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).
Состояние вещества s в растворе можно охарактеризовать через химический потенциал μ s , который измеряется в единицах свободной энергии. При условии, что активность вещества равна его концентрации и гидростатическим давлением 1 можно пренебречь, химический потенциал вещества s равен:
μ s = + 2,3RTlg [Дж моль -1 ],
где - стандартный химический потенциал вещества s при концентрации 1 М; - молярная концентрация вещества s.
Состояние иона i определяют через электрохимический потенциал , который учитывает, что
сортояние иона зависит не только от его концентрации, но и от электрического потенциала раствора:
= + 2,3RTlg + z Fψ[Дж ∙ моль -1 ],
где - стандартный электрохимический потенциал при концентрации иона 1 М; R- газовая постоянная (8,314 Дж∙моль -1 ∙К -1); Т - абсолютная температура, К; - концентрация иона в молях; F - число Фарадея (96,49 кДж ∙ В -1 ∙ моль -1); z - заряд иона; ψ - электрический потенциал раствора.
Электрохимический потенциал оценивает свободную энергию иона и учитывает все силы, способные побудить ион к движению из одной области в другую. Спонтанное движение ионов через мембрану из области с более высоким в область с более низким электрохимическим потенциалом представляет собой пассивный транспорт, или диффузию. Движущей силой диффузии является разность электрохимических потенциалов, или трансмембранный электрохимический градиент иона АД,-. Движение иона против градиента электрохимического потенциала требует энергии и называется активным транспортом. Если потенциалы ионов по обе стороны мембраны равны, т. е. ∆ = 0, это означает, что ионные потоки через мембрану находятся в равновесии.
Представим, что мембрана разделяет две области, в которых содержание ионов Н + разное и
электрохимические потенциалы Н + соответственно равны:
В результате неравномерного распределения иона Н + возникает трансмембранный градиент электрохимического потенциала Δ равный разности электрохимических потенциалов протонов по обе стороны мембраны:
- = Δ = zF∆ψ 1-2 + 2,3RTlg l / 2 [Дж ∙ моль -1 ],
где Δ - разность электрохимических потенциалов иона Н + по обе стороны мембраны; z - заряд иона Н + , равный +1; ∆ψ 1-2 - разность электрических потенциалов между двумя водными фазами, разделенными мембраной, т.е. электрический потенциал на мембране в вольтах; l и [Н + ] 2 - молярные концентрации ионов Н + по обе стороны мембраны (индексы 1 и 2 относятся к растворам, находящимся внутри и снаружи замкнутой мембраны).
Частное от деления величины Δ на постоянную F называется протондвижущей силой ∆ρ и измеряется в вольтах. Если ввести константы и выразить логарифм концентраций ионов Н + в единицах рН (рН = -lg ), то для температуры 25 °С получим простое выражение
∆ρ = Δ /F = ∆ψ - 59ΔрН [мВ].
Как видно из уравнения, протондвижущая сила состоит из двух компонентов. Первый - это градиент Δ рН, т. е. разность концентраций ионов Н + по обе стороны мембраны. Градиент рН заставляет ионы Н + и ОН - концентрироваться около поверхности мембраны. Это приводит к возникновению мембранного потенциала ∆ψ (второй компонент), созданного избытком положительного заряда на одной стороне мембраны и отрицательного - на другой. Эффект мембранного потенциала усиливается другими ионами разных знаков, которые также притягиваются и концентрируются около мембраны. Следует подчеркнуть, что, хотя одна стороны мембраны заряжена более положительно по отношению к другой, основной раствор остается в целом электронейтральным, т.е. содержит равное число катионов и анионов. Дело в том, что число «лишних», несбалансированных ионов, формирующих слой заряда на мембране, ничтожно мало в сравнении с общим числом ионов в растворе.
2.7. ЭНЕРГИЯ Δ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АТФ ИЗ АДФ И Ф н ПРИ УЧАСТИИ АТФ-СИНТАЗЫ
Неравномерное распределение протонов по обе стороны мембраны побуждает их к диффузии по градиенту концентрации и заряда, которой препятствует мембрана. Энергия Δ или ∆ρ является мерой свободной энергии (∆G= Δ ), которая запасена на мембране и может быть освобождена, если протоны начнут проходить мембрану по градиенту своего потенциала. Эта энергия может быть использована, если есть механизм сопряжения диффузии с энергозависимой реакцией. Такой механизм представляет собой АТФ-синтаза (F 1 F 0 - АТФаза, или Н + АТФаза F-muna), интегрированный в сопря- гающую мембрану ферментный комплекс, который использует энергию Δ для синтеза АТФ из АДФ и Ф н. Синтез сопряжен с обратным током протонов по градиенту своего потенциала через АТФ-синтазный комплекс, т. е. осуществляется в момент разрядки мембраны при уменьшении, или диссипацииΔ .
