化学浸透

化学浸透は、電気化学的勾配を下る半透膜を横切るイオンの動きです。これの例は、細胞呼吸または光合成中の膜を横切る水素イオン（H +）の移動によるアデノシン三リン酸（ATP）の生成です。

水素イオンまたはプロトンは、高プロトン濃度の領域から低プロトン濃度の領域に拡散し、膜を横切るプロトンの電気化学的濃度勾配を利用してATPを生成できます。このプロセスは、浸透、つまり膜を通過する水の拡散に関連しているため、「化学浸透」と呼ばれています。

ATPシンターゼは、化学浸透によりATPを生成する酵素です。プロトンが膜を通過できるようにし、自由エネルギーの差を利用してアデノシン二リン酸（ADP）をリン酸化し、ATPを生成します。化学浸透によるATPの生成は、ミトコンドリアと葉緑体、およびほとんどの細菌と古細菌で発生します。電子輸送チェーンは、チラコイド膜を介して間質（流体）にチラコイド空間のH +イオンを送り込みます。電子輸送鎖を通る電子の動きからのエネルギーは、ATPシンターゼを通過します。これにより、プロトンがそれらを通過し、この自由エネルギーの違いを使用して、ATPを生成するADPを光リン酸化します。

化学浸透理論

ピーターD.ミッチェルは、1961年に化学浸透圧仮説を提唱しました。この理論は、呼吸細胞におけるほとんどのアデノシン三リン酸（ATP）合成は、分解から形成されるNADHおよびFADH2のエネルギーを使用して、ミトコンドリアの内膜を横切る電気化学的勾配から来ることを本質的に示唆しますグルコースなどのエネルギーが豊富な分子の。

グルコースなどの分子は代謝され、エネルギーが豊富な中間体としてアセチルCoAを生成します。ミトコンドリアマトリックス内のアセチル補酵素A（アセチルCoA）の酸化は、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド（NAD）やフラビンアデニンジヌクレオチド（FAD）などのキャリア分子の還元と連動しています。キャリアは、ミトコンドリア内膜の電子伝達チェーン（ETC）に電子を渡し、次に、ETC内の他のタンパク質に電子を渡します。電子で利用可能なエネルギーは、基質から基質を介してプロトンを送り出し、膜貫通電気化学的勾配の形でエネルギーを蓄積します。プロトンは、酵素ATPシンターゼを介して内膜を通過して戻ります。 ATPシンターゼを介してミトコンドリアのマトリックスに戻るプロトンの流れは、ADPが無機リン酸塩と結合してATPを形成するのに十分なエネルギーを提供します。 ETCの最後のポンプでの電子と陽子は、酸素に吸収されて水を形成します。

これは当時の急進的な提案であり、受け入れられませんでした。一般的な見解は、電子移動のエネルギーは化学的に保守的な概念である安定した高電位中間体として保存されていたというものでした。古いパラダイムの問題は、高エネルギー中間体がこれまでに見つからなかったことであり、電子伝達チェーンの錯体によるプロトンポンピングの証拠が大きくなりすぎて無視できないことです。やがて証拠の重みが化学浸透圧仮説を支持し始め、1978年にピーター・ミッチェルはノーベル化学賞を受賞しました。

化学浸透カップリングは、ミトコンドリア、葉緑体、および多くの細菌と古細菌におけるATP産生に重要です。

プロトン駆動力

膜を通過するイオンの動きは、次の2つの要因の組み合わせに依存します。

1. 濃度勾配によって生じる拡散力-すべての粒子は、高濃度から低濃度に拡散する傾向があります。
2. 電位勾配によって生じる静電力-陽子H +のような陽イオンは、膜の正（P）側から負（N）側に電位を拡散する傾向があります。アニオンは自然に反対方向に拡散します。

