Gradiente electroquímico, o gradiente de potencial electroquímico- un conjunto de gradiente de concentración y potencial de membrana, que determina la dirección del movimiento de los iones a través de la membrana. Consta de dos componentes: un gradiente químico (gradiente de concentración), o la diferencia en la concentración de un soluto en ambos lados de la membrana, y un gradiente eléctrico (potencial de membrana), o una diferencia en las cargas ubicadas en lados opuestos del membrana. El gradiente se produce debido a la concentración desigual de iones en lados opuestos de la membrana permeable. Los iones se mueven a través de la membrana desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración por simple difusión. Además, los iones llevan una carga eléctrica, que forma un potencial eléctrico en la membrana (potencial de membrana). Si hay una distribución desigual de cargas en ambos lados de la membrana, entonces la diferencia en el potencial eléctrico genera una fuerza que conduce a la difusión iónica hasta que las cargas en ambos lados se equilibran.
1 / 3
✪ Potenciales de membrana - Parte 1
✪ In Da Club - Membranas y transporte: Curso intensivo de biología n. ° 5
✪ Sinapsis neuronales (química) | Anatomía y fisiología humana | Salud y Medicina | Academia Khan
Dibujaré una jaula pequeña. Esta será una celda típica y estará llena de potasio. Sabemos que a las células les encanta acumularlo dentro de sí mismas. Mucho potasio. Sea su concentración alrededor de 150 milimoles por litro. Mucho potasio. Pongamos eso entre corchetes, porque los corchetes representan concentración. También hay algo de potasio en el exterior. Aquí la concentración será de aproximadamente 5 milimoles por litro. Le mostraré cómo se establecerá el gradiente de concentración. No sucede por sí solo. Esto requiere mucha energía. Se bombean dos iones de potasio y, al mismo tiempo, tres iones de sodio abandonan la célula. Entonces, los iones de potasio ingresan inicialmente. Ahora que están adentro, ¿se mantendrán allí solos? Por supuesto no. Encuentran aniones, moléculas pequeñas o átomos con carga negativa y se encuentran cerca de ellos. Por tanto, la carga neta se vuelve neutra. Cada catión tiene su propio anión. Y, por lo general, estos aniones son proteínas, algún tipo de estructuras que tienen una cadena lateral negativa. Puede ser cloruro o, por ejemplo, fosfato. Cualquier cosa. Cualquiera de estos aniones funcionará. Representaré algunos aniones más. Entonces, aquí hay dos iones de potasio que acaban de ingresar a la célula, así es como se ve todo ahora. Si todo es bueno y estático, así es como se ven. Y de hecho, para ser bastante justos, también hay pequeños aniones que están a la par con los iones de potasio aquí. La jaula tiene pequeños orificios a través de los cuales puede salir el potasio. Veamos cómo se verá esto y cómo afectará lo que está sucediendo aquí. Entonces tenemos estos pequeños canales. Solo el potasio puede pasar a través de ellos. Es decir, estos canales son muy específicos para el potasio. Nada más puede atravesarlos. Sin aniones, sin proteínas. Los iones de potasio parecen estar buscando estos canales y razonan: “¡Vaya, qué interesante! ¡Hay tanto potasio aquí! Deberíamos salir ". Y todos estos iones de potasio simplemente salen de la célula. Salir afuera. Y como resultado, sucede algo interesante. La mayoría de ellos se han movido hacia afuera. Pero ya hay algunos iones de potasio afuera. Dije que este pequeño ion estaba aquí y que teóricamente podría penetrar dentro. Puede entrar en esta jaula si quiere. Pero el hecho es que en total, en total, tienes más movimientos hacia afuera que hacia adentro. Ahora estoy borrando este camino porque quiero que recuerden que tenemos más iones de potasio que tienden a salir debido a la presencia de un gradiente de concentración. Este es el primer paso. Déjame escribir esto. El gradiente de concentración hace que el potasio se mueva hacia afuera. El potasio comienza a moverse hacia afuera. Deja la jaula. ¿Y entonces que? Vamos, lo dibujaré en el proceso de salir. Este ion de potasio ahora está aquí, y este está aquí. Solo quedan aniones. Permanecieron después de que se fue el potasio. Y estos aniones comienzan a producir una carga negativa. Una carga negativa muy grande. Solo unos pocos aniones que se mueven hacia adelante y hacia atrás crean una carga negativa. Y los iones de potasio del exterior creen que todo esto es muy interesante. Aquí hay una carga negativa. Y como está allí, se sienten atraídos por él, ya que ellos mismos tienen una carga positiva. Se sienten atraídos por una carga negativa. Quieren volver. Ahora piénselo. Tiene un gradiente de concentración que empuja el potasio hacia afuera. Pero, por otro lado, existe un potencial de membrana, en este caso negativo, que surge del hecho de que el potasio ha dejado un anión. Este potencial estimula la recuperación del potasio. Una fuerza, la concentración, empuja al ion potasio hacia afuera, otra fuerza, el potencial de membrana, que es creado por el potasio, lo hace regresar hacia adentro. Libera algo de espacio. Ahora les mostraré algo interesante. Construyamos dos curvas. Intentaré no perderme nada en esta diapositiva. Dibujaré todo aquí y luego se verá un pequeño fragmento de esto. Construimos dos curvas. Uno de ellos será para el gradiente de concentración y el otro para el potencial de membrana. Estos serán los iones