Электрохимический градиент

редактировать
Диаграмма концентраций и заряда ионов на полупроницаемой клеточной мембране.

Электрохимический градиент равен градиент электрохимического потенциала, обычно для иона, который может перемещаться через мембрану. Градиент состоит из двух частей: химического градиента или разницы в концентрации растворенного вещества на мембране и электрического градиента, или разницы в заряде на мембране. Когда существуют неравные концентрации иона на проницаемой мембране, ион будет перемещаться через мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией посредством простой диффузии. Ионы также несут электрический заряд, который формирует через мембрану электрический потенциал . Если имеется неравное распределение зарядов по мембране, то разница в электрических потенциалах создает силу, которая стимулирует диффузию ионов до тех пор, пока заряды не будут сбалансированы на обеих сторонах мембраны.

Содержание

  • 1 Обзор
  • 2 Химия
  • 3 Биологический контекст
  • 4 Ионные градиенты
  • 5 Протонные градиенты
    • 5.1 Бактериородопсин
    • 5.2 Фотофосфорилирование
    • 5.3 Окислительное фосфорилирование
  • 6 См. Также
  • 7 Ссылки

Обзор

Электрохимический потенциал важен в электроаналитической химии и в промышленных приложениях, таких как батареи и топливные элементы. Он представляет собой одну из многих взаимозаменяемых форм потенциальной энергии, посредством которой энергия может быть сохранена.

В биологических процессах, направление движения иона посредством диффузии или активный транспорт через мембрану определяется электрохимическим градиентом. В митохондриях и хлоропластах протонные градиенты используются для создания хемиосмотического потенциала, который также известен как протонная движущая сила . Эта потенциальная энергия используется для синтеза АТФ посредством окислительного фосфорилирования или фотофосфорилирования соответственно.

Электрохимический градиент состоит из двух компонентов. Во-первых, электрическая составляющая вызвана разностью зарядов на липидной мембране. Во-вторых, химическая составляющая вызвана разной концентрацией ионов на мембране. Комбинация этих двух факторов определяет термодинамически благоприятное направление движения иона через мембрану.

Электрохимический градиент аналогичен давлению воды через плотину гидроэлектростанции. Мембранные транспортные белки, такие как натрий-калиевый насос внутри мембраны, эквивалентны турбинам, которые преобразуют потенциальную энергию воды в другие формы физической или химической энергии, и ионы, которые проходят через мембрана эквивалентна воде, которая попадает на дно дамбы. Кроме того, энергию можно использовать для перекачки воды в озеро над плотиной. Аналогичным образом химическая энергия в клетках может использоваться для создания электрохимических градиентов.

Химия

Термин обычно применяется в контекстах, в которых должна иметь место химическая реакция, например, включающий перенос электрона на электроде батареи. В аккумуляторе электрохимический потенциал, возникающий при движении ионов, уравновешивает энергию реакции электродов. Максимальное напряжение, которое может произвести реакция батареи, иногда называют стандартным электрохимическим потенциалом этой реакции (см. Также Электродный потенциал и Таблица стандартных электродных потенциалов ). В случаях, касающихся конкретно движения электрически заряженных растворенных веществ, потенциал часто выражается в единицах вольт. См.: Концентрационная ячейка.

Биологический контекст

Генерация трансмембранного электрического потенциала посредством движения ионов через клеточную мембрану запускает биологические процессы, такие как нервная проводимость, сокращение мышц, гормон секреция и сенсорные процессы. По соглашению, типичная животная клетка имеет трансмембранный электрический потенциал от -50 мВ до -70 мВ внутри клетки относительно внешней среды.

Электрохимические градиенты также играют роль в установлении протонных градиентов в окислительном фосфорилировании в митохондриях. Заключительный этап клеточного дыхания - это цепь переноса электронов. Четыре комплекса, встроенные во внутреннюю мембрану митохондрии, составляют цепь переноса электронов. Однако только комплексы I, III и IV перекачивают протоны из матрицы в межмембранное пространство (IMS). Всего десять протонов перемещаются из матрицы в IMS, что создает электрохимический потенциал более 200 мВ. Это направляет поток протонов обратно в матрицу через АТФ-синтазу, которая производит АТФ путем добавления неорганического фосфата к АДФ. Таким образом, генерация протонного электрохимического градиента имеет решающее значение для производства энергии в митохондриях. Полное уравнение для цепи переноса электронов:

NADH + 11 H (матрица) + 1/2 O 2 → NAD + 10 H ( IMS) + H 2O.

