Protonhopping

Hydroniumionet (H₃O⁺) dannes når et proton binder seg til vann. Alle molekyler i en organisme er omgitt av en vannkappe. Vannmolekylene er bundet sammen med hydrogenbindinger: Vannmolekylene danner et transportsystem for protoner, hvor protonet hopper fra vannmolekyl til vannmolekyl. Nye bindinger dannes og kovalente bindinger brytes. Etter hoppet skjer det reorientering med en vending og snuing av vannmolekylet.

H₃O⁺...H₂O...H₂O...H₂O... → H₂O...H₃O⁺...H₂O...H₂O... → H₂O...H₂O...H₃O^+...H₂O...

Protonet har svært liten størrelse sammenlignet med andre kationer som kalium (K⁺) og natrium (Na⁺) , og er med å forklarer hvorfor protoner difunnderer så raskt i et elektrisk felt. Over cellemembraner er det alltid et elektrisk felt i form av et membranpotensial. Både elektroner og protoner er i kvantemekanisk størrelsesorden, noe som gir mulighet for at partiklene ikke går over energibarriærer, men gjennom dem (kvantetunneler). Man tenker seg at hydroksylioner (OH^-) kan forflytte seg via en lignende Grotthussmekanisme, men som går saktere.

Vannmolekyler kan reagere med hverandre, autodissosiere og konsentrasjonen av H⁺ angis som surhetsgrad (pH, den negative Briggske logaritmen til konsentrasjonen av H⁺). Ionisering av vann:

2H₂O ⇔ H₃O⁺ + OH^-

Vanligvis er et hydroniumion løst i gjennomsnittlig seks vannmolekyler H₃O⁺(H₂O)₆, men man kan også finne større hydratiseringskomplekser med opptil 20 vannmolekyler,  H₃O⁺(H₂O)₂₀, kalt en magisk ionestruktur. Andre vannkomplekser og vannklynger er Zundelkationet (H₅O₂⁺ hvor to vannmolekyler deler et proton) og Eigenkationet (H₉O₄⁺ med hydronium i sentrum bundet til tre vannmolekyler). Alle slike vannklynger gir mulighet for protonhopping. Vannkompleksene er temperaturavhengige med virrevanding og Brownske bevegelser, og vannklynger deltar ved frysepunktdepresjon. 

Forflytning av protoner og protongradienter spiller sammen med transport av elektroner en fundamental rolle i energimetabolismen i alle levende organismer forklart via den kjemiosmotiske hypotese. Jfr. også lysdrevete protonkanaler, kanalrhodopsin,  hos bakterier. Siden et hydrogenatom består av et proton og et elektron er det nær sammenheng mellom forflytning av elektroner og protoner. Hydroniumionet (H₃O⁺) befinner seg også andre steder i universet enn på Jorden, og har blant annet interesse for astrobiologer. 

Diffusioforese og CO₂

Diffusioforese er bevegelse av kolloider i en væske og som skyldes en konsentrasjonsgradienter. Når CO₂ løses i vann dannes det hydrogenkarbonat (HCO₃^-) og protoner (H⁺)

CO₂ + H₂O → HCO₃^- + H⁺

H⁺ diffunderer mye raskere enn hydrogenkarbonationet, både på grunn av mindre størrelse, men også på grunn av protonhopping. Forskjell i diffusjonshastighet skaper et diffusjonspotensial (måleenhet millivolt). Ved bruk av CO₂ i vannrensning vil diffusjonspotensialet oppkonsentrere kolloider i vannet via diffusioforese, og uønskede kolloider kan derved fjernes.

Diffusioosmose er bevegelse av molekyler i forhold til fase ladninger i membraner eller porer, en form for kapillar osmose. Det er likhetstrekk mellom diffusioforese og diffusioosmose. Termoforese er bevegelse som skyldes temperaturgradienter, og ikke konsentrasjonsgradienter.

Vintårer og Marangonieffekt

Vintårer, også kalt vingardiner. Kan observeres oppover glasset i et glass fylt med vin, cognac eller annen alkoholdig væske. Jfr. Marangonieffekt (Marangoni-effekt, Gibbs-Marangonieffekt), navn etter den italienske fysikeren Carlo Marangoni (1840-1925) og overføring av stoff i grensesjiktet mellom to væsker forårsaket av en gradient i overflatespesnning mellom de to væskene. Marangonieffekt kan observeres i et vinglass, vintårer. Vann har høyere overflatespenning enn alkohol og trekker på alkoholmolekylene, det blir en gradient i overflatespenning. Gradienten i overflatespenning kan også skyldes forskjellig temperatur, siden overflatespenningen varierer med temperaturen. Vann-alkoholblandingen i vinglasset trekkes oppover langs glasset via adhesjonskreftene (vedhengskreftene)  mellom de ladete silisiumoksidmolekylene i glasset og de interne ladningene i vannmolekylene og etanolmolekylene siden oksygen er sterkt elektronegativt og trekker på elektronene i molekylet og lager en intern ladningsforskjell, dipol, i molekylene. Alkohol fordamper lettere fra vannfilmen langs glasset over væskeoverflaten enn vann, noe som gir høyere vannkonsentrasjon og derved høyere overflatespenning sammenlignet med væsken nede i vinglasset. Derved trekkes vinen oppover langs glasset, helt til tyngden blir så stor at den overstiger marangonieffekten og faller ned igjen som dråper. Man kan observere hvordan væsken stiger langs væsken over vinoverflaten, for deretter falle ned igjen, stiger og synker, og slik fortsetter det.

