Mecanisme de Grotthuss

Túnel de protones a lo llarc d'una série de ponts d'hidrogen entre ió hidronio inicial i molècules d'aigua.

El mecanisme Grotthuss consistix en una successió de "bots" de protones (H+) a través d'una ret de ponts d'hidrogen, de molècula a molècula.

Quan el procés ocorre en aigua líquida, un protó és lliberat per un ion hidronio inicial, i hidratado immediatament per una molècula d'aigua associada a dit ion hidronio per mig d'un pont d'hidrogen. En açò consistix el cridat bot d'un protón.

El bot d'un protón causa que la molècula d'aigua aceptora del protón es transforme en un segon ion hidronio. Ara, si este segon ion hidronio es troba associat per mig d'un pont d'hidrogen a una tercera molècula d'aigua, llavors el fenomen es repetix: ocorre un segon bot de protón.

Una successió de bots de protones (en anglés, proton hopping), és dir, de lliberacions i hidratacions de cationes hidrogen, conforma allò que es denomina el mecanisme Grotthuss.

En la seua publicació de 1806, "Theory of decomposition of liquids by electrical currents", Theodor Grotthuss va propondre una teoria que explicara la conductivitat de l'aigua: va concebre la reacció de ionisació de l'aigua com una espècie de 'mecanisme cangilón' en el que cada àtom d'oxigen passava i, simultàneament, rebia un àtom d'hidrogen. En el seu 200.º aniversari, el seu artícul va ser revisat per Cukierman.

El 'mecanisme Grotthuss' es coneix fa 200 anys i és un equivalent de l'expressió bote de protones o conducció de protones.

Explicació simplificada

Les molècules d'aigua tenen una llaugera tendència a ionizarse reversiblemente per a proporcionar un ion hidrogen (protón) i un ion hidroxilo, donant l'equilibri

H₂O H⁺ + OH⁻

Encara que normalment es mostra el producte de dissociació de l'aigua com a H+, els protones lliures no existixen en dissolució. Els ions hidrogen formats en l'aigua són immediatament hidratados a ions hidronio (H₃O⁺). L'hidratació dels protones disociados és virtualment instantànea gràcies als ponts d'hidrogen entre les molècules d'aigua.

Cap protó individual es mou molt llunt a través del volum de la dissolució, pero una série de bots de protones entre molècules d'aigua unides per ponts d'hidrogen produïx el moviment net d'un protó a una gran distància en un temps notablement curt.

Com a resultat de l'elevada movilitat neta de l'H+, les reaccions àcit-base en dissolució acuosa són, en general, excepcionalment ràpides. El resultat del bot de protones: un protó posseïx un moviment net a gran velocitat i a una gran distància. El bot de protones explica l'elevada movilitat iònica dels ions H+ comparada en atres cationes monovalentes com el Na+ o el K+.

Està basat en l'assunció de que no és un sol protó específic movent-se d'una molècula a una atra, sino que el bot d'un protó en la ruta de ponts d'hidrogen provoca el bot del següent protó de la ruta i, per això, l'escissió d'un enllaç covalente O-H per cada bot.

El bot de protones també eixercita un paper en les reaccions biològiques de transferència d'electrons.

Paper del bot de protones en les reaccions biològiques

En determinar l'estructura d'una proteïna tal com la hemoglobina per cristalografia de rajos X, és freqüent trobar molècules d'aigua unides tan fortament que formen part de l'estructura cristalina. Lo mateixa ocorre en cristals de RNA i DNA. Estes molècules d'aigua, detectables també en dissolució per mig de resonància magnètica nuclear, posseïxen propietats que les distinguixen del restant d'aigua del dissolvent. Són, per eixemple, osmóticamente inactives.

L'aigua fortament unida és essencial per a la funció de moltes proteïnes. Per eixemple, en una de les reaccions clau del procés de la fotosíntesis, l'energia de la llum s'usa per a bombejar protones a través d'una membrana biològica a l'hora que es produïx un fluix d'electrons a través d'una série de proteïnes transportadoras. Una d'estes proteïnes, el citocromo f, té unida una cadena de cinc molècules d'aigua que pot proporcionar una via per al moviment de protones a través de la membrana, és dir, per mig del bot de protones.

Casi en tota seguritat, una atra bomba de protones que utilisa l'energia de la llum, la bacteriorrodopsina, usa una cadena de molècules d'aigua unides i orientades d'una forma precisa per al moviment transmembrana dels protones.