Обе составляющие ∆ρ - градиент ∆рН и мембранный потенциал ∆ψ - стремятся заставить протоны пересекать мембрану по градиенту концентрации и заряда, и обе составляющие, таким образом, равноценны для синтеза АТФ. Этот тезис подтверждается в экспериментах in vitro. АТФ-синтазы могут быть выделены из мембраны с помощью детергентов и встроены в искусственные мембранные пузырьки (липосомы), приготовленные из очищенных фосфолипидов. В этом случае синтез АТФ можно наблюдать, если искусственно создать градиент рН или приложить к мембране разность электрических потенциалов.
Хотя основная функция АТФ-синтазы - синтез АТФ, этот фермент в определенных условиях может проявлять АТФазную активность, т. е. перекачивать протоны против градиента за счет гидролиза АТФ. Следовательно, АТФ-синтаза (Н + -АТФаза) в принципе способна к взаимопревращению двух форм энергии:
Энергия Δ может быть использована не только для синтеза АТФ, но и в других целях. Например, в митохондриях она используется для транспорта веществ через мембрану. Кроме того, рассеивание Δ имеет значение в терморегуляторном образовании теплоты (см. гл. 4).
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.
Электрохимический градиент иона - это движущая сила потока ионов, которая является комбинацией мембранного потенциала (электрический градиент) и градиента концентрации веществ (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.
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.
Системы транспорта растворенных веществ можно классифицировать на основе использованияклеточной энергии.
1. Пассивный транспорт не требует гидролиза АТФ и не связан с переносом другого растворенного вещества.
Диффузия жирорастворимых веществ (например, О 2 , СО 2 , спиртов и эфиров) может произойтинепосредственно через плазматическую мембрану.
Транспорт ионов и небольших молекул чаще происходит через трансмембранные белки , которые служатионными каналами (для различных ионов)или аквапорами (для молекул воды).
Ионные каналы имеют следующиеобщие 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 называетсяоблегченной диффузией, потому что это быстрее, чем простая диффузия. Так переносятся глюкоза и аминокислоты.
Осмос - это движение (диффузия) воды через аквапоры мембраны, 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 концентрация воды выше.Когда два раствора, разделенныхполупроницаемой мембраной (которая допускает транспорт воды, но не растворенных вещества), вода движется от более разбавленного раствора к более концентрированному. Осмолярность является выражением осмотической силы раствора. Два раствора одной и того же осмолярности называютсяизоосмотическими. Растворы с большей, чем осмолярность раствора сравнения называетсягиперосмотическими, а растворы с более низкой осмолярностью называются как гипоосмотическими. Изотонический раствор имеет такую же осмолярность, как и 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 вводятгипотонический 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).
Доминик Стэтхем
Фото ©depositphotos.com/Yourth2007
Electrophorus electricus ) обитает в темных водах болот и рек в северной части Южной Америки. Это таинственный хищник, обладающий сложной системой электролокации и способный перемещаться и охотиться в условиях низкой видимости. Используя «электрорецепторы» для определения искажений электрического поля, вызванных его собственным телом, он способен обнаруживать потенциальную жертву, сам при этом оставаясь незамеченным. Он обездвиживает жертву с помощью сильнейшего электрического шока, достаточно сильного, чтобы оглушить такое крупное млекопитающее, как лошадь, или даже убить человека. Своей удлиненной округлой формой тела угорь напоминает рыбу, которую мы обычно называем муреной (порядок Anguilliformes); однако принадлежит к другому порядку рыб (Gymnotiformes).Рыб, способных обнаруживать электрические поля, называют электрорецептивными , а способных генерировать мощное электрическое поле, таких как электрический угорь, называют электрогенными .
Как электрический угорь генерирует такое высокое электрическое напряжение?
Электрические рыбы – не единственные, кто способен генерировать электричество. Фактически все живые организмы делают это в той или иной мере. Мышцы нашего тела, к примеру, управляются мозгом с помощью электрических сигналов. Электроны, вырабатываемые бактериями, могут быть использованы для выработки электричества в топливных клетках, которые называются электроцитами. (см. таблицу ниже). И хотя каждая из клеток несет незначительный заряд, благодаря тому, что тысячи таких клеток собираются в серии, подобно батарейкам в фонарике, может быть выработано напряжение до 650 вольт (V). Если организовать эти ряды в параллели, можно получить электрический ток силой в 1Ампер (A), что дает электрический удар силой в 650 ватт (W; 1 W = 1 V × 1 A).
