Elektrochemický gradient

Elektrochemický gradient neboli elektrochemický potenciálový gradient je kombinací koncentračního gradientu a membránového potenciálu, který určuje směr pohybu iontů přes membránu . Skládá se ze dvou složek: chemického gradientu ( koncentrační gradient ) neboli rozdílu koncentrací rozpuštěné látky na obou stranách membrány a elektrického gradientu (membránového potenciálu), neboli rozdílu nábojů umístěných na opačných stranách membrány. . Gradient vzniká v důsledku nestejné koncentrace iontů na opačných stranách propustné membrány. Ionty se přes membránu pohybují z oblasti s vyšší koncentrací do oblasti s nižší koncentrací jednoduchou difúzí. Ionty také nesou elektrický náboj, který tvoří elektrický potenciál přes membránu ( membránový potenciál ). Pokud je nerovnoměrné rozložení nábojů na obou stranách membrány, pak rozdíl v elektrickém potenciálu generuje sílu, která vede k iontové difúzi, dokud se náboje na obou stranách nevyrovnají [1] .

Přehled

Elektrochemický potenciál se využívá v elektroanalytické chemii, v průmyslu se využívá při výrobě baterií a palivových článků . Je to jedna z mnoha zaměnitelných forem potenciální energie, ve které lze energii uchovat.

V biologických procesech procházejí ionty membránou difúzí nebo aktivním transportem , určeným elektrochemickým gradientem. V mitochondriích a chloroplastech se protonové gradienty používají ke generování chemiosmotického potenciálu , který je také znám jako hnací síla protonů Δp nebo ΔμH + . Tato potenciální energie se používá k syntéze ATP prostřednictvím oxidativní fosforylace nebo fotofosforylace [2] . Protonová hnací síla podle Mitchellovy chemiosmotické teorie je společným produktem spojených procesů dýchání a oxidativní fosforylace. Skládá se ze dvou faktorů: chemického (nebo osmotického) - rozdíl v koncentracích iontů H + v mitochondriální matrici a mezimembránovém prostoru a elektrického - kvůli rozdílu v elektrických nábojích umístěných na opačných stranách membrány. Rozdíl v koncentracích H + iontů , měřený v jednotkách pH, ​​se označuje ΔpH. Rozdíl elektrických potenciálů je označen symbolem Δψ. Rovnice má tedy tvar [3] :

[4] ,

kde

rozdíl v koncentracích H + iontů (chemický gradient) na A(+)- a B(-)- straně membrány.

Vztah mezi ΔμH + a F ( Faradayovo číslo ) definoval Mitchell jako:

ΔμH + = 1 kJ*mol odpovídá Δp = 10,4 mV. Při teplotě 25 ° C (298 K) má tato rovnice následující podobu:

.

Elektrochemický gradient zahrnuje dvě složky. První složkou je elektrický gradient, který je způsoben rozdílem v náboji na opačných stranách lipidové membrány . Druhá složka, chemický gradient, je způsobena rozdílnou (různou) koncentrací iontů umístěných na opačných stranách membrány. Kombinace těchto dvou faktorů určuje termodynamicky příznivý směr pohybu iontů membránou [1] [5] .

Elektrochemický gradient je podobný tlaku , který voda vyvíjí, když protéká vodní přehradou . Membránové transportní proteiny , jako je sodno-draselná ATPáza, jsou analogické s turbínami , přeměňují potenciální energii vody na jiné formy fyzikální nebo chemické energie a ionty, které procházejí membránou, jsou analogické vodě, která padá na dno přehrada. Energii lze navíc využít k čerpání vody do jezera proti proudu přehrady. Podobně lze chemickou energii v článcích využít k vytvoření elektrochemických gradientů [6] [7] .

Chemie

Termín "elektrochemický potenciál" se obvykle používá, když má dojít k chemické reakci , jako je přenos elektronu v elektrické baterii. V bateriích elektrochemický potenciál vznikající pohybem iontů vyrovnává reakční energii elektrod. Maximální napětí, které může reakce baterie vytvořit, se nazývá standardní elektrochemický potenciál této reakce. Spolu s makroergickými sloučeninami může být chemická energie uložena na biologických membránách, které fungují jako kondenzátory , které fungují jako izolační vrstva pro nabité ionty [3] .

