У той час як штучна ліпідна мембрана для іонів практично не проникна, біологічні мембрани містять іонні канали», якими окремі іони вибірково проникають через мембрану (див. ). Проникність та полярність мембрани залежать від електрохімічного градієнтатобто від концентрацій іонів по обидві сторони мембрани ( концентраційного градієнта) і от різниціелектричних потенціалів між внутрішньою та зовнішньою сторонами мембрани ( мембранного потенціалу).
У стані спокою клітин мембранний потенціал ( потенціал спокою, см. ) становить від -0,05 до -0,09, тобто на внутрішній стороніплазматична мембрана переважає надлишок негативних зарядів. Потенціал спокою забезпечується насамперед катіонами Na + і K +, а також органічними аніонами та іоном Cl - (1). Концентрації зовні та всередині клітини та коефіцієнти проникності цих іонів наведені в таблиці (2).
Розподіл іонів між зовнішнім середовищем та внутрішнім об'ємом клітини описується рівнянням Нернста(3), де ΔΨ G - трансмембранний потенціал (у вольтах, В), тобто різниця електричних потенціалів між двома сторонами мембрани за відсутності транспорту іонів через мембрану ( потенціал рівноваги). Для одновалентних іонів при 25°С множник RT/Fn дорівнює 0,026 В. Разом з тим з таблиці (2) випливає, що для іонів K + ΔΨ G приблизно дорівнює -0,09 В, тобто величина того ж порядку, що та потенціал спокою. Для іонів Na + , навпаки, ΔΨ G ≈ +0,07, тобто вище, ніж потенціал спокою. Тому іони Na+ надходять у клітину при відкритті Na+-каналу. Нерівність концентрацій іонів Na+ та K+ постійно підтримується Na+/K+-АТФ-азоюпід час витрачання АТФ (див. ).
2012-2019. Наочна біохімія. Молекулярна біологія Вітаміни та їх функції.
Довідкове видання у наочній формі - у вигляді кольорових схем - описує всі біохімічні процеси. Розглянуто біохімічно важливі хімічні сполуки, їх будову та властивості, основні процеси за їх участю, а також механізми та біохімія. найважливіших процесіву живій природі. Для студентів та викладачів хімічних, біологічних та медичних вузів, біохіміків, біологів, медиків, а також усіх, хто цікавиться процесами життєдіяльності.
Електрохімічний градієнт, або градієнт електрохімічного потенціалу- сукупність градієнта концентрації та мембранного потенціалу, яка визначає напрямок руху іонів через мембрану. Складається з двох складових: хімічного градієнта (градієнта концентрації), або різниці в концентраціях розчиненої речовини по обидві сторони мембрани, та електричного градієнта (мембранного потенціалу), або різниці зарядів, розташованих на протилежних сторонах мембрани. Градієнт виникає внаслідок різної концентрації іонів на протилежних сторонах водопроникної мембрани. Іони рухаються через мембрану з області, що має більш високу концентрацію в область з нижчою концентрацією шляхом простої дифузії. Також іони несуть електричний заряд, який формує електричний потенціална мембрані (мембранний/потенціал). Якщо існує нерівномірний розподіл зарядів з обох боків мембрани, то різниця в електричному потенціалі породжує силу, яка призводить до іонної дифузії, поки заряди з обох боків не будуть збалансовані.
1 / 3
✪ Мембранні потенціали - Частина 1
✪ In Da Club - Membranes & Transport: Crash Course Biology #5
✪ Neuronal synapses (chemical) | Human anatomy and physiology | Health & Medicine | Khan Academy
Намалюю невелику клітку. Це перший етап. даному випадку негативний - який виникає через те, що калій залишив по собі аніон. Тут виходить вища концентрація.
Електрохімічний потенціал використовується в електроаналітичній хімії, а в промисловості застосовується при виготовленні батарейок та паливних елементів. Він є однією з багатьох взаємозамінних форм потенційної енергії, у формі яких можливе збереження енергії.
