Protonų gradientas ir elektrocheminis potencialas. Didingas ir paslaptingas elektrinis ungurys Elektrocheminio gradiento padidėjimas sukels

Dominykas Stathamas

Nuotrauka ©depositphotos.com/Yourth2007

Elektroforas elektrinis) gyvena tamsiuose pelkių ir upių vandenyse šiaurinėje dalyje Pietų Amerika. Tai paslaptingas plėšrūnas, turintis sudėtingą elektrolokacijos sistemą ir galintis judėti bei medžioti prasto matomumo sąlygomis. Naudodamas „elektroreceptorius“, kad nustatytų jo paties kūno sukeltus elektrinio lauko iškraipymus, jis gali aptikti potencialų grobį, o pats likti nepastebėtas. Jis imobilizuoja auką galingu elektros šoku, pakankamai stipriu, kad apsvaigintų didelį žinduolį, pavyzdžiui, arklį, ar net nužudytų žmogų. Savo pailgos, suapvalintos kūno formos ungurys primena žuvį, kurią paprastai vadiname murene (Anguilliformes būrys); tačiau priklauso kitai žuvų (Gymnotiformes) kategorijai.

Žuvys, kurios gali aptikti elektrinius laukus, vadinamos elektrorecepcinis, o galintys sukurti galingą elektrinį lauką, pavyzdžiui, elektrinis ungurys, vadinami elektrogeninis.

Kaip elektrinis ungurys sukuria tokią aukštą elektros įtampą?

Elektrinės žuvys nėra vienintelės, galinčios gaminti elektros energiją. Tiesą sakant, visi gyvi organizmai vienu ar kitu laipsniu tai daro. Pavyzdžiui, mūsų kūno raumenis smegenys valdo elektros signalais. Bakterijų gaminami elektronai gali būti naudojami elektros energijai generuoti kuro elementuose, vadinamuose elektrocitais. (žr. lentelę žemiau). Ir nors kiekvienas elementas turi nedidelį įkrovą, dėl to, kad tūkstančiai tokių elementų yra surinkti nuosekliai, kaip baterijos žibintuvėje, gali būti sukurta iki 650 voltų (V) įtampa. Jei šios eilutės išdėstytos lygiagrečiai, galima gauti 1 ampero (A) elektros srovę, kuri duoda 650 vatų elektros šoką (W; 1 W = 1 V × 1 A).

Kaip unguriui pačiam pavyksta išvengti elektros smūgio?

Nuotrauka: CC-BY-SA Steven Walling per Vikipediją

Mokslininkai tiksliai nežino, kaip atsakyti į šį klausimą, tačiau kai kurių įdomių stebėjimų rezultatai gali atskleisti Ši problema. Pirma, gyvybiškai svarbūs ungurio organai (pvz., smegenys ir širdis) yra šalia galvos, toliau nuo organų, gaminančių elektrą, ir yra apsupti riebalinio audinio, kuris gali veikti kaip izoliacija. Oda taip pat turi izoliacinių savybių, nes buvo pastebėta, kad unguriai su pažeista oda yra jautresni savaiminiam apsvaigimui nuo elektros šoko.

Antra, unguriai poravimosi metu gali padaryti galingiausius elektros smūgius, nepakenkdami partneriui. Tačiau jei ne poravimosi sezono metu ta pačia jėga nukentės kitas ungurys, jis gali jį nužudyti. Tai rodo, kad unguriai turi tam tikrą gynybos sistemą, kurią galima įjungti ir išjungti.

Ar elektrinis ungurys galėjo išsivystyti?

Labai sunku įsivaizduoti, kaip tai galėtų įvykti atliekant nedidelius pokyčius, kaip reikalauja Darvino pasiūlytas procesas. Jei smūginė banga buvo svarbi nuo pat pradžių, ji užuot apsvaigusi, įspėtų auką apie pavojų. Be to, norint išsiugdyti gebėjimą apsvaiginti auką evoliucijos eigoje, elektrinis ungurys turėtų tuo pačiu metu sukurti savigynos sistemą. Kiekvieną kartą pasirodžius mutacijai, padidinusiai elektros smūgio stiprumą, turėjo atsirasti kita mutacija, pagerinusi ungurio elektros izoliaciją. Mažai tikėtina, kad vienos mutacijos pakaktų. Pavyzdžiui, norint perkelti organus arčiau galvos, prireiktų visos eilės mutacijų, kurios turėjo įvykti vienu metu.

Nors nedaug žuvų sugeba apsvaiginti savo grobį, yra daug rūšių, kurios navigacijai ir ryšiui naudoja žemos įtampos elektros energiją. Elektriniai unguriai priklauso Pietų Amerikos žuvų grupei, vadinamai knifefish (Mormyridae šeima), kuri taip pat naudoja elektrolokaciją ir, kaip manoma, šį gebėjimą išsiugdė kartu su savo Pietų Amerikos pusbroliais. Be to, evoliucionistai priversti teigti, kad elektriniai organai žuvyse savarankiškai išsivystė aštuonis kartus. Atsižvelgiant į jų struktūros sudėtingumą, jau dabar stebina, kad šios sistemos evoliucijos eigoje galėjo išsivystyti bent kartą, jau nekalbant apie aštuonias.

