Увеличение электрохимического градиента приведет к. Трансмембранный электрохимический протонный градиент и его составляющие. Как электрический угорь генерирует такое высокое электрическое напряжение
Разобщители, например, динитрофенол, вызывают утечку Н через мембрану , сильно снижая электрохимический протонный градиент. Олигомицин специфически блокирует поток протонов через Рц
| Рис. 7-53. Изменения редокс-потенциала при прохождении электропов в процессе фотосинтеза с образованием NADPH и АТР) растений и цианобактерий. Фотосистема II очень похожа на реакционный центр пурпурных бактерий (см. рис. 7-50), с которым она эволюционно связана . Фотосистема I отличается от этих двух систем как полагают, она эволюционно родственна фотосистемам другой группы прокариот - зеленых бактерий . В фотосистеме I электроны возбужденного хлорофилла проходят через ряд прочно связанных железо-серных центров . Две последовательно соединенные фотосистемы обеспечивают суммарный поток электронов от воды к NADP с образованием NADPH. Кроме того, образуется АТР с помощью АТР-синтетазы (не показана) за счет энергии электрохимического протонного градиента, который создается электронтранспортной цепью , связывающей фотосистему II с фотосистемой I. Эту Z-схему образования АТР называют нециклическим фосфорилированием в отличие от циклической схемы , представленной на рис. 7-54 (см. также рис. 7-52). |
Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с существованием дыхательного контроля . Полагают, что этот контроль основан на прямом ингибирующем влиянии электрохимического протонного градиента на транспорт электронов . Когда в присутствии разобщителя электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости , возможной при данном количестве субстрата. Напротив, возрастание протонного градиента притормаживает электронный транспорт , и процесс замедляется . Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент , нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов Это последнее наблюдение позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает просто баланс между величинами изменения свободной энергии для перекачивания протонов , сопряженного с транспортом электронов , и для самого транспорта электронов или, другими словами, что величина электрохимического протонного градиента влияет как на скорость, так и на направление переноса электронов в принципе таким же образом, как и на направление действия АТР-синтетазы (разд. 9.2.3).
Энергия, высвобождаемая в нроцессе переноса электронов по дыхательной цепи , запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий
Градиент рП (АрП) заставляет ионы П переходить обратно в матрикс, а ионы ОП из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала (АУ), под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента (рис. 7-19).
Почти все бактерии, включая строгих анаэробов , поддерживают на своей мембране протонодвижущую силу Энергия электрохимического протонного градиента используется у них для вращения бактериального жгутика , что позволяет клетке передвигаться (разд. 12.5.4), и для
Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТР и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс
На рис. 7-34 показаны уровни окислительно-восстановительного потенциала на различных участках дыхательной цепи . Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных дыхательных комплексов . Разность потенциалов между любыми двумя переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой при переходе электрона от одного переносчика к другому (рис. 7-34). Каждый комплекс действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по цепи. Такое преобразование энергии можно прямо продемонстрировать, включив по отдельности любой изолированный комплекс дыхательной цепи в липосомы (см. рис. 7-25). В присутствии подходящего донора и акцептора электронов такой комплекс будет переносить электроны , что приведет к перекачиванию протонов через мембрану липосомы.
Дыхательные ферментные комплексы сопрягают транспорт электронов, сопровождающийся выделением энергии , с откачиванием протонов из матрикса. Создаваемый при этом электрохимический протонный градиент доставляет энергию для синтеза АТР еще одним трансмембранным белковым комплексом -АТР-синтетазой, через которую протоны возвращаются в матрикс. АТР-синтетаза - это обратимый сопрягающий комплекс в норме он преобразует энергию потока протонов, направленного в матрикс, в энергию фосфатных связей АТР, но при уменьшении электрохимического протонного градиента он способен также использовать энергию гидролиза АТР для перемещения протонов из матрикса наружу. Хемиосмотические механизмы свойственны как митохондриям и хлоропластам, так и бактериям, что указывает на исключительную важность их для всех клеток.
По мере прохождения высокоэнергетических электронов по дыхательной цепи протоны откачиваются из матрикса в каждом из трех ее участков, запасающих энергию. В результате этого между двумя сторонами внутренней мембраны возникает электрохимический протонный градиент, под действием которого протоны возвращаются обратно в матрикс через АТР-синтетазу - трансмембранный ферментный комплекс , использующий энергию протонного тока для синтеза АТР из ADP и Р.
| Рис. 9-36. Протонодвижущая сила , генерируемая на бактериальной плазматической мембране, обеспечивает перемещение в клетку питательных веществ и выведение наружу натрия. В присутствии кислорода (А) дыхательная цепь аэробных бактерий создает электрохимический протонный градиент, который используется АТР-синтетазой для синтеза АТР. В анаэробных условиях (Б) те же бактерии получают АТР в результате гликолиза. За счет гидролиза части этого АТР под действием АТР-синтетазы возникает трансмембранная протонодвижущая сила , осуществляющая транспортные процессы . (Как описано в тексте, существуют бактерии, у которых цепь переноса электронов откачивает протоны и при анаэробных условиях конечным акцептором электронов в этом случае служит не кислород, а другие молекулы.) |
Электрохимический протонный градиент создает протонодвнжущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ). Так как градиент рП (АрН) в 1 единицу pH эквивалентен мембранному потенциалу около 60 мВ, протонодвижущая сила будет равна Л - 60 (АрН). В типичной клетке эта сила на внутренней мембране дышащей митохондрии составляет около 220 мВ и складывается из мембранного потенциала примерно в 160 мВ и градиента pH. близкого к - ] единице pH.