У біологічних процесах іони проходять через мембрану шляхом дифузії або активного транспорту, визначувану електрохімічним градієнтом. У мітохондріях та хлоропластах протонні градієнти використовуються для генерації хеміосмотичного потенціалу, який також відомий як протон-рушійна сила Δpабо ΔμH +. Ця потенційна енергія використовується для синтезу АТФ за допомогою або фотофосфорилування. Протон-рушійна сила згідно з хеміосмотичною теорією Мітчелла є загальним продуктом сполучених процесів дихання та окисного фосфорилювання. Вона складається з двох факторів: хімічного (або осмотичного) - різниці концентрацій іонів H + , у мітохондріальному матриксі та міжмембранному просторі, та електричного - обумовленого різницею електричних зарядів, розташованих на протилежних сторонах мембрани. Різниця концентрацій іонів H + , що вимірюється в одиницях pH, позначається pH. Різниця електричних потенціалів позначається символом Δψ. Отже, рівняння набуває вигляду:
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))
різниці концентрацій іонів H + (хімічний градієнт) на А(+)-стороні та B(-)-стороні мембрани.
Електрохімічний градієнт схожий на тиск води, який вона чинить при протіканні через греблю гідроелектростанції. Мембранні транспортні білки, такі як натрій-калієва АТФаза, аналогічні турбінам, що перетворюють потенційну енергію води в інші форми фізичної або хімічної енергії, а іони, які проходять через мембрану, аналогічні воді, що падає на дно греблі. Крім того, енергія може бути використана для перекачування води в озеро, що знаходиться вище за греблею. Аналогічним чином, хімічна енергія в клітинах може бути використана для створення електрохімічних градієнтів.
Термін «електрохімічний потенціал» зазвичай застосовується в тих випадках, коли має відбутися хімічна реакція, наприклад, з перенесенням електрона в електричної батареї. В акумуляторах електрохімічний потенціал, що виникає від руху іонів, врівноважує енергію реакції електродів. Максимальну напругу, яка може зробити реакція батареї, називають стандартним електрохімічним потенціалом даної реакції. Поряд з макроергічними сполуками хімічна енергія може запасатися на біологічних мембранах, що функціонують подібно до конденсаторів, які виступають у ролі ізолюючого шару для заряджених іонів.
Генерація трансмембранного електричного потенціалу шляхом руху іонів через клітинну мембрану призводить до виникнення біологічних процесів, таких як нервова провідність, скорочення м'язів, секреція гормонів та сенсорні реакції. Вважається, на мембрані типової тваринної клітини є трансмембранний електричний потенціал від -50 до -70 мВ.
Електрохімічні градієнти також відіграють певну роль у встановленні протонних градієнтів окислювального фосфорилювання в мітохондріях. Кінцевою стадією клітинного дихання є ланцюг переносу електронів. Чотири вбудовані комплекси у внутрішній мембрані мітохондрії (кристах) складають ланцюг переносу електронів. Однак тільки комплекси І, ІІІ і ІV є протонними насосами і перекачують протони з матриксу в міжмембранний простір. Сумарно виходить десять протонів, які переміщуються з матриксу в міжмембранний простір, генеруючи електрохімічний потенціал понад 200 мВ. Це призводить рух потік протонів назад в матрикс через АТФ-синтазу, яка синтезує АТФ шляхом приєднання неорганічного фосфату до молекули АДФ. Таким чином, генерація протонного електрохімічного градієнта має вирішальне значення для синтезу енергії в мітохондріях. Загальне рівняння для ланцюга перенесення електронів виглядає 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) .
Подібно до дихального ланцюга переносу електронів діє і електронтранспортний, ланцюг, фотосинтеза в рослинах, де відбувається закачування протонів у люмен хлоропластів (просвіт тилакоїдів), а отриманий градієнт використовується для синтезу АТФ за допомогою ферменту АТФ-синтази. Протонний градієнт може бути згенерований за допомогою нециклічного або циклічного фотофосфорилування. Білки, що беруть участь у нециклічному фотофосфорилуванні, фотосистема II (ФСII) та цитохром-b6f-комплекс безпосередньо здатні до генерації протонного градієнта. На кожен із чотирьох фотонів, що поглинаються ФСII, припадає вісім протонів, які перекачуються в люмен (просвіт тилакоїда) з строми. Загальне рівняння для фотофосфорилування має такий вигляд:
2 H 2 O + 6 H + (s t r o m a) + 2 N A D P + ⟶ O 2 + 8 H + (l um e n) + 2 N A D P H (\displaystyle 2H_(2)O+6H^(+)(stroma)+2NADP^(+ )\longrightarrow O_(2)+8H^(+)(lumen)+2NADPH) .
