Электрохимический градиент - Electrochemical gradient

Диаграмма концентраций и заряда ионов на полупроницаемой клеточной мембране.

An электрохимический градиент это градиент из электрохимический потенциал, обычно для ион который может перемещаться по мембрана. Градиент состоит из двух частей: химического градиента или разницы в концентрация растворенного вещества через мембрану, и электрический градиент или разница в плата через мембрану. Когда есть неравные концентрации иона на проницаемой мембране, ион будет перемещаться через мембрану из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией через простая диффузия. Ионы также несут электрический заряд, который образует 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]

Обзор

Электрохимический потенциал важен в электроаналитическая химия и промышленные применения, такие как батареи и топливные элементы. Он представляет собой одну из многих взаимозаменяемых форм потенциальная энергия через которую энергия может быть консервированный.

В биологических процессах направление движения иона распространение или активный транспорт поперек мембраны определяется электрохимическим градиентом. В митохондрии и хлоропласты, протонные градиенты используются для генерации хемиосмотический потенциал это также известно как движущая сила протона. Эта потенциальная энергия используется для синтеза АТФ посредством окислительного фосфорилирования или фотофосфорилирование соответственно.^[2]

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

Электрохимический градиент аналогичен водному давление через гидроэлектростанция. Мембранные транспортные белки такой как натриево-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 перекачки воды в озеро над плотиной. Аналогичным образом химическая энергия в клетках может использоваться для создания электрохимических градиентов.^[4][5]

Химия

Термин обычно применяется в контексте, в котором химическая реакция должен иметь место, например, один, связанный с переносом электрона на аккумулятор электрод. В аккумуляторе электрохимический потенциал, возникающий при движении ионов, уравновешивает энергию реакции электродов. Максимальное напряжение, которое может вызвать реакция батареи, иногда называют стандартный электрохимический потенциал этой реакции (см. также Электродный потенциал и Таблица стандартных электродных потенциалов ). В случаях, относящихся конкретно к движению электрически заряженных растворенных веществ, потенциал часто выражается в единицах вольт. Увидеть: Концентрационная ячейка.

Биологический контекст

Генерация трансмембранного электрического потенциала посредством движения ионов через клеточную мембрану приводит в движение биологические процессы любить нерв проводимость сокращение мышц, гормон секреция, и сенсорный процессы. По соглашению, типичная животная клетка имеет трансмембранный электрический потенциал от -50 мВ до -70 мВ внутри клетки относительно внешней среды.^[6]

Электрохимические градиенты также играют роль в установлении протонных градиентов при окислительном фосфорилировании в митохондриях. Заключительный этап клеточного дыхания - это электронная транспортная цепь. Четыре комплекса, встроенные во внутреннюю мембрану митохондрии, образуют цепь переноса электронов. Однако только комплексы I, III и IV накачивают протоны из матрица к межмембранное пространство (IMS). Всего десять протонов перемещаются из матрицы в IMS, что создает электрохимический потенциал более 200 мВ. Это заставляет поток протонов обратно в матрицу через АТФ-синтаза который производит АТФ путем добавления неорганического фосфат к ADP.^[7] Таким образом, генерация протонного электрохимического градиента имеет решающее значение для производства энергии в митохондриях.^[8] Полное уравнение для цепи переноса электронов:

НАДН + 11 ч⁺_{(матрица)} + 1/2 O₂ → НАД⁺ + 10 часов⁺_(IMS) + H₂О.^[9]

Подобно цепи переноса электронов, светозависимые реакции фотосинтеза перекачивают протоны в тилакоид просвет хлоропластов, чтобы управлять синтезом АТФ с помощью АТФ-синтазы. Протонный градиент может быть создан посредством нециклического или циклического фотофосфорилирования. Из белков, участвующих в нециклическом фотофосфорилировании, фотосистема II (PSII), пластихинон, и цитохром b₆f комплекс непосредственно способствуют генерации протонного градиента. На каждые четыре фотона, поглощенные ФСII, в просвет перекачивается восемь протонов.^[10] Общее уравнение для фотофосфорилирования:

2 НАДФ⁺ + 6 часов⁺_{(строма)} + 2 часа₂O → 2 НАДФН + 8 Н⁺_(люмен) + O₂.^[11]

Несколько других транспортеров и ионных каналов играют роль в создании электрохимического градиента протонов. Один - ТПК₃, а калиевый канал который активируется Ca²⁺ и проводит K⁺ от просвета тилакоида к строма что помогает установить pH градиент. С другой стороны, электронейтральный K⁺ излияние антипортер (KEA₃) транспортирует K⁺ в просвет тилакоида и H⁺ в строму, которая помогает установить электрическое поле.^[12]

Ионные градиенты

Схема Na⁺-K⁺-ATPase.