По синтез АТР - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента . В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях , необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов в частности, для АТР-синтетазы требуются ADP и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков , встроенных в мембрану (см. разд. 6.4.4). многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов , т. е. осуществляют процесс , требующий затраты энергии . Для большей части метаболитов источником этой энергии служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул вниз по их электрохимическому градиенту (см. разд. 6.4.9). Папример, в транспорте ADP участвует система антипорта ADP-ATP при переходе каждой молекулы ADP в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТР. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком П протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом ташат за собой фосфат. Подобным образом переносится в матрикс и пируват (рис. 7-21). Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са, которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов большое значение может иметь и поглощение митохондриями этих ионов для удаления их из цитозоля, когда концентрация Са в последнем становится опасно высокой (см. разд. 12.3.7).
Действие АТР-синтетазы обратимо она способна использовать как энергию гидролиза АТР для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТР (рис. 7-26). Таким образом , АТР-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей . Паиравление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной AG для гидролиза АТР.
Ранее мы уже показали, что свободная энергия гидролиза АТР зависит от концентрации трех реагирующих веществ - АТР, ADP и Pi (см. рис. 7-22). AG для синтеза АТР - это та же величина, взятая с минусом. Свободная энергия перемещения протонов через мембрану равна сумме (1) AG для перемещения одного моля любых ионов между областями с разностью потенпиалов AV и (2) AG для перемещения моля любых молекул между областями с различной их концентрацией. Уравнение для протонодвижущей силы , приведенное в разд. 7.1.7, объединяет те же самые составляющие, но только разность концентраций заменена эквивалентным ей приращением мембранного потенциала , так что получается выражение для электрохимического потенциала протона . Таким образом , AG для перемещения протонов и протонодвижущая сила учитывают один и тот же потенциал, только в первом случае он измеряется в килокалориях, а во втором - в милливольтах. Коэффициентом для перевода из одних единиц в другие служит число Фарадея. Таким образом , AGh = -0,023 (протонодвижущая сила), где AGh + выражается в килокалориях на 1 моль (ккал/моль), а протонодвижущая сила - в милливольтах (мВ). Если электрохимический протонный градиент равен 220 мВ, то AGh = 5,06
Если АТР-синтетаза в норме не транспортирует П из матрикса, то дыхательная цепь , находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны , создавая гаким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию для синтеза АТР. При определенных условиях можно экспериментально продемонстрировать способность дыхательной цепи откачивать протоны из матрикса. Можно, например, обеспечить взвесь изолированных митохондрий подходящим субстратом для окисления, а поток протонов через АТР-синтетазу блокировать В анаэробных условиях небольшая добавка кислорода к такому препарату вызовет вспышку дыхательной активности, которая будет длиться одну-две секунды - пока весь кислород не израсходуется Во время такой вспышки дыхания с помощью чувствительного рП-электрода можно зарегистрировать внезапное подкислепие среды в результате выталкивания ионов П из матрикса митохондрий.
| Рис. 7-36. Перенос протонов через внутреннюю митохогвдриальную мембрану при участии разобщающего агента 2,4-динитрофенола (ДНФ) Заряженная (протонированная) форма ДНФ может свободно |
Перенос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ.
Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создаётся протонный градиент, при
котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный - на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ - источник энергии для синтеза АТФ. Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования (рис. 6-11, 6-13).
Механизм транспорта протонов через мито-хондриальную мембрану в пунктах сопряжения недостаточно ясен. Однако установлено, что важную роль в этом процессе играет KoQ. Наиболее детально механизм переноса протонов при участии KoQ изучен на уровне комплекса
KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами. Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором - цитохром с. Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1, с которого электроны переносятся на цитохром с.
В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород. На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала. Энергия электрохимического потенциала (ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.
Рис. 6-13. Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в митохондриях. I - NADH-дегидрогеназа; II - сукцинат дегидрогеназа; III - QH2-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V - ЛТФ-синтаза. Энергия протонного потенциала (электрохимического потенциала ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.
2. Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ
АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1
Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμН+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμН+происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из AДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Электрохимический потенциал,
генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения в ЦПЭ, используют для синтеза одной молекулы АТФ.
Мембранный потенциал возникает за счет электрохимического градиента, который существует по обеим сторонам мембраны, селективно проницаемой для ионов
Величина мембранного потенциала как функции концентрации ионов рассчитывается по уравнению Нернста
В клетке поддерживается отрицательное значение мембранного потенциала покоя. При этом внутренняя среда клетки, по сравнению с внешней, характеризуется несколько большим отрицательным зарядом
Существование мембранного потенциала является необходимым условием генерации электрических сигналов, а также направленного транспорта ионов через мембрану
Важным свойством клеток является способность поддерживать такие внутриклеточные концентрации метаболитов, которые существенно отличаются от их содержания во внеклеточной среде. В случае ионов, различия в их концентрации по обеим сторонам мембраны приводят к различиям в электрическом заряде: внутриклеточная среда заряжена несколько более отрицательно, чем среда снаружи клетки. Совместное действие разности зарядов и концентраций проводит к возникновению электрохимического градиента. Электрохимический градиент поддерживается за счет действия селективных каналов и белков переносчиков в плазматической мембране.
