Nuostabus ir paslaptingas elektrinis ungurys. Elektrocheminis protonų gradientas Elektrocheminio gradiento padidėjimas sukels
Atjungikliai, tokie kaip dinitrofenolis, sukelia H nutekėjimą per membraną, labai sumažindami elektrocheminį protonų gradientą. Oligomicinas specialiai blokuoja protonų srautą per Rc
| Ryžiai. 7-53. Redokso potencialo pokyčiai vykstant elektronams fotosintezės metu, kai susidaro augalų ir melsvadumblių NADPH ir ATP). II fotosistema yra labai panaši į purpurinių bakterijų reakcijos centrą (žr. 7-50 pav.), su kuriuo ji yra evoliuciškai susijusi. Fotosistema I skiriasi nuo šių dviejų sistemų ir manoma, kad evoliuciškai yra susijusi su kitos prokariotų grupės – žaliųjų bakterijų – fotosistemomis. I fotosistemoje sužadinti chlorofilo elektronai praeina per eilę glaudžiai surištų geležies ir sieros centrų. Dvi nuosekliai sujungtos fotosistemos užtikrina grynąjį elektronų srautą iš vandens į NADP, kad susidarytų NADPH. Be to, ATP susidaro ATP sintetazė (neparodyta) dėl elektrocheminio protonų gradiento energijos, kurią sukuria elektronų transportavimo grandinė, jungianti fotosistemą II su fotosistema I. Ši ATP susidarymo Z schema vadinama necikline. fosforilinimas, priešingai nei ciklinės schemos ryžiai. 7-54 (taip pat žr. 7-52 pav.). |
Kai į ląsteles pridedama atjungimo agento, pavyzdžiui, dinitrofenolio, deguonies pasisavinimas mitochondrijose labai padidėja, nes didėja elektronų perdavimo greitis. Šis pagreitis atsiranda dėl kvėpavimo kontrolės. Manoma, kad ši kontrolė pagrįsta tiesioginiu elektrocheminio protonų gradiento slopinamu poveikiu elektronų pernešimui. Kai elektrocheminis gradientas išnyksta esant atjungikliui, nekontroliuojamas elektronų pernešimas pasiekia didžiausią įmanomą greitį esant tam tikram substrato kiekiui. Priešingai, padidėjus protonų gradientui, sulėtėja elektronų pernešimas, o procesas sulėtėja. Be to, jei eksperimento metu ant vidinės membranos dirbtinai sukuriamas neįprastai didelis elektrocheminis gradientas, normalus elektronų pernešimas visiškai sustos, o kai kuriose kvėpavimo grandinės dalyse bus galima aptikti atvirkštinį elektronų srautą. kad kvėpavimo kontrolė tiesiog atspindi pusiausvyrą tarp laisvos energijos dydžių pumpuojant protonus, susietus su elektronų pernešimu, ir paties elektronų pernešimo, arba, kitaip tariant, kad elektrocheminio protonų gradiento dydis turi įtakos ir elektronų greičiui, ir krypčiai. transportavimas iš esmės taip pat, kaip ir ATP sintetazės veikimo kryptis (9.2.3 skyrius).
Energija, išsiskirianti elektronų transportavimo procese išilgai kvėpavimo grandinės, yra saugoma elektrocheminio protonų gradiento pavidalu ant vidinės mitochondrijų membranos.
Dėl pP (ArP) gradiento P jonai grįžta atgal į matricą, o OP jonai iš matricos, o tai sustiprina membranos potencialo (AP), kurio įtakoje bet koks teigiamas krūvis pritraukiamas į matricą, poveikį ir bet koks neigiamas iš jo išstumiamas. Bendras šių dviejų jėgų veikimas lemia elektrocheminį protonų gradientą (7-19 pav.).
Beveik visos bakterijos, tarp jų ir griežti anaerobai, savo membranoje išlaiko protonų varomąją jėgą, jose elektrocheminio protonų gradiento energija panaudojama bakterijų žiuželiui sukti, todėl ląstelė gali judėti (12.5.4 sk.), o
Elektrocheminio protonų gradiento energija naudojama ATP sintezei ir metabolitų bei neorganinių jonų transportavimui į matricą
Ant pav. 7-34 rodo redokso potencialo lygius įvairiose kvėpavimo grandinės dalyse. Staigus kritimas vyksta kiekviename iš trijų pagrindinių kvėpavimo kompleksų. Potencialų skirtumas tarp bet kurių dviejų elektronnešių yra tiesiogiai proporcingas energijai, išsiskiriančiai elektronui pereinant iš vieno nešiklio į kitą (7-34 pav.). Kiekvienas kompleksas veikia kaip energiją konvertuojantis įtaisas, nukreipiantis šią laisvą energiją protonams perkelti per membraną, todėl elektronams pereinant per grandinę susidaro elektrocheminis protonų gradientas. Šią energijos konversiją galima tiesiogiai parodyti į liposomas atskirai įtraukiant bet kokį izoliuotą kvėpavimo grandinės kompleksą (žr. 7-25 pav.). Esant tinkamam elektronų donorui ir akceptoriui, toks kompleksas perduos elektronus, todėl protonai bus pumpuojami per liposomos membraną.
Kvėpavimo fermentų kompleksai susieja elektronų transportavimą kartu su energijos išsiskyrimu su protonų siurbimu iš matricos. Šiuo atveju sukurtas elektrocheminis protonų gradientas tiekia energiją ATP sintezei kitam transmembraniniam baltymų kompleksui – ATP sintetazei, per kurią protonai grįžta į matricą. ATP sintetazė yra grįžtamasis sujungimo kompleksas, kuris paprastai protonų srauto, nukreipto į matricą, energiją paverčia ATP fosfato jungčių energija, tačiau mažėjant elektrocheminiam protonų gradientui, ji taip pat gali panaudoti ATP hidrolizės energiją protonams judinti. iš matricos. Chemiosmosiniai mechanizmai būdingi tiek mitochondrijoms, tiek chloroplastams ir bakterijoms, o tai rodo jų išskirtinę svarbą visoms ląstelėms.
