Proton

Proton - En elementærpartikkel med en enkelt positiv ladning som i størrelse er lik ladningen til et elektron og har en masse på 1. Kjernen i et hydrogenatom består av ett proton.

Protoner i biologiske reaksjoner

Protoner spiller en fundamental rolle i mange sentrale biologiske prosesser med protontransportveier. Ikke bare at protoner inngår i atomkjernen sammen med nøytroner i alle grunnstaoffene, men protoner deltar også i energiomsetning og lager ATP via proton-kanaler. Protoner er involvert i  reduksjons-oksidasjonsreaksjoner (redoks), transportprosesser, pH (-log10[H+]), og bidrar via protonpumper til membranpotensialet i plantecellene. Protoner inngår i binding bl.a. med nitrogen (N), oksygen (O), karbon (C) og svovel (S).

Energimetabolisme

Peter D Mitchell utiklet i 1961 en kjemiosmotisk hypotese(Michells kjemiosmotiske teori) om en protongradient over en membran koblet til en elektrontransportkjede. I energimetabolismen blir en elektrokjemisk gradient med protoner over membraner .brukt til å lage ATP katalysert av ATP-syntase, enten oksidativ fosforylering i elektrontransportkjeden i mitokondriene, eller fotofosforylering  i kloroplastene.

ADP + Pi ↔ATP + H2

Sekundær aktiv transport

H+ATPase katalyserer den motsatte reaksjonen av ATP-syntase og bruker energien som ligger i fosfatbindingen i adenosin trifosfat (ATP) til å pumpe protoner (H+) over plasmamembranen ut i celleveggen eller over vakuolemembranen (tonoplast) til vakuolen. H+-gradienten blir deretter brukt til å samtransport (symport) frakte sukrose, nitrat og andre stoffer over membraner.

Membranpotensial

Cellene har en negativ indre ladning i forhold til den ytre ladningen, fra -50 til -200 millivolt (mV). H+ATPase virker som en elektrogen pumpe og bidrar til å senke membranpotensialet. Ved åpning av spalteåpninger virker en blåttlys-aktivert H+ATPase.

pH

Protoner (H+) inngår i syre-basereaksjoner. Teorien for syre-base ble utviklet av de danske kjemikerne Johannes Brønsted og Niels Bjerrum, samt engelskmannen Martin Lowry.

En syre HA er en proton-donor:

HA ↔ H+ + A-

En base B er en proton-akseptor:

B + H+ ↔ BH+

HA og BH+ er en syre. B og A- er en base.

Protoner kan ikke eksistere fritt i en vanndig løsning

HA + H2O ↔ A- + H3O+

HA + OH- ↔ A- + H2O

Vann (H2O) virker som både en syre og en base.

2H2O ↔ H3O+ + OH-

Når ammonium (NH4+) som har fire like NH-bindingerblir løst i vann skjer det en protonoverføring:

NH4+ + H2O ↔ NH3 + H3O+

”Sur vekst” av planteceller

Planthormonet auxin gir økt vekst ved å surgjøre celleveggen via H+ATPase som aktiverer ekspansiner. Ekspansiner løser opp strukturen i celleveggen.

Kinoner

Kinoner er fettløselige og kan transportere to protoner og to elektroner. Dette gjelder kinonene plastokinon i fotosystem II og fyllokinon (vitamin K1) i fotosystem I i fotosyntesen. Ubikinon i respirasjonskjeden i mitokondriene. Både fyllokinon og ubikinon er festet til flere enheter med isopren. I Q-syklus i fotosyntesen blir H+ transportert inn i lumen i thylakoidmembranene.

ubikinon + 2e- + 2H+ ↔ ubikinol

Redoksreaksjoner

I oksidasjonen i mitokondriene blir elektroner og protoner lagret som reduksjonskraft i form av NADH. I lysreaksjonen blir elektroner og protoner fra vann lagret i form av reduksjonskraften NADPH. I fotosyntesen blir reduksjonskraften NADPH brukt til å redusere CO2. NAD(P)H virker som koenzym i dehydrogenaser

NAD(P)+ + H+ + 2- ↔ NAD(P)H

Flavin mononukleotid (FMN) er prostetisk gruppe i flavoproteiner og frakter 2e- sammen med to protoner. Flavin adenin dinukleotid (FAD) er prostetisk gruppe i succinat dehydrogenase i sitronsyresyklus hvor succinat blir oksidert til fumarat og FAD blir redusert til FADH2.