Декілька інших транспортерів та іонних каналів відіграють роль у генерації протонного електрохімічного градієнта. Одним з них є TPK 3-калієвий іонний канал, що активується іонами Са 2+ . Він переміщає іони K + з люмена в строму, які допомагають встановити градієнт рН (градієнт-концентрації) всередині строми. З іншого боку, електронейтральний антипортер K + (KEA 3) транспортує іони K + в люмена, а Н + в строму, підтримуючи баланс іонів і не порушуючи електричне поле.
Оскільки іони несуть заряд, вони можуть пройти через мембрану шляхом полегшеної дифузії. Перенесення іонів через мембрану можливе двома шляхами, через активний чи пасивний транспорт. Прикладом активного транспорту іонів є робота Na+-K+-АТФази. Вона каталізує реакцію гідролізу АТФ до АДФ і неорганічного фосфату Фн. При гідролізі однієї молекули АТФ виділяється енергія, яка змінює конформацію ферменту, так, щоб три іони Na + транспортувалися назовні, а два іони K + транспортуються всередину клітини. В результаті вміст клітини стає більш негативно зарядженим, ніж навколишнє середовище, генерується електричний потенціал (ЕРС) V m -60 мВ. Прикладом пасивного транспорту є струм іонів через іонні канали (канали для Na + , K + , Ca 2+ і Cl -) по градієнту концентрації, з області більшої концентрації в область меншої. Наприклад, оскільки існує висока концентрація Na + поза клітиною, то іони Na + будуть прагнути проникнути в клітину через іонний натрієвий канал. Оскільки електричний потенціал усередині клітини негативний, приплив позитивних іонів викликає деполяризацію мембрани, внаслідок чого відбувається зсув значення трансмембранного електричного потенціалу ближче до нуля. Однак іони Na + продовжать рух вниз по градієнту концентрації, доки рушійна сила хімічного градієнта більше, ніж електричного потенціалу. Після того, як ефект обох градієнтів (хімічного та електричного) врівноважить один одного (V m для Na + становить близько +70 мВ), приплив іонів Na + зупиниться, оскільки рушійна сила (ΔG) дорівнюватиме нулю. Рівняння для рушійної силивиглядає наступним чином :
Δ G = R T l n (C i n / Ce x t) + Z F V m (\displaystyle \Delta G=RTln(C_(in)/C_(ext))+ZFV_(m)).
Протонні градієнти мають важливе значення, як одна з форм накопичення енергії у багатьох різних типахклітин. Градієнт зазвичай використовується для роботи АТФ-синтази, обертання джгутика, або перенесення метаболітів через мембрану. У цьому розділі основна увага буде приділена трьом процесам, які допомагають встановити протонні градієнти у відповідних клітинах: роботі бактеріородопсину, нециклічного фотофосфорилування та окисного фосфорилування.
