Quimiosmose

A quimiosmose é a difusión de ións a través dunha membrana con permeabiidade selectiva a favor do seu gradiente electroquímico, que está acoplada coa xeración de ATP mediante o movemento de ións hidróxeno (protóns ou H⁺) a través da membrana interna mitocondrial, da membrana dos tilacoides dos cloroplastos ou membranas bacterianas.

Os protóns difunden desde unha zona de alta concentración a outra de baixa concentración. Peter Mitchell propuxo que un gradiente de concentración electroquímico de protóns a través da membrana podía ser usado para crear ATP. Mitchel viu un paralelismo co proceso de osmose (difusión de auga a través dunha membrana) e por isto foi denominado "quimiosmose".

A ATP sintase é o encima que produce ATP por quimiosmose. Permite o paso de protóns ao seu través, utilizando esa enerxía cinética para fosforilar ADP e así crear ATP.

Peter Mitchell propuxo a "hipótese quimiosmótica" en 1961.^[1] Esta teoría (como se lle chama agora) propón esencialmente que a maior parte da síntese de ATP na respiración celular, procede dun gradiente electroquímico existente entre a membrana interna e o espazo intermembrana da mitocondria, ao utilizar a enerxía do NADH e FADH₂ que se formaron pola rotura de moléculas ricas en enerxía, como a glicosa.

As moléculas como a glicosa, son metabolizadas para producir acetil-CoA como intermediario rico en enerxía. A oxidación de acetil-CoA na matriz mitocondrial está acoplada á redución dunha molécula transportadora como os coencimas NAD⁺ e FAD.^[2]

Os coencimas traspasan electróns aos primeiros compoñentes da cadea de transporte de electróns da membrana mitocondrial interna, que logo os traspasan a outras proteínas da cadea. A enerxía deste fluxo de electróns úsase para bombear protóns desde a matriz, a través da membrana mitocondrial interna, cara ao espazo intermembrana, almacenando a enerxía en forma dun gradiente electroquímico transmembrana. A membrana mitocondrial interna é impermeables aos protóns, que só poden atravesala pola ATP sintase cando se acumulan en suficiente cantidade. Os protóns regresan á matriz atravesando de novo a membrana interna, a través do encima ATP sintase. O fluxo de protóns de volta á matriz mitocondrial a través da ATP sintase, proporciona suficiente enerxía para que o ADP se combine con fosfato inorgánico para formar ATP. Os electróns que chegan ao final da cadea de transportadores chegan ao aceptor final de electróns da respiración, que na respiración aerobia é o oxíxeno molecular (O₂), ao cal toma eses electróns e protóns da matriz e orixina auga.

No seu momento esta foi unha proposta radical e non foi ben aceptada. A visión que prevalecía naquel momento era que a enerxía da transferencia electrónica se almacenaba nun intermediario estable de alta enerxía, un concepto máis conservador desde o punto de vista químico. O problema deste vello paradigma era que nunca se encontrou aquel intermediario, e a evidencia do bombeo de protóns polos complexos da cadea de transporte de electróns creceu de forma tal que non puido ser ignorada. Finalmente, o peso da evidencia comezou a favorecer a hipótese quimiosmótica, e en 1978, o Premio Nobel de Química concedéuselle a Peter Mitchell.^[3]

Un acoplamento quimiosmótico siilar é tamén fundamental para a produción de ATP no cloroplasto^[4] e moitos tipos de bacterias.^[5]

O movemento de ións a través da membrana depende da combinación de dous factores:

1. Forza da difusión causada polo gradiente de concentración. Todas as partículas, incluídas os ións, tenden a difundir desde concentracións altas a baixas.
2. Forza electrostática causada polo gradiente de potencial eléctrico. Os catións, como son os protóns H⁺, tenden a difundir a favor do potencial eléctrico, e os anións na dirección oposta.

Estes dous gradientes considerados xuntos poden expresarse como un gradiente electroquímico.

A bicapa lipídica das membranas celulares é unha barreira que non pode ser atravesada directamente polos ións. Por esta razón, a enerxía pode almacenarse como unha combinación destes dous gradientes que se crean a través da membrana. Só proteínas de membrana especiais como por exemplo os canles iónicas poden nas condicións axeitadas permitir o paso de ións a través da membrana (ver tamén: transporte de membrana). Na teoría quimiosmótica a proteína transmembrana ATP sintase é moi importante, porque funciona como unha canle iónica que pode converter a enerxía do fluxo espontáneo de protóns que pasa a través dela en enerxía química dos enlaces do ATP.