Kai didelės energijos elektronai praeina per kvėpavimo grandinę, protonai išsiurbiami iš matricos kiekvienoje iš trijų energijos kaupimo sričių. Dėl to tarp dviejų vidinės membranos pusių atsiranda elektrocheminis protonų gradientas, kurio veikiami protonai grįžta atgal į matricą per ATP sintetazę – transmembraninį fermentų kompleksą, kuris naudoja protonų srovės energiją ATP sintezei iš ADP. ir P.
| Ryžiai. 9-36. Prie bakterijų plazminės membranos susidaranti protonų varomoji jėga užtikrina maistinių medžiagų judėjimą į ląstelę ir natrio pašalinimą į išorę. Esant deguoniui (A), aerobinių bakterijų kvėpavimo grandinė sukuria elektrocheminį protonų gradientą, kurį ATP sintetazė naudoja ATP sintezei. Anaerobinėmis sąlygomis (B) tos pačios bakterijos gauna ATP glikolizės metu. Dėl šio ATP dalies hidrolizės, veikiant ATP sintetazei, atsiranda transmembraninė protonų varomoji jėga, kuri vykdo transportavimo procesus. (Kaip aprašyta tekste, yra bakterijų, kurių elektronų transportavimo grandinė išpumpuoja protonus, o anaerobinėmis sąlygomis galutinis elektronų akceptorius šiuo atveju yra ne deguonis, o kitos molekulės.) |
Elektrocheminis protonų gradientas sukuria protonų varomąją jėgą, matuojamą milivoltais (mV). Kadangi 1 pH vieneto pP (ArH) gradientas yra lygus maždaug 60 mV membranos potencialui, protonų varomoji jėga bus lygi A - 60 (ArH). Įprastoje ląstelėje ši kvėpuojančios mitochondrijos vidinės membranos jėga yra apie 220 mV ir yra apie 160 mV membranos potencialo ir pH gradiento suma. artimas - ] pH vienetui.
Tačiau ATP sintezė nėra vienintelis procesas, vykstantis dėl elektrocheminio gradiento energijos. Matricoje, kurioje yra citrinų rūgšties cikle ir kitose medžiagų apykaitos reakcijose dalyvaujantys fermentai, būtina palaikyti didelę įvairių substratų koncentraciją, ypač ATP sintetazei reikalingi ADP ir fosfatas. Todėl per vidinę membraną turi būti transportuojami įvairūs krūvį turintys substratai. Tai pasiekiama naudojant įvairius į membraną įterptus baltymus-nešiklius (žr. 6.4.4 skyrių). daugelis iš jų aktyviai pumpuoja tam tikras molekules prieš savo elektrocheminius gradientus, ty vykdo procesą, kuriam reikia energijos sąnaudų. Daugumos metabolitų atveju šios energijos šaltinis yra konjugacija su kai kurių kitų molekulių judėjimu žemyn jų elektrocheminiu gradientu (žr. 6.4.9 skyrių). Pavyzdžiui, ADP-ATP antiport sistema dalyvauja ADP transporte; kai kiekviena ADP molekulė patenka į matricą, viena ATP molekulė palieka ją pagal savo elektrocheminį gradientą. Tuo pačiu metu simporto sistema susieja fosfato perėjimą į mitochondrijas su ten nukreiptu P srautu, protonai patenka į matricą išilgai gradiento ir tuo pat metu tempia fosfatą kartu su jais. Panašiai jis perkeliamas į matricą ir piruvatą (7-21 pav.). Elektrocheminio protonų gradiento energija taip pat naudojama Ca jonams pernešti į matricą, kurie, matyt, vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant kai kurių mitochondrijų fermentų aktyvumą, šių jonų absorbciją mitochondrijose, siekiant pašalinti juos iš citozolio. kai Ca koncentracija pastarajame tampa pavojinga, taip pat gali turėti didelę reikšmę.didelė (žr. 12.3.7 skyrių).
ATP sintetazės veikimas yra grįžtamas, ji gali panaudoti tiek ATP hidrolizės energiją protonams perpumpuoti per vidinę mitochondrijų membraną, tiek protonų srauto pagal elektrocheminį gradientą energiją ATP sintezei (7-26 pav.). Taigi, ATP sintetazė yra grįžtamoji konjugavimo sistema, kuri atlieka elektrocheminio protonų gradiento ir cheminių jungčių energijos tarpusavio konversiją. Jo veikimo kryptis priklauso nuo protonų gradiento statumo ir vietinės AG vertės ATP hidrolizei ryšio.
Anksčiau įrodėme, kad ATP hidrolizės laisvoji energija priklauso nuo trijų reagentų – ATP, ADP ir Pi koncentracijos (žr. 7-22 pav.). AG ATP sintezei yra ta pati reikšmė, paimta su minusu. Pro membrana judančių protonų laisvoji energija yra lygi (1) AG sumai, judant vienam bet kurių jonų moliui tarp sričių, kurių potencialų skirtumas AV, ir (2) AG, kai bet kurios molekulės molis juda tarp skirtingų sričių. koncentracijos. Protono varomosios jėgos lygtis, pateikta sek. 7.1.7, sujungia tuos pačius komponentus, tačiau tik koncentracijos skirtumas pakeičiamas lygiaverčiu membranos potencialo prieaugiu, todėl gaunama protono elektrocheminio potencialo išraiška. Taigi, AG protonų judėjimui ir protonų varomajai jėgai atsižvelgiama į tą patį potencialą, tik pirmuoju atveju jis matuojamas kilokalorijomis, o antruoju - milivoltais. Koeficientas konvertuojant iš vieno vieneto į kitą yra Faradėjaus skaičius. Taigi AGh = -0,023 (protono varomoji jėga), kur AGh + išreiškiamas kilokalorijomis 1 mol (kcal/mol), o protonų varomoji jėga – milivoltais (mV). Jei elektrocheminis protonų gradientas yra 220 mV, tai AGh = 5,06
Jei ATP sintetazė paprastai neperneša P iš matricos, tai kvėpavimo grandinė, esanti vidinėje mitochondrijų membranoje, normaliomis sąlygomis per šią membraną perneša protonus, taip sukurdama elektrocheminį protonų gradientą, kuris tiekia energiją ATP sintezei. Tam tikromis sąlygomis galima eksperimentiškai įrodyti kvėpavimo grandinės gebėjimą pumpuoti protonus iš matricos. Galima, pavyzdžiui, izoliuotų mitochondrijų suspensiją aprūpinti tinkamu substratu oksidacijai ir blokuoti protonų srautą per ATP sintetazę Esant tokiam kvėpavimo pliūpsniui, naudojant jautrią priemonę galima nustatyti staigų terpės parūgštėjimą. rP elektrodas dėl P jonų išstūmimo iš mitochondrijų matricos.