これら2つの勾配は、電気化学的勾配として表すことができます。

しかし、生体膜の脂質二重層はイオンの障壁です。これが、エネルギーが膜を横切るこれら2つの勾配の組み合わせとして保存できる理由です。イオンチャネルのような特殊な膜タンパク質のみが、イオンが膜を通過できる場合があります（膜輸送も参照）。化学浸透理論では、膜貫通型ATPシンターゼが非常に重要です。それらは、それらを通るプロトンの自発的な流れのエネルギーをATP結合の化学エネルギーに変換します。

そのため、研究者は、前述の電気化学的勾配から派生した用語プロトン起電力（PMF）を作成しました。これは、膜全体のプロトンと電圧（電位）勾配の組み合わせとして保存されたポテンシャルエネルギーの尺度として説明できます。電気勾配は、膜を横切る電荷分離の結果です（プロトンH +が塩化物Cl-などの対イオンなしで移動する場合）。

ほとんどの場合、プロトン駆動力は、プロトンポンプとして機能する電子輸送チェーンによって生成され、酸化還元反応のギブス自由エネルギーを使用して、膜全体にプロトン（水素イオン）を送り出し、膜全体の電荷を分離します。ミトコンドリアでは、電子輸送チェーンによって放出されるエネルギーを使用して、プロトンがミトコンドリアマトリックス（N側）から膜間腔（P側）に移動します。ミトコンドリアの外にプロトンを移動すると、内部に正に帯電したプロトンの低濃度が作成され、膜の内側に過剰な負電荷が生じます。電位勾配は約-170 mVで、内部は負（N）です。これらの勾配-電荷の差とプロトン濃度の差は両方とも、膜全体で結合した電気化学的勾配を作成し、多くの場合、プロトン起電力（PMF）として表されます。ミトコンドリアでは、PMFはほぼ完全に電気成分で構成されていますが、葉緑体では、プロトンH +の電荷がCl-やその他のアニオンの動きによって中和されるため、PMFはほとんどpH勾配で構成されています。いずれの場合でも、ATP合成酵素がATPを生成できるようにするには、PMFが約460 mV（45 kJ / mol）を超える必要があります。

方程式

プロトン駆動力はギブスの自由エネルギーから得られます。 Nはセルの内側を示し、Pは外側を示します。それから

ΔG=zFΔψ+RTln⁡NP{\ displaystyle \ Delta \！G = zF \ Delta \！\ psi + RT \ ln {\ frac {_ {\ text {N}}} {_ {\ text {P}}} }}

どこ

• ΔG{\ displaystyle \ Delta \！G}は、PからNに移動した陽イオンの単位量あたりのギブス自由エネルギー変化です。
• z {\ displaystyle z}は、カチオンの電荷数Xz + {\ displaystyle \ mathrm {X} ^ {z +}};
• Δψ{\ displaystyle \ Delta \ psi}は、Pに対するNの電位です。
• P {\ displaystyle _ {\ text {P}}}およびN {\ displaystyle _ {\ text {N}}}は、それぞれPおよびNでのカチオン濃度です。
• F {\ displaystyle F}はファラデー定数です。
• R {\ displaystyle R}はガス定数です。そして
• T {\ displaystyle T}は温度です。

モルギブスの自由エネルギーの変化ΔG{\ displaystyle \ Delta \！G}は、モル電気化学イオンポテンシャルΔμXz+ =ΔG{\ displaystyle \ Delta \！\ mu _ {\ mathrm {X} ^ {z +}} = \ Delta \！G}。

電気化学的プロトン勾配 z = 1 {\ displaystyle z = 1}の場合、結果として：

ΔμH+ =FΔψ+RTln⁡NP= FΔψ−（ln⁡10）RTΔpH{\ displaystyle \ Delta \！\ mu _ {\ mathrm {H} ^ {+}} = F \ Delta \！\ psi + RT \ ln { \ frac {_ {\ text {N}}} {_ {\ text {P}}}} = F \ Delta \！\ psi-（\ ln 10）RT \ Delta \ mathrm {pH}}

