Перенос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ.

Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создаётся протонный градиент, при

котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный - на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ - источник энергии для синтеза АТФ. Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования (рис. 6-11, 6-13).

Механизм транспорта протонов через мито-хондриальную мембрану в пунктах сопряжения недостаточно ясен. Однако установлено, что важную роль в этом процессе играет KoQ. Наиболее детально механизм переноса протонов при участии KoQ изучен на уровне комплекса

KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами. Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором - цитохром с. Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1, с которого электроны переносятся на цитохром с.

В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород. На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала. Энергия электрохимического потенциала (ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

Рис. 6-13. Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в митохондриях. I - NADH-дегидрогеназа; II - сукцинат дегидрогеназа; III - QH2-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза; V - ЛТФ-синтаза. Энергия протонного потенциала (электрохимического потенциала ΔμН+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы.

2. Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ

АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1

Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμН+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμН+происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из AДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Электрохимический потенциал,

генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения в ЦПЭ, используют для синтеза одной молекулы АТФ.

Электрохимический градиент иона - это движущая сила потока ионов, которая является комбинацией мембранного потенциала (электрический градиент) и градиента концентрации веществ (химический градиент). Электрический градиент характеризует движение только ионов и направлен в сторону их противоположного заряда. Химический градиент направлен из области высокой концентрации растворенного вещества в область низкой.

Перенос веществ через мембрану может происходить пассивно и активно. Активный транспорт требует затрат энергии, а пассивный осуществляется без затрат энергии. Активный транспорт всегда идет против электрохимического градиента. Пассивный транспорт растворенных веществ может происходить только по благоприятному электрохимическому градиенту.

Системы транспорта растворенных веществ можно классифицировать на основе использованияклеточной энергии.

1. Пассивный транспорт не требует гидролиза АТФ и не связан с переносом другого растворенного вещества.

Диффузия жирорастворимых веществ (например, О 2 , СО 2 , спиртов и эфиров) может произойтинепосредственно через плазматическую мембрану.

Транспорт ионов и небольших молекул чаще происходит через трансмембранные белки , которые служатионными каналами (для различных ионов)или аквапорами (для молекул воды).

Ионные каналы имеют следующиеобщие компоненты:

1)область поры, через которые ионы диффундируют.

2)избирательный фильтр внутри поры, в результате чего канал весьма избирателен для определенных ионов (например, Na + каналов).

3) ворота канала, которые открывают и закрывают канал.В закрытом состоянии, ионы не проходят через канал, но канал доступен для активации. В открытом состоянии ионы движутся согласно их электрохимического градиента. Ворота канала могут управляться одним из следующих механизмов: мембранные напряжения(потенциалзависимые каналы); химических веществ(хемозависимые каналы); механические силы в мембране(стрейчзависимые каналы).

Диффузия может происходить и через белки-переносчики, называемых унипорт, которые избирательно связываются одно растворенное вещество с одной стороны мембраны и претерпевают конформационные изменения, чтобы доставить его на другую сторону. Транспорт растворенных веществ через унипорт называетсяоблегченной диффузией, потому что это быстрее, чем простая диффузия. Так переносятся глюкоза и аминокислоты.

Осмос - это движение (диффузия) воды через аквапоры мембраны, которое приводится в действие градиентом концентрации воды.Концентрация воды выражается в терминах общей концентрации растворенного вещества; чем более разбавлен раствор, тем ниже концентрации его растворенного вещества и концентрация воды выше.Когда два раствора, разделенныхполупроницаемой мембраной (которая допускает транспорт воды, но не растворенных вещества), вода движется от более разбавленного раствора к более концентрированному. Осмолярность является выражением осмотической силы раствора. Два раствора одной и того же осмолярности называютсяизоосмотическими. Растворы с большей, чем осмолярность раствора сравнения называетсягиперосмотическими, а растворы с более низкой осмолярностью называются как гипоосмотическими. Изотонический раствор имеет такую же осмолярность, как и функционирующие клетки и не вызывает движение чистой воды через их мембрану; гипотонический раствор имеет меньшую осмолярность, чем функционирующая клетка и заставляет клетки набухать, гипертонический раствор имеет большую осмолярность, чем клетки и заставляет клетки сжиматься. Например, если пациенту внутривенно вводятгипотонический раствор, тонус внеклеточной жидкости изначально уменьшается, и вода движется во внутриклеточную жидкость путем осмоса (клетки набухают). И наоборот, есливводят гипертонический раствор , тонус внеклеточной жидкости повышен, и вода выходит из внутриклеточной жидкости (клетки сморщиваются).

