Complesso V: ATP sintasi

Complesso V: ATP sintasi

Durante la fosforilazione ossidativa, i protoni generano un gradiente. Sfruttando questo gradiente, ritornano nella matrice passando attraverso l’ATP sintasi. Visto che l’idrolisi dell’ATP → ADP + Pi è fortemente esoergonica (ΔG ≈ -30,5 kJ/mol), ci aspettiamo che la formazione di ATP sia altrettanto endoergonica. In realtà, dell'ATP sintasi la reazione è quasi neutra (ΔG ≈ 0,00 kJ/mol). Questo è dovuto al fatto che l’ATP sintasi è molto più affine all’ATP rispetto all’ADP+P. Questo aumento di affinità rende favorevole la sintesi di ATP. Allo stesso tempo, l’ATP fa fatica a staccarsi dall’enzima, ma è lo stesso flusso di protoni che consente cambi conformazionali dell’enzima e ne consentono il rilascio. L’ATP sintasi è una pompa di tipo F (sintetizza ATP) composta da due componenti principali:
- Fo: è la parte integrale nella membrana e forma un canale per i protoni, permettendo loro di tornare nella matrice. F₀ è costituita dalle subunità a, b, c. Le subunità c si assemblano a formare due anelli concentrici, che sarebbero la parte transmembrana. Questo anello è fondamentale perché ruota durante il funzionamento dell’enzima e trasforma l’energia del gradiente protonico in movimento meccanico.
- F1: è la parte periferica, che sporge nella matrice. Sarebbe la parte che mediante la rotazione di Fo, subisce dei cambi conformazionali che le consentono di sintetizzare ATP. F₁ è costituita da 9 subunità di 5 tipi diversi. Il sito catalitico per la sintesi di ATP si trova su ciascuna delle 3 subunità β. Le conformazioni delle subunità β sono diverse e si susseguono: Una lega ATP → β-ATP
Una lega ADP → β-ADP
Una è vuota → β-vuota
Le subunità α e β sono disposte come spicchi di arancia e al centro hanno lo stelo (subunità γ) che interagisce con le β. Lateralmente troviamo il braccio b che collega la Fo mediante la subunità a e la F1 mediante la subunità δ. Lo scopo di questo braccio è quello di bloccare il pomello, evitando che ruoti insieme a Fo. La subunità γ collegata alla subunità e rappresenta il rotore dell’enzima. Quando il flusso di elettroni fa ruotare l’anello c, ruota anche lo stelo γ ruota dentro il complesso α₃β₃. Ogni rotazione di 120° induce il cambio conformazionale ad una subunità β. La rotazione è stata dimostrata al microscopio legando un filamento di actina fluorescente e vedevano che questo filamento ruotava. Quindi ogni giro completo di 360° ogni β ha completato un ciclo di conformazioni. Essendo 3 subunità β si producono 3 ATP. La subunità a ha un residuo di arginina positivo (Arg⁺), mentre le subunità c ha un residuo di aspartato negativo (Asp⁻). Generalmente hanno cariche opposte e si attraggono. Quando un protone entra nel canale della subunità a protona e rende neutro l’Asp⁻ e perde l’attrazione per l’Arg⁺. A questo punto, l’Arg⁺ va ad attrarre il residuo di Asp⁻ sulla subunità c successiva nell’anello, che ha ancora Asp⁻ carico, inducendo così la rotazione dell’anello c. Il protone viene trasportato con la rotazione e rilasciato nel lato matrice.

Stechiometria dell’ATP sintasi

Dal NADH, per ogni coppia di elettroni trasferita all’ossigeno, si pompano 10 protoni, mentre dal succinate (FADH2) si pompano 6 protoni.
Per produrre una molecola di ATP attraverso l’ATP sintasi, servono circa 4 protoni:
- 3 protoni per la rotazione dell’ATP sintasi che effettua la sintesi di ATP.
- 1 protone per trasportare ATP, ADP e Pi attraverso la membrana mitocondriale.
Facendo il rapporto del NADH, 10 H+ pompati/4 H+ per ogni ATP= 2,5 ATP.
Facendo il rapporto del FADH2, 6 H+ pompati/4 H+ per ogni ATP= 1,5 ATP.

Trasporto dell’ATP

La traslocasi dei nucleotidi adeninici scambia l'ATP prodotto nella matrice con l'ADP che si trova nel citosol. È un antiporto (le due molecole vanno in direzioni opposte). L'ATP ha 4 cariche negative, mentre l'ADP ne ha 3 Poiché la matrice mitocondriale è già negativa rispetto all'esterno, favorisce la fuoriuscita di ADP rispetto all’ATP che è più negativa. Per quanto riguarda l’ingresso di fosfato, vediamo che avviene mediante un simporto con H+. In questo caso, il trasporto è favorito poiché la concentrazione di H+ è molto più alta fuori dalla matrice quindi il protone tende ad entrare nella matrice carica negativamente, portandosi con sé il fosfato.

Regolazione della fosforilazione ossidativa

La cellula modula la produzione di ATP principalmente in base all’abbondanza di ADP (controllo da accettore). La cellula infatti mantiene costante il rapporto ATP/ADP, per cui sintetizza solo quella che viene usata. Quando manca l'ossigeno, la catena di trasporto degli elettroni si ferma. Questo crea un rischio: l'ATP sintasi (il motore che produce ATP) potrebbe iniziare a girare al contrario, consumando l'ATP rimasto invece di produrlo. Per evitare questo spreco, interviene la proteina IF1 (Inhibitory Factor 1): In condizioni normali il pH è neutro e IF1 è inattivo. In ipossia la cellula passa alla fermentazione lattica, che produce acido lattico e abbassa il pH (< 6,5). In ambiente acido, IF1 forma un dimero e si lega all'ATP sintasi, inibendola e impedendo l'idrolisi dell'ATP. Quando torna l'ossigeno, il pH risale e IF1 si stacca.
• Blocca il Ciclo di Krebs: stimola la PDH chinasi, che inattiva la Piruvato Deidrogenasi (così non produce acetil-CoA). Così rallenta il ciclo di Krebs e si hanno meno NADH e FADH2 forniti alla catena respiratoria.
• Ottimizza il Complesso IV: sostituisce la subunità COX4-1 con la COX4-2, che è più efficiente nel lavorare con poco ossigeno, riducendo anche la produzione di radicali liberi (ROS) dannosi.