Il gradiente protonico è la differenza di concentrazione degli ioni idrogeno attraverso una membrana, che crea un gradiente di concentrazione e un gradiente di potenziale elettrico. Questo gradiente protonico si forma grazie al pompaggio di protoni contro il loro gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna.
Questo processo crea contemporaneamente un gradiente protonico chimico attraverso le membrane, noto come forza proton-motrice (ΔP), e un gradiente elettrico chiamato potenziale di membrana mitocondriale. Secondo la teoria chemiosmotica di Peter Mitchell del 1961, l’energia generata dal trasferimento di elettroni lungo la catena di trasporto degli elettroni mitocondriali viene utilizzata per creare un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna, che a sua volta guida la produzione di ATP mitocondriale.
chemiosmosi
Quando ciò avviene, l’attività enzimatica dell’ATP sintasi produce l’adenosina trifosfato, ATP, a partire dall’adenosina difosfato, ADP, in una reazione di fosforilazione che viene guidata dal flusso di protoni. Anche se la respirazione cellulare dipende dal funzionamento del gradiente protonico, la fosforilazione ossidativa genera anche una parte significativa della produzione di ROS dannosi, ossia specie reattive dell’ossigeno, all’interno delle cellule, come il superossido e il perossido di idrogeno.
Gradiente protonico transmembrana
I protoni fungono da substrato o prodotto in molte reazioni chimiche e biologiche. Nelle proteine, i protoni spesso viaggiano per 10 Å o più dalla superficie per raggiungere un sito attivo. Il gradiente protonico attraverso le membrane di batteri, mitocondri e cloroplasti contribuisce al gradiente elettrochimico, utilizzato per immagazzinare energia cellulare.
Il gradiente protonico può essere generato attraverso il trasferimento vettoriale di elettroni, con l’ossidazione e la riduzione dei reagenti su entrambi i lati della membrana. Gli elettroni attraversano la membrana, mentre i protoni si spostano solo tra i siti redox separati. D’altra parte, le pompe protoniche trasferiscono i protoni attraverso proteine transmembrana, utilizzando meccanismi per evitare il trasferimento di protoni a valle. In ogni caso, è necessaria energia per creare un gradiente protonico.
Tale energia può provenire da proteine fotosintetiche, reazioni redox nella catena di trasferimento degli elettroni, idrolisi dell’ATP o dalla dissipazione di un gradiente di un altro ione. I protoni scorrono lungo il gradiente elettrochimico per alimentare processi come la sintesi di ATP nell’ATPasi e il trasporto attivo di ioni e metaboliti. Per creare il gradiente, i protoni vengono trasferiti dal lato più negativo, N della membrana, dove sono a concentrazione più bassa e pH più alto, al lato positivo, P, dove sono a concentrazione più alta e pH più basso.
Fosforilazione ossidativa
La maggior parte dell’energia utilizzabile ottenuta dalla scomposizione dei carboidrati o dei grassi è prodotta attraverso la fosforilazione ossidativa, che avviene all’interno dei mitocondri. La degradazione del glucosio tramite la glicolisi e il ciclo dell’acido citrico produce un totale di quattro molecole di ATP, dieci molecole di NADH e due molecole di FADH2.
Successivamente, gli elettroni provenienti da NADH e FADH2 vengono trasferiti all’ossigeno molecolare, generando ulteriori 32-34 molecole di ATP tramite fosforilazione ossidativa. Gli elettroni derivati da NADH e FADH2 si combinano con l’ossigeno e l’energia rilasciata da queste reazioni di ossidoriduzione viene utilizzata per sintetizzare ATP dall’ADP. L’energia derivata dal trasporto degli elettroni è collegata alla creazione di un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna.
Di conseguenza, le reazioni di trasporto degli elettroni che generano energia sono legate al trasferimento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana, creando un gradiente di protoni attraverso la membrana interna. Poiché i protoni sono cariche elettriche, l’energia potenziale accumulata nel gradiente di protoni è sia di natura chimica che elettrica. La componente elettrica corrisponde alla differenza di potenziale attraverso la membrana mitocondriale interna, con la matrice mitocondriale che ha una carica negativa e lo spazio intermembranale una carica positiva.
Nelle cellule metabolicamente attive, i protoni vengono solitamente pompati fuori dalla matrice, creando un gradiente di protoni attraverso la membrana interna che corrisponde a circa un’unità di pH, o a una concentrazione di protoni dieci volte inferiore rispetto all’interno dei mitocondri. Di conseguenza, il pH della matrice mitocondriale è di circa 8, rispetto al pH di circa 7 del citosol e dello spazio intermembranale.
Questo gradiente crea anche un potenziale elettrico di circa 0,14 V attraverso la membrana, con la matrice che ha una carica negativa. Sia il gradiente di pH che il potenziale elettrico spingono i protoni dal citosol nella matrice, combinandosi per creare un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna, che corrisponde a una variazione di energia libera di circa -5 kcal/mol per protone.
Poiché il doppio strato fosfolipidico è impermeabile agli ioni, i protoni possono attraversare la membrana solo attraverso un canale proteico. Questa limitazione consente all’energia nel gradiente elettrochimico di essere sfruttata e convertita in ATP.