Peiliai pjaustytojai iš Pietų Amerikos ir chimeros iš Afrikos naudoja savo elektrinius organus, kad surastų ir užmegztų ryšį, taip pat naudoja daugybę Įvairios rūšys elektroreceptoriai. Abiejose grupėse yra rūšių, kurios sukuria įvairių sudėtingų bangų formų elektrinius laukus. Dviejų tipų peiliai Brachyhypopomus benetti Ir Brachyhypopomus walteri tokie panašūs vienas į kitą, kad juos būtų galima priskirti tam pačiam tipui, tačiau pirmasis iš jų sukuria nuolatinės įtampos srovę, o antrasis - kintamos įtampos srovę. Evoliucijos istorija tampa dar įspūdingesnė, jei įsigilini. Kad jų elektrolokacijos įrenginiai netrukdytų vienas kitam ir nekeltų trukdžių, kai kurios rūšys naudoja specialią sistemą, kuria kiekviena žuvis keičia elektros iškrovos dažnį. Pastebėtina, kad ši sistema veikia beveik taip pat (naudojant tą patį skaičiavimo algoritmą), kaip ir stiklo peilių gamintojas iš Pietų Amerikos ( Eigenmanija) ir Afrikos žuvis aba-aba ( Gymnarchus). Ar tokia trukdžių šalinimo sistema evoliucijos eigoje galėjo išsivystyti savarankiškai dviejose atskirose žuvų grupėse, gyvenančiose skirtinguose žemynuose?

Dievo kūrybos šedevras

Elektrinio ungurio energijos vienetas užtemdė visus žmogaus kūrinius savo kompaktiškumu, lankstumu, mobilumu, aplinkos saugumu ir savigydos gebėjimu. Visos šio aparato dalys puikiai integruotos į poliruotą korpusą, o tai suteikia unguriui galimybę plaukti dideliu greičiu ir vikrumu. Visos jo struktūros detalės – nuo ​​mažyčių elementų, gaminančių elektrą, iki sudėtingiausio kompiuterinio komplekso, analizuojančio ungurio generuojamų elektrinių laukų iškraipymus – rodo didžiojo Kūrėjo ketinimą.

Kaip elektrinis ungurys gamina elektrą? (populiaraus mokslo straipsnis)

Elektrinės žuvys gamina elektrą panašiai kaip mūsų kūno nervai ir raumenys. Elektrocitų ląstelėse yra specialūs fermentiniai baltymai, vadinami Na-K ATPazė išpumpuoja natrio jonus per ląstelės membraną ir sugeria kalio jonus. („Na“ yra cheminis natrio simbolis, o „K“ yra cheminis kalio simbolis. „ATP“ reiškia adenozino trifosfatą, energijos molekulę, naudojamą siurbliui maitinti.) Dėl disbalanso tarp kalio jonų ląstelės viduje ir išorėje susidaro cheminis gradientas, kuris vėl išstumia kalio jonus iš ląstelės. Panašiai natrio jonų disbalansas sukuria cheminį gradientą, kuris sutraukia natrio jonus atgal į ląstelę. Kiti baltymai, įterpti į membraną, veikia kaip kalio jonų kanalai, poros, leidžiančios kalio jonams išeiti iš ląstelės. Kai teigiamai įkrauti kalio jonai kaupiasi ląstelės išorėje, aplink ląstelės membraną susidaro elektrinis gradientas, o ląstelės išorė turi didesnį teigiamą krūvį nei vidinė. Siurbliai Na-K ATPazė (natrio-kalio adenozintrifosfatazė) yra sukonstruoti taip, kad pasirinktų tik vieną teigiamo krūvio joną, antraip imtų tekėti ir neigiamo krūvio jonai, neutralizuodami krūvį.

Dauguma Elektrinio ungurio kūnas susideda iš elektrinių organų. Pagrindinis organas ir Hunterio vargonai yra atsakingi už gamybą ir kaupimą elektros krūvis. Sachso organas sukuria žemos įtampos elektrinį lauką, kuris naudojamas elektrolokacijai.

Cheminis gradientas išstumia kalio jonus, o elektrinis gradientas traukia juos atgal. Pusiausvyros momentu, kai cheminės ir elektrinės jėgos panaikina viena kitą, ląstelės išorėje bus apie 70 milivoltų daugiau teigiamo krūvio nei viduje. Taigi ląstelės viduje yra -70 milivoltų neigiamas krūvis.

Tačiau daugiau baltymų, įterptų į ląstelės membraną, suteikia kanalus natrio jonams – tai poros, leidžiančios natrio jonams vėl patekti į ląstelę. Įprastai šios poros būna uždarytos, tačiau suaktyvinus elektrinius organus, poros atsiveria, o natrio jonai su teigiamu krūviu vėl patenka į ląstelę, veikiami cheminio potencialo gradiento. Šiuo atveju pusiausvyra pasiekiama, kai ląstelės viduje surenkamas iki 60 milivoltų teigiamas krūvis. vyksta bendras pokytisįtampa nuo -70 iki +60 milivoltų, o tai yra 130 mV arba 0,13 V. Šis iškrovimas įvyksta labai greitai, maždaug per vieną milisekundę. O kadangi elementų serijoje yra apie 5000 elektrocitų, dėl sinchroninio visų elementų iškrovimo galima sukurti iki 650 voltų (5000 × 0,13 V = 650).

