Proton gradyanı ve elektrokimyasal potansiyel. Muhteşem ve Gizemli Elektrikli Yılan Balığı Elektrokimyasal gradyandaki bir artış,
Dominik Statham
Fotoğraf ©depositphotos.com/Yourth2007
elektrofor elektrik) kuzey kesimdeki bataklıkların ve nehirlerin karanlık sularında yaşar Güney Amerika. Sofistike bir elektrolokasyon sistemine sahip olan ve düşük görüş koşullarında hareket edebilen ve avlanabilen gizemli bir avcıdır. Elektrik alanındaki kendi vücudunun neden olduğu bozulmaları tespit etmek için "elektroreseptörler" kullanarak, kendisi tespit edilmeden potansiyel avı tespit edebiliyor. Bir at gibi büyük bir memeliyi sersemletecek, hatta bir insanı öldürecek kadar güçlü bir elektrik şokuyla kurbanı hareketsiz hale getirir. Yılan balığı, uzun, yuvarlak gövde şekli ile genellikle müren balığı (Anguilliformes takımı) dediğimiz balığa benzer; ancak, farklı bir balık takımına (Gymnotiformes) aittir.Elektrik alanlarını algılayabilen balıklara denir. elektro alıcı ve elektrikli yılan balığı gibi güçlü bir elektrik alanı oluşturabilenlere denir. elektrojenik.
Bir elektrikli yılan balığı nasıl bu kadar yüksek bir elektrik voltajı üretir?
Elektrik üretebilenler yalnızca elektrikli balıklar değildir. Aslında, tüm canlı organizmalar bunu bir dereceye kadar yapar. Örneğin vücudumuzdaki kaslar beyin tarafından elektrik sinyalleriyle kontrol edilir. Bakteriler tarafından üretilen elektronlar, elektrositler adı verilen yakıt hücrelerinde elektrik üretmek için kullanılabilir. (aşağıdaki tabloya bakınız). Ve hücrelerin her biri küçük bir yük taşımasına rağmen, bu tür binlerce hücrenin bir el fenerindeki piller gibi bir seri halinde birleştirilmesi nedeniyle 650 volta (V) kadar voltaj üretilebilir. Bu sıralar paralel dizilirse 1 amperlik (A) elektrik akımı elde edilebilir, bu da 650 watt'lık bir elektrik şoku verir (W; 1 W = 1 V × 1 A).
Bir yılan balığı elektrik çarpmasından nasıl kaçınır?
Fotoğraf: CC-BY-SA Wikipedia aracılığıyla Steven Walling
Bilim adamları bu soruya tam olarak nasıl cevap vereceklerini bilmiyorlar ancak bazı ilginç gözlemlerin sonuçları bu soruya ışık tutabilir. bu sorun. Birincisi, bir yılan balığının hayati organları (beyin ve kalp gibi) elektrik üreten organlardan uzakta, başın yakınında bulunur ve yalıtım görevi görebilen yağ dokusu ile çevrilidir. Cildi zarar görmüş yılan balıklarının elektrik çarpmasıyla kendi kendini sersemletmeye daha duyarlı oldukları gözlemlendiğinden, derinin yalıtım özellikleri de vardır.
İkincisi, yılan balıkları çiftleşme anında partnerine zarar vermeden en güçlü elektrik şoklarını verebilirler. Ancak çiftleşme mevsimi dışında başka bir yılan balığı aynı kuvvetle vurulursa onu öldürebilir. Bu, yılan balıklarının açılıp kapatılabilen bir tür savunma sistemine sahip olduğunu düşündürür.
Elektrikli yılan balığı evrimleşmiş olabilir mi?
Darwin'in önerdiği sürecin gerektirdiği gibi, küçük değişiklikler sırasında bunun nasıl olabileceğini hayal etmek çok güç. Şok dalgası en başından önemliyse, sersemletmek yerine kurbanı tehlikeye karşı uyarırdı. Dahası, evrim sürecinde kurbanı sersemletme yeteneğini geliştirmek için elektrikli yılan balığının eşzamanlı bir kendini savunma sistemi geliştirin. Ne zaman elektrik şokunun gücünü artıran bir mutasyon ortaya çıksa, yılan balığının elektrik yalıtımını geliştiren başka bir mutasyon ortaya çıkmış olmalıydı. Bir mutasyonun yeterli olması pek olası görünmüyor. Örneğin, organları kafaya yaklaştırmak için aynı anda gerçekleşmesi gereken bir dizi mutasyon gerekir.
Çok az balık avını bayıltabilme yeteneğine sahip olsa da, navigasyon ve iletişim için düşük voltajlı elektrik kullanan birçok tür vardır. Elektrikli yılan balıkları, aynı zamanda elektrolokasyon kullanan ve bu yeteneği Güney Amerikalı kuzenleriyle birlikte geliştirdikleri düşünülen, bıçak balığı (Mormyridae familyası) olarak bilinen bir Güney Amerika balığı grubuna aittir. Üstelik evrimciler, balıklardaki elektrik organlarının olmadığını iddia etmek zorunda kalmaktadır. sekiz kez bağımsız olarak gelişti. Yapılarının karmaşıklığı göz önüne alındığında, bu sistemlerin evrim sürecinde en az bir kez, sekizden bahsetmeye gerek yok, gelişmiş olabileceği zaten çarpıcıdır.
