Nádherný a tajomný elektrický úhor. Elektrochemický gradient protónov Výsledkom bude zvýšenie elektrochemického gradientu
Odpojovače, ako je dinitrofenol, spôsobujú únik H cez membránu, čím sa výrazne znižuje elektrochemický gradient protónov. Oligomycín špecificky blokuje tok protónov cez Rc
| Ryža. 7-53. Zmeny oxidačno-redukčného potenciálu pri prechode elektród pri fotosyntéze s tvorbou NADPH a ATP) v rastlinách a cyanobaktériách. Fotosystém II je veľmi podobný reakčnému centru purpurových baktérií (pozri obrázok 7-50), s ktorým je evolučne spojený. Fotosystém I sa od týchto dvoch systémov líši, pretože sa predpokladá, že evolučne súvisí s fotosystémami inej skupiny prokaryotov – zelených baktérií. Vo fotosystéme I prechádzajú elektróny excitovaného chlorofylu sériou tesne viazaných železo-sírových centier. Dva sériovo zapojené fotosystémy zabezpečujú celkový tok elektrónov z vody do NADP s tvorbou NADPH. Okrem toho sa ATP tvorí pomocou ATP syntetázy (nie je znázornená) v dôsledku energie elektrochemického protónového gradientu, ktorý je vytvorený elektrónovým transportným reťazcom spájajúcim fotosystém II s fotosystémom I. Táto Z-schéma tvorby ATP sa nazýva necyklická fosforylácia, na rozdiel od cyklickej schémy znázornenej v ryži. 7-54 (pozri tiež obrázok 7-52). |
Keď sa k bunkám pridá odpájacie činidlo, ako je dinitrofenol, príjem kyslíka mitochondriami sa výrazne zvýši so zvyšujúcou sa rýchlosťou prenosu elektrónov. Toto zrýchlenie je spojené s existenciou kontroly dýchania. Predpokladá sa, že táto kontrola je založená na priamom inhibičnom účinku elektrochemického protónového gradientu na transport elektrónov. Keď v prítomnosti odpojovača elektrochemický gradient zmizne, nekontrolovaný transport elektrónov dosiahne maximálnu rýchlosť možnú s daným množstvom substrátu. Naopak, zvýšenie protónového gradientu spomaľuje transport elektrónov a proces sa spomaľuje. Navyše, ak sa pri experimente umelo vytvorí na vnútornej membráne nezvyčajne vysoký elektrochemický gradient, normálny transport elektrónov sa úplne zastaví a v niektorých častiach dýchacieho reťazca bude možné zistiť spätný tok elektrónov. čerpanie protónov, spojené s transportom elektrónov a pre samotný transport elektrónov, alebo inými slovami, že veľkosť elektrochemického gradientu protónov ovplyvňuje rýchlosť aj smer prenosu elektrónov v zásade rovnako. ako smer účinku ATP syntetázy (časť 9.2.3).
Energia uvoľnená pri prenose elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca sa ukladá vo forme elektrochemického protónového gradientu na vnútornej mitochondriálnej membráne
Gradient pP (ArP) tlačí ióny P späť do matrice a ióny OP z matrice, čo zvyšuje efekt membránového potenciálu (AU), pri ktorom je akýkoľvek pozitívny náboj priťahovaný k matrici a akýkoľvek negatívny náboj je tlačený von z toho. Kombinované pôsobenie týchto dvoch síl vedie k elektrochemickému protónovému gradientu (obrázok 7-19).
Takmer všetky baktérie, vrátane striktných anaeróbov, si na svojej membráne udržujú protónovú hybnú silu. Energiu elektrochemického protónového gradientu využívajú na rotáciu bakteriálneho bičíka, čo umožňuje bunke pohybovať sa (časť 12.5.4) a na
Energia elektrochemického protónového gradientu sa využíva na syntézu ATP a transport metabolitov a anorganických iónov do matrice.
Na obr. 7-34 ukazujú úrovne redoxného potenciálu na rôznych miestach dýchacieho reťazca. Dramatický pokles nastáva v každom z troch hlavných respiračných komplexov. Potenciálny rozdiel medzi akýmikoľvek dvoma nosičmi elektrónov je priamo úmerný energii uvoľnenej pri prechode elektrónu z jedného nosiča na druhý (obrázok 7-34). Každý komplex funguje ako zariadenie na premenu energie, usmerňuje túto voľnú energiu na pohyb protónov cez membránu, čo vedie k elektrochemickému protónovému gradientu, keď elektróny prechádzajú obvodom. Túto premenu energie možno priamo demonštrovať oddeleným začlenením akéhokoľvek izolovaného komplexu dýchacieho reťazca do lipozómov (pozri obrázok 7-25). V prítomnosti vhodného donoru a akceptora elektrónov bude takýto komplex niesť elektróny, čo vedie k pumpovaniu protónov cez lipozómovú membránu.
Komplexy respiračných enzýmov spájajú transport elektrónov, sprevádzaný uvoľňovaním energie, s čerpaním protónov z matrice. Elektrochemický protónový gradient vytvorený v tomto prípade dodáva energiu na syntézu ATP ďalším transmembránovým proteínovým komplexom - ATP syntetázou, cez ktorú sa protóny vracajú späť do matrice. ATP syntetáza je reverzibilný konjugačný komplex, ktorý za normálnych okolností premieňa energiu toku protónov nasmerovaných do matrice na energiu fosfátových väzieb ATP, ale s poklesom elektrochemického protónového gradientu je schopný využiť aj energiu hydrolýzy ATP na presunúť protóny z matrice. Chemiosmotické mechanizmy sú charakteristické tak pre mitochondrie, ako aj pre chloroplasty a baktérie, čo naznačuje ich mimoriadny význam pre všetky bunky.
