protonhopping

Protonhopping er rask forflytning av protoner (H+) via et nettverk av vannmolekyler bundet sammen med hydrogenbindinger. Protonhoppingen er en hopp- og snumekanisme, med brudd og redannelse av bindinger. Først hopper protonet over til neste vannmolekyl, molekylet snur seg, og gir mulighet for bytte av den kovalente bindingen mellom hydrogen (H) og oksygen (O) i vann. Et frigitt proton kan hoppe til neste vannmolekyl.

Faktaboks

Også kjent som

Grotthuss-mekanisme

Protoner binder seg til vannmolekyler (H2O), danner hydronionioner (H3O+), og vann blir ionisert:

  • 2H2O ⇔ H3O+ + OH-

Protonhopping skjer i væskefase og kan også så skje i fastfase, noe som er av interesse i brenselcelleteknologi. Protonhopping som mekanisme er omdiskutert.

Vann som protontransportør

Vannklynger danner et transportsystem for protoner, hvor protoner hopper fra vannmolekyl til vannmolekyl. Protonhoppingen skjer via en Grotthussmekanisme, oppkalt etter den tyske kjemikeren Theodor von Grotthuss (1785–1822).

  • H3O+...H2O...H2O...H2O... → H2O...H3O+...H2O...H2O... → H2O...H2O...H3O+...H2O...

Protonhopping er med å forklarer hvorfor protoner diffunderer så raskt i et elektrisk felt, sammenlignet med andre kationer.

Protonhopping i celler

Over cellemembraner er det alltid et elektrisk felt i form av et membranpotensial. Man tenker seg at også hydroksylioner (OH-) kan forflytte seg via en lignende Grotthussmekanisme, men at de går saktere.

Protoner og protongradienter i alt liv

Protoner og protongradienter (Mitchells kjemiosmotiske hypotese) spiller en fundamental rolle i energimetabolismen, ionebytting og transportsystemer i alle levende organismer. Det er nær sammenheng mellom forflytning av elektroner og protoner i alt levende, blant annet i celleånding og fotosyntese, hvor kinoner deltar i transport av protoner.

Protoner og andre kationer kan overføres langs en konsentrasjonsgradient over cellemembraner via kanalrhodopsiner (membranproteiner) og blåttlysdrevet kationkanaler. Kanalrhodopsiner er viktige for synssans og fototaksis hos alger, de deltar i protonaktivert bioluminiscens hos fureflagellater, og i bevegelse av flageller hos bakterier. Peptidantibiotikumet gramicidin virker ved å lage porer og kationkanaler i membraner.

Hydratiseringskomplekser og protonhopping

Alle molekyler i en organisme er omgitt av en vannkappe. Vann er universalløsningsmiddelet i alt levende, og sammenhengskreftene (kohesjon) og vedhengskreftene (adhesjon) gir vann unike egenskaper. Vanligvis er et hydroniumion løst i gjennomsnittlig seks vannmolekyler (H3O+(H2O)6), men man kan også finne større hydratiseringskomplekser med opptil tyve vannmolekyler, H3O+(H2O)20.

Andre vannkomplekser og vannklynger er Zundelkationet (H5O2+), oppkalt etter Georg Zundel, hvor to vannmolekyler deler et proton. Eigenkationet (H9O4+), oppkalt etter Manfred Eigen, har hydronium i sentrum bundet til tre vannmolekyler. Alle vannklynger gir mulighet for protonhopping.

Vannkompleksene er temperaturavhengige med virrevanding og Brownske bevegelser. Vannmolekyler kan reagere med hverandre, autodissosiere og konsentrasjonen av H+ angis som surhetsgrad (pH) den negative Briggske logaritmen til konsentrasjonen av H+. Vannklynger deltar også ved frysepunktdepresjon.

Protonet med positiv ladning har svært liten størrelse sammenlignet med andre kationer som kalium (K+) og natrium (Na+) . Både elektroner og protoner er i kvantemekanisk størrelsesorden, noe som gir mulighet for at partiklene ikke går over energibarriærer, men passerer gjennom dem i kvantetunneler. Hydroniumionet (H3O+) befinner seg også andre steder i universet enn på Jorden, og har blant annet interesse innen astrobiologi.

Les mer i Store norske leksikon

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.

  • Cukierman S: Et tu Grotthuss!. Biochimica et Biophysica Acta. 1757 (8) (2006) 876–8, 1016/j.bbabio.2005.12.001

Kommentarer

Kommentarer til artikkelen blir synlig for alle. Ikke skriv inn sensitive opplysninger, for eksempel helseopplysninger. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan. Det kan ta tid før du får svar.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg

Vi mangler fagansvarlig for Plantenes respirasjon og stoffomsetning

Vil du bli fagansvarlig? Ta kontakt