de potasio del exterior. Si los sigue a lo largo del tiempo, esta vez, obtiene algo como lo siguiente. Los iones de potasio tienden a salir y alcanzar el equilibrio en cierto punto. Hagamos lo mismo con el tiempo en este eje. Este será nuestro potencial de membrana. Comenzamos en el punto cero en el tiempo y obtenemos un resultado negativo. La carga negativa aumentará cada vez más. Comenzamos en el punto cero del potencial de membrana, y es en el punto donde los iones de potasio comienzan a salir cuando ocurre lo siguiente. V bosquejo general todo es muy similar, pero sucede en paralelo a los cambios en el gradiente de concentración. Y cuando estos dos valores se igualan entre sí, cuando la cantidad de iones de potasio que salen del exterior es igual a la cantidad de iones de potasio que regresan al interior, esto es una meseta. Y resulta que la carga es de menos 92 milivoltios. En este punto, donde prácticamente no hay diferencia en términos del movimiento total de iones de potasio, se observa el equilibrio. Incluso tiene su propio nombre: "el potencial de equilibrio del potasio". Cuando el valor llega a menos 92 - y difiere según el tipo de iones - al llegar a menos 92 para el potasio, se crea un equilibrio de potenciales. Permítanme escribir que la carga del potasio es menos 92. Esto sucede solo cuando la célula es permeable solo para un elemento, por ejemplo, para los iones de potasio. Y todavía puede surgir una pregunta. Podrías pensar, “¡Está bien, espera un segundo! Si los iones de potasio se mueven hacia afuera, que son, entonces, ¿no tenemos una concentración más baja en un cierto punto, ya que el potasio ya se fue de aquí y se proporciona una concentración más alta aquí debido al movimiento de potasio hacia afuera? " Técnicamente lo es. Aquí, afuera, hay más iones de potasio. Y no mencioné que el volumen también cambia. Aquí se obtiene una mayor concentración. Y lo mismo ocurre con la celda. Es técnicamente una concentración más baja. Pero en realidad no he cambiado los valores. Y la razón es la siguiente. Mira estos valores, son polillas. Y ese es un número enorme, ¿verdad? 6.02 por 10 a menos 23 no es un número pequeño en absoluto. Y si lo multiplica por 5, obtiene algo como: permítame calcular rápidamente lo que hicimos. 6 por 5 es 30. Y aquí hay milimoles. 10 a 20 moles. Es solo una gran cantidad de iones de potasio. Y para crear una carga negativa, se necesitan muy pocas. Es decir, los cambios provocados por el movimiento de iones serán insignificantes en comparación con los 10 a 20 grados. Por eso no se tienen en cuenta los cambios de concentración.
El potencial electroquímico se utiliza en química electroanalítica y en la industria se utiliza en la fabricación de baterías y pilas de combustible. Representa una de las muchas formas intercambiables de energía potencial, en cuya forma es posible la conservación de energía.
En los procesos biológicos, los iones atraviesan la membrana por difusión o transporte activo, determinado por un gradiente electroquímico. En las mitocondrias y los cloroplastos, los gradientes de protones se utilizan para generar potencial quimiosmótico que también se conoce como fuerza impulsora de protones Δp o ΔμH +... Esta energía potencial se utiliza para sintetizar ATP mediante fotofosforilación. La fuerza impulsora de protones de acuerdo con la teoría quimiosmótica de Mitchell es producto común procesos acoplados de respiración y fosforilación oxidativa. Consiste en dos factores: químico (u osmótico), la diferencia en las concentraciones de iones H + en la matriz mitocondrial y el espacio intermembrana, y eléctrico, debido a la diferencia en las cargas eléctricas ubicadas en lados opuestos de la membrana. La diferencia en la concentración de iones H +, medida en unidades de pH, se indica mediante ΔpH. La diferencia de potencial eléctrico se indica con el símbolo Δψ. Por tanto, la ecuación toma la forma:
Δ μ H + = Δ ψ + Δ p H (\ Displaystyle \ Delta \ mu _ (H ^ (+)) = \ Delta \ psi + \ Delta pH) ,
Δ p H = p H A - p H B (\ Displaystyle \ Delta pH = pH_ (A) -pH_ (B))
la diferencia en la concentración de iones H + (gradiente químico) en el lado A (+) - y el lado B (-) - de la membrana.
El gradiente electroquímico es similar a la presión que ejerce el agua cuando fluye a través de una presa hidroeléctrica. Las proteínas de transporte de membrana, como la ATPasa de sodio y potasio, son similares a las turbinas que convierten energía potencial el agua en otras formas de energía física o química, y los iones que pasan a través de la membrana son análogos al agua que cae al fondo de una presa. Además, la energía se puede utilizar para bombear agua a un lago aguas arriba de la presa. Asimismo, la energía química de las células se puede utilizar para crear gradientes electroquímicos.
El término "potencial electroquímico" se utiliza normalmente cuando se va a producir una reacción química, por ejemplo, con la transferencia de un electrón en una batería eléctrica. En las baterías, el potencial electroquímico que surge del movimiento de iones equilibra la energía de reacción de los electrodos. El voltaje máximo que puede producir una batería se denomina potencial electroquímico estándar para esa reacción. Junto con los compuestos de alta energía, la energía química se puede almacenar en membranas biológicas, que funcionan como condensadores, que actúan como una capa aislante para los iones cargados.
