Čudovita in skrivnostna električna jegulja. Elektrokemični protonski gradient Povečanje elektrokemičnega gradienta bo povzročilo
Ločevalci, kot je dinitrofenol, povzročijo uhajanje H skozi membrano, kar močno zmanjša elektrokemični protonski gradient. Oligomicin posebej blokira pretok protonov skozi Rc
| riž. 7-53. Spremembe redoks potenciala med prehodom elektronov med fotosintezo s tvorbo NADPH in ATP) rastlin in cianobakterij. Fotosistem II je zelo podoben reakcijskemu središču škrlatne bakterije (glej sliko 7-50), s katero je evolucijsko povezan. Fotosistem I se razlikuje od teh dveh sistemov in naj bi bil evolucijsko soroden fotosistemom druge skupine prokariontov – zelenih bakterij. V fotosistemu I vzburjeni elektroni klorofila prehajajo skozi vrsto tesno povezanih železo-žveplovih centrov. Dva zaporedno povezana fotosistema zagotavljata neto pretok elektronov iz vode v NADP, da nastane NADPH. Poleg tega ATP tvori ATP sintetaza (ni prikazana) zaradi energije elektrokemičnega protonskega gradienta, ki ga ustvari transportna veriga elektronov, ki povezuje fotosistem II s fotosistemom I. Ta Z-shema tvorbe ATP se imenuje neciklična fosforilacijo v nasprotju s ciklično shemo riža. 7-54 (glej tudi sliko 7-52). |
Ko se celicam doda sredstvo za odklop, kot je dinitrofenol, se privzem kisika v mitohondrijih močno poveča, ko se hitrost prenosa elektronov poveča. Ta pospešek je posledica obstoja nadzora dihanja. Ta nadzor naj bi temeljil na neposrednem zaviralnem učinku elektrokemičnega protonskega gradienta na transport elektronov. Ko elektrokemični gradient izgine v prisotnosti ločilnika, doseže nenadzorovan transport elektronov največjo možno hitrost z dano količino substrata. Nasprotno, povečanje protonskega gradienta upočasni transport elektronov in proces se upočasni. Poleg tega, če se v poskusu na notranji membrani umetno ustvari neobičajno visok elektrokemični gradient, se normalni transport elektronov popolnoma ustavi in v nekaterih delih dihalne verige bo mogoče zaznati povratni tok elektronov. Ta zadnja ugotovitev nakazuje, da da nadzor dihanja preprosto odraža ravnotežje med vrednostmi proste energije za črpanje protonov, povezanih s transportom elektronov, in za sam transport elektronov ali, z drugimi besedami, da velikost elektrokemičnega gradienta protonov vpliva na hitrost in smer elektronov transport načeloma na enak način kot smer delovanja ATP sintetaze (oddelek 9.2.3).
Energija, ki se sprosti v procesu transporta elektronov po dihalni verigi, se shrani v obliki elektrokemičnega protonskega gradienta na notranji membrani mitohondrijev.
Gradient pP (ArP) povzroči, da se ioni P premaknejo nazaj v matriks, ioni OP pa iz matriksa, kar poveča učinek membranskega potenciala (AP), pod vplivom katerega se vsak pozitivni naboj pritegne v matriks in vsaka negativna je izrinjena iz nje. Kombinirano delovanje teh dveh sil povzroči elektrokemični protonski gradient (slika 7-19).
Skoraj vse bakterije, vključno s strogimi anaerobnimi, vzdržujejo protonsko gibalno silo na svoji membrani.Energija elektrokemičnega protonskega gradienta se v njih uporablja za vrtenje bakterijskega bička, ki omogoča gibanje celice (razdelek 12.5.4) in za
Energija elektrokemičnega protonskega gradienta se uporablja za sintezo ATP in transport metabolitov in anorganskih ionov v matriks
Na sl. 7-34 prikazuje ravni redoks potenciala na različnih delih dihalne verige. V vsakem od treh glavnih dihalnih kompleksov pride do močnega padca. Razlika potenciala med katerima koli dvema nosilcema elektronov je premo sorazmerna z energijo, ki se sprosti, ko elektron prehaja z enega nosilca na drugega (slika 7-34). Vsak kompleks deluje kot naprava za pretvorbo energije in usmerja to brezplačno energijo za premikanje protonov po membrani, kar ima za posledico ustvarjanje elektrokemičnega protonskega gradienta, ko elektroni prehajajo skozi vezje. To pretvorbo energije je mogoče neposredno dokazati z vključitvijo katerega koli izoliranega kompleksa dihalne verige posebej v liposome (glejte sliko 7-25). V prisotnosti ustreznega donorja in akceptorja elektronov bo takšen kompleks prenašal elektrone, kar bo povzročilo črpanje protonov preko liposomske membrane.
Kompleksi dihalnih encimov povezujejo transport elektronov, ki ga spremlja sproščanje energije, s črpanjem protonov iz matriksa. Elektrokemični protonski gradient, ustvarjen v tem primeru, dovaja energijo za sintezo ATP z drugim transmembranskim proteinskim kompleksom, ATP sintetazo, skozi katero se protoni vračajo v matriks. ATP sintetaza je reverzibilni sklopitveni kompleks, ki običajno pretvori energijo protonskega toka, usmerjenega v matriks, v energijo ATP fosfatnih vezi, ko pa se elektrokemični protonski gradient zmanjša, je sposobna uporabiti tudi energijo hidrolize ATP za premikanje protonov izven matrice. Kemiosmotski mehanizmi so značilni tako za mitohondrije kot za kloroplaste in bakterije, kar kaže na njihov izjemen pomen za vse celice.
