Chemiosmosis (日本語)

膜を横切るイオンの動きは二つの要因の組み合わせに依存します：

1. 濃度勾配によって引き起こされる拡散力-すべての粒子は、より高い濃度からより低い,
2. 電気ポテンシャル勾配によって引き起こされる静電気力-陽子H+のような陽イオンは、膜の正（P）側から負（N）側に、電位を下げて拡散する傾向がある。 陰イオンは反対方向に自発的に拡散する。

これら二つの勾配を合わせると、電気化学的勾配として表すことができる。しかしながら、生体膜の脂質二重層はイオンの障壁である。 このため、エネルギーは膜を横切ってこれら二つの勾配の組み合わせとして貯蔵することができる。, イオンチャネルのような特殊な膜タンパク質のみが、イオンを膜を横切って移動させることがある（膜輸送も参照）。 化学浸透理論において膜貫通ATP合成酵素は非常に重要である。 それらは、それらを通る陽子の自発的な流れのエネルギーをATP結合の化学エネルギーに変換する。

したがって、研究者は、前述の電気化学的勾配に由来するプロトン原動力（PMF）という用語を作成しました。 これは、膜を横切るプロトン勾配と電圧（電位）勾配の組み合わせとして蓄積されたポテンシャルエネルギーの尺度として記述することができる。, 電気的勾配は、膜を横切る電荷分離の結果である（プロトンH+が対イオンなしで移動するとき、塩化物Cl−のような）。

ほとんどの場合、プロトン原動力はプロトンポンプとして働く電子輸送鎖によって生成され、酸化還元反応のギブス自由エネルギーを使用してプロトン（水素イオン）を膜を横切ってポンプで送り出し、膜を横切って電荷を分離する。 ミトコンドリアでは、電子輸送鎖によって放出されるエネルギーを用いて、ミトコンドリアマトリックス（N側）から膜間空間（P側）に陽子を移動させる。, ミトコンドリアから陽子を移動させると、その内部に正に帯電した陽子の濃度が低くなり、膜の内側に過剰な負電荷が生じる。 電位勾配は約-170mVであり、内部（N）は負である。 これらの勾配-電荷差およびプロトン濃度差は、両方とも、しばしばプロトン原動力（PMF）として表される、膜全体に組み合わされた電気化学的勾配を作り出す。, ミトコンドリアでは、PMFはほぼ完全に電気成分で構成されていますが、葉緑体では、プロトンH+の電荷がCl−および他のアニオンの動きによって中和されるため、PMFはほとんどpH勾配で構成されています。 いずれの場合も、ATP合成酵素がATPを作ることができるようにするためには、PMFは約460mV（45kJ/mol）よりも大きくなければならない。

EquationsEdit

プロトン原動力はギブスの自由エネルギーから得られます。 Nはセルの内側を表し、Pは外側を表すとします。 すると

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

ここで、

電気化学プロトン勾配z=1{\displaystyle z=1}に対して、結果として：

Δ≤H+=F Δ≤+R T ln≤N P=F Δ≤−(ln≤10)R T Δ p H{\displaystyle\Delta\!\mu_{\mathrm{H}^{+}}=F\デルタ\！\psi+RT\ln{\frac{_{\テキスト{N}}}{_{\テキスト{P}}}}=F\デルタ\！\psi-(\ln10)RT\Delta\mathrm{pH}}

ここで、

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

ミッチェルは陽子駆動力(PMF)を

Δ p=-Δ∈H+F{\displaystyle\Delta\!p=-{\frac{\Delta\!\mu_{\mathrm{H^{+}}}}{F}}}。

Δ p=-Δθ+(59.1m V)Δ P H{\displaystyle\Delta\!p=-\デルタ\！\psi+\左（59.1\、\mathrm{mV}\右）\デルタ\！\mathrm{pH}}。

任意の膜貫通輸送プロセスと同様に、PMFは指向性であることは注目に値する。 膜貫通電位差Δσ{\displaystyle\Delta\!,\psi}代表に選ばれる変化のポテンシャルエネルギーの単位あたりの料金に流入する細胞を前述のとおりといたしました。 さらに、結合部位による酸化還元駆動プロトンポンピングのために、プロトン勾配は常に内部アルカリ性である。 これらの理由の両方から、プロトンはp側からN側に自発的に流れ、利用可能な自由エネルギーはATPを合成するために使用される（下記参照）。 このため、pmfは自発的であるプロトンインポートに対して定義される。 カップリングサイトによって触媒されるプロトンポンピングのプロトンエクスポートのためのPMFは、単にPMF（インポート）の負です。,

プロトンインポートの自発性（P側からN側へ）は、すべての生物エネルギー膜において普遍的である。 この事実は、葉緑体チラコイド内腔が内部相と解釈されたため、1990年代以前には認識されなかったが、実際には葉緑体の外部とトポロジー的に同等である。 Azzone et al. 内側の相（膜のN側）は、細菌の細胞質、ミトコンドリアマトリックス、または葉緑体間質であることを強調し、外側（P）側は、細菌のペリプラズム空間、ミトコンドリア膜間空間、または葉緑体腔である。, さらに、ミトコンドリア内膜の3Dトモグラフィーにより、チラコイドディスクに似た広範な陥入が積み重なっていることが示され、したがって、ミトコンドリアの膜間空間は葉緑体腔とトポロジー的に非常に類似している。:

ここではギブス自由エネルギー、電気化学プロトン勾配、またはプロトン原動力（PMF）として表されるエネルギーは、膜を横切る二つの勾配の組み合わせである。

系が平衡に達すると、Δθ=0{\displaystyle\Delta\!\rho=0};それにもかかわらず、膜の両側の濃度は同じである必要はありません。, 電位膜を横切る自発的な動きは、濃度および電位勾配の両方によって決定される。

モルギブス自由エネルギー Δ G p{\displaystyle\Delta\!,ATP合成のg_{\mathrm{p}}}

A D P4−+H++H O P O3 2−→A T P4−+H2O{\displaystyle\mathrm{ADP}^{4-}+\mathrm{H}^{+}+\mathrm{H}^{H}+\mathrm{H}^{H}}{\displaystyle\mathrm{ADP}^{4-}+\mathrm{H}^{+}+\mathrm{H}^{H}}{\displaystyle\mathrm{ADP}^{\displaystyle\mathrm{ADP}^{h}^{h}}}} _{3}^{2-}\rightarrow\mathrm{ATP}^{4-}+\mathrm{H_{2}O}}

ATPはマトリックスから細胞質にエクスポートされなければならず、ADPとリン酸塩は細胞質からインポートされなければならないので、実際には、熱力学的効率は真核細胞ではほとんど低い。 これはATPあたりの”余分な”プロトンインポートを”コスト”するため、実際の効率はわずか65％（=2.4/3.67）です。

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