| Ryžiai. 7-36. Protonų perkėlimas per vidinę mitochondrijų membraną, dalyvaujant atsijungiančiam agentui 2,4-dinitrofenoliui (DNP) Įkrauta (protonuota) DNP forma gali laisvai |
Teiko Abe
Kaip elektrocheminio gradiento praradimas sukelia šilumos susidarymą?
Aš suprantu, kad protonų srauto ir ATP sintazės atsiejimas suteikia protonų aplinkkelį tarp išorinės ir vidinės mitochondrijų membranos, kad protonams nereikėtų pereiti per ATP sintazę pakeliui į matricą. Matau, kaip dėl to prarandamas elektrocheminis gradientas. Bet kodėl susidaro šiluma?
AlisaD ♦
Dėl tos pačios priežasties, kaip trumpai jungus akumuliatorių :) Tas pats principas, tas pats efektas.
Atsakymai
Satvik Pasani
ALiceD komentaras yra visiškai teisingas. (Nors realiame gyvenime trumpasis jungimas retai būna absoliutus, nes paprastai trumpojo jungimo laidas turi ribotą varžą.)
Tai galite suprasti dviem būdais.
Intuityvus kad atsiejimas suteikia kanalą vandenilio jonų judėjimui per membraną jų elektrocheminio gradiento kryptimi be jokio darbo. Todėl energija, kurią jis gauna kertant potencialų skirtumą, gali būti laikoma pavertusia kinetine energija, ty vandenilio jonus pagreitina potencialų skirtumas, dėl kurio jie padidina greitį ir todėl juda didesniu greičiu nei vidutinis paskutinis skyrius. Tai sukels daugiau susidūrimų (ir energingesnių) su aplinkinėmis molekulėmis, o tai taip pat šiek tiek padidins jų kinetinę energiją, o tai ilgainiui padidins vidutinę kinetinę energiją, kurios matas vadinamas temperatūra. Jei jis būtų susietas, vandenilio jonai negautų kinetinės energijos, nes energija, kurią jie įgyja kertant potencialų skirtumą, būtų panaudota darbui ATP sintazės mechanizme.
Griežtai kalbant , galite tai parodyti naudodami cheminę termodinamiką, kuri apima naudojimą Δ G "role="presentation" style="position: relation;"> ΔG Δ G "role="presentation" style="position: relation;"> Δ G "role="presentation" style="position: relation;">Δ Δ G "role="presentation" style="position: relation;">g funkcijos, μ "role="presentation" style="position: relation;"> μ μ "role="presentation" style="position: relation;"> μ "role="presentation" style="position: relation;">μ funkcijos ir kai kurie susiję termodinaminiai kintamieji. Praneškite man, jei norite šio paaiškinimo (nors rizikuoju prarasti ryšį su matematiniu termodinamikos aspektu)
PS:- Nors termodinaminiame paaiškinime taip pat atsižvelgiama į temperatūros padidėjimą dėl ištrinto koncentracijos gradiento, tai sunku paaiškinti naudojant ankstesnį modelį. Galite manyti, kad neutralizuojant koncentracijos gradientą, pasikeičia susidūrimų skaičius tūrio vienetui (ir laikui), todėl taip pat prisidedama prie stebimo temperatūros pokyčio.
WYSIWYG ♦
Tai, kaip paaiškinote mechanizmą, yra labai geras +1
Teiko Abe
Ačiū už atsakymą. Dabar esu labai patenkintas intuityviu požiūriu. Nesu tikras, kad šiuo metu visiškai suprantu griežtą matematikos paaiškinimą, manau, kad pirmiausia man reikia šiek tiek perskaityti.
Elektrocheminis gradientas, arba elektrocheminio potencialo gradientas- koncentracijos gradiento ir membranos potencialo rinkinys, kuris lemia jonų judėjimo per membraną kryptį. Jį sudaro du komponentai: cheminis gradientas (koncentracijos gradientas) arba tirpios medžiagos koncentracijų skirtumas abiejose membranos pusėse ir elektrinis gradientas (membranos potencialas) arba krūvių skirtumas priešingose membranos pusėse. . Gradientas atsiranda dėl nevienodos jonų koncentracijos priešingose laidžios membranos pusėse. Jonai juda per membraną iš didesnės koncentracijos srities į mažesnės koncentracijos sritį paprastos difuzijos būdu. Jonai taip pat turi elektros krūvį, kuris sudaro membranos elektrinį potencialą (membranos potencialą). Jei abiejose membranos pusėse krūviai pasiskirsto netolygiai, tai elektrinio potencialo skirtumas sukuria jėgą, kuri veda į jonų difuziją, kol krūviai abiejose pusėse bus subalansuoti.
Enciklopedinis „YouTube“.