Для того чтобы понять, каким образом возникает электрохимический градиент, вначале рассмотрим простой случай, когда мембрана оказывается проницаемой только для одного вида ионов. На рисунке ниже представлены два компартмента, А и В, разделенные тонкой мембраной. Эти компартменты содержат раствор КС1 разной концентрации. В растворе хлорид калия диссоциирован на гидратированные ионы К+ и Cl-. Поскольку оба компартмента содержат эквимолярные концентрации ионов, то каждый обладает нейтральным зарядом.
Если бы мембрана была непроницаема для ионов, то величина ее электрического потенциала, измеренная с помощью вольтметра, равнялась бы нулю.
Селективное передвижение ионов через мембрану вызывает изменение мембранного потенциала.Теперь рассмотрим случай, когда мембрана проницаема только для ионов калия (например, когда в мембране находятся К+-каналы). Диффузия растворенных веществ по градиенту концентрации является энергетически выгодным процессом (выражается в виде отрицательной величины разности энергии AG). Поэтому ионы К+ будут диффундировать в сторону более низкой их концентрации, т. е. из компартмента В в компартмент А. При этом распределение заряда на мембране будет меняться. По мере накопления в компартменте А положительно заряженных ионов, возрастают силы отталкивания между ними. Эти силы затрудняют переход ионов К+ в компартмент А.
Когда в системе достигается электрохимическое равновесие , градиенты концентрации и электрических зарядов взаимно уравновешиваются, и движение ионов К+ через мембрану прекращается. При этом транспорт ионов К+ из одного компартмента сдерживается их транспортом из другого компартмента.
Однако в компартменте А содержится больше положительно заряженных ионов, чем в компартменте В. Этот избыток ионов К+ (в компартменте А) взаимодействует с избытком ионов Cl- (в компартменте В) через тонкую мембрану, в результате чего по обеим ее сторонам выстраиваются электрические заряды. Разница зарядов по обеим сторонам мембраны выражается в виде разности потенциалов и называется мембранный потенциал. Равновесный (мембранный) потенциал компартмента В по отношению к компартменту А имеет отрицательное значение.
Этот пример
иллюстрирует необходимость наличия двух условий, необходимых для возникновения мембранного потенциала клетки, не равного нулю:
различные концентрации ионов по обеим сторонам мембраны, которые приводят к разделению зарядов и
мембрана, обладающая селективной проницаемостью по крайней мере к одному виду ионов.
Поэтому величина мембранного потенциала является функцией концентрации ионов. В состоянии равновесия эту функцию для ионов X можно выразить количественно с помощью уравнения Нернста:
Е - равновесный потенциал (в вольтах)
R - универсальная газовая постоянная (2 кал моль -1 К -1)
Т - абсолютная температура (К; 37 °С = 307,5 К)
z - валентность ионов (электрический заряд)
F - число Фарадея (2,3 х 10 4 кал вольт -1 моль -1)
[Х]А - концентрация свободных ионов X в компартменте А
[Х]в - концентрация свободных ионов X в компартменте В
В формировании мембранного потенциала в клетках животных, главным образом, участвуют ионы К+, Na+ и Cl- . Ионы Са2+ и Mg2+ в меньшей степени участвуют в формировании мембранного потенциала покоя. Плазматическая мембрана обладает селективной проницаемостью к перечисленным ионам (т. е. мембрана содержит ионные каналы, селективные к каждому типу ионов). Это обстоятельство, а также мембранная проницаемость (Р) для каждого иона учитывается в уравнении Гольдмана-Ходжкина-Каца, которое представляет собой расширенную форму уравнения Нернста.
Для основных ионов это уравнение выражает мембранный потенциал как функцию их проницаемости и концентрации внутри (i) и снаружи (о) клетки:
Величина отрицательного мембранного потенциала покоя зависит от типа клеток и колеблется от -200 мВ до -20 мВ. В клетках млекопитающих мембранный потенциал покоя в основном создается при работе К+-каналов и ионного насоса, который называется Na+/К+-АТФаза. Основной вклад в формирование отрицательного мембранного потенциала вносит небольшой поток ионов К+ через плазматическую мембрану. Этот поток осуществляется через К+-каналы, лишенные воротного механизма (т. н. калиевые каналы покоя).
В отличие от большинства других К+-каналов , которым необходим сигнал для открытия, эти каналы в клетке, обладающей определенным потенциалом покоя, открыты постоянно. В покоящейся клетке также открыты несколько каналов для других ионов. Движение ионов К+ из клетки, по направлению электрохимического градиента, помогает клеточному содержимому поддерживать отрицательный заряд. Пока мы не знаем всех источников ионов калия, которые участвуют в этом процессе. В некоторых клетках, например у растений и бактерий, а также в митохондриях, мембранный потенциал покоя создается за счет градиента протонов, а не ионов К+.
