Chemiosmosis (Italiano)

Il movimento degli ioni attraverso la membrana dipende da una combinazione di due fattori:

1. Forza di diffusione causata da un gradiente di concentrazione – tutte le particelle tendono a diffondersi da una concentrazione più alta a una più bassa.,
2. Forza elettrostatica causata da potenziale elettrico gradiente-cationi come protoni H + tendono a diffondere verso il basso il potenziale elettrico, dal lato positivo (P) della membrana al lato negativo (N). Gli anioni si diffondono spontaneamente nella direzione opposta.

Questi due gradienti presi insieme possono essere espressi come un gradiente elettrochimico.

I doppi strati lipidici delle membrane biologiche, tuttavia, sono barriere per gli ioni. Questo è il motivo per cui l’energia può essere immagazzinata come una combinazione di questi due gradienti attraverso la membrana., Solo speciali proteine di membrana come i canali ionici possono talvolta consentire agli ioni di muoversi attraverso la membrana (vedi anche: Trasporto della membrana). Nella teoria chemiosmotica transmembrana ATP sintasi sono molto importanti. Convertono l’energia del flusso spontaneo di protoni attraverso di loro in energia chimica dei legami ATP.

Quindi i ricercatori hanno creato il termine proton-motive force (PMF), derivato dal gradiente elettrochimico menzionato in precedenza. Può essere descritto come la misura dell’energia potenziale immagazzinata come una combinazione di protoni e gradienti di tensione (potenziale elettrico) attraverso una membrana., Il gradiente elettrico è una conseguenza della separazione della carica attraverso la membrana (quando i protoni H+ si muovono senza un controione, come il cloruro Cl−).

Nella maggior parte dei casi la forza motrice protonica è generata da una catena di trasporto di elettroni che agisce come una pompa protonica, utilizzando l’energia libera di Gibbs delle reazioni redox per pompare protoni (ioni idrogeno) attraverso la membrana, separando la carica attraverso la membrana. Nei mitocondri, l’energia rilasciata dalla catena di trasporto degli elettroni viene utilizzata per spostare i protoni dalla matrice mitocondriale (lato N) allo spazio intermembrana (lato P)., Spostare i protoni fuori dal mitocondrio crea una concentrazione inferiore di protoni caricati positivamente al suo interno, con conseguente carica negativa in eccesso all’interno della membrana. Il gradiente di potenziale elettrico è di circa -170 mV, negativo all’interno (N). Questi gradienti-differenza di carica e la differenza di concentrazione di protoni creano entrambi un gradiente elettrochimico combinato attraverso la membrana, spesso espresso come la forza motrice del protone (PMF)., Nei mitocondri, il PMF è quasi interamente costituito dal componente elettrico, ma nei cloroplasti il PMF è costituito principalmente dal gradiente di pH perché la carica dei protoni H+ viene neutralizzata dal movimento di Cl− e altri anioni. In entrambi i casi, il PMF deve essere maggiore di circa 460 mV (45 kJ/mol) affinché l’ATP sintasi sia in grado di produrre ATP.

equazionimodifica

La forza motrice del protone deriva dall’energia libera di Gibbs. Sia N denotare l’interno di una cella, e sia P denotare l’esterno. Quindi

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

dove

Per un gradiente protonico elettrochimico z = 1 {\displaystyle z=1} e di conseguenza:

Δ μ H + = F Δ Δ + R T ln N N P = F Δ Δ − ( ln 1 10 ) R T Δ p H {\displaystyle \Delta\!\mu _ {\mathrm {H} ^{ + }} = F \Delta\!il nostro sito utilizza cookie tecnici e di terze parti.!\ psi − (\ln 10)RT\Delta \mathrm {pH} }

dove

Δ p H=p H N-p H P {\displaystyle \Delta \!,il nostro sito utilizza cookie tecnici e di terze parti per migliorare la tua esperienza di navigazione .

Mitchell ha definito la forza motrice protonica (PMF) come

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 + \ sinistra(59.1\, \ mathrm {mv} \ destra) \Delta\!\ mathrm {pH}} .

Vale la pena notare che, come con qualsiasi processo di trasporto transmembrana, il PMF è direzionale. Il segno della differenza di potenziale elettrico transmembrana Δ Δ {\displaystyle \ Delta\!,\ psi } è scelto per rappresentare la variazione di energia potenziale per unità di carica che scorre nella cella come sopra. Inoltre, a causa del pompaggio di protoni guidato dal redox mediante siti di accoppiamento, il gradiente di protoni è sempre interno-alcalino. Per entrambi questi motivi, i protoni fluiscono spontaneamente, dal lato P al lato N; l’energia libera disponibile viene utilizzata per sintetizzare ATP (vedi sotto). Per questo motivo, PMF è definito per l’importazione di protoni, che è spontanea. Il PMF per l’esportazione di protoni, cioè il pompaggio di protoni catalizzato dai siti di accoppiamento, è semplicemente il negativo del PMF (importazione).,

La spontaneità dell’importazione di protoni (dal lato P al lato N) è universale in tutte le membrane bioenergetiche. Questo fatto non è stato riconosciuto prima degli anni ‘ 90, perché il lume tilacoide del cloroplasto è stato interpretato come una fase interna, ma in realtà è topologicamente equivalente all’esterno del cloroplasto. Azzone et al. ha sottolineato che la fase interna (lato N della membrana) è il citoplasma batterico, la matrice mitocondriale o lo stroma del cloroplasto; il lato esterno (P) è lo spazio periplasmico batterico, lo spazio intermembrana mitocondriale o il lume del cloroplasto., Inoltre, la tomografia 3D della membrana interna mitocondriale mostra che le sue estese invaginazioni sono impilate, simili ai dischi tilacoidi; quindi lo spazio intermembrana mitocondriale è topologicamente abbastanza simile al lume del cloroplasto.:

L’energia espressa qui come energia libera di Gibbs, gradiente protonico elettrochimico o forza motrice protonica (PMF), è una combinazione di due gradienti attraverso la membrana:

Quando un sistema raggiunge l’equilibrio, Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\ rho =0} ; tuttavia, le concentrazioni su entrambi i lati della membrana non devono essere uguali., Il movimento spontaneo attraverso la membrana potenziale è determinato sia dalla concentrazione che dai gradienti di potenziale elettrico.

L’energia libera molare di Gibbs Δ G p {\displaystyle \ Delta\!,G_{\mathrm {p} }} della sintesi di ATP

D P 4 − + H + + H O P 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}O} }

In effetti, il rendimento termodinamico è per lo più inferiore in cellule eucariotiche, perché l’ATP deve essere esportati dalla matrice citoplasma, e ADP e fosfato deve essere importato dal citoplasma. Questo “costa” un’importazione di protoni “extra” per ATP, quindi l’efficienza effettiva è solo del 65% (= 2,4/3,67).

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