Il gradiente protonico è una differenza di concentrazione di ioni idrogeno attraverso una membrana che produce un gradiente di concentrazione e un gradiente di potenziale elettrico. Il gradiente protonico viene stabilito pompando protoni contro il loro gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna.
Questo processo induce simultaneamente un gradiente protonico (chimico) attraverso le membrane noto come forza proton-motrice (ΔP) e un gradiente elettrico noto come potenziale di membrana mitocondriale. Secondo la teoria chemiosmotica introdotta da Peter Mitchell nel 1961, l’energia prodotta dal trasferimento di elettroni attraverso la catena di trasporto degli elettroni mitocondriali viene utilizzata per stabilire un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna che guida la produzione di ATP mitocondriale.
Quando ciò accade, l’attività enzimatica dell’ATP sintasi sintetizza l’adenosina trifosfato, ATP, dall’adenosina difosfato, ADP in una reazione di fosforilazione guidata dal flusso di protoni. Sebbene la respirazione cellulare dipenda dalla funzione del gradiente protonico, la fosforilazione ossidativa genera anche una parte significativa della formazione di ROS dannosi, specie reattive dell’ossigeno, in 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 mediante trasferimento vettoriale di elettroni, dove i reagenti vengono ossidati e ridotti su diversi lati della membrana. Qui gli elettroni attraversano la membrana, ma i protoni si muovono solo verso o dai siti redox separati. Al contrario, le pompe protoniche trasferiscono i protoni attraverso le proteine transmembrana, richiedendo meccanismi per evitare il trasferimento di protoni a valle.
Indipendentemente dal meccanismo utilizzato da una proteina, è necessaria energia per costruire un gradiente protonico. L’energia in ingresso è debole nelle proteine fotosintetiche, reazioni redox nella catena di trasferimento degli elettroni, idrolisi dell’ATP o la dissipazione del gradiente di un altro ione. I protoni scorrono lungo il gradiente elettrochimico quindi alimentano processi come la sintesi di ATP nell’ATPasi e il trasporto attivo di ioni e metaboliti.
Per costruire il gradiente, i protoni vengono trasferiti dal lato più negativo, N della membrana, dove sono a concentrazione più bassa a cui corrisponde un valore di pH più alto al lato positivo, P dove sono a concentrazione più alta ovvero a un valore di pH più basso.
Fosforilazione ossidativa
La maggior parte dell’energia utilizzabile ottenuta dalla scomposizione dei carboidrati o dei grassi deriva dalla fosforilazione ossidativa , che avviene all’interno dei mitocondri. La degradazione del glucosio mediante 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.
Gli elettroni provenienti da NADH e FADH2 vengono quindi trasferiti all’ossigeno molecolare, accoppiato alla formazione di ulteriori 32-34 molecole di ATP mediante fosforilazione ossidativa. Gli elettroni derivati da NADH e FADH2 si combinano con O2 e l’energia rilasciata da queste reazioni di ossidoriduzione viene utilizzata per guidare la sintesi di ATP dall’ADP. L’energia derivata dal trasporto degli elettroni è accoppiata alla generazione di un gradiente protonico attraverso la membrana mitocondriale interna.
Pertanto, le reazioni di trasporto degli elettroni che producono energia sono accoppiate al trasferimento di protoni dalla matrice allo spazio intermembrana, che stabilisce un gradiente protonico attraverso la membrana interna.
Poiché i protoni sono particelle caricate elettricamente, l’energia potenziale immagazzinata nel gradiente protonico è di natura elettrica oltre che chimica. La componente elettrica corrisponde alla differenza di voltaggio attraverso la membrana mitocondriale interna, con la matrice del mitocondrio negativa e lo spazio intermembrana positivo.
Nelle cellule metabolicamente attive, i protoni vengono tipicamente pompati fuori dalla matrice in modo tale che il gradiente protonico attraverso la membrana interna corrisponde a circa un’unità di pH, o ad una concentrazione di protoni dieci volte inferiore all’interno dei mitocondri. Il pH della matrice mitocondriale è quindi circa 8, rispetto al pH di circa 7 del citosol e dello spazio intermembrana. Questo gradiente genera anche un potenziale elettrico di circa 0.14 V attraverso la membrana, con la matrice negativa.
Sia il gradiente di pH che il potenziale elettrico riportano i protoni dal citosol nella matrice, quindi si combinano per formare un gradiente elettrochimico attraverso la membrana mitocondriale interna, corrispondente a una variazione di energia libera ΔG di circa -5 kcal/mol per protone.
Poiché il doppio strato fosfolipidico è impermeabile agli ioni, i protoni sono in grado di attraversare la membrana solo attraverso un canale proteico. Questa restrizione consente all’energia nel gradiente elettrochimico di essere sfruttata e convertita in ATP.