mini|170px|Kopplung der ender­gonen Reak­tion X→Y an den elek­trisch getrie­benen Protonen­fluss:X + H+(außen) → Y + H+(innen)

mini|170px|Exer­gone Reak­tionen liefern die Energie für den Protonen­fluss gegen das elek­trische Feld. Als Chemiosmo­tische Kopplung oder auch Chemiosmose bezeichnet man einen Mechanismus, bei dem Transportvorgänge an Biomembranen mit zentralen chemischen Stoffwechsel­prozessen gekoppelt sind.

Auf einem chemiosmotischen Vorgang basiert die mit Abstand wichtigste Reaktion zur Regeneration des Energieträgers ATP aus ADP + Pi, d. h. durch Anhängen einer anorganischen Phosphatgruppe Pi.

Diese endergonische Reaktion wird durch das Enzym ATP-Synthase katalysiert, das in eine elektrisch geladene Biomembran eingebettet ist. Die elektrochemische Kraft des Ionengradienten, der zwischen der Innen- und Außenseite der Membran vorliegt, wird von dem Enzym zum Aufbau der energiereichen Tri-Phosphat-Bindung des ATP genutzt (vgl. Abb. 1).

Auf dieser Kraft beruht auch eine Reihe weiterer biologischer Vorgänge. So sind viele exer­gone Reak­tionen chemiosmotisch an den Aufbau des elektrischen Felds der Biomembran gekoppelt (vgl. Abb. 2).

Entstehung der Chemiosmotischen Theorie und der verwendeten Begriffe mini|400px|Gesamtprozess der ElektronentransportphosphorylierungA. M. Porcelli: pH difference across the outer mitochondrial membrane measured with a green fluorescent protein mutant. In: Biochem Biophys Res Commun. 326(4), 28. Jan 2005, S. 799–804.D. G. Nicholls, S. J. Ferguson: Bioenergetics. Band 2, 2. Auflage. Academic Press, San Diego 1992, ISBN 0-12-518124-8. Ohne ATP bricht jeder bekannte Stoffwechsel zusammen und der Organismus stirbt. Andererseits kann ATP nicht in nennenswerter Menge gespeichert werden und muss in den Zellen ständig aus ADP regeneriert werden. Im menschlichen Körper wird jedes ATP-Molekül pro Tag ca. 3000 mal aus ADP wiedergewonnen und verbraucht. Seit Mitte des 20. Jahrhunderts war bekannt, dass beim Menschen die Hauptmasse des ATP durch die Oxidation von NADH regeneriert wird. Jahrelang war erfolglos nach einer Substanz gesucht worden, die als energiereiches Zwischenprodukt die Kopplung der NADH-Oxidation mit der ATP-Bildung bewirkt.

1961 schlug Peter D. Mitchell ein chemiosmotisches Modell (auch bekannt als Mitchell-Hypothese) vor.Peter D. Mitchell: Coupling of phosphorylation to electron and hydrogen transfer by a chemi-osmotic type of mechanism. In: Nature. 191, 1961, S. 144–148, (doi:10.1038/191144a0). Er bestritt, dass die NADH-Oxidation mit der ATP-Synthese durch ein Zwischenprodukt gekoppelt ist. Seine Hypothese:

Für die Kopplung ist ein elektrochemisches Potenzial an der inneren Mitochondrien-Membran verantwortlich. Der außerhalb dieser Membran liegende Raum hat eine höhere Konzentration von H+-Ionen als die innerhalb liegende Matrix. Daher stammt die Bezeichnung Protonengradient. Die NADH-Oxidation geschieht in einer Elektronentransportkette, die als nach außen gerichtete „Protonenpumpe“ fungiert. Diese Protonentranslokation produziert eine Proton Motive Force ΔP (Abk. PMF, deutsch: Protonen bewegende Kraft). Das Zurückfließen der Protonen liefert die Energie für den von der ATP-Synthase katalysierten Prozess. Elektronentransportphosphorylierung ist die Bezeichnung für den Gesamtprozess, bei dem eine Elektronentransportkette die Energie für die Phosphorylierung von ADP zu ATP liefert.