Siurblys Na-K ATPazė (natrio-kalio adenazino trifosfatazė). Kiekvieno ciklo metu į ląstelę patenka du kalio jonai (K+), o iš ląstelės išeina trys natrio jonai (Na+). Šį procesą skatina ATP molekulių energija.

Žodynėlis

Atomas arba molekulė, kuri turi elektros krūvį dėl nevienodo elektronų ir protonų skaičiaus. Jonas bus neigiamai įkrautas, jei jame yra daugiau elektronų nei protonų, ir teigiamai, jei jame yra daugiau protonų nei elektronų. Kalio (K+) ir natrio (Na+) jonai turi teigiamą krūvį.

Gradientas

Tam tikro kiekio pokytis judant iš vieno erdvės taško į kitą. Pavyzdžiui, nutolus nuo ugnies, temperatūra nukrenta. Taigi ugnis sukuria temperatūros gradientą, kuris mažėja didėjant atstumui.

elektrinis gradientas

Elektros krūvio dydžio kitimo gradientas. Pavyzdžiui, jei ląstelės išorėje yra daugiau teigiamai įkrautų jonų nei ląstelės viduje, per ląstelės membraną tekės elektrinis gradientas. Dėl to, kad tie patys krūviai atstumia vienas kitą, jonai judės taip, kad subalansuotų krūvį ląstelės viduje ir išorėje. Jonų judėjimas dėl elektrinio gradiento vyksta pasyviai, veikiant potencialinei elektrinei energijai, o ne aktyviai, veikiant energijai, gaunamai iš išorinio šaltinio, pavyzdžiui, ATP molekulės.

cheminis gradientas

Gradientas cheminė koncentracija. Pavyzdžiui, jei ląstelės išorėje yra daugiau natrio jonų nei ląstelės viduje, natrio jonų cheminis gradientas praeis per ląstelės membraną. Dėl atsitiktinio jonų judėjimo ir susidūrimų tarp jų yra tendencija, kad natrio jonai iš didesnės koncentracijos pereiti prie mažesnės koncentracijos, kol nusistovi pusiausvyra, ty tol, kol abiejose membranos pusėse bus vienodas natrio jonų skaičius. . Tai vyksta pasyviai, dėl difuzijos. Judesiai atsiranda dėl jonų kinetinės energijos, o ne dėl energijos, gaunamos iš išorinio šaltinio, pavyzdžiui, ATP molekulės.

Atjungikliai, tokie kaip dinitrofenolis, sukelia H nutekėjimą per membraną, labai sumažindami elektrocheminį protonų gradientą. Oligomicinas specialiai blokuoja protonų srautą per Rc

Ryžiai. 7-53. Redokso potencialo pokyčiai vykstant elektronams fotosintezės metu, kai susidaro augalų ir cianobakterijų NADPH ir ATP). II fotosistema yra labai panaši į purpurinių bakterijų reakcijos centrą (žr. 7-50 pav.), su kuriuo ji yra evoliuciškai susijusi. Fotosistema I skiriasi nuo šių dviejų sistemų ir manoma, kad evoliuciškai yra susijusi su kitos prokariotų grupės – žaliųjų bakterijų – fotosistemomis. I fotosistemoje sužadinti chlorofilo elektronai praeina per eilę glaudžiai surištų geležies ir sieros centrų. Dvi nuosekliai sujungtos fotosistemos užtikrina grynąjį elektronų srautą iš vandens į NADP, kad susidarytų NADPH. Be to, ATP susidaro ATP sintetazė (neparodyta) dėl elektrocheminio protonų gradiento energijos, kurią sukuria elektronų transportavimo grandinė, jungianti II fotosistemą su I fotosistema. Ši ATP susidarymo Z schema vadinama necikline. fosforilinimas, priešingai nei ciklinės schemos ryžiai. 7-54 (taip pat žr. 7-52 pav.).

Kai į ląsteles pridedamas atjungiamasis agentas, pavyzdžiui, dinitrofenolis, deguonies pasisavinimas mitochondrijose labai padidėja, nes didėja elektronų perdavimo greitis. Šis pagreitis atsiranda dėl kvėpavimo kontrolės. Manoma, kad ši kontrolė pagrįsta tiesioginiu elektrocheminio protonų gradiento slopinamu poveikiu elektronų pernešimui. Kai elektrocheminis gradientas išnyksta esant atjungikliui, nekontroliuojamas elektronų pernešimas pasiekia didžiausią įmanomą greitį esant tam tikram substrato kiekiui. Priešingai, padidėjus protonų gradientui, sulėtėja elektronų pernešimas, o procesas sulėtėja. Be to, jei eksperimento metu ant vidinės membranos dirbtinai sukuriamas neįprastai didelis elektrocheminis gradientas, normalus elektronų pernešimas visiškai sustos, o kai kuriose kvėpavimo grandinės dalyse bus galima aptikti atvirkštinį elektronų srautą. kad kvėpavimo kontrolė tiesiog atspindi pusiausvyrą tarp laisvos energijos reikšmių siurbiant protonus kartu su elektronų pernešimu ir paties elektronų pernešimo arba, kitaip tariant, kad elektrocheminio protonų gradiento dydis turi įtakos ir elektronų transportavimo greičiui, ir krypčiai. iš esmės taip pat, kaip ir ATP sintetazės veikimo kryptis (9.2.3 skyrius).

