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.

Питер Д. Митчелл предложил хемиосмотическую гипотезу в 1961 году^[1].

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:

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

Протон-движущая сила происходит от свободной энергии Гиббса по уравнению^[2]:

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

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+:

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

В случае электрохимического протонного градиента уравнение можно упростить:

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

где

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

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

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.

Осмос