1 / 3
✪ Membranos potencialai – 1 dalis
✪ „Da Club“ – membranos ir transportas: greitasis biologijos kursas Nr. 5
✪ Neuronų sinapsės (cheminės) | Žmogaus anatomija ir fiziologija | Sveikata ir medicina | Khan akademija
Subtitrai
Nupiešiu mažą narvą. Tai bus tipiška ląstelė ir užpildyta kaliu. Žinome, kad ląstelės mėgsta jį kaupti savyje. Daug kalio. Tegul jo koncentracija yra maždaug 150 milimolių litre. Didelis kalio kiekis. Dėkime skliausteliuose, nes skliaustai žymi susikaupimą. Išorėje taip pat yra šiek tiek kalio. Čia koncentracija bus maždaug 5 milimoliai litre. Parodysiu, kaip bus nustatytas koncentracijos gradientas. Tai nevyksta savaime. Tam reikia daug energijos. Įsiurbiami du kalio jonai, o tuo pačiu metu iš ląstelės palieka trys natrio jonai. Taigi iš pradžių kalio jonai patenka į vidų. Dabar, kai jie yra viduje, ar jie čia bus laikomi vieni? Žinoma ne. Jie randa anijonus, mažas molekules ar atomus su neigiamu krūviu ir atsiduria šalia jų. Taigi bendras krūvis tampa neutralus. Kiekvienas katijonas turi savo anijoną. Ir dažniausiai šie anijonai yra baltymai, kai kurios struktūros, turinčios neigiamą šoninę grandinę. Tai gali būti chloridas arba, pavyzdžiui, fosfatas. bet ko. Bet kuris iš šių anijonų tiks. Nupiešiu dar kelis anijonus. Taigi čia yra du kalio jonai, kurie ką tik pateko į ląstelę, štai kaip atrodo dabar. Jei viskas gerai ir statiška, tada jie atrodo taip. Ir tiesą sakant, kad būtų visiškai teisinga, čia yra ir mažų anijonų, kurie čia prilygsta kalio jonams. Ląstelėje yra nedidelės skylutės, pro kurias gali ištekėti kalis. Pažiūrėkime, kaip tai atrodys ir kaip tai paveiks tai, kas čia vyksta. Taigi mes turime šiuos mažus kanalus. Pro juos gali prasiskverbti tik kalis. Tai yra, šie kanalai yra labai specifiniai kaliui. Niekas kitas negali praeiti pro juos. Be anijonų, be baltymų. Kalio jonai tarsi ieško šių kanalų ir samprotauja: „Oho, kaip įdomu! Čia tiek daug kalio! Turėtume išeiti į lauką“. Ir visi šie kalio jonai tiesiog palieka ląstelę. Jie išeina į lauką. Ir dėl to nutinka įdomus dalykas. Dauguma jų išsikraustė į lauką. Bet lauke jau yra keletas kalio jonų. Sakiau, kad čia yra šis mažas jonas ir teoriškai jis gali patekti į vidų. Jei nori, jis gali patekti į šį narvą. Tačiau faktas yra tas, kad iš viso jūs turite daugiau judesių į išorę nei į vidų. Dabar ištrinu šį kelią, nes noriu, kad atsimintumėte, kad turime daugiau kalio jonų, kurie linkę išsiskirti dėl koncentracijos gradiento. Tai pirmasis etapas. Leisk man tai užsirašyti. Koncentracijos gradientas skatina kalio judėjimą į išorę. Kalis pradeda išsikraustyti. Išeina iš kameros. Ir tada kas? Leiskite nupiešti jį eidamas į lauką. Šis kalio jonas yra dabar, o šis yra čia. Liko tik anijonai. Jie liko po kalio išvykimo. Ir šie anijonai pradeda gaminti neigiamą krūvį. Labai didelis neigiamas krūvis. Tik keli anijonai, judantys pirmyn ir atgal, sukuria neigiamą krūvį. O išorėje esantys kalio jonai mano, kad visa tai labai įdomu. Čia yra neigiamas krūvis. Ir kadangi tai yra, juos tai traukia, nes jie patys turi teigiamą krūvį. Juos traukia neigiamas krūvis. Jie nori grįžti. Dabar pagalvok. Turite koncentracijos gradientą, kuris išstumia kalį. Bet, kita vertus, yra membranos potencialas, – šiuo atveju neigiamas – tai atsiranda dėl to, kad kalis paliko anijoną. Šis potencialas skatina kalio sugrįžimą. Viena jėga, koncentracija, išstumia kalio joną, kita jėga, membranos potencialas, kurį sukuria kalis, verčia jį atgal. Atlaisvinsiu vietos. Dabar aš jums parodysiu kai ką įdomaus. Sukurkime dvi kreives. Pasistengsiu nieko nepraleisti šioje skaidrėje. Čia viską nupiešiu ir tada bus matomas mažas jo fragmentas. Mes statome dvi kreives. Vienas iš jų bus skirtas koncentracijos gradientui, o kitas - membranos potencialui. Lauke bus kalio jonų. Jei laikotės jų laiko – šį kartą – gausite kažką panašaus. Kalio jonai linkę išeiti į lauką ir pasiekti pusiausvyrą tam tikru momentu. Padarykime tą patį su laiku šioje ašyje. Tai yra mūsų membranos potencialas. Pradedame nuo nulinio laiko taško ir gauname neigiamą rezultatą. Neigiamas krūvis bus vis didesnis ir didesnis. Pradedame nuo membranos potencialo nulinio taško, o būtent ta vieta, kur pradeda išsiskirti kalio jonai, nutinka taip. V bendrais bruožais viskas labai panašu, bet tai vyksta tarsi lygiagrečiai su pokyčiais koncentracijos gradientas. Ir kai šios dvi reikšmės susilygina, kai išeinančių kalio jonų skaičius yra lygus grįžtančių kalio jonų skaičiui, gaunamas toks plokščiakalnis. Ir pasirodo, kad įkrova šiuo atveju yra minus 92 milivoltai. Šiuo metu, kur praktiškai nėra skirtumo pagal bendrą kalio jonų judėjimą, stebima pusiausvyra. Jis netgi turi savo pavadinimą – „kalio pusiausvyros potencialas“. Pasiekus minus 92 reikšmę – ir ji skiriasi priklausomai nuo jonų tipo – kaliui pasiekus minus 92, susidaro potencialų pusiausvyra. Užsirašysiu, kad kalio krūvis minus 92. Taip atsitinka tik tada, kai ląstelė yra pralaidi tik vienam elementui, pavyzdžiui, kalio jonams. Ir vis tiek gali kilti klausimas. Galbūt galvojate: „Palauk! Jei kalio jonai juda į išorę – tai jie daro – tai ar tam tikru momentu mes neturime mažesnės koncentracijos, nes kalis jau išėjo iš čia, o didesnė koncentracija čia pasiekiama judant kaliui į išorę? Techniškai tai yra. Čia, lauke, yra daugiau kalio jonų. Ir nepaminėjau, kad keičiasi ir garsumas. Dėl to gaunama didesnė koncentracija. Tas pats pasakytina ir apie ląstelę. Techniškai yra mažesnė koncentracija. Bet iš tikrųjų aš nepakeičiau vertės. Ir priežastis yra tokia. Pažiūrėkite į šias vertybes, tai yra kandys. Ir tai didžiulis skaičius, tiesa? 6,02 karto 10 iki minus 23 galios yra visai nemenkas skaičius. O padauginus iš 5 išeis apytiksliai – greit paskaičiuok, ką gavome. 6 padaugintas iš 5 yra 30. Ir štai milimoliai. 10-20 kurmių. Tai paprasta puiki suma kalio jonų. O norint sukurti neigiamą krūvį, jiems reikia labai nedaug. Tai yra, pokyčiai, kuriuos sukelia jonų judėjimas, bus nereikšmingi, palyginti su 10-20 laipsniais. Štai kodėl į koncentracijos pokyčius neatsižvelgiama.
