Chemiosmosis (Svenska)

rörelsen av joner över membranet beror på en kombination av två faktorer:

1. Diffusionskraft orsakad av en koncentrationsgradient – alla partiklar tenderar att diffundera från högre koncentration till lägre.,
2. elektrostatisk kraft orsakad av elektriska potentiella gradient – katjoner som protoner h+ tenderar att sprida ner den elektriska potentialen, från den positiva (P) sidan av membranet till den negativa (N) sidan. Anjoner diffunderar spontant i motsatt riktning.

dessa två gradienter tillsammans kan uttryckas som en elektrokemisk gradient.

lipidbilager av biologiska membran är emellertid hinder för joner. Därför kan energi lagras som en kombination av dessa två gradienter över membranet., Endast speciella membranproteiner som jonkanaler kan ibland tillåta joner att röra sig över membranet (se även: membrantransport). I kemiosmotisk teori är transmembrane ATP-syntaser mycket viktiga. De omvandlar energi av spontant flöde av protoner genom dem till kemisk energi av ATP-bindningar.

därför skapade forskare termen proton-motive force (PMF), härledd från den elektrokemiska gradienten som nämnts tidigare. Det kan beskrivas som måttet på den potentiella energi som lagras som en kombination av proton och spänning (elektrisk potential) gradienter över ett membran., Den elektriska gradienten är en följd av laddningsseparationen över membranet (när protonerna h+ rör sig utan motstycke, såsom klorid Cl−).

i de flesta fall genereras protonmotivkraften av en elektrontransportkedja som fungerar som en protonpump, med Gibbs fri energi av redoxreaktioner för att pumpa protoner (vätejoner) ut över membranet och separera laddningen över membranet. I mitokondrier används energi som frigörs av elektrontransportkedjan för att flytta protoner från mitokondriell matris (n sida) till intermembranutrymmet (p sida)., Att flytta protonerna ur mitokondrionen skapar en lägre koncentration av positivt laddade protoner inuti den, vilket resulterar i överskott av negativ laddning på insidan av membranet. Den elektriska potentialgradienten är ca -170 MV, negativ inuti (N). Dessa gradienter-laddningsskillnad och protonkoncentrationsskillnaden skapar båda en kombinerad elektrokemisk gradient över membranet, ofta uttryckt som proton-motive force (PMF)., I mitokondrier består PMF nästan helt av den elektriska komponenten men i kloroplaster består PMF mestadels av pH-gradienten eftersom laddningen av protoner h+ neutraliseras av rörelsen av Cl-och andra anjoner. I båda fallen måste PMF vara större än ca 460 MV (45 kJ/mol) för ATP-syntasen för att kunna göra ATP.

EquationsEdit

protonmotivet kraften härrör från Gibbs fri energi. Låt N beteckna insidan av en cell och låt P beteckna utsidan. Sedan

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

VAR

för en elektrokemisk protongradient z=1 {\displaystyle z = 1} och som en konsekvens:

Δ μ H + = F Δ + r t ln N P = F Δ − ( 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} }

där

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

Mitchell definieras proton-drivkraft (PMF) som

Δ p = − Δ H μ + F {\displaystyle \Delta \!p=-{\frac {\Delta \!\mu _{\mathrm {H^ { + }} }} {f}}}.

Δ p = – Δ ( 59,1 M V ) Δ P H {\displaystyle \Delta \!p=-\Delta \!\PSI + \left(59.1\, \mathrm {MV}\right) \Delta\!- mathrm .

det är värt att notera att PMF, som med alla transmembrantransportprocesser, är riktad. Tecknet på den transmembrane elektriska potentialskillnaden Δ, {\displaystyle \Delta\!,\ psi } väljs för att representera förändringen i potentiell energi per enhetsladdning som strömmar in i cellen enligt ovan. Dessutom, på grund av redoxdriven protonpumpning av kopplingsplatser, är protongradienten alltid inuti-alkalisk. Av båda dessa skäl flyter protoner spontant, från P-sidan till n-sidan; den tillgängliga fria energin används för att syntetisera ATP (se nedan). Av denna anledning definieras PMF för proton import, vilket är spontant. PMF för proton export, dvs proton pumpning som katalyseras av kopplingsplatserna, är helt enkelt negativt av PMF (import).,

spontaniteten hos protonimport (från P till n-sidan) är universell i alla bioenergetiska membran. Detta faktum erkändes inte före 1990-talet, eftersom kloroplasttylakoidlumen tolkades som en inre fas, men det är faktiskt topologiskt ekvivalent med kloroplastens yttre. Azzone et al. betonade att den inre fasen (n sidan av membranet) är den bakteriella cytoplasman, mitokondriell matris eller kloroplast stroma; utsidan (P) sidan är det bakteriella periplasmiska utrymmet, mitokondriell intermembranutrymme eller kloroplastlumen., Dessutom visar 3D-tomografi av det mitokondriella inre membranet sina omfattande invaginationer som ska staplas, liknande tylakoidskivor; därmed är mitokondriellt intermembranutrymme topologiskt ganska lik kloroplastlumen.:

den energi som uttrycks här som Gibbs fri energi, elektrokemisk protongradient, eller proton-motive force (PMF), är en kombination av två gradienter över membranet:

När ett system når jämvikt, Δ ρ = 0 {\displaystyle \Delta \!\Rho =0} ; ändå behöver koncentrationerna på vardera sidan av membranet inte vara lika., Spontan rörelse över det potentiella membranet bestäms av både koncentration och elektriska potentiella gradienter.

molar Gibbs fri energi Δ G p {\displaystyle \Delta \!,G_{\mathrm {p} }} av ATP-syntes

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} }

i själva verket är den termodynamiska effektiviteten mestadels lägre i eukaryota celler eftersom ATP måste exporteras från matrisen till cytoplasman, och ADP och fosfat måste importeras från cytoplasman. Denna” kostar ”en” extra ” proton import per ATP, därför är den faktiska effektiviteten endast 65% (=2.4/3.67).

---