O termo forza protón motriz (FPM) creouse para describir o funcionamento do gradiente electroquímico mencionado antes. Pode describirse como a medida da enerxía potencial almacenada como unha combinación de gradientes de concentracións protóns e voltaxe (potencial eléctico) a través dunha membrana. O gradiente eléctrico é unha consecuencia da separación de cargas a través da membrana (cando os protóns H⁺ se moven sen que haxa movemento dun contraión, como o cloruro Cl^-).

Na maioría dos casos, a forza protón motriz (FPM) xérase por unha cadea transportadora de electróns, que actúa movendo electróns e bombeando protóns, creando unha separación de carga. Na mitocondria, a liberación de enerxía libre desde a cadea transportadora de electróns, é utilizada para mover protóns desde a matriz mitocondrial ao espazo intermembrana da mitocondria. Mover os protones ao compartimento exterior crea alí unha concentración levemente alta de partículas cargadas positivamente (e como son H⁺ diminúe alí o pH), tendo como resultado que un lado da membrana mitocondrial interna é máis positivo e o outro máis negativo (o gradiente eléctrico xerado é de aproximadamente -200 mV coa matriz negativa).

Esta diferenza de carga ten como resultado un gradiente electroquímico. Este gradiente componse dun gradiente de pH e un gradiente eléctrico. O gradiente de pH corresponde á diferenza na concentración do ión H⁺. Xuntos, o gradiente electroquímico de protóns corresponde tanto á concentración como á diferenza de carga que se poida xerar, e denomínase forza protón motriz (FPM).

Na mitocondria, a FPM créase maioritariamente polo compoñente eléctrico, mentres que nos cloroplastos, a FPM é creada maiormente polo gradiente de pH, xa que a carga dos protóns é neutralizada polo movemento de Clasup>- e outros anións. En calquera dos casos, a FPM necesita ser de aproximadamente 50 kJ/mol para que a ATP sintase quede capacitada para producir ATP.

A forza protón motriz deriva da enerxía libre de Gibbs:^[6]

${\displaystyle \Delta G(kJ\cdot mol^{-1})=-mF\Delta \psi +2.3RT\log _{10}\left({[X^{m+}]_{B} \over [X^{m+}]_{A}}\right)}$

ΔG é o cambio de enerxía libre de Gibbs durante a transferencia de 1 mol de catións X^m+ desde a fase A á B a favor do potencial eléctrico, Δψ é a diferenza de potencial eléctrio (mV) entre as fases P e N (A e B), [X^m+]_A e [X^m+]_B son as concentracións de catións en lados opostos da membrana, F é a constante de Faraday, R a constante de gases. O cambio na enerxía libre de Gibbs aquí exprésase frecuentemente tamén como gradiente iónico electroquímico Δμ_m+

${\displaystyle \Delta \mu _{Xm+}(kJ\cdot mol^{-1})=\Delta G(kJ\cdot mol^{-1})}$

No caso do gradiente protónico electroquímico a ecuacón pode simplificarse a:

${\displaystyle \Delta \mu _{H+}=-F\Delta \psi +2.3RT\Delta pH}$

onde

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

(pH en fase P - pH en fase N)

Mitchell definiu a forza protón motriz (FPM) como

${\displaystyle \Delta p(mV)=-{\Delta \mu _{H+} \over F}}$

Δμ_H+ = 1 kJ·mol corresponde a Δp = 10,4 mV. A 25 °C (298K) esta ecuación queda así:

${\displaystyle \Delta p=\Delta \psi -59\Delta pH}$

A enerxía expresada aquí como enerxía libre de Gibbs, gradiente protónico electroquímico, ou forza protón motriz (FPM), é unha combinación de dous gradientes a través da membrana, que son:

• gradiente de concentración expresado aquí como ΔpH
• gradiente eléctrico Δψ

Cando un sistema acada o equilibrio, ΔG (Δμ_m+, Δp) = 0, pero iso non significa que as concentracións sexan iguais en ambos os lados da membrana. O gradiente iónico dos ións, ademais de á diferenza de concentración, afecta ao movemento espontáneo a través da membrana.