Energija, išsiskirianti elektronų transportavimo procese išilgai kvėpavimo grandinės, yra saugoma elektrocheminio protonų gradiento pavidalu ant vidinės mitochondrijų membranos.

Dėl pP (ArP) gradiento P jonai grįžta atgal į matricą, o OP jonai iš matricos, o tai sustiprina membranos potencialo (AP), kuriam veikiant bet koks teigiamas krūvis pritraukiamas į matricą, poveikį ir bet koks neigiamas iš jo išstumiamas. Bendras šių dviejų jėgų veikimas lemia elektrocheminį protonų gradientą (7-19 pav.).

Beveik visos bakterijos, įskaitant griežtus anaerobus, savo membranoje išlaiko protonų varomąją jėgą, jose elektrocheminio protonų gradiento energija panaudojama bakterijų žiogeliui sukti, todėl ląstelė gali judėti (12.5.4 sk.), o dėl

Elektrocheminio protonų gradiento energija naudojama ATP sintezei ir metabolitų bei neorganinių jonų transportavimui į matricą

Ant pav. 7-34 rodo redokso potencialo lygius įvairiose kvėpavimo grandinės dalyse. Staigus kritimas vyksta kiekviename iš trijų pagrindinių kvėpavimo kompleksų. Potencialų skirtumas tarp bet kurių dviejų elektronnešių yra tiesiogiai proporcingas energijai, išsiskiriančiai elektronui pereinant iš vieno nešiklio į kitą (7-34 pav.). Kiekvienas kompleksas veikia kaip energiją konvertuojantis įtaisas, nukreipiantis šią laisvą energiją protonams perkelti per membraną, todėl elektronams pereinant per grandinę susidaro elektrocheminis protonų gradientas. Šią energijos konversiją galima tiesiogiai parodyti į liposomas atskirai įtraukiant bet kokį izoliuotą kvėpavimo grandinės kompleksą (žr. 7-25 pav.). Esant tinkamam elektronų donorui ir akceptoriui, toks kompleksas perduos elektronus, todėl protonai bus pumpuojami per liposomos membraną.

Kvėpavimo fermentų kompleksai susieja elektronų transportavimą kartu su energijos išsiskyrimu su protonų siurbimu iš matricos. Šiuo atveju sukurtas elektrocheminis protonų gradientas tiekia energiją ATP sintezei kitam transmembraniniam baltymų kompleksui – ATP sintetazei, per kurią protonai grįžta į matricą. ATP sintetazė yra grįžtamasis jungties kompleksas, kuris paprastai protonų srauto, nukreipto į matricą, energiją paverčia ATP fosfato jungčių energija, tačiau, sumažėjus elektrocheminiam protonų gradientui, ji taip pat gali panaudoti ATP hidrolizės energiją protonams judinti. iš matricos. Chemiosmosiniai mechanizmai būdingi tiek mitochondrijoms, tiek chloroplastams ir bakterijoms, o tai rodo jų išskirtinę svarbą visoms ląstelėms.

Kai didelės energijos elektronai praeina per kvėpavimo grandinę, protonai išsiurbiami iš matricos kiekvienoje iš trijų energijos kaupimo sričių. Dėl to tarp dviejų vidinės membranos pusių atsiranda elektrocheminis protonų gradientas, kurio įtakoje protonai grįžta atgal į matricą per ATP sintetazę – transmembraninį fermentų kompleksą, kuris naudoja protonų srovės energiją ATP sintezei iš ADP. ir P.

Ryžiai. 9-36. Prie bakterijų plazminės membranos susidaranti protonų varomoji jėga užtikrina maistinių medžiagų judėjimą į ląstelę ir natrio pašalinimą į išorę. Esant deguoniui (A), aerobinių bakterijų kvėpavimo grandinė sukuria elektrocheminį protonų gradientą, kurį ATP sintetazė naudoja ATP sintezei. Anaerobinėmis sąlygomis (B) tos pačios bakterijos gauna ATP dėl glikolizės. Dėl šio ATP dalies hidrolizės, veikiant ATP sintetazei, atsiranda transmembraninė protonų varomoji jėga, kuri vykdo transportavimo procesus. (Kaip aprašyta tekste, yra bakterijų, kurių elektronų transportavimo grandinė išpumpuoja protonus, o anaerobinėmis sąlygomis galutinis elektronų akceptorius šiuo atveju yra ne deguonis, o kitos molekulės.)

