化學滲透

化學滲透（Chemiosmosis，或稱化學滲透偶聯）是離子經過半透膜擴散的現象，這種現象與滲透類似。化學滲透是離子的運動，離子穿過選擇性滲透膜，沿電化學梯度移動。更具體地的說，在細胞的呼吸或光合作用過程中，通過氫離子穿過細胞膜的移動產生了ATP。氫離子（質子）將從高的質子濃度的區域擴散到低質子濃度的區域，以產生ATP。氫離子由較多離子的區域滲入較少離子區域，直到內外濃度平衡為止。化學滲透通常發生在細胞的呼吸作用中的ATP合酶（三磷酸腺苷合酶）裡，細胞利用該特性來製造ATP（三磷酸腺苷）。

化學滲透假說

彼得·米切爾 (Peter D. Mitchell) 於 1961 年提出化學滲透假說^[1]。簡而言之，該假說是呼吸細胞中大部分三磷酸腺苷 (ATP) 的合成來自利用 NADH 和 FADH₂ 能量穿過線粒體內膜的電化學梯度在富含能量的分子（例如葡萄糖）的氧化分解過程中形成。

葡萄糖等分子被代謝產生乙酰輔酶A作為一種相當富含能量的中間體。線粒體基質中乙酰輔酶A（乙酰輔酶A）的氧化與煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（ NAD）等載體分子的還原相耦合和黃素腺嘌呤二核苷酸（FAD）^[2]。載體將電子傳遞至線粒體內膜中的電子傳遞鏈 (ETC)，電子傳遞鏈又將電子傳遞至 ETC 中的其他蛋白質。每個氧化還原轉移步驟的能量用於將質子從基質泵入膜間空間，以跨膜電化學梯度的形式存儲能量。質子通過 ATP 合成酶穿過內膜返回基質。線粒體通過 ATP 合酶的作用為 ADP 與無機磷酸鹽結合形成 ATP 提供了足夠的能量。

這在當時是一個激進的提議，並沒有被很好地接受。普遍的觀點是電子轉移的能量被存儲為穩定的高電勢中間體，這是一個化學上更保守的概念。能量中間體曾經被發現，並且有證據表明電子傳遞鏈複合體的質子泵浦變得太大而不容忽視。最終，化學滲透假說開始被支持，彼得·米切爾於 1978 年榮獲諾貝爾化學獎^[3]。

化學滲透耦合對於線粒體、葉綠體^[4]、以及許多細菌和古菌^[5]中 ATP 的產生非常重要。

質子動力

離子跨膜運動取決於兩個因素的組合：

由濃度梯度引起的擴散作用力 - 所有顆粒都傾向於從較高濃度擴散到較低濃度。
由電勢梯度引起的靜電力 - 質子 H+ 等陽離子傾向於沿著電位向下擴散，從膜的正 (P) 側到負 (N) 側。陰離子會自發地沿相反方向擴散。

這兩個梯度放在一起可以表示為電化學梯度。

然而，生物膜的磷脂雙分子層是離子的障礙。這就是為什麼能量可以作為跨膜的這兩個梯度的組合來存儲。只有特殊的膜蛋白（如離子通道）有時才能允許離子跨膜移動（另請參見：跨膜運輸）。在化學滲透假說中，跨膜 ATP 合酶是將質子自發流過它們的能量轉化為 ATP 鍵的化學能的核心。

因此，研究人員創造了質子動力（proton-motive force, PMF）這個術語，它源自前面提到的電化學梯度。它可以描述為存儲的勢能（電化學梯度）的度量，作為跨膜質子和電壓（電位）梯度的組合。電場梯度是跨膜電荷分離的結果（當質子 H⁺ 在沒有抗衡離子（例如氯化物離子 Cl⁻）的情況下移動時）。

在大多數情況下，質子動力由充當質子泵的電子傳輸鏈產生，利用氧化還原反應的吉布斯自由能將質子（氫離子）泵出穿過膜，從而分離穿過膜的電荷。在線粒體中，電子傳遞鏈釋放的能量用於將質子從線粒體基質（N 側）移動到膜間隙（P 側）。將質子移出線粒體會導致線粒體內帶正電的質子濃度降低，從而導致膜內部產生過多的負電荷。電勢梯度約為-170 mV ^[6]，內部為負值 (N)。這些梯度——電荷差和質子濃度差都在膜上產生組合電化學梯度，通常表示為質子動力（PMF）。在線粒體中，PMF 幾乎完全由電成分組成，但在葉綠體中，PMF 主要由 pH 梯度組成，因為質子 H⁺ 的電荷被 Cl^- 和其他陰離子的運動中和。無論哪種情況，PMF 都需要大於約 460 mV (45 kJ/mol)，ATP合酶才能產生 ATP。

參見

參考文獻

^ 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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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. （原始內容存檔於2009-03-14）.
^ ^6.0 ^6.1 引用錯誤：沒有為名為Nicholls92的參考文獻提供內容
^ Stryer L. Biochemistry fourth. New York - Basingstoke: W. H. Freeman and Company. 1995. ISBN 978-0716720096.

外部鏈接

（英文）化學滲透（威斯康星大學）（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）

[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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） 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. （原始內容存檔於2009-03-14）.

[Nicholls92-6] 6.0 ^6.1 引用錯誤：沒有為名為Nicholls92的參考文獻提供內容

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

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]