1.

Introduzione

Chemiosmosi Processo di sintesi di molecole di ATP che utilizza l’energia liberata dallo spostamento di ioni idrogeno, che si muovono secondo il proprio gradiente di concentrazione.

La sintesi di ATP è essenziale in tutte le cellule viventi, poichè nei legami altamente energetici che si stabiliscono tra i gruppi fosfato di questa molecola, viene immagazzinata energia utile per tutte le reazioni biologiche; le molecole di ATP, dunque, rappresentano la principale “scorta” di energia della cellula.

La chemiosmosi fu dimostrata dal biochimico britannico Peter Mitchell nel 1961, che ne indicò l’universalità: si verifica, infatti, nelle cellule batteriche, animali e vegetali; in particolare, nelle cellule animali avviene durante la respirazione cellulare, a livello dei mitocondri, mentre in quelle vegetali si svolge durante la fotosintesi, a livello dei cloroplasti.

2.

Chemiosmosi nel mitocondrio

Nell’ultima fase della respirazione cellulare, la fosforilazione ossidativa, le molecole di NADH e FADH₂ formatesi nello stadio precedente (ciclo di Krebs) si ossidano, in modo da ritornare in forma di NAD⁺ e FAD ed essere riutilizzati in un nuovo processo respiratorio. Ossidandosi, cedono elettroni, che si spostano attraverso una catena di molecole (trasportatori) situate nella membrana interna del mitocondrio. Il flusso di elettroni genera energia e fa sì che, dall’interno del mitocondrio (matrice), ioni idrogeno H⁺ vengano pompati verso l’esterno, e si accumulino nello spazio tra le due membrane dell’organulo.

Nella membrana interna del mitocondrio, però, si trovano canali proteici specifici per gli ioni idrogeno, cioè strutture collocate nello spessore della membrana, che funzionano come “tunnel” di passaggio per gli ioni. È a livello di tali canali che avviene il processo di chemiosmosi. Gli ioni idrogeno accumulati nello spazio intermembrana fluiscono attraverso il canale e ritornano verso l’interno del mitocondrio: poiché diffondono da una zona a maggiore concentrazione verso una dove sono meno concentrati, il processo è spontaneo e libera energia. Questa energia viene usata per la reazione: ADP + P → ATP che avviene a livello dei canali proteici. Qui si trova l’ATP sintetasi, l’enzima necessario alla sintesi dell’ATP.

3.

Chemiosmosi nel cloroplasto

Nella fase luminosa della fotosintesi, il fotosistema II, sistema molecolare contenente clorofilla e localizzato sulla membrana del tilacoide, assorbe la luce solare, passa a uno stato eccitato e libera elettroni. Questi fluiscono verso il fotosistema I attraverso una catena di molecole di trasporto; durante lo spostamento, perdono progressivamente energia, che viene impiegata a livello della stessa membrana per pompare ioni idrogeno H⁺ dallo spazio interno del cloroplasto verso l’interno del tilacoide. Dunque, dentro il tilacoide la concentrazione degli H⁺ aumenta.

Gli ioni possono fuoriuscire dal tilacoide soltanto passando attraverso canali proteici che, come avviene nei mitocondri, fungono da tunnel di passaggio degli H⁺. A questo punto, avviene la chemiosmosi. Gli H⁺ tendono a ritornare verso l’interno del cloroplasto, cioè a rifluire verso la regione in cui sono meno concentrati; poiché tale processo è una diffusione che decorre spontaneamente, avviene con liberazione di energia. L’energia viene impiegata nella reazione di sintesi: ADP + P → ATP. Anche in questo caso, la sintesi avviene a livello dei canali proteici, sui quali si trovano l’ATP sintetasi necessaria al processo.