Подобно цепи переноса электронов, светозависимые реакции фотосинтеза перекачивают протоны в тилакоид просвет хлоропластов. управлять синтезом АТФ с помощью АТФ-синтазы. Протонный градиент может быть создан посредством нециклического или циклического фотофосфорилирования. Из белков, которые участвуют в нециклическом фотофосфорилировании, фотосистема II (PSII), пластихинон и комплекс цитохрома b 6 f непосредственно способствуют генерирование протонного градиента. На каждые четыре фотона, поглощенные ФСII, в просвет перекачивается восемь протонов. Общее уравнение для фотофосфорилирования:

2 NADP + 6 H (строма) + 2 H 2 O → 2 NADPH + 8 H (люмен) + O 2.

Несколько других транспортеров и ионных каналов играют роль в создании протонного электрохимического градиента. Одним из них является TPK 3, калиевый канал, который активируется Ca и проводит K из просвета тилакоида в строму, что помогает установить pH градиент. С другой стороны, электронейтральный отток K антипортер (KEA 3) переносит K в просвет тилакоида, а H - в строму, что помогает установить электрическое поле.

Градиенты ионов

Схема Na-K-АТФазы.

Поскольку ионы заряжены, они не могут проходить через мембрану путем простой диффузии. Два разных механизма могут переносить ионы через мембрану: активный или пассивный транспорт. Примером активного транспорта ионов является Na-K-АТФаза (NKA). NKA катализирует гидролиз АТФ в АДФ и неорганический фосфат, и на каждую молекулу гидролизованного АТФ три Na транспортируются наружу, а два K транспортируются внутри клетки. Это делает внутреннюю часть клетки более отрицательной, чем внешнюю, и, более конкретно, создает мембранный потенциал V мембрана примерно -60 мВ. Примером пассивного транспорта являются потоки ионов через каналы Na, K, Ca и Cl. Эти ионы стремятся двигаться вниз по градиенту их концентрации. Например, поскольку вне ячейки имеется высокая концентрация Na, Na будет течь через канал Na в ячейку. Поскольку электрический потенциал внутри клетки отрицательный, приток положительного иона деполяризует мембрану, что приближает трансмембранный электрический потенциал к нулю. Однако Na будет продолжать двигаться вниз по градиенту концентрации до тех пор, пока влияние химического градиента больше, чем влияние электрического градиента. Как только эффект обоих градиентов становится равным (для Na это при мембранном потенциале около + 70 мВ), приток Na прекращается, поскольку движущая сила (ΔG) равна нулю. Уравнение движущей силы:

Δ G = RT ln ⁡ cincout + z FV мембрана {\ displaystyle \ Delta G = RT \ ln {\ frac {c _ {\ rm {in}}} {c _ {\ rm {out}}}} + zFV _ {\ rm {мембрана}}}{\ displaystyle \ Delta G = RT \ ln {\ frac {c _ {\ rm {in}}} {c _ {\ rm {out}}}} + zFV_ {\ rm {мембрана}}}

В этом уравнении R представляет газовую постоянную, T представляет абсолютную температуру, z - ионный заряда, а F представляет постоянную Фарадея..

Концентрации ионов в клетках приведены в таблице ниже. X- представляет белки с чистым отрицательным зарядом.

