Хемиосмоза

Хемиосмоза е движење на јони низ семипермеабилна мембрана, во насока на нивниот електрохемиски градиент. Пример за ова е синтезата на аденозин трифосфат (ATP) поттикнато од движењето на водородни јони низ биолошка мембрана за време на клеточно дишење или при фотосинтеза.

Јонскиот градиент поседува потенцијална енергија и може да послужи за покренување на хемиски реакции кога јоните (сино) минуваат низ мембрански канал (црвено).

Водородните јони, или протони, дифундираат од простор со висока протонска концентрација кон простор со ниска концентрација, па така електрохемискиот концентрациски градиент на протоните низ мембраната може да се искористи за синтеза на ATP. Овој процес е сличен со осмозата, која претставува дифузија на вода низ мембрана, поради што се нарекува „хемиосмоза“.

АТФ-синтазата е ензимот кој синтетизира ATP со помош на хемиосмозата. Тој им овозможува на протоните да поминат низ мембраната, при што разликата во слободната енергија се користи за фосфорилација на аденозин дифосфат (ADP). Синтезата на ATP со помош на хемиосмоза се одвива во митохондриите и хлоропластите, како и во повеќето бактерии и археи.

Хемиосмотска теорија

Британскиот биохемичар Питер Г. Мичел, во 1961 година, ја предложил хемиосмотската хипотеза за синтеза на ATP во живите системи.^[1] Теоријата сугерира дека најголемиот процент на ATP во респирирачки клетки се синтетизира со искористување на електрохемискиот градиент низ внатрешната мембрана на митохондриите, создаден од кофакторите NADH и FADH₂ кои се синтетизираат за време на катаболизмот на енергетски-богатите биолошки молекули, како што е гликозата.

Хемиосмоза во митохондрија

Молекулите на гликоза се метаболизираат за да се создаде ацетил коензим А (ацетил-КоА) кој е енергетски-богат меѓупроизвод. Оксидацијата на ацетил-КоА во митохондриската матрица е проследена со редукција на кофакторите никотинамид аденин динуклеотид (NAD) и флавин аденин динуклеотид (FAD).^[2] Потоа редуцираните кофактори ги предаваат електроните на ланецот за транспорт на електрони кој претставува комплекс од ензими сместени во внатрешната митохондриска мембрана. Слободната енергија на електроните се користи за пумпање на протони од митохондриската матрица во интермембранскиот митохондриски простор, со што таа се складира во форма на трансмембрански електрохемиски градиент. Фосфолипидната мембрана е непропустлива за протоните, па затоа тие можат да се вратат назад во матрицата, за да го поништат електрохемискиот градиент, само преку мембрански белковини, како што е ензимот АТФ-синтаза. Протокот на протоните назад во митохондриската матрица, низ АТФ-синтазата, обезбедува доволно енергија за да неорганскиот фосфат хемиски се врзе за ADP, формирајќи ATP.

Ова била радикална теорија во тоа време, која не била целосно прифатена во научните кругови. Ставот кој преовладувал во тоа време бил хемиски конзервативен концепт, според кој енергијата на пренос на електрони се складира како стабилен меѓупроизвод со висок потенцијал. Проблемот со оваа постара парадигма бил што никогаш не бил откриен високо енергетски меѓупроизвод, а доказите за пумпање на протони од страна на комплексите на ланецот за транспорт на електрони биле сè побројни и поочигледни за да можат да се игнорираат. На крајот, поради тежината на доказите, започнала пошироко да се поддржува хемиосмотската хипотеза, за која во 1978 година Питер Мичел ја добил Нобеловата награда за хемија.^[3]

Хемиосмозата е основниот механизам за синтеза на ATP во митохондриите, хлоропластите^[4] и многу бактерии и археи.^[5]

Протон-движечка сила

Претворање на енергијата во внатрешната митохондриска мембрана и хемиосмотско поврзување на хемиската енергија на редокс реакциите во респираторниот синџир со оксидативната фосфорилација, катализирана од АТФ-синтазата.

