti. Il catalizzatore della conversione della forza proton-motrice in ATP è un grande complesso enzimatico di membrana, chiamato ATP sinteasi o, in breve, ATPasi. L'ATPasi contiene due porzioni principali, una testa con subunità multiple (F1) collocata nella faccia citoplasmatica della membrana, e un canale conduttore di protoni (F0) che attraversa la membrana. Il complesso F1/F0 catalizza una reazione reversibile tra ATP e ADP + Pi. Il movimento del protone attraverso la subunità di F0 provoca la rotazione delle proteine c, generando una torsione che viene trasmessa a F1 per mezzo delle subunità γε. L'energia viene trasferita a F1 attraverso la rotazione accoppiata delle subunità γε, determinando un cambiamento di conformazione di β. Quest'ultimo cambiamento conformazionale permette di legare ADP + Pi che viene poi convertito in ATP quando le subunità β ritornano nella loro conformazione originale. Invece, le subunità b2δ fungono da statore impedendo alle subunità α e β di ruotare insieme a γε. La sintesi dell'ATP catalizzata dall'ATPasi va sotto il nome di fosforilazione ossidativa nei sistemi respiratori o di fotofosforilazione negli organismi fototrofi. Tutte queste reazioni di trasporto degli elettroni possono essere studiate con due classi di sostanze chimiche che interferiscono con il flusso degli elettroni o con la fosforilazione ossidativa: gli inibitori e i disaccoppianti. Gli inibitori bloccano il flusso degli elettroni e quindi la stabilizzazione della forza proton-motrice (per es. monossido di carbonio CO e cianuro CN). Al contrario, i disaccoppianti impediscono la sintesi di ATP senza interferire nel trasporto degli elettroni (per es. dinitrofenolo e dicumarolo).