Поскольку ионы заряжены, они не могут пройти через мембрану путем простой диффузии. Два различных механизма могут переносить ионы через мембрану: активный или пассивный транспорт. Примером активного транспорта ионов является Na⁺-K⁺-ATPase (НКА). НКА катализирует гидролиз АТФ в АДФ и неорганический фосфат, и на каждую молекулу гидролизованного АТФ, три Na⁺ вывозятся наружу и два K⁺ транспортируются внутри клетки. Это делает внутреннюю часть клетки более отрицательной, чем внешнюю, и, в частности, создает мембранный потенциал. V_{мембрана} около -60 мВ.^[5] Примером пассивного транспорта являются потоки ионов через Na⁺, К⁺, Ca²⁺, а Cl⁻ каналы. Эти ионы имеют тенденцию двигаться вниз по градиенту их концентрации. Например, поскольку существует высокая концентрация Na⁺ вне клетки, Na⁺ будет течь через Na⁺ канал в камеру. 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, пока влияние химического градиента больше, чем влияние электрического градиента. Если эффект обоих градиентов одинаков (для Na⁺ это при мембранном потенциале около +70 мВ) приток Na⁺ останавливается, потому что движущая сила (ΔG) равна нулю. Уравнение для движущей силы:^[13][14]

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

В этом уравнении р представляет газовая постоянная, Т представляет собой абсолютная температура, z - ионный заряд, а F представляет Постоянная Фарадея.^[15]

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

Концентрации клеточных ионов (миллимолярный )^{[16][17][18][19]}

Ион	Млекопитающее		Аксон кальмара		С. cerevisiae	Кишечная палочка	Морская вода
	Ячейка	Кровь	Ячейка	Кровь
K^+	100 - 140	4-5	400	10 - 20	300	30 - 300	10
Na^+	5-15	145	50	440	30	10	500
Mg^2+	10 [а] 0.5 - 0.8 [b]	1 - 1.5			50	30 - 100 [а] 0.01 - 1 [b]	50
Ca^2+	10^−4	2.2 - 2.6 [c] 1.3 - 1.5 [d]	10^−4 - 3×10^−4	10	2	3 [а] 10^−4 [b]	10
Cl^−	4	110	40 - 150	560	10 - 200 [e]		500
Икс^−	138	9	300 - 400	5-10
HCO3^−	12	29
pH	7.1 - 7.3[20]	7,35–7,45 [20] (нормальный pH артериальной крови) 6.9 - 7.8 [20] (общий диапазон)				7.2 - 7.8[21]	8.1 - 8.2[22]

1. Связаны
2. Свободный
3. Всего
4. Ионизированный
5. Средний зависимый

Протонные градиенты

В частности, протонные градиенты важны для многих типов клеток как форма хранения энергии. Градиент обычно используется для управления АТФ-синтазой, жгутиковый ротация или транспортировка метаболиты.^[23] В этом разделе мы сосредоточимся на трех процессах, которые помогают установить градиенты протонов в соответствующих клетках: бактериородопсин и нециклическое фотофосфорилирование и окислительное фосфорилирование.

Бактериородопсин

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

Как бактериородопсин генерирует протонный градиент в Археи проходит через протонный насос. Протонный насос полагается на переносчики протонов, чтобы отгонять протоны со стороны мембраны с низким H⁺ концентрация в сторону мембраны с высоким H⁺ концентрация. В бактериородопсине протонная помпа активируется за счет поглощения фотоны 568 нм длина волны что приводит к изомеризация из База Шиффа (SB) в сетчатка образуя K-состояние. Это отодвигает SB от Asp85 и Asp212, в результате чего 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 это перепротонирован от Asp96, который формирует состояние N. Важно, чтобы второй протон происходил от Asp96, так как его депротонированный состояние нестабильно и быстро репротонируется протоном из цитозоль. Протонирование Asp85 и Asp96 вызывает повторную изомеризацию SB с образованием O-состояния. Наконец, бактериородопсин возвращается в состояние покоя, когда Asp85 высвобождает свой протон в Glu204.^[23][24]

Фотофосфорилирование

Упрощенная схема фотофосфорилирования.