Ko visokoenergijski elektroni prehajajo skozi dihalno verigo, se protoni izčrpajo iz matriksa v vsakem od njegovih treh območij shranjevanja energije. Posledično med obema stranema notranje membrane nastane elektrokemični protonski gradient, pod vplivom katerega se protoni vrnejo nazaj v matriks preko ATP sintetaze, transmembranskega encimskega kompleksa, ki uporablja energijo protonskega toka za sintezo ATP iz ADP. in P.
| riž. 9-36. Protonska gonilna sila, ki nastane na bakterijski plazemski membrani, zagotavlja pretok hranilnih snovi v celico in odstranitev natrija navzven. V prisotnosti kisika (A) dihalna veriga aerobnih bakterij ustvari elektrokemični protonski gradient, ki ga ATP sintetaza uporabi za sintezo ATP. V anaerobnih pogojih (B) iste bakterije pridobijo ATP kot rezultat glikolize. Zaradi hidrolize dela tega ATP pod delovanjem ATP sintetaze nastane transmembranska protonska motorna sila, ki izvaja transportne procese. (Kot je opisano v besedilu, obstajajo bakterije, pri katerih transportna veriga elektronov črpa protone in v anaerobnih pogojih končni sprejemnik elektronov v tem primeru ni kisik, ampak druge molekule.) |
Elektrokemični protonski gradient ustvari pogonsko silo protona, merjeno v milivoltih (mV). Ker je pP (ArH) gradient 1 enote pH enakovreden membranskemu potencialu približno 60 mV, bo protonska gonilna sila enaka A - 60 (ArH). V tipični celici je ta sila na notranjo membrano dihajočega mitohondrija približno 220 mV in je vsota membranskega potenciala približno 160 mV in gradienta pH. blizu - ] pH enote.
Toda sinteza ATP ni edini proces, ki se pojavi zaradi energije elektrokemičnega gradienta. V matriksu, kjer se nahajajo encimi, vključeni v cikel citronske kisline in druge presnovne reakcije, je treba vzdrževati visoke koncentracije različnih substratov, zlasti ADP in fosfata, potrebnih za ATP sintetazo. Zato je treba različne substrate, ki nosijo naboj, prenašati čez notranjo membrano. To dosežemo z različnimi nosilnimi proteini, vgrajenimi v membrano (glejte poglavje 6.4.4). od katerih mnoge aktivno črpajo določene molekule proti svojim elektrokemičnim gradientom, tj. izvajajo proces, ki zahteva porabo energije. Za večino metabolitov je vir te energije konjugacija z gibanjem nekaterih drugih molekul navzdol po njihovem elektrokemičnem gradientu (glejte razdelek 6.4.9). Na primer, sistem ADP-ATP antiport sodeluje pri transportu ADP; ko vsaka molekula ADP vstopi v matriko, jo ena molekula ATP zapusti vzdolž svojega elektrokemičnega gradienta. Istočasno sistem symport poveže prehod fosfata v mitohondrije s tja usmerjenim tokom P, protoni vstopajo v matriks po svojem gradientu in hkrati vlečejo fosfat s seboj. Podobno se prenaša na matriks in piruvat (slika 7-21). Energija elektrokemičnega protonskega gradienta se uporablja tudi za prenos ionov Ca v matriks, ki očitno igrajo pomembno vlogo pri uravnavanju aktivnosti nekaterih mitohondrijskih encimov, absorpciji teh ionov v mitohondrijih, da jih odstranijo iz citosola. ko koncentracija Ca v slednjem postane nevarna, je lahko zelo pomembna tudi visoka (glej poglavje 12.3.7).
Delovanje ATP sintetaze je reverzibilno, sposobna je uporabiti tako energijo hidrolize ATP za črpanje protonov skozi notranjo mitohondrijsko membrano kot energijo toka protonov po elektrokemičnem gradientu za sintezo ATP (slika 7-26). Tako je ATP sintetaza reverzibilni konjugacijski sistem, ki izvaja medsebojno pretvorbo energije elektrokemičnega protonskega gradienta in kemičnih vezi. Smer njegovega delovanja je odvisna od razmerja med strmino protonskega gradienta in lokalno vrednostjo AG za hidrolizo ATP.
Prej smo pokazali, da je prosta energija hidrolize ATP odvisna od koncentracije treh reaktantov - ATP, ADP in Pi (glej sliko 7-22). AG za sintezo ATP je enaka vrednost z minusom. Prosta energija protonov, ki se gibljejo skozi membrano, je enaka vsoti (1) AG za premikanje enega mola poljubnih ionov med območji z razliko v potencialih AV in (2) AG za premikanje mola poljubnih molekul med območji z njihovo različne koncentracije. Enačba za protonsko gonilno silo, podana v odd. 7.1.7, združuje iste komponente, vendar je samo koncentracijska razlika nadomeščena z enakovrednim prirastkom membranskega potenciala, tako da dobimo izraz za elektrokemijski potencial protona. Tako AG za premikajoče se protone in protonska motorna sila upoštevata enak potencial, le v prvem primeru se meri v kilokalorijah, v drugem pa v milivoltih. Koeficient za pretvorbo iz ene enote v drugo je Faradayevo število. Tako je AGh = -0,023 (motorna sila protona), kjer je AGh + izražena v kilokalorijah na 1 mol (kcal/mol), gibalna sila protona pa je izražena v milivoltih (mV). Če je elektrokemični protonski gradient 220 mV, potem je AGh = 5,06
Če ATP sintetaza običajno ne prenaša P iz matriksa, potem dihalna veriga, ki se nahaja v notranji mitohondrijski membrani, pod normalnimi pogoji prenaša protone skozi to membrano in tako ustvarja elektrokemični protonski gradient, ki zagotavlja energijo za sintezo ATP. Pod določenimi pogoji je mogoče eksperimentalno dokazati sposobnost dihalne verige, da črpa protone iz matriksa. Možno je na primer zagotoviti suspenzijo izoliranih mitohondrijev s primernim substratom za oksidacijo in blokirati pretok protonov skozi ATP sintetazo. Pri takem blisku dihanja je mogoče z občutljivim rP elektroda kot posledica izgona P ionov iz mitohondrijskega matriksa.