Güney Amerika'dan bıçak kesiciler ve Afrika'dan kimeralar elektrik organlarını bulmak ve iletişim kurmak için kullanırlar ve bir dizi alet kullanırlar. Çeşitli türler elektroreseptörler. Her iki grupta da çeşitli karmaşık dalga biçimlerinin elektrik alanlarını üreten türler vardır. İki tür bıçak Brachyhypopopomus benetti ve brachyhypopopomus walteri birbirlerine o kadar benzerler ki aynı tipe atfedilebilirler, ancak bunlardan ilki bir doğru voltaj akımı ve ikincisi - bir alternatif voltaj akımı üretir. Daha da derine inerseniz, evrimsel hikaye daha da dikkat çekici hale gelir. Bazı türler, elektrolokasyon cihazlarının birbiriyle karışmaması ve girişim oluşturmaması için, balıkların her birinin elektrik deşarjının frekansını değiştirdiği özel bir sistem kullanır. Bu sistemin Güney Amerika'dan bir cam bıçak üreticisininkiyle hemen hemen aynı şekilde (aynı hesaplama algoritmasını kullanarak) çalışması dikkat çekicidir ( Eigenmannia) ve Afrika balığı aba-aba ( jimnastik). Böyle bir girişim eleme sistemi, farklı kıtalarda yaşayan iki ayrı balık grubunun evrim sürecinde bağımsız olarak gelişmiş olabilir mi?
Tanrı'nın Yaratılışının Başyapıtı
Elektrikli yılan balığının enerji birimi, kompaktlığı, esnekliği, hareketliliği, çevre güvenliği ve kendi kendini iyileştirme yeteneği ile tüm insan yaratımlarını gölgede bıraktı. Bu aparatın tüm parçaları, yılan balığına büyük bir hız ve çeviklikle yüzme yeteneği veren cilalı gövdeye mükemmel bir şekilde entegre edilmiştir. Elektrik üreten minik hücrelerden, yılanbalığının ürettiği elektrik alanlarının bozulmalarını analiz eden en karmaşık bilgisayar kompleksine kadar yapısının tüm detayları, büyük Yaratıcı'nın niyetini gösterir.
Elektrikli yılan balığı nasıl elektrik üretir? (popüler bilim makalesi)
Elektrikli balıklar, tıpkı vücudumuzdaki sinir ve kasların yaptığı gibi elektrik üretir. Elektrosit hücrelerinin içinde adı verilen özel enzimatik proteinler bulunur. Na-K ATPaz sodyum iyonlarını hücre zarından dışarı pompalar ve potasyum iyonlarını emer. ("Na", sodyumun kimyasal sembolüdür ve "K", potasyumun kimyasal sembolüdür. "ATP", pompaya güç sağlamak için kullanılan enerji molekülü olan adenozin trifosfat anlamına gelir.) Hücrenin içindeki ve dışındaki potasyum iyonları arasındaki dengesizlik, potasyum iyonlarını tekrar hücre dışına iten kimyasal bir gradyan ile sonuçlanır. Benzer şekilde, sodyum iyonları arasındaki bir dengesizlik, sodyum iyonlarını hücreye geri çeken kimyasal bir gradyan yaratır. Membrana gömülü diğer proteinler, potasyum iyonları için kanallar, potasyum iyonlarının hücreyi terk etmesine izin veren gözenekler görevi görür. Pozitif yüklü potasyum iyonları hücrenin dışında biriktikçe, hücre zarının etrafında bir elektriksel gradyan oluşur ve hücrenin dışı, içinden daha fazla pozitif yüke sahip olur. Pompalar Na-K ATPaz (sodyum-potasyum adenosin trifosfataz) sadece bir pozitif yüklü iyon seçecek şekilde inşa edilirler, aksi takdirde negatif yüklü iyonlar da akmaya başlayarak yükü nötralize eder.
Çoğu Elektrikli yılan balığının gövdesi elektrikli organlardan oluşur. Ana organ ve Avcı organı, üretim ve birikimden sorumludur. elektrik şarjı. Sachs organı, elektrolokasyon için kullanılan düşük voltajlı bir elektrik alanı üretir.
Kimyasal gradyan, potasyum iyonlarını dışarı itmek için hareket ederken, elektriksel gradyan onları geri çeker. Denge anında, kimyasal ve elektriksel kuvvetler birbirini dengelediğinde, hücrenin dışında, içine göre yaklaşık 70 milivolt daha fazla pozitif yük olacaktır. Böylece, hücrenin içinde -70 milivoltluk bir negatif yük vardır.
Bununla birlikte, hücre zarına gömülü daha fazla protein, sodyum iyonları için kanallar sağlar - bunlar, sodyum iyonlarının hücreye tekrar girmesine izin veren gözeneklerdir. Normalde bu gözenekler kapalıdır, ancak elektriksel organlar aktive edildiğinde gözenekler açılır ve pozitif yüklü sodyum iyonları, bir kimyasal potansiyel gradyanının etkisi altında tekrar hücreye girer. Bu durumda hücre içinde 60 milivolta kadar pozitif yük toplandığında denge sağlanır. devam ediyor genel değişiklik-70 ila +60 milivolt arasında voltaj ve bu 130 mV veya 0,13 V'dir. Bu deşarj çok hızlı bir şekilde, yaklaşık bir milisaniyede gerçekleşir. Ve bir dizi hücrede yaklaşık 5000 elektrosit olduğundan, tüm hücrelerin senkronize deşarjı nedeniyle 650 volta kadar (5000 × 0,13 V = 650) üretilebilir.
