Электрохимический градиент

Диаграмма концентрации и заряда ионов на полупроницаемой клеточной мембране.

Электрохимический градиент является градиентом от электрохимического потенциала , как правило , 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 разности зарядов 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 электрический потенциал.через мембрану. Если есть неравное распределение зарядов по мембране, то разница в электрических потенциалах создает силу, которая стимулирует диффузию ионов до тех пор, пока заряды не уравновесятся на обеих сторонах мембраны. ^[1]

Определение [ править ]

Электрохимический градиент - это градиент электрохимического потенциала:

${\ displaystyle \ nabla {\ overline {\ mu}} _ {i} = \ nabla \ mu _ {i} ({\ vec {r}}) + \ nabla z_ {i} \ mathrm {F} \ varphi ( {\ vec {r}})}$, с

• ${\ Displaystyle \ mu _ {я}}$ химический потенциал разновидностей ионов ${\ displaystyle i}$
• ${\ displaystyle z_ {i}}$ валентность ионных частиц ${\ displaystyle i}$
• F, постоянная Фарадея
• ${\ displaystyle \ varphi}$местный электрический потенциал

Обзор [ править ]

Электрохимический потенциал важен в электроаналитической химии и промышленных приложениях, таких как батареи и топливные элементы. Он представляет собой одну из многих взаимозаменяемых форм потенциальной энергии, с помощью которой можно сохранять энергию .

В биологических процессах направление движения иона за счет диффузии или активного транспорта 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 путем окислительного фосфорилирования или фотофосфорилирования соответственно. ^[2]

Электрохимический градиент состоит из двух компонентов. Во-первых, электрический компонент вызван разностью зарядов на липидной мембране. Во-вторых, химический компонент вызван разной концентрацией ионов на мембране. Комбинация этих двух факторов определяет термодинамически благоприятное направление движения иона через мембрану. ^{[1] [3]}

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, а ионы, которые проходят через мембрану, эквивалентны воде, которая попадает на дно. плотины. Кроме того, энергию можно использовать для закачки воды в озеро над плотиной. Аналогичным образом химическая энергия в клетках может использоваться для создания электрохимических градиентов. ^{[4] [5]}

Химия [ править ]

Термин обычно применяется в контекстах, в которых должна иметь место химическая реакция , например реакция , включающая перенос электрона на электроде батареи . В батарее 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 Таблицу стандартных электродных потенциалов ). В случаях, касающихся конкретно движения электрически заряженных растворенных веществ, потенциал часто выражается в единицах вольт . См .: Концентрационная ячейка .

Биологический контекст [ править ]

Генерация трансмембранного электрического потенциала посредством движения ионов через клеточную мембрану запускает биологические процессы, такие как нервная проводимость, сокращение мышц , секреция гормонов и сенсорные процессы. По соглашению, типичная животная клетка имеет трансмембранный электрический потенциал от -50 мВ до -70 мВ внутри клетки по отношению к внешней стороне. ^[6]

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, образуют 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.в ADP . ^[7] Таким образом, генерация протонного электрохимического градиента имеет решающее значение для производства энергии в митохондриях. ^[8] Полное уравнение для цепи переноса электронов:

NADH + 11 H ⁺ _{(матрица)} + 1/2 O ₂ → NAD ⁺ + 10 H ⁺ _(IMS) + H ₂ O. ^[9]

Подобно цепи переноса электронов, светозависимые реакции фотосинтеза перекачивают протоны в тилакоидный просвет хлоропластов, чтобы 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 (ФСII), пластихинон и комплекс цитохрома b 6 f непосредственно участвуют в создании протонного градиента. На каждые четыре фотона, поглощенные ФСII, в просвет перекачивается восемь протонов. ^[10] Общее уравнение фотофосфорилирования:

2 НАДФ ⁺ + 6 H ⁺ _{(строма)} + 2 H ₂ O → 2 NADPH + 8 H ⁺ _{(просвет)} + O ₂ . ^[11]

Некоторые другие переносчики и ионные каналы играют роль в создании электрохимического градиента протонов. Одним из них является TPK ₃ , калиевый канал, который активируется Ca ²⁺ и проводит K ⁺ из просвета тилакоида в строму, что помогает установить градиент pH . С другой стороны, электронейтральный антипортер оттока K ⁺ (KEA ₃ ) транспортирует K ⁺ в просвет тилакоида и H ⁺ в строму, что помогает установить электрическое поле . ^[12]

Ионные градиенты [ править ]

Поскольку ионы заряжены, они не могут пройти через мембрану путем простой диффузии. Два разных механизма могут переносить ионы через мембрану: активный или пассивный транспорт. Примером активного транспорта ионов является Na + -K + -ATPase (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 _{мембраны} около -60 мВ.^[5] Примером пассивного транспорта являются потоки ионов черезканалыNa ⁺ , K ⁺ , Ca ²⁺ и Cl ^- . Эти ионы имеют тенденцию двигаться вниз по градиенту их концентрации. Например, посколькуза пределами ячейкиимеется высокая концентрация Na ⁺ , Na ⁺ будет течь черезканалNa ⁺ в ячейку. Поскольку электрический потенциал внутри клетки отрицательный, приток положительного иона деполяризует мембрану, что приближает трансмембранный электрический потенциал к нулю. Однако Na ⁺будет продолжать движение 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: ^{[13] [14]}

