نظریه شیمی‌اسمز و گرادیان پروتون

نظریه شیمی‌اسمز توضیح می‌دهد که چگونه میتوکندری تنفس را به سنتز ATP پیوند می‌زند. به جای انتقال انرژی از طریق یک واسطه شیمیایی، زنجیره تنفسی پروتون‌ها را از عرض غشای داخلی پمپ می‌کند و یک گرادیان الکتروشیمیایی ایجاد می‌نماید. انرژی ذخیره شده در این گرادیان — نیروی محرکه پروتون — سپس آنزیم ATP سنتاز را به حرکت درمی‌آورد، زیرا پروتون‌ها به داخل ماتریکس بازمی‌گردند.

Definition

نظریه شیمی‌اسمز بیان می‌کند که انرژی آزاد شده توسط انتقال الکترون تنفسی به صورت یک گرادیان پروتون الکتروشیمیایی در عرض غشای داخلی میتوکندری حفظ می‌شود و نیروی محرکه پروتون حاصل، سنتز ATP را توسط ATP سنتاز به پیش می‌برد.

Scope

این موضوع فرضیه شیمی‌اسمز پیتر میچل، دو جزء نیروی محرکه پروتون (تفاوت شیمیایی pH و پتانسیل غشاء)، و چگونگی پیوند این گرادیان بین انتقال الکترون و سنتز ATP را پوشش می‌دهد. این یک مرجع بیوشیمی مفهومی است و نه یک راهنمای بالینی.

Core questions

• چگونه تنفس به سنتز ATP پیوند می‌خورد؟
• نیروی محرکه پروتون چیست و اجزای آن کدامند؟
• چرا فرضیه شیمی‌اسمز جایگزین ایده واسطه شیمیایی شد؟
• ATP سنتاز چگونه از گرادیان پروتون استفاده می‌کند؟

Key concepts

• نیروی محرکه پروتون
• پتانسیل غشاء
• گرادیان pH (ΔpH)
• ATP سنتاز (F0F1-ATPase)
• پیوند تنفس و فسفوریلاسیون
• گرادیان الکتروشیمیایی

Key theories

فرضیه شیمی‌اسمز

میچل پیشنهاد کرد که انتقال الکترون تنفسی پروتون‌ها را از عرض غشای داخلی پمپ می‌کند و گرادیان الکتروشیمیایی حاصل — نه یک واسطه شیمیایی پرانرژی — پیوندی است که تنفس را به سنتز ATP متصل می‌کند.

Mechanisms

همانطور که الکترون‌ها از کمپلکس‌های تنفسی عبور می‌کنند، پروتون‌ها از ماتریکس به فضای بین غشایی پمپ می‌شوند. این جداسازی بار و غلظت، نیروی محرکه پروتون را ایجاد می‌کند که دارای دو بخش است: یک جزء الکتریکی (پتانسیل غشاء) و یک جزء شیمیایی (تفاوت در غلظت پروتون، یا pH). از آنجا که غشای داخلی نسبت به پروتون‌ها نفوذناپذیر است، تنها مسیر اصلی بازگشت از طریق ATP سنتاز است که مکانیسم چرخشی آن از جریان پروتون برای پیشبرد فسفوریلاسیون ADP به ATP استفاده می‌کند. این توضیح می‌دهد که چرا تنفس و سنتز ATP معمولاً به شدت به هم مرتبط هستند.

Clinical relevance

نیروی محرکه پروتون زیربنای توانایی سلول برای ساخت ATP است و شرایطی که آن را از بین می‌برند یا در حفظ آن ناتوان هستند، عرضه انرژی را کاهش می‌دهند. این مدخل مفهوم را برای مرجع ارائه می‌دهد و توصیه‌های تشخیصی یا درمانی ارائه نمی‌دهد.

History

میچل فرضیه شیمی‌اسمز را در سال ۱۹۶۱ مطرح کرد، در زمانی که بسیاری از محققان انتظار داشتند یک واسطه شیمیایی پرانرژی، تنفس را به فسفوریلاسیون پیوند دهد. این پیشنهاد در ابتدا بحث‌برانگیز بود اما در طول دهه بعدی حمایت‌های تجربی را به دست آورد و به چارچوب پذیرفته شده برای فسفوریلاسیون اکسیداتیو تبدیل شد، و میچل در سال ۱۹۷۸ جایزه نوبل شیمی را دریافت کرد.

Debates

واسطه شیمیایی در مقابل پیوند شیمی‌اسمز

سال‌ها در این زمینه بحث بود که آیا تنفس و سنتز ATP توسط یک واسطه شیمیایی پرانرژی یا توسط یک گرادیان پروتون عرض غشایی به هم مرتبط هستند؛ شواهد تجربی به نفع مکانیسم شیمی‌اسمز میچل انباشته شد.

Key figures

• Peter Mitchell
• David Nicholls
• Stuart Ferguson

Seminal works

• mitchell-1961
• saraste-1999

Frequently asked questions

نیروی محرکه پروتون چیست؟

این انرژی ذخیره شده گرادیان پروتون در عرض غشای داخلی میتوکندری است که از یک بخش الکتریکی (پتانسیل غشاء) و یک بخش شیمیایی (تفاوت pH) تشکیل شده و ATP سنتاز را به حرکت درمی‌آورد.

چرا نظریه شیمی‌اسمز انقلابی بود؟

این نظریه پیوند انرژی را از طریق یک گرادیان پروتون عرض غشایی توضیح داد، به جای یک واسطه شیمیایی گریزان که محققان بدون موفقیت به دنبال آن بودند، و نحوه تأمین انرژی سنتز ATP توسط تنفس را بازتعریف کرد.