Для того чтобы происходила диффузия ионов К+ из клетки через К+-каналы, их концентрация в клетке должна быть выше, чем в окружающей среде. Градиент концентрации создается в результате работы Na+/К+-АТФа-зы, которая закачивает в клетку два иона калия на каждые три иона натрия, которые этот ионный насос удаляет из клетки. Поэтому насос функционирует как генератор заряда: удаляется больше электрических зарядов, чем привносится к клетку. Таким образом, наряду с K+-каналами, лишенными воротного механизма, Na+/К+-АТФазы участвуют в создании отрицательного внутриклеточного потенциала. Если происходит инактивация Na+/K+-АТФаз, то концентрации ионов Na+ и К+ по обе стороны мембраны уравниваются. Это происходит потому, что липидный бислой очень плохо пропускает ионы. Иными словами, без прохождения первичных процессов активного транспорта с участием Na+/К+-АТФаз значение мембранного потенциала равнялось бы нулю.
Покоящейся клетки представляет собой довольно постоянную величину. Однако при связывании лигандов, механическом стрессе или при изменении электрического заряда происходит открытие специфических ионных каналов, и мембранный потенциал изменяется. Если ионные каналы находятся под контролем электрического заряда, то изменения мембранного потенциала влияют на прохождение через них ионов. Открытие и закрытие канала контролируются воротным механизмом (гейтингом). Мембранный потенциал зависит от тех ионов, для которых каналы в основном, открыты. Например, при открытии Na+- или Са2+-каналов происходит деполяризация мембраны.
При этом соответствующие ионы
начинают поступать в клетку в направлении их . Это приводит к тому, что мембранный потенциал становится более положительным. Напротив, при реполяризации мембраны (гиперполяризации) потенциал становится еще более отрицательным. Это происходит при открытии калиевых каналов и выходе из клетки ионов К+ в направлении градиента, что и влечет за собой увеличение отрицательного мембранного потенциала. Движение ионов по ионным каналам происходит быстро и исчисляется миллисекундами. Для изменения мембранного потенциала достаточны лишь незначительные различия в концентрации ионов по сторонам мембраны, и основная концентрация их в клетке не меняется.
Поток лишь 10 -12 моль К+ через 1 см2 мембраны приводит к ее быстрой гиперполяризации и к установлению мембранного потенциала, равного -100 мВ. Локальное передвижение относительно небольших зарядов через мембрану позволяет цитозолю и внеклеточной среде оставаться электрически нейтральными и сводит к минимуму электрическое отталкивание зарядов.
Клетки постоянно обмениваются растворенными веществами (например, питательными веществами, отходами, а также дыхательными газами) с тканевой жидкостью. Транспорт растворенных веществ через клеточные мембраны имеет основополагающее значение для выживания всех клеток, и таким образом, транспортные механизмы присутствуют во всех клетках. Специализации в механизмах мембранного транспорта часто лежат в основе функции ткани. Например, в возбудимых тканях возбудимость мембранных транспортных систем во многом составляют способность генерировать и распространять электрические сигналы.
Различия состава внутриклеточной и интерстициальной жидкостей обусловлены особым свойством мембраны – ее избирательной проницаемостью , т.е. способностью пропускать одни вещества, и не пропускать другие.
Электрохимический градиент
Перенос веществ через мембрану может происходить пассивно и активно. Активный транспорт требует затрат энергии, а пассивный осуществляется без затрат энергии. Активный транспорт всегда идет против электрохимического градиента. Пассивный транспорт растворенных веществ может происходить только по благоприятному электрохимическому градиенту. Электрохимический градиент иона - это движущая сила потока ионов, которая является комбинацией мембранного потенциала (электрический градиент) и градиента концентрации ионов (химический градиент). Электрический градиент характеризует движение только ионов и направлен в сторону их противоположного заряда. Химический градиент направлен из области высокой концентрации растворенного вещества в область низкой.
Системы транспорта растворенных веществ можно классифицировать на основе использования клеточной энергии.
1. Пассивный транспорт не требует гидролиза АТФ и не связан с переносом другого растворенного вещества.
Диффузия жирорастворимых веществ (например, газов) может произойти непосредственно через плазматическую мембрану.
Транспорт ионов и небольших молекул чаще происходит через трансмембранные белки , которые служат ионными каналами. Ионные каналы имеют следующие общие компоненты:
1) область поры, через которые ионы диффундируют.
2) избирательный фильтр внутри поры, в результате чего канал весьма избирателен для определенных ионов (например, Na + каналов).
3) ворота канала, которые открывают и закрывают канал.В закрытом состоянии, ионы не проходят через канал, но канал доступен для активации. В открытом состоянии ионы движутся согласно их электрохимического градиента. Ворота канала могут управляться одним из следующих механизмов: мембранные напряжения (потенциалзависимые каналы); химических веществ (хемозависимые каналы); механические силы в мембране (стрейчзависимые каналы).
Диффузия может происходить и через белки-переносчики, называемых унипорт, которые избирательно связываются одно растворенное вещество с одной стороны мембраны и претерпевают конформационные изменения, чтобы доставить его на другую сторону. Транспорт растворенных веществ через унипорт называется облегченной диффузией, потому что это быстрее, чем простая диффузия.
