Chemiosmózy

pohyb iontů přes membránu závisí na kombinaci dvou faktorů:

1. Šíření síly, způsobené koncentrační gradient – všechny částice mají tendenci se šířit od vyšší koncentrace k nižší.,
2. Elektrostatická síla způsobená elektrický potenciálový gradient – kationty jako protony H+ mají tendenci se šířit po elektrickém potenciálu, z pozitivní (P) straně membrány negativní (N) straně. Anionty se spontánně rozptýlí v opačném směru.

tyto dva přechody dohromady lze vyjádřit jako elektrochemický gradient.

lipidové dvojvrstvy biologických membrán jsou však bariérami pro ionty. To je důvod, proč může být energie uložena jako kombinace těchto dvou gradientů přes membránu., Pouze speciální membránové proteiny, jako jsou iontové kanály, mohou někdy umožnit ionty pohybovat se přes membránu (viz také: membránový transport). V chemiosmotické teorii jsou velmi důležité transmembránové ATP syntázy. Přeměňují energii spontánního toku protonů skrze ně na chemickou energii vazeb ATP.

proto vědci vytvořili termín proton-motive force (PMF), odvozený od elektrochemického gradientu zmíněného dříve. Může být popsán jako míra potenciální energie uložené jako kombinace gradientů protonu a napětí (elektrického potenciálu) přes membránu., Elektrický gradient je důsledkem separace náboje přes membránu (když se protony H+ pohybují bez counterionu, jako je chlorid Cl−).

Ve většině případů v proton-motivní síla je generována pomocí elektronového transportního řetězce, které působí jako protonové pumpy, pomocí Gibbsova volná energie redoxních reakcí na pumpování protonů (vodíkových iontů) přes membránu, oddělující náboje napříč membránou. V mitochondriích se energie uvolněná elektronovým transportním řetězcem používá k přesunu protonů z mitochondriální matrice (N strana) do intermembránového prostoru (P strana)., Pohybující protony z mitochondrií vytváří nižší koncentrace kladně nabitých protonů uvnitř, což vede k přebytku záporného náboje na vnitřní straně membrány. Elektrický potenciální gradient je asi -170 mV, negativní uvnitř (N). Tyto gradienty-rozdíl náboje a rozdíl koncentrace protonu vytvářejí kombinovaný elektrochemický gradient přes membránu, často vyjádřený jako proton-motivová síla (PMF)., V mitochondriích je PMF téměř zcela tvořen elektrickou složkou, ale v chloroplastech je PMF tvořen převážně gradientem pH, protože náboj protonů H+ je neutralizován pohybem Cl-a dalších aniontů. V obou případech musí být PMF větší než asi 460 mV (45 kJ / mol), aby ATP syntáza mohla vytvořit ATP.

Equationedit

protonová hybná síla je odvozena z Gibbsovy volné energie. Nechť N označují vnitřek buňky,a nechat P označují vnější. Pak

Δ g = z F Δ ψ + r t ln N N p {\displaystyle \ Delta \!G=ZF \ Delta \!,\psi +RT\ln {\frac {_{\text{N}}}{_{\text{P}}}}}

, kde

Pro elektrochemický protonový gradient z = 1 {\displaystyle z=1} a jako důsledek:

Δ μ H + = F Δ ψ + R T ln ⁡ N P = F Δ ψ − ( ln ⁡ 10 ) R T Δ p H {\displaystyle \Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{ + }} = F\Delta \!\ psi + RT \ ln {\frac {_{\text{N}}} {_{\text{P}}}} = F\Delta \!\psi(\ln 10)RT\Delta \mathrm {pH} }

, kde

Δ p H = p H N p H P {\displaystyle \Delta \!,\mathrm {pH} =\mathrm {pH} _{\mathrm {N} }-\mathrm {pH} _{\mathrm {P} }} .

Mitchell definoval protonovou hybnou sílu (PMF) jako

Δ p = − Δ μ H + F {\displaystyle \Delta \!p= – {\frac {\Delta\!\mu _{\mathrm {H^ { + }}}} {F}}.

Δ p = – Δ ψ + (59,1 m V ) Δ p h {\displaystyle \Delta \!p= – \ Delta \!\ psi + \ left (59.1\, \ mathrm {mV} \ right) \Delta\!mathrm {pH} } .

stojí za zmínku, že stejně jako u všech transmembránových transportních procesů je PMF směrový. Znak transmembránového rozdílu elektrického potenciálu Δ ψ {\displaystyle \ Delta \!,\psi } je zvolena tak, aby reprezentovala změnu potenciální energie na jednotku náboje proudící do buňky, jak je uvedeno výše. Navíc, vzhledem k redoxní-řízený proton čerpání spojením míst, protonový gradient je vždy uvnitř-alkalické. Z obou těchto důvodů protony proudí spontánně, ze strany P na stranu N; dostupná volná energie se používá k syntéze ATP (viz níže). Z tohoto důvodu je PMF definován pro import protonů, což je spontánní. PMF pro vývoz protonů, tj. protonové čerpání katalyzované spojovacími místy, je jednoduše negativní PMF (import).,

spontánnost dovozu protonu (z P na stranu N) je univerzální ve všech bioenergetických membránách. Tato skutečnost nebyla uznána před rokem 1990, protože chloroplastu lumen thylakoidu byl interpretován jako vnitřní fáze, ale ve skutečnosti to je topologicky ekvivalentní vnější části chloroplastu. Azzone et al. zdůraznil, že uvnitř fáze (N straně membrány) je bakteriální cytoplazmě, mitochondriální matrix, nebo stroma chloroplastu; vnější (P) strana je bakteriální periplasmic prostor, mitochondriálního mezimembránového prostoru, nebo chloroplast lumen., Navíc, 3D tomografie mitochondriální vnitřní membránou ukazuje jeho rozsáhlé invaginací být stohovat, podobné thylakoidu disky; proto mitochondriálního mezimembránového prostoru je topologicky velmi podobný chloroplastu lumen.:

energie vyjádřené zde jako Gibbsova volná energie elektrochemického protonového gradientu, nebo proton-motivní síly (PMF), je kombinací dvou gradienty přes membránu,

Když systém dosáhne rovnováhy, Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\rho =0}; koncentrace na obou stranách membrány však nemusí být stejné., Spontánní pohyb přes potenciální membránu je určen jak koncentračními, tak elektrickými potenciálními gradienty.

molární Gibbsova volná energie Δ g p {\displaystyle \ Delta \!,G_{\mathrm {p} }} syntézy ATP

D P 4 − + H + + H O P O O 3 2 − → T P 4 − + H 2 O {\displaystyle \mathrm {ADP} ^{4-}+\mathrm {H} ^{+}+\mathrm {HOPO} _{3}^{2-}\rightarrow \mathrm {ATP} ^{4-}+\mathrm {H_{2}Ó} }

Ve skutečnosti, termodynamická účinnost je většinou nižší v eukaryotické buňky, protože ATP musí být vyvážené z matrix do cytoplazmy a ADP a fosfát, musí být importovány z cytoplasmy. Tento“ stojí „jeden“ extra “ import protonu na ATP, a proto je skutečná účinnost pouze 65% (= 2, 4/3, 67).

---