Движењето на јоните низ мембраната зависи од комбинација на два фактори:

Сила на дифузија предизвикана од концентрациски градиент - сите честички имаат тенденција да дифундираат од место со повисока концентрација кон место со пониска концентрација.
Електростатичка сила предизвикана од градиент на електричен потенцијал - протоните H⁺ имаат тенденција да дифундираат од позитивно наелектризираната страна на мембраната (P) кон негативно наелектризираната страна на мембраната (N). Анјоните, пак, дифундираат спонтано во спротивната насока.

Овие два градиенти заедно може да се изразат како електрохемиски градиент.

Липидните двослојни биолошки мембрани се бариери за јони. Ова е причината зошто енергијата може да се складира како комбинација на овие два градиента преку мембраната. Само специјални мембрански белковини, како што се јонските канали, понекогаш можат да дозволат јоните да се движат низ мембраната. Во хемиосмотската теорија, трансмембранските ATP синтази се многу важни. Тие ја претвораат енергијата на спонтаниот проток на протоните низ нив во хемиска енергија на фосфодиестерски врски на ATP.

Истражувачите затоа го создале терминот протон-движечка сила (анг. proton-motive force PMF), која се добива од електрохемискиот градиент. Таа може да се дефинира како мерка за потенцијалната енергија складирана во облик на комбинација од протонски концентрациски градиент и градиент на електричен потенцијал (напон) низ мембраната. Електричниот градиент е последица на сепарацијата на полнежите низ мембраната.

Во повеќето случаи протон-движечката сила е генерирана од ланецот за транспорт на електрони, кој делува како протонска пумпа, користејќи ја Гибсовата слободна енергија на редокс реакциите за да се пумпаат протони (водородни јони) низ мембраната, одвојувајќи го и електричниот полнеж низ мембраната. Во митохондриите, енергијата ослободена од ланецот за транспорт на електрони се користи за движење на протоните од митохондриската матрица (N страна) кон интермембранскиот митохондриски простор (Р страна). Овој трансфер на протони резултира со намалена концентрација на позитивно наелектризирани протони во митохондриската матрица, што доведува до акумулирање на негативен електричен полнеж на внатрешната страна на мембраната. Градиентот на електричниот потенцијал е околу -170 mV,^[6] а е негативен во внатрешноста (N). Овие градиенти на протони (разликата во полнежите и разликата во концентрациите) создаваат комбиниран електрохемиски градиент низ мембраната, изразен како протон-движечка сила (PMF). Во митохондриите, PMF е речиси целосно составена од електричната компонента на електрохемиски градиент, додека во хлоропластите PMF се состои главно од pH градиентот, бидејќи полнежот на протоните се неутрализира од хлоридните (Cl^-) и другите анјони. Во секој случај, PMF треба да биде поголем од околу 460 mV (45 kJ/mol) за АТФ-синтазата да може да синтетизира ATP.

Равенки

Протон-движечката сила се изведува од Гибсовата слободна енергија. Нека N ја означува внатрешноста на клетката, а P нека ја означува надворешноста. Оттука следи:^[6]

\Delta \!G=zF\Delta \!\psi +RT\ln {\frac {[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{N}}}{[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{P}}}}

каде

$\Delta \!G$ е Гибсовата слободна енергија при трансфер на единечно количество катјони од P кон N;
$z$ е бројот на полнежи на катјонот $\mathrm {X} ^{z+}$ ;
$\Delta \psi$ е електричниот потенцијал на N во однос на P;
$[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{P}}$ и $[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{N}}$ се концентрациите на катјонот во P и N, соодветно;
$F$ е Фарадеевата константа;
$R$ е универзалната гасна константа;
$T$ е температурата.

Моларната промена во Гибсовата слободна енергија $\Delta \!G$ често се толкува како моларен електрохемиски јонски потенцијал $\Delta \!\mu _{\mathrm {X} ^{z+}}=\Delta \!G$ .

