Quimiosmosis

el movimiento de iones a través de la membrana depende de una combinación de dos factores:

1. fuerza de difusión causada por un gradiente de concentración: todas las partículas tienden a difundirse de una concentración mayor a una menor.,
2. La fuerza electrostática causada por gradientes de potencial eléctrico – cationes como los protones H+ tienden a difundir el potencial eléctrico, desde el lado positivo (P) de la membrana hasta el lado negativo (N). Los aniones se difunden espontáneamente en la dirección opuesta.

Estos dos gradientes tomados juntos pueden expresarse como un gradiente electroquímico.

las bicapas lipídicas de las membranas biológicas, sin embargo, son barreras para los iones. Esta es la razón por la que la energía se puede almacenar como una combinación de estos dos gradientes a través de la membrana., Solo las proteínas especiales de membrana como los canales iónicos a veces pueden permitir que los iones se muevan a través de la membrana (Véase también: Transporte de membrana). En la teoría quimiosmótica las ATP sintasas transmembranas son muy importantes. Convierten la energía del flujo espontáneo de protones a través de ellos en energía química de enlaces ATP.

Por lo tanto, los investigadores crearon el término fuerza protón-motriz (PMF), derivado del gradiente electroquímico mencionado anteriormente. Se puede describir como la medida de la energía potencial almacenada como una combinación de protones y gradientes de voltaje (potencial eléctrico) a través de una membrana., El gradiente eléctrico es una consecuencia de la separación de carga a través de la membrana (cuando los protones H+ se mueven sin un contraión, como el cloruro Cl−).

en la mayoría de los casos, la fuerza motriz del protón es generada por una cadena de transporte de electrones que actúa como una bomba de protones, utilizando la energía libre de Gibbs de las reacciones redox para bombear protones (iones de hidrógeno) a través de la membrana, separando la carga a través de la membrana. En las mitocondrias, la energía liberada por la cadena de transporte de electrones se utiliza para mover protones de la matriz mitocondrial (lado N) al espacio intermembrana (lado P)., Mover los protones fuera de la mitocondria crea una menor concentración de protones cargados positivamente en su interior, lo que resulta en un exceso de carga negativa en el interior de la membrana. El gradiente de potencial eléctrico es de aproximadamente -170 mV, negativo en el interior (N). Estos gradientes – la diferencia de carga y la diferencia de concentración de protones crean un gradiente electroquímico combinado a través de la membrana, a menudo expresado como la fuerza motriz de protones (PMF)., En las mitocondrias, la PMF se compone casi en su totalidad del componente eléctrico, pero en los cloroplastos la PMF se compone principalmente del gradiente de pH porque la carga de protones H+ es neutralizada por el movimiento de Cl− y otros aniones. En cualquier caso, el PMF necesita ser mayor que aproximadamente 460 mV (45 kJ/mol) para que la ATP sintasa pueda producir ATP.

Ecuacioneseditar

la fuerza protón-motriz se deriva de la energía libre de Gibbs. Sea N denota el interior de una celda, y sea P denota el exterior. Entonces

Δ G = z f Δ ψ + R T Ln ⁡ N p {\displaystyle \ Delta\!G = zF \Delta\!,\psi + RT\LN {\frac {_{\text{N}}} {_{\text{P}}}}}

donde

para un gradiente electroquímico de protones z = 1 {\displaystyle z = 1} y como consecuencia:

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} }

donde

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

Mitchell definió la fuerza protón-motriz (PMF) como

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}}.

vale la pena señalar que, como con cualquier proceso de transporte transmembrana, el PMF es direccional. El signo de la diferencia de potencial eléctrico transmembrana Δ ψ {\displaystyle \ Delta\!,\psi } se elige para representar el cambio en la energía potencial por unidad de carga que fluye hacia la celda como se indica arriba. Además, debido al bombeo de protones impulsado por redox mediante sitios de acoplamiento, el gradiente de protones siempre es alcalino en el interior. Por ambas razones, los protones fluyen espontáneamente, desde el lado P al lado N; La energía libre disponible se utiliza para sintetizar ATP (ver más abajo). Por esta razón, PMF se define para la importación de protones, que es espontánea. PMF para la exportación de protones, es decir, el bombeo de protones catalizado por los sitios de acoplamiento, es simplemente el negativo de PMF (importación).,

la espontaneidad de la importación de protones (del lado P Al N) es universal en todas las membranas bioenergéticas. Este hecho no fue reconocido antes de la década de 1990, porque el lumen tilacoide del cloroplasto fue interpretado como una fase interior, pero de hecho es topológicamente equivalente al exterior del cloroplasto. Azzone et al. destacó que la fase interior (lado N de la membrana) es el citoplasma bacteriano, matriz mitocondrial, o estroma de cloroplasto; el lado exterior (P) es el espacio periplasmático bacteriano, el espacio intermembrana mitocondrial, o lumen de cloroplasto., Además, la tomografía 3D de la membrana interna mitocondrial muestra que sus invaginaciones extensas se apilan, similares a los discos tilacoides; por lo tanto, el espacio intermembrana mitocondrial es topológicamente bastante similar al lumen del cloroplasto.:

la energía expresada aquí como energía libre de Gibbs, gradiente electroquímico de protones, o fuerza motriz de protones (PMF), es una combinación de dos gradientes a través de la membrana:

Cuando un sistema alcanza el equilibrio, Δ ρ = 0 {\displaystyle \ Delta\!\rho = 0}; sin embargo, las concentraciones a ambos lados de la membrana no necesitan ser iguales., El movimiento espontáneo a través de la membrana potencial está determinado tanto por la concentración como por los gradientes de potencial eléctrico.

La energía libre de Gibbs molar Δ G p {\displaystyle \ Delta\!,G_{\mathrm {p} }} de la síntesis de ATP

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}}

de hecho, la eficiencia termodinámica es principalmente menor en las células eucariotas porque el ATP debe exportarse de la matriz al citoplasma, y el ADP y el fosfato deben importarse del citoplasma. Esto «cuesta» una importación de protones «extra» por ATP, por lo que la eficiencia real es solo del 65% (= 2.4/3.67).

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