Na-K ATPase (sodyum-potasyum adenazin trifosfataz) pompalayın. Her döngüde iki potasyum iyonu (K+) hücreye girer ve üç sodyum iyonu (Na+) hücreden çıkar. Bu süreç, ATP moleküllerinin enerjisi tarafından yürütülür.
Sözlük
Eşit olmayan sayıda elektron ve proton nedeniyle elektrik yükü taşıyan bir atom veya molekül. Bir iyon, protonlardan daha fazla elektron içeriyorsa negatif, elektronlardan daha fazla proton içeriyorsa pozitif olarak yüklenir. Potasyum (K+) ve sodyum (Na+) iyonları pozitif yüklüdür.
Gradyan
Uzayda bir noktadan diğerine geçerken bazı miktarlardaki değişiklik. Örneğin ateşten uzaklaşırsanız sıcaklık düşer. Böylece yangın, mesafe ile azalan bir sıcaklık gradyanı oluşturur.
elektriksel gradyan
Elektrik yükünün büyüklüğündeki değişim gradyanı. Örneğin, hücrenin dışında hücrenin içinde olduğundan daha fazla pozitif yüklü iyon varsa, hücre zarı boyunca bir elektrik gradyanı akacaktır. Aynı yükler birbirini ittiği için iyonlar hücre içi ve hücre dışı yükü dengeleyecek şekilde hareket edeceklerdir. İyonların elektriksel gradyan nedeniyle hareketi, elektriksel potansiyel enerjinin etkisi altında pasif olarak gerçekleşir ve ATP molekülü gibi bir dış kaynaktan gelen enerjinin etkisi altında aktif olarak değil.
kimyasal gradyan
Gradyan kimyasal konsantrasyon. Örneğin, hücrenin dışında hücrenin içinde olduğundan daha fazla sodyum iyonu varsa, o zaman sodyum iyonu kimyasal gradyanı hücre zarından geçecektir. İyonların rastgele hareketi ve aralarındaki çarpışmalar nedeniyle, bir denge kurulana kadar, yani zarın her iki tarafında aynı sayıda sodyum iyonu bulunana kadar, sodyum iyonlarının daha yüksek konsantrasyonlardan daha düşük konsantrasyonlara hareket etme eğilimi vardır. . Bu, difüzyonun bir sonucu olarak pasif olarak gerçekleşir. Hareketler, ATP molekülü gibi bir dış kaynaktan alınan enerjiden değil, iyonların kinetik enerjisinden kaynaklanır.
Dinitrofenol gibi ayrıştırıcılar, membran boyunca H sızıntısına neden olarak elektrokimyasal proton gradyanını büyük ölçüde azaltır. Oligomisin, protonların Rc yoluyla akışını spesifik olarak bloke eder
Pirinç. 7-53. Bitkilerin ve siyanobakterilerin NADPH ve ATP oluşumu ile fotosentez sırasında elektronların geçişi sırasında redoks potansiyelindeki değişiklikler. Fotosistem II, evrimsel olarak ilişkili olduğu mor bakterinin reaksiyon merkezine (bkz. Şekil 7-50) çok benzer. Fotosistem I bu iki sistemden farklıdır ve evrimsel olarak başka bir prokaryot grubunun - yeşil bakterilerin - fotosistemleriyle ilişkili olduğuna inanılır. Fotosistem I'de, uyarılmış klorofil elektronları bir dizi sıkıca bağlı demir-kükürt merkezinden geçer. İki seri bağlı fotosistem, NADPH oluşturmak için sudan NADP'ye net bir elektron akışı sağlar. Ek olarak ATP, fotosistem II'yi fotosistem I'e bağlayan elektron taşıma zinciri tarafından oluşturulan elektrokimyasal proton gradyanının enerjisinden dolayı ATP sentetaz (gösterilmemiştir) tarafından oluşturulur. ATP oluşumunun bu Z-şemasına döngüsel olmayan denir döngüsel şema pirinç aksine fosforilasyon. 7-54 (ayrıca bkz. şekil 7-52). |
Hücrelere dinitrofenol gibi bir ayrıştırıcı ajan eklendiğinde, elektron transfer hızı arttıkça mitokondri tarafından oksijen alımı büyük ölçüde artar. Bu hızlanma solunum kontrolünün varlığından kaynaklanmaktadır. Bu kontrolün, elektrokimyasal proton gradyanının elektron taşınması üzerindeki doğrudan inhibe edici etkisine dayandığına inanılmaktadır. Bir ayrıştırıcı varlığında elektrokimyasal gradyan kaybolduğunda, kontrolsüz elektron taşınması, belirli bir miktarda substrat ile mümkün olan maksimum hıza ulaşır. Aksine, proton gradiyentindeki bir artış elektron taşınmasını yavaşlatır ve süreç yavaşlar. Dahası, iç zar üzerinde yapılan deneyde yapay olarak alışılmadık derecede yüksek bir elektrokimyasal gradyan oluşturulursa, normal elektron taşınması tamamen duracak ve solunum zincirinin bazı kısımlarında elektronların ters akışını tespit etmek mümkün olacaktır. solunum kontrolünün basitçe elektron taşınmasıyla birleştirilmiş protonları pompalamak için serbest enerji değerleri ile elektron taşınmasının kendisi arasındaki bir dengeyi yansıttığı veya başka bir deyişle elektrokimyasal proton gradyanının büyüklüğünün elektron taşınmasının hem hızını hem de yönünü etkilediği prensipte ATP sentetazın etki yönü ile aynı şekilde (Bölüm 9.2.3).