Осмос - это движение (диффузия) воды через мембрану, которое приводится в действие градиентом концентрации воды.Концентрация воды выражается в терминах общей концентрации растворенного вещества; чем более разбавлен раствор, тем ниже концентрации его растворенного вещества и воды концентрация выше.Когда два раствора, разделенных полупроницаемой мембраной (то есть, которая допускает транспорт воды, но не растворенных вещества), по осмосу вода движется от более разбавленного раствора. Осмолярность является выражением осмотической силы раствора и общей концентрации растворенного вещества. Два раствора одной и того же осмолярности называются изоосмотическими. Растворы с большей, чем осмолярность раствора сравнения называется гиперосмотическими, а растворы с более низкой осмолярностью называются как гипоосмотическими. Изотонический раствор имеет такую же осмолярность, как функционирующие клетки и не вызывает движение чистой воды через их мембрану; гипотонический раствор имеет меньшую осмолярность, чем функционирующая клетка и заставляет клетки набухать, гипертонический раствор имеет большую осмолярность, чем клетки и заставляет клетки сжиматься. Например, если пациенту внутривенно вводят гипотонический раствор, тонус внеклеточной жидкости изначально уменьшается, и вода движется во внутриклеточную жидкость путем осмоса (клетки набухают). И наоборот, есливводят гипертонический раствор , тонус внеклеточной жидкости повышен, и вода выходит из внутриклеточной жидкости (клетки сморщиваются).
Электрохими́ческий градиéнт , или градиéнт электрохимического потенциáла - совокупность градиента концентрации и мембранного потенциала, которая определяет направление движения ионов через мембрану . Состоит из двух составляющих: химического градиента (градиента концентрации), или разницы в концентрациях растворённого вещества по обе стороны мембраны, и электрического градиента (мембранного потенциала), или разницы зарядов, расположенных на противоположных сторонах мембраны. Градиент возникает вследствие неодинаковой концентрации ионов на противоположных сторонах водопроницаемой мембраны. Ионы двигаются через мембрану из области, имеющую более высокую концентрацию в область с более низкой концентрацией путём простой диффузии. Также ионы несут электрический заряд, который формирует электрический потенциал на мембране (мембранный потенциал). Если существует неравномерное распределение зарядов по обе стороны мембраны, то разница в электрическом потенциале порождает силу, которая приводит к ионной диффузии, пока заряды по обе стороны не будут сбалансированы .
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
✪ Мембранные потенциалы - Часть 1
✪ In Da Club - Membranes & Transport: Crash Course Biology #5
✪ Neuronal synapses (chemical) | Human anatomy and physiology | Health & Medicine | Khan Academy
Субтитры
Нарисую небольшую клетку. Это будет типичная клетка, и она наполнена калием. Мы знаем, что клетки любят накапливать его внутри себя. Много калия. Пусть его концентрация будет где-то 150 миллимоль на литр. Огромное количество калия. Возьмем это в скобки, потому что скобки обозначают концентрацию. Снаружи также имеется некоторое количество калия. Здесь концентрация будет примерно 5 миллимоль на литр. Я покажу вам, как будет устанавливаться градиент концентрации. Это не происходит само по себе. Для этого требуется много энергии. Два иона калия закачиваются внутрь, и одновременно с этим три иона натрия покидают клетку. Так ионы калия попадают внутрь изначально. Теперь, когда они внутри, будут ли они удерживаться тут сами по себе? Конечно, нет. Они находят анионы, небольшие молекулы или атомы с отрицательным зарядом, и располагаются вблизи них. Таким образом суммарный заряд становится нейтральным. У каждого катиона есть свой анион. И обычно эти анионы являются белками, какими-то структурами, у которых имеется отрицательная боковая цепь. Это может быть и хлорид, или, например, фосфат. Что угодно. Любой из этих анионов подойдет. Изображу еще несколько анионов. Итак, вот два иона калия, которые просто проникли внутрь клетки, вот как все это выглядит теперь. Если все хорошо и статично, то вот как они выглядят. И на самом деле, чтобы быть совсем справедливым, здесь также есть маленькие анионы, которые находятся здесь наравне с ионами калия. В клетке есть маленькие отверстия, через которые калий может вытекать наружу. Давайте посмотрим, как это будет выглядеть и как это повлияет на происходящее здесь. Итак, у нас есть эти маленькие каналы. Через них может пройти только калий. То есть эти каналы очень специфичны в отношении калия. Ничто другое не может пройти через них. Ни анионы, ни белки. Ионы калия как бы разыскивают эти каналы и рассуждают: «Ух ты, как интересно! Здесь столько калия! Надо бы выйти наружу». И все эти ионы калия просто покидают клетку. Выходят наружу. И в результате происходит интересная вещь. Большинство из них переместилось наружу. Но снаружи уже есть несколько ионов калия. Я сказал, что здесь был вот этот маленький ион, и он может теоретически проникнуть внутрь. Он может проникнуть в эту клетку, если захочет. Но дело в том, что в общей сложности, суммарно, у вас происходит больше перемещений наружу, чем внутрь. Теперь я стираю этот путь, потому что хочу, чтобы вы запомнили, что у нас имеется больше ионов калия, которые стремятся выйти наружу вследствие наличия градиента концентрации. Это первый этап. Давайте я это запишу. Градиент концентрации приводит к тому, что калий перемещается