Norint atlikti šią užduotį, ląstelėse buvo suformuotas nuo ATP priklausomas protonų siurblys, lokalizuotas CPM. ATP hidrolizės energija, kurią vykdo ATPazė, buvo naudojama protonams išstumti iš ląstelės į išorinę aplinką. Vieno hidrolizė ATP molekulės veda prie 2 protonų perdavimo ir taip sukuriamas transmembraninis elektrocheminis protonų gradientas. Tai buvo eksperimentiškai įrodyta pieno rūgšties bakterijoms ir klostridijoms, kurios neturi kvėpavimo, tačiau CPM yra lokalizuotos ATPazės, kurios suardo fermentacijos metu susidariusias ATP molekules.

Elektrocheminis protonų gradientas sukuria protonų varomąją jėgą, matuojamą milivoltais (mV). Kadangi 1 pH vieneto pP (ArH) gradientas yra lygus maždaug 60 mV membranos potencialui, protonų varomoji jėga bus lygi A - 60 (ArH). Įprastoje ląstelėje ši kvėpuojančios mitochondrijos vidinės membranos jėga yra apie 220 mV ir yra apie 160 mV membranos potencialo ir pH gradiento suma. artimas - ] pH vienetui.

Tačiau ATP sintezė nėra vienintelis procesas, vykstantis dėl elektrocheminio gradiento energijos. Matricoje, kurioje yra citrinų rūgšties cikle ir kitose medžiagų apykaitos reakcijose dalyvaujantys fermentai, būtina palaikyti didelę įvairių substratų koncentraciją, ypač ATP sintetazei reikalingi ADP ir fosfatas. Todėl per vidinę membraną turi būti transportuojami įvairūs krūvį turintys substratai. Tai pasiekiama naudojant įvairius į membraną įterptus baltymus-nešiklius (žr. 6.4.4 skyrių). daugelis jų aktyviai pumpuoja tam tikras molekules prieš savo elektrocheminius gradientus, ty vykdo procesą, kuriam reikia energijos sąnaudų. Daugumos metabolitų atveju šios energijos šaltinis yra konjugacija su kai kurių kitų molekulių judėjimu žemyn jų elektrocheminiu gradientu (žr. 6.4.9 skyrių). Pavyzdžiui, ADP-ATP antiport sistema dalyvauja ADP transporte; kai kiekviena ADP molekulė patenka į matricą, viena ATP molekulė palieka ją išilgai savo elektrocheminio gradiento. Tuo pačiu metu simporto sistema susieja fosfato perėjimą į mitochondrijas su ten nukreiptu P srautu, protonai patenka į matricą išilgai gradiento ir tuo pat metu tempia fosfatą kartu su jais. Panašiai jis perkeliamas į matricą ir piruvatą (7-21 pav.). Elektrocheminio protonų gradiento energija taip pat naudojama Ca jonams pernešti į matricą, kurie, matyt, vaidina svarbų vaidmenį reguliuojant kai kurių mitochondrijų fermentų aktyvumą, šių jonų įsisavinimą mitochondrijose, siekiant pašalinti juos iš citozolio. kai Ca koncentracija pastarajame tampa pavojinga, taip pat gali turėti didelę reikšmę.didelė (žr. 12.3.7 skyrių).

ATP sintetazės veikimas yra grįžtamas, ATP sintezei ji gali panaudoti tiek ATP hidrolizės energiją siurbiant protonus per vidinę mitochondrijų membraną, tiek protonų srauto palei elektrocheminį gradientą energiją ATP sintezei (7-26 pav.). Taigi, ATP sintetazė yra grįžtamoji konjugavimo sistema, kuri atlieka elektrocheminio protonų gradiento ir cheminių jungčių energijos tarpusavio konversiją. Jo veikimo kryptis priklauso nuo protonų gradiento statumo ir vietinės AG vertės ATP hidrolizei ryšio.

Anksčiau įrodėme, kad ATP hidrolizės laisvoji energija priklauso nuo trijų reagentų – ATP, ADP ir Pi koncentracijos (žr. 7-22 pav.). AG ATP sintezei yra ta pati reikšmė, paimta su minusu. Pro membrana judančių protonų laisvoji energija yra lygi (1) AG sumai, judant vieną molį bet kurių jonų tarp sričių, kurių potencialų skirtumas AV, ir (2) AG, kai bet kurios molekulės molis perkeliamas tarp skirtingų sričių. koncentracijos. Protono varomosios jėgos lygtis, pateikta sek. 7.1.7, jungia tuos pačius komponentus, tačiau tik koncentracijos skirtumas pakeičiamas ekvivalentišku membranos potencialo padidėjimu, todėl gaunama protono elektrocheminio potencialo išraiška. Taigi, AG protonų judėjimui ir protonų varomajai jėgai atsižvelgiama į tą patį potencialą, tik pirmuoju atveju jis matuojamas kilokalorijomis, o antruoju - milivoltais. Koeficientas konvertuojant iš vieno vieneto į kitą yra Faradėjaus skaičius. Taigi AGh = -0,023 (protono varomoji jėga), kur AGh + išreiškiamas kilokalorijomis 1 mol (kcal/mol), o protonų varomoji jėga – milivoltais (mV). Jei elektrocheminis protonų gradientas yra 220 mV, tai AGh = 5,06

