Кіріспе
Электрохимиялық принцип жасушалық тыныс алуды қамтамасыз етеді. Химиосмос – иондардың жартылай өткізгіш мембраналық құрылым арқылы электрхимиялық градиенті бойынша қозғалысы. Маңызды мысал – жасушалық тыныс алу немесе фотосинтез кезінде мембрана арқылы сутегі иондарының (H+) қозғалысы арқылы аденозин трифосфатының (АТФ) түзілуі. Сутегі иондары немесе протондар жоғары протондық концентрациялы аймақтан төмен протондық концентрациялы аймаққа диффузиялайды, ал мембрана арқылы протондардың электрохимиялық концентрация градиенті АТФ синтезі үшін қолданылуы мүмкін. Бұл процесс осмозға, судың таңдамалы мембрана арқылы қозғалысына байланысты, сондықтан оны «химиосмос» деп атайды. АТФ-синтетаза – химиосмос арқылы АТФ-ты синтездейтін фермент. Ол протондардың мембрана арқылы өтуіне мүмкіндік береді және аденозин дифосфатын (АДФ) АТФ-қа айналдыру үшін бос энергия айырмасын пайдаланады. АТФ-синтетаза екі бөліктен тұрады: CF0 (тилакоид мембранасында орналасқан) және CF1 (тилакоид мембранасының сыртқы бетінен шығыңқы). Протондық градиенттің жойылуы CF1-дің конформациялық өзгерісіне алып келеді, бұл процесте АДФ-ты АТФ-қа айналдыру үшін жеткілікті энергия бөлінеді. АТФ-ты химиосмос арқылы өндіру митохондриялар мен хлоропластарда, сондай-ақ көптеген бактериялар мен археяларда жүзеге асады. Мысалы, хлоропластарда фотосинтез кезінде электрондық тасымалдау тізбегі H+ иондарын (протондарды) стромадан (сұйықтық) тилакоид мембранасы арқылы тилакоид кеңістігіне сорады. Сақталатын энергия АДФ-ты фотофосфорилирлеуге, АТФ-ты жасауға қолданылады, протондар АТФ-синтетаза арқылы қозғалғанда.
Chemiosmosis is the movement of ions across a semipermeable membrane bound structure, down their electrochemical gradient. An important example is the formation of adenosine triphosphate (ATP) by the movement of hydrogen ions (H+) across a membrane during cellular respiration or photosynthesis. Hydrogen ions, or protons, will diffuse from a region of high proton concentration to a region of lower proton concentration, and an electrochemical concentration gradient of protons across a membrane can be harnessed to make ATP. This process is related to osmosis, the movement of water across a selective membrane, which is why it is called "chemiosmosis". ATP synthase is the enzyme that makes ATP by chemiosmosis. It allows protons to pass through the membrane and uses the free energy difference to convert phosphorylate adenosine diphosphate (ADP) into ATP. The ATP synthase contains two parts: CF0 (present in thylakoid membrane) and CF1 (protrudes on the outer surface of thylakoid membrane). The breakdown of the proton gradient leads to conformational change in CF1—providing enough energy in the process to convert ADP to ATP. The generation of ATP by chemiosmosis occurs in mitochondria and chloroplasts, as well as in most bacteria and archaea. For instance, in chloroplasts during photosynthesis, an electron transport chain pumps H+ ions (protons) in the stroma (fluid) through the thylakoid membrane to the thylakoid spaces. The stored energy is used to photophosphorylate ADP, making ATP, as protons move through ATP synthase.
Өсімдіктерде
Фотосинтездің жарық реакциялары химиосмоз арқылы АТФ-ты жасайды. Күн сәулесіндегі фотондар Фотожүйе II-нің антенналық кешенімен қабылдалады, бұл электрондарды жоғары энергия деңгейіне көтереді. Бұл электрондар электрон тасымалдау тізбегі бойынша қозғалады, нәтижесінде протондар тилакоид мембранасы арқылы тилакоид люменіне белсенді түрде сорғыланады. Содан кейін бұл протондар АТФ-синтаза деп аталатын фермент арқылы электрохимиялық градиент бойынша ағып, АДФ-ны АТФ-қа фосфорлану арқылы АТФ-ты жасайды. Бастапқы жарық реакциясынан түскен электрондар Фотожүйе I-ге жетеді, содан кейін жарық энергиясымен жоғары энергия деңгейіне көтеріліп, электрон қабылдағышқа беріліп, NADP+-ты NADPH-қа дейін тотықтырады. Фотожүйе II-ден жоғалған электрондар судың тотығуы арқылы толықтырылады, ол оттегіні дамытатын кешен (ОЭК, сондай-ақ WOC немесе суды тотықтыру кешені) арқылы протондар мен оттегіге "бөлінеді". Бір молекула диоксигенді жасау үшін I және II фотожүйелер 10 фотонды сіңіруі керек, төрт электрон екі фотожүйе арқылы өтуі керек және 2 NADPH пайда болады (кейін Кальвин циклында көмірқышқыл газын бекіту үшін қолданылады).
Прокариоттарда
Бактериялар мен археялар да ATP-ны өндіру үшін химиосмосты пайдалана алады. Цианобактериялар, жасыл күкірт бактериялары және қызғылт бактериялар фотофосфорилирлеу деп аталатын процесс арқылы ATP синтездейді. Бұл бактериялар фотосинтездік электрон тасымалдау тізбегін пайдалана отырып, протондық градиент құру үшін жарық энергиясын пайдаланады. E. coli сияқты фотосинтез жасай алмайтын бактерияларда да ATP синтетаза бар. Шындығында, митохондриялар мен хлоропластар эндосимбиоз нәтижесінде пайда болған және енген прокариоттарға дейін жетеді. Бұл процесс эндосимбиотикалық теорияда сипатталған. Митохондрияның пайда болуы эукариоттардың пайда болуына, ал пластидтердің пайда болуы эукариоттардың ірі супертоптарының бірі – Архепластидтердің пайда болуына әкелді. Химиосмостық фосфорилирлеу – ATP-ны бейорганикалық фосфаттан және АДФ молекуласынан өндіретін үшінші жол. Бұл процесс тотығу фосфорилирлеуінің бір бөлігі болып табылады.
Сыртқы протон градиентінің моделі
Терең теңіздегі гидротермальдық бұрғылар ыстық қышқыл немесе сілтілі суды шығарып, сыртқы протондық градиенттерді жасаған болар еді. Бұл энергия алғашқы организмдерге пайда болуға мүмкіндік берген. Ағындарды бөлек ұстау үшін, мұндай организм гидротермальдық бұрғының тасына кірісіп, бір жағынан гидротермальдық ағынға, екінші жағынан сілтілі суға тосқан болуы мүмкін. Егер организмнің мембранасы (немесе оның ішіндегі пассивті иондық каналдар) протондарға өткізгіш болса, онда механизм иондық сорғыларсыз жұмыс істей алады. Мұндай протоорганизм кейіннен иондық сорғылар және АТФ синтетазасы сияқты қосымша механизмдерді дамытуға қабілетті болған.