Generación de un potencial eléctrico transmembrana mediante el movimiento de iones a través membrana celular conduce a procesos biológicos como conducción nerviosa, contracción muscular, secreción hormonal y respuestas sensoriales. Se cree que la membrana de una célula animal típica tiene un potencial eléctrico transmembrana de -50 mV a -70 mV.
Los gradientes electroquímicos también juegan un papel en el establecimiento de gradientes de protones de fosforilación oxidativa en las mitocondrias. La etapa final de la respiración celular es la cadena de transporte de electrones. Cuatro complejos integrados en la membrana mitocondrial interna (crestas) forman la cadena de transporte de electrones. Sin embargo, solo los complejos I, III y IV son bombas de protones y bombean protones desde la matriz al espacio intermembrana. En total se obtienen diez protones, que se mueven desde la matriz hacia el espacio intermembrana, generando un potencial electroquímico de más de 200 mV. Esto pone en movimiento un flujo de protones de regreso a la matriz a través de la ATP sintasa, que sintetiza ATP uniendo fosfato inorgánico a la molécula de ADP. Por tanto, la generación de un gradiente electroquímico de protones es fundamental para la síntesis de energía en las mitocondrias. La ecuación general para la cadena de transporte de electrones se ve así:
NADH + 11 H + (matriz) + 1/2 O 2 ⟶ NAD + + 10 H + (IMS) + H 2 O (\ Displaystyle NADH + 11H ^ (+) (matriz) +1/2 \ O_ (2) \ flecha larga derecha NAD ^ (+) + 10H ^ (+) (IMS) + H_ (2) O) .
La cadena de transporte de electrones de la fotosíntesis en las plantas también actúa como la cadena respiratoria de transferencia de electrones, donde los protones se bombean al lumen de los cloroplastos (lumen tilacoide) y el gradiente resultante se utiliza para la síntesis de ATP a través de la enzima ATP sintasa. El gradiente de protones se puede generar usando fotofosforilación cíclica o acíclica. Las proteínas que participan en la fotofosforilación no cíclica, el fotosistema II (PSII) y el complejo citocromo b6f son directamente capaces de generar un gradiente de protones. Por cada uno de los cuatro fotones absorbidos por PSII, hay ocho protones que se bombean hacia el lumen (lumen tilacoide) desde el estroma. La ecuación general para la fotofosforilación es la siguiente:
2 H 2 O + 6 H + (estroma) + 2 NADP + ⟶ O 2 + 8 H + (lumen) + 2 NADPH (\ displaystyle 2H_ (2) O + 6H ^ (+) (estroma) + 2NADP ^ (+ ) \ longrightarrow O_ (2) + 8H ^ (+) (lumen) + 2NADPH) .
Varios otros transportadores y canales de iones juegan un papel en la generación del gradiente electroquímico de protones. Uno de ellos es el canal de iones de potasio TPK 3 activado por iones de Ca 2+. Mueve los iones de K + desde la luz hasta el estroma, lo que ayuda a establecer un gradiente de pH (gradiente de concentración) dentro del estroma. Por otro lado, el antiportador K + (KEA 3) eléctricamente neutro transporta iones K + al lumen y H + al estroma, manteniendo el equilibrio de iones y sin perturbar el campo eléctrico.
Dado que los iones llevan una carga, no pueden atravesar la membrana a través de una difusión facilitada. La transferencia de iones a través de la membrana es posible de dos formas, mediante transporte activo o pasivo. Un ejemplo de transporte activo de iones es el trabajo de Na + -K + -ATPasa. Cataliza la reacción de hidrólisis de ATP a ADP y fosfato inorgánico Fn. Durante la hidrólisis de una molécula de ATP, se libera energía, lo que cambia la conformación de la enzima, de modo que tres iones Na + se transportan al exterior y dos iones K + se transportan al interior de la célula. Como resultado, el contenido de la celda se carga más negativamente que el medio ambiente, se genera un potencial eléctrico (EMF) V m ≈ -60 mV. Un ejemplo de transporte pasivo es la corriente de iones a través de canales iónicos (canales para Na +, K +, Ca 2+ y Cl -) a lo largo del gradiente de concentración, desde la región de mayor concentración a la región de menor concentración. Por ejemplo, dado que hay una alta concentración de Na + fuera de la célula, los iones de Na + tenderán a entrar en la célula a través del canal de iones de sodio. Dado que el potencial eléctrico dentro de la celda es negativo, la afluencia de iones positivos provocará la despolarización de la membrana, como resultado de lo cual el valor del potencial eléctrico transmembrana se acerca a cero. Sin embargo, los iones de Na + continuarán descendiendo por el gradiente de concentración siempre que la fuerza impulsora del gradiente químico sea mayor que el potencial eléctrico. Después de que el efecto de ambos gradientes (químico y eléctrico) se equilibran entre sí (V m para Na + es aproximadamente +70 mV), la afluencia de iones de Na + se detendrá, ya que la fuerza impulsora (ΔG) se vuelve cero. La ecuación de la fuerza motriz es la siguiente:
Δ G = R T l norte (Do yo norte / Do mi x t) + Z F V m (\ Displaystyle \ Delta G = RTln (C_ (pulg.) / C_ (ext)) + ZFV_ (m)).
