Трансмембранный электрохимический протонный градиент и его составляющие

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 давлением¹ можно пренебречь, химический потенциал вещества s равен:

μ_s = + 2,3RTlg[C_s] [Дж • моль^-1],

где — стандартный химический потенциал вещества s при концентрации 1 М; [C_s] — 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[C_i] + 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; [C_i] — 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[H⁺]_l / [H⁺]₂ [Дж ∙ моль^-1],

¹ В гл. 5 «Водный обмен» показано, что химический потенциал воды зависит не только от активности воды, но и от гидростатического давления в системе.

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; [H⁺]_lи [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 [H⁺]), 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 (F₁F₀ — 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).

Дата добавления: 2015-05-08