Бактеріородопсин, виявлений в археях, формує шлях для градієнта протонів, за допомогою протонного насоса. p align="justify"> Робота протонного насоса спирається на переносник протонів (родопсин), який рухається від боку мембрани з низькою концентрацією іонів H + до сторони з більш високою концентрацією H + . Протонний насос бактеріородопсину активується шляхом поглинання фотонів з довжиною хвилі 568 нм, це призводить до фотоізомеризації основи Шиффа (SB) в ретиналі, викликаючи його перехід з транс- о 13-й цис-Форму. Фотоізомеризація надзвичайно швидка і займає лише 200 фемтосекунд. Як наслідок, родопсин зазнає ряду швидких конформаційних перебудов: відбувається зміщення підстави Шиффа від залишків Asp85і Asp212викликаючи передачу іонів H + залишку Asp85, у своїй формується стан M1 (мета-I). Потім білок переходить до стану М2 (мета II) за допомогою відділення залишку Glu204від Glu194, що звільняє протон у зовнішнє середовище. Такий стан є порівняно довгоживучим. Підстава Шиффа репротонується по залишку Asp85, формуючи стан N. Важливо, що другий протон походить від Asp96, оскільки його депротонований стан нестійкий і швидко репротонується (повторно протонується) протоном з цитоплазми. Протонування Asp85і Asp96призводять до повторної ізомеризації SB, формуючи при цьому стан O. Також залишок Asp85вивільняє свій протон на Glu204і бактеріородопсин повертається у стан спокою.
Після звільнення з ФСII відновлений пластохінон PQH 2 переміщається в цитохром-b6f-комплекс , який передає два електрони від PQH 2 до білка пластоціаніну у двох окремих реакціях. Цей процес схожий на Q-цикл, що відбувається в комплексі III ЕТЦ. У першій реакції пластохінол PQH 2 зв'язується з комплексом з боку люмена і один електрон переходить на залізо-сірчаний центр (Fe-S), який потім передає його на цитохром f, останній здійснює передачу електрона на молекулу пластоціаніну. Другий електрон переходить на молекулу гема b L , який потім передає його гему b H останній передає електрон другий молекулі пластохінону PQ. У другій реакції друга молекула пластохінолу PQH 2 окислюється, передаючи електрон іншій молекулі пластоціаніну і наполовину відновленому PQ, який відновлюється до PQH 2 і залишає комплекс. Обидві реакції супроводжуються перенесенням чотирьох протонів у люмен.
N A D H + H + + U Q + 4 H + (m a t r i x) ⟶ N A D + + U Q H 2 + 4 H + (IMS) (\displaystyle NADH+H^(+)+UQ+4H^(+)(matrix)\longrightarrow NAD ^(+)+UQH_(2)+4H^(+)(IMS))
Мембранний потенціал виникає за рахунок електрохімічного градієнта, який існує по обидва боки мембрани, селективно проникної для іонів
Розмір мембранного потенціалу як функції концентрації іонів розраховується за рівнянням Нернста
У клітині підтримується негативне значення мембранного потенціалу спокою. При цьому внутрішнє середовище клітини, порівняно із зовнішнім, характеризується дещо більшим негативним зарядом.
Існування мембранного потенціалу є необхідною умовоюгенерації електричних сигналів, а також спрямованого транспорту іонів через мембрану
Важливим властивістю клітинє здатність підтримувати такі внутрішньоклітинні концентрації метаболітів, які суттєво відрізняються від їхнього вмісту у позаклітинному середовищі. У разі іонів, відмінності в їх концентрації по обидва боки мембрани призводять до відмінностей в електричному заряді: внутрішньоклітинне середовище заряджено дещо негативніше, ніж середовище зовні клітини. Спільна дія різниці зарядів та концентрацій веде до виникнення електрохімічного градієнта. Електрохімічний градієнт підтримується за рахунок дії селективних каналів та білків переносників у плазматичній мембрані.
Щоб зрозуміти, яким чином виникає електрохімічний градієнт, спочатку розглянемо простий випадок, коли мембрана виявляється проникною лише одного виду іонів. На малюнку нижче представлені два компартменти, А та В, розділені тонкою мембраною. Ці компартменти містять розчин КС1 різної концентрації. У розчині хлорид калію дисоційований на гідратовані іони К+ та Cl-. Оскільки обидва компартменти містять еквімолярні концентрації іонів, то кожен має нейтральний заряд.
Якби мембранабула непроникна для іонів, то величина її електричного потенціалу, виміряна за допомогою вольтметра, дорівнювала б нулю.
