Fosforilazione ossidativa: catena di trasporto e chemiosmosi

La fosforilazione ossidativa è il passaggio in cui la cellula incassa la gran parte della propria energia. Avviene sulla membrana interna del mitocondrio e funziona in due tempi: prima gli elettroni raccolti dal NADH e dal FADH₂ scorrono lungo la catena di trasporto fino all'ossigeno, poi l'energia di questo flusso viene usata per creare un gradiente di protoni che, scaricandosi, fa girare l'ATP sintasi.

Vediamo come funziona la catena di trasporto degli elettroni, come nasce il gradiente protonico, come l'ATP sintasi lo sfrutta secondo la teoria chemiosmotica e quale resa finale di ATP se ne ricava.

La catena di trasporto degli elettroni

Gli elettroni ad alta energia trasportati da NADH e FADH₂ vengono ceduti a una serie di complessi proteici incassati nella membrana interna mitocondriale. Passando da un complesso al successivo, gli elettroni scendono di livello energetico, un po' alla volta, fino all'ossigeno, l'accettore finale, che si riduce ad acqua. Ogni salto libera energia in modo controllato:

NADH + H⁺ + ½ O₂ → NAD⁺ + H₂O  (con pompaggio di H⁺ nello spazio intermembrana)

Senza l'ossigeno a «tirare» gli elettroni alla fine della catena, l'intero flusso si bloccherebbe: ecco perché la fosforilazione ossidativa è un processo strettamente aerobio.

Il gradiente protonico

L'energia liberata dal flusso di elettroni non produce subito ATP: viene prima immagazzinata in un gradiente di protoni. Tre dei complessi della catena, infatti, usano quell'energia per pompare ioni H⁺ dalla matrice allo spazio intermembrana. Si crea così una differenza di concentrazione e di carica attraverso la membrana interna: una sorta di «batteria» protonica, chiamata forza proton-motrice.

L'ATP sintasi e la chemiosmosi

Il gradiente accumulato spinge i protoni a rifluire nella matrice, ma la membrana è impermeabile: l'unica via di ritorno passa attraverso l'ATP sintasi, un enzima che funziona come un minuscolo motore rotante. Il flusso di protoni lo fa girare, e questa rotazione fornisce l'energia per legare ADP e fosfato in ATP. È il meccanismo descritto dalla teoria chemiosmotica di Mitchell: l'energia degli elettroni non va direttamente sull'ATP, ma passa attraverso il gradiente protonico, che fa da intermediario.

La resa di ATP

Quanti ATP si ottengono? Il conteggio dipende da quanti protoni vengono pompati per ciascun trasportatore. Le stime moderne, più prudenti di quelle dei vecchi testi, indicano circa 2,5 ATP per ogni NADH e circa 1,5 per ogni FADH₂ (questo perché il FADH₂ immette gli elettroni più a valle nella catena, pompando meno protoni):

≈ 2,5 ATP per NADH  ·  ≈ 1,5 ATP per FADH₂  →  ≈ 30–32 ATP per glucosio

La fosforilazione ossidativa rende dunque oltre il 90% dell'ATP ricavato da un glucosio: a confronto, i due ATP netti della glicolisi sono quasi trascurabili. È il guadagno che giustifica l'intera macchina mitocondriale.

Veleni e disaccoppianti

La catena respiratoria è il bersaglio di alcuni dei veleni più potenti: il cianuro e il monossido di carbonio bloccano il complesso finale (la citocromo c ossidasi), arrestando il flusso di elettroni e quindi la produzione di ATP. Esistono poi i disaccoppianti, molecole che permettono ai protoni di rientrare nella matrice senza passare dall'ATP sintasi: l'energia del gradiente viene così dissipata come calore invece che usata per produrre ATP. È un meccanismo sfruttato fisiologicamente dal tessuto adiposo bruno per generare calore (termogenesi), e spiega perché alcune sostanze disaccoppianti siano pericolose, perché la cellula continua a consumare substrati senza ricavarne energia utile.

Domande frequenti

Che cos'è la fosforilazione ossidativa?

È il processo, sulla membrana interna del mitocondrio, in cui l'energia degli elettroni trasportati da NADH e FADH₂ viene usata per sintetizzare ATP. Si svolge in due fasi accoppiate: il trasporto degli elettroni lungo una catena di complessi proteici e la sintesi di ATP guidata dal gradiente protonico che ne risulta. È la principale fonte di ATP delle cellule aerobie.

Che cos'è la catena di trasporto degli elettroni?

È una serie di complessi proteici nella membrana mitocondriale interna che si passano gli elettroni dal NADH e dal FADH₂ fino all'ossigeno, accettore finale che si riduce ad acqua. A ogni passaggio gli elettroni perdono energia, e questa energia viene usata per pompare protoni e creare il gradiente che alimenta la sintesi di ATP.

Come funziona l'ATP sintasi?

È un enzima a forma di motore rotante incassato nella membrana interna. I protoni accumulati nello spazio intermembrana rifluiscono nella matrice attraverso di esso, e questo flusso lo fa ruotare; la rotazione fornisce l'energia per unire ADP e fosfato formando ATP. È il punto in cui l'energia del gradiente protonico si converte in energia chimica.

Che cos'è la teoria chemiosmotica?

È la spiegazione, proposta da Peter Mitchell, secondo cui l'energia del trasporto degli elettroni non si trasferisce direttamente all'ATP, ma viene prima immagazzinata in un gradiente di protoni attraverso la membrana. Il gradiente fa poi da intermediario: scaricandosi attraverso l'ATP sintasi, fornisce l'energia per sintetizzare ATP.

Quanto ATP produce la fosforilazione ossidativa?

La gran parte dell'ATP cellulare: circa 2,5 molecole per ogni NADH e 1,5 per ogni FADH₂. Sommando i coenzimi prodotti da glicolisi, decarbossilazione del piruvato e ciclo di Krebs, si arriva a circa 30–32 molecole di ATP per ogni glucosio completamente ossidato, oltre il 90% del totale ricavato.