Keď vysokoenergetické elektróny prechádzajú cez dýchací reťazec, protóny sú čerpané z matrice v každej z jej troch oblastí uchovávania energie. Výsledkom je, že medzi dvoma stranami vnútornej membrány vzniká elektrochemický protónový gradient, pôsobením ktorého sa protóny vracajú späť do matrice prostredníctvom ATP syntetázy - transmembránového enzýmového komplexu, ktorý využíva energiu protónového prúdu na syntézu ATP z ADP. a P.
| Ryža. 9-36. Protónovo-hybná sila generovaná na bakteriálnej plazmatickej membráne zabezpečuje pohyb živín do bunky a vylučovanie sodíka von. V prítomnosti kyslíka (A) dýchací reťazec aeróbnych baktérií vytvára elektrochemický protónový gradient, ktorý využíva ATP syntetáza na syntézu ATP. Za anaeróbnych podmienok (B) tie isté baktérie získavajú ATP ako výsledok glykolýzy. V dôsledku hydrolýzy časti tohto ATP pôsobením ATP syntetázy vzniká transmembránová protónovo-hybná sila, ktorá uskutočňuje transportné procesy. (Ako je opísané v texte, existujú baktérie, v ktorých elektrónový transportný reťazec odčerpáva protóny a za anaeróbnych podmienok konečným akceptorom elektrónov v tomto prípade nie je kyslík, ale iné molekuly.) |
Elektrochemický gradient protónov vytvára silu vstrekovania protónov, meranú v milivoltoch (mV). Pretože gradient pP (ApH) v 1 jednotke pH je ekvivalentný membránovému potenciálu približne 60 mV, bude protónová hybná sila rovná L - 60 (ApH). V typickej bunke je táto sila na vnútornej membráne mitochondrií dýchania asi 220 mV a tvorí ju membránový potenciál asi 160 mV a gradient pH. blízko k -] jednotke pH.
Podľa syntézy ATP nie je jediným procesom, ktorý sa vyskytuje v dôsledku energie elektrochemického gradientu. V matrici, kde sa nachádzajú enzýmy zapojené do cyklu kyseliny citrónovej a iných metabolických reakcií, je potrebné udržiavať vysoké koncentrácie rôznych substrátov, najmä ADP a fosfátu sú potrebné pre ATP syntetázu. Preto cez vnútornú membránu musia byť transportované rôzne substráty nesúce náboj. To sa dosiahne použitím rôznych nosných proteínov zabudovaných do membrány (pozri časť 6.4.4). mnohé z nich aktívne pumpujú určité molekuly proti svojim elektrochemickým gradientom, to znamená, že vykonávajú proces, ktorý si vyžaduje spotrebu energie. Pre väčšinu metabolitov je zdrojom tejto energie konjugácia s pohybom niektorých iných molekúl nadol po ich elektrochemickom gradiente (pozri časť 6.4.9). Na transporte ADP sa zúčastňuje napríklad antiportový systém ADP-ATP, z ktorého pri prechode každej molekuly ADP do matrice vystupuje jedna molekula ATP pozdĺž jej elektrochemického gradientu. Súčasne symportný systém konjuguje prechod fosfátu do mitochondrií s tam smerujúcim tokom P, protóny vstupujú do matrice po svojom gradiente a zároveň za sebou posúvajú fosfát. Podobne sa prenáša do matrice a pyruvátu (obr. 7-21). Energia elektrochemického protónového gradientu sa využíva aj na prenos Ca iónov do matrice, ktoré zjavne zohrávajú dôležitú úlohu pri regulácii aktivity niektorých mitochondriálnych enzýmov, absorpciu týchto iónov mitochondriami na ich odstránenie z cytosólu. , keď sa koncentrácia Ca v druhom z nich stane nebezpečne vysokou (pozri časť 12.3.7).
Pôsobenie ATP syntetázy je reverzibilné, je schopná využiť ako energiu hydrolýzy ATP na pumpovanie protónov cez vnútornú mitochondriálnu membránu, tak aj energiu toku protónov pozdĺž elektrochemického gradientu na syntézu ATP (obr. 7-26 ). ATP syntetáza je teda reverzibilný spojovací systém, ktorý vzájomne premieňa energiu elektrochemického protónového gradientu a chemických väzieb. Regulácia jeho činnosti závisí od pomeru medzi strmosťou protónového gradientu a lokálnou hodnotou AG pre hydrolýzu ATP.
Už predtým sme ukázali, že voľná energia hydrolýzy ATP závisí od koncentrácie troch reaktantov – ATP, ADP a Pi (pozri obr. 7-22). AG pre syntézu ATP je rovnaká hodnota s mínusom. Voľná energia pohybu protónov cez membránu sa rovná súčtu (1) AG pre pohyb jedného mólu ľubovoľných iónov medzi oblasťami s rozdielom potenciálov AV a (2) AG pre pohyb mólu ľubovoľného molekuly medzi oblasťami s rôznymi koncentráciami. Rovnica pre protónovú hybnú silu uvedená v ods. 7.1.7, kombinuje rovnaké zložky, ale iba rozdiel v koncentrácii je nahradený ekvivalentným zvýšením membránového potenciálu, takže sa získa vyjadrenie pre elektrochemický potenciál protónu. AG pre pohyb protónov a protónová hybná sila teda berú do úvahy rovnaký potenciál, iba v prvom prípade sa meria v kilokalóriách a v druhom - v milivoltoch. Faktor pre prevod z jednej jednotky na druhú je Faradayovo číslo. Teda AGh = -0,023 (protónová hybná sila), kde AGh + je vyjadrená v kilokalóriách na mol (kcal / mol) a protónová hybná sila je vyjadrená v milivoltoch (mV). Ak je elektrochemický protónový gradient 220 mV, potom AGh = 5,06
Ak ATP syntetáza normálne netransportuje P z matrice, potom dýchací reťazec umiestnený vo vnútornej mitochondriálnej membráne za normálnych podmienok prenáša protóny cez túto membránu, čím sa vytvára elektrochemický protónový gradient, ktorý dodáva energiu na syntézu ATP. Za určitých podmienok je možné experimentálne preukázať schopnosť dýchacieho reťazca pumpovať protóny z matrice. Je možné napríklad poskytnúť suspenziu izolovaných mitochondrií vhodným substrátom na oxidáciu a blokovať tok protónov cez ATP syntetázu. V anaeróbnych podmienkach malý prídavok kyslíka k takémuto lieku spôsobí výbuch respiračnej aktivity ktorá potrvá jednu až dve sekundy – kým sa nespotrebuje všetok kyslík.Pomocou citlivej rP elektródy je možné pri takomto výbuchu zaznamenať náhle okyslenie média v dôsledku vypudenia iónov P z mitochondriálnej matrice. dýchanie.