Apžvalga
Elektrocheminis potencialas naudojamas elektroanalitinėje chemijoje, o pramonėje – baterijų ir kuro elementų gamyboje. Tai viena iš daugelio keičiamų potencialios energijos formų, kuriose energija gali būti išsaugota.
Biologiniuose procesuose jonai praeina pro membraną difuzijos arba aktyvaus pernešimo būdu, nulemtą elektrocheminio gradiento. Mitochondrijose ir chloroplastuose generuoti naudojami protonų gradientai chemosmotinis potencialas, kuris taip pat žinomas kaip protonas- varomoji jėga ∆p arba ∆μH+. Ši potenciali energija naudojama ATP sintezei per arba fotofosforilinant. Protonų varomoji jėga pagal Mitchello chemiosmotinę teoriją yra bendras susietų kvėpavimo ir oksidacinio fosforilinimo procesų produktas. Jį sudaro du veiksniai: cheminis (arba osmosinis) - H + jonų koncentracijų skirtumas mitochondrijų matricoje ir tarpmembraninėje erdvėje, ir elektrinis - dėl elektrinių krūvių skirtumo priešingose membranos pusėse. H + jonų koncentracijų skirtumas, matuojamas pH vienetais, žymimas ΔpH. Elektrinių potencialų skirtumas žymimas simboliu Δψ. Todėl lygtis įgauna tokią formą:
Δ μ H + = Δ ψ + Δ p H (\displaystyle \Delta \mu _(H^(+))=\Delta \psi +\Delta pH) ,
Δ p H = p H A − p H B (\displaystyle \Delta pH=pH_(A)-pH_(B))
H + jonų koncentracijų skirtumas (cheminis gradientas) membranos A(+) ir B(-) pusėje.
Elektrocheminis gradientas yra panašus į slėgį, kurį vanduo daro tekėdamas per hidroelektrinės užtvanką. Membranos transportavimo baltymai, tokie kaip natrio-kalio ATPazė, yra analogiški turbinoms, kurios potencialią vandens energiją paverčia kitomis fizinės ar cheminės energijos formomis, o jonai, praeinantys per membraną, yra analogiški vandeniui, patenkančiam į dugną. užtvanka. Be to, energiją galima panaudoti vandeniui pumpuoti į ežerą prieš užtvanką. Panašiai cheminė energija ląstelėse gali būti naudojama elektrocheminiams gradientams sukurti.
Chemija
Terminas „elektrocheminis potencialas“ dažniausiai vartojamas tais atvejais, kai turi įvykti cheminė reakcija, pavyzdžiui, perkeliant elektroną į elektros bateriją. Baterijose elektrocheminis potencialas, atsirandantis dėl jonų judėjimo, subalansuoja elektrodų reakcijos energiją. Didžiausia įtampa, kurią gali sukelti akumuliatoriaus reakcija, vadinama standartiniu tos reakcijos elektrocheminiu potencialu. Kartu su makroerginiais junginiais cheminė energija gali būti kaupiama ant biologinių membranų, kurios veikia kaip kondensatoriai, kurios veikia kaip izoliuojantis sluoksnis įkrautiems jonams.
biologinė reikšmė
Transmembraninio elektrinio potencialo generavimas judant jonams ląstelės membrana sukelia biologinius procesus, tokius kaip nervų laidumas, raumenų susitraukimas, hormonų sekrecija ir jutimo atsakai. Manoma, kad tipiškos gyvūninės ląstelės membranos transmembraninis elektrinis potencialas yra nuo -50 mV iki -70 mV.
Elektrocheminiai gradientai taip pat atlieka svarbų vaidmenį nustatant oksidacinio fosforilinimo protonų gradientus mitochondrijose. Paskutinis ląstelių kvėpavimo etapas yra elektronų perdavimo grandinė. Keturi integruoti kompleksai vidinės membranos mitochondrijose (cristae) sudaro elektronų transportavimo grandinę. Tačiau tik I, III ir IV kompleksai yra protonų siurbliai ir pumpuoja protonus iš matricos į tarpmembraninę erdvę. Iš viso gaunama dešimt protonų, kurie iš matricos juda į tarpmembraninę erdvę generuodami didesnį nei 200 mV elektrocheminį potencialą. Tai suaktyvina protonų srautą atgal į matricą per ATP sintezę, kuri sintetina ATP, prijungdama neorganinį fosfatą prie ADP molekulės. Taigi, protonų elektrocheminio gradiento generavimas yra labai svarbus energijos sintezei mitochondrijose. Bendroji elektronų transportavimo grandinės lygtis atrodo taip:
NADH + 11 H + (matrica) + 1/2 O 2 ⟶ NAD + + 10 H + (IMS) + H 2 O (\displaystyle NADH+11H^(+)(matrica)+1/2\ O_(2) \ilgoji rodyklė dešinėn NAD^(+)+10H^(+)(IMS)+H_(2)O) .