За електрохемиски протонски градиент $z=1$ :

\Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{+}}=F\Delta \!\psi +RT\ln {\frac {[\mathrm {H} ^{+}]_{\text{N}}}{[\mathrm {H} ^{+}]_{\text{P}}}}=F\Delta \!\psi -(\ln 10)RT\Delta \mathrm {pH}

Дијаграм на хемиосмотска фосфорилација

каде

\Delta \!\mathrm {pH} =\mathrm {pH} _{\mathrm {N} }-\mathrm {pH} _{\mathrm {P} }

.

Мичел ја дефинирал протон-движечката сила (PMF) како

\Delta \!p=-{\frac {\Delta \!\mu _{\mathrm {H^{+}} }}{F}}

.

На пример, $\Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{+}}=1\,\mathrm {kJ} \,\mathrm {mol} ^{-1}$ значи дека $\Delta \!p=10.4\,\mathrm {mV}$ . На температура од $298\,\mathrm {K}$ равенката ја добива формата:

$\Delta \!p=-\Delta \!\psi +\left(59.1\,\mathrm {mV} \right)\Delta \!\mathrm {pH}$ .

За спонтаниот протонски трансфер од P страната (релативно попозитивна и покисела) кон N страната (релативно понегативна и поалкална), $\Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{+}}$ има негативна вредност (слично на $\Delta \!G$ ), додека PMF има позитивна вредност (слично на редукциониот потенцијал $\Delta E$ ).

Треба да се напомене дека, како и кој било друг трансмембрански транспортен процес, PMF има насока. Знакот на разликата во електричниот потенцијал $\Delta \!\psi$ е избран да ја претставува промената во потенцијалната енергија за единица полнеж кој се транспортира низ мембраната. Протоните можат да протекуваат спонтано само од страната P кон страната N, поради што PMF е дефиниран за движење на протоните во таа насока.

Енергијата изразена овде како Гибсова слободна енергија, електрохемиски протонски градиент или протонска-движечка сила (PMF), е комбинација од два трансмембрански градиенти:

концентрацискиот градиент ( $\Delta \!\mathrm {pH}$ ) и
градиентот на електричен потенцијал $\Delta \!\psi$ .

Кога системот ќе достигне рамнотежа, $\Delta \!p=0$ ; но концентрациите на двете страни од мембраната не мора да се еднакви. Спонтаното движење низ мембрана е одредено од влијанијата на двата типа на градиенти - концентрациски и електричен.

Моларната Гибсова слободна енергија $\Delta \!G_{\mathrm {p} }$ за синтеза на ATP

\mathrm {ADP} ^{4-}+\mathrm {H} ^{+}+\mathrm {HOPO} _{3}^{2-}\rightarrow \mathrm {ATP} ^{4-}+\mathrm {H_{2}O}

наречена е потенцијал на фосфорилација. Односот на концентрациите во состојба на рамнотежа $[\mathrm {H} ^{+}]/[\mathrm {ATP} ]$ може да се пресмета со споредба на $\Delta \!p$ и $\Delta \!G_{\mathrm {p} }$ , на пример, во случајот на митохондрија на цицач:^[7]

H⁺ / ATP = ΔG_p / (Δp / 10.4 kJ·mol⁻¹/mV) = 40.2 kJ·mol⁻¹ / (173.5 mV / 10.4 kJ·mol⁻¹/mV) = 40.2 / 16.7 = 2.4. Соодносот на бројот на копии на протон-врзувачката c-подединица спрема АТФ-синтетизирачката бета-подединица е 8/3 = 2.67, што укажува на тоа дека под овие услови, митохондријата функционира со 90% (2.4/2.67) ефикасност.^[7]

Всушност, термодинамичката ефикасност е помала во еукариотските клетки, бидејќи ATP мора да биде транспортиран од митохондриската матрица во цитоплазмата, а ADP и фосфатот мора да бидат внесени во митохондриската матрица. Ова „чини“ еден „екстра“ трансфер на протон за синтеза на една ATP молекула, па затоа вистинската ефикасност е само 65% (= 2,4/3,67).