| Ryža. 7-36. Prenos protónov cez vnútornú mitochondriálnu membránu za účasti odpájacieho činidla 2,4-dinitrofenolu (DNP) Nabitá (protónovaná) forma DNP môže voľne |
Teiko Abe
Ako vedie strata elektrochemického gradientu k tvorbe tepla?
Pokiaľ som pochopil, oddelenie protónového toku a ATP syntázy poskytuje protónový bypass medzi vonkajšou a vnútornou mitochondriálnou membránou, takže protóny nemusia prechádzať cez ATP syntázu na svojej ceste do matrice. Vidím, ako to vedie k strate elektrochemického gradientu. Prečo však vzniká teplo?
AliceD ♦
Z rovnakého dôvodu ako pri skratovaní batérie :) Rovnaký princíp, rovnaký efekt.
Odpovede
Satwik Pasani
Komentár ALiceD je úplne pravdivý. (Aj keď v skutočných prípadoch je skrat zriedka absolútny, pretože skratový vodič má zvyčajne určitý konečný odpor.)
Môžete to pochopiť dvoma spôsobmi.
Intuitívne pochopiteľné že decoupling poskytuje kanál pre pohyb vodíkových iónov cez membránu v smere ich elektrochemického gradientu bez akejkoľvek práce. Energiu, ktorú získa prekročením potenciálového rozdielu, možno teda považovať za premenenú na kinetickú energiu, to znamená, že ióny vodíka sú zrýchlené potenciálnym rozdielom, vďaka čomu naberú rýchlosť, a preto sa pohybujú vyššou rýchlosťou ako priemer posledného oddelenia. To povedie k viacerým zrážkam (a energetickejším) s okolitými molekulami, čím sa tiež mierne zvýši ich kinetická energia, čo v konečnom dôsledku zvýši priemernú kinetickú energiu, ktorej miera sa nazýva teplota. Ak by boli viazané, vodíkové ióny by nedostali kinetickú energiu, pretože energia, ktorú dostanú prechodom cez potenciálny rozdiel, by sa použila na prácu v mechanizme ATP syntázy.
Presne povedané môžete to ukázať pomocou chemickej termodynamiky, ktorá zahŕňa použitie Δ G "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> Δ G Δ G "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> Δ G "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> Δ Δ G "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> g funkcie, μ "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> μ μ "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> μ "role =" prezentácia "style =" poloha: relatívna; "> μ funkcie a niektoré súvisiace termodynamické premenné. Dajte mi vedieť, či by ste chceli toto vysvetlenie (hoci riskujem, že stratím kontakt s matematickým aspektom termodynamiky)
PS: - Hoci termodynamické vysvetlenie berie do úvahy aj zvýšenie teploty v dôsledku vymazania koncentračný gradient to je ťažké vysvetliť pomocou predchádzajúceho modelu. Môžete si to predstaviť tak, že neutralizácia koncentračného gradientu mení počet zrážok na jednotku objemu (a čas), a teda prispieva aj k pozorovanej zmene teploty.
WYSIWYG ♦
Spôsob, akým ste vysvetlili mechanizmus, je veľmi dobrý +1
Teiko Abe
Ďakujem za Vašu odpoveď. Teraz som celkom spokojný s intuitívnym prístupom. Nie som si istý, či v tomto bode dokážem úplne pochopiť rigorózne matematické vysvetlenie, mám pocit, že si najprv musím trochu prečítať.
Elektrochemický gradient, alebo gradient elektrochemického potenciálu- súbor koncentračného gradientu a membránového potenciálu, ktorý určuje smer pohybu iónov cez membránu. Pozostáva z dvoch zložiek: chemického gradientu (koncentračný gradient) alebo rozdielu v koncentrácii rozpustenej látky na oboch stranách membrány a elektrického gradientu (membránový potenciál) alebo rozdielu nábojov umiestnených na opačných stranách membrány. membrána. Gradient nastáva v dôsledku nerovnakej koncentrácie iónov na opačných stranách priepustnej membrány. Ióny sa pohybujú cez membránu z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou jednoduchou difúziou. Ióny tiež nesú elektrický náboj, ktorý vytvára elektrický potenciál na membráne (membránový potenciál). Ak dôjde k nerovnomernému rozloženiu nábojov na oboch stranách membrány, potom rozdiel v elektrickom potenciáli generuje silu, ktorá vedie k iónovej difúzii, kým sa náboje na oboch stranách nevyrovnajú.
