化学渗透

化学渗透（Chemiosmosis，或称化学渗透偶联）是离子经过半透膜扩散的现象，这种现象与渗透类似。化学渗透是离子的运动，离子穿过选择性渗透膜，沿电化学梯度移动。更具体地的说，在细胞的呼吸或光合作用过程中，通过氢离子穿过细胞膜的移动产生了ATP。氢离子（质子）将从高的质子浓度的区域扩散到低质子浓度的区域，以产生ATP。氢离子由较多离子的区域渗入较少离子区域，直到内外浓度平衡为止。化学渗透通常发生在细胞的呼吸作用中的ATP合酶（三磷酸腺苷合酶）里，细胞利用该特性来制造ATP（三磷酸腺苷）。

化学渗透假说

彼得·米切尔 (Peter D. Mitchell) 于 1961 年提出化学渗透假说^[1]。简而言之，该假说是呼吸细胞中大部分三磷酸腺苷 (ATP) 的合成来自利用 NADH 和 FADH₂ 能量穿过线粒体内膜的电化学梯度在富含能量的分子（例如葡萄糖）的氧化分解过程中形成。

葡萄糖等分子被代谢产生乙酰辅酶A作为一种相当富含能量的中间体。线粒体基质中乙酰辅酶A（乙酰辅酶A）的氧化与烟酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD）等载体分子的还原相耦合和黄素腺嘌呤二核苷酸（FAD）^[2]。载体将电子传递至线粒体内膜中的电子传递链 (ETC)，电子传递链又将电子传递至 ETC 中的其他蛋白质。每个氧化还原转移步骤的能量用于将质子从基质泵入膜间空间，以跨膜电化学梯度的形式存储能量。质子通过 ATP 合成酶穿过内膜返回基质。线粒体通过 ATP 合酶的作用为 ADP 与无机磷酸盐结合形成 ATP 提供了足够的能量。

这在当时是一个激进的提议，并没有被很好地接受。普遍的观点是电子转移的能量被存储为稳定的高电势中间体，这是一个化学上更保守的概念。能量中间体曾经被发现，并且有证据表明电子传递链复合体的质子泵浦变得太大而不容忽视。最终，化学渗透假说开始被支持，彼得·米切尔于 1978 年荣获诺贝尔化学奖^[3]。

化学渗透耦合对于线粒体、叶绿体^[4]、以及许多细菌和古菌^[5]中 ATP 的产生非常重要。

质子动力

离子跨膜运动取决于两个因素的组合：

由浓度梯度引起的扩散作用力 - 所有颗粒都倾向于从较高浓度扩散到较低浓度。
由电势梯度引起的静电力 - 质子 H+ 等阳离子倾向于沿着电位向下扩散，从膜的正 (P) 侧到负 (N) 侧。阴离子会自发地沿相反方向扩散。

这两个梯度放在一起可以表示为电化学梯度。

然而，生物膜的磷脂双分子层是离子的障碍。这就是为什么能量可以作为跨膜的这两个梯度的组合来存储。只有特殊的膜蛋白（如离子通道）有时才能允许离子跨膜移动（另请参见：跨膜运输）。在化学渗透假说中，跨膜 ATP 合酶是将质子自发流过它们的能量转化为 ATP 键的化学能的核心。

因此，研究人员创造了质子动力（proton-motive force, PMF）这个术语，它源自前面提到的电化学梯度。它可以描述为存储的势能（电化学梯度）的度量，作为跨膜质子和电压（电位）梯度的组合。电场梯度是跨膜电荷分离的结果（当质子 H⁺ 在没有抗衡离子（例如氯化物离子 Cl⁻）的情况下移动时）。

在大多数情况下，质子动力由充当质子泵的电子传输链产生，利用氧化还原反应的吉布斯自由能将质子（氢离子）泵出穿过膜，从而分离穿过膜的电荷。在线粒体中，电子传递链释放的能量用于将质子从线粒体基质（N 侧）移动到膜间隙（P 侧）。将质子移出线粒体会导致线粒体内带正电的质子浓度降低，从而导致膜内部产生过多的负电荷。电势梯度约为-170 mV ^[6]，内部为负值 (N)。这些梯度——电荷差和质子浓度差都在膜上产生组合电化学梯度，通常表示为质子动力（PMF）。在线粒体中，PMF 几乎完全由电成分组成，但在叶绿体中，PMF 主要由 pH 梯度组成，因为质子 H⁺ 的电荷被 Cl^- 和其他阴离子的运动中和。无论哪种情况，PMF 都需要大于约 460 mV (45 kJ/mol)，ATP合酶才能产生 ATP。

参见

参考文献

^ Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. July 1961, 191 (4784): 144–148. Bibcode:1961Natur.191..144M. PMID 13771349. S2CID 1784050. doi:10.1038/191144a0.
^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Proton Gradients Produce Most of the Cell's ATP. Molecular Biology of the Cell. Garland. 2002. ISBN 0-8153-4072-9.
^ The Nobel Prize （页面存档备份，存于互联网档案馆） in Chemistry 1978.
^ Cooper GM. Figure 10.22: Electron transport and ATP synthesis during photosynthesis. The Cell: A Molecular Approach 2nd. Sinauer Associates, Inc. 2000. ISBN 0-87893-119-8.
^ Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Figure 14-32: The importance of H⁺-driven transport in bacteria. Molecular Biology of the Cell. Garland. 2002 [2023-07-30]. ISBN 0-8153-4072-9. （原始内容存档于2009-03-14）.
^ ^6.0 ^6.1 引用错误：没有为名为Nicholls92的参考文献提供内容
^ Stryer L. Biochemistry fourth. New York - Basingstoke: W. H. Freeman and Company. 1995. ISBN 978-0716720096.

外部链接

（英文）化学渗透（威斯康星大学）（页面存档备份，存于互联网档案馆）

[1] Mitchell P. Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. Nature. July 1961, 191 (4784): 144–148. Bibcode:1961Natur.191..144M. PMID 13771349. S2CID 1784050. doi:10.1038/191144a0.

[2] Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Proton Gradients Produce Most of the Cell's ATP. Molecular Biology of the Cell. Garland. 2002. ISBN 0-8153-4072-9.

[3] The Nobel Prize （页面存档备份，存于互联网档案馆） in Chemistry 1978.

[4] Cooper GM. Figure 10.22: Electron transport and ATP synthesis during photosynthesis. The Cell: A Molecular Approach 2nd. Sinauer Associates, Inc. 2000. ISBN 0-87893-119-8.

[5] Alberts B, Johnson A, Lewis J, Raff M, Roberts K, Walter P. Figure 14-32: The importance of H⁺-driven transport in bacteria. Molecular Biology of the Cell. Garland. 2002 [2023-07-30]. ISBN 0-8153-4072-9. （原始内容存档于2009-03-14）.

[Nicholls92-6] 6.0 ^6.1 引用错误：没有为名为Nicholls92的参考文献提供内容

[Stryer95-7] Stryer L. Biochemistry fourth. New York - Basingstoke: W. H. Freeman and Company. 1995. ISBN 978-0716720096.

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