Jei ATP sintetazė paprastai neperneša P iš matricos, tai kvėpavimo grandinė, esanti vidinėje mitochondrijų membranoje, normaliomis sąlygomis perneša protonus per šią membraną, taip sukurdama elektrocheminį protonų gradientą, kuris tiekia energiją ATP sintezei. Tam tikromis sąlygomis galima eksperimentiškai įrodyti kvėpavimo grandinės gebėjimą pumpuoti protonus iš matricos. Galima, pavyzdžiui, izoliuotų mitochondrijų suspensiją aprūpinti tinkamu substratu oksidacijai ir blokuoti protonų srautą per ATP sintetazę Esant tokiam kvėpavimo pliūpsniui, naudojant jautrią rP galima nustatyti staigų terpės parūgštėjimą. elektrodas dėl P jonų išstūmimo iš mitochondrijų matricos.

Ryžiai. 7-36. Protonų perkėlimas per vidinę mitochondrijų membraną, dalyvaujant atjungiančiam agentui 2,4-dinitrofenoliui (DNP) Įkrauta (protonuota) DNP forma gali laisvai

Medžiagos būseną s tirpale galima apibūdinti pagal cheminis potencialas μs, kuris matuojamas vienetais nemokama energija. Su sąlyga, kad medžiagos aktyvumas yra lygus jos koncentracijai ir hidrostatinis slėgis 1 galima nepaisyti, cheminis medžiagos s potencialas yra lygus:

µs= + 2,3 RTlg [J mol -1],

kur yra standartinis cheminis medžiagos potencialas s esant 1 M koncentracijai; - medžiagos molinė koncentracija s.

I jono būsena nustatoma per elektrocheminis potencialas, kuriame atsižvelgiama į tai

Jonų rūšiavimas priklauso ne tik nuo jo koncentracijos, bet ir nuo tirpalo elektrinio potencialo:

= +2.3RTlg+ z Fψ[J ∙ mol -1],

Kur - standartinis elektrocheminis potencialas, kai jonų koncentracija yra 1 M; R yra dujų konstanta (8,314 J∙mol -1 ∙K -1); T - absoliuti temperatūra, K; - jonų koncentracija moliais; F - Faradėjaus skaičius (96,49 kJ ∙ V -1 ∙ mol -1); z- jonų krūvis; ψ – sprendinio elektrinis potencialas.

Elektrocheminis potencialas įvertina laisvąją jono energiją ir atsižvelgia į visas jėgas, kurios gali paskatinti joną judėti iš vienos srities į kitą. Spontaniškas jonų judėjimas per membraną iš aukštesnio elektrocheminio potencialo srities į žemesnio elektrocheminio potencialo sritį yra pasyvus pernešimas arba difuzija. varomoji jėga difuzija yra elektrocheminių potencialų skirtumas, arba transmembraninis elektrocheminis AD jono gradientas, -. Jonų judėjimas prieš elektrocheminį potencialo gradientą reikalauja energijos ir yra vadinamas aktyvus transportas. Jei jonų potencialai abiejose membranos pusėse yra lygūs, t.y., ∆ = 0, tai reiškia, kad jonų srautai per membraną yra pusiausvyroje.

Įsivaizduokite, kad membrana atskiria dvi sritis, kuriose H + jonų kiekis yra skirtingas ir

elektrocheminiai potencialai H + yra atitinkamai lygūs:

Dėl netolygaus H + jonų pasiskirstymo susidaro transmembraninis elektrocheminio potencialo Δ gradientas. lygus skirtumui protonų elektrocheminiai potencialai abiejose membranos pusėse:

- = Δ = zF∆ψ 1-2 + 2,3RTlg l / 2 [J ∙ mol -1],

čia Δ – H + jono elektrocheminių potencialų skirtumas abiejose membranos pusėse; z- jonų krūvis H + , lygus +1; ∆ψ 1-2 - elektrinio potencialo skirtumas tarp dviejų vandeninių fazių, atskirtų membrana, t.y. elektrinis potencialas per membraną voltais; l ir [H + ] 2 yra molinės H + jonų koncentracijos abiejose membranos pusėse (indeksai 1 ir 2 reiškia tirpalus uždaros membranos viduje ir išorėje).

Reikšmės Δ dalijimosi iš konstantos F koeficientas vadinamas protono varomąja jėga ∆ρ ir matuojamas voltais. Jei įvedame konstantas ir išreiškiame H + jonų koncentracijų logaritmą pH vienetais (pH = -lg), tada 25 ° C temperatūrai gauname paprastą išraišką

∆ρ = ∆ /F = ∆ψ - 59∆pN [mV].