Valores exemplo:^[6]

ΔG_p é a enerxía libre de Gibbs da síntese do ATP,

ADP + Pi → ATP

tamén chamada potencial de fosforilación. Os valores da razón H⁺ / ATP da táboa superior poden calcularse por comparación de Δp e ΔG_p, por exemplo:

H⁺ / ATP = 66 kJ·mol⁻¹ / (200 mV / 10,4 kJ·mol⁻¹/mV) = 66 / 19,2 = 3,4 (mitocondria)

Para a mitocondria, ΔG_p ten en conta aquí 1 H⁺ consumido ao transferir unha molécula de fosfato (Pi) a través da membrana interna á matriz polo transportador de fosfato (PiC). Doutro modo sería máis baixo. En E. coli a razón H⁺ / ATP é difícil de determinar (marcada como ≠).

Requírese a enerxía de máis de 3 H⁺ para xerar a enerxía química necesaria para converter unha molécula de ATP. Este valor é lixeiramente máis baixo que o número teórico de 4 H⁺ implicado na fosforilación oxidativa dunha molécula de ADP a ATP durante a respiración celular (3 H⁺ que flúen a través da ATP sintase / 1 ATP + 1 que pasa desde o citoplasma a través do transportador de fosfato PiC).^[6][7]

A rotura completa dunha molécula de glicosa en presenza de oxíxeno é denominada respiración celular. As últimas etapas deste proceso ocorren na mitocondria. As moléculas de alta enerxía NADH e FADH₂, xeradas polo ciclo de Krebs, liberan os electróns cara a unha cadea transportadora de electróns. A enerxía do fluxo de electróns utilízase para bombear protóns desde distintos compoñentes da cadea para crear un gradiente de protóns a través da membrana interna mitocondrial. A ATP sintase é logo usada para xerar ATP por quimiosmose, xa que funciona como un poro permeable aos protóns cando estes se concentran o suficiente no espazo intermembrana. O encima está activo cando os protóns a atravesan e empeza a sintetizar ATP. Este proceso coñécese como fosforilación oxidativa.

A fosforilación quimiosmótica é a principal forma de xerar ATP na célula. Tamén se xera ATP en pequenas cantidades por fosforilación a nivel de substrato na cal non intervén a quimiosmose.

Ademais da quimiosmose mitocondrial, nas plantas as reaccións da fase luminosa da fotosíntese xeran enerxía mediante quimiosmose. Nos tilacoides, a clorofila perde electróns ao ser excitada ou enerxizada pola luz. O electrón é transportado por unha cadea de transportadores de electróns á vez que estes bombean protóns cara ao interior do tilacoide, onde se acumulan (xunto cos procedentes da rotura da auga na fotólise da auga da fotosíntese). Os electróns recólleos o NADP⁺ (que forma NADPH). A auga cédelle á clorofila os electróns que perdeu ao darlle a luz, e neste proceso a molécula de auga rompe (fotólise) xerando oxíxeno (que se desprende) e protóns (que contribúen ao gradiente do tilacoide). A acumulación de protóns dentro do tilacoide xera un potencial de membrana; estes protóns saen a través da ATP sintase da membrana tilacoidal, que se activa xerando ATP. Este proceso coñécese como fotofosforilación.

As bacterias tamén poden utilizar a quimiosmose para xerar ATP. Teñen cadeas de transporte de electróns e ATP sintases nas súas membranas plasmáticas, que bombean protóns cara ao exterior e sintetizan ATP, respectivamente, por un mecanismo quimiosmótico similar ao mitocondrial. Ademais, bacterias fotosintéticas como as cianobacterias e outras crean ATP por un mecanismo similar ao da fotofosforilación dos cloroplastos. De feito, crese que as mitocondrias e os cloroplastos se formaron por endosimbiose de bacterias que podían respirar ou fotosintetizar utilizando a quimiosmose (ver eucarioxénese).

Nas halobacterias hai un acoplamento quimiosmótico especial entre a bacteriorrodopsina, que capta luz e bombea protóns fóra da célula, e a produción de ATP.

• Mitocondria
• Cloroplasto
• Metabolismo
• Cadea de transporte de electróns
• Respiración celular
• Fosforilación oxidativa
• Fotofosforilación
• ATP