どこ

ΔpH= pHN-pHP {\ displaystyle \ Delta \！\ mathrm {pH} = \ mathrm {pH} _ {\ mathrm {N}}-\ mathrm {pH} _ {\ mathrm {P}}}

ミッチェルは、 プロトン駆動力 （PMF）を次のように定義しました。

Δp= −ΔμH + F {\ displaystyle \ Delta \！p =-{\ frac {\ Delta \！\ mu _ {\ mathrm {H ^ {+}}}} {F}}}。

たとえば、ΔμH+ = 1kJmol-1 {\ displaystyle \ Delta \！\ mu _ {\ mathrm {H} ^ {+}} = 1 \、\ mathrm {kJ} \、\ mathrm {mol} ^ {-1} }は、Δp= 10.4mV {\ displaystyle \ Delta \！p = 10.4 \、\ mathrm {mV}}を意味します。 298K {\ displaystyle 298 \、\ mathrm {K}}では、この方程式は次の形式を取ります。

Δp= −Δψ +（59.1mV）ΔpH{\ displaystyle \ Delta \！p =-\ Delta \！\ psi + \ left（59.1 \、\ mathrm {mV} \ right）\ Delta \！\ mathrm {pH} }。

P側（比較的陽性で酸性）からN側（比較的陰性でアルカリ性）への自発的なプロトンのインポートでは、ΔμH+ {\ displaystyle \ Delta \！\ mu _ {\ mathrm {H} ^ {+} }}は負（ΔG{\ displaystyle \ Delta \！G}に似ています）に対して、PMFは正（レドックスセル電位ΔE{\ displaystyle \ Delta E}に似ています）です。

膜貫通輸送プロセスと同様に、PMFは方向性があることに注意してください。膜貫通電位差Δψ{\ displaystyle \ Delta \！\ psi}の符号は、上記のようにセルに流入する単位電荷あたりのポテンシャルエネルギーの変化を表すために選択されます。さらに、結合部位によるレドックス駆動プロトンポンピングにより、プロトン勾配は常にアルカリ内部にあります。これらの両方の理由により、陽子は自発的にP側からN側に流れます。利用可能な自由エネルギーは、ATPの合成に使用されます（以下を参照）。このため、PMFはプロトンインポート用に定義されており、これは自発的です。プロトンの輸出、すなわち、カップリングサイトによって触媒されるプロトンポンピングのPMFは、PMF（import）の負の値です。

プロトン輸入の自発性（PからN側へ）は、すべての生体エネルギー膜で普遍的です。この事実は、葉緑体チラコイド内腔が内相と解釈されていたため、1990年代以前には認識されていませんでしたが、実際には位相的に葉緑体の外部と同等です。 Azzone et al。内相（膜のN側）は細菌の細胞質、ミトコンドリアマトリックス、または葉緑体間質であると強調しました。外側（P）側は、細菌の周辺腔、ミトコンドリア膜間腔、または葉緑体内腔です。さらに、ミトコンドリア内膜の3Dトモグラフィーは、チラコイドディスクと同様に、その広範な陥入が積み重なっていることを示しています。したがって、ミトコンドリア膜間スペースは、葉緑体内腔とトポロジー的に非常に類似しています。

ここでギブスの自由エネルギー、電気化学プロトン勾配、またはプロトン起電力（PMF）として表されるエネルギーは、膜全体の2つの勾配の組み合わせです。

• 濃度勾配（ΔpH{\ displaystyle \ Delta \！\ mathrm {pH}}を介して）および
• 電位勾配Δψ{\ displaystyle \ Delta \！\ psi}。

システムが平衡に達すると、Δρ= 0 {\ displaystyle \ Delta \！\ rho = 0};それにもかかわらず、膜の両側の濃度は等しい必要はありません。電位膜を横切る自発的な動きは、濃度勾配と電位勾配の両方によって決定されます。