Solunum zinciri boyunca elektron taşınması sürecinde salınan enerji, mitokondrinin iç zarı üzerinde bir elektrokimyasal proton gradyanı şeklinde depolanır.
pP (ArP) gradyanı, P iyonlarının matrise geri hareket etmesine ve matrise herhangi bir pozitif yükün çekildiği zar potansiyelinin (AP) etkisini artıran matristen OP iyonlarının hareket etmesine neden olur ve olumsuz olan herhangi bir şey bunun dışına itilir. Bu iki kuvvetin birleşik etkisi, elektrokimyasal bir proton gradyanı ile sonuçlanır (Şekil 7-19).
Katı anaeroblar da dahil olmak üzere hemen hemen tüm bakteriler, zarları üzerinde bir proton-hareket kuvveti sürdürürler. Elektrokimyasal proton gradyanının enerjisi, hücrenin hareket etmesine izin veren bakteri kamçısını döndürmek için içlerinde kullanılır (Bölüm 12.5.4) ve için
Elektrokimyasal proton gradyanının enerjisi, ATP sentezi ve metabolitlerin ve inorganik iyonların matrise taşınması için kullanılır.
Şek. Şekil 7-34, solunum zincirinin farklı bölümlerindeki redoks potansiyeli seviyelerini göstermektedir. Üç ana solunum kompleksinin her birinde keskin bir düşüş meydana gelir. Herhangi iki elektron taşıyıcı arasındaki potansiyel fark, bir elektron bir taşıyıcıdan diğerine geçerken salınan enerji ile doğru orantılıdır (Şekil 7-34). Her kompleks, enerji dönüştürücü bir cihaz görevi görerek, bu serbest enerjiyi protonları zar boyunca hareket ettirmeye yönlendirerek elektronlar devreden geçerken elektrokimyasal bir proton gradyanının oluşmasına neden olur. Bu enerji dönüşümü, izole edilmiş herhangi bir solunum zinciri kompleksinin ayrı ayrı lipozomlara dahil edilmesiyle doğrudan gösterilebilir (bkz. Şekil 7-25). Uygun bir elektron donörü ve alıcısının mevcudiyetinde, böyle bir kompleks elektronları transfer edecek ve lipozom zarı boyunca protonların pompalanmasıyla sonuçlanacaktır.
Solunum enzimi kompleksleri, elektronların taşınmasını, enerjinin serbest bırakılmasıyla birlikte, protonların matristen pompalanmasıyla birleştirir. Bu durumda oluşturulan elektrokimyasal proton gradyanı, başka bir transmembran protein kompleksi olan ATP sentetaz tarafından ATP sentezi için enerji sağlar ve protonlar matrise geri döner. ATP sentetaz, normalde matrise yönlendirilen proton akışının enerjisini ATP fosfat bağlarının enerjisine dönüştüren tersine çevrilebilir bir bağlanma kompleksidir, ancak elektrokimyasal proton gradyanı azaldığında, protonları hareket ettirmek için ATP hidrolizinin enerjisini de kullanabilir. matrisin dışında. Kemiozmotik mekanizmalar, hem mitokondri hem de kloroplastlar ve bakterilerin karakteristiğidir ve bu, onların tüm hücreler için istisnai önemini gösterir.
Yüksek enerjili elektronlar solunum zincirinden geçerken, protonlar matrisin üç enerji depolama bölgesinin her birinden dışarı pompalanır. Sonuç olarak, iç zarın iki tarafı arasında, protonların ATP'yi ADP'den sentezlemek için proton akımının enerjisini kullanan bir transmembran enzim kompleksi olan ATP sentetaz aracılığıyla matrise geri döndüğü etkisi altında bir elektrokimyasal proton gradyanı ortaya çıkar. ve P.