Селективне пересування іонів через мембрану викликає зміну мембранного потенціалу.Тепер розглянемо випадок, коли мембрана проникнатільки для іонів калію (наприклад, коли в мембрані знаходяться К+-канали). Дифузія розчинених речовин за градієнтом концентрації є енергетично вигідним процесом (виражається у вигляді негативної величини різниці енергії AG). Тому іони К+ будуть дифундувати у бік нижчої їх концентрації, тобто з компартменту В до компартменту А. При цьому розподіл заряду на мембрані буде змінюватися. У міру накопичення в компартменті А позитивно заряджених іонів зростають сили відштовхування між ними. Ці сили ускладнюють перехід іонів К+ у компартмент А.
Коли в системі досягається електрохімічна рівновага, градієнти концентрації та електричних зарядів взаємно врівноважуються, і рух іонів К+ через мембрану припиняється. При цьому транспорт іонів К+ із одного компартменту стримується їх транспортом з іншого компартменту.
Однак у компартменті Аміститься більше позитивно заряджених іонів, ніж у компартменті У. Цей надлишок іонів К+ (у компартменті А) взаємодіє з надлишком іонів Cl- (у компартменті У) через тонку мембрану, у результаті з обох її сторін вибудовуються електричні заряди. Різниця зарядів з обох боків мембрани виявляється у вигляді різниці потенціалів і називається мембранний потенціал. Рівноважний (мембранний) потенціал компартменту по відношенню до компартменту А має негативне значення.
Цей прикладілюструє необхідність наявності двох умов, необхідних виникнення мембранного потенціалу клітини, не рівного нулю:
різні концентрації іонів по обидва боки мембрани, які призводять до поділу зарядів і
мембрана, що володіє селективною проникністю принаймні одного виду іонів.
Тому величина мембранного потенціалує функцією концентрації іонів. У стані рівноваги цю функцію для іонів X можна кількісно висловити за допомогою рівняння Нернста:
Е - рівноважний потенціал (у вольтах)
R - універсальна газова стала (2 кал моль -1 К -1)
Т - абсолютна температура(К; 37 ° С = 307,5 К)
z – валентність іонів (електричний заряд)
F - число Фарадея (2,3 х 10 4 кал вольт -1 моль -1)
[Х]А - концентрація вільних іонів X у компартменті А
[Х]в - концентрація вільних іонів X у компартменті
У формуванні мембранного потенціалу в клітинах тварин, головним чином, беруть участь іони К+, Na+ та Cl-. Іони Са2+ та Mg2+ меншою мірою беруть участь у формуванні мембранного потенціалу спокою. Плазматична мембрана має селективну проникність до перелічених іонів (тобто мембрана містить іонні канали, селективні до кожного типу іонів). Ця обставина, а також мембранна проникність (Р) для кожного іона враховується в рівнянні Гольдмана-Ходжкіна-Каца, яке є розширеною формою рівняння Нернста.
Для основних іонів це рівняння виражає мембранний потенціал як функцію їх проникності та концентрації всередині (i) та зовні (о) клітини:
Величина негативного мембранного потенціалу спокоюзалежить від типу клітин і коливається від -200 до -20 мВ. У клітинах ссавців мембранний потенціал спокою в основному створюється при роботі К+-каналів та іонного насоса, який називається Na+/К+-АТФаза. Основний внесок у формування негативного мембранного потенціалу робить невеликий потік іонів К+ через плазматичну мембрану. Цей потік здійснюється через К+-канали, позбавлені комірного механізму (т. зв. калієві канали спокою).
На відміну від більшості інших К+-каналів, Яким необхідний сигнал для відкриття, ці канали в клітині, що має певний потенціал спокою, відкриті постійно. У клітці, що покоїться, також відкрито кілька каналів для інших іонів. Рух іонів К+ із клітини, за напрямом електрохімічного градієнта, допомагає вмісту клітин підтримувати негативний заряд. Поки що ми не знаємо всіх джерел іонів калію, які беруть участь у цьому процесі. У деяких клітинах, наприклад, у рослин і бактерій, а також у мітохондріях, мембранний потенціал спокою створюється за рахунок градієнта протонів, а не іонів К+.