| riž. 7-36. Prenos protonov skozi notranjo mitohondrijsko membrano s sodelovanjem ločilnega sredstva 2,4-dinitrofenola (DNP) Nabita (protonirana) oblika DNP lahko prosto |
Teiko Abe
Kako izguba elektrokemičnega gradienta povzroči nastajanje toplote?
Razumem, da ločevanje pretoka protonov in ATP sintaze zagotavlja obvod za protone med zunanjo in notranjo membrano mitohondrijev, tako da protonom ni treba iti skozi ATP sintazo na poti do matriksa. Vidim, kako to povzroči izgubo elektrokemičnega gradienta. Toda zakaj nastaja toplota?
AliceD ♦
Iz istega razloga kot pri kratkem stiku baterije :) Isti princip enak učinek.
odgovori
Satvik Pasani
Komentar ALiceD popolnoma drži. (Čeprav je v resničnih primerih kratek stik redko absoluten, saj je v žici kratkega stika običajno nekaj končnega upora.)
To lahko razumete na dva načina.
Intuitivno da ločitev zagotavlja kanal za gibanje vodikovih ionov čez membrano v smeri njihovega elektrokemičnega gradienta brez kakršnega koli dela. Zato se lahko energija, ki jo prejme s prečkanjem potencialne razlike, šteje za pretvorjeno v kinetično energijo, kar pomeni, da vodikove ione pospeši potencialna razlika, zaradi česar pridobijo hitrost in se zato premikajo z večjo hitrostjo od povprečja zadnji prekat. To bo povzročilo več trkov (in bolj energijskih) z okoliškimi molekulami, kar bo tudi nekoliko povečalo njihovo kinetično energijo, kar bo sčasoma povečalo povprečno kinetično energijo, merilo za to pa imenujemo temperatura. Če bi bil vezan, vodikovi ioni ne bi pridobili kinetične energije, saj bi energijo, ki jo pridobijo s prečkanjem potencialne razlike, uporabili za delovanje v mehanizmu ATP sintaze.
Strogo rečeno , lahko to pokažete s kemijsko termodinamiko, ki vključuje uporabo Δ G "role="predstavitev" style="position: relative;"> ΔG Δ G "role="predstavitev" style="position: relative;"> Δ G "role="presentation" style="position: relative;">Δ Δ G "role="presentation" style="position: relative;">g funkcije, μ "role="presentation" style="position: relative;"> μ μ "role="presentation" style="position: relative;"> μ "role="presentation" style="position: relative;">μ funkcije in nekatere sorodne termodinamične spremenljivke. Povejte mi, če želite to razlago (čeprav tvegam, da bom izgubil stik z matematičnim vidikom termodinamike)
PS:- Čeprav termodinamična razlaga upošteva tudi dvig temperature zaradi izbrisanega koncentracijskega gradienta, je to s prejšnjim modelom težko pojasniti. To si lahko predstavljate tako, da nevtralizacija koncentracijskega gradienta spremeni število trkov na prostorninsko enoto (in čas) in tako prispeva tudi k opazovani temperaturni spremembi.
WYSIWYG ♦
Način, kako si razložil mehanizem, je zelo dober +1
Teiko Abe
Hvala za vaš odgovor. Zdaj sem zelo zadovoljen z intuitivnim pristopom. Nisem prepričan, da lahko v tem trenutku popolnoma razumem strogo matematično razlago, zdi se mi, da moram najprej nekaj prebrati.
Elektrokemijski gradient, oz gradient elektrokemičnega potenciala- niz koncentracijskega gradienta in membranskega potenciala, ki določa smer gibanja ionov skozi membrano. Sestavljen je iz dveh komponent: kemijskega gradienta (koncentracijski gradient) ali razlike v koncentracijah topljenca na obeh straneh membrane in električnega gradienta (membranski potencial) ali razlike v nabojih, ki se nahajajo na nasprotnih straneh membrane. . Gradient nastane zaradi neenake koncentracije ionov na nasprotnih straneh prepustne membrane. Ioni se premikajo po membrani iz področja višje koncentracije v območje nižje koncentracije s preprosto difuzijo. Ioni nosijo tudi električni naboj, ki tvori električni potencial na membrani (membranski potencial). Če obstaja neenakomerna porazdelitev nabojev na obeh straneh membrane, potem razlika v električnem potencialu ustvari silo, ki vodi do ionske difuzije, dokler naboja na obeh straneh nista uravnotežena.