Каким образом угрю удается не оглушать самого себя электрическим током?
Фото:CC-BY-SA Steven Walling via Wikipedia
Ученые не знают точно, как ответить на этот вопрос, но результаты некоторых интересных наблюдений могут пролить свет на данную проблему. Во-первых, жизненно важные органы угря (например, мозг и сердце) расположены возле головы, вдалеке от органов, вырабатывающих электричество, и окружены жировой тканью, которая может действовать в виде изоляции. Кожа также имеет изолирующие свойства, поскольку, согласно результатам наблюдений, угри с поврежденной кожей более подвержены самооглушению электрическим ударом.
Во-вторых, наиболее сильные электрические удары угри способны наносить в момент спаривания, не нанося при этом вреда партнеру. Однако если удар такой же силы нанести другому угрю не во время спаривания, это может его убить. Это предполагает, что у угрей существует некая система защиты, которую можно включать и отключать.
Мог ли электрический угорь возникнуть в результате эволюции?
Очень трудно представить себе, как это могло бы произойти в ходе незначительных изменений, как того требует процесс, предложенный Дарвиным. В случае, если ударная волна была важной с самого начала, то вместо того, чтобы оглушить, она предупреждала бы жертву об опасности. Более того, чтобы в ходе эволюции выработать способность оглушать жертву, электрическому угрю пришлось бы одновременно вырабатывать и систему самозащиты. Каждый раз, когда возникала мутация, увеличивающая силу электрического удара, должна была возникать и другая мутация, улучшающая электроизоляцию угря. Кажется маловероятным то, что одной мутации было бы достаточно. К примеру, для того, чтобы передвинуть органы ближе к голове, понадобилось бы целая серия мутаций, которые должны были возникнуть одновременно.
Хотя немногие рыбы способны оглушать свою добычу, существует множество видов, использующих электричество низкого напряжения для навигации и общения. Электрические угри относятся к группе южно-американских рыб, известных под названием «ножетелки» (семейство Mormyridae), которые тоже используют электролокацию и, как считается, развили эту способность наряду со своими южно-американскими собратьями . Более того, эволюционисты вынуждены заявлять, что электрические органы у рыб эволюционировали независимо друг от друга восемь раз . Если учесть сложность их строения, поражает уже то, что эти системы могли развиться в ходе эволюции хотя бы один раз, не говоря уже о восьми.
Ножетелки из Южной Америки и химеровые из Африки используют свои электрические органы для определения местонахождения и коммуникации, и используют ряд различных видов электрорецепторов. В обеих группах есть виды, продуцирующие электрические поля разных сложных форм волны. Два вида ножетелок, Brachyhypopomus benetti и Brachyhypopomus walteri настолько похожи друг на друга, что их можно было бы отнести к одному виду, однако первый из них вырабатывает ток постоянного напряжения, а второй – ток переменного напряжения. Эволюционная история становится еще более примечательной, если копнуть еще глубже. Для того, чтобы их аппараты электролокации не мешали друг другу и не создавали помех, некоторые виды используют специальную систему, с помощью которой каждая из рыб меняет частоту электрического разряда. Примечательно, что эта система работает практически так же (используется такой же вычислительный алгоритм), как у стеклянной ножетелки из Южной Америки (Eigenmannia ) и африканской рыбы аба-аба (Gymnarchus ). Могла ли такая система устранения помех независимо развиться в ходе эволюции у двух отдельных групп рыб, обитающих на разных континентах?
Шедевр Божьего творения
Энергетический агрегат электрического угря затмил все творения человека своей компактностью гибкостью, мобильностью, экологической безопасностью и способностью к самовосстановлению. Все части этого аппарата идеальным образом интегрированы в лощеное тело, что дает угрю возможность плыть с большой скорость и проворством. Все детали его строения – от крохотных клеток, вырабатывающих электричество, до сложнейшего вычислительного комплекса, анализирующего искажения производимых угрем электрических полей, - указывают на замысел великого Создателя.