Los gradientes de protones tienen esencial, como una de las formas de almacenamiento de energía en muchos diferentes tipos células. El gradiente se usa generalmente para trabajar la ATP sintasa, la rotación del flagelo o el transporte de metabolitos a través de la membrana. Esta sección se centrará en tres procesos que ayudan a establecer gradientes de protones en las células respectivas: el trabajo de la bacteriorrodopsina, la fotofosforilación no cíclica y la fosforilación oxidativa.
La bacteriorrodopsina que se encuentra en las arqueas forma una vía para el gradiente de protones a través de una bomba de protones. La bomba de protones se basa en un portador de protones (rodopsina) que se mueve desde el lado de la membrana con una concentración baja de iones H + hacia el lado con una concentración más alta de H +. La bomba de protones de la bacteriorrodopsina se activa absorbiendo fotones con una longitud de onda de 568 nm, esto conduce a la fotoisomerización de la base de Schiff (SB) en la retina, provocando su transición de trance- a los 13 cis-formulario. La fotoisomerización es extremadamente rápida y solo toma 200 femtosegundos. Como consecuencia, la rodopsina sufre una serie de reordenamientos conformacionales rápidos: la base de Schiff se desplaza de los residuos Asp85 y Asp212, provocando la transferencia de iones H + al resto Asp85, al mismo tiempo se forma el estado M1 (meta-I). Luego, la proteína pasa al estado M2 (meta-II) separando el residuo Glu204 de Glu194, que libera un protón al ambiente externo. Esta condición es relativamente duradera. La base de Schiff se reprotona en el residuo. Asp85 formando el estado N. Es importante que el segundo protón se origine en Asp96, ya que su estado desprotonado es inestable y rápidamente reprotonado (reprotonado) por un protón del citoplasma. Protonación Asp85 y Asp96 conducir a la isomerización repetida de SB, formando así el estado O. También, en este caso, el residuo Asp85 libera su protón en Glu204 y la bacteriorrodopsina vuelve a descansar.
Después de la liberación de PSII, la plastoquinona PQH 2 reducida se transfiere al complejo citocromo b6f, que transfiere dos electrones de PQH 2 a la proteína plastocianina y en dos reacciones separadas. Este proceso es similar al ciclo Q que ocurre en el complejo III del ETC. En la primera reacción, el plastoquinol PQH 2 se une al complejo desde el lado del lumen y un electrón pasa al centro de hierro-azufre (Fe-S), que luego lo transfiere al citocromo f, este último transfiere un electrón a la plastocianina. molécula. El segundo electrón se transfiere a la molécula hemo b L, que luego lo transfiere a la hemo b H, este último transfiere el electrón a la segunda molécula de plastoquinona PQ,. En la segunda reacción, la 2ª molécula de plastoquinol PQH 2 se oxida, transfiriendo un electrón a otra molécula de plastocianina y PQ medio reducido, que se reduce a PQH 2 y abandona el complejo. Ambas reacciones van acompañadas de la transferencia de cuatro protones por lumen.
NADH + H + + UQ + 4 H + (matriz) ⟶ NAD + + UQH 2 + 4 H + (IMS) (\ displaystyle NADH + H ^ (+) + UQ + 4H ^ (+) (matriz) \ longrightarrow NAD ^ (+) + UQH_ (2) + 4H ^ (+) (IMS))
El estado de la materia s en solución se puede caracterizar en términos de potencial químico μ s, que se mide en unidades de energía libre. Siempre que la actividad de la sustancia sea igual a su concentración y se pueda despreciar la presión hidrostática 1, el potencial químico de la sustancia s es igual a:
μ s= + 2.3RTlg [J mol -1],
donde es el potencial químico estándar de una sustancia s a una concentración de 1 M; es la concentración molar de la sustancia s.
El estado del ion i se determina en términos de potencial electroquímico, que tiene en cuenta que
la variedad de un ion depende no solo de su concentración, sino también del potencial eléctrico de la solución:
= + 2,3RTlg + z Fψ [J ∙ mol -1],
dónde - potencial electroquímico estándar a una concentración de iones de 1 M; R - constante de gas (8,314 J ∙ mol -1 ∙ K -1); T - temperatura absoluta, K; - concentración de iones en moles; F - Número de Faraday (96,49 kJ ∙ V -1 ∙ mol -1); z - carga de iones; ψ es el potencial eléctrico de la solución.
El potencial electroquímico estima la energía libre de un ion y tiene en cuenta todas las fuerzas que pueden inducir a un ion a moverse de un área a otra. El movimiento espontáneo de iones a través de la membrana desde una región con un potencial electroquímico más alto a una región con un potencial electroquímico más bajo es el transporte pasivo o difusión. La fuerza impulsora de la difusión es la diferencia en los potenciales electroquímicos, o el gradiente electroquímico transmembrana del ion AD, -. Movimiento de iones contra gradiente de potencial electroquímico requiere energía y se llama transporte activo. Si los potenciales de iones en ambos lados de la membrana son iguales, es decir, ∆ = 0, esto significa que los flujos de iones a través de la membrana están en equilibrio.