Разобщители, например, динитрофенол, вызывают утечку Н через мембрану , сильно снижая электрохимический протонный градиент. Олигомицин специфически блокирует поток протонов через Рц 

Энергия, высвобождаемая в нроцессе переноса электронов по дыхательной цепи , запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий  

Градиент рП (АрП) заставляет ионы П переходить обратно в матрикс, а ионы ОП из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала (АУ), под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента (рис. 7-19). 

Почти все бактерии, включая строгих анаэробов , поддерживают на своей мембране протонодвижущую силу Энергия электрохимического протонного градиента используется у них для вращения бактериального жгутика , что позволяет клетке передвигаться (разд. 12.5.4), и для 

Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТР и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс  

На рис. 7-34 показаны уровни окислительно-восстановительного потенциала на различных участках дыхательной цепи . Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных дыхательных комплексов . Разность потенциалов между любыми двумя переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой при переходе электрона от одного переносчика к другому (рис. 7-34). Каждый комплекс действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по цепи. Такое преобразование энергии можно прямо продемонстрировать, включив по отдельности любой изолированный комплекс дыхательной цепи в липосомы (см. рис. 7-25). В присутствии подходящего донора и акцептора электронов такой комплекс будет переносить электроны , что приведет к перекачиванию протонов через мембрану липосомы. 

    Дыхательные ферментные комплексы сопрягают транспорт электронов, сопровождающийся выделением энергии , с откачиванием протонов из матрикса. Создаваемый при этом электрохимический протонный градиент доставляет энергию для синтеза АТР еще одним трансмембранным белковым комплексом -АТР-синтетазой, через которую протоны возвращаются в матрикс. АТР-синтетаза - это обратимый сопрягающий комплекс в норме он преобразует энергию потока протонов, направленного в матрикс, в энергию фосфатных связей АТР, но при уменьшении электрохимического протонного градиента он способен также использовать энергию гидролиза АТР для перемещения протонов из матрикса наружу. Хемиосмотические механизмы свойственны как митохондриям и хлоропластам, так и бактериям, что указывает на исключительную важность их для всех клеток. 

По мере прохождения высокоэнергетических электронов по дыхательной цепи протоны откачиваются из матрикса в каждом из трех ее участков, запасающих энергию. В результате этого между двумя сторонами внутренней мембраны возникает электрохимический протонный градиент, под действием которого протоны возвращаются обратно в матрикс через АТР-синтетазу - трансмембранный ферментный комплекс , использующий энергию протонного тока для синтеза АТР из ADP и Р. 

Электрохимический протонный градиент создает протонодвнжущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ). Так как градиент рП (АрН) в 1 единицу pH эквивалентен мембранному потенциалу около 60 мВ, протонодвижущая сила будет равна Л - 60 (АрН). В типичной клетке эта сила на внутренней мембране дышащей митохондрии составляет около 220 мВ и складывается из мембранного потенциала примерно в 160 мВ и градиента pH. близкого к - ] единице pH. 