Biologický význam

Generování transmembránového elektrického potenciálu prostřednictvím pohybu iontů přes buněčnou membránu má za následek biologické procesy, jako je vedení nervů, svalové kontrakce, sekrece hormonů a senzorické reakce. Předpokládá se, že membrána typické živočišné buňky má transmembránový elektrický potenciál od -50 mV do -70 mV [8] .

Elektrochemické gradienty také hrají roli při vytváření protonových gradientů oxidativní fosforylace v mitochondriích . Posledním krokem v buněčném dýchání je elektronový transportní řetězec . Čtyři vestavěné komplexy ve vnitřní membráně mitochondrií ( cristae ) tvoří elektronový transportní řetězec. Avšak pouze komplexy I, III a IV jsou protonové pumpy a pumpují protony z matrice do mezimembránového prostoru. Celkem se získá deset protonů, které se přesunou z matrice do mezimembránového prostoru a vytvoří elektrochemický potenciál větší než 200 mV. To uvede do pohybu tok protonů zpět do matrice prostřednictvím ATP syntázy , která syntetizuje ATP přidáním anorganického fosfátu k molekule ADP [9] . Generování protonového elektrochemického gradientu má tedy zásadní význam pro syntézu energie v mitochondriích [10] . Obecná rovnice pro elektronový transportní řetězec vypadá takto:

[11] .

Elektronový transportní řetězec fotosyntézy v rostlinách působí podobně jako respirační elektronový transportní řetězec , kde jsou protony pumpovány do chloroplastového lumen ( tylakoidní lumen ) a výsledný gradient se používá k syntéze ATP prostřednictvím enzymu ATP syntázy. Protonový gradient může být generován pomocí necyklické nebo cyklické fotofosforylace. Proteiny, které se účastní necyklické fotofosforylace, fotosystém II (PSII) a komplex cytochromu b6f jsou přímo schopné generovat protonový gradient. Pro každý ze čtyř fotonů absorbovaných PSII existuje osm protonů, které jsou pumpovány do lumen (lumen thylakoidu) ze stromatu [12] . Obecná rovnice pro fotofosforylaci je následující:

[13] .

Několik dalších transportérů a iontových kanálů hraje roli při vytváření protonového elektrochemického gradientu. Jedním z nich je TPK 3 -draslíkový iontový kanál aktivovaný Ca 2+ ionty . Přesouvá ionty K + z lumen do stromatu, což pomáhá vytvořit gradient pH (koncentrační gradient ) ve stromatu. Na druhé straně elektricky neutrální antiporter K + (KEA 3 ) transportuje ionty K + do lumen a H + do stromatu, udržuje iontovou rovnováhu a bez narušení elektrického pole [14] .

Iontový gradient

Protože ionty nesou náboj, nemohou procházet membránou usnadněnou difúzí. Transport iontů přes membránu je možný dvěma způsoby, aktivním nebo pasivním transportem . Příkladem aktivního transportu iontů je práce Na + -K + -ATPázy . Katalyzuje reakci hydrolýzy ATP na ADP a anorganický fosfát Fn. Hydrolýza jedné molekuly ATP uvolňuje energii, která mění konformaci enzymu tak, že tři Na + ionty jsou transportovány ven a dva K + ionty jsou transportovány do buňky. V důsledku toho se obsah článku nabije negativněji než okolní prostředí a vzniká elektrický potenciál ( EMF ) Vm ≈ -60 mV [ 7] . Příkladem pasivního transportu je proud iontů iontovými kanály (kanály pro Na + , K + , Ca 2+ a Cl - ) podél koncentračního gradientu, z oblasti vyšší koncentrace do oblasti nižší. Například, protože je vysoká koncentrace Na + mimo buňku, ionty Na + budou mít tendenci vstupovat do buňky přes sodíkový iontový kanál. Protože elektrický potenciál uvnitř buňky je záporný, příliv kladných iontů způsobí depolarizaci membrány, což má za následek posun hodnoty transmembránového elektrického potenciálu blíže k nule. Ionty Na + se však budou nadále pohybovat dolů koncentračním gradientem, dokud bude hnací síla chemického gradientu větší než elektrický potenciál. Poté, co se účinek obou gradientů (chemického a elektrického) vyrovná (V m pro Na + je asi +70 mV), se příliv iontů Na + zastaví, protože hnací síla (ΔG) bude nulová. Rovnice pro hnací sílu je následující [15] [16] :