Collegiate YouTube
1 / 3
✪ Membránové potenciály – 1. časť
✪ In Da Club - Membranes & Transport: Crash Course Biology # 5
✪ Neurónové synapsie (chemické) | Anatómia a fyziológia človeka | Zdravie a medicína | Khanova akadémia
titulky
Nakreslím malú klietku. Bude to typická bunka a je naplnená draslíkom. Vieme, že bunky ho milujú hromadiť v sebe. Veľa draslíka. Nech je jeho koncentrácia niekde okolo 150 milimolov na liter. Veľa draslíka. Uveďme to do zátvoriek, pretože zátvorky znamenajú koncentráciu. Vonku je aj trochu draslíka. Tu bude koncentrácia približne 5 milimólov na liter. Ukážem vám, ako bude nastavený koncentračný gradient. Nedeje sa to samo od seba. To si vyžaduje veľa energie. Dva draselné ióny sa napumpujú a súčasne z bunky odchádzajú tri ióny sodíka. Takže draselné ióny sa dostanú dovnútra. Teraz, keď sú vo vnútri, budú tam držané sami? Samozrejme, že nie. Nachádzajú anióny, malé molekuly alebo atómy s negatívnym nábojom a nachádzajú sa v ich blízkosti. Čistý poplatok sa tak stane neutrálnym. Každý katión má svoj vlastný anión. A zvyčajne sú tieto anióny proteíny, nejaký druh štruktúr, ktoré majú negatívny bočný reťazec. Môže to byť chlorid alebo napríklad fosfát. Čokoľvek. Ktorýkoľvek z týchto aniónov bude fungovať. Znázorním niekoľko ďalších aniónov. Takže, tu sú dva draselné ióny, ktoré práve vstúpili do bunky, takto to teraz všetko vyzerá. Ak je všetko dobré a statické, potom vyzerajú takto. A v skutočnosti, aby som bol celkom spravodlivý, existujú aj malé anióny, ktoré sú na rovnakej úrovni ako tu s iónmi draslíka. Klietka má malé otvory, cez ktoré môže vytekať draslík. Uvidíme, ako to bude vyzerať a ako to ovplyvní to, čo sa tu deje. Takže máme tieto malé kanály. Cez ne môže prechádzať iba draslík. To znamená, že tieto kanály sú veľmi špecifické pre draslík. Nič iné cez ne nemôže prejsť. Žiadne anióny, žiadne bielkoviny. Zdá sa, že draselné ióny hľadajú tieto kanály a uvažujú: „Páni, aké zaujímavé! Je tu toľko draslíka! Mali by sme ísť von." A všetky tieto draselné ióny len opúšťajú bunku. Ísť von. A v dôsledku toho sa stane zaujímavá vec. Väčšina z nich sa presťahovala von. Ale vonku je už pár iónov draslíka. Povedal som, že tento malý ión je tu a teoreticky by mohol preniknúť dovnútra. Ak chce, môže vstúpiť do tejto klietky. Faktom však je, že celkovo máte viac pohybov smerom von ako dovnútra. Teraz vymazávam túto cestu, pretože chcem, aby ste si zapamätali, že máme viac draselných iónov, ktoré majú tendenciu vychádzať kvôli prítomnosti koncentračného gradientu. Toto je prvý krok. Dovoľte mi to zapísať. Koncentračný gradient spôsobuje pohyb draslíka smerom von. Draslík sa začína pohybovať smerom von. Opustí klietku. A potom čo? Poď, nakreslím to počas toho, ako idem von. Tento draselný ión je teraz tu a tento je tu. Zostanú len anióny. Zostali po odchode draslíka. A tieto anióny začnú produkovať záporný náboj. Veľmi veľký záporný náboj. Len niekoľko aniónov pohybujúcich sa tam a späť vytvára záporný náboj. A draselné ióny zvonku si myslia, že toto všetko je veľmi zaujímavé. Je tu negatívny náboj. A keďže je tam, priťahuje ich, keďže sami majú pozitívny náboj. Sú priťahované k zápornému náboju. Chcú sa vrátiť. Teraz sa nad tým zamyslite. Máte koncentračný gradient, ktorý tlačí draslík von. Ale na druhej strane existuje membránový potenciál, - v tomto prípade negatívny - ku ktorému dochádza v dôsledku skutočnosti, že draslík zanechal anión. Tento potenciál stimuluje draslík, aby sa vrátil späť. Jedna sila, koncentrácia, tlačí ión draslíka von, iná sila, membránový potenciál, ktorý vytvára draslík, ho núti vrátiť sa dovnútra. Uvoľnite miesto. Teraz vám ukážem niečo zaujímavé. Zostrojme dve krivky. Pokúsim sa na tejto snímke nič nevynechať. Nakreslím tu všetko a potom bude viditeľný malý fragment. Vytvárame dve krivky. Jedna z nich bude pre koncentračný gradient a druhá pre membránový potenciál. To budú draselné ióny vonku. Ak ich budete v priebehu času – tentoraz – sledovať, dostanete niečo ako nasledovné. Draselné ióny majú tendenciu vystupovať a dosiahnuť rovnováhu v určitom bode. Urobme to isté s časom na tejto osi. To bude náš membránový potenciál. Začneme v nulovom časovom bode a dostaneme negatívny výsledok. Záporný náboj bude väčší a väčší. Začneme v nulovom bode membránového potenciálu a v bode, kde draselné ióny začnú vychádzať, sa stane nasledovné. V všeobecný prehľad všetko je veľmi podobné, ale deje sa to paralelne so zmenami koncentračného gradientu. A keď sa tieto dve hodnoty navzájom vyrovnajú, keď počet iónov draslíka opúšťajúcich vonku sa rovná počtu iónov draslíka vracajúcich sa dovnútra, je to taká plošina. A ukázalo sa, že náboj je mínus 92 milivoltov. V tomto bode, kde prakticky neexistuje rozdiel v celkovom pohybe iónov draslíka, je pozorovaná rovnováha. Má dokonca svoj vlastný názov – „rovnovážny potenciál draslíka“. Keď hodnota dosiahne mínus 92 - a líši sa v závislosti od typu iónov - pri dosiahnutí mínus 92 pre draslík sa vytvorí rovnováha potenciálov. Dovoľte mi napísať, že náboj draslíka je mínus 92. To sa deje iba vtedy, keď je bunka priepustná len pre jeden prvok, napríklad pre ióny draslíka. A stále môže vyvstať otázka. Môžete si myslieť: „Dobre, počkaj chvíľu! Ak sa draselné ióny pohybujú smerom von - čo sú - potom nemáme v určitom bode nižšiu koncentráciu, pretože draslík tu už odišiel a je tu vyššia koncentrácia v dôsledku pohybu draslíka smerom von?" Technicky je to tak. Tu, vonku, je viac draselných iónov. A to som nespomenul, že sa mení aj hlasitosť. Tu sa dosiahne vyššia koncentrácia. A to isté platí pre bunku. Technicky ide o nižšiu koncentráciu. Ale v skutočnosti som hodnoty nezmenil. A dôvod je nasledovný. Pozrite sa na tieto hodnoty, sú to mory. A to je obrovské číslo, však? 6,02 krát 10 až mínus 23 nie je vôbec malé číslo. A ak to vynásobíte 5, dostanete niečo ako - dovoľte mi rýchlo spočítať, čo sme urobili. 6 krát 5 je 30. A tu sú milimóly. 10 až 20 molov. Je to jednoduché veľké množstvo draselné ióny. A na vytvorenie negatívneho náboja je ich potrebných veľmi málo. To znamená, že zmeny spôsobené pohybom iónov budú v porovnaní s 10 až 20 stupňami zanedbateľné. Zmeny koncentrácie sa preto neberú do úvahy.