Man kan observere det samme med væsker med forskjellig overflatespenning hvis man har litt vann spredd over en flate og slipper en dråpe alkohol midt i vannet, og ser hvordan vannet raskt trekker seg unna dråpen.

Et annet eksperiment man kan gjøre er å ta en skål med vann, og ha en liten såpeløsning (Zalo). Dryss pepperkorn over vannoverflaten og man ser hvordan pepperkornene sprer seg jevnt utover. Tilsett deretter en såpedråpre midt i vannskålen og observer hva som skjer.   

H⁺-gradienter, kjemiosmotisk hypotese, og tranport

H⁺-gradienter over membraner i kloroplaster og mitokonrier kan lage ATP via henholdsvis fotofosforylering og oksidativ fosforylering, katalysert av ATP syntase og  forklart Mitchells kjemiosmotiske hypotese. H⁺-gradienter generert av den motsatte reaksjonen hvor energien fra hydrolyse av ATP brukes til å frakte protoner over membraner, katalysert av H⁺-ATPase, er koblet til stofftransport over membraner, enten som symport eller antiport.

H⁺ og redoksreaksjoner i energiomsetningen i alle levende organismer

Protoner (H⁺) spiller sammen med elektroner en fundamental rolle i energioverføringen i alt levende, hvor energi blir lagret i en reduksjon  ved at et kjemisk stoff mottar protoner, elektroner i fotosyntesen kommer disse fra vann, eller reduksjon skjer ved å avgi protoner og elektroner. Energien fra organiske stoffer blir frigitt i en oksidasjon ved å avgi elektroner og protoner til en akseptor hvor det  for eksempel blir dannet redusert nikotinamidadenindinukleotid (fosfat) i redusert form (NAD(P)H) , via flaviner som redusert flavinadenindinukleotid (FADH₂ ) eller flavin mononukleotid (FMNH₂).  I elektrontransportkjeden i mitokondriene blir protoner fraktet via ubikinon og ender opp i binding med oksygen hvor det dannes vann katalysert av cytokrom oksidase. I fotosentesens elektrontransport blir protoner fraktet via plastokinon og fyllokinon.

Aminosyresekvensen i proteiner er omgitt av vann, og transmembranproteiner har også mulighet til å lage en kontinuerlig vannfase med mulighet for protonhopping. Generelt har biomolekyler et hydratiseringsskall.

Gramicidin D er et polypeptid antibiotikum med D- og D- aminosyrer, isolert fra jordbakterien Bacillus brevis, og som virker mot flere Gram-positive bakterier.  Gramicidin virker ved å lage kanaler gjennom cellemembraner, med økt permeabilitet av monovalente ioner,   og ødeleggelse av ionegradienter, men gir også mulighet for protonhopping gjennom vannkanalen i poren.

H⁺ og pH

Syrer er ifølge Brønsted-Lowrys syrebaseteori stoffer som kan avgi protoner, og baser mottar protoner. pH er den negative briggske logaritmen til protonkonsentrasjonen.

CO₂, cellerespirasjon og lungerespirasjon

I både cellerespirasjon og lungerespirasjon blir det dannet karbondioksid (CO₂) som når det dannes karbonsyre i vann gir protoner og hydrogenkarbonat som har forskjellig diffusjonshastighet, og setter opp et diffusjonspotensial med mulighet for diffusioforese. Plasmodesmata lager en kontinuerlig væskefase i plantene. Noen celler slik som lukkecellene i spalteåpningene har ikke plasmodesmata. Positive ladninger inne i vannkanalene (akvaporiner) hindrer passering av hydrooniumioner og ødelegging av protongradienter. Andre eksempler er protonaktivert bioluminiscens, samt lysaktiverte protonkanaler med bakterierhodopsin i bakterier.

Kunne man ikke tenke seg at protonhopping er involvert i alle de prosessene og eksemplene med protoner som nevnt foran ?

Det er indikasjoner på at protonhopping kan være medvirkende i overføring av nerveimpulser i myelinderte aksoner.

Historie

Voltasøylen, et elektrisk batteri bestående av en søyle av plater med sølv og zink atskilt med papp løst i en saltløsning som elektrolytt, konstruert av italieneren Allesandro Volta (1745-1827)  i år 1800 ga tilgang på elektrisk strøm i laboratoriet. Det ble gjort studier av elektrolyse av vann. Grotthuss forklarte hvordan ladningstransporten kunne skje ved elektrolyse. Grotthuss er også kjent for Grotthuss-Drapers lov (John William Draper) som sammen med Stark-Einsteins lov har fundamental betydning innen fotokjemi.

Litteratur

de Grotthuss, CJT: Sur la décomposition de l'eau et des corps qu'elle tient en dissolution à l'aide de l'électricité galvanique. Ann. Chim. 58 (1806) 54–7.

Wikipedia

Tilbake til hovedside