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 п₆₈₀ к более высокому уровень энергии. Эти электроны с более высокой энергией передаются связанному с белком пластохинону (PQ_А), а затем к несвязанному пластохинону (PQ_B). Это восстанавливает пластохинон (PQ) до пластохинола (PQH₂), который высвобождается из ФСII после получения двух протонов из стромы. Электроны в P₆₈₀ пополняются за счет окисления воды сквозь кислород-выделяющий комплекс (OEC). Это приводит к выпуску O₂ и H⁺ в просвет.^[23] Показана суммарная реакция:

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

После выхода из PSII, PQH₂ едет к цитохрому b₆f, который затем переносит два электрона от PQH₂ к пластоцианин в двух отдельных реакциях. Происходящий процесс аналогичен Q-циклу в комплексе III цепи переноса электронов. В первой реакции PQH₂ связывается с комплексом на стороне просвета, и один электрон переносится на железно-серный центр который затем передает его цитохром f который затем переводит его в пластоцианин. Второй электрон переходит в гем б_L который затем передает его гему b_ЧАС который затем передает его в PQ. Во второй реакции второй PQH₂ окисляется, добавляя электрон к другому пластоцианину и PQ. Обе реакции вместе переносят четыре протона в просвет.^[25][26]

Окислительного фосфорилирования

Подробная схема цепи транспорта электронов в митохондриях.

В цепи переноса электронов Комплекс I (CI) катализирует то сокращение из убихинон (UQ) в убихинол (UQH₂) передачей двух электроны от сокращенного никотинамид аденин динуклеотид (НАДН), который переносит четыре протона из митохондриального матрикса в 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 шаг, связанный с переносом двух электронов из UQH₂ восстанавливается ХИ до двух молекул окисленного цитохром с на Q_о сайт. На втором этапе еще два электрона восстанавливают UQ до UQH.₂ на Q_я сайт.^[27] Показана суммарная реакция:

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

Комплекс IV (CIV) катализирует перенос двух электронов от цитохрома с, восстановленного с помощью CIII, до половины полного кислорода. Использование одного полного кислорода в окислительном фосфорилировании требует передачи четырех электронов. Затем кислород потребляет четыре протона из матрицы для образования воды, в то время как еще четыре протона закачиваются в IMS.^[27] Показана суммарная реакция:

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

Смотрите также

• Концентрационная ячейка
• Трансмембранная разность потенциалов
• Потенциал действия
• Потенциал клетки
• Электродиффузия
• Гальванический элемент
• Электрохимическая ячейка
• Протонообменная мембрана
• Потенциал разворота