Prehľad
Elektrochemický potenciál sa využíva v elektroanalytickej chémii, v priemysle sa využíva pri výrobe batérií a palivových článkov. Predstavuje jednu z mnohých zameniteľných foriem potenciálnej energie, v podobe ktorej je možná úspora energie.
V biologických procesoch prechádzajú ióny cez membránu difúziou alebo aktívnym transportom, určeným elektrochemickým gradientom. V mitochondriách a chloroplastoch sa na generovanie používajú protónové gradienty chemiosmotický potenciál ktorý je tiež známy ako protón- hnacia sila Δp alebo ΔμH+... Táto potenciálna energia sa využíva na syntézu ATP prostredníctvom fotofosforylácie. Hnacia sila protónov je podľa Mitchellovej chemiosmotickej teórie bežným produktom spojených procesov dýchania a oxidačnej fosforylácie. Pozostáva z dvoch faktorov: chemického (alebo osmotického) - rozdiel v koncentráciách iónov H + v mitochondriálnej matrici a medzimembránovom priestore a elektrického - v dôsledku rozdielu v elektrických nábojoch umiestnených na opačných stranách membrány. Rozdiel v koncentrácii iónov H +, meraný v jednotkách pH, sa označuje ako ΔpH. Rozdiel elektrického potenciálu je označený symbolom Δψ. Preto má rovnica tvar:
Δ μ H + = Δ ψ + Δ p H (\ štýl zobrazenia \ Delta \ mu _ (H ^ (+)) = \ Delta \ psi + \ Delta pH) ,
Δ p H = p H A - p H B (\ štýl zobrazenia \ Delta pH = pH_ (A) -pH_ (B))
rozdiel v koncentrácii iónov H + (chemický gradient) na strane A (+) - a B (-) - strane membrány.
Elektrochemický gradient je podobný tlaku, ktorý voda vyvíja, keď preteká vodnou priehradou. Membránové transportné proteíny, ako je sodno-draselná ATPáza, sú analogické s turbínami, premieňajú potenciálnu energiu vody na iné formy fyzikálnej alebo chemickej energie a ióny, ktoré prechádzajú cez membránu, sú analogické s vodou, ktorá padá na dno priehrady. Okrem toho možno energiu využiť na čerpanie vody do jazera proti prúdu priehrady. Podobne je možné použiť chemickú energiu v bunkách na vytvorenie elektrochemických gradientov.
Chémia
Termín "elektrochemický potenciál" sa zvyčajne používa, keď má dôjsť k chemickej reakcii, napríklad pri prenose elektrónu v elektrickej batérii. V batériách elektrochemický potenciál vznikajúci pohybom iónov vyrovnáva reakčnú energiu elektród. Maximálne napätie, ktoré môže batéria vyprodukovať, sa nazýva štandardný elektrochemický potenciál pre túto reakciu. Spolu s vysokoenergetickými zlúčeninami môže byť chemická energia uložená na biologických membránach, ktoré fungujú ako kondenzátory, ktoré fungujú ako izolačná vrstva pre nabité ióny.
Biologický význam
Generovanie transmembránového elektrického potenciálu prostredníctvom pohybu iónov bunková membrána vedie k biologickým procesom, ako je vedenie nervov, svalová kontrakcia, sekrécia hormónov a zmyslové reakcie. Predpokladá sa, že membrána typickej živočíšnej bunky má transmembránový elektrický potenciál od -50 mV do -70 mV.
Elektrochemické gradienty tiež zohrávajú úlohu pri vytváraní protónových gradientov oxidatívnej fosforylácie v mitochondriách. Konečným štádiom bunkového dýchania je reťazec transportu elektrónov. Štyri zabudované komplexy vo vnútornej mitochondriálnej membráne (cristae) tvoria elektrónový transportný reťazec. Avšak iba komplexy I, III a IV sú protónové pumpy a pumpujú protóny z matrice do medzimembránového priestoru. Celkovo sa získa desať protónov, ktoré sa pohybujú z matrice do medzimembránového priestoru a vytvárajú elektrochemický potenciál viac ako 200 mV. To dáva do pohybu tok protónov späť do matrice prostredníctvom ATP syntázy, ktorá syntetizuje ATP pripojením anorganického fosfátu na molekulu ADP. Generovanie protónového elektrochemického gradientu je teda rozhodujúce pre syntézu energie v mitochondriách. Všeobecná rovnica pre reťazec transportu elektrónov vyzerá takto:
NADH + 11 H + (matica) + 1/2 O 2 ⟶ NAD + + 10 H + (IMS) + H 2 O (\ displaystyle NADH + 11H ^ (+) (matica) + 1/2 \ O_ (2) \ longright NAD ^ (+) + 10H ^ (+) (IMS) + H_ (2) O) .