наружу. Калий начинает перемещаться наружу. Выходит из клетки. А что потом? Давайте, я нарисую его в процессе выхода наружу. Этот ион калия теперь находится здесь, а этот - здесь. Остаются только анионы. Они остались после ухода калия. И эти анионы начинают производить отрицательный заряд. Очень большой отрицательный заряд. Лишь несколько анионов, перемещающихся туда и обратно, создают отрицательный заряд. А ионы калия на внешней стороне думают, что все это очень интересно. Вот здесь имеется отрицательный заряд. А раз он там есть, они притягиваются к нему, поскольку сами обладают положительным зарядом. Их тянет к отрицательному заряду. Они хотят вернуться. Теперь задумайтесь. У вас имеется градиент концентрации, который выталкивает калий наружу. Но, с другой стороны, присутствует мембранный потенциал, - в данном случае отрицательный - который возникает из-за того, что калий оставил после себя анион. Этот потенциал стимулирует калий к тому, чтобы возвращаться назад. Одна сила, концентрация, выталкивает ион калия наружу, другая сила, мембранный потенциал, который создается калием, заставляет его возвращаться внутрь. Освобожу немного места. Сейчас покажу вам кое-что любопытное. Построим две кривые. Я постараюсь ничего не пропустить на этом слайде. Нарисую все здесь и тогда будет видно небольшой фрагмент этого. Строим две кривые. Одна из них будет для градиента концентрации, а другая - для мембранного потенциала. Это будут ионы калия снаружи. Если следить за ними в течение времени - это время - получится примерно следующее. Ионы калия стремятся выйти наружу и в определенной точке достичь равновесия. Проделаем то же самое со временем на этой оси. Это у нас будет мембранный потенциал. Начинаем в нулевой временной точке и получаем отрицательный результат. Отрицательный заряд будет становиться все больше и больше. Начинаем в нулевой точке мембранного потенциала, и именно в точке, где ионы калия начинают выходить наружу, происходит следующее. В общих чертах все очень похоже, но это происходит как бы параллельно изменениям концентрационного градиента. И когда эти два значения уравняются между собой, когда количество ионов калия, выходящих наружу, равно количеству ионов калия, которые возвращаются внутрь, получается вот такое плато. И оказывается, что заряд при этом составляет минус 92 милливольта. В этой точке, где практически отсутствует различие с точки зрения суммарного перемещения ионов калия, наблюдается равновесие. У него даже есть свое название - «равновесный потенциал для калия». При достижении значения минус 92 - а оно различается в зависимости от типа ионов - при достижении минус 92 для калия, создается равновесие потенциалов. Запишу, что заряд для калия равен минус 92. Это происходит только тогда, когда клетка проницаема лишь для одного элемента, например, для ионов калия. И все равно может возникнуть вопрос. Вы можете рассуждать: «Так, секундочку! Если ионы калия перемещаются наружу - что так и есть - тогда разве в определенной точке у нас не возникает более низкая концентрация, поскольку калий уже вышел отсюда, и более высокая концентрация вот здесь обеспечивается за счет перемещения калия наружу?» Технически это так. Здесь, снаружи, содержится больше ионов калия. И я не упомянул о том, что объем тоже меняется. Здесь получается более высокая концентрация. И то же самое справедливо для клетки. Технически здесь более низкая концентрация. Но фактически я не изменил значения. И причина в следующем. Посмотрите на эти значения, это моли. И это огромное число, согласны? 6,02 умножить на 10 в минус 23 степени, совсем не маленькое число. И если вы умножите его на 5, то получится примерно - давайте я быстро посчитаю, что у нас получилось. 6 умножить на 5 будет 30. А здесь миллимоли. От 10 до 20 молей. Это просто огромное количество ионов калия. А для создания отрицательного заряда их нужно совсем немного. То есть изменения, вызванные перемещениями ионов, будут незначительными по сравнению с 10 в 20 степени. Вот почему изменения концентрации не учитываются.
Обзор
Электрохимический потенциал используется в электроаналитической химии, а в промышленности применяется при изготовлении батареек и топливных элементов . Он представляет собой одну из многих взаимозаменяемых форм потенциальной энергии, в форме которых возможно сохранение энергии.
В биологических процессах ионы проходят через мембрану путём диффузии или активного транспорта , определямую электрохимическим градиентом. В митохондриях и хлоропластах протонные градиенты используются для генерации хемиосмотического потенциала , который также известен как протон-движущая сила Δp или ΔμH + . Эта потенциальная энергия используется для синтеза АТФ посредством или фотофосфорилирования . Протон-движущая сила согласно хемиосмотической теории Митчелла является общим продуктом сопряжённых процессов дыхания и окислительного фосфорилирования. Она складывается из двух факторов: химического (или осмотического) - разности концентраций ионов H + , в митохондриальном матриксе и межмембранном пространстве, и электрического - обусловленного разностью электрических зарядов, расположенных на противоположных сторонах мембраны. Разность концентраций ионов H + , измеряемая в единицах pH, обозначается ΔpH. Разность электрических потенциалов обозначается символом Δψ. Следовательно, уравнение принимает вид :
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}}
разности концентраций ионов H + (химический градиент) на А(+)-стороне и B(-)-cтороне мембраны.