Imagine que la membrana separa dos regiones en las que el contenido de iones H + es diferente y
los potenciales electroquímicos H + son respectivamente iguales:
Como resultado de la distribución desigual del ión Н +, surge un gradiente transmembrana del potencial electroquímico Δ, que es igual a la diferencia en los potenciales electroquímicos de los protones en ambos lados de la membrana:
- = Δ = zF∆ψ 1-2 + 2,3RTlg l / 2 [J ∙ mol -1],
donde Δ es la diferencia en los potenciales electroquímicos del ion Н + en ambos lados de la membrana; z - la carga del ion H + igual a +1; ∆ψ 1-2 - la diferencia de potencial eléctrico entre dos fases acuosas separadas por una membrana, es decir potencial eléctrico a través de la membrana en voltios; ly [H +] 2 - concentraciones molares de iones H + en ambos lados de la membrana (los índices 1 y 2 se refieren a soluciones dentro y fuera de la membrana cerrada).
El cociente de dividir Δ por una constante F se denomina fuerza motriz del protón Δρ y se mide en voltios. Si introducimos constantes y expresamos el logaritmo de las concentraciones de iones H + en unidades de pH (pH = -lg), entonces para una temperatura de 25 ° C obtenemos una expresión simple
∆ρ = ∆ / F = ∆ψ - 59∆рН [mV].
Como puede ver en la ecuación, la fuerza motriz del protón tiene dos componentes. El primero es el gradiente de pH Δ, es decir, la diferencia en la concentración de iones H + en ambos lados de la membrana. El gradiente de pH hace que los iones H + y OH - se concentren cerca de la superficie de la membrana. Esto conduce a la aparición de un potencial de membrana ∆ψ (el segundo componente), creado por un exceso de carga positiva en un lado de la membrana y negativa en el otro. El efecto del potencial de membrana se ve reforzado por otros iones de diferentes signos, que también son atraídos y concentrados alrededor de la membrana. Se debe enfatizar que aunque un lado de la membrana se carga más positivamente con respecto al otro, la solución básica permanece eléctricamente neutra en su conjunto, es decir. contiene un número igual de cationes y aniones. El hecho es que el número de iones "extra" desequilibrados que forman una capa de carga en la membrana es insignificante en comparación con el número total de iones en la solución.
2.7. LA ENERGÍA Δ SE UTILIZA PARA LA SÍNTESIS DE ATP DE ADP Y F n CON LA PARTICIPACIÓN DE ATP SYNTHASE
La distribución desigual de los protones en ambos lados de la membrana los induce a difundirse a lo largo del gradiente de concentración y carga, lo cual es impedido por la membrana. La energía Δ o Δρ es una medida de energía libre (ΔG = Δ), que se almacena en la membrana y se puede liberar si los protones comienzan a pasar a través de la membrana a lo largo de su gradiente de potencial. Esta energía se puede utilizar si existe un mecanismo para acoplar la difusión con una reacción dependiente de la energía. Tal mecanismo es ATP sintasa (F 1 F 0- ATPasa o H + ATPasa F-muna), un complejo enzimático integrado en la membrana de conjugación, que utiliza energía Δ para la síntesis de ATP a partir de ADP y Pn. La síntesis se acopla con la corriente inversa de protones a lo largo del gradiente de su potencial a través del complejo ATP-sintasa, es decir, se lleva a cabo en el momento de la descarga de la membrana con una disminución o disipación de ∆.
Ambos componentes de ∆ρ - el gradiente de ∆pH y el potencial de membrana ∆ψ - tienden a forzar a los protones a cruzar la membrana a lo largo del gradiente de concentración y carga, por lo que ambos componentes son equivalentes para la síntesis de ATP. Esta tesis se confirma en experimentos in vitro. Las ATP sintasas pueden aislarse de la membrana usando detergentes e incrustarse en vesículas de membrana artificiales (liposomas) preparadas a partir de fosfolípidos purificados. En este caso, se puede observar la síntesis de ATP si se crea artificialmente un gradiente de pH o se aplica una diferencia de potencial eléctrico a la membrana.
Aunque la función principal de la ATP sintasa es la síntesis de ATP, esta enzima, bajo ciertas condiciones, puede exhibir actividad ATPasa, es decir, bombear protones contra el gradiente debido a la hidrólisis de ATP. En consecuencia, la ATP sintasa (H + -ATPasa) es, en principio, capaz de interconvertir dos formas de energía:
La energía Δ se puede utilizar no solo para la síntesis de ATP, sino también para otros fines. Por ejemplo, en las mitocondrias, se usa para transportar sustancias a través de la membrana. Además, la disipación de Δ es importante en la producción de calor termorregulador (ver Capítulo 4).
La transferencia de electrones a lo largo de la cadena respiratoria desde NADH al oxígeno está acompañada por el bombeo de protones desde la matriz mitocondrial a través de la membrana interna hacia el espacio intermembrana. Este trabajo consume parte de la energía de los electrones transferidos a lo largo del CPE.
Los protones transferidos desde la matriz al espacio intermembrana no pueden regresar a la matriz, ya que la membrana interna es impermeable a los protones. Por lo tanto, se crea un gradiente de protones, en
en el que la concentración de protones en el espacio intermembrana es mayor y el pH es menor que en la matriz. Además, cada protón lleva una carga positiva y, como resultado, aparece una diferencia de potencial en ambos lados de la membrana: una carga negativa en dentro y positivo por fuera. En conjunto, los gradientes eléctricos y de concentración forman el potencial electroquímico ΔμH +, la fuente de energía para la síntesis de ATP. Dado que el transporte más activo de protones al espacio intermembrana, necesario para la formación de ΔμH +, ocurre en las regiones CPE correspondientes a la ubicación de los complejos I, III y IV, estas regiones se denominan puntos de conjugación de la respiración y la fosforilación. (Figura 6-11, 6-13).