.

kde R je univerzální plynová konstanta rovna 8,3144598(48) J/(mol∙K); T je absolutní teplota (při n. c. = 298 K); Z je náboj iontu, F je Faradayova konstanta rovna 96485 C/mol; Cin a Cext jsou koncentrace iontů v mmol/l z vnější a vnitřní strany buněčné membrány; V m je elektrický potenciál (EMF) iontu [17] .

Protonové gradienty

Protonové gradienty jsou důležité jako forma ukládání energie v mnoha různých typech buněk. Gradient se běžně používá k pohonu ATP syntázy , rotaci bičíku nebo transportu metabolitů přes membránu [18] . Tato část se zaměří na tři procesy, které pomáhají stanovit protonové gradienty v příslušných buňkách: bakteriorhodopsinovou funkci , necyklickou fotofosforylaci a oxidativní fosforylaci.

Bakteriorhodopsin

Bakteriorhodopsin, nalezený v archaea , tvoří cestu pro protonový gradient prostřednictvím protonové pumpy . Činnost protonové pumpy závisí na nosiči protonů (rhodopsin), který se pohybuje ze strany membrány s nízkou koncentrací iontů H + na stranu s vyšší koncentrací H + . Protonová pumpa bakteriorhodopsinu je aktivována absorpcí fotonů o vlnové délce 568 nm, což vede k fotoizomerizaci Schiffovy báze (SB) v sítnici, která způsobí její změnu z trans na 13 - cis formu. Fotoizomerizace je extrémně rychlá a trvá pouze 200 femtosekund. Výsledkem je, že rodopsin prochází řadou rychlých konformačních přeskupení: Schiffova báze je vytěsněna ze zbytků Asp85 a Asp212 , což způsobuje přenos iontů H + na zbytek Asp85 a vytváří se stav M1 (meta-I). Protein poté přechází do stavu M2 (meta-II) oddělením zbytku Glu204 od Glu194 , který uvolňuje proton do prostředí. Tento stav je poměrně dlouhodobý. Schiffova báze je reprotonována na zbytku Asp85 , čímž vzniká stav N. Je důležité, aby druhý proton pocházel z Asp96 , protože jeho deprotonovaný stav je nestabilní a je rychle reprotonován (reprotonován) protonem z cytoplazmy . Protonace Asp85 a Asp96 vede k opakované izomerizaci SB, čímž vzniká stav O. Také zbytek Asp85 uvolňuje svůj proton na Glu204 a bakteriorhodopsin se vrací do klidového stavu [18] [19] .

Fotofosforylace

Fotosystém II (PSII) také využívá světelnou energii k vytvoření protonových gradientů v chloroplastech, avšak k dosažení tohoto cíle využívá PSII vektorové (jednosměrné) redoxní reakce . Absorpce fotonů o vlnové délce 680 nm se využívá k excitaci dvou elektronů v pigmentu P 680 na vyšší energetickou hladinu. Tyto vysokoenergetické elektrony jsou přeneseny na protein vázaný plastochinon (PQ A ) a poté na nevázaný plastochinon (PQ B ), což vede k jeho redukci za vzniku plastochinolu (PQH 2 ), který se po přidání uvolňuje z PSII. dvou protonů ze stromatu. Elektrony v P 680 jsou doplňovány oxidací vody prostřednictvím komplexu WOC (water-oxidační komplex) [18] . V tomto případě se molekuly O 2 a H + uvolňují do lumen thylakoidu (lumen). Obecná reakční rovnice je následující:

[18] .

