Interested Article - Хемиосмос

Хемиосмос — биохимический механизм, с помощью которого осуществляется превращение энергии цепи переноса электронов в энергию АТФ . Включает изменение электрохимического потенциала клеточной мембраны .

Центральный постулат хемиосмотической гипотезы Митчелла гласит, что электронпереносящие цепи митохондрий , хлоропластов и бактерий сопряжены с системой синтеза АТФ через разность электрохимических потенциалов протонов на сопрягающих мембранах. Электрохимический потенциал протонов служит термодинамической мерой того, насколько градиент протонов через мембрану далёк от равновесия. Перенос электронов и синтез АТФ сопряжены с работой двух различных обратимых протонных помп. При переносе электронов образуется разность потенциалов, которая затем используется для обращения протонной помпы, гидролизующей АТФ ( АТФ-синтаза ), то есть для синтеза АТФ.

Просматривается аналогия между электрической цепью и протонным циклом. В обоих случаях имеются генераторы потенциала (батарея и дыхательная цепь), а также потенциал (разность электрических потенциалов и разность электрохимических потенциалов протонов), который измеряется в вольтах . И в том и в другом случае потенциал можно использовать для совершения работы (свет лампы и синтез АТФ). Обе цепи могут быть замкнуты накоротко . Скорости химических реакций как в батарее, так и в дыхательной цепи тесно связаны с током электронов и протонов в остальной части цепи, а он в свою очередь зависит от сопротивления в этой части цепи. При увеличении тока потенциал в обеих цепях падает.

Хемиосмотическая теория

Питер Д. Митчелл предложил хемиосмотическую гипотезу в 1961 году .

Протон-движущая сила

Движение ионов через мембрану зависит от комбинации двух факторов:

диффузионной силой, которая обусловлена градиентом концентрации (химическим градиентом или разницей концентраций) — все частицы имеют тенденцию диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией.
электростатической силы, вызванной градиентом электрических потенциалов — катионами , такими как протоны Н ⁺ , как правило, они имеют тенденцию диффундировать вниз по электрическому потенциалу, в то время, как анионы диффундируют в противоположном направлении.

Эти два градиента, взятые вместе, могут быть выражены в виде электрохимического градиента , по уравнению:

$\Delta G=RTln(C_{2}/C_{1})+zFE$ $\Delta G=RTln(C_{2}/C_{1})+zFE$ .

Уравнения процесса

Протон-движущая сила происходит от свободной энергии Гиббса по уравнению :

$\Delta G=-mF\Delta \psi +2,3RT\lg \left({[X^{m^{+}}]_{B} \over [X^{m^{+}}]_{A}}\right)$ $\Delta G=-mF\Delta \psi +2,3RT\lg \left({[X^{m^{+}}]_{B} \over [X^{m^{+}}]_{A}}\right)$

ΔG является изменением свободной энергии Гиббса (кДж/Кмоль), при передаче 1 моль катионов X ^m+ от фазы А к фазе B вниз по электрическому потенциалу, Δψ есть разность электрических потенциалов (электрический градиент или ЭДС ) (мВ) между фазами + и - (A и B), [X ^m+ ] _A и [X ^m+ ] _B — концентрации катионов на противоположных сторонах мембраны (химический градиент), F — постоянная Фарадея , R — универсальная газовая постоянная . Изменение свободной энергии Гиббса здесь выражается также часто, как электрохимический градиент ионов Δμ _Xm+ :

$\Delta \mu _{Xm^{+}}=\Delta G$ $\Delta \mu _{Xm^{+}}=\Delta G$

В случае электрохимического протонного градиента уравнение можно упростить:

$\Delta \mu _{H^{+}}=-F\Delta \psi +2,3RT\Delta pH$ $\Delta \mu _{H^{+}}=-F\Delta \psi +2,3RT\Delta pH$ ,

где

$\Delta pH=pH_{A}-pH_{B}$ $\Delta pH=pH_{A}-pH_{B}$

соответственно pH (+) фазы и pH (-) фазы.

В митохондриях

Схематическое изображение хемиосмотического фосфорилирования.
На рисунке слева — кристы , справа — матрикс митохондрий .

Известно, что через мембрану митохондрии могут свободно проникать только небольшие незаряженные молекулы, а также гидрофобные молекулы. Энергия, которая выделяется при переносе электронов по цепи МтО, приводит к переносу протонов (Н ⁺ ) из матрикса митохондрии в межмембранное пространство. Поэтому на внутренней мембране митохондрий образуется градиент концентраций протонов: в межмембранном пространстве Н ⁺ становится много, а в матриксе остается мало. Образуется разность потенциалов 0,14В —наружная часть мембраны заряжена положительно, а внутренняя — отрицательно. Накопившиеся в межмембранном пространстве Н ⁺ стремятся выйти обратно в матрикс по градиенту их концентраций, но митохондриальная мембрана для них непроницаема. Единственный обратный путь в матрикс для протонов — через протонный канал фермента АТФ-синтетазы, которая интегрирован во внутреннюю мембрану митохондрий. При движении протонов по этому каналу в матрикс их энергия используется АТФ-синтазой для синтеза АТФ. Синтезируется АТФ в матриксе митохондрий.

В растениях

В прокариотах

Примечания

Peter Mitchell. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism (англ.) // Nature : journal. — 1961. — Vol. 191 , no. 4784 . — P. 144—148 . — doi : . — Bibcode : . — .
Nicholls D. G.; Ferguson S. J. Bioenergetics 2 (неопр.) . — 2nd. — San Diego: Academic Press , 1992. — ISBN 9780125181242 .