El mecanismo de transporte de protones a través de la membrana mitocondrial en los puntos de unión no es lo suficientemente claro. Sin embargo, se ha encontrado que KoQ juega un papel importante en este proceso. El mecanismo de transferencia de protones con la participación de KoQ se ha estudiado con más detalle a nivel del complejo.
KoQ transfiere electrones del complejo I al complejo III y protones de la matriz al espacio intermembrana, realizando una especie de transformaciones cíclicas llamadas Q-ciclos. La ubiquinona reducida (QH2) sirve como donante de electrones para el complejo III y el citocromo c como aceptor. El citocromo c se encuentra en el exterior de la membrana mitocondrial interna; allí también se encuentra el sitio activo del citocromo c1, desde el cual se transfieren electrones al citocromo c.
Existe una reserva total estacionaria de Q / QH2 en la membrana, desde la cual cada molécula de QH2 en un ciclo proporciona la transferencia de protones desde la matriz al espacio intermembrana y a los electrones, que finalmente se convierten en oxígeno. El trabajo realizado al bombear protones consume parte de la energía libre, que se libera durante la transferencia de electrones a lo largo del gradiente de potencial redox. La energía del potencial electroquímico (ΔμH +) se usa para la síntesis de ATP si los protones regresan a la matriz a través de los canales iónicos de la ATP sintasa.
Arroz. 6-13. Acoplamiento de respiración y síntesis de ATP en mitocondrias. I - NADH deshidrogenasa; II - succinato deshidrogenasa; III - QH2 deshidrogenasa; IV - citocromo oxidasa; V - LTP sintasa. La energía del potencial de protones (potencial electroquímico ΔμH +) se utiliza para la síntesis de ATP si los protones regresan a la matriz a través de los canales iónicos de la ATP sintasa.
2. Estructura de la ATP sintasa y síntesis de ATP
La ATP sintasa (H + -ATP-ase) es una proteína integral de la membrana mitocondrial interna. Se encuentra muy cerca de la cadena respiratoria. La ATP sintasa consta de 2 complejos de proteínas designados como F0 y F1
Un aumento en la concentración de protones en el espacio intermembrana activa la ATP sintasa. El potencial electroquímico ΔμH + fuerza a los protones a moverse a lo largo del canal de ATP sintasa hacia la matriz. En paralelo, bajo la acción de ΔμH +, se producen cambios conformacionales en los pares de subunidades α, β de la proteína F1, como resultado de lo cual se forma ATP a partir de ADP y fosfato inorgánico. Potencial electroquímico,
generado en cada uno de los 3 puntos de conjugación en el CPE se utiliza para sintetizar una molécula de ATP.
Las células intercambian constantemente solutos (por ejemplo, nutrientes, desechos y gases respiratorios) con líquido tisular. El transporte de solutos a través de las membranas celulares es fundamental para la supervivencia de todas las células y, por lo tanto, los mecanismos de transporte están presentes en todas las células. Las especializaciones en los mecanismos de transporte de membranas suelen ser la base de la función tisular. Por ejemplo, en tejidos excitables, la excitabilidad de los sistemas de transporte de membrana se debe en gran medida a la capacidad de generar y propagar señales eléctricas.
Las diferencias en la composición de los fluidos intracelulares e intersticiales se deben a una propiedad especial de la membrana: su permeabilidad selectiva, es decir. la capacidad de pasar algunas sustancias y no otras.
La transferencia de sustancias a través de la membrana puede ocurrir de forma pasiva y activa. El transporte activo requiere consumo de energía y el transporte pasivo se realiza sin consumo de energía. El transporte activo siempre va en contra del gradiente electroquímico. El transporte pasivo de solutos solo puede ocurrir a lo largo de un gradiente electroquímico favorable. Gradiente electroquímico El ión es la fuerza impulsora del flujo de iones, que es una combinación de potencial de membrana (gradiente eléctrico) y gradiente de concentración de iones (gradiente químico). El gradiente eléctrico caracteriza el movimiento de solo iones y se dirige hacia su carga opuesta. El gradiente químico se dirige desde un área de alta concentración de solutos a un área de baja concentración.
Los sistemas de transporte de solutos se pueden clasificar según el uso energía celular.
1. El transporte pasivo no es requiere hidrólisis de ATP y no está asociado con la transferencia de otro soluto.
Puede producirse la difusión de sustancias liposolubles (p. Ej., Gases) directamente a través de la membrana plasmática.
El transporte de iones y moléculas pequeñas a menudo se produce a través de proteínas transmembrana que sirven canales de iones. Los canales iónicos tienen lo siguiente componentes comunes:
1)área de poros, a través del cual se difunden los iones.
2)filtro selectivo dentro del poro, como resultado, el canal es altamente selectivo para ciertos iones (por ejemplo, canales de Na +).
3) puerta del canal, que abren y cierran el canal En el estado cerrado, los iones no pasan a través del canal, pero el canal está disponible para su activación. En estado abierto, los iones se mueven de acuerdo con su gradiente electroquímico. La puerta del canal se puede controlar mediante uno de los siguientes mecanismos: tensiones de la membrana (canales activados por voltaje); sustancias químicas (canales químicamente dependientes); fuerzas mecánicas en la membrana (canales dependientes del estiramiento).