Enciklopedični YouTube
1 / 3
✪ Membranski potenciali - 1. del
✪ In Da Club - Membrane in transport: hitri tečaj biologije št. 5
✪ Nevronske sinapse (kemične) | Anatomija in fiziologija človeka | Zdravje in medicina | Akademija Khan
Podnapisi
Narisal bom majhno kletko. To bo tipična celica in je napolnjena s kalijem. Vemo, da ga celice rade kopičijo v sebi. Veliko kalija. Naj bo njegova koncentracija nekje 150 milimolov na liter. Ogromna količina kalija. Dajmo v oklepaj, saj oklepaj označuje koncentracijo. Tudi zunaj je nekaj kalija. Tu bo koncentracija približno 5 milimolov na liter. Pokazal vam bom, kako bo nastavljen koncentracijski gradient. To se ne zgodi samo od sebe. To zahteva veliko energije. Dva kalijeva iona se črpata, hkrati pa trije natrijevi ioni zapustijo celico. Torej kalijevi ioni najprej pridejo v notranjost. Bodo zdaj, ko so notri, tukaj zaprti sami? Seveda ne. Najdejo anione, majhne molekule ali atome z negativnim nabojem, in se postavijo blizu njih. Tako skupni naboj postane nevtralen. Vsak kation ima svoj anion. In običajno so ti anioni proteini, nekatere strukture, ki imajo negativno stransko verigo. Lahko je klorid ali na primer fosfat. Karkoli. Vsak od teh anionov bo zadostoval. Narisal bom še nekaj anionov. Torej, tukaj sta dva kalijeva iona, ki sta pravkar prišla v celico, takole izgleda zdaj. Če je vse dobro in statično, potem izgledajo tako. In pravzaprav, če smo povsem pošteni, so tukaj tudi majhni anioni, ki so tukaj enaki kalijevim ionom. V celici so majhne luknjice, skozi katere lahko kalij izteka. Poglejmo, kako bo to izgledalo in kako bo vplivalo na dogajanje tukaj. Torej imamo te majhne kanale. Skozi njih lahko prehaja le kalij. To pomeni, da so ti kanali zelo specifični za kalij. Nič drugega ne more skozi njih. Brez anionov, brez proteinov. Kalijevi ioni tako rekoč iščejo te kanale in razmišljajo: »Vau, kako zanimivo! Tukaj je toliko kalija! Morali bi iti ven." In vsi ti kalijevi ioni preprosto zapustijo celico. Gredo ven. In posledično se zgodi zanimiva stvar. Večina se jih je preselila ven. Zunaj pa je že nekaj kalijevih ionov. Rekel sem, da je tu majhen ion, ki bi teoretično lahko prišel notri. Lahko pride v to kletko, če hoče. Ampak dejstvo je, da imaš skupno, skupno več gibov navzven kot navznoter. Zdaj brišem to pot, ker želim, da se spomnite, da imamo več kalijevih ionov, ki radi uidejo zaradi prisotnosti koncentracijskega gradienta. To je prva stopnja. Naj zapišem. Koncentracijski gradient povzroči premikanje kalija navzven. Kalij se začne izločati. Pride iz celice. In kaj potem? Naj ga narišem, ko grem ven. Ta kalijev ion je zdaj tukaj in ta je tukaj. Ostanejo le anioni. Ostali so po odhodu kalija. In ti anioni začnejo proizvajati negativni naboj. Zelo velik negativni naboj. Le nekaj anionov, ki se premikajo naprej in nazaj, ustvarijo negativni naboj. In kalijevi ioni na zunaj mislijo, da je vse zelo zanimivo. Tukaj je negativen naboj. In ker je tam, jih privlači, saj imajo sami pozitiven naboj. Privlači jih negativni naboj. Želijo se vrniti. Zdaj pa pomisli. Imate koncentracijski gradient, ki potiska kalij ven. Toda po drugi strani obstaja membranski potencial, - v tem primeru negativno - kar nastane zaradi dejstva, da je kalij zapustil anion. Ta potencial spodbuja vrnitev kalija. Ena sila, koncentracija, potiska kalijev ion ven, druga sila, membranski potencial, ki ga ustvarja kalij, pa ga sili nazaj noter. Sprostil bom nekaj prostora. Zdaj vam bom pokazal nekaj zanimivega. Zgradimo dve krivulji. Poskušal bom ne zamuditi ničesar na tem diapozitivu. Tukaj bom vse narisal in potem bo viden majhen delček. Gradimo dve krivulji. Eden od njih bo za koncentracijski gradient, drugi pa za membranski potencial. Zunaj bodo kalijevi ioni. Če jim sledite nekaj časa - tokrat - dobite nekaj takega. Kalijevi ioni gredo ven in na določeni točki dosežejo ravnovesje. Naredimo enako s časom na tej osi. To je naš membranski potencial. Začnemo na ničelni časovni točki in dobimo negativen rezultat. Negativni naboj bo postajal vedno večji. Začnemo pri ničelni točki membranskega potenciala in na točki, kjer začnejo izhajati kalijevi ioni, se zgodi naslednje. AT na splošno vse je zelo podobno, vendar se dogaja kot vzporedno s spremembami koncentracijski gradient. In ko se ti dve vrednosti med seboj izenačita, ko je število kalijevih ionov, ki gredo ven, enako številu kalijevih ionov, ki se vrnejo noter, dobiš takšen plato. In izkaže se, da je polnjenje v tem primeru minus 92 milivoltov. Na tej točki, kjer praktično ni razlike v skupnem gibanju kalijevih ionov, opazimo ravnovesje. Ima celo svoje ime - "ravnovesni potencial za kalij." Pri doseženi vrednosti minus 92 - ta se razlikuje glede na vrsto ionov - pri doseganju vrednosti minus 92 za kalij nastane ravnotežje potencialov. Zapisal bom, da je naboj za kalij minus 92. To se zgodi samo takrat, ko je celica prepustna samo za en element, na primer za kalijeve ione. In še vedno se lahko pojavi vprašanje. Morda si mislite: »Počakaj malo! Če se kalijevi ioni premaknejo navzven – kar tudi počnejo – ali nimamo potem na določeni točki nižjo koncentracijo, ker je kalij že odšel ven, višja koncentracija pa je tukaj zagotovljena s premikanjem kalija navzven? Tehnično je. Tukaj, zunaj, vsebuje več kalijevih ionov. In nisem omenil, da se spreminja tudi glasnost. Posledica tega je višja koncentracija. In enako velja za celico. Tehnično je koncentracija nižja. Ampak dejansko nisem spremenil vrednosti. In razlog je naslednji. Poglejte te vrednosti, to so molji. In to je ogromna številka, kajne? 