${\displaystyle \Delta G=RT\ln {\frac {c_{\rm {in}}}{c_{\rm {out}}}}+zFV_{\rm {membrane}}}$^[6]

В этом уравнении R представляет собой газовую постоянную , T представляет собой абсолютную температуру , z представляет собой ионный заряд, а F представляет собой постоянную Фарадея . ^[15]

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

Протонные градиенты [ править ]

В частности, протонные градиенты важны для многих типов клеток как форма хранения энергии. Градиент обычно используется для управления АТФ-синтазой, вращением жгутиков или транспортом метаболитов . ^{[23] В} этом разделе мы сосредоточимся на трех процессах, которые помогают установить протонный градиент в соответствующих клетках: бактериородопсин, нециклическое фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование.

Бактериородопсин [ править ]

Бактериородопсин создает протонный градиент у архей с помощью протонного насоса . Протонный насос полагается на переносчики протонов, которые направляют протоны со стороны мембраны с низкой концентрацией H ⁺ на сторону мембраны с высокой концентрацией H ⁺ . В бактериородопсина, протон насос включается при поглощении фотонов 568 нм длины волны , которая приводит к изомеризации части основания Шиффа (SB) в ретиналь , образующих состояние K. Это отодвигает SB от Asp85 и Asp212, вызывая H ⁺переход от SB к Asp85, формирующий состояние M1. Затем белок переходит в состояние M2, отделяя Glu204 от Glu194, который высвобождает протон из Glu204 во внешнюю среду. SB репротонируется Asp96 , который формирует состояние N. Важно, что второй протон происходит от 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 выпускает свой протон в Glu204. ^{[23] [24]}

Фотофосфорилирование [ править ]

PSII также полагается на свет, чтобы управлять образованием протонных градиентов 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 P 680 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 ФСII после получения двух протонов из стромы. Электроны в P ₆₈₀ пополняются за счет окисления воды посредством комплекса с выделением кислорода (OEC). Это приводит к высвобождению O ₂ и H ⁺ в просвет. ^[23] Полная реакция показана:

${\displaystyle 4\ photons(680nm)\ +\ 2H_{2}O\ +\ 2PQ\ +\ 4H^{+}(stroma)\longrightarrow O_{2}\ +\ 2PQH_{2}\ +\ 4H^{+}(lumen)}$^[23]

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 передает его цитохрому f, который затем передает его пластоцианину. Второй электрон передается гему b L, который затем передает его гему b _H.который затем передает его в PQ. Во второй реакции окисляется второй PQH ₂ , добавляя электрон к другому пластоцианину и PQ. Обе реакции вместе переносят четыре протона в просвет. ^{[25] [26]}

Окислительное фосфорилирование [ править ]

В цепи переноса электронов, комплекс I (CI) катализирует на сокращение от убихинона (UQ) до убихинола (UQH ₂ ) путем передачи двух электронов из восстановленного никотинамидадениндинуклеотида (NADH) , который транслоцируется четыре протонов из митохондриального матрикса к IMS : ^[27]

${\displaystyle {\ce {NADH}}+{\ce {H^+}}+{\ce {UQ}}+4\underbrace {{\ce {H^+}}} _{\mathrm {matrix} }\longrightarrow {\ce {NAD^+}}+{\ce {UQH_2}}+4\underbrace {{\ce {H^+}}} _{\mathrm {IMS} }}$^[27]

Комплекс III (CIII) катализирует Q-цикл . Первый этап включает 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 на участке Q _i . ^[27] Полная реакция показана:

${\displaystyle 2\ \underbrace {\mathrm {cytochrome\ c} } _{\mathrm {oxidized} }\ +\ {\ce {UQH_2}}\ +\ 2\underbrace {{\ce {H^+}}} _{\mathrm {matrix} }\longrightarrow 2\ \underbrace {\mathrm {cytochrome\ c} } _{\mathrm {reduced} }\ +\ {\ce {UQ}}\ +\ 4\underbrace {{\ce {H^+}}} _{\mathrm {IMS} }}$^[27]

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 переноса четырех электронов. Затем кислород потребляет четыре протона из матрицы для образования воды, в то время как еще четыре протона закачиваются в IMS. ^[27] Полная реакция показана:

${\displaystyle 2\ cytochrome\ c\ (reduced)\ +\ 4H^{+}\ (matrix)\ +\ 1/2\ O_{2}\longrightarrow 2\ cytochrome\ c\ (oxidized)\ +\ 2H^{+}\ (IMS)\ +\ H_{2}O}$^[27]

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

• Кэмпбелл и Рис (2005). Биология . Пирсон Бенджамин Каммингс. ISBN 978-0-8053-7146-8.
• Стивен Т. Абедон, «Важные слова и концепции из главы 8, Campbell & Reece, 2002 (14.01.2005)», для биологии 113 в Университете штата Огайо.