Elektrónový transportný reťazec fotosyntézy v rastlinách pôsobí aj ako dýchací reťazec prenosu elektrónov, kde sú protóny pumpované do lumen chloroplastov (tylakoidný lumen) a výsledný gradient sa využíva na syntézu ATP prostredníctvom enzýmu ATP syntázy. Protónový gradient možno generovať pomocou acyklickej alebo cyklickej fotofosforylácie. Proteíny, ktoré sa podieľajú na necyklickej fotofosforylácii, fotosystém II (PSII) a komplex cytochrómu b6f sú priamo schopné generovať protónový gradient. Pre každý zo štyroch fotónov absorbovaných PSII existuje osem protónov, ktoré sú čerpané do lumenu (tylakoidného lumenu) zo strómy. Všeobecná rovnica pre fotofosforyláciu je nasledovná:
2 H 2 O + 6 H + (stroma) + 2 NADP + ⟶ O 2 + 8 H + (lúmen) + 2 NADPH (\ štýl zobrazenia 2H_ (2) O + 6H ^ (+) (stroma) + 2NADP ^ (+ ) \ dlhá šípka doprava O_ (2) + 8H ^ (+) (lúmen) + 2NADPH) .
Niekoľko ďalších transportérov a iónových kanálov hrá úlohu pri vytváraní protónového elektrochemického gradientu. Jedným z nich je TPK3-draslíkový iónový kanál aktivovaný iónmi Ca2+. Presúva ióny K + z lúmenu do strómy, čo pomáha vytvoriť gradient pH (koncentračný gradient) v stróme. Na druhej strane elektricky neutrálny antiportér K + (KEA 3) transportuje ióny K + do lúmenu a H + do strómy, pričom udržiava rovnováhu iónov a nenarušuje elektrické pole.
Iónový gradient
Keďže ióny nesú náboj, nemôžu prejsť cez membránu uľahčenou difúziou. Prenos iónov cez membránu je možný dvoma spôsobmi, aktívnym alebo pasívnym transportom. Príkladom aktívneho transportu iónov je práca Na + -K + -ATPázy. Katalyzuje reakciu hydrolýzy ATP na ADP a anorganický fosfát Fn. Pri hydrolýze jednej molekuly ATP sa uvoľňuje energia, ktorá mení konformáciu enzýmu, takže tri ióny Na + sú transportované von a dva ióny K + sú transportované do bunky. V dôsledku toho sa obsah bunky stáva zápornejším nábojom ako životné prostredie, vzniká elektrický potenciál (EMF) V m ≈ -60 mV. Príkladom pasívneho transportu je prúd iónov cez iónové kanály (kanály pre Na +, K +, Ca 2+ a Cl -) pozdĺž koncentračného gradientu z oblasti vyššej koncentrácie do oblasti nižšej. Napríklad, keďže je mimo bunky vysoká koncentrácia Na+, ióny Na+ budú mať tendenciu prenikať do bunky cez sodíkový iónový kanál. Keďže elektrický potenciál vo vnútri článku je negatívny, prílev kladných iónov spôsobí depolarizáciu membrány, v dôsledku čoho sa hodnota transmembránového elektrického potenciálu posunie bližšie k nule. Avšak ióny Na + sa budú naďalej pohybovať smerom nadol koncentračným gradientom, pokiaľ bude hnacia sila chemického gradientu väčšia ako elektrický potenciál. Keď sa účinok oboch gradientov (chemického a elektrického) vyrovná (V m pre Na + je asi +70 mV), prítok iónov Na + sa zastaví, pretože hnacia sila (ΔG) bude nulová. Rovnica pre hnaciu silu je nasledovná:
Δ G = RTln (C i n / C e x t) + Z F V m (\ štýl zobrazenia \ Delta G = RTln (C_ (in) / C_ (ext)) + ZFV_ (m)).
Protónové gradienty
Protónové gradienty sú v mnohých dôležitých ako forma skladovania energie odlišné typy bunky. Gradient sa zvyčajne používa na prácu ATP syntázy, rotáciu bičíka alebo transport metabolitov cez membránu. Táto časť sa zameria na tri procesy, ktoré pomáhajú vytvoriť protónové gradienty v príslušných bunkách: práca bakteriorhodopsínu, necyklická fotofosforylácia a oxidačná fosforylácia.
Bakteriorhodopsín
Bakteriorhodopsín nachádzajúci sa v archaea tvorí dráhu pre protónový gradient prostredníctvom protónovej pumpy. Protónová pumpa sa spolieha na nosič protónov (rodopsín), ktorý sa pohybuje zo strany membrány s nízkou koncentráciou iónov H+ na stranu s vyššou koncentráciou H+. Protónová pumpa bakteriorodopsínu sa aktivuje absorbovaním fotónov s vlnovou dĺžkou 568 nm, čo vedie k fotoizomerizácii Schiffovej bázy (SB) v sietnici, čo spôsobí jej prechod z tranz- o 13 cis- forma. Fotoizomerizácia je extrémne rýchla a trvá len 200 femtosekúnd. V dôsledku toho rodopsín prechádza množstvom rýchlych konformačných preskupení: Schiffova báza je vytesnená zo zvyškov Asp85 a Asp212, čo spôsobuje presun iónov H + na zvyšok Asp85, zároveň vzniká stav M1 (meta-I). Potom proteín prejde do stavu M2 (meta-II) oddelením zvyšku Glu204 od Glu194, ktorý uvoľňuje protón do vonkajšieho prostredia. Tento stav je pomerne dlhotrvajúci. Schiffova báza je vo zvyšku reprotonizovaná Asp85 tvoriaci stav N. Dôležité je, že druhý protón pochádza z Asp96, keďže jeho deprotonovaný stav je nestabilný a rýchlo reprotonovaný (reprotonovaný) protónom z cytoplazmy. Protonácia Asp85 a Asp96 viesť k opakovanej izomerizácii SB, čím sa vytvorí stav O. Aj v tomto prípade zvyšok Asp85 uvoľňuje svoj protón na Glu204 a bakteriorodopsín sa vráti do pokoja.