6,02 krat 10 na minus 23 potenco sploh ni malo. In če to pomnožiš s 5, bo približno izšlo - naj na hitro izračunam, kaj sva dobila. 6 pomnoženo s 5 je 30. In tukaj so milimoli. 10 do 20 molov. Enostavno je velik znesek kalijevi ioni. In za ustvarjanje negativnega naboja potrebujejo zelo malo. To pomeni, da bodo spremembe, ki jih povzroči gibanje ionov, nepomembne v primerjavi z 10 na 20. potenco. Zato se spremembe koncentracije ne upoštevajo.
Pregled
Elektrokemijski potencial se uporablja v elektroanalizni kemiji, v industriji pa pri izdelavi baterij in gorivnih celic. Je ena od mnogih zamenljivih oblik potencialne energije, v kateri je mogoče ohraniti energijo.
V bioloških procesih ioni prehajajo skozi membrano z difuzijo ali aktivnim transportom, ki ga določa elektrokemijski gradient. V mitohondrijih in kloroplastih se za ustvarjanje uporabljajo protonski gradienti kemiosmotski potencial, ki je znana tudi kot proton- gonilna sila ∆p oz ∆μH+. Ta potencialna energija se uporabi za sintezo ATP s fotofosforilacijo. Protonska gibalna sila po Mitchellovi kemiosmotski teoriji je skupni produkt sklopljenih procesov dihanja in oksidativne fosforilacije. Sestavljen je iz dveh dejavnikov: kemičnega (ali osmotskega) - razlike v koncentracijah H + ionov v mitohondrijskem matriksu in medmembranskem prostoru ter električnega - zaradi razlike v električnih nabojih, ki se nahajajo na nasprotnih straneh membrane. Razlika v koncentracijah H + ionov, merjena v enotah pH, je označena z ΔpH. Razliko v električnih potencialih označujemo s simbolom Δψ. Zato ima enačba obliko:
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))
razlika v koncentracijah H + ionov (kemijski gradient) na A(+)-strani in B(-)-strani membrane.
Elektrokemični gradient je podoben tlaku, ki ga povzroča voda, ko teče skozi jez hidroelektrarne. Membranski transportni proteini, kot je natrijeva-kalijeva ATP-aza, so analogni turbinam, ki pretvarjajo potencialno energijo vode v druge oblike fizikalne ali kemične energije, ioni, ki gredo skozi membrano, pa so analogni vodi, ki pade na dno jez. Poleg tega se lahko energija uporabi za črpanje vode v jezero gorvodno od jezu. Podobno se lahko kemična energija v celicah uporabi za ustvarjanje elektrokemičnih gradientov.
kemija
Izraz "elektrokemijski potencial" se običajno uporablja v primerih, ko mora priti do kemične reakcije, na primer s prenosom elektrona v električni bateriji. V baterijah elektrokemični potencial, ki izhaja iz gibanja ionov, uravnoteži reakcijsko energijo elektrod. Največja napetost, ki jo lahko proizvede reakcija baterije, se imenuje standardni elektrokemijski potencial za to reakcijo. Skupaj z makroergičnimi spojinami se lahko kemična energija shrani na bioloških membranah, ki delujejo kot kondenzatorji, ki delujejo kot izolacijska plast za nabite ione.
biološki pomen
Ustvarjanje transmembranskega električnega potenciala s premikanjem ionov skozi celična membrana povzroči biološke procese, kot so prevodnost živcev, mišična kontrakcija, izločanje hormonov in senzorični odzivi. Menijo, da ima membrana tipične živalske celice transmembranski električni potencial od -50 mV do -70 mV.
Elektrokemični gradienti imajo tudi vlogo pri vzpostavljanju protonskih gradientov oksidativne fosforilacije v mitohondrijih. Končna stopnja celičnega dihanja je veriga prenosa elektronov. Štirje vgrajeni kompleksi v notranji membrani mitohondrijih (kristah) sestavljajo transportno verigo elektronov. Vendar so le kompleksi I, III in IV protonske črpalke in črpajo protone iz matriksa v medmembranski prostor. Skupaj dobimo deset protonov, ki se premaknejo iz matriksa v medmembranski prostor in ustvarijo elektrokemični potencial nad 200 mV. To sproži pretok protonov nazaj v matriks preko ATP sintaze, ki sintetizira ATP tako, da pritrdi anorganski fosfat na molekulo ADP. Tako je ustvarjanje protonskega elektrokemičnega gradienta kritično za sintezo energije v mitohondrijih. Splošna enačba za transportno verigo elektronov izgleda takole:
N A D H + 11 H + (ma t r i x) + 1 / 2 O 2 ⟶ N A D + + 10 H + (I M S) + H 2 O (\displaystyle NADH+11H^(+)(matrika)+1/2\ O_(2) \longrightarrow NAD^(+)+10H^(+)(IMS)+H_(2)O) .