По синтез АТР - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента . В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях , необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов в частности, для АТР-синтетазы требуются ADP и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков , встроенных в мембрану (см. разд. 6.4.4). многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов , т. е. осуществляют процесс , требующий затраты энергии . Для большей части метаболитов источником этой энергии служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул вниз по их электрохимическому градиенту (см. разд. 6.4.9). Папример, в транспорте ADP участвует система антипорта ADP-ATP при переходе каждой молекулы ADP в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТР. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком П протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом ташат за собой фосфат. Подобным образом переносится в матрикс и пируват (рис. 7-21). Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са, которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов большое значение может иметь и поглощение митохондриями этих ионов для удаления их из цитозоля, когда концентрация Са в последнем становится опасно высокой (см. разд. 12.3.7). 

Действие АТР-синтетазы обратимо она способна использовать как энергию гидролиза АТР для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТР (рис. 7-26). Таким образом , АТР-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей . Паиравление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной AG для гидролиза АТР. 

Ранее мы уже показали, что свободная энергия гидролиза АТР зависит от концентрации трех реагирующих веществ - АТР, ADP и Pi (см. рис. 7-22). AG для синтеза АТР - это та же величина, взятая с минусом. Свободная энергия перемещения протонов через мембрану равна сумме (1) AG для перемещения одного моля любых ионов между областями с разностью потенпиалов AV и (2) AG для перемещения моля любых молекул между областями с различной их концентрацией. Уравнение для протонодвижущей силы , приведенное в разд. 7.1.7, объединяет те же самые составляющие, но только разность концентраций заменена эквивалентным ей приращением мембранного потенциала , так что получается выражение для электрохимического потенциала протона . Таким образом , AG для перемещения протонов и протонодвижущая сила учитывают один и тот же потенциал, только в первом случае он измеряется в килокалориях, а во втором - в милливольтах. Коэффициентом для перевода из одних единиц в другие служит число Фарадея. Таким образом , AGh = -0,023 (протонодвижущая сила), где AGh + выражается в килокалориях на 1 моль (ккал/моль), а протонодвижущая сила - в милливольтах (мВ). Если электрохимический протонный градиент равен 220 мВ, то AGh = 5,06 

Если АТР-синтетаза в норме не транспортирует П из матрикса, то дыхательная цепь , находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны , создавая гаким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию для синтеза АТР. При определенных условиях можно экспериментально продемонстрировать способность дыхательной цепи откачивать протоны из матрикса. Можно, например, обеспечить взвесь изолированных митохондрий подходящим субстратом для окисления, а поток протонов через АТР-синтетазу блокировать В анаэробных условиях небольшая добавка кислорода к такому препарату вызовет вспышку дыхательной активности, которая будет длиться одну-две секунды - пока весь кислород не израсходуется Во время такой вспышки дыхания с помощью чувствительного рП-электрода можно зарегистрировать внезапное подкислепие среды в результате выталкивания ионов П из матрикса митохондрий. 

Состояние вещества s в растворе можно охарактеризовать через химический потенциал μ s , который измеряется в единицах свободной энергии. При усло­вии, что активность вещества равна его концентрации и гидростатическим давлением 1 можно пренебречь, химический потенциал вещества s равен:

μ s = + 2,3RTlg [Дж моль -1 ],

где - стандартный химический потенциал вещества s при концентрации 1 М; - молярная концентрация вещества s.

Состояние иона i определяют через электрохимический потенциал , кото­рый учитывает, что

сортояние иона зависит не только от его концентрации, но и от электрического потенциала раствора:

= + 2,3RTlg + z Fψ[Дж ∙ моль -1 ],

где - стандартный электрохимический потенциал при концентрации иона 1 М; R- газовая постоянная (8,314 Дж∙моль -1 ∙К -1); Т - абсолютная темпе­ратура, К; - концентрация иона в молях; F - число Фарадея (96,49 кДж ∙ В -1 ∙ моль -1); z - заряд иона; ψ - электрический потенциал раствора.