Fotofosforylácia
Po uvoľnení z PSII sa redukovaný plastochinón PQH 2 prenesie do komplexu cytochrómu b6f, ktorý prenesie dva elektróny z PQH 2 na proteín plastocyanín y v dvoch samostatných reakciách. Tento proces je podobný Q-cyklu vyskytujúcemu sa v komplexe III ETC. V prvej reakcii sa plastochinol PQH 2 naviaže na komplex zo strany lúmenu a jeden elektrón prejde do železo-sírového centra (Fe-S), ktoré ho potom prenesie na cytochróm f, ten prenesie elektrón na plastocyanín. molekula. Druhý elektrón sa prenesie na molekulu hemu b L, ktorá ho potom prenesie na hem b H, ten prenesie elektrón na druhú molekulu plastochinónu PQ,. V druhej reakcii sa oxiduje 2. molekula plastochinolu PQH 2, pričom sa prenesie elektrón na inú molekulu plastocyanínu a polovične redukovaný PQ, ktorý sa redukuje na PQH 2 a opúšťa komplex. Obe reakcie sú sprevádzané prenosom štyroch protónov na lúmen.
Oxidačná fosforylácia
NADH + H + + UQ + 4 H + (matica) ⟶ NAD + + UQH 2 + 4 H + (IMS) (\ displaystyle NADH + H ^ (+) + UQ + 4H ^ (+) (matica) \ longright NAD ^ (+) + UQH_ (2) + 4H ^ (+) (IMS))
Poznámky (upraviť)
- Nelson, David. Lehninger Principles of Biochemistry / David Nelson, Michael Cox. - New York: W.H. Freeman, 2013. - S. 403. - ISBN 978-1-4292-3414-6.
- Nath, Sunil; Villadsen, John (2015-03-01). "Oxidačná fosforylácia prehodnotená". Biotechnológia a bioinžinierstvo [Angličtina]. 112 (3): 429-437. DOI: 10.1002 / bit.25492. ISSN 1097-0290.
- Kolman J., Rem K.-G. Vizuálna biochémia. - M.: Mir, 2011 .-- S. 128-129. - 469 s. - 7000 kópií. - ISBN 5-03-003304-1.
- Stroyev E.A. Biologická chémia. - M.: Vysshaya shkola, 1986 .-- S. 210 .-- 479 s.
- Yang, Huanghe; Zhang, Guohui; Cui, Jianmin (2015-01-01). „Kanály BK: viacero senzorov, jedna aktivačná brána“. Fyziológia membrán a biofyzika membrán. 6 : 29. DOI: 10.3389 / fphys.2015.00029. PMC. PMID.
- Shattock, Michael J.; Ottolia, Michela; Bers, Donald M.; Blaustein, Mordecai P.; Boguslavskyi, Andrii; Bossuyt, Julie; Bridge, John H. B.; Chen-Izu, Ye; Clancy, Colleen E. (2015-03-15). "Výmena Na + / Ca2 + a Na + / K + -ATPáza v srdci". The Journal of Physiology [Angličtina]. 593 (6): 1361-1382. DOI: 10.1113 / jphysiol.2014.282319. ISSN 1469-7793. PMC. PMID.
- Aperia, Anita; Akkuratov, Evgeny E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar (2016-04-01). „Na + -K + -ATPáza, nová trieda plazmatických membránových receptorov“. American Journal of Physiology - Bunková fyziológia [Angličtina]. 310 (7): C491-C495. DOI: 10.1152 / ajpcell.00359.2015. ISSN 0363-6143. PMID.
- Nelson, David. Lehninger Principles of Biochemistry / David Nelson, Michael Cox. - New York: W.H. Freeman, 2013. - S. 464. - ISBN 978-1-4292-3414-6.
- Poburko, Damon; Demaurex, Nicolas (2012-04-24). „Regulácia mitochondriálneho protónového gradientu cytosolickými Ca2+ signálmi“. Pflügers Archiv - Európsky žurnál fyziológie [Angličtina]. 464 (1): 19-26.
Elektrochemický gradient ión je hnacou silou toku iónov, ktorý je kombináciou membránového potenciálu (elektrický gradient) a koncentračného gradientu látok (chemický gradient). Elektrický gradient charakterizuje pohyb iba iónov a smeruje k ich opačnému náboju. Chemický gradient smeruje z oblasti s vysokou koncentráciou rozpustenej látky do oblasti s nízkou koncentráciou.
K prenosu látok cez membránu môže dochádzať pasívne aj aktívne. Aktívna doprava vyžaduje spotrebu energie a pasívny realizované bez spotreby energie. Aktívny transport ide vždy proti elektrochemickému gradientu. Pasívny transport rozpustených látok môže prebiehať len pozdĺž priaznivého elektrochemického gradientu.
Transportné systémy rozpustených látok možno klasifikovať na základe použitia bunkovej energie.
1. Pasívny transport nevyžaduje hydrolýzu ATP a nie je spojená s prenosom inej rozpustenej látky.
Môže dôjsť k difúzii látok rozpustných v tukoch (napr. O 2, CO 2, alkoholy a étery). priamo cez plazmatickú membránu.