Для того, щоб відбувалася дифузія іонів К+з клітини через К+-канали, їх концентрація в клітині повинна бути вищою, ніж у навколишньому середовищі. Градієнт концентрації створюється в результаті роботи Na+/К+-АТФа-зи, яка закачує в клітину два іони калію на кожні три іони натрію, які видаляє цей іонний насос з клітини. Тому насос функціонує як генератор заряду: видаляється більше електричних зарядів, ніж привноситься до клітини. Таким чином, поряд з K+-каналами, позбавленими комірного механізму, Na+/К+-АТФази беруть участь у створенні негативного внутрішньоклітинного потенціалу. Якщо відбувається інактивація Na+/K+-АТФаз, то концентрації іонів Na+ та К+ з обох боків мембрани зрівнюються. Це тому, що ліпідний бислой дуже погано пропускає іони. Іншими словами, без проходження первинних процесів активного транспорту за участю Na+/К+-АТФаз значення мембранного потенціалу дорівнювало б нулю.
Клітини, що покоїться, є досить постійну величину. Однак при зв'язуванні лігандів, механічному стресі або зміні електричного зарядувідбувається відкриття специфічних іонних каналів і мембранний потенціал змінюється. Якщо іонні канали знаходяться під контролем електричного заряду, зміни мембранного потенціалу впливають на проходження через них іонів. Відкриття та закриття каналу контролюються комірним механізмом (гейтингом). Мембранний потенціал залежить від тих іонів, для яких канали в основному відкриті. Наприклад, при відкритті Na+ або Са2+-каналів відбувається деполяризація мембрани.
При цьому відповідні іонипочинають надходити в клітину у напрямку їх. Це призводить до того, що мембранний потенціал стає більш позитивним. Навпаки, при реполяризації мембрани (гіперполяризації) потенціал стає ще негативнішим. Це відбувається при відкритті калієвих каналів і виході з клітини іонів К+ у напрямку градієнта, що тягне за собою збільшення негативного мембранного потенціалу. Рух іонів іонними каналами відбувається швидко і обчислюється мілісекундами. Для зміни мембранного потенціалу достатні лише незначні відмінності у концентрації іонів по сторонах мембрани, і основна концентрація їх у клітині не змінюється.
Потік лише 10 -12 моль К+ через 1 см2 мембрани призводить до її швидкої гіперполяризації та встановлення мембранного потенціалу, рівного -100 мВ. Локальне пересування щодо невеликих зарядів через мембрану дозволяє цитозолю та позаклітинному середовищі залишатися електрично нейтральними та зводить до мінімуму електричне відштовхування зарядів.
Стан речовини s у розчині можна охарактеризувати через хімічний потенціал μ s ,який вимірюється в одиницях вільної енергії. За умови, що активність речовини дорівнює його концентрації і гідростатичним тиском 1 можна знехтувати, хімічний потенціал речовини дорівнює:
μ s= + 2,3RTlg [Дж моль -1],
де - стандартний хімічний потенціал речовини при концентрації 1 М;
- молярна концентрація речовини s. Стан іона i визначають черезелектрохімічний потенціал
, який враховує, що
= сортоянія іона залежить не тільки від його концентрації, а й від електричного потенціалу розчину: + 2,3RTlg + z
Fψ[Дж ∙ моль -1 ], де - - Стандартний електрохімічний потенціал при концентрації іона 1 М; R- газова постійна (8,314 Дж∙моль -1 ∙К -1); Т - абсолютна температура, К; - Концентрація іона в молях; Fчисло Фарадея (96,49 кДж ∙ В -1 ∙ моль -1);
z - заряд іона; ψ – електричний потенціал розчину.Електрохімічний потенціал оцінює вільну енергію іона та враховує всі сили, здатні спонукати іон до руху з однієї області до іншої. Спонтанний рух іонів через мембрану з області з більш високим в область з нижчим електрохімічним потенціалом є пасивний транспорт, або дифузію. Рушійною силою дифузії є різниця електрохімічних потенціалів, або трансмембранний електрохімічний градієнт іона АТ,-. Рух іона проти градієнта електрохімічного потенціалувимагає енергії і називається
активним транспортом.