Kaip matyti iš lygties, protono varomoji jėga susideda iš dviejų komponentų. Pirmasis yra Δ pH gradientas, ty H + jonų koncentracijų skirtumas abiejose membranos pusėse. Dėl pH gradiento H + ir OH - jonai susikaupia šalia membranos paviršiaus. Dėl to atsiranda membranos potencialas ∆ψ (antrasis komponentas), kurį sukuria teigiamo krūvio perteklius vienoje membranos pusėje ir neigiamas krūvis kitoje. Membranos potencialo poveikį sustiprina kiti skirtingų požymių jonai, kurie taip pat traukia ir telkiasi šalia membranos. Pabrėžtina, kad nors viena membranos pusė yra labiau teigiamai įkrauta nei kita, tačiau pagrindinis tirpalas apskritai išlieka elektriškai neutralus, t.y. turi vienodą skaičių katijonų ir anijonų. Faktas yra tas, kad „papildomų“, nesubalansuotų jonų, sudarančių krūvio sluoksnį ant membranos, skaičius yra nereikšmingas, palyginti su iš viso jonų tirpale.

2.7. ENERGIJA Δ NAUDOJAMA ATP IŠ ADP IR P n SINTEZEI DALYVAUJANT ATP SINTAZEI

Netolygus protonų pasiskirstymas abiejose membranos pusėse skatina juos sklisti išilgai koncentracijos ir krūvio gradiento, kuriam membrana neleidžia. Energija ∆ arba ∆ρ yra laisvosios energijos (∆G= ∆ ), kuri yra saugoma membranoje ir gali būti išleista, jei protonai pradeda eiti pro membraną pagal potencialų gradientą, matas. Šią energiją galima panaudoti, jei yra difuzijos suporavimo su nuo energijos priklausoma reakcija mechanizmas. Toks mechanizmas yra ATP sintazė (F 1 F 0- ATPazė arba H + ATPazė F-muna), fermentų kompleksas, integruotas į sąsajos membraną, kuris naudoja Δ energiją ATP sintezei iš ADP ir P n. Sintezė yra susijusi su atvirkštine protonų srove išilgai jos potencialo gradiento per ATP-sintazės kompleksą, ty ji atliekama membranos iškrovos momentu, kai sumažėja arba išsklaidoma Δ.

Abu ∆ρ komponentai – gradientas ∆pH ir membranos potencialas ∆ψ – linkę priversti protonus kirsti membraną pagal koncentracijos ir krūvio gradientą, todėl abu komponentai yra lygiaverčiai ATP sintezei. Ši tezė patvirtinama eksperimentais. in vitro. ATP sintazės gali būti išskirtos iš membranos naudojant ploviklius ir įterpiamos į dirbtines membranos pūsleles (liposomas), paruoštas iš išgrynintų fosfolipidų. Tokiu atveju ATP sintezė gali būti stebima, jei dirbtinai sukuriamas pH gradientas arba membranai taikomas elektrinio potencialo skirtumas.

Nors pagrindinė ATP sintezės funkcija yra ATP sintezė, šis fermentas tam tikromis sąlygomis gali rodyti ATPazės aktyvumą, ty siurbti protonus prieš gradientą dėl ATP hidrolizės. Todėl ATP sintazė (H + -ATPazė) iš esmės gali konvertuoti dvi energijos formas:

Energija Δ gali būti naudojama ne tik ATP sintezei, bet ir kitiems tikslams. Pavyzdžiui, mitochondrijose jis naudojamas medžiagoms pernešti per membraną. Be to, išsklaidymas Δ yra svarbus termoreguliaciniam šilumos generavimui (žr. 4 sk.).

Dirbtinė lipidinė membrana yra praktiškai nepralaidi jonams, o biologinėse membranose yra " jonų kanalai“, per kurią atskiri jonai selektyviai prasiskverbia pro membraną (žr.). Membranos pralaidumas ir poliškumas priklauso nuo elektrocheminis gradientas ty dėl jonų koncentracijos abiejose membranos pusėse ( koncentracijos gradientas) ir iš skirtumus elektriniai potencialai tarp vidinės ir išorinės membranos pusių ( membranos potencialas).

Ramybės būsenoje ląstelių membranos potencialas ( poilsio potencialas, žr. ) yra nuo -0,05 iki -0,09 V, tai yra, esant viduje plazmos membranoje vyrauja neigiamų krūvių perteklius. Likusį potencialą pirmiausia suteikia Na + ir K + katijonai, taip pat organiniai anijonai ir Cl - jonas (1). Koncentracijos ląstelės išorėje ir viduje bei šių jonų pralaidumo koeficientai pateikti (2) lentelėje.

Jonų pasiskirstymas tarp išorinė aplinka ir aprašomas vidinis ląstelės tūris Nernsto lygtis(3), kur ΔΨ G yra transmembraninis potencialas (voltais, V), ty elektrinių potencialų skirtumas tarp dviejų membranos pusių, nesant jonų pernešimo per membraną ( pusiausvyros potencialas). Vienvalenčių jonų esant 25 °C temperatūrai koeficientas RT/Fn yra 0,026 V. Tuo pačiu metu iš (2) lentelės matyti, kad K + ΔΨ G jonai yra maždaug –0,09 V, t. y. tos pačios eilės reikšmė. kaip ir poilsio potencialas. Na + jonams, atvirkščiai, ΔΨ G ≈ +0,07 V, tai yra didesnis nei ramybės potencialas. Todėl Na + jonai patenka į ląstelę, kai atsidaro Na + kanalas. Na + ir K + jonų koncentracijų nelygybė nuolat palaikoma Na + / K + -ATPazė išleidžiant ATP (žr.).