1978 wurde Mitchell für die Entdeckung der chemiosmotischen Kopplung mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.Peter D. Mitchell: David Keilins Konzept der Atmungskette und dessen chemiosmotische Konsequenzen (Nobel-Vortrag). In: Angewandte Chemie. Band 91, 1979, S. 718–733. doi:10.1002/ange.19790910907 Auch Jahre später hielt sich gegenüber der „Mitchell-Hypothese“ noch eine deutliche Skepsis, auch in Lehrbüchern. Inzwischen ist unbestritten, dass die Chemiosmotische Kopplung nicht nur bei Tieren und Pflanzen (in den Mitochondrien und den pflanzlichen Chloroplasten), sondern auch bei nahezu allen Mikroorganismen eine zentrale Rolle im Stoffwechsel spielt.G. Fuchs: Zentrale Stoffwechselwege. In: Allgemeine Mikrobiologie. 9. Auflage. Stuttgart 2014, S. 258ff.

In der älteren Literatur noch als chemiosmotische Hypothese benannt, gilt die „allgemeine chemiosmotische Theorie“H. Kleinig, P. Sitte: Zellbiologie. 2. Auflage. Stuttgart 1986, ISBN 3-437-30528-X, S. 55. heute als allgemein anerkannt.

Aufbau und Aufrechterhaltung des Membranpotenzials Aufbau und Aufrecht-Erhaltung des Membranpotenzials beruhen auf dem Export von Kationen zur Außenseite der Biomembran. Der Export erfordert Energie, da die Ionen gegen ein Ladungs- und Konzentrationsgefälle transportiert werden müssen.

Die Energie des Membranpotentials ist für die Zelle lebensnotwendig. Werden seine elektrische Spannung und die Konzentrationsunterschiede der Ionen zwischen Innen- und Außenseite nicht ausreichend regeneriert, bricht die ATP-Versorgung der Zelle zusammen und sie „verhungert“. Das geschieht auch, wenn die strukturelle Integrität der Membran Schaden nimmt. Jedes Loch führt zum lebensbedrohlichen „Kurzschluss“. Membranen von lebenden Zellen sind stets geschlossene Kompartimente.H. Kleinig, P. Sitte: Zellbiologie. 2. Auflage. Stuttgart 1986, ISBN 3-437-30528-X, S. 33.

Fast alle Organismen nutzen den Export von H+. Dieser Export wird als Protonentranslokation bezeichnet und geschieht durch sogenannte Protonenpumpen.

pH-Gradienten treten in der Biologie an Membranen von Zellen und Zellorganellen (Mitochondrien und Chloroplasten) auf. pH-Gradienten an Membranen sind essentiell für den Energiestoffwechsel aller bekannter Organismen. Diese Gradienten sind nicht statisch, sondern befinden sich in einem quasistationären Fließgleichgewicht. Dabei werden Protonen aktiv gegen das Konzentrationsgefälle gepumpt (Protonenpumpe), während gleichzeitig das Potential des Gradienten energetisch genutzt wird. Der Gesamtprozess wird gelegentlich auch Protonenfluss genannt.

Die Energie zum Aufbau des Membranpotenzials stammt entweder aus der Differenz der Redoxpotentiale bei der Oxidation energiereicher Stoffe (oxidative Phosphorylierung) oder aus der Lichtenergie (Photophosphorylierung).

+ Kompartimente und Energiequelle von Membranpotenzialen unterschiedlicher Organismen Organismus oder Organell Außen Innen Energiequelle Archaea Extrazellularraum Cytoplasma Redoxpotential/Licht Bakterien Periplasma Cytoplasma Redoxpotential/Licht Chloroplasten in Pflanzen Thylakoid-Innenraum Stroma Redoxpotential/Licht Mitochondrien in Eukaryoten Intermembranraum Matrix Redoxpotential

Oxidative Phosphorylierung mini|300px|Mechanismus der Energiegewinnung des Wasserstoff oxidierenden Bakteriums Aquifex aeolicus

In der Atmungskette der Mitochondrien können mehrere Proteinkomplexe als Protonentransporter fungieren: Dies sind neben der NADH-Dehydrogenase (Komplex I), die Cytochrom-c-Reduktase (Komplex III) (über den Q-Zyklus), sowie die Cytochrom-c-Oxidase (Komplex IV). Die Energie stammt aus der hohen Redoxpotentialdifferenz vom NADH beziehungsweise FADH2 zum Sauerstoff. Eine Verstärkung des Gradienten erfolgt durch den Verbrauch von Protonen bei der Bildung von Wasser aus Sauerstoff und Protonen durch die Cytochrom-c-Oxidase.

Bei chemotrophen Prokaryoten wurde eine Vielzahl von Elektronentransportketten gefunden, die als Protonenpumpen fungieren. Die ATP-Generierung bei chemo-litho-trophen Organismen beruht in der Regel darauf, dass die Elektronentransportkette von einem außen oxidierten Stoff zu einem innen reduzierten Oxidationsmittel verläuft.

