Chemiosmoza

ruch jonów przez membranę zależy od kombinacji dwóch czynników:

1. Siła dyfuzji spowodowana gradientem stężenia – wszystkie cząstki mają tendencję do dyfuzji z wyższego stężenia do niższego.,
2. Siła elektrostatyczna spowodowana gradientem potencjału elektrycznego-kationy takie jak protony H+ mają tendencję do rozpraszania się w dół potencjału elektrycznego, od strony dodatniej (P) membrany do strony ujemnej (N). Aniony dyfundują spontanicznie w przeciwnym kierunku.

te dwa gradienty wzięte razem można wyrazić jako gradient elektrochemiczny.

dwuwarstwy lipidowe błon biologicznych są jednak barierą dla jonów. Dlatego energia może być przechowywana jako kombinacja tych dwóch gradientów na membranie., Tylko specjalne białka membranowe, takie jak kanały jonowe, mogą czasami pozwolić jonom na przemieszczanie się po błonie (Zobacz też: transport membranowy). W teorii chemiosmotycznej bardzo ważne są transmembrane syntazy ATP. Przekształcają one energię spontanicznego przepływu protonów przez nie w energię chemiczną wiązań ATP.

dlatego naukowcy stworzyli termin proton-motive force (PMF), wywodzący się ze wspomnianego wcześniej gradientu elektrochemicznego. Można ją opisać jako miarę energii potencjalnej zmagazynowanej jako kombinacja protonu i napięcia (potencjału elektrycznego) na membranie., Gradient elektryczny jest konsekwencją rozdzielenia ładunku przez błonę (gdy protony H + poruszają się bez kontrionu, np. chlorku Cl -).

w większości przypadków siła napędowa protonu jest generowana przez łańcuch transportu elektronów, który działa jak pompa protonowa, wykorzystując energię swobodną Gibbsa reakcji redoks do pompowania protonów (jonów wodorowych) przez membranę, oddzielając ładunek przez membranę. W mitochondriach energia uwalniana przez łańcuch transportu elektronów jest wykorzystywana do przemieszczania protonów z matrycy mitochondrialnej (strona N) do przestrzeni międzycząsteczkowej (strona P)., Przesunięcie protonów z mitochondrium powoduje niższe stężenie dodatnio naładowanych protonów wewnątrz niego, co powoduje nadmiar ujemnego ładunku we wnętrzu błony. Gradient potencjału elektrycznego wynosi około -170 mV, ujemny wewnątrz (N). Te gradienty-różnica ładunku i różnica stężenia protonu tworzą kombinowany gradient elektrochemiczny na membranie, często wyrażany jako siła napędowa protonu (PMF)., W mitochondriach PMF składa się prawie w całości ze składnika elektrycznego, ale w chloroplastach PMF składa się głównie z gradientu pH, ponieważ ładunek protonów H+ jest neutralizowany przez ruch Cl-i innych anionów. W obu przypadkach PMF musi być większy niż około 460 mV (45 kJ / mol), aby syntaza ATP mogła wytwarzać ATP.

równania

siła napędowa protonu pochodzi z energii swobodnej Gibbsa. Niech N oznacza wnętrze komórki, A P oznacza Na Zewnątrz. Wtedy

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

gdzie

dla gradientu elektrochemicznego protonu z = 1 {\displaystyle z=1} i w konsekwencji:

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} }

gdzie

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

Mitchell zdefiniował siłę napędową protonu 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} } .

warto zauważyć, że podobnie jak w przypadku każdego procesu transportu transmembranowego, PMF jest kierunkowy. Znak transmembrany różnicy potencjału elektrycznego Δ ψ {\displaystyle \ Delta\!,\psi } jest wybrany do reprezentowania zmiany energii potencjalnej na jednostkę ładunku przepływającego do komórki, jak powyżej. Ponadto, ze względu na pompowanie protonów przez miejsca sprzężenia przez redoks, gradient protonów jest zawsze wewnątrz-zasadowy. Z obu tych powodów protony przepływają spontanicznie, od strony P do strony N; dostępna energia swobodna jest wykorzystywana do syntezy ATP(patrz niżej). Z tego powodu PMF jest zdefiniowany dla importu protonów, który jest spontaniczny. PMF dla eksportu protonów, czyli pompowania protonów jako katalizowanego przez miejsca sprzężenia, jest po prostu ujemnym PMF (import).,

spontaniczność importu protonów (od strony P do n) jest uniwersalna we wszystkich błonach bioenergetycznych. Fakt ten nie został rozpoznany przed latami 90. XX wieku, ponieważ światło tylakoidowe chloroplastu interpretowano jako fazę wewnętrzną, ale w rzeczywistości jest topologicznie równoważne z zewnętrzną chloroplastem. Azzone et al. podkreślono, że faza wewnętrzna (strona N błony) jest bakteryjna cytoplazma, matryca mitochondrialna lub stroma chloroplastowa; zewnętrzna (P) strona jest bakteryjna przestrzeń peryplazmatyczna, mitochondrialna przestrzeń międzymięśniowa lub chloroplastowe światło., Ponadto, tomografia 3D mitochondrialnej błony wewnętrznej pokazuje jej rozległe inwaginacje do ułożenia, podobne do dysków tylakoidowych; stąd mitochondrialna przestrzeń międzycząsteczkowa jest topologicznie dość podobna do światła chloroplastowego.:

energia wyrażona tutaj jako energia swobodna Gibbsa, elektrochemiczny gradient protonu lub siła napędowa protonu (PMF), jest kombinacją dwóch gradientów w poprzek membrany:

gdy układ osiągnie równowagę, Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\rho =0}; niemniej jednak stężenia po obu stronach membrany nie muszą być równe., Spontaniczny ruch przez membranę potencjalną zależy zarówno od gradientu stężenia, jak i gradientu potencjału elektrycznego.

molowa energia swobodna Gibbsa Δ G P {\displaystyle \Delta \!,G_ {\mathrm {P} }} syntezy 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}}

w rzeczywistości sprawność termodynamiczna jest w większości niższa w komórkach eukariotycznych, ponieważ ATP musi być eksportowany z matrycy do cytoplazmy, A ADP i fosforan muszą być importowane z cytoplazmy. To” kosztuje „jeden” dodatkowy ” import protonów na ATP, stąd rzeczywista sprawność wynosi tylko 65% (=2,4/3,67).

---