Электрохимический потенциал оценивает свободную энергию иона и учи­тывает все силы, способные побудить ион к движению из одной области в другую. Спонтанное движение ионов через мембрану из области с более высо­ким в область с более низким электрохимическим потенциалом представляет собой пассивный транспорт, или диффузию. Движущей силой диффузии явля­ется разность электрохимических потенциалов, или трансмембранный элект­рохимический градиент иона АД,-. Движение иона против градиента электрохи­мического потенциала требует энергии и называется активным транспортом. Если потенциалы ионов по обе стороны мембраны равны, т. е. ∆ = 0, это означает, что ионные потоки через мембрану находятся в равновесии.

Представим, что мембрана разделяет две области, в которых содержание ионов Н + разное и

электрохимические потенциалы Н + соответственно равны:

В результате неравномерного распределения иона Н + возникает трансмемб­ранный градиент электрохимического потенциала Δ равный разности электрохимических потенциалов протонов по обе стороны мембраны:

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

где Δ - разность электрохимических потенциалов иона Н + по обе стороны мембраны; z - заряд иона Н + , равный +1; ∆ψ 1-2 - разность электрических потенциалов между двумя водными фазами, разделенными мембраной, т.е. электрический потенциал на мембране в вольтах; l и [Н + ] 2 - молярные концентрации ионов Н + по обе стороны мембраны (индексы 1 и 2 относятся к растворам, находящимся внутри и снаружи замкнутой мембраны).

Частное от деления величины Δ на постоянную F называется протондвижущей силой ∆ρ и измеряется в вольтах. Если ввести константы и выразить логарифм концентраций ионов Н + в единицах рН (рН = -lg ), то для темпе­ратуры 25 °С получим простое выражение

∆ρ = Δ /F = ∆ψ - 59ΔрН [мВ].

Как видно из уравнения, протондвижущая сила состоит из двух компонен­тов. Первый - это градиент Δ рН, т. е. разность концентраций ионов Н + по обе стороны мембраны. Градиент рН заставляет ионы Н + и ОН - концентрироваться около поверхности мембраны. Это приводит к возникновению мембранного потенциала ∆ψ (второй компонент), созданного избытком положительного заряда на одной стороне мембраны и отрицательного - на другой. Эффект мембранного потенциала усиливается другими ионами разных знаков, кото­рые также притягиваются и концентрируются около мембраны. Следует подчеркнуть, что, хотя одна стороны мембраны заряжена более положительно по отношению к другой, основной раствор остается в целом электронейтральным, т.е. содержит равное число катионов и анионов. Дело в том, что число «лишних», несбалансированных ионов, формирующих слой заряда на мембра­не, ничтожно мало в сравнении с общим числом ионов в растворе.

2.7. ЭНЕРГИЯ Δ ИСПОЛЬЗУЕТСЯ ДЛЯ СИНТЕЗА АТФ ИЗ АДФ И Ф н ПРИ УЧАСТИИ АТФ-СИНТАЗЫ

Неравномерное распределение протонов по обе стороны мембраны по­буждает их к диффузии по градиенту концентрации и заряда, которой препятствует мембрана. Энергия Δ или ∆ρ является мерой свободной энер­гии (∆G= Δ ), которая запасена на мембране и может быть освобождена, если протоны начнут проходить мембрану по градиенту своего потенциала. Эта энергия может быть использована, если есть механизм сопряжения диф­фузии с энергозависимой реакцией. Такой механизм представляет собой АТФ-синтаза (F 1 F 0 - АТФаза, или Н + АТФаза F-muna), интегрированный в сопря- гающую мембрану ферментный комплекс, который использует энергию Δ для синтеза АТФ из АДФ и Ф н. Синтез сопряжен с обратным током протонов по градиенту своего потенциала через АТФ-синтазный комплекс, т. е. осу­ществляется в момент разрядки мембраны при уменьшении, или диссипацииΔ .