Концентрации ионов в клетках (миллимолярные )
Ионымлекопитающих Аксон кальмаров S. cerevisiae E. coli Морская вода
КлеткаКровьЯчейкаКровь
K 100-1404-540010-2030030-30010
Na 5-15145504403010500
Mg 10. 0,5 - 0,81 - 1,55030 - 100. 0,01 - 150
Ca 102,2 - 2,6. 1,3 - 1,510 - 3 × 101023. 1010
Cl 411040 - 15056010 - 200500
X 1389300 - 4005 -10
HCO 3 1229
pH7,1 - 7,37,35–7,45 (нормальный pH артериальной крови)

6,9 - 7,8 (общий диапазон)

7,2 - 7,88,1 - 8,2

Протонные градиенты

Протонные градиенты, в частности, важны для многих типов ячеек как форма накопления энергии. градиент обычно используется для управления АТФ-синтазой, жгутиковый вращение, или транспорт метаболитов. В этом разделе мы сосредоточимся на трех процессах, которые помогают установить градиенты протонов в соответствующих клетках: бактериородопсин и нециклическое фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование.

Бактериородопсин

Схема конформационного сдвига в сетчатке, который инициирует перекачку протонов в бактериородопсине.

Бактериородопсин генерирует протонный градиент в архее через протонный насос . Протонный насос полагается на переносчики протонов, которые направляют протоны со стороны мембраны с низкой концентрацией H в сторону мембраны с высокой концентрацией H. В бактериородопсине протонный насос активируется путем поглощения фотонов с длиной волны 568 нм , что приводит к изомеризации основания Шиффа (SB) в сетчатке, формируя K-состояние. Это перемещает SB от Asp85 и Asp212, вызывая передачу H от SB к Asp85, формируя состояние M1. Затем белок переходит в состояние M2, отделяя Glu204 от Glu194, который высвобождает протон из Glu204 во внешнюю среду. SB репротонируется с помощью Asp96, который формирует состояние N. Важно, чтобы второй протон происходил из Asp96, поскольку его депротонированное состояние нестабильно и быстро репротонируется с протоном из цитозоля. Протонирование Asp85 и Asp96 вызывает повторную изомеризацию SB с образованием O-состояния. Наконец, бактериородопсин возвращается в состояние покоя, когда Asp85 выделяет свой протон на Glu204.

Фотофосфорилирование

Упрощенная диаграмма фотофосфорилирования.

PSII также полагается на свет, чтобы управлять образованием градиенты протонов в хлоропластах, однако PSII использует векторную окислительно-восстановительную химию для достижения этой цели. Вместо того, чтобы физически переносить протоны через белок, реакции, требующие связывания протонов, будут происходить на внеклеточной стороне, в то время как реакции, требующие высвобождения протонов, будут происходить на внутриклеточной стороне. Поглощение фотонов с длиной волны 680 нм используется для возбуждения двух электронов в P680 на более высокий энергетический уровень. Эти электроны с более высокой энергией переносятся на связанный с белком пластохинон (PQ A), а затем на несвязанный пластохинон (PQ B). Это восстанавливает пластохинон (PQ) до пластохинола (PQH 2), который высвобождается из PSII после получения двух протонов из стромы. Электроны в P 680 пополняются за счет окисления воды через выделяющий кислород комплекс (OEC). Это приводит к высвобождению O 2 и H в просвет. Общая реакция показана:

4 фотона (680 нм) + 2 H 2 O + 2 PQ + 4 H + (строма) ⟶ O 2 + 2 PQH 2 + 4 H + (люмен) {\ displaystyle 4 \ photons (680 нм) \ + \ 2H_ {2} O \ + \ 2PQ \ + \ 4H ^ {+} (строма) \ longrightarrow O_ {2} \ + \ 2PQH_ {2} \ + \ 4H ^ {+} (люмен) }{\ displaystyle 4 \ photons (680 нм) \ + \ 2H_ {2} O \ + \ 2PQ \ + \ 4H ^ {+} (строма) \ longrightarrow O_ {2} \ + \ 2PQH_ {2} \ + \ 4H ^ {+} (просвет)}

После высвобождения из ФСII, PQH 2 перемещается в комплекс цитохрома b 6 f, который затем переносит два электрона от PQH 2 на пластоцианин в двух отдельных реакциях. Происходящий процесс аналогичен Q-циклу в комплексе III цепи переноса электронов. В первой реакции PQH 2 связывается с комплексом на стороне просвета, и один электрон переносится на центр железо-сера, который затем переносит его на цитохром f <217.>который затем переводит его на пластоцианин. Второй электрон переносится на гем b L, который затем переносит его на гем b H, который затем переносит его на PQ. Во второй реакции второй PQH 2 окисляется, добавляя электрон к другому пластоцианину и PQ. Обе реакции вместе переносят четыре протона в просвет.