ATP合成のモルギブス自由エネルギーΔGp{\ displaystyle \ Delta \！G _ {\ mathrm {p}}}

ADP4- + H ++ HOPO32-→ATP4- + H2O {\ displaystyle \ mathrm {ADP} ^ {4-} + \ mathrm {H} ^ {+} + \ mathrm {HOPO} _ {3} ^ {2- } \ rightarrow \ mathrm {ATP} ^ {4-} + \ mathrm {H_ {2} O}}

リン酸化電位とも呼ばれます。平衡濃度比/ {\ displaystyle /}は、Δp{\ displaystyle \ Delta \！p}とΔGp{\ displaystyle \ Delta \！G _ {\ mathrm {p}}}を比較することで計算できます。たとえば、哺乳類のミトコンドリア：

H + / ATP =ΔGp/（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。 ATP合成ベータサブユニットコピー数に対するプロトン結合cサブユニットの実際の比率は8/3 = 2.67であり、これらの条件下でミトコンドリアが90％（2.4 / 2.67）の効率で機能することを示しています。

実際、ATPはマトリックスから細胞質に輸出されなければならず、ADPおよびリン酸は細胞質から輸入されなければならないため、真核細胞では熱力学的効率は低くなります。これはATPごとに1つの「余分な」プロトンインポートを「コスト」するため、実際の効率は65％（= 2.4 / 3.67）にすぎません。

ミトコンドリア内

酸素の存在下でのグルコースの完全な分解は、細胞呼吸と呼ばれます。このプロセスの最後のステップは、ミトコンドリアで行われます。還元分子NADHおよびFADH2は、クレブス回路、解糖、およびピルビン酸プロセシングによって生成されます。これらの分子は電子を電子輸送チェーンに送ります。このチェーンは放出されたエネルギーを使用して、ミトコンドリア内膜を横切るプロトン勾配を作成します。 ATP合成酵素は、この勾配に保存されたエネルギーを使用してATPを生成します。このプロセスは、ADPをATPにリン酸化するためにNADHとFADH2の酸化によって放出されるエネルギーを使用するため、酸化的リン酸化と呼ばれます。

植物で

光合成の光反応は、化学浸透の作用によりATPを生成します。太陽光の中の光子は、光化学系IIのアンテナ複合体によって受信され、電子をより高いエネルギーレベルに励起します。これらの電子は電子輸送チェーンを伝わり、プロトンがチラコイド膜を横切ってチラコイド内腔に能動的に送り込まれます。これらのプロトンは、ATP合成酵素と呼ばれる酵素を介して電気化学ポテンシャル勾配を流下し、ADPからATPへのリン酸化によってATPを作成します。最初の光反応からの電子は光化学系Iに到達し、光エネルギーによってより高いエネルギーレベルに上昇し、電子受容体によって受け取られ、NADP +をNADPHに還元します。光化学系IIから失われた電子は、酸素の発生する複合体（OEC、WOCまたは水酸化複合体）によってプロトンと酸素に「分割」される水の酸化に置き換えられます。 1分子の二原子酸素を生成するには、10光子が光化学系IおよびIIに吸収され、4つの電子が2つの光化学系を通過し、2 NADPHが生成されます（後にカルビンサイクルでの二酸化炭素固定に使用されます）。

原核生物で

細菌と古細菌もケモスモシスを使用してATPを生成できます。シアノバクテリア、緑色硫黄細菌、および紫色細菌は、光リン酸化と呼ばれるプロセスによってATPを合成します。これらのバクテリアは、光のエネルギーを使用して、光合成の電子輸送チェーンを使用してプロトン勾配を作成します。 大腸菌などの非光合成細菌にもATPシンターゼが含まれています。実際、ミトコンドリアと葉緑体は内部共生の産物であり、組み込まれた原核生物にまでさかのぼります。このプロセスは、内部共生理論で説明されています。ミトコンドリアの起源は真核生物の起源を引き起こし、色素体の起源は主要な真核生物スーパーグループの一つである古細菌の起源を引き起こしました。

化学浸透性リン酸化は、無機リン酸とADP分子からATPを生成する3番目の経路です。このプロセスは酸化的リン酸化の一部です。