Transport iónov a malých molekúl často prebieha cez transmembránové proteíny ktoré slúžia iónové kanály(pre rôzne ióny) alebo aquapory(pre molekuly vody).
Iónové kanály majú nasledovné bežné komponenty:
1)oblasť pórov, cez ktoré ióny difundujú.
2)selektívny filter vo vnútri pórov, v dôsledku toho je kanál vysoko selektívny pre určité ióny (napr. Na + kanály).
3) kanálová brána, ktoré otvárajú a zatvárajú kanál.V uzavretom stave ióny neprechádzajú kanálom, ale kanál je k dispozícii na aktiváciu. V otvorenom stave sa ióny pohybujú podľa ich elektrochemického gradientu. Brána kanála môže byť riadená jedným z nasledujúcich mechanizmov: membránové napätia (napäťovo riadené kanály); chemických látok (chemicky závislé kanály); mechanické sily v membráne (kanály závislé od roztiahnutia).
Môže dôjsť k difúzii a prostredníctvom nosných proteínov, volal uniforma, ktoré selektívne viažu jednu rozpustenú látku na jednu stranu membrány a podstupujú konformačné zmeny, aby ju dopravili na druhú stranu. Transport rozpustených látok cez uniport je tzv uľahčená difúzia, pretože je rýchlejšia ako jednoduchá difúzia. Takto sa prenáša glukóza a aminokyseliny.
Osmóza - je to pohyb (difúzia) vody cez vodné póry membrány, ktorý je poháňaný gradientom koncentrácie vody Koncentrácia vody je vyjadrená ako celková koncentrácia rozpustenej látky; čím je roztok zriedenejší, tým nižšia je koncentrácia jeho rozpustenej látky a tým vyššia je koncentrácia vody.Keď sú oddelené dva roztoky polopriepustná membrána(ktorý umožňuje transport vody, ale nie rozpustených látok), voda prechádza zo zriedenejšieho roztoku do koncentrovanejšieho. Osmolarita je vyjadrením osmotickej sily roztoku . Nazývajú sa dva roztoky s rovnakou osmolaritou izoosmotický. Nazývajú sa roztoky s väčšou ako osmolaritou referenčného roztoku hyperosmotický, a roztoky s nižšou osmolaritou sa označujú ako hypoosmotický. Izotonický roztok má rovnakú osmolaritu ako fungujúce bunky a nespôsobuje pohyb čistej vody cez ich membránu; hypotonický roztok má nižšiu osmolaritu ako funkčná bunka a spôsobuje napučiavanie buniek, hypertonický roztok má vyššiu osmolaritu ako bunky a spôsobuje zmršťovanie buniek. Napríklad, ak je pacientovi podaná intravenózna injekcia hypotonický roztok, tonus extracelulárnej tekutiny spočiatku klesá a voda sa osmózou presúva do vnútrobunkovej tekutiny (bunky napučiavajú). Naopak, ak vstúpite hypertonický roztok, zvyšuje sa tonus extracelulárnej tekutiny a voda vyteká z vnútrobunkovej tekutiny (bunky sa zmenšujú).
Zatiaľ čo umelá lipidová membrána je prakticky nepriepustná pre ióny, biologické membrány obsahujú „ iónové kanály “, Cez ktorý jednotlivé ióny selektívne prenikajú membránou (pozri). Priepustnosť a polarita membrány závisí od elektrochemický gradient, teda na koncentrácii iónov na oboch stranách membrány ( koncentračný gradient) a od rozdiely elektrické potenciály medzi vnútornou a vonkajšou stranou membrány ( membránový potenciál).
V stave pokojových buniek je membránový potenciál ( oddychový potenciál, pozri) je od -0,05 do -0,09 V, to znamená, že na vnútornej strane plazmatickej membrány prevláda nadbytok záporných nábojov. Pokojový potenciál poskytujú predovšetkým Na + a K + katióny, ako aj organické anióny a Cl - ión (1). Koncentrácie mimo a vo vnútri bunky a koeficienty permeability týchto iónov sú uvedené v tabuľke (2).
Je popísané rozdelenie iónov medzi vonkajším prostredím a vnútorným objemom bunky Nernstova rovnica(3), kde ΔΨ G je transmembránový potenciál (vo voltoch, V), to znamená rozdiel v elektrických potenciáloch medzi dvoma stranami membrány pri absencii transportu iónov cez membránu ( rovnovážny potenciál). Pre jednomocné ióny pri 25 °C je faktor RT / Fn 0,026 V. Zároveň z tabuľky (2) vyplýva, že pre ióny K + sa ΔΨ G približne rovná −0,09 V, tj hodnota je rádovo rovnakej veľkosti ako a potenciál pre odpočinok. Naopak, pre ióny Na + je ΔΨ G ≈ +0,07 V, teda vyšší ako pokojový potenciál. Preto ióny Na + vstupujú do bunky, keď sa otvorí kanál Na +. Nerovnosť koncentrácií iónov Na + a K + je neustále udržiavaná Na+/K+-ATP-áza pri výdaji ATP (pozri).
Články sekcie "Úspora energie na membránach":
- A. Elektrochemický gradient
2012-2019. Vizuálna biochémia. Molekulárna biológia. Vitamíny a ich funkcie.
Referenčná kniha vo vizuálnej forme - vo forme farebných schém - popisuje všetky biochemické procesy. Zvažujú sa biochemicky významné chemické zlúčeniny, ich štruktúra a vlastnosti, hlavné procesy s ich účasťou, ako aj mechanizmy a biochémia najdôležitejších procesov v živej prírode. Pre študentov a pedagógov chemických, biologických a lekárskych univerzít, biochemikov, biológov, lekárov, ale aj všetkých záujemcov o životné procesy.