Якщо потенціали іонів з обох боків мембрани рівні, тобто ∆ = 0, це означає, що іонні потоки через мембрану знаходяться в рівновазі.
Уявимо, що мембрана поділяє дві області, в яких вміст іонів Н + різний і
електрохімічні потенціали Н + відповідно дорівнюють:
В результаті нерівномірного розподілу іона Н+ виникає трансмембранний градієнт електрохімічного потенціалу Δ дорівнює різниці електрохімічних потенціалів протонів по обидва боки мембрани: - Концентрація іона в молях; F- = Δ = zF∆ψ 1-2 + 2,3RTlg l / 2 [Дж ∙ моль -1 ], - де - різниця електрохімічних потенціалів іона Н + по обидві сторони мембрани;
Приватне від розподілу величини Δ на постійну F називається протонрухаючою силою ∆ρ і вимірюється у вольтах. Якщо ввести константи і виразити логарифм концентрацій іонів Н + в одиницях рН (рН = -lg), то для температури 25 ° С отримаємо простий вираз
∆ρ = Δ /F = ∆ψ - 59ΔрН [мВ].
Як видно з рівняння, сила, що протонує, складається з двох компонентів. Перший - це градієнт рН, тобто різниця концентрацій іонів Н + по обидві сторони мембрани. Градієнт рН змушує іони Н+ та ОН - концентруватися біля поверхні мембрани. Це призводить до виникнення мембранного потенціалу ∆ψ (другий компонент), створеного надлишком позитивного заряду з одного боку мембрани і негативного - з іншого. Ефект мембранного потенціалу посилюється іншими іонами різних знаків, які також притягуються та концентруються біля мембрани. Слід підкреслити, що, хоча одна сторони мембрани заряджена більш позитивно по відношенню до іншої, основний розчин залишається електронейтральним, тобто. містить рівне числокатіонів та аніонів. Справа в тому, що число «зайвих», незбалансованих іонів, що формують шар заряду на мембрані, мізерно мало в порівнянні із загальним числом іонів у розчині.
2.7. ЕНЕРГІЯ Δ ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ ДЛЯ СИНТЕЗУ АТФ З АДФ І Ф н З УЧАСТЬЮ АТФ-СИНТАЗИ
Нерівномірний розподіл протонів з обох боків мембрани спонукає їх до дифузії по градієнту концентрації та заряду, який перешкоджає мембрана. Енергія Δ або ∆ρ є мірою вільної енергії (GG= Δ ), яка запасена на мембрані і може бути звільнена, якщо протони почнуть проходити мембрану за градієнтом свого потенціалу. Ця енергія може бути використана, якщо є механізм поєднання дифузії з енергозалежною реакцією. Такий механізм є АТФ-синтаза (F 1 F 0- АТФаза, або Н + АТФаза (F-muna), інтегрований в сполучну мембрану ферментний комплекс, який використовує енергію для синтезу АТФ з АДФ і Ф н. Синтез пов'язаний зі зворотним струмом протонів по градієнту свого потенціалу через АТФ-синтазний комплекс, тобто здійснюється в момент розрядки мембрани при зменшенні або дисипації.
Обидві складові ∆ρ - градієнт ∆рН та мембранний потенціал ∆ψ - прагнуть змусити протони перетинати мембрану по градієнту концентрації та заряду, і обидві складові таким чином рівноцінні для синтезу АТФ. Ця теза підтверджується в експериментах in vitro.АТФ-синтази можуть бути виділені з мембрани за допомогою детергентів і вбудовані штучні мембранні бульбашки (ліпосоми), приготовані з очищених фосфоліпідів. У цьому випадку синтез АТФ можна спостерігати, якщо штучно створити градієнт рН або додати до мембрани різницю електричних потенціалів.