Augalų fotosintezės elektronų transportavimo grandinė veikia panašiai kaip kvėpavimo elektronų pernešimo grandinė, kai protonai pumpuojami į chloroplasto spindį (tilakoido spindį), o gautas gradientas naudojamas ATP sintezei per fermentą ATP sintazę. Protonų gradientas gali būti generuojamas neciklinio arba ciklinio fotofosforilinimo būdu. Baltymai, dalyvaujantys necikliniame fotofosforilinime, fotosistemoje II (PSII) ir citochromo b6f komplekse, gali tiesiogiai generuoti protonų gradientą. Kiekvienam keturiems PSII sugertiems fotonams yra aštuoni protonai, kurie iš stromos pumpuojami į liumeną (tilakoidinį liumeną). Bendra fotofosforilinimo lygtis yra tokia:
2 H 2 O + 6 H + (stroma) + 2 NADP + ⟶ O 2 + 8 H + (liumenas) + 2 NADPH (\displaystyle 2H_(2)O+6H^(+)(stroma)+2NADP^(+ )\ilgoji rodyklė dešinėn O_(2)+8H^(+)(liumenai)+2NADPH) .
Kai kurie kiti transporteriai ir jonų kanalai vaidina svarbų vaidmenį generuojant protonų elektrocheminį gradientą. Vienas iš jų – Ca 2+ jonų aktyvuotas TPK 3 -kalio jonų kanalas. Jis perkelia K+ jonus iš spindžio į stromą, o tai padeda nustatyti pH gradientą (koncentracijos gradientą) stromoje. Kita vertus, elektriškai neutralus antiporteris K + (KEA 3) perneša K + jonus į spindį, o H + - į stromą, išlaikydamas jonų balansą ir netrikdydamas elektrinio lauko.
Joninis gradientas
Kadangi jonai turi krūvį, jie negali praeiti pro membraną dėl palengvintos difuzijos. Jonų pernešimas per membraną galimas dviem būdais: aktyviu arba pasyviu transportavimu. Aktyvaus jonų pernešimo pavyzdys yra Na + -K + -ATPazės darbas. Jis katalizuoja ATP hidrolizės reakciją į ADP ir neorganinį fosfatą Fn. Hidrolizuojant vieną ATP molekulę išsiskiria energija, dėl kurios pasikeičia fermento konformacija, todėl trys Na + jonai išnešami į išorę, o du K + jonai – ląstelės viduje. Dėl to ląstelės turinys tampa labiau neigiamai įkrautas nei aplinką, susidaro elektrinis potencialas (EMF) V m ≈ -60 mV. Pasyvaus transportavimo pavyzdys yra jonų srovė jonų kanalais (Na +, K +, Ca 2+ ir Cl - kanalai) išilgai koncentracijos gradiento, iš didesnės koncentracijos srities į mažesnės koncentracijos sritį. Pavyzdžiui, kadangi už ląstelės ribų yra didelė Na + koncentracija, Na + jonai linkę patekti į ląstelę per natrio jonų kanalą. Kadangi elektrinis potencialas ląstelės viduje yra neigiamas, teigiamų jonų antplūdis sukels membranos depoliarizaciją, todėl transmembraninio elektrinio potencialo vertė pasislinks arčiau nulio. Tačiau Na + jonai ir toliau judės žemyn koncentracijos gradientu, kol cheminio gradiento varomoji jėga bus didesnė už elektrinį potencialą. Abiejų gradientų (cheminio ir elektrinio) poveikiui subalansavus vienas kitą (V m Na + yra apie +70 mV), Na + jonų antplūdis sustos, nes varomoji jėga (ΔG) taps lygi nuliui. Varomosios jėgos lygtis yra tokia:
Δ G = R T l n (C i n / C e x t) + Z F V m (\displaystyle \Delta G=RTln(C_(in)/C_(ext))+ZFV_(m)).
Protonų gradientai
Protonų gradientai yra svarbūs kaip energijos kaupimo forma daugelyje įvairių tipų ląstelės. Gradientas dažniausiai naudojamas ATP sintazei, žvynelių sukimuisi arba metabolitų pernešimui per membraną. Šiame skyriuje daugiausia dėmesio bus skiriama trims procesams, padedantiems nustatyti protonų gradientus atitinkamose ląstelėse: bakteriorodopsino funkciją, neciklinį fotofosforilinimą ir oksidacinį fosforilinimą.
Bakteriorodopsinas
Archėjose randamas bakteriorodopsinas sudaro protonų gradiento kelią per protonų siurblį. Protonų siurblio veikimas priklauso nuo protonų nešiklio (rodopsino), kuris juda iš membranos pusės su maža H + jonų koncentracija į tą pusę, kurioje H + koncentracija didesnė. Bakteriorodopsino protonų siurblys aktyvuojamas absorbuojant fotonus, kurių bangos ilgis yra 568 nm, todėl tinklainėje vyksta Schiff bazės (SB) fotoizomerizacija, sukeldama jos perėjimą iš transas-13 val. cis-figūra. Fotoizomerizacija yra itin greita ir trunka tik 200 femtosekundžių. Dėl to rodopsinas patiria daugybę greitų konformacinių pertvarkymų: Šifo bazė išstumiama iš likučių. Asp85 ir Asp212, sukeldamas H+ jonų perkėlimą į likusią dalį Asp85, ir susidaro būsena M1 (meta-I). Tada baltymas pereina į M2 (meta-II) būseną, atskirdamas likutį Glu204 iš Glu194, kuris išskiria protoną į aplinką. Ši būsena yra gana ilgaamžė. Šifo bazė perprotonuojama virš likučio Asp85, sudarydami būseną N. Svarbu, kad antrasis protonas kiltų iš Asp96, nes jo deprotonuota būsena yra nestabili ir greitai reprotonuojama (reprotonuojama) protonu iš citoplazmos. protonavimas Asp85 ir Asp96 sukelti pakartotinę SB izomerizaciją, todėl susidaro būsena O. Taip pat likutis Asp85 išleidžia savo protoną Glu204 ir bakteriorodopsinas grįžta į ramybės būseną.