Skyriaus „Energijos išsaugojimas membranose“ straipsniai:

• A. Elektrocheminis gradientas

2012–2019 m. Vizualinė biochemija. Molekulinė biologija. Vitaminai ir jų funkcijos.

Žinynas vaizdine forma – spalvų schemų pavidalu – aprašo visus biocheminius procesus. Laikoma biochemiškai svarbiu cheminiai junginiai, jų struktūra ir savybės, pagrindiniai procesai su jų dalyvavimu, taip pat svarbiausių laukinės gamtos procesų mechanizmai ir biochemija. Chemijos, biologijos ir medicinos universitetų studentams ir dėstytojams, biochemikams, biologams, medikams, taip pat visiems besidomintiems gyvybės procesais.

Elektronų perkėlimas išilgai kvėpavimo grandinės iš NADH į deguonį lydimas protonų išsiurbimo iš mitochondrijų matricos per vidinę membraną į tarpmembraninę erdvę. Dalis elektronų, perduodamų išilgai CPE, energijos išleidžiama šiam darbui.

Protonai, perkelti iš matricos į tarpmembraninę erdvę, negali grįžti į matricą, nes vidinė membrana yra nepralaidi protonams. Taigi sukuriamas protonų gradientas, su

kur protonų koncentracija tarpmembraninėje erdvėje didesnė ir pH mažesnis nei matricoje. Be to, kiekvienas protonas neša teigiamą krūvį, ir dėl to abiejose membranos pusėse atsiranda potencialų skirtumas: neigiamas krūvis viduje ir teigiamas krūvis išorėje. Kartu elektriniai ir koncentracijos gradientai sudaro elektrocheminį potencialą ΔμH+ – ATP sintezės energijos šaltinį. Kadangi aktyviausias protonų pernešimas į tarpmembraninę erdvę, būtinas ΔμH+ susidarymui, vyksta CPE srityse, atitinkančiose I, III ir IV kompleksų išsidėstymą, šios sritys vadinamos kvėpavimo konjugacijos taškais. ir fosforilinimas (6-11, 6-13 pav.).

Protonų pernešimo per mitochondrijų membraną jungties taškuose mechanizmas nėra pakankamai aiškus. Tačiau nustatyta, kad svarbus vaidmuo KoQ vaidina šiame procese. Protonų perdavimo mechanizmas, apimantis KoQ, buvo išsamiai ištirtas komplekso lygiu

KoQ perkelia elektronus iš I komplekso į III kompleksą ir protonus iš matricos į tarpmembraninę erdvę, atlikdamas tam tikras ciklines transformacijas, vadinamas Q ciklais. III komplekso elektronų donoras yra redukuotas ubichinonas (QH2), o akceptorius yra citochromas c. Citochromas c yra vidinės mitochondrijų membranos išorėje; ten taip pat yra aktyvusis citochromo c1 centras, iš kurio elektronai perkeliami į citochromą c.

Membranoje yra stacionarus bendras Q/QH2 telkinys, iš kurio kiekviena QH2 molekulė per vieną ciklą užtikrina protonų perkėlimą iš matricos į tarpmembraninę erdvę ir elektronus, kurie galiausiai patenka į deguonį. Dalis laisvos energijos išleidžiama darbui, atliekamam išpumpuojant protonus, kurie išsiskiria, kai elektronai perkeliami išilgai redokso potencialo gradiento. Elektrocheminio potencialo energija (ΔμH+) naudojama ATP sintezei, jei protonai grąžinami į matricą per ATP sintazės jonų kanalus.

Ryžiai. 6-13. Kvėpavimo ir ATP sintezės susiejimas mitochondrijose. I - NADH-dehidrogenazė; II - sukcinato dehidrogenazė; III - QH2-dehidrogenazė; IV - citochromo oksidazė; V - LTP sintazė. Protonų potencialo energija (elektrocheminis potencialas ΔμH+) naudojama ATP sintezei, jei protonai ATP sintazės jonų kanalais grąžinami į matricą.

2. ATP sintezės ir ATP sintezės struktūra

ATP sintazė (H+-ATPazė) yra neatskiriamas mitochondrijų vidinės membranos baltymas. Jis yra arti kvėpavimo grandinės. ATP sintazė susideda iš 2 baltymų kompleksų, žymimų F0 ir F1

Protonų koncentracijos padidėjimas tarpmembraninėje erdvėje suaktyvina ATP sintazę. Dėl elektrocheminio potencialo ΔμH+ protonai juda ATP sintazės kanalu į matricą. Lygiagrečiai, veikiant ΔμН+, vyksta konformaciniai pokyčiai F1 baltymo α, β-subvienetų porose, dėl kurių ATP susidaro iš ADP ir neorganinio fosfato. elektrocheminis potencialas,

sukurtas kiekviename iš 3 jungties taškų CPE, naudojamas vienai ATP molekulei sintetinti.