La chemiosmosi è lo stadio finale della fosforilazione ossidativa che permette di utilizzare il gradiente elettrochimico di ioni H+ per compiere lavoro cellulare che può essere usato per la sintesi di ATP.
Negli eucarioti, si verifica nei mitocondri durante la respirazione cellulare e nei cloroplasti durante la fotosintesi. I procarioti non hanno questi organelli e quindi la chemiosmosi si verificherà nella loro membrana cellulare.
Il biochimico britannico Peter Dennis Mitchell vinse il Premio Nobel per la Chimica nel 1978 per la sua scoperta del processo chemiosmotico per la sintesi dell’ATP.
Egli comprese che il movimento di ioni attraverso il potenziale elettrochimico di membrana potesse fornire l’energia necessaria per la produzione di ATP. La sua ipotesi trovò conferma dalla scoperta dell’ATP sintasi, una proteina di membrana che utilizza l’energia del gradiente elettrochimico per generare ATP
Chemiosmosi e osmosi
Questo processo è simile all’osmosi in cui le molecole d’acqua si muovono spontaneamente. L’osmosi infatti consiste nel passaggio di acqua attraverso una membrana semipermeabile con un flusso netto da una soluzione meno concentrata a una soluzione più concentrata.
Nel caso della chemiosmosi, sono gli ioni che si muovono attraverso la membrana. Tuttavia, entrambi i processi richiedono un gradiente. Nell’osmosi è un gradiente osmotico: le differenze nelle pressioni tra i due lati della membrana determinano l’osmosi. Per quanto riguarda la chemiosmosi, il movimento degli ioni è guidato da un gradiente elettrochimico, come un gradiente di protoni. La chemiosmosi è un tipo di diffusione, in cui gli ioni si muovono attraverso la membrana mitocondriale interna da un’alta concentrazione a una concentrazione più bassa e per bilanciare la carica elettrica
Mitocondri
I mitocondri sono gli organelli addetti alla respirazione cellulare, costituiti da due membrane: la membrana interna e la membrana esterna.
Sono costituiti da strati lipidici che impediscono il facile passaggio degli ioni. Lo spazio fra queste due membrane è detto spazio intermembrana e lo spazio delimitato dalla membrana interna è detto matrice mitocondriale in cui avviene il ciclo di Krebs.
Il piruvato proveniente dalla glicolisi è convertito in acetil CoA che entra nel mitocondrio dove è presente la catena di trasporto degli elettroni (ETC). Per ogni molecola di piruvato si ottiene un ATP. Attraverso le reazioni redox, la maggior parte degli elettroni ad alta energia è trasferita a NAD+ e FAD da cui si ottiene rispettivamente NADH e H+ e FADH2 . Queste molecole portatrici di elettroni trasferiscono gli elettroni alla catena di trasporto degli elettroni dove avvengono reazioni redox
I complessi dell’ETC pompano ioni H+ nello spazio intermembrana mentre gli elettroni fluiscono in essi. Il passaggio degli elettroni finisce, quando giungono all’accettore di elettroni finale, l’ossigeno molecolare .
Forza motrice del protone
La forza motrice del protone è l’energia generata dal trasferimento di protoni o elettroni attraverso una membrana cellulare trasducente l’energia.
I protoni passano dallo spazio intermembrana alla matrice grazie all’ATP sintasi. Il movimento degli ioni idrogeno porta alla sintesi di ATP quando essi rilasciano l’energia. L’enzima è quindi attivato per sfruttare questa forza in modo da costruire il legame ad alta energia tra la molecola di ADP e il fosfato inorganico per produrre una molecola di ATP.
ADP + fosfato + H+esterno ⇄ ATP + H2O + H+interno