Fotofosforilinimas
Išsiskiriant iš PSII, redukuotas plastochinonas PQH 2 persikelia į citochromo b6f kompleksą, kuris per dvi atskiras reakcijas perkelia du elektronus iš PQH 2 į plastocianino y baltymą. Šis procesas yra panašus į Q ciklą, vykstantį ETC komplekse III. Pirmoje reakcijoje plastochinolis PQH 2 prisijungia prie komplekso iš liumeno pusės ir vienas elektronas pereina į geležies ir sieros centrą (Fe-S), kuris vėliau perkelia jį į citochromą f, pastarasis perkelia elektroną į plastocianino molekulę. Antrasis elektronas pereina į hemo molekulę b L , kuri vėliau perkelia į hemo b H , pastaroji perkelia elektroną į antrąją plastochinono molekulę PQ,. Antroje reakcijoje 2-oji plastochinolio molekulė PQH 2 oksiduojasi, paaukodama elektroną kitai plastocianino molekulei ir perpus sumažintą PQ, kuris redukuojamas iki PQH 2 ir palieka kompleksą. Abi reakcijos lydi keturių protonų perdavimas viename liumene.
Oksidacinis fosforilinimas
NADH + H + + UQ + 4 H + (matrica) ⟶ NAD + + UQH 2 + 4 H + (IMS) (\displaystyle NADH+H^(+)+UQ+4H^(+)(matrica)\longrightrow NAD ^(+)+UQH_(2)+4H^(+)(IMS))
Pastabos
- Nelsonas, Deividas. Lehningerio biochemijos principai / David Nelson, Michael Cox. - Niujorkas: W.H. Freeman, 2013. - P. 403. - ISBN 978-1-4292-3414-6.
- Natas, Sunilas; Villadsen, John (2015-03-01). „Peržiūrėtas oksidacinis fosforilinimas“. Biotechnologijos ir bioinžinerija [Anglų]. 112 (3): 429-437. DOI: 10.1002 / bit.25492. ISSN 1097-0290.
- Kolmanas J., Rem K.-G. Vizualinė biochemija. - M.: Mir, 2011. - S. 128-129. - 469 p. – 7000 egz. - ISBN 5-03-003304-1.
- Stroev E.A. Biologinė chemija. - M. : Aukštoji mokykla, 1986. - S. 210. - 479 p.
- Yang, Huanghe; Zhang, Guohui; Cui, Jianmin (2015-01-01). „BK kanalai: keli jutikliai, vieni aktyvinimo vartai Membranos fiziologija ir membranos biofizika. 6 : 29. DOI: 10.3389/fphys.2015.00029 . PMC. PMID.
- Shattock, Michael J.; Ottolia, Michela; Bersas, Donaldas M.; Blaušteinas, Mordechajus P.; Boguslavskis, Andrii; Bossuyt, Julie; Tiltas, John H. B.; Chen-Izu, Ye; Clancy, Colleen E. (2015-03-15). „Na+/Ca2+ keitimas ir Na+/K+-ATPaz širdyje. Fiziologijos žurnalas [Anglų]. 593 (6): 1361-1382. DOI:10.1113/jphysiol.2014.282319 . ISSN 1469-7793. PMC. PMID.
- Aperia, Anita; Akkuratovas, Jevgenijus E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar (2016-04-01). „Na+-K+-ATPazė, nauja plazmos membranos receptorių klasė“. Amerikos fiziologijos žurnalas – ląstelių fiziologija [Anglų]. 310 (7): C491–C495. DOI:10.1152/ajpcell.00359.2015. ISSN 0363-6143. PMID.
- Nelsonas, Deividas. Lehningerio biochemijos principai / David Nelson, Michael Cox. - Niujorkas: W.H. Freeman, 2013. - P. 464. - ISBN 978-1-4292-3414-6.
- Poburko, Damonas; Demaurex, Nicolas (2012-04-24). "Mitochondrijų" protonų gradiento reguliavimas citozoliniais Ca2+ signalais. Pflugers archyvas – Europos fiziologijos žurnalas [Anglų]. 464 (1): 19-26.
elektrocheminis gradientas Jonas yra jonų srauto varomoji jėga, kuri yra membranos potencialo (elektrinio gradiento) ir medžiagų koncentracijos gradiento (cheminio gradiento) derinys. Elektrinis gradientas apibūdina tik jonų judėjimą ir yra nukreiptas į priešingą jų krūvį. Cheminis gradientas nukreipiamas iš didelės tirpių medžiagų koncentracijos srities į mažos koncentracijos sritį.
Medžiagų pernešimas per membraną gali vykti pasyviai ir aktyviai. aktyvus transportas reikalauja energijos ir pasyvus atliekami nenaudojant energijos. Aktyvus transportas visada prieštarauja elektrocheminiam gradientui. Pasyvus transportas tirpios medžiagos gali atsirasti tik palankiu elektrocheminiu gradientu.
Tirpalų transportavimo sistemos gali būti klasifikuojamos pagal naudojimą ląstelių energija.
1. Pasyviam transportavimui ATP hidrolizės nereikia ir nėra susijęs su kitos tirpios medžiagos perkėlimu.
Gali atsirasti riebaluose tirpių medžiagų (pvz., O 2 , CO 2 , alkoholių ir esterių) difuzija tiesiai per plazmos membraną.