Puede producirse difusión y a través de proteínas transportadoras, llamado uniforme, que unen selectivamente un soluto a un lado de la membrana y experimentan cambios conformacionales para entregarlo al otro lado. El transporte de solutos a través del unipuerto se llama difusión facilitada, porque es más rápido que la simple difusión.
Ósmosis - es el movimiento (difusión) del agua a través de una membrana, que es impulsado por un gradiente de concentración de agua. La concentración de agua se expresa en términos de la concentración total de un soluto; cuanto más diluida está la solución, menor es la concentración de su soluto y agua, mayor es la concentración. Cuando se separan dos soluciones membrana semipermeable(es decir, que permite el transporte de agua, pero no de solutos), el agua se mueve por ósmosis desde una solución más diluida. Osmolaridad es una expresión de la fuerza osmótica de la solución y concentración total de soluto. Dos soluciones de la misma osmolaridad se denominan isoosmótico. Las soluciones con una osmolaridad superior a la de la solución de referencia se denominan hiperosmótico y las soluciones con menor osmolaridad se denominan hipoosmótico. Una solución isotónica tiene la misma osmolaridad que las células en funcionamiento y no provoca el movimiento del agua pura a través de su membrana; una solución hipotónica tiene una osmolaridad más baja que una célula funcional y hace que las células se hinchen, una solución hipertónica tiene una osmolaridad más alta que las células y hace que las células se encojan. Por ejemplo, si el paciente se inyecta por vía intravenosa solución hipotónica, el tono del líquido extracelular inicialmente disminuye y el agua pasa al líquido intracelular por ósmosis (las células se hinchan). Por el contrario, si ingresa solución hipertónica, el tono del líquido extracelular aumenta y el agua sale del líquido intracelular (las células se encogen).
El potencial de membrana surge de un gradiente electroquímico que existe en ambos lados de la membrana, selectivamente permeable a los iones.
El valor del potencial de membrana en función de la concentración de iones se calcula utilizando la ecuación de Nernst
La jaula es compatible significado negativo potencial de membrana en reposo. En este caso, el entorno interno de la celda, en comparación con el externo, se caracteriza por una carga negativa ligeramente mayor.
La existencia de un potencial de membrana es un requisito previo para la generación de señales eléctricas, así como el transporte direccional de iones a través de la membrana.
Importante propiedad de la celda es la capacidad de mantener tales concentraciones intracelulares de metabolitos que son significativamente diferentes de su contenido en el entorno extracelular. En el caso de los iones, las diferencias en su concentración en ambos lados de la membrana conducen a diferencias en la carga eléctrica: el medio intracelular tiene una carga ligeramente más negativa que el medio fuera de la célula. La acción combinada de la diferencia de carga y concentración conduce a la aparición de un gradiente electroquímico. El gradiente electroquímico se mantiene mediante la acción de canales selectivos y proteínas transportadoras en la membrana plasmática.
Para comprender cómo surge el gradiente electroquímico, primero consideramos un caso simple en el que la membrana es permeable solo para un tipo de iones. La siguiente figura muestra dos compartimentos, A y B, separados por una fina membrana. Estos compartimentos contienen soluciones de KC1 de diversas concentraciones. En solución, el cloruro de potasio se disocia en iones hidratados K + y Cl-. Dado que ambos compartimentos contienen concentraciones de iones equimolares, cada uno tiene una carga neutra.
Si membrana fuera impermeable a los iones, entonces el valor de su potencial eléctrico, medido con un voltímetro, sería igual a cero.
El movimiento selectivo de iones a través de la membrana provoca un cambio en el potencial de membrana.Ahora considere el caso cuando permeable a la membrana solo para iones de potasio (por ejemplo, cuando hay canales de K + en la membrana). La difusión de solutos a lo largo del gradiente de concentración es un proceso energéticamente favorable (expresado como un valor negativo de la diferencia de energía AG). Por lo tanto, los iones K + se difundirán hacia su concentración más baja, es decir, del compartimento B al compartimento A. En este caso, la distribución de carga en la membrana cambiará. A medida que los iones cargados positivamente se acumulan en el compartimento A, las fuerzas repulsivas entre ellos aumentan. Estas fuerzas impiden la transferencia de iones K + al compartimento A.
Cuando el sistema llega equilibrio electroquímico, los gradientes de concentración y cargas eléctricas están mutuamente equilibrados y el movimiento de iones K + a través de la membrana se detiene. En este caso, el transporte de iones K + desde un compartimento está restringido por su transporte desde el otro compartimento.
pero en el compartimento A contiene más iones cargados positivamente que el compartimento B. Este exceso de iones K + (en el compartimento A) interactúa con un exceso de iones Cl- (en el compartimento B) a través de la membrana delgada, lo que resulta en la formación de cargas eléctricas en ambos lados del membrana. La diferencia de cargas en ambos lados de la membrana se expresa como una diferencia de potencial y se denomina potencial de membrana. El potencial de equilibrio (membrana) del compartimento B con respecto al compartimento A tiene un valor negativo.