Elektronska transportna veriga fotosinteze v rastlinah deluje podobno kot dihalna elektronska transportna veriga, kjer se protoni črpajo v lumen kloroplasta (lumen tilakoida), nastali gradient pa se uporabi za sintezo ATP preko encima ATP sintaze. Protonski gradient je mogoče ustvariti z uporabo neciklične ali ciklične fotofosforilacije. Proteini, ki so vključeni v neciklično fotofosforilacijo, fotosistem II (PSII) in kompleks citokroma b6f, so neposredno sposobni generirati protonski gradient. Za vsake štiri fotone, ki jih absorbira PSII, je osem protonov, ki se črpajo v lumen (lumen tilakoida) iz strome. Splošna enačba za fotofosforilacijo je naslednja:
2 H 2 O + 6 H + (s t r o m a) + 2 N A D P + ⟶ O 2 + 8 H + (l u m e n) + 2 N A D P H (\displaystyle 2H_(2)O+6H^(+)(stroma)+2NADP^(+ )\longrightarrow O_(2)+8H^(+)(lumen)+2NADPH) .
Več drugih prenašalcev in ionskih kanalov igra vlogo pri ustvarjanju protonskega elektrokemičnega gradienta. Eden od njih je TPK 3 -kalijev ionski kanal, ki ga aktivirajo ioni Ca 2+. Premika ione K+ iz lumna v stromo, kar pomaga vzpostaviti pH gradient (koncentracijski gradient) znotraj strome. Po drugi strani pa električno nevtralni antiporter K + (KEA 3) prenaša ione K + v lumen in H + v stromo, pri čemer ohranja ravnovesje ionov in ne moti električnega polja.
Ionski gradient
Ker ioni nosijo naboj, ne morejo skozi membrano z olajšano difuzijo. Prenos ionov skozi membrano je mogoč na dva načina, z aktivnim ali pasivnim transportom. Primer aktivnega transporta ionov je delo Na + -K + -ATPaze. Katalizira reakcijo hidrolize ATP v ADP in anorganski fosfat Fn. Pri hidrolizi ene molekule ATP se sprosti energija, ki spremeni konformacijo encima, tako da se trije ioni Na + transportirajo navzven, dva iona K + pa v celico. Zaradi tega postane vsebina celice bolj negativno nabita kot okolju, nastane električni potencial (EMF) V m ≈ -60 mV. Primer pasivnega transporta je tok ionov skozi ionske kanale (kanale za Na +, K +, Ca 2+ in Cl -) vzdolž koncentracijskega gradienta, iz območja višje koncentracije v območje nižje. Na primer, ker je zunaj celice visoka koncentracija Na +, bodo ioni Na + težili k vstopu v celico skozi natrijev ionski kanal. Ker je električni potencial znotraj celice negativen, bo dotok pozitivnih ionov povzročil depolarizacijo membrane, kar bo povzročilo premik vrednosti transmembranskega električnega potenciala bližje ničli. Vendar se bodo ioni Na + še naprej premikali navzdol po koncentracijskem gradientu, dokler bo gonilna sila kemičnega gradienta večja od električnega potenciala. Ko se učinek obeh gradientov (kemijskega in električnega) medsebojno uravnovesita (V m za Na + je okoli +70 mV), se bo dotok Na + ionov ustavil, saj bo pogonska sila (ΔG) postala nič. Enačba za pogonsko silo je naslednja:
Δ G = R T l n (C i n / C e x t) + Z F V m (\displaystyle \Delta G=RTln(C_(notranji)/C_(zunanji))+ZFV_(m)).
Protonski gradient
Protonski gradienti so v mnogih pomembni kot oblika shranjevanja energije različne vrste celice. Gradient se običajno uporablja za pogon ATP sintaze, bičkovo rotacijo ali transport metabolitov skozi membrano. Ta razdelek se bo osredotočil na tri procese, ki pomagajo vzpostaviti protonske gradiente v posameznih celicah: delovanje bakteriorodopsina, neciklično fotofosforilacijo in oksidativno fosforilacijo.
Bakteriorodopsin
Bakteriorhodopsin, ki ga najdemo v arhejah, tvori pot za protonski gradient prek protonske črpalke. Delovanje protonske črpalke temelji na nosilcu protona (rodopsinu), ki se premika s strani membrane z nizko koncentracijo H + ionov na stran z višjo koncentracijo H +. Protonska črpalka bakteriorhodopsina se aktivira z absorpcijo fotonov z valovno dolžino 568 nm, kar vodi do fotoizomerizacije Schiffove baze (SB) v mrežnici, kar povzroči njen prehod iz trans- ob 13- cis- oblika. Fotoizomerizacija je izjemno hitra in traja le 200 femtosekund. Posledično je rodopsin podvržen vrsti hitrih konformacijskih preureditev: Schiffova baza se premakne iz ostankov Asp85 in Asp212, kar povzroči prenos H+ ionov na preostanek Asp85, in nastane stanje M1 (meta-I). Protein nato z ločitvijo ostanka preide v stanje M2 (meta-II). Glu204 od Glu194, ki v okolje sprosti proton. To stanje je razmeroma dolgotrajno. Schiffovo bazo reprotoniramo preko ostanka Asp85, ki tvori stanje N. Pomembno je, da drugi proton prihaja iz Asp96, saj je njegovo deprotonirano stanje nestabilno in se hitro reprotonira (ponovno protonira) s protonom iz citoplazme. protonacija Asp85 in Asp96 vodi do ponovne izomerizacije SB, s čimer nastane stanje O. Tudi ostanek Asp85 sprosti svoj proton Glu204 in bakteriorodopsin se vrne v stanje mirovanja.