Po uvolnění z PSII se redukovaný plastochinon PQH 2 translokuje do komplexu cytochromu b6f , který přenáší dva elektrony z PQH 2 na plastocyaninový protein ve dvou samostatných reakcích. Tento proces je podobný Q-cyklu vyskytujícímu se v ETC komplexu III . V první reakci se plastochinol PQH 2 naváže na komplex ze strany lumenu a jeden elektron přejde do železo-sírového centra (Fe-S), které jej přenese na cytochrom f , ten přenese elektron na molekulu plastocyaninu . Druhý elektron přechází na molekulu hemu b L , která jej pak přenáší na hem b H , ten přenáší elektron na druhou molekulu plastochinonu PQ. Při druhé reakci se oxiduje 2. molekula plastochinolu PQH 2 , předá elektron další molekule plastocyaninu a polovičně redukovaný PQ, který se redukuje na PQH 2 a opouští komplex. Obě reakce jsou doprovázeny přenosem čtyř protonů na lumen [20] [21] .

Oxidační fosforylace

V respiračním elektronovém transportním řetězci komplex I katalyzuje redukci ubichinonu (UQ) na ubichinol (UQH2 ) pomocí dvou elektronů z molekuly redukovaného nikotinamidadenindinukleotidu (NADH) a přenáší čtyři protony z mitochondriální matrice do mezimembránového prostoru podle rovnice [22] :

[22]

Komplex III katalyzuje Q-cyklus. První částí tohoto cyklu je přechod dvou elektronů z ubichinolu redukovaného v komplexu I (UQH 2 ) na dvě molekuly oxidovaného cytochromu c v místě Qo. V druhé části (v sekci Qi) se z UQ do UQH 2 přenesou další dva elektrony a tím se redukuje ubichinon [22] . Obecná rovnice procesu je následující:

[22] .

Komplex IV katalyzuje přenos dvou elektronů z redukovaného cytochromu v komplexu III na 1/2 molekuly kyslíku (1/2O 2 ). Jedna kompletní molekula kyslíku (O 2 ) vyžaduje přenos čtyř elektronů. Kromě čtyř elektronů jsou k molekule kyslíku připojeny čtyři protony (4H + ) pocházející z matrice za vzniku molekuly vody . Kompletní rovnice procesu vypadá takto:

[22] .