Электрохимический градиент похож на давление воды, которое она оказывает при протекании через плотину гидроэлектростанции . Мембранные транспортные белки , такие как натрий-калиевая АТФаза, аналогичны турбинам , преобразующим потенциальную энергию воды в другие формы физической или химической энергии, а ионы, которые проходят через мембрану, аналогичны воде, которая падает на дно плотины. Кроме того, энергия может быть использована для перекачки воды в озеро, располагающееся выше по течению от плотины. Аналогичным образом, химическая энергия в клетках может быть использована для создания электрохимических градиентов .
Химия
Термин «электрохимический потенциал» обычно применяется в тех случаях, когда должна произойти химическая реакция , например, с переносом электрона в электрической батарее. В аккумуляторах электрохимический потенциал , возникающий от движения ионов, уравновешивает энергию реакции электродов. Максимальное напряжение, которое может произвести реакция батареи, называют стандартным электрохимическим потенциалом данной реакции. Наряду с макроэргическими соединениями химическая энергия может запасаться на биологических мембранах, функционирующих подобно конденсаторам , которые выступают в роли изолирующего слоя для заряжённых ионов .
Биологическое значение
Генерация трансмембранного электрического потенциала посредством движения ионов через клеточную мембрану приводит к возникновению биологических процессов, таких как нервная проводимость, сокращение мышц, секреция гормонов и сенсорные реакции. Считается, на мембране типичной животной клетки имеется трансмембранный электрический потенциал от -50 мВ до -70 мВ .
Электрохимические градиенты также играют определённую роль в установлении протонных градиентов окислительного фосфорилирования в митохондриях . Конечной стадией клеточного дыхания является цепь переноса электронов . Четыре встроенных комплекса во внутренней мембране митохондрии (кристах) составляют цепь переноса электронов. Однако только комплексы I, III и IV являются протонными насосами и перекачивают протоны из матрикса в межмембранное пространство. Суммарно получается десять протонов, которые перемещаются из матрикса в межмембранное пространство, генерируя электрохимический потенциал более 200 мВ. Это приводит в движение поток протонов обратно в матрикс через АТФ-синтазу , которая синтезирует АТФ путём присоединения неорганического фосфата к молекуле АДФ . Таким образом, генерация протонного электрохимического градиента имеет решающее значение для синтеза энергии в митохондриях . Общее уравнение для цепи переноса электронов выглядит так:
N A D H + 11 H + (m a t r i x) + 1 / 2 O 2 ⟶ N A D + + 10 H + (I M S) + H 2 O {\displaystyle NADH+11H^{+}(matrix)+1/2\ O_{2}\longrightarrow NAD^{+}+10H^{+}(IMS)+H_{2}O} .
Подобно дыхательной цепи переноса электронов действует и электронтранспортная цепь фотосинтеза в растениях, где происходит закачка протонов в люмен хлоропластов (просвет тилакоидов), а полученный градиент используется для синтеза АТФ посредством фермента АТФ-синтазы. Протонный градиент может быть сгенерирован с помощью нециклического или циклического фотофосфорилирования. Белки, которые участвуют в нециклическом фотофосфорилировании, фотосистема II (ФСII) и цитохром-b6f-комплекс непосредственно способны к генерации протонного градиента. На каждый из четырёх фотонов , поглощаемых ФСII, приходится восемь протонов, которые перекачивается в люмен (просвет тилакоида) из стромы . Общее уравнение для фотофосфорилирования выглядит следующим образом:
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} .
Несколько других транспортёров и ионных каналов играют роль в генерации протонного электрохимического градиента. Одним из них является TPK 3 -калиевый ионный канал, активируемый ионами Са 2+ . Он перемещает ионы K + из люмена в строму, которые помогают установить градиент рН (градиент концентрации) внутри стромы. С другой стороны, электронейтральный антипортер K + (KEA 3) транспортирует ионы K + в люмена, а Н + в строму, поддерживая баланс ионов и не нарушая электрическое поле .
Ионный градиент
Так как ионы несут заряд, они не могут пройти через мембрану путём облегчённой диффузии. Перенос ионов через мембрану возможен двумя путями, через активный или пассивный транспорт . Примером активного транспорта ионов является работа Na + -K + -АТФазы . Она катализирует реакцию гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата Фн. При гидролизе одной молекулы АТФ выделяется энергия, которая изменяет конформацию фермента, так, чтобы три иона Na + транспортировались наружу, а два иона K + транспортируются внутрь клетки. В результате содержимое клетки становится более отрицательно заряжённым, чем окружающая среда, генерируется электрический потенциал (ЭДС) V m ≈ -60 мВ . Примером пассивного транспорта является ток ионов через ионные каналы (каналы для Na + , K + , Ca 2+ и Cl -) по градиенту концентрации, из области большей концентрации в область меньшей. Например, так как существует высокая концентрация Na + вне клетки, то ионы Na + будут стремиться проникнуть в клетку через натриевый ионный канал. Поскольку электрический потенциал внутри клетки отрицательный, приток положительных ионов вызовет деполяризацию мембраны, вследствие чего происходит сдвиг значения трансмембранного электрического потенциала ближе к нулю. Однако ионы Na + продолжат движение вниз по градиенту концентрации, до тех пор пока движущая сила химического градиента больше, чем электрического потенциала. После того как эффект обоих градиентов (химического и электрического) уравновесит друг друга (V m для Na + составляет около +70 мВ), приток ионов Na + остановится, поскольку движущая сила (ΔG) станет равна нулю. Уравнение для движущей силы выглядит следующим образом :
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}} .