Окислительное фосфорилирование

Подробная схема цепи переноса электронов в митохондриях.

В цепи переноса электронов комплекс I (CI) катализирует восстановление убихинона (UQ) до убихинола (UQH 2) посредством переноса двух электронов из восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (NADH), который перемещает четыре протона из митохондриального матрикса в IMS:

NADH + H + + UQ + 4 H + ⏟ матрица ⟶ NAD + + UQH 2 + 4 H + ⏟ IMS {\ displaystyle {\ ce {NADH}} + {\ ce {H ^ +}} + {\ ce {UQ}} + 4 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {matrix}} \ longrightarrow {\ ce {NAD ^ +}} + {\ ce {UQH_2}} + 4 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {IMS}}}{\ displaystyle {\ ce {NADH}} + {\ ce {H ^ +} } + {\ ce {UQ}} + 4 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {matrix}} \ longrightarrow {\ ce {NAD ^ +}} + {\ ce {UQH_2} } +4 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {IMS}}}

Комплекс III (CIII) катализирует Q-цикл. Первая стадия, включающая перенос двух электронов от UQH 2, восстановленного CI, к двум молекулам окисленного цитохрома с в сайте Q o. На втором этапе еще два электрона восстанавливают UQ до UQH 2 в позиции Q i. Показана общая реакция:

2 цитохрома ⏟ окисленные + UQH 2 + 2 H + ⏟ матрица ⟶ 2 цитохрома ⏟ восстановленные + UQ + 4 H + ⏟ IMS {\ displaystyle 2 \ \ underbrace {\ mathrm {cytochrome \ c} } _ {\ mathrm {окисленный}} \ + \ {\ ce {UQH_2}} \ + \ 2 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {matrix}} \ longrightarrow 2 \ \ underbrace {\ mathrm {цитохром \ c}} _ {\ mathrm {уменьшенный}} \ + \ {\ ce {UQ}} \ + \ 4 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm {IMS }}}{\ displaystyle 2 \ \ underbrace {\ mathrm {cytochrome \ c}} _ {\ mathrm {окисленный}} \ + \ {\ ce {UQH_2}} \ + \ 2 \ underbrace {{\ ce {H ^ +}}} _ {\ mathrm { матрица}} \ longrightarrow 2 \ \ underbrace {\ mathrm {cytochrome \ c}} _ {\ mathrm {уменьшенный}} \ + \ {\ ce {UQ}} \ + \ 4 \ underbrace {{\ ce {H ^ + }}} _ {\ mathrm {IMS}}}

Комплекс IV (CIV) катализирует перенос двух электронов от цитохрома c, восстановленного с помощью CIII, до половины полного кислорода. Использование одного полного кислорода в окислительном фосфорилировании требует передачи четырех электронов. Затем кислород потребляет четыре протона из матрицы для образования воды, в то время как еще четыре протона закачиваются в IMS. Общая реакция показана:

2 цитохромека (восстановленный) + 4 H + (матрица) + 1/2 O 2 ⟶ 2 цитохромека (окисленный) + 2 H + (IMS) + H 2 O {\ displaystyle 2 \ cytochrome \ c \ (восстановленный) \ + \ 4H ^ {+} \ (матрица) \ + \ 1/2 \ O_ {2} \ longrightarrow 2 \ cytochrome \ c \ (окисленный) \ + \ 2H ^ {+} \ ( IMS) \ + \ H_ {2} O}{\ displaystyle 2 \ cytochrome \ c \ (уменьшенный) \ + \ 4H ^ {+ } \ (матрица) \ + \ 1/2 \ O_ {2} \ longrightarrow 2 \ cytochrome \ c \ (окисленный) \ + \ 2H ^ {+} \ (IMS) \ + \ H_ {2} O}

См. Также

Ссылки

Последняя правка сделана 2021-05-18 11:28:18
Содержание доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 (если не указано иное).
Обратная связь: support@alphapedia.ru
Соглашение
О проекте