Jonų ir mažų molekulių pernešimas dažnai vyksta per transmembraniniai baltymai kurie tarnauja jonų kanalai(įvairiems jonams) arba akvaporas(vandens molekulėms).
Jonų kanalai turi šiuos dalykus bendri komponentai:
1)porų plotas, per kurį jonai difunduoja.
2)selektyvus filtras porų viduje, kai kanalas yra labai selektyvus tam tikriems jonams (pvz., Na + kanalams).
3) kanalo vartai, kurios atidaro ir uždaro kanalą.Uždaroje būsenoje jonai pro kanalą nepraeina, bet kanalas yra prieinamas aktyvavimui. Atviroje būsenoje jonai juda pagal savo elektrocheminį gradientą. Kanalo vartai gali būti valdomi vienu iš šių mechanizmų: membranos įtampa (nuo įtampos priklausomi kanalai); cheminių medžiagų (nuo chemoterapijos priklausomi kanalai); mechaninės jėgos membranoje (nuo tempimo priklausomi kanalai).
Gali vykti difuzija per nešiklius baltymus paskambino uniportas, kurios selektyviai suriša vieną ištirpintą medžiagą prie vienos membranos pusės ir patiria konformacinį pokytį, kad ji būtų tiekiama į kitą pusę. Ištirpusių medžiagų transportavimas per vienvietį vadinamas palengvinta difuzija, nes tai greitesnė nei paprasta difuzija. Taip pernešama gliukozė ir aminorūgštys.
Osmosas - tai vandens judėjimas (difuzija) per membranos vandens poras, kurį lemia vandens koncentracijos gradientas.Vandens koncentracija išreiškiama bendra tirpių medžiagų koncentracija; kuo tirpalas praskiestas, tuo mažesnė jo ištirpusios medžiagos koncentracija ir didesnė vandens koncentracija.Atskyrus du tirpalus pusiau pralaidi membrana(kuri leidžia transportuoti vandenį, bet ne tirpias medžiagas), vanduo iš praskiesto tirpalo pereina į labiau koncentruotą. Osmoliariškumas yra tirpalo osmosinės jėgos išraiška . Vadinami du vienodo osmoliarumo sprendiniai izosmosinis. Vadinami tirpalai, kurių osmoliarumas didesnis nei etaloninio tirpalo hiperosmosinis, o tirpalai su mažesniu osmoliarumu vadinami kaip hipoosmosinis. Izotoninis tirpalas turi tokį patį osmoliarumą kaip veikiančios ląstelės ir nesukelia gryno vandens judėjimo per jų membraną; hipotoninis tirpalas turi mažesnį osmoliarumą nei veikianti ląstelė ir sukelia ląstelių išsipūtimą, hipertoninis tirpalas turi didesnį osmoliarumą nei ląstelė ir dėl to ląstelės susitraukia. Pavyzdžiui, jei pacientui leidžiama į veną hipotoninis tirpalas, ekstraląstelinio skysčio tonusas iš pradžių sumažėja, o vanduo osmoso būdu juda į tarpląstelinį skystį (ląstelės išsipučia). Ir atvirkščiai, jei įvesite hipertoninis tirpalas, padidėja tarpląstelinio skysčio tonusas, o vanduo palieka tarpląstelinį skystį (ląstelės susitraukia).
Dirbtinė lipidinė membrana yra praktiškai nepralaidi jonams, o biologinėse membranose yra " jonų kanalai ”, per kurią atskiri jonai selektyviai prasiskverbia pro membraną (žr.). Membranos pralaidumas ir poliškumas priklauso nuo elektrocheminis gradientas ty dėl jonų koncentracijos abiejose membranos pusėse ( koncentracijos gradientas) ir iš skirtumai elektriniai potencialai tarp vidinės ir išorinės membranos pusių ( membranos potencialas).
Ramybės būsenoje ląstelių membranos potencialas ( poilsio potencialas, žr.) svyruoja nuo –0,05 iki –0,09 V, tai yra, vidinėje plazminės membranos pusėje vyrauja neigiamų krūvių perteklius. Likusį potencialą pirmiausia suteikia Na + ir K + katijonai, taip pat organiniai anijonai ir Cl - jonas (1). Koncentracijos ląstelės išorėje ir viduje bei šių jonų pralaidumo koeficientai pateikti (2) lentelėje.
Aprašytas jonų pasiskirstymas tarp išorinės aplinkos ir vidinio ląstelės tūrio Nernsto lygtis(3), kur ΔΨ G yra transmembraninis potencialas (voltais, V), ty elektrinių potencialų skirtumas tarp dviejų membranos pusių, nesant jonų pernešimo per membraną ( pusiausvyros potencialas). Vienvalenčių jonų 25 °C temperatūroje koeficientas RT/Fn yra 0,026 V. Tuo pačiu metu iš (2) lentelės matyti, kad K + ΔΨ G jonai yra maždaug –0,09 V, ty tos pačios eilės reikšmė kaip ir poilsio potencialas. Na + jonams, atvirkščiai, ΔΨ G ≈ +0,07 V, tai yra didesnis nei ramybės potencialas. Todėl Na + jonai patenka į ląstelę, kai atsidaro Na + kanalas. Na + ir K + jonų koncentracijų nelygybė nuolat palaikoma Na + /K + -ATPazė išleidžiant ATP (žr.).
Skyriaus „Energijos išsaugojimas membranose“ straipsniai:
- A. Elektrocheminis gradientas
2012–2019 m. Vizualinė biochemija. Molekulinė biologija. Vitaminai ir jų funkcijos.
Žinynas vaizdine forma – spalvų schemų pavidalu – aprašo visus biocheminius procesus. Aptariami biochemiškai svarbūs cheminiai junginiai, jų struktūra ir savybės, pagrindiniai procesai, kuriuose dalyvauja, taip pat svarbiausių gyvosios gamtos procesų mechanizmai ir biochemija. Chemijos, biologijos ir medicinos universitetų studentams ir dėstytojams, biochemikams, biologams, medikams, taip pat visiems besidomintiems gyvybės procesais.
