化学渗透学说chemiosmotic theory

类囊体膜或线粒体内膜两侧电势差和质子浓度差推动腺苷三磷酸(ATP)生成的一种理论。这一学说由英国米切尔(P. Mitchell)于1961年提出，后经不断充实，至20世纪80年代已成为生物力能学的基本理论。化学渗透学说认为，具有能量转换系统的生物膜上存在一定向传递H+的氧化还原体系。质子载体和电子载体从膜一侧水相中吸收质子，在膜的另一侧放出质子，从而形成跨膜质子浓度差(△pH)，以及膜两侧的电势差(△)，二者组成质子驱动力(pmf)，是推动ATP形成所需的高能态。

化学渗透学说

一种关于在氧化磷酸化中ATP合成与电子传递系统发生偶联的假说。根据这种假说，电子传递过程象一个氢离子泵，可促使基质中的H+离子穿过线粒体内膜，并形成H+离子梯度(线粒体内膜本身都不能使H+离子自由透过，需由泵推出，因此形成的H+离子电化学梯度中就蕴藏了能量)。借此推动ADP形成ATP的磷酸化作用。

化学渗透学说

在ADP磷酸化以生成ATP时，线粒体内呼吸链在电子传递过程中产生能量，关于这能量如何储藏起来的机理，历来存在三种学说，即Slater (1953)的化学学说、Boyer(1964)的构象学说和Mitchell(1961)的化学渗透学说。Mitchell认为，在氧化磷酸化过程中，线粒体内膜两侧有电子或化学基团如H⁺或O^2-的转移和线粒体基液中溶质H+的转位，因此既有化学问题，又涉及物理上的渗透问题，故称为化学渗透学说。化学渗透学说为多数学者所认可。
Mitchell发现： 在线粒体的悬液中加入定量的氧，则介质中的H+浓度增高，pH降低，且线粒体的氧耗量和H+的增多还有定量比例关系，H+/O为6，即每对电子传递至Y2O2使其形成O2-时，线粒体共释出3对H+。用人工方法造成线粒体内膜两侧的pH梯度，使外侧的pH低于内侧，可见有ATP生成。膜内外H⁺浓度差和无机磷利用的定量比例为P₁:H⁺＝1:2，亦即膜外侧每增加2H+可耗1分子P1或合成1分子ATP。这样，当每对电子和氧化合成O2-时，可产生3分子ATP，这与大多数作用物的P:O率是相符的。但当线粒体悬液中加入某些离子载体，改变线粒体膜对离子的通透性，则ATP的合成受阻，可见ATP生成和某些化学离子的通透有关，这就是化学渗透学说的重要依据。
再根据线粒体内膜上呼吸链各种成员的排列均有特定的位置与方向（靠内侧或靠外侧），化学渗透学说认为：
❶呼吸链中的传氢体(如FMN、CoQ)和电子传递体 （如铁硫中心和细胞色素），是交替间隔排列的，它们对H⁺或电子(e)的传递是定向的。
❷线粒体内膜具有“氢泵” 的作用，当递氢体(FMN)从内膜内侧接受从NADH+H+传来的2H (2H⁺+2e)后，可将其中的两个e传递给予其后的电子传递体铁硫中心，而将两个质子(H+) 从内膜的外侧面泵出，进入膜间隙，生成的还原型电子传递体又可将其2e传给紧邻的CoQ，并从间质中取得两个H⁺，使CoQ还原成CoQH₂; 后者的电子再继续往下传至细胞色素。最后，电子传至氧，生成O2-，再与间质中的2H+生成H₂O₂足见H₂O分子中的H⁺并非来自NADH，而是来自间质。
❸为了满足每对e传至氧应有三对H+泵出，Mitchell设想了一个“CoQ循环”，他根据CoQ在线粒体内膜中的含量多于其他呼吸链成员，分子较小，易于提取等特点，认为CoQ在内膜的两侧可自由移动而无固定位置，并且CoQ可以接受一个H原子而呈半醌式结构CoQ*H，通过下列4步连续的反应可使两分子CoQ接受两对H⁺和通过内膜泵出两对H⁺:
(1) 2Fe²⁺—S+2CoQ+2H^+—→2Fe^3+—S+2CoQ^*H
(2) 2CoQ^*H+2H⁺—→2CoQH₂
(3) 2CoQH₂+2Cytc₁³⁺—→2CoQ^*H+2Cytc₁²⁺+2H⁺
(4) 2CoQ^*H+2Cytb^3+—→2CoQ+ 2Cytb²⁺+2H⁺反应(4)又重新生成反应(1)中的CoQ，这样形成了一个“CoQ循环”，反应(3)(4)产生两对H⁺和上述在FMNH₂环节产生的一对H+，共三对H+，满足了H+/O等于6。
❹泵出内膜外的H+不能自由入膜内，因而使膜外的H+浓度高于膜内，造成H+离子浓度的跨膜梯度，膜外的pH约较膜内低1.4左右； 另一方面，膜内H+正电荷低，造成了一定的电位差，虽可经某些负离子(X-)的排出及正离子(Ca2+)的进入膜内而部分抵消，但仍可造成约0.15V的外正内负的电位差。这种膜内外（质子）H⁺浓度差以及电位差就含有合成ATP的能量，根据△G=2.3RT△PH以及△G=nF△E计算，H+浓度差含能约8kJ/molH(1.91kcal/克分子H)(37℃)，电位差含能约14.4KJ/molH (3.45kcal/克分子H)，故膜外的每对H+可有2×(8+14.4)=44.8kJ(10.7kcal)的能量，足够合成一摩尔的ATP。
❺至于H+浓度差和造成的电位差如何通过能量转换系统合成ATP的问题，目前还不清楚，一般认为是外测的H⁺可通过内膜三联体的柄部(实际上是一种H⁺通道)进入三联体头部——即ATP酶(F₁)，此ATP酶也能合成ATP(见“线粒体内膜三联体”条)。
有两种学说解说ATP的生成：
❶Mitchell提出的直接机理认为： 带有质子动能的H⁺能活化与ATP酶结合的无机磷酸，促使其与ADP结合成ATP;
❷Boyer及Slater提出的间接机理则认为ATP酶合成ATP并不需要能量，而ATP从酶上释出则需要能量。 自F0通道进入的H⁺可使ATP酶变构而释出ATP。以上两种学说目前均无充分的实验证明。