Esta ejemplo ilustra la necesidad de dos condiciones necesarias para la aparición de un potencial de membrana celular que no es igual a cero:
diferentes concentraciones de iones en ambos lados de la membrana, lo que conduce a la separación de carga y
membrana con permeabilidad selectiva a al menos un tipo de iones.
Es por eso valor de potencial de membrana es una función de la concentración de iones. En un estado de equilibrio, esta función para los iones X se puede expresar cuantitativamente usando la ecuación de Nernst:
E - potencial de equilibrio (en voltios)
R - constante de gas universal (2 cal mol -1 K -1)
T - temperatura absoluta (K; 37 ° C = 307,5 K)
z - valencia de iones (carga eléctrica)
F - Número de Faraday (2,3 x 10 4 cal voltios -1 mol -1)
[X] A - concentración de iones libres X en el compartimento A
[X] в - concentración de iones libres X en el compartimento В
La formación de potencial de membrana en células animales está implicada principalmente. iones К +, Na + y Cl-... Los iones Ca2 + y Mg2 + están menos involucrados en la formación del potencial de membrana en reposo. La membrana plasmática tiene una permeabilidad selectiva a los iones enumerados (es decir, la membrana contiene canales iónicos que son selectivos para cada tipo de ion). Esta circunstancia, así como la permeabilidad de la membrana (P) para cada ion, se tiene en cuenta en la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz, que es una forma extendida de la ecuación de Nernst.
Para los iones principales, esta ecuación expresa el potencial de membrana en función de su permeabilidad y concentración dentro (i) y fuera (o) de la célula:
La magnitud de lo negativo potencial de membrana en reposo depende del tipo de celdas y varía de -200 mV a -20 mV. En las células de mamíferos, el potencial de membrana en reposo se crea principalmente durante el funcionamiento de los canales de K + y una bomba de iones llamada Na + / K + -ATPasa. La principal contribución a la formación de un potencial de membrana negativo se realiza mediante un pequeño flujo de iones K + a través de la membrana plasmática. Este flujo se lleva a cabo a través de canales de K + desprovistos de un mecanismo de compuerta (los llamados canales de potasio en reposo).
a diferencia de la mayoría otros canales de K + que necesitan una señal para abrirse, estos canales en la célula, que tiene un cierto potencial de reposo, están constantemente abiertos. En una celda en reposo, varios canales también están abiertos para otros iones. El movimiento de iones de K + fuera de la celda, en la dirección del gradiente electroquímico, ayuda al contenido de la celda a mantener una carga negativa. Todavía no conocemos todas las fuentes de iones de potasio que intervienen en este proceso. En algunas células, por ejemplo en plantas y bacterias, así como en las mitocondrias, el potencial de membrana en reposo se crea mediante un gradiente de protones, no de iones K +.
Para que suceda difusión de iones K + de la célula a través de los canales de K +, su concentración en la célula debe ser mayor que en medio ambiente... El gradiente de concentración se crea como resultado del trabajo de Na + / K + -ATPasa, que bombea dos iones de potasio a la célula por cada tres iones de sodio que esta bomba de iones elimina de la célula. Por lo tanto, la bomba funciona como un generador de carga: se eliminan más cargas eléctricas de las que se introducen en la celda. Por tanto, junto con los canales de K + que carecen de un mecanismo de puerta, las Na + / K + -ATPasas están implicadas en la creación de un potencial intracelular negativo. Si las Na + / K + -ATPasas se inactivan, las concentraciones de iones Na + y K + en ambos lados de la membrana se igualan. Esto se debe a que la bicapa lipídica tiene muy poca permeabilidad iónica. Es decir, sin el paso de los procesos primarios de transporte activo con participación de Na + / K + -ATPasas, el valor del potencial de membrana sería igual a cero.
La celda en reposo es un valor bastante constante. Sin embargo, tras la unión del ligando, la tensión mecánica o un cambio en la carga eléctrica, se abren canales iónicos específicos y cambia el potencial de membrana. Si los canales de iones están controlados por carga eléctrica, los cambios en el potencial de membrana afectan el paso de iones a través de ellos. La apertura y el cierre del canal está controlado por un mecanismo de puerta (puerta). El potencial de membrana depende de aquellos iones para los que los canales están abiertos en su mayoría. Por ejemplo, cuando se abren los canales de Na + - o Ca2 +, se produce la despolarización de la membrana.
Donde iones correspondientes comienzan a fluir hacia la jaula hacia ellos. Esto conduce al hecho de que el potencial de membrana se vuelve más positivo. Por el contrario, con la repolarización de la membrana (hiperpolarización), el potencial se vuelve aún más negativo. Esto ocurre cuando los canales de potasio se abren y los iones K + abandonan la célula en la dirección del gradiente, lo que conlleva un aumento del potencial de membrana negativo. El movimiento de los iones a través de los canales iónicos es rápido y se calcula en milisegundos. Para cambiar el potencial de membrana, solo son suficientes diferencias insignificantes en la concentración de iones en los lados de la membrana, y su concentración principal en la célula no cambia.
Un flujo de sólo 10-12 moles de K + a través de 1 cm2 de la membrana conduce a su rápida hiperpolarización y al establecimiento de un potencial de membrana igual a -100 mV. El movimiento local de cargas relativamente pequeñas a través de la membrana permite que el citosol y el entorno extracelular permanezcan eléctricamente neutrales y minimiza la repulsión eléctrica de las cargas.