использованная литература

1. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 403. ISBN  978-1-4292-3414-6.
2. Нат, Сунил; Вилладсен, Джон (01.03.2015). "Окислительное фосфорилирование снова". Биотехнологии и биоинженерия. 112 (3): 429–437. Дои:10.1002 / бит. 25492. ISSN  1097-0290. PMID  25384602. S2CID  2598635.
3. Ян, Хуанхэ; Чжан, Гохуэй; Цуй, Цзяньминь (01.01.2015). «Каналы ВК: несколько датчиков, один активатор». Границы физиологии. 6: 29. Дои:10.3389 / fphys.2015.00029. ЧВК  4319557. PMID  25705194.
4. Шатток, Майкл Дж .; Оттолия, Микела; Берс, Дональд М .; Blaustein, Mordecai P .; Богуславский, Андрей; Боссайт, Джули; Бридж, Джон Х. Б.; Чен-Идзу, Йе; Клэнси, Коллин Э. (2015-03-15). «Обмен Na + / Ca2 + и Na + / K + -АТФаза в сердце». Журнал физиологии. 593 (6): 1361–1382. Дои:10.1113 / jphysiol.2014.282319. ISSN  1469-7793. ЧВК  4376416. PMID  25772291.
5. Аперия, Анита; Аккуратов, Евгений Е .; Фонтана, Якопо Мария; Брисмар, Яльмар (2016-04-01). «Na + -K + -ATPase, новый класс рецепторов плазматической мембраны». Американский журнал физиологии. Клеточная физиология. 310 (7): C491 – C495. Дои:10.1152 / ajpcell.00359.2015. ISSN  0363-6143. PMID  26791490.
6. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 464. ISBN  978-1-4292-3414-6.
7. Побурко, Дэймон; Деморекс, Николя (24 апреля 2012 г.). «Регулирование митохондриального протонного градиента цитозольными сигналами Ca2 +» (PDF). Архив Пфлюгера: Европейский журнал физиологии. 464 (1): 19–26. Дои:10.1007 / s00424-012-1106-y. ISSN  0031-6768. PMID  22526460. S2CID  18133149.
8. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. С. 743–745. ISBN  978-1-4292-3414-6.
9. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 744. ISBN  978-1-4292-3414-6.
10. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. С. 769–770. ISBN  978-1-4292-3414-6.
11. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 770. ISBN  978-1-4292-3414-6.
12. Хёнер, Рикарда; Абукила Али; Кунц, Ханс-Хеннинг; Венема, Кеес (01.01.2016). «Протонные градиенты и протон-зависимые процессы переноса в хлоропласте». Границы науки о растениях. 7: 218. Дои:10.3389 / fpls.2016.00218. ЧВК  4770017. PMID  26973667.
13. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. С. 464–465. ISBN  978-1-4292-3414-6.
14. Айзенберг, Боб (7 мая 2013 г.). «Взаимодействующие ионы в биофизике: реальность не идеальна». Биофизический журнал. 104 (9): 1849–1866. arXiv:1305.2086. Bibcode:2013BpJ ... 104.1849E. Дои:10.1016 / j.bpj.2013.03.049. ЧВК  3647150. PMID  23663828.
15. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. п. 465. ISBN  978-1-4292-3414-6.
16. Филипс, Рон Майло и Рон. «» Каковы концентрации различных ионов в клетках? ». Получено 2019-06-07.
17. Лодиш, Харви; Берк, Арнольд; Зипурский, С. Лоуренс; Мацудаира, Пол; Балтимор, Дэвид; Дарнелл, Джеймс (2000). «Таблица 15-1, Типичные концентрации ионов в беспозвоночных и позвоночных». www.ncbi.nlm.nih.gov. Получено 2019-06-07.
18. «Следующая таблица дает представление о внутри- и внеклеточных концентрациях ионов в аксоне кальмара и клетке млекопитающего». www.chm.bris.ac.uk. Получено 2019-06-07.
19. Дием К., Лентер К. Научные таблицы. 565 (Седьмое изд.). Базель: Ciba-Geigy Limited. С. 653–654. ISBN  978-3-9801244-0-9.
20. Spitzer, Kenneth W .; Воан-Джонс, Ричард Д. (2003), Кармазин, Моррис; Авкиран, Метин; Флигель, Ларри (ред.), "Регулирование внутриклеточного pH в клетках млекопитающих", Обменник натрия и водорода: от молекулы к ее роли в болезнях, Springer США, стр. 1–15, Дои:10.1007/978-1-4615-0427-6_1, ISBN  9781461504276
21. Slonczewski, Joan L .; Уилкс, Джессика К. (2007-08-01). «pH цитоплазмы и периплазмы Escherichia coli: быстрое измерение с помощью флуориметрии зеленого флуоресцентного белка». Журнал бактериологии. 189 (15): 5601–5607. Дои:10.1128 / JB.00615-07. ISSN  0021-9193. ЧВК  1951819. PMID  17545292.
22. Брюэр, Питер Г. (1 сентября 2008 г.). «Повышение кислотности в океане: другая проблема CO2». Дои:10.1038 / scientificamericanearth0908-22.
23. Gunner, M.R .; Амин, Мухамед; Чжу, Сюй; Лу, Цзяньсюнь (1 августа 2013 г.). «Молекулярные механизмы генерации трансмембранных протонных градиентов». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Биоэнергетика. Металлы в системах биоэнергетики и биомиметики. 1827 (8–9): 892–913. Дои:10.1016 / j.bbabio.2013.03.001. ЧВК  3714358. PMID  23507617.
24. Викстранд, Сесилия; Додс, Роберт; Роян, Антуан; Neutze, Ричард (2015-03-01). «Бактериородопсин: не могли бы вы встать, пожалуйста, настоящие структурные промежуточные звенья?». Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Общие предметы. Структурная биохимия и биофизика мембранных белков. 1850 (3): 536–553. Дои:10.1016 / j.bbagen.2014.05.021. PMID  24918316.
25. Нельсон, Дэвид; Кокс, Майкл (2013). Принципы биохимии Ленингера. Нью-Йорк: W.H. Фримен. С. 782–783. ISBN  978-1-4292-3414-6.
26. Шёттлер, Марк Аурел; Tóth, Szilvia Z .; Булуи, Аликс; Кахлау, Сабина (01.05.2015). «Динамика стехиометрии фотосинтетического комплекса у высших растений: биогенез, функция и оборот АТФ-синтазы и комплекса цитохрома b 6 f». Журнал экспериментальной ботаники. 66 (9): 2373–2400. Дои:10.1093 / jxb / eru495. ISSN  0022-0957. PMID  25540437.
27. Сунь, Фэй; Чжоу, Цянцзюнь; Пан, Сяоюнь; Сюй Инчжи; Рао, Цзихэ (1 августа 2013 г.). «Выявление различных сочетаний переноса электронов и протонной перекачки в дыхательной цепи митохондрий». Текущее мнение в структурной биологии. 23 (4): 526–538. Дои:10.1016 / j.sbi.2013.06.013. PMID  23867107.

• 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.