Как электрический угорь генерирует электричество? (научно-популярная статья)
Электрические рыбы генерируют электричество подобно тому, как это делают нервы и мышцы в нашем теле. Внутри клеток-электроцитов особые энзимные протеины под названием Na-K ATФаза выкачивают натриевые ионы через клеточную мембрану, и всасывают ионы калия. (‘Na’ – химический символ натрия, а ‘K’ – химический символ калия». ‘ATФ’ – аденозинтрифосфат – энергетическая молекула, используемая для работы насоса). Дисбаланс между ионами калия внутри и снаружи клетки приводит к возникновению химического градиента, который снова выталкивает ионы калия из клетки. Подобным образом, дисбаланс между ионами натрия порождает химический градиент, который затягивает ионы натрия обратно в клетку. Другие протеины, встроенные в мембрану, действуют в виде каналов для ионов калия, пор, позволяющих ионам калия покинуть клетку. По мере того, как ионы калия с позитивным зарядом накапливаются снаружи клетки, вокруг клеточной мембраны нарастает электрический градиент, при чем наружная часть клетки имеет более позитивный заряд, чем ее внутренняя часть. Насосы Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденозинтрифосфатазы) построены таким образом, что они выбирают лишь один позитивно заряженный ион, иначе негативно заряженные ионы также стали бы перетекать, нейтрализуя заряд.
Большая часть тела электрического угря состоит из электрических органов. Главный орган и орган Хантера отвечают за выработку и накопление электрического заряда. Орган Сакса вырабатывает электрическое поле низкого напряжения, которое используется для электролокации.
Химический градиент действует таким образом, что выталкивает ионы калия, а электрический градиент втягивает их обратно. В момент наступления баланса, когда химические и электрические силы упраздняют друг друга, снаружи клетки будет находиться примерно на 70 милливольт больше позитивного заряда, чем внутри. Таким образом, внутри клетки оказывается негативный заряд в -70 милливольт.
Однако большее количество протеинов, встроенных в клеточную мембрану, обеспечивают каналы для ионов натрия – это поры, которые позволяют ионам натрия снова попадать в клетку. В обычном состоянии эти поры перекрыты, однако когда электрические органы активируются, поры раскрываются, и ионы натрия с позитивным зарядом снова поступают в клетку под воздействием градиента химического потенциала. В данном случае баланс достигается, когда внутри клетки собирается позитивный заряд до 60 милливольт. Происходит общее изменение напряжения от -70 до +60 милливольт, и это составляет 130 mV или 0.13 V. Этот разряд происходит очень быстро, примерно за одну миллисекунду. И поскольку в серии клеток собрано примерно 5000 электроцитов, благодаря синхронному разряду всех клеток может вырабатываться до 650 вольт (5000 × 0.13 V = 650).
Насос Na-K ATФазы (натрий-калиевой аденазинтрифосфотазы). За каждый цикл два иона калия (K +) поступают в клетку, а три иона натрия (Na +) выходят из клетки. Этот процесс приводится в движение энергией АТФ молекул.
Глоссарий
Атом или молекула, несущий электрический заряд благодаря неравному количеству электронов и протонов. Ион будет иметь негативный заряд, если в нем содержится больше электронов, чем протонов, и позитивный заряд – если в нем содержится больше протонов, нежели электронов. Ионы калия (K +) и натрия (Na +) имеют позитивный заряд.
Градиент
Изменение какой-либо величины при перемещении от одной точки пространства к другой. Например, если вы отходите от костра, температура понижается. Таким образом, костер генерирует температурный градиент, уменьшающийся с расстоянием.
Электрический градиент
Градиент изменения величины электрического заряда. Например, если снаружи клетки содержится большее количество позитивно заряженных ионов, чем внутри клетки, электрический градиент будет проходить через клеточную мембрану. Благодаря тому, что одинаковые заряды отталкиваются друг от друга, ионы будут двигаться таким образом, чтобы сбалансировать заряд внутри и снаружи клетки. Передвижения ионов из-за электрического градиента происходят пассивно, под воздействием электрической потенциальной энергии, а не активно, под воздействием энергии, поступающей из внешнего источника, например из АТФ-молекулы.
Химический градиент
Градиент химической концентрации. Например, если снаружи клетки содержится большее количество ионов натрия, чем внутри клетки, то химический градиент натриевого иона будет проходить через клеточную мембрану. Из-за произвольного движения ионов и столкновений между ними существует тенденция, что ионы натрия будут двигаться от более высоких концентраций к более низким концентрациям до тех пор, пока не будет установлен баланс, то есть пока по обе стороны мембраны не окажется одинаковое количество ионов натрия. Это происходит пассивно, в результате диффузии. Движения обусловлены кинетической энергией ионов, а не энергией, получаемой из внешнего источника, такого как АТФ молекула.