Протонные градиенты
Протонные градиенты имеют важное значение, как одна из форм накопления энергии во многих различных типах клеток. Градиент обычно используется для работы АТФ-синтазы , вращения жгутика , или переноса метаболитов через мембрану . В этом разделе основное внимание будет уделёно трём процессам, которые помогают установить протонные градиенты в соответствующих клетках: работе бактериородопсина , нециклическому фотофосфорилированию и окислительному фосфорилированию.
Бактериородопсин
Бактериородопсин, обнаруженный в археях , формирует путь для градиента протонов, посредством протонного насоса . Работа протонного насоса опирается на переносчик протонов (родопсин), который движется от стороны мембраны с низкой концентрацией ионов H + к стороне с более высокой концентрацией H + . Протонный насос бактериородопсина активируется путём поглощения фотонов с длиной волны 568 нм, это приводит к фотоизомеризации основания Шиффа (SB) в ретинале, вызывая его переход из транс - в 13-цис -форму. Фотоизомеризация чрезвычайно быстра и занимает всего 200 фемтосекунд. Как следствие, родопсин претерпевает ряд быстрых конформационных перестроек: происходит смещение основания Шиффа от остатков Asp85 и Asp212 , вызывая передачу ионов H + остатку Asp85 , при этом формируется состояние M1 (мета-I). Затем белок переходит к состоянию М2 (мета-II) посредством отделения остатка Glu204 от Glu194 , который высвобождает протон во внешнюю среду. Такое состояние является сравнительно долгоживущим. Основание Шиффа репротонируется по остатку Asp85 , формируя состояние N. Важно, что второй протон происходит от Asp96 , так как его депротонированное состояние неустойчиво и быстро репротонируется (повторно протонируется) протоном из цитоплазмы . Протонирование Asp85 и Asp96 приводят к повторной изомеризации SB, формируя при этом состояние O. Также при этом остаток Asp85 высвобождает свой протон на Glu204 и бактериородопсин возвращается в состояние покоя .
Фотофосфорилирование
После освобождения из ФСII восстановленный пластохинон PQH 2 перемещается в цитохром-b6f-комплекс , который передает два электрона от PQH 2 к белку пластоцианин у в двух отдельных реакциях. Данный процесс похож на Q-цикл, происходящий в комплексе III ЭТЦ . В первой реакции пластохинол PQH 2 связывается с комплексом со стороны люмена и один электрон переходит на железо-серный центр (Fe-S), который затем передаёт его на цитохром f , последний осуществляет передачу электрона на молекулу пластоцианина . Второй электрон переходит на молекулу гема b L , который затем передаёт его гему b H , последний передаёт электрон второй молекуле пластохинона PQ,. Во второй реакции 2-ая молекула пластохинола PQH 2 окисляется, передавая электрон другой молекуле пластоцианина и наполовину восстановленному PQ, который восстанавливается до PQH 2 и покидает комплекс. Обе реакции сопровождаются переносом четырёх протонов в люмен .
Окислительное фосфорилирование
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^{+}(matrix)\longrightarrow NAD^{+}+UQH_{2}+4H^{+}(IMS)}
Примечания
- Nelson, David. Lehninger Principles of Biochemistry / David Nelson, Michael Cox. - New York: W.H. Freeman, 2013. - P. 403. - ISBN 978-1-4292-3414-6 .
- Nath, Sunil; Villadsen, John (2015-03-01). “Oxidative phosphorylation revisited” . Biotechnology and Bioengineering [англ. ]. 112 (3): 429-437. DOI :10.1002/bit.25492 . ISSN 1097-0290 .
- Кольман Я., Рём К.-Г. Наглядная биохимия. - М. : Мир, 2011. - С. 128-129. - 469 с. - 7000 экз. - ISBN 5-03-003304-1 .
- Строев Е.А. Биологическая химия. - М. : Высшая школа, 1986. - С. 210. - 479 с.
- Yang, Huanghe; Zhang, Guohui; Cui, Jianmin (2015-01-01). “BK channels: multiple sensors, one activation gate” . Membrane Physiology and Membrane Biophysics . 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). “Na+/Ca2+ exchange and Na+/K+-ATPase in the heart” . The Journal of Physiology [англ. ]. 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+-ATPase, a new class of plasma membrane receptors” . American Journal of Physiology - Cell Physiology [англ. ]. 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. - P. 464. - ISBN 978-1-4292-3414-6 .
- Poburko, Damon; Demaurex, Nicolas (2012-04-24). “Regulation of the mitochondrial proton gradient by cytosolic Ca2+ signals” . Pflügers Archiv - European Journal of Physiology [англ. ]. 464 (1): 19-26.