Pirinç. 9-36. Bakteriyel plazma zarında üretilen proton hareket kuvveti, besinlerin hücre içine hareketini ve sodyumun dışarıya çıkarılmasını sağlar. Oksijen (A) varlığında, aerobik bakterilerin solunum zinciri, ATP sentetazı tarafından ATP'yi sentezlemek için kullanılan bir elektrokimyasal proton gradyanı oluşturur. Anaerobik koşullar altında (B), aynı bakteri glikoliz sonucunda ATP elde eder. ATP sentetazın etkisi altında bu ATP'nin bir kısmının hidrolizi nedeniyle, taşıma işlemlerini gerçekleştiren bir transmembran proton-motivasyon kuvveti ortaya çıkar. (Metinde anlatıldığı gibi, elektron taşıma zincirinin protonları dışarı pompaladığı bakteriler vardır ve anaerobik koşullar altında bu durumda son elektron alıcısı oksijen değil, diğer moleküllerdir.) |
Elektrokimyasal proton gradyanı, milivolt (mV) cinsinden ölçülen bir proton itici güç oluşturur. 1 pH birimindeki bir pP (ArH) gradyanı, yaklaşık 60 mV'lik bir zar potansiyeline eşdeğer olduğundan, proton hareket ettirici kuvvet A - 60'a (ArH) eşit olacaktır. Tipik bir hücrede, solunum yapan bir mitokondrinin iç zarı üzerindeki bu kuvvet yaklaşık 220 mV'dir ve yaklaşık 160 mV'lik bir zar potansiyeli ile bir pH gradyanının toplamıdır. yakın - ] pH birimi.
Ancak ATP'nin sentezi, elektrokimyasal gradyanın enerjisinden dolayı meydana gelen tek süreç değildir. Sitrik asit döngüsünde ve diğer metabolik reaksiyonlarda yer alan enzimlerin yer aldığı matriste, ATP sentetaz için gerekli olan ADP ve fosfat başta olmak üzere çeşitli substratların yüksek konsantrasyonlarda tutulması gerekir. Bu nedenle, çeşitli yük taşıyan substratların iç zar boyunca taşınması gerekir. Bu, zara gömülü çeşitli taşıyıcı proteinler tarafından sağlanır (bkz. Bölüm 6.4.4). birçoğu belirli molekülleri elektrokimyasal gradyanlarına karşı aktif olarak pompalar, yani enerji harcanmasını gerektiren bir işlemi gerçekleştirir. Çoğu metabolit için, bu enerjinin kaynağı diğer bazı moleküllerin elektrokimyasal gradyanlarındaki hareketiyle konjugasyondur (bkz. Bölüm 6.4.9). Örneğin, ADP-ATP antiport sistemi, ADP taşınmasına katılır; her bir ADP molekülü matrise girdiğinde, bir ATP molekülü, elektrokimyasal gradyanı boyunca matristen ayrılır. Aynı zamanda simport sistemi, fosfatın mitokondriye geçişini oraya yönlendirilen P akışıyla birleştirir, protonlar gradyanları boyunca matrise girer ve aynı zamanda fosfatı da beraberinde sürükler. Benzer şekilde matrise ve piruvata aktarılır (Şekil 7-21). Elektrokimyasal proton gradyanının enerjisi, Ca iyonlarını matrise aktarmak için de kullanılır; bu, görünüşe göre, bazı mitokondriyal enzimlerin aktivitesinin düzenlenmesinde önemli bir rol oynar, bu iyonların mitokondri tarafından sitozolden çıkarılması için alınması ikincisindeki Ca konsantrasyonu tehlikeli hale geldiğinde de büyük önem taşıyabilir (bkz. bölüm 12.3.7).
ATP sentetazın etkisi tersine çevrilebilir; hem ATP hidroliz enerjisini protonları iç mitokondriyal zardan pompalamak için hem de ATP sentezi için elektrokimyasal gradyan boyunca proton akışının enerjisini kullanabilir (Şekil 7-26). Bu nedenle, ATP sentetaz, elektrokimyasal proton gradyanının ve kimyasal bağların enerjisinin birbirine dönüşümünü gerçekleştiren tersinir bir konjuge sistemdir. Çalışma yönü, proton gradyanının dikliği ile ATP hidrolizi için AG'nin yerel değeri arasındaki ilişkiye bağlıdır.
ATP hidrolizinin serbest enerjisinin üç reaktanın - ATP, ADP ve Pi - konsantrasyonuna bağlı olduğunu daha önce göstermiştik (bkz. Şekil 7-22). ATP sentezi için AG, eksi ile alınan aynı değerdir. Zardan geçen protonların serbest enerjisi, (1) herhangi bir iyonun bir molünü AV potansiyel farkı olan alanlar arasında hareket ettirmek için AG'nin ve (2) herhangi bir molekülün bir molünü farklı alanlar arasında hareket ettirmek için (2) AG'nin toplamına eşittir. konsantrasyonlar. Sec'de verilen proton hareket ettirici kuvvet denklemi. 7.1.7, aynı bileşenleri birleştirir, ancak yalnızca konsantrasyon farkı, zar potansiyelinde eşdeğer bir artışla değiştirilir, böylece protonun elektrokimyasal potansiyeli için bir ifade elde edilir. Bu nedenle, protonların hareketi ve proton-hareket kuvveti için AG aynı potansiyeli hesaba katar, yalnızca ilk durumda kilokalori cinsinden ve ikinci durumda - milivolt cinsinden ölçülür. Bir birimden diğerine dönüştürme katsayısı Faraday sayısıdır. Böylece AGh = -0,023 (proton hareket kuvveti), burada AGh + 1 mol başına kilokalori (kcal/mol) olarak ifade edilir ve proton hareket kuvveti milivolt (mV) cinsinden ifade edilir. Elektrokimyasal proton gradyanı 220 mV ise, AGh = 5.06
ATP sentetazı normalde matristen P taşımazsa, normal koşullar altında iç mitokondriyal zarda bulunan solunum zinciri protonları bu zardan taşır, böylece ATP sentezi için enerji sağlayan bir elektrokimyasal proton gradyanı oluşturur. Belirli koşullar altında, solunum zincirinin matristen protonları pompalama yeteneğini deneysel olarak göstermek mümkündür. Örneğin, oksidasyon için uygun bir substrat ile izole edilmiş mitokondri süspansiyonu sağlamak ve ATP sentetaz yoluyla proton akışını bloke etmek mümkündür. P iyonlarının mitokondriyal matristen atılmasının bir sonucu olarak elektrot.