Die Oxidative Phosphorylierung ist auch bei anaeroben, chemotrophen Organismen weit verbreitet (Anaerobe „Atmung“). Viele dieser Organismen nutzen unter Sauerstoffmangel einen alternativen Stoffwechselweg, nämlich die Substratkettenphosphorylierung. Sie beruht nicht auf dem Chemiosmotischen Mechanismus und findet im Cytoplasma statt.

Photophosphorylierung links|mini|x250px|Chlorophyll und Elektronentransportkette Phototrophe Bakterien und einige Archaea regenerieren ATP ebenfalls durch Elektronentransportketten, in denen Membranproteine als Protonenpumpen fungieren. Bei schwefelfreien Purpurbakterien erfüllt unter anaeroben Bedingungen ein Cytochrom-''bc''1 diese Funktion. Energielieferant ist hier Licht, das über einen Lichtsammelkomplex einen zyklischen Elektronentransport antreibt.

Bei der oxygenen Photosynthese von grünen Pflanzen und Cyanobakterien fungiert der Cytochrom-b6f-Komplex (Cyt b6f) der Redoxkette als Protonenpumpe.

Die Energie stammt zunächst aus dem Redoxpotential der Elektronen, die bei der acyclischen ATP-Bildung vom Photosystem II (PS II) zum Photosystem I (PS I) durch die Redoxkette transportiert werden. Die Energie der Elektronen stammt aus der Anregung durch das Licht im Photosystem II. Bei der zyklischen Phosphorylierung werden Elektronen im Photosystem I durch Licht angeregt und über Ferredoxin zurück auf das Cytochrom b6 übertragen.

Der Protonengradient wird dadurch verstärkt, dass auf der Seite des Thylakoid-Innenraums die Spaltung des Wassers zu Sauerstoff und Protonen erfolgt, also die Protonenkonzentration zusätzlich erhöht wird. Auf der Seite des Stromas wird NADPH unter Verbrauch von Protonen gebildet.

mini|300px|Protonenpumpe Rhodopsin

Schließlich können Haloarchaea Lichtenergie durch Bacteriorhodopsin direkt nutzen, um ein Membranpotential aufzubauen.Katharina Munk (Hrsg.): Mikrobiologie. (= Taschenlehrbuch Biologie). Thieme, Stuttgart 2008, ISBN 978-3-13-144861-3, S. 346 f. Diesem sehr einfachen Mechanismus liegt im Unterschied zu allen bisher geschilderten Mechanismen keine Redoxkette zu Grunde.

ATP-Synthase als Protonenpumpe Selbst in anaeroben Organismen, die ATP nicht nach dem Chemiosmotischen Mechanismus, sondern durch Substratkettenphosphorylierung gewinnen, findet sich das Enzym ATP-Synthase. Allerdings dient es bei diesen Organismen selbst als Protonenpumpe zur Aufrechterhaltung eines im Zellinneren benötigten pH-Werts. Zudem nutzen auch diese Lebewesen die Energie ihres Membranpotenzials für zahlreiche Prozesse.

Energetisierung von Membranen mini|200px|Aus dem Phospholipid Lecithin zusammengesetzte Membran, die durch einen Protonengradienten energetisiert ist.

Die Doppellipidschicht von Biomembranen ist aufgrund ihrer chemischen Struktur – in ihrem Inneren befinden sich hydrophobe (wasserunlösliche und -abweisende) Molekülketten – für Wasser und Ionen wie H3O+ undurchlässig. Dadurch bildet sie eine Barriere für den spontanen Ausgleich eines zwischen beiden Seiten der Membran bestehenden pH-Unterschiedes.

An der Außenseite der Doppellipidschicht befinden sich die hydrophilen „Köpfe“ der Moleküle. Beispiele für Membran-Lipide sind Glycolipide und Phospholipide. Speziell die Köpfe der Phospholipide sind amphoter, können also positive oder negative Ladungen aufnehmen.

Gegenüber Änderungen des pH-Werts wirken diese Molekülgruppen als Puffer. Negativ geladene Phosphat-Gruppen können bei niedrigem pH-Wert „protoniert“ werden und sind als Phosphorsäurereste nicht mehr negativ geladen. Im alkalischen Bereich können -NH3+-Gruppen in neutrale -NH2-Aminogruppen umgewandelt werden.

Bei einer Differenz des pH-Werts befinden sich auf beiden Seiten der Membran unterschiedliche elektrische Ladungen, positiv in saurer Umgebung und umgekehrt. Biomembranen können daher wie ein Kondensator elektrische Energie in Form des Membranpotentials speichern.

Spannung und Energiegehalt eines Protonengradienten