Fotofosforilacija
Po sproščanju iz PSII se reducirani plastokinon PQH 2 translocira v kompleks citokroma b6f, ki v dveh ločenih reakcijah prenese dva elektrona iz PQH 2 na protein plastocianin y. Ta proces je podoben Q-ciklu, ki se pojavlja v ETC kompleksu III. V prvi reakciji se plastokinol PQH 2 veže na kompleks s strani lumna in en elektron preide v železo-žveplov center (Fe-S), ki ga nato prenese na citokrom f, slednji prenese elektron na molekulo plastocianina. Drugi elektron preide na molekulo hema b L , ta ga nato prenese na hem b H , ta pa prenese elektron na drugo molekulo plastokinona PQ,. V drugi reakciji se 2. molekula plastokinola PQH 2 oksidira, odda elektron drugi molekuli plastocianina in napol reduciran PQ, ki se reducira v PQH 2 in zapusti kompleks. Obe reakciji spremlja prenos štirih protonov na lumen.
Oksidativna fosforilacija
N A D H + H + + U Q + 4 H + (m a t r i x) ⟶ N A D + + U Q H 2 + 4 H + (I M S) (\displaystyle NADH+H^(+)+UQ+4H^(+)(matrika)\longrightarrow NAD ^(+)+UQH_(2)+4H^(+)(IMS))
Opombe
- Nelson, David. Lehningerjeva načela biokemije / David Nelson, Michael Cox. - New York: W.H. Freeman, 2013. - Str. 403. - ISBN 978-1-4292-3414-6 .
- Nath, Sunil; Villadsen, John (2015-03-01). “Ponovni pregled oksidativne fosforilacije” . Biotehnologija in bioinženiring [angleščina]. 112 (3): 429-437. DOI:10.1002/bit.25492. ISSN 1097-0290.
- Kolman J., Rem K.-G. Vizualna biokemija. - M.: Mir, 2011. - S. 128-129. - 469 str. - 7000 izvodov. - ISBN 5-03-003304-1.
- Stroev E.A. Biološka kemija. - M.: Višja šola, 1986. - S. 210. - 479 str.
- Yang, Huanghe; Zhang, Guohui; Cui, Jianmin (2015-01-01). “BK kanali: več senzorjev, ena aktivacijska vrata” . Membranska fiziologija in membranska biofizika. 6 : 29. DOI: 10.3389/fphys.2015.00029 . PMC. PMID.
- Shattock, Michael J.; Ottolia, Michela; Bers, Donald M.; Blaustein, Mordecai P.; Boguslavskij, Andrij; Bossuyt, Julie; Bridge, John H. B.; Chen-Izu, Ye; Clancy, Colleen E. (2015-03-15). “Izmenjava Na+/Ca2+ in Na+/K+-ATPaza v srcu” . Časopis za fiziologijo [angleščina]. 593 (6): 1361-1382. DOI:10.1113/jphysiol.2014.282319. ISSN 1469-7793. PMC. PMID.
- Aperia, Anita; Akkuratov, Evgenij E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar (1. 4. 2016). “Na+-K+-ATPaza, nov razred receptorjev plazemske membrane . American Journal of Physiology - Cell Physiology [angleščina]. 310 (7): C491-C495. DOI:10.1152/ajpcell.00359.2015. ISSN 0363-6143. PMID.
- Nelson, David. Lehningerjeva načela biokemije / David Nelson, Michael Cox. - New York: W.H. Freeman, 2013. - Str. 464. - ISBN 978-1-4292-3414-6 .
- Poburko, Damon; Demaurex, Nicolas (24. 4. 2012). “Regulacija mitohondrijskega protonskega gradienta s citosolnimi Ca2+ signali” . Pflugers Archive - European Journal of Physiology [angleščina]. 464 (1): 19-26.
elektrokemijski gradient Ion je gonilo za pretok ionov, ki je kombinacija membranskega potenciala (električni gradient) in koncentracijskega gradienta snovi (kemijski gradient). Električni gradient označuje gibanje samo ionov in je usmerjen proti njihovemu nasprotnemu naboju. Kemijski gradient je usmerjen od območja z visoko koncentracijo topljenca do območja z nizko koncentracijo.
Prenos snovi skozi membrano lahko poteka pasivno in aktivno. aktivni prevoz zahteva energijo in pasivno izvedeno brez porabe energije. Aktivni transport gre vedno proti elektrokemičnemu gradientu. Pasivni transport topljenci se lahko pojavijo samo ob ugodnem elektrokemijskem gradientu.
Sisteme za transport raztopin je mogoče razvrstiti glede na uporabo celično energijo.