Pirinç. 7-36. Ayırma ajanı 2,4-dinitrofenol (DNP) katılımıyla iç mitokondriyal zardan protonların transferi DNP'nin yüklü (protonlanmış) formu serbestçe olabilir |
Çözeltideki maddenin durumu şu şekilde karakterize edilebilir: kimyasal potansiyel μ s , birimlerle ölçülür bedava enerji. Bir maddenin aktivitesinin konsantrasyonuna eşit olması ve hidrostatik basınç 1 ihmal edilebilir, s maddesinin kimyasal potansiyeli şuna eşittir:
µs= + 2.3RTlg [J mol -1],
1 M konsantrasyonda bir maddenin standart kimyasal potansiyeli nerede; - maddenin molar konsantrasyonu s.
İ iyonunun durumu şu şekilde belirlenir: elektrokimyasal potansiyel, bunu dikkate alan
Bir iyonun sınıflandırılması yalnızca konsantrasyonuna değil, aynı zamanda çözeltinin elektrik potansiyeline de bağlıdır:
= +2.3RTlg+ z Fψ[J ∙ mol -1],
nerede - 1 M iyon konsantrasyonunda standart elektrokimyasal potansiyel; R, gaz sabitidir (8.314 J∙mol -1 ∙K -1); T - mutlak sıcaklık, K; - mol cinsinden iyon konsantrasyonu; F - Faraday sayısı (96.49 kJ ∙ V -1 ∙ mol -1); z- iyon yükü; ψ, çözeltinin elektrik potansiyelidir.
Elektrokimyasal potansiyel, bir iyonun serbest enerjisini tahmin eder ve bir iyonun bir alandan diğerine hareket etmesine neden olabilecek tüm kuvvetleri hesaba katar. İyonların bir zar boyunca daha yüksek bir bölgeden daha düşük elektrokimyasal potansiyele sahip bir bölgeye kendiliğinden hareketi pasif taşıma veya difüzyondur. itici güç difüzyon, elektrokimyasal potansiyellerdeki fark veya AD iyonunun transmembran elektrokimyasal gradyanı, -'dir. iyon hareketi elektrokimyasal potansiyel gradyanına karşı enerji gerektirir ve denir aktif taşımacılık. Eğer zarın her iki tarafındaki iyonların potansiyelleri eşitse, yani ∆ = 0 ise bu, zardan geçen iyon akışlarının dengede olduğu anlamına gelir.
Zarın, H + iyonlarının içeriğinin farklı olduğu iki bölgeyi ayırdığını hayal edin ve
elektrokimyasal potansiyeller H + sırasıyla eşittir:
H + iyonunun eşit olmayan dağılımının bir sonucu olarak, elektrokimyasal potansiyelin Δ bir transmembran gradyanı farka eşit zarın her iki tarafındaki protonların elektrokimyasal potansiyelleri:
- = Δ = zF∆ψ 1-2 + 2.3RTlg l / 2 [J ∙ mol -1],
Δ, zarın her iki tarafındaki H + iyonunun elektrokimyasal potansiyellerindeki farktır; z- iyon yükü H+ , +1'e eşittir; ∆ψ 1-2 - bir zarla ayrılmış iki sulu faz arasındaki elektrik potansiyeli farkı, yani zar boyunca volt cinsinden elektrik potansiyeli; l ve [H + ] 2, zarın her iki tarafındaki H + iyonlarının molar konsantrasyonlarıdır (endeks 1 ve 2, kapalı zarın içindeki ve dışındaki çözeltileri ifade eder).
Δ değerinin F sabitine bölünmesinin oranı proton hareket ettirici kuvvet ∆ρ olarak adlandırılır ve volt olarak ölçülür. Sabitler eklersek ve H + iyonlarının konsantrasyonlarının logaritmasını pH (pH = -lg) cinsinden ifade edersek, o zaman 25 ° C'lik bir sıcaklık için basit bir ifade elde ederiz.
∆ρ = ∆ /F = ∆ψ - 59∆pN [mV].
Denklemden görülebileceği gibi, proton hareket kuvveti iki bileşenden oluşur. Birincisi, Δ pH gradyanı, yani zarın her iki tarafındaki H + iyonlarının konsantrasyonlarındaki farktır. pH gradyanı, H + ve OH - iyonlarının zar yüzeyinin yakınında konsantre olmasına neden olur. Bu, zarın bir tarafında aşırı pozitif yük ve diğer tarafında negatif yük tarafından oluşturulan bir zar potansiyeli ∆ψ (ikinci bileşen) görünümüne yol açar. Zar potansiyelinin etkisi, aynı zamanda çekilen ve zarın yakınında yoğunlaşan farklı işaretlere sahip diğer iyonlar tarafından arttırılır. Membranın bir tarafı diğerinden daha pozitif yüklü olmasına rağmen, temel çözümün genellikle elektriksel olarak nötr kaldığı vurgulanmalıdır; eşit sayıda katyon ve anyon içerir. Gerçek şu ki, zar üzerinde bir yük tabakası oluşturan "ekstra", dengesiz iyonların sayısı, diğerlerine kıyasla ihmal edilebilir düzeydedir. toplam sayısıçözeltideki iyonlar.
