A diferença na concentração de um soluto entre dois compartimentos separados por uma membrana biológica , ou de características semipermeáveis semelhantes, cria um gradiente de concentração . Quando o soluto tem carga elétrica, como é o caso dos prótons, também é criado um gradiente elétrico. A combinação de ambos é conhecida como gradiente eletroquímico .

Para criar um gradiente eletroquímico, você precisa de entrada de energia e, portanto, onde há um gradiente, há energia armazenada na forma de energia potencial, o potencial eletroquímico conhecido .

Se a energia for interrompida, o soluto começará a fluir através da membrana no sentido em que o equilíbrio termodinâmico do sistema for restaurado , isto é, no sentido em que o potencial eletroquímico diminui e o gradiente desaparece.

Nesse contexto, a força motora de prótons é definida como a força que promove o movimento dos prótons através de uma membrana biológica devido a um potencial eletroquímico . Se houver maior concentração de prótons em um lado da membrana, os prótons irão fluir para o lado com menor concentração, ou seja, descendo o gradiente eletroquímico.

Importância biológica

Algumas proteínas de membrana são capazes de usar energia para criar um gradiente de prótons entre os compartimentos celulares separados pela membrana associada. Outras proteínas, ao contrário, são capazes de aproveitar a força próton-motora gerada por esse potencial para realizar o trabalho .

Um dos exemplos mais proeminentes é a cadeia respiratória da membrana mitocondrial interna , também conhecida como cadeia de transporte de elétrons.

De acordo com a hipótese quimiosmótica , proposta por Peter Mitchell em 1961, a maior parte da síntese de ATP que ocorre na respiração celular ocorre graças a um gradiente de prótons entre o interior da mitocôndria e o espaço intermembrana, que é o espaço existente entre a membrana externa e a membrana interna da mitocôndria.

Segundo esse modelo, a oxidação da glicose cria acetil-CoA, uma molécula rica em energia que é utilizada no ciclo de Krebs para reduzir as moléculas NAD + e FAD +, formando NADH e FADH 2 . Essas moléculas transportam elétrons para a cadeia respiratória da membrana mitocondrial interna e transferem a energia que foi liberada pela acetil-CoA.

Uso da força próton-motora pela cadeia respiratória mitocondrial

As proteínas da cadeia respiratória usam a energia desses elétrons para bombear prótons (H +) para o espaço intermembrana e, assim, criar um gradiente eletroquímico entre a matriz mitocondrial e o espaço intermembrana. O gradiente elétrico gerado é de aproximadamente -200 mV com matriz mitocondrial negativa e espaço intermembranar positivo.

Os prótons tendem a fluir para a matriz mitocondrial no gradiente e através da membrana interna, passando pela enzima ATP-sintase . A enzima ATP-sintase é capaz de usar a energia da força motora do próton para fosforilar moléculas de ADP e sintetizar ATP .

A hipótese quimiosmótica da produção de ATP levou Peter Mitchell a receber o Prêmio Nobel de Química em 1978, uma vez que o intermediário estável e de alta energia que sua hipótese exigia foi encontrado.

O acoplamento da síntese de ATP a um gradiente eletroquímico , além de ocorrer na cadeia respiratória das mitocôndrias, ocorre também nos cloroplastos das plantas e em diversos tipos de bactérias , embora com mecanismos distintos.

A força motriz do próton é, portanto, a principal fonte de energia para a síntese de ATP .