Protonterapi

En metode i kreftbehandling består i å sende protoner med høy energi  gjennom materien. Protonene mister sin energi i kollisjoner med molekyler, inntil hastigheten blir så lav at de kan reagere med elektroner.

Nordlys

Mesteparten av solvinden består av like deler protoner og elektroner, som sammen med kosmisk stråling fra galaksen blir ledet av Jordens magnetfelt til polene hvor det kan vise seg som nordlys (aurora borealis) eller sørlys. I plasma ved høy temperatur eksisterer protonene fritt og er ikke bundet til elektroner.

Vi er nå nødt til å se nærmere på hva disse protonene egentlig er, i håp om å bedre forståelsen.

Proton

Et proton (gr. proton – først) er en positivt ladet kjernepartikkel (p+, H+), med ladning tilsvarende motsatt av den negative ladningen til et elektron (e-, β-). Et proton er et hydrogenion, H+, som har mistet sitt ene elektron. Med sin positive ladning vil et proton fange opp et elektron og danne et hydrogenatom (H), eller et proton kan bli fanget i en elektronsky rundt et molekyl. I vann er protoner (H+) bundet i hydratisert form som hydroniumion (H3O+), eller i vannklynger som H9O4+ og H5O2+. Biologiske membraner har vannavstøtende (hydrofobt) indre lag dannet av fettsyrene som er forestret til glycerol. Selv om vannmolekylet er lite, er det polart fordi oksygen i vann trekker på elektronene. Skal større mengder vann passere en membran, noe det gjør i planter og dyr, så må transporten av vann skje gjennom egne proteinkanaler kalt vannkanaler (akvaporiner). Protongradienter over membraner er som nevnt  fundamentalt for energimetabolismen. Med positivt ladete aminosyrer i vannkanalen kan vanlig vann (H2O) passere, men ikke et ladet hydroniumion (H3O+) . Derved blir ikke protongradienten ødelagt.

Protonets oppbygning

Antall protoner i atomkjernen, atomnummeret,  avgjør hvilket grunnstoff det er, samt plassering i periodesystemet. Hydrogen (H) har atomnummer 1, og inneholder ett proton og ett elektron. Et proton alene, som i hydrogen, eller protoner sammen med uladete nøytroner utgjør kjernen i atomer. Protoner og nøytroner bindes sammen i atomkjernen med sterke kjernekrefter. Ifølge standardmodellen i fysikk er et proton bygget opp av tre valenskvarker: to oppkvarker og en nedkvark limt og festet sammen med gluoner. Et proton er en meget stabil struktur med levetid ca. 1030 år. Et proton har masse 1.6726231·10-27 kg, omtrent en atomær masseenhet (u)  1.00727646681 u, og med ladning 1.6021733·10-19 coulomb (C). En atomær masseenhet er u= 1.6605402·10-27 kg. Massen til et proton består av massen til kvarkene, deres kinetiske energi, samt gluoner, hvor sistnevnte utgjør størstedelen. Radius til et proton er ca. 0.85 fm (femto-meter, 10-15 m). Antipartikkelen til et proton kalles et antiproton. Et proton er et baryon, i en undergruppe hadroner, et fermion med spin 1/2. Proton-NMR er basert på dette spinnet.

Kjernekjemi

Ernest Rutherford oppdaget protonet og ga det navn. Prout hadde imidlertid tidligere foreslått  at kjernen til hydrogen, som han kalte protyle, finnes i alle grunnstoffenes atomer. Rutherford oppdaget at hvis det ble sendt alfa-partikler (heliumkjerner) inn mot dinitrogen (N2) så ble det dannet proner i kjerneomvandlingen:

14N + 4He → 17O + 1H

Protoner kan også bli dannet i kjernereaksjoner, for i motsetning til protoner så er nøytroner ustabile. For radioaktive isotoper med beta-stråling blir et nøytron i kjernen omdannet til et proton, en betapartikkel (β-, e-), og et antinøytrino.

n → p+ + β- + antinøytrino

Ved elektroninnfangning kan et proton og elektron ved invers beta-stråling dannet et nøytron, men dette krever tilførsel av energi.

Publisert 4. feb. 2011 10:44 - Sist endret 12. jan. 2016 09:26