2.7. ENERJİ Δ ATP SENTAZININ KATILIMI İLE ADP VE P n'DEN ATP SENTEZİ İÇİN KULLANILIR
Protonların zarın her iki tarafındaki eşit olmayan dağılımı, onları zar tarafından önlenen konsantrasyon ve yük gradyanı boyunca yayılmaya teşvik eder. Enerji ∆ veya ∆ρ, zarda depolanan ve protonlar potansiyel gradyanları boyunca zardan geçmeye başlarsa salınabilen serbest enerjinin (∆G= ∆ ) bir ölçüsüdür. Bu enerji, difüzyonu enerjiye bağımlı bir reaksiyonla eşleştirmek için bir mekanizma varsa kullanılabilir. Böyle bir mekanizma ATP sentaz (F 1 F 0- ATPaz veya H + ATPaz F-muna), ADP ve Pn'den ATP'yi sentezlemek için Δ enerjisini kullanan arayüz zarına entegre edilmiş bir enzim kompleksi. Sentez, ATP-sentaz kompleksi yoluyla potansiyelinin gradyanı boyunca ters bir proton akımı ile ilişkilidir, yani membran deşarjı anında bir azalma veya Δ dağılımı ile gerçekleştirilir.
∆ρ'nın her iki bileşeni - ∆pH gradyanı ve ∆ψ membran potansiyeli - protonları bir konsantrasyon ve yük gradyanı boyunca zarı geçmeye zorlama eğilimindedir ve bu nedenle her iki bileşen de ATP sentezi için eşdeğerdir. Bu tez deneylerle doğrulanmıştır. laboratuvar ortamında. ATP sentazları, deterjanlar kullanılarak zardan izole edilebilir ve saflaştırılmış fosfolipidlerden hazırlanan yapay zar keseciklerine (lipozomlar) dahil edilebilir. Bu durumda, yapay olarak bir pH gradyanı oluşturulursa veya zara bir elektrik potansiyeli farkı uygulanırsa ATP sentezi gözlemlenebilir.
ATP sentazın ana işlevi ATP'nin sentezi olmasına rağmen, bu enzim belirli koşullar altında ATPaz aktivitesi sergileyebilir, yani ATP hidrolizi nedeniyle gradyana karşı proton pompalayabilir. Bu nedenle, ATP sentaz (H + -ATPase) prensip olarak iki enerji biçimini birbirine dönüştürme yeteneğine sahiptir:
Enerji Δ sadece ATP sentezi için değil, başka amaçlar için de kullanılabilir. Örneğin, mitokondride, maddeleri zar boyunca taşımak için kullanılır. Ek olarak, ısı dağılımı Δ ısının termo-düzenleyici üretiminde önemlidir (bkz. Bölüm 4).
Yapay lipit zarı pratik olarak iyonları geçirmezken, biyolojik zarlar " iyon kanalları”, içinden tek tek iyonların zara seçici olarak nüfuz ettiği (bkz.). Membranın geçirgenliği ve polaritesi şunlara bağlıdır: elektrokimyasal gradyan, yani zarın her iki tarafındaki iyonların konsantrasyonlarında ( konsantrasyon gradyanı) ve gelen farklılıklar zarın iç ve dış tarafları arasındaki elektriksel potansiyeller ( zar potansiyeli).
Hücrelerin dinlenme durumunda, zar potansiyeli ( dinlenme potansiyeli, bkz. ) -0,05 ila -0,09 V arasındadır, yani içeri Plazma zarına aşırı miktarda negatif yük hakimdir. Dinlenme potansiyeli, öncelikle Na + ve K + katyonları ile organik anyonlar ve Cl - iyonu (1) tarafından sağlanır. Bu iyonların hücre içi ve dışı konsantrasyonları ve geçirgenlik katsayıları Tablo (2)'de gösterilmiştir.
iyonların dağılımı dış ortam ve hücrenin iç hacmi tarif edilir Nernst denklemi(3), burada ΔΨ G, transmembran potansiyelidir (volt, V olarak), yani zardan iyon taşınması olmadığında zarın iki tarafı arasındaki elektrik potansiyellerindeki farktır ( denge potansiyeli). 25°C'de tek değerlikli iyonlar için RT/Fn faktörü 0,026 V'dir. Aynı zamanda tablo (2)'den K + ΔΨ G iyonları için yaklaşık -0,09 V, yani aynı dereceden bir değer olduğu sonucu çıkar. as ve dinlenme potansiyeli. Na+ iyonları için ise tam tersine ΔΨ G ≈ +0,07 V yani dinlenme potansiyelinden yüksektir. Bu nedenle Na+ kanalı açıldığında Na+ iyonları hücreye girer. Na + ve K + iyonlarının konsantrasyonlarının eşitsizliği sürekli olarak korunur Na + /K + -ATPaz ATP harcarken (bkz.).