Хоча основна функція АТФ-синтази - синтез АТФ, цей фермент у певних умовах може проявляти АТФазну активність, тобто перекачувати протони проти градієнта за рахунок гідролізу АТФ. Отже, АТФ-синтаза (Н + -АТФаза) у принципі здатна до взаємоперетворення двох форм енергії:
Енергія може бути використана не тільки для синтезу АТФ, але і в інших цілях. Наприклад, у мітохондріях вона використовується для транспортування речовин через мембрану. Крім того, розсіювання має значення в терморегуляторному утворенні теплоти (див. гл. 4).
Перенесення електронів дихальним ланцюгом від NADH до кисню супроводжується викачуванням протонів з матриксу мітохондрій через внутрішню мембрану в міжмембранний простір. На цю роботу витрачається частина енергії електронів, що переносяться ЦПЕ.
Протони, перенесені з матриксу в міжмембранний простір, не можуть повернутися назад до матриксу, оскільки внутрішня мембрана непроникна для протонів. Таким чином, створюється протонний градієнт, при
якому концентрація протонів у міжмембранному просторі більша, а рН менше, ніж у матриксі. Крім того, кожен протон несе позитивний заряд, і внаслідок цього з'являється різниця потенціалів з обох боків мембрани: негативний заряд на внутрішній стороні та позитивний - на зовнішній. У сукупності електричний та концентраційний градієнти складають електрохімічний потенціал ΔμН+ – джерело енергії для синтезу АТФ. Оскільки найбільш активний транспорт протонів у міжмембранний простір, необхідний для утворення ΔμН+, відбувається на ділянках ЦПЕ, що відповідають розташуванню комплексів I, III та IV, ці ділянки називають пунктами сполучення дихання та фосфорилювання (рис. 6-11, 6-13).
Механізм транспорту протонів через міто-хондріальну мембрану в пунктах сполучення недостатньо зрозумілий. Проте встановлено, що у цьому процесі грає KoQ. Найбільш детально механізм перенесення протонів за участю KoQ вивчений на рівні комплексу
KoQ переносить електрони від комплексу I до комплексу III і протони з матриксу в міжмембранний простір, здійснюючи своєрідні циклічні перетворення, які називають Q-циклами. Донором електронів для комплексу ІІІ служить відновлений убіхінон (QH2), а акцептором – цитохром с. Цитохром з знаходиться з зовнішньої сторонивнутрішньої мембрани мітохондрій; там розташовується активний центр цитохрому с1, з якого електрони переносяться на цитохром с.
У мембрані існує стаціонарний загальний фонд Q/QH2, з якого кожна молекула QH2 в одному циклі забезпечує перенесення протонів з матриксу в міжмембранний простір та електронів, які зрештою надходять на кисень. На роботу, що здійснюється при викачуванні протонів, витрачається частина вільної енергії, що звільняється при перенесенні електронів за градієнтом редокс-потенціалу. Енергія електрохімічного потенціалу (ΔμН+) використовується для синтезу АТФ, якщо протони повертаються матрикс через іонні канали АТФ-синтази.
Мал. 6-13. Поєднання дихання та синтезу АТФ у мітохондріях. I - NADH-дегідрогеназу; II – сукцинат дегідрогеназу; III - QH2-дегідрогеназу; IV – цитохромоксидаза; V – ЛТФ-синтаза. Енергія протонного потенціалу (електрохімічного потенціалу ΔμН+) використовується для синтезу АТФ, якщо протони повертаються до матриксу через іонні канали АТФ-синтази.
2. Будова АТФ-синтази та синтез АТФ
АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) – інтегральний білок внутрішньої мембрани мітохондрій. Він розташований у безпосередній близькості до дихального ланцюга. АТФ-синтаза складається з 2 білкових комплексів, що позначаються як F0 і F1
Підвищення концентрації протонів у міжмембранному просторі активує АТФ-синтазу. Електрохімічний потенціал ΔμН+ змушує протони рухатися каналом АТФ-синтази в матрикс. Паралельно під дією ΔμН+ відбуваються конформаційні зміни в парах α, β-субодиниць білка F1, внаслідок чого з AДФ та неорганічного фосфату утворюється АТФ. Електрохімічний потенціал
генерується в кожному з 3 пунктів сполучення ЦПЕ, використовують для синтезу однієї молекули АТФ.
