化学浸透
プロトンはATP合成酵素を通って内膜を越えてマトリックスへ戻る。ATP合成酵素を経由して戻るプロトンの流れは、ADPと無機リン酸を結合させてATPを形成するのに十分なエネルギーを提供する。電子伝達系の最後のポンプで電子とプロトンは酸素分子に取り込まれ、水分子が形成される。
この理論は当時としては急進的な提案であり、良く受け入れられなかった。当時広く行き渡っていたのは、電子伝達のエネルギーは安定な高ポテンシャル中間体として貯蔵される、というより保守的な考えであった。この古いパラダイムの問題点は、そのような高エネルギー中間体が見つかっていないこと、そして電子伝達系によるプロトンの汲み上げの証拠が無視できないほど強くなっていたことであった。次第に化学浸透仮説を支持する証拠が積み上げられていき、1978年にミッチェルはノーベル化学賞を受賞した。
化学浸透との共役は、ミトコンドリア、葉緑体、そして多くの細菌と古細菌におけるATP産生で重要である。
4 m V {\displaystyle \Delta \!p=10.4\,\mathrm {mV} } である。 298 K {\displaystyle 298\,\mathrm {K} } では、 Δ p {\displaystyle \Delta \!p} は次のようになる。
Δ p = − Δ ψ + ( 59.1 m V ) Δ p H {\displaystyle \Delta \!p=-\Delta \!\psi +\left(59.1\,\mathrm {mV} \right)\Delta \!\mathrm {pH} } .
P側(相対的に陽極で酸性)からN側(相対的に陰極で塩基性)への自発的なプロトンの移動に関しては、 Δ μ H + {\displaystyle \Delta \!\mu _{\mathrm {H} ^{+}}} は( Δ G {\displaystyle \Delta \!G} と同様に)負となるが、プロトン駆動力は(酸化還元電位 Δ E {\displaystyle \Delta E} と同様に)正となる。
他の膜輸送過程と同様、プロトン駆動力には方向性がある。膜電位 Δ ψ {\displaystyle \Delta \!\psi } は、細胞内へ流入する単位電荷あたりの電位変化を表すように選ばれる。さらに、共役部位での酸化還元反応によるプロトンの汲み上げのため、プロトン勾配は常に内側が塩基性となる。これらの理由のため、プロトン駆動力は自発的なプロトンの流入のために定義されている。
プロトン駆動力はギブズエネルギーに由来する。Nを細胞の内側、Pを細胞の外側とすると次のように表される。
Δ G = z F Δ ψ + R T ln  [ X z + ] N [ X z + ] P {\displaystyle \Delta \!G=zF\Delta \!\psi +RT\ln {\frac {[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{N}}}{[\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{P}}}}}
Δ G {\displaystyle \Delta \!G} はPからNへ移動したカチオンの単位量当たりのギブズエネルギー変化
z {\displaystyle z} はカチオン X z + {\displaystyle \mathrm {X} ^{z+}} の電荷数
Δ ψ {\displaystyle \Delta \psi } はPに対するNの電位
[ X z + ] P {\displaystyle [\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{P}}} と [ X z + ] N {\displaystyle [\mathrm {X} ^{z+}]_{\text{N}}} はそれぞれPとNでのカチオン濃度
F {\displaystyle F} はファラデー定数
R {\displaystyle R} は気体定数
T {\displaystyle T} は温度
1モルあたりのギブズエネルギー変化 Δ G {\displaystyle \Delta \!G} は、しばしば1モルあたりの電気化学ポテンシャルとして解釈される。
Biochemistry textbook reference, from the NCBI bookshelf – Jeremy M. Berg; John L. Tymoczko; Lubert Stryer, eds. “18.4. A Proton Gradient Powers the Synthesis of ATP”. Biochemistry (5th ed.). W. H. Freeman. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?rid=stryer.section.2528
Technical reference relating one set of experiments aiming to test some tenets of the chemiosmotic theory – Seiji Ogawa & Tso Ming Lee (1984). “The Relation between the Internal Phosphorylation Potential and the Proton Motive Force in Mitochondria during ATP Synthesis and Hydrolysis”. Journal of Biological Chemistry 259 (16): 10004–10011. PMID 6469951.