Chemiosmose (Deutsch)

Die Bewegung von Ionen über die Membran hängt von einer Kombination zweier Faktoren ab:

1. Diffusionskraft durch einen Konzentrationsgradienten-alle Partikel neigen dazu, von höherer Konzentration zu diffundieren niedriger.,
2. Elektrostatische Kraft, die durch elektrische Potentialgradienten verursacht wird-Kationen wie Protonen H+ neigen dazu, das elektrische Potential von der positiven (P) Seite der Membran zur negativen (N) Seite zu diffundieren. Anionen diffundieren spontan in die entgegengesetzte Richtung.

Diese beiden zusammengenommenen Gradienten können als elektrochemischer Gradient ausgedrückt werden.

Lipiddoppelschichten biologischer Membranen sind jedoch Barrieren für Ionen. Aus diesem Grund kann Energie als Kombination dieser beiden Gradienten über die Membran gespeichert werden., Nur spezielle Membranproteine wie Ionenkanäle können es manchmal ermöglichen, Ionen über die Membran zu bewegen (siehe auch: Membrantransport). In der chemosmotischen Theorie sind Transmembran-ATP-Synthasen sehr wichtig. Sie wandeln Energie des spontanen Protonenflusses durch sie in chemische Energie von ATP-Bindungen um.

Daher schufen die Forscher den Begriff Protonenmotivkraft (PMF), abgeleitet von dem zuvor erwähnten elektrochemischen Gradienten. Es kann als das Maß der potentiellen Energie beschrieben werden, die als eine Kombination von Protonen-und Spannungsgradienten (elektrisches Potential) über eine Membran gespeichert ist., Der elektrische Gradient ist eine Folge der Ladungstrennung über die Membran (wenn sich die Protonen H+ ohne Gegenbewegung bewegen, wie Chlorid Cl−).

In den meisten Fällen wird die Protonenmotivkraft durch eine Elektronentransportkette erzeugt, die als Protonenpumpe fungiert und die Gibbs – freie Energie von Redoxreaktionen verwendet, um Protonen (Wasserstoffionen) über die Membran zu pumpen und die Ladung über die Membran zu trennen. In Mitochondrien wird Energie, die von der Elektronentransportkette freigesetzt wird, verwendet, um Protonen von der mitochondrialen Matrix (N-Seite) in den Intermembranraum (P-Seite) zu bewegen., Durch Bewegen der Protonen aus dem Mitochondrium wird eine geringere Konzentration positiv geladener Protonen im Inneren erzeugt, was zu einer übermäßigen negativen Ladung auf der Innenseite der Membran führt. Der elektrische Potentialgradient beträgt etwa -170 mV, innen negativ (N). Diese Gradienten-Ladungsdifferenz und die Protonenkonzentrationsdifferenz erzeugen beide einen kombinierten elektrochemischen Gradienten über die Membran, oft ausgedrückt als Protonenmotivkraft (PMF)., In Mitochondrien besteht die PMF fast ausschließlich aus der elektrischen Komponente, aber in Chloroplasten besteht die PMF hauptsächlich aus dem pH-Gradienten, da die Ladung der Protonen H+ durch die Bewegung von Cl− und anderen Anionen neutralisiert wird. In beiden Fällen muss die PMF größer als etwa 460 mV (45 kJ/mol) sein, damit die ATP-Synthase ATP bilden kann.

Gleichungen >

Die Protonenmotivkraft wird aus der Gibbs-freien Energie abgeleitet. Lassen Sie N das Innere einer Zelle bezeichnen und lassen Sie P das Äußere bezeichnen. Dann

Δ G = – z F ∆ ψ + R T ln ⁡ N P {\displaystyle \Delta \!G=zF\Delta \!,\psi +RT\ln {\frac {_{\text{N}}}{_{\text{P}}}}}

wo

Für eine electrochemical proton gradient z = 1 {\displaystyle z=1} und folglich:

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} }

wo

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

Mitchell definiert die proton-motive force (PMF) als

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} } .

Es ist erwähnenswert, dass der PMF wie bei jedem Transmembrantransportprozess gerichtet ist. Das Vorzeichen der Transmembran elektrischen Potentialdifferenz Δ ψ {\displaystyle \Delta \!,\ psi } wird gewählt, um die Änderung der potentiellen Energie pro Ladungseinheit darzustellen, die wie oben in die Zelle fließt. Darüber hinaus ist der Protonengradient aufgrund des redoxgetriebenen Protonenpumpens durch Kopplungsstellen immer im Inneren alkalisch. Aus beiden Gründen fließen Protonen spontan von der P-Seite zur N-Seite; Die verfügbare freie Energie wird verwendet, um ATP zu synthetisieren (siehe unten). Aus diesem Grund ist PMF für den Protonenimport definiert, der spontan ist. PMF für den Protonenexport, d. H. Protonenpumpen, wie sie von den Kopplungsstellen katalysiert werden, ist einfach das Negativ von PMF(Import).,

Die Spontaneität des Protonenimports (von der P-zur N-Seite) ist in allen bioenergetischen Membranen universell. Diese Tatsache wurde vor den 1990er Jahren nicht erkannt, da das Chloroplasten-Thylakoid-Lumen als innere Phase interpretiert wurde, aber tatsächlich topologisch dem Äußeren des Chloroplasten entspricht. Azzone et al. betont, dass die innere Phase (N-Seite der Membran) das bakterielle Zytoplasma, die mitochondriale Matrix oder das Chloroplastenstroma ist; Die äußere (P) Seite ist der bakterielle periplasmatische Raum, der mitochondriale Intermembranraum oder das Chloroplastenlumen., Darüber hinaus zeigt die 3D-Tomographie der mitochondrialen Innenmembran ihre ausgedehnten zu stapelnden Invaginationen, ähnlich wie bei Thylakoidscheiben; Daher ist der mitochondriale Intermembranraum topologisch dem Chloroplastenlumen ziemlich ähnlich.:

Die Energie, die hier als Gibbs-freie Energie, elektrochemischer Protonengradient oder Protonenmotivkraft (PMF) ausgedrückt wird, ist eine Kombination von zwei Gradienten über die Membran:

Wenn ein System das Gleichgewicht erreicht, ist Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\ rho =0}; Dennoch müssen die Konzentrationen auf beiden Seiten der Membran nicht gleich sein., Die spontane Bewegung über die Potentialmembran wird sowohl durch Konzentrations-als auch durch elektrische Potentialgradienten bestimmt.

Die molare Gibbs freie Energie Δ G p {\displaystyle \Delta \!,G_{\mathrm {p} }} der ATP-Synthese

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

Tatsächlich ist die thermodynamische Effizienz in eukaryotischen Zellen meist geringer, da ATP aus der Matrix in das Zytoplasma exportiert werden muss und ADP und Phosphat aus dem Zytoplasma importiert werden müssen. Dies “ kostet „einen“ zusätzlichen “ Protonenimport pro ATP, daher beträgt der tatsächliche Wirkungsgrad nur 65% (= 2.4/3.67).

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