Поврзано

Наводи

↑ Peter Mitchell (1961). „Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism“. Nature. 191 (4784): 144–148. Bibcode:1961Natur.191..144M. doi:10.1038/191144a0. PMID 13771349.
↑ Alberts, Bruce; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (2002). „Proton Gradients Produce Most of the Cell's ATP“. Molecular Biology of the Cell. Garland. ISBN 0-8153-4072-9.
↑ The Nobel Prize Архивирано на 4 декември 2008 г. in Chemistry 1978.
↑ Cooper, Geoffrey M. (2000). „Figure 10.22: Electron transport and ATP synthesis during photosynthesis“. The Cell: A Molecular Approach (2. изд.). Sinauer Associates, Inc. ISBN 0-87893-119-8.
↑ Alberts, Bruce; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (2002). „Figure 14-32: The importance of H⁺-driven transport in bacteria“. Molecular Biology of the Cell. Garland. ISBN 0-8153-4072-9.
↑ ^6,0 ^6,1 Nicholls D. G.; Ferguson S. J. (1992). Bioenergetics 2 (2nd ed.). San Diego: Academic Press. ISBN 9780125181242.
↑ ^7,0 ^7,1 Silverstein, Todd (2014). "An exploration of how the thermodynamic efficiency of bioenergetic membrane systems varies with c-subunit stoichiometry of F1F0 ATP synthases". J. Bioenerg. Biomembr. 46:229-241.

Литература

Biochemistry textbook reference, from the NCBI bookshelf – Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer (уред.). „18.4. A Proton Gradient Powers the Synthesis of ATP“. Biochemistry (5. изд.). W. H. Freeman.
Technical reference relating one set of experiments aiming to test some tenets of the chemiosmotic theory – Seiji Ogawa & Tso Ming Lee (1984). „The Relation between the Internal Phosphorylation Potential and the Proton Motive Force in Mitochondria during ATP Synthesis and Hydrolysis“. Journal of Biological Chemistry. 259 (16): 10004–10011. PMID 6469951.

Надворешни врски

Хемиосмоза (Универзитет во Висконсин) (англиски)
Ланец за транспорт на електрони - видео анимација на HarvardX, со превод на македонски јазик.

[1] Peter Mitchell (1961). „Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism“. Nature. 191 (4784): 144–148. Bibcode:1961Natur.191..144M. doi:10.1038/191144a0. PMID 13771349.

[2] Alberts, Bruce; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (2002). „Proton Gradients Produce Most of the Cell's ATP“. Molecular Biology of the Cell. Garland. ISBN 0-8153-4072-9.

[3] The Nobel Prize Архивирано на 4 декември 2008 г. in Chemistry 1978.

[4] Cooper, Geoffrey M. (2000). „Figure 10.22: Electron transport and ATP synthesis during photosynthesis“. The Cell: A Molecular Approach (2. изд.). Sinauer Associates, Inc. ISBN 0-87893-119-8.

[5] Alberts, Bruce; Alexander Johnson; Julian Lewis; Martin Raff; Keith Roberts; Peter Walter (2002). „Figure 14-32: The importance of H⁺-driven transport in bacteria“. Molecular Biology of the Cell. Garland. ISBN 0-8153-4072-9.

[:0-6] 6,0 ^6,1 Nicholls D. G.; Ferguson S. J. (1992). Bioenergetics 2 (2nd ed.). San Diego: Academic Press. ISBN 9780125181242.

[:1-7] 7,0 ^7,1 Silverstein, Todd (2014). "An exploration of how the thermodynamic efficiency of bioenergetic membrane systems varies with c-subunit stoichiometry of F1F0 ATP synthases". J. Bioenerg. Biomembr. 46:229-241.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]