"Membranlarda enerjinin korunumu" bölümündeki maddeler:
- A. Elektrokimyasal Gradyan
2012-2019. Görsel biyokimya. Moleküler Biyoloji. Vitaminler ve görevleri.
Görsel formdaki referans kitabı - renk şemaları şeklinde - tüm biyokimyasal süreçleri açıklar. Biyokimyasal olarak önemli kabul edilir kimyasal bileşikler, yapıları ve özellikleri, katılımlarıyla birlikte ana süreçler ve ayrıca vahşi yaşamdaki en önemli süreçlerin mekanizmaları ve biyokimyası. Kimya, biyoloji ve tıp üniversitelerinin öğrencileri ve öğretmenleri, biyokimyacılar, biyologlar, doktorlar ve ayrıca yaşam süreçleriyle ilgilenen herkes için.
Elektronların solunum zinciri boyunca NADH'den oksijene transferine, protonların mitokondriyal matristen iç zar yoluyla zarlar arası boşluğa pompalanması eşlik eder. CPE boyunca aktarılan elektronların enerjisinin bir kısmı bu iş için harcanır.
Matristen zarlar arası boşluğa aktarılan protonlar, iç zar protonlara karşı geçirimsiz olduğundan matrise geri dönemezler. Böylece, bir proton gradyanı oluşturulur.
zarlar arası boşluktaki proton konsantrasyonunun daha fazla olduğu ve pH'ın matristekinden daha düşük olduğu yer. Ek olarak, her proton pozitif bir yük taşır ve sonuç olarak, zarın her iki tarafında bir potansiyel fark ortaya çıkar: içeride bir negatif yük ve dışarıda bir pozitif yük. Birlikte ele alındığında, elektrik ve konsantrasyon gradyanları, ATP sentezi için enerji kaynağı olan elektrokimyasal potansiyel ΔμH+'yı oluşturur. ΔμH+ oluşumu için gerekli olan zarlar arası boşluğa protonların en aktif taşınması, I, III ve IV komplekslerinin konumuna karşılık gelen CPE alanlarında meydana geldiğinden, bu alanlara solunumun konjugasyon noktaları denir. ve fosforilasyon (Şekil 6-11, 6-13).
Bağlantı noktalarında mitokondriyal zar boyunca proton taşıma mekanizması yeterince açık değildir. Ancak tespit edilmiştir ki önemli rol KoQ bu süreçte oynar. KoQ'yu içeren proton transfer mekanizması, kompleks seviyesinde en ayrıntılı şekilde incelenmiştir.
KoQ, elektronları kompleks I'den kompleks III'e ve protonları matristen zarlar arası boşluğa aktararak Q döngüleri adı verilen bir tür döngüsel dönüşüm gerçekleştirir. Kompleks III için elektron donörü indirgenmiş ubikinondur (QH2) ve alıcı sitokrom c'dir. Sitokrom c, iç mitokondriyal zarın dışında bulunur; sitokrom c1'in aktif merkezi de burada bulunur ve buradan elektronlar sitokrom c'ye aktarılır.
Zarda, bir döngüdeki her bir QH2 molekülünün, protonların matristen zarlar arası boşluğa ve sonunda oksijene giden elektronlara transferini sağladığı sabit bir ortak Q/QH2 havuzu vardır. Serbest enerjinin bir kısmı, elektronlar redoks potansiyel gradyanı boyunca aktarıldığında salınan protonları dışarı pompalarken yapılan işe harcanır. Elektrokimyasal potansiyelin enerjisi (ΔμH+), eğer protonlar ATP sentazın iyon kanalları yoluyla matrise geri döndürülürse, ATP'yi sentezlemek için kullanılır.
Pirinç. 6-13. Mitokondride solunum ve ATP sentezinin birleştirilmesi. 1 - NADH-dehidrojenaz; II - süksinat dehidrojenaz; III - QH2-dehidrojenaz; IV - sitokrom oksidaz; V - LTP sentaz. Protonlar ATP sentazın iyon kanalları yoluyla matrise geri döndürülürse, proton potansiyelinin enerjisi (elektrokimyasal potansiyel ΔμH+), ATP sentezi için kullanılır.
2. ATP sentazın yapısı ve ATP sentezi
ATP sentaz (H+-ATPase), mitokondri iç zarının ayrılmaz bir proteinidir. Solunum zincirine yakın bir yerde bulunur. ATP sentaz, F0 ve F1 olarak adlandırılan 2 protein kompleksinden oluşur.
Zarlar arası boşluktaki proton konsantrasyonundaki bir artış, ATP sentazını aktive eder. Elektrokimyasal potansiyel ΔμH+, protonların ATP sentaz kanalı boyunca matrise doğru hareket etmesine neden olur. Paralel olarak, ΔμН + etkisi altında, F1 proteininin α, β alt birimlerinin çiftlerinde konformasyonel değişiklikler meydana gelir ve bunun sonucunda ADP ve inorganik fosfattan ATP oluşur. elektrokimyasal potansiyel,
CPE'deki 3 birleşme noktasının her birinde üretilen bir ATP molekülünü sentezlemek için kullanılır.