1. Pasivni transport ne zahteva hidrolize ATP in ni povezan s prenosom druge topljene snovi.
Lahko pride do difuzije snovi, topnih v maščobah (npr. O 2 , CO 2 , alkoholi in estri). neposredno preko plazemske membrane.
Prenos ionov in majhnih molekul pogosto poteka skozi transmembranske beljakovine ki služijo ionskih kanalov(za različne ione) ali akvapore(za molekule vode).
Ionski kanali imajo naslednje skupne komponente:
1)območje por, skozi katere difundirajo ioni.
2)selektivni filter znotraj por, pri čemer je kanal zelo selektiven za določene ione (npr. Na + kanale).
3) kanalska vrata, ki odpirajo in zapirajo kanal V zaprtem stanju ioni ne prehajajo skozi kanal, vendar je kanal na voljo za aktivacijo. V odprtem stanju se ioni gibljejo glede na njihov elektrokemijski gradient. Kanalska vrata se lahko krmilijo z enim od naslednjih mehanizmov: membranske napetosti (napetostno odvisni kanali); kemične snovi (kemoodvisni kanali); mehanske sile v membrani (od raztezanja odvisni kanali).
Lahko pride do difuzije preko nosilnih proteinov klical uniport, ki selektivno vežejo eno topljeno snov na eno stran membrane in se konformacijsko spremenijo, da jo dostavijo na drugo stran. Prenos topljencev skozi uniport se imenuje olajšana difuzija, ker je hitrejši od preproste difuzije. Tako se prenašajo glukoza in aminokisline.
osmoza - gre za gibanje (difuzijo) vode skozi vodne pore membrane, ki ga poganja gradient koncentracije vode.Koncentracija vode je izražena kot skupna koncentracija topljenca; bolj ko je raztopina razredčena, nižja je koncentracija njene topljene snovi in večja je koncentracija vode.Ko sta dve raztopini ločeni polprepustna membrana(ki omogoča transport vode, ne pa tudi raztopljenih snovi), se voda premika iz bolj razredčene raztopine v bolj koncentrirano. Osmolarnost je izraz osmotske sile raztopine . Imenujemo dve raztopini z enako osmolarnostjo izosmotski. Imenujemo raztopine z večjo osmolarnostjo od referenčne raztopine hiperosmotski, in raztopine z nižjo osmolarnostjo imenujemo kot hipoosmotski. Izotonična raztopina ima enako osmolarnost kot delujoče celice in ne povzroča premikanja čiste vode po njihovi membrani; hipotonična raztopina ima nižjo osmolarnost kot delujoča celica in povzroči, da celice nabreknejo, hipertonična raztopina ima višjo osmolarnost kot celica in povzroči, da se celice skrčijo. Na primer, če se bolniku daje intravensko hipotonična raztopina, tonus zunajcelične tekočine se sprva zmanjša, voda pa z osmozo preide v znotrajcelično tekočino (celice nabreknejo). Nasprotno, če vstopite hipertonična raztopina, se poveča tonus zunajcelične tekočine in voda zapusti znotrajcelično tekočino (celice se skrčijo).
Medtem ko je umetna lipidna membrana praktično neprepustna za ione, biološke membrane vsebujejo " ionskih kanalov ”, skozi katero posamezni ioni selektivno prodrejo v membrano (glej). Prepustnost in polarnost membrane sta odvisni od elektrokemijski gradient, to je na koncentracije ionov na obeh straneh membrane ( koncentracijski gradient) in od razlike električni potenciali med notranjo in zunanjo stranjo membrane ( membranski potencial).
V stanju mirovanja celic membranski potencial ( potencial počitka, glej ) je od -0,05 do -0,09 V, to je na notranji strani plazemska membrana prevladuje presežek negativnih nabojev. Preostali potencial zagotavljajo predvsem kationi Na + in K + ter organski anioni in Cl - ion (1). Koncentracije zunaj in znotraj celice ter koeficienti prepustnosti teh ionov so prikazani v tabeli (2).
Opisana je porazdelitev ionov med zunanjim okoljem in notranjim volumnom celice Nernstova enačba(3), kjer je ΔΨ G transmembranski potencial (v voltih, V), to je razlika v električnih potencialih med obema stranema membrane v odsotnosti transporta ionov skozi membrano ( ravnotežni potencial). Za enovalentne ione pri 25 °C je faktor RT/Fn 0,026 V. Istočasno iz tabele (2) sledi, da je za ione K + ΔΨ G približno −0,09 V, tj. vrednost istega reda kot in potencial za počitek. Za ione Na + je nasprotno ΔΨ G ≈ +0,07 V, to je višje od potenciala mirovanja. Zato ioni Na + vstopajo v celico, ko se odpre kanal Na +. Neenakost koncentracij Na + in K + ionov se stalno ohranja Na + /K + -ATPaza pri porabi ATP (glej).
Članki razdelka "Ohranjanje energije na membranah":
- A. Elektrokemični gradient
2012-2019. Vizualna biokemija. Molekularna biologija. Vitamini in njihove funkcije.
Priročnik v vizualni obliki - v obliki barvnih shem - opisuje vse biokemične procese. Obravnavane so biokemično pomembne kemične spojine, njihova struktura in lastnosti, glavni procesi z njihovo udeležbo ter mehanizmi in biokemija najpomembnejših procesov v živi naravi. Za študente in učitelje kemijskih, bioloških in medicinskih univerz, biokemike, biologe, zdravnike ter vse, ki jih zanimajo življenjski procesi.