Обе составляющие ∆ρ - градиент ∆рН и мембранный потенциал ∆ψ - стре­мятся заставить протоны пересекать мембрану по градиенту концентрации и заряда, и обе составляющие, таким образом, равноценны для синтеза АТФ. Этот тезис подтверждается в экспериментах in vitro. АТФ-синтазы могут быть выделены из мембраны с помощью детергентов и встроены в искусственные мембранные пузырьки (липосомы), приготовленные из очищенных фосфолипидов. В этом случае синтез АТФ можно наблюдать, если искусственно создать градиент рН или приложить к мембране разность электрических по­тенциалов.

Хотя основная функция АТФ-синтазы - синтез АТФ, этот фермент в опре­деленных условиях может проявлять АТФазную активность, т. е. перекачивать протоны против градиента за счет гидролиза АТФ. Следовательно, АТФ-синтаза (Н + -АТФаза) в принципе способна к взаимопревращению двух форм энергии:

Энергия Δ может быть использована не только для синтеза АТФ, но и в других целях. Например, в митохондриях она используется для транспорта ве­ществ через мембрану. Кроме того, рассеивание Δ имеет значение в терморегуляторном образовании теплоты (см. гл. 4).

Тейко Абэ

Как потеря электрохимического градиента приводит к выработке тепла?

Насколько я понимаю, разобщение потока протонов и АТФ-синтазы обеспечивает обход протонов между внешней и внутренней мембраной митохондрий, так что протоны не должны проходить через АТФ-синтазу на пути к матрица. Я вижу, как это приводит к потере электрохимического градиента. Но почему вырабатывается тепло?

AliceD ♦

По той же причине, что и при коротком замыкании батареи:) Тот же принцип, тот же эффект.

Ответы

Сатвик Пасани

Комментарий ALiceD совершенно правдив. (Хотя в реальных случаях короткое замыкание редко бывает абсолютным, так как обычно в проводе короткого замыкания имеется некоторое конечное сопротивление.)

Вы можете понять это двумя способами.

Интуитивно понятно , что разъединение обеспечивает канал для перемещения ионов водорода через мембрану в направлении их электрохимического градиента без какой-либо работы. Следовательно, энергию, которую он получает, пересекая разность потенциалов, можно считать преобразованной в кинетическую энергию, то есть ионы водорода ускоряются разностью потенциалов, которая заставляет их набирать скорость и, следовательно, двигаться с большей скоростью, чем в среднем последний отсек. Это приведет к увеличению столкновений (и более энергичных) с окружающими молекулами, что также немного увеличит их кинетическую энергию, что в конечном итоге увеличит среднюю кинетическую энергию, меру которой называют температурой. Если бы он был связан, ионы водорода не получили бы кинетическую энергию, так как энергия, которую они получают путем пересечения разности потенциалов, была бы использована для работы в механизме АТФ-синтазы.

Строго говоря , вы можете показать это, используя химическую термодинамику, которая включает в себя использование Δ G " role="presentation" style="position: relative;">Δ G Δ G " role="presentation" style="position: relative;"> Δ G " role="presentation" style="position: relative;">Δ Δ G " role="presentation" style="position: relative;">г функции, μ " role="presentation" style="position: relative;">μ μ " role="presentation" style="position: relative;"> μ " role="presentation" style="position: relative;">μ функции и некоторые связанные термодинамические переменные. Дайте мне знать, если вы хотите это объяснение (хотя я рискую потерять связь с математическим аспектом термодинамики)

PS: - Хотя термодинамическое объяснение также учитывает увеличение температуры из-за стертого градиента концентрации, это трудно объяснить с помощью предыдущей модели. Вы можете думать об этом, так как нейтрализация градиента концентрации изменяет количество столкновений на единицу объема (и времени), и, следовательно, также способствует наблюдаемому изменению температуры.

WYSIWYG ♦

Способ, которым вы объяснили механизм, очень хорош +1

Тейко Абэ

Спасибо за ваш ответ. Сейчас я вполне доволен интуитивным подходом. Я не уверен, что смогу полностью понять строгое математическое объяснение на данный момент, я чувствую, что сначала мне нужно немного почитать.