Poznámky

  1. ↑ 12 Nelson , David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  403 . — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  2. ↑ Nath, Sunil; Villadsen, John. Revidovaná oxidativní fosforylace   // Biotechnologie a bioinženýrství : deník. - 2015. - 1. března ( roč. 112 , č. 3 ). - str. 429-437 . — ISSN 1097-0290 . - doi : 10.1002/bit.25492 .
  3. ↑ 1 2 Kolman J., Rem K.-G. Vizuální biochemie. - M. : Mir, 2011. - S. 128-129. — 469 s. - 7000 výtisků.  - ISBN 5-03-003304-1 .
  4. ↑ Stroev E.A. Biologická chemie. - M . : Vyšší škola, 1986. - S. 210. - 479 s.
  5. ↑ Yang, Huanghe; Zhang, Guohui; Cui, Jianmin. BK kanály: více senzorů, jedna aktivační brána  (neurčitá)  // Fyziologie membrán a biofyzika membrán. - 2015. - 1. ledna ( sv. 6 ). - S. 29 . - doi : 10.3389/fphys.2015.00029 . — PMID 25705194 .
  6. ↑ Shattock, Michael J.; Ottolia, Michela; Bers, Donald M.; Blaustein, Mordecai P.; Boguslavskyi, Andrii; Bossuyt, Julie; Most, John HB; Chen-Izu, Ye; Clancy, Colleen E. Výměna Na+/Ca2+ a Na+/K+-ATPáza v srdci  // The  Journal of Physiology : deník. - 2015. - 15. března ( roč. 593 , č. 6 ). - S. 1361-1382 . — ISSN 1469-7793 . doi : 10.1113 / jphysiol.2014.282319 . — PMID 25772291 .
  7. ↑ 1 2 Aperia, Anita; Akkuratov, Evgeny E.; Fontana, Jacopo Maria; Brismar, Hjalmar. Na+-K+-ATPáza, nová třída plazmatických membránových receptorů  // American Physiological  Society : deník. - 2016. - 1. dubna ( roč. 310 , č. 7 ). - P.C491-C495 . — ISSN 0363-6143 . - doi : 10.1152/ajpcell.00359.2015 . — PMID 26791490 .
  8. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  464 . — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  9. ↑ Poburko, Damon; Demaurex, Nicholas. Regulace mitochondriálního protonového gradientu cytosolickými Ca2+ signály  (anglicky)  // Pflügers Archiv - European Journal of Physiology : deník. - 2012. - 24. dubna ( roč. 464 , č. 1 ). - S. 19-26 . — ISSN 0031-6768 . - doi : 10.1007/s00424-012-1106-y .
  10. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  743 -745. — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  11. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  744 . — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  12. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  769 -770. — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  13. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  770 . — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  14. ↑ Höhner, Ricarda; Abukila, Ali; Kunz, Hans-Henning; Venema, Keesi. Protonové gradienty a transportní procesy závislé na protonu v chloroplastech  // Fyziologie rostlin  : časopis  . - Americká společnost rostlinných biologů , 2016. - 1. ledna ( 7. díl ). — S. 218 . - doi : 10.3389/fpls.2016.00218 . — PMID 26973667 .
  15. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  464 -465. — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  16. ↑ Eisenberg, Bob. Interakce iontů v biofyzice: Skutečnost není ideální  // Biofyzikální  časopis : deník. - 2013. - 7. května ( roč. 104 , č. 9 ). - S. 1849-1866 . - doi : 10.1016/j.bpj.2013.03.049 . — PMID 23663828 .
  17. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  465 . — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  18. ↑ 1 2 3 4 Střelec, MR; Amin, Mohamed; Zhu, Xuyu; Lu, Jianxun. Molekulární mechanismy pro generování transmembránových protonových gradientů   // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Bioenergetika : deník. - 2013. - 1. srpna ( roč. 1827 , č. 8-9 ). - S. 892-913 . - doi : 10.1016/j.bbabio.2013.03.001 . — PMID 23507617 .
  19. ↑ Wickstrand, Cecilia; Dods, Robert; Royant, Antoine; Neutze, Richard. Bacteriorhodopsin: Postavili by se prosím skutečné strukturální meziprodukty?  (anglicky)  // Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Obecné předměty : deník. - 2015. - 1. března ( roč. 1850 , č. 3 ). - str. 536-553 . - doi : 10.1016/j.bbagen.2014.05.021 .
  20. ↑ Nelson, David; Cox, Michael. Lehninger Principles of Biochemistry  (neopr.) . New York: W. H. Freeman, 2013. - S.  782 -783. — ISBN 978-1-4292-3414-6 .
  21. ↑ Schöttler, Mark Aurel; Tóth, Szilvia Z.; Boulouis, Alix; Kahlau, Sabine. Dynamika stechiometrie fotosyntetického komplexu ve vyšších rostlinách: biogeneze, funkce a přeměna ATP syntázy a komplexu cytochromu b 6 f  (anglicky)  // Journal of Experimental Botany  : journal. — Oxford University Press , 2015. — 1. května ( roč. 66 , č. 9 ). - S. 2373-2400 . — ISSN 0022-0957 . doi : 10.1093 / jxb/eru495 . — PMID 25540437 .
  22. ↑ 1 2 3 4 5 Ne, Fei; Zhou, Qianjun; Pang, Xiaoyun; Xu, Yingzhi; Rao, Zihe. Odhalení různých vazeb přenosu elektronů a čerpání protonů v mitochondriálním dýchacím řetězci  //  Current Opinion in Structural Biology: journal. - Elsevier , 2013. - 1. srpna ( roč. 23 , č. 4 ). - str. 526-538 . - doi : 10.1016/j.sbi.2013.06.013 .

Literatura

Viz také