Мембранный потенциал в митохондриях

Сопряжение транспорта ионов через мембранный потенциал. При работе дыхательной цепи митохондрий происходит выброс протона из матрикса в окружающую среду (см. раздел 1), сопровождающийся появлением на мембране [c.135]

Рис. 11. Устройство для измерения мембранного потенциала в митохондриях посредством синтетического проникающего иона (С+) (по Е. А. Либерману, 1969)

Рис. 9-23. Кальций накачивается в митохондрию за счет энергии мембранного потенциала. Полагают, что большая часть кальция осаждается внутри митохондрии в виде фосфата кальция, и поэтому для аккумуляции Са , вероятно, требуется очень немного энергии.

Возникает градиент концентрации Н , или pH, который способен совершать работу. Выкачивание протонов из митохондрий приводит также к появлению мембранного электрического потенциала, так как в результате выхода ионов Н из матрикса в среду наружная сторона мембраны становится более электроположительной, а внутренняя - более электроотрицательной. Таким образом, перенос электронов создает электрохимический градиент ионов Н" , включающий два компонента - градиент pH и мембранный потенциал [c.87]

Рис. 9-29. Экспериментальное доказательство перемещения протонов в митохондриях за счет энергии дыхания. В небольшой герметически закрытой камере находится анаэробная суспензия митохондрий, источник электронов для дыхания и ионофор, рассеивающий мембранный потенциал (ва-линомицин плюс К" , см. разд. 6.4.14). При кратковременной подаче в камеру кислорода с помощью полой иглы наблюдается изменение pH. Последующее добавление динитрофенола возвращает pH к первоначальному уровню, так как начинается быстрый обратный отток протонов через внутреннюю мембрану (более подробно об этом будет сказано позднее).

Доказательством верности теории Митчелла является то, что существование мембранного потенциала в митохондриях стало бесспорньгм, а также то, что ионофоры (валиномицин, грамицидин, динитрофенол) создают условия для свободного перемещения ионов Н , в результате исчезает протонный градиент, и синтез АТФ прекращается. Вещества, нарушающие градиент Н , называют разобщителями окислительного фосфорилирования. Количество АТФ, синтезируемое в процессе распада углеводов Поскольку окисление одной молекулы НАДН сопровождается синтезом трех молекул АТФ, а всего в ходе гликолиза, пируватдегидрогеназной реакции и реакций ЦТК образуется десять НАДН, то всего генерируется 30 молекул АТФ, а за счет окисления двух молекул ФАДН2 образуется еще четыре молекулы АТФ, т.е. всего 34 молекулы АТФ. К этому числу следует добавить две молекулы АТФ, синтезировавшихся в гликолизе, и две молекулы ГТФ, появившихся в ЦТК за счет субстратного фосфорилирования. [c.89]

Все формы направленного движения и транспорта нуждаются в энергии. В большинстве случаев эта энергия используется в форме АТР. Однако для переноса белков в митохондрии требуется еще наличие электрохимического градиента на внутренней митохондриальной мембране. Этот градиент образуется в процессе транспорта электронов по мере того, как протоны откачиваются из матрикса в межмембранное пространство (см. разд. 7.1.7). Внешняя митохондриальная мембрана свободно проницаема для ионов, поэтому на ней не поддерживается никакой градиент. Электрохимический градиент на внутренней мембране используется как аккумулятор энергии для осуществления большей части синтеза АТР в клетке. Кроме того, энергия градиента расходуется для переноса внутрь митохондрии белков, несущих положительно заряженные митохондриальные сигнальные пептиды. Если добавить ионо-форы, сбрасывающие митохондриальный мембранный потенциал (см. разд. 7.2.10), этот перенос блокируется. Каким образом электрохимический градиент способствует переносу белков Ответ на этот вопрос пока не получен. [c.30]

Еще одна важная для клетки функция митохондрий-это поглощение из цитозоля ионов Са . Концентрация Са в цитозоле должна поддерживаться на очень низком уровне (< 10 М), так как даже незначительные изменения концентрации этих ионов служат регуляторными сигналами для различных клеточных процессов (разд. 13.3.7). Во внутренней мембране имеется транспортный белок, эффективно переносящий Са в матрикс за счет энергии мембранного потенциала (рис. 9-23). [c.21]

Необычайную способность митохондрий к накоплению Са + довольно просто объяснить в рамках хемиосмотической теории. Действительно, электрогенный транспорт двухзарядного катиона через мембрану, на которой поддерживается мембранный потенциал около 180 мВ, ведет к созданию равновесного градиента концентрации не менее 10 (рис. 3.5). Однако в связи ставим большим накоплением Са + возникают проблемы на уровне всей клетки. Можно полагать, что присутствие в матриксе Pi предотвращает повышение в нем свободной концентрации Са + более чем до 1 мМ, и, следовательно, равновесная концентрация Са + в цитоплазме не должна превышать 10 М. В то же время большинство измерений концентрации свободного Са + в цитоплазме дает величины порядка 10 —10- М. Единственный электрогенный переносчик Са + представляется не только слишком мощной, но и плохо регулируемой системой. Распределение Са + между матриксом и цитоплазмой оказывается в этом случае жестко связанным с величиной мембранного потенциала [уравнение (3.29)], что может неблагоприятно отразиться на синтезе АТР и распределении метаболитов. [c.168]

В функционировании биоэнергетических систем важное место принадлежит транспорту протонов. Перенос электронов в энергосопрягающих мембранах митохондрий, хлоропластов и бактерий сопровождается трансмембранным переносом Н+ и образованием градиента электрохимического потенциала этого иона А[ан+5 который включает электрический (мембранный потенциал) и концентрационный (градиент pH) компоненты [c.162]

Биолог. О них мне говорить уже труднее. Я знаю только, что активность митохондрий определяется интенсивностью синтеза ими АТФ, а последняя зависит от электрического потенциала, который создается положительно заряженными ионами водорода. Эти ионы находятся между наружной и внутренней мембранами каждой митохондрии и их 5апас постоянно пополняется за счет окисления глюкозы и других продуктов [Кемп, Арме, 1988], Следовательно, если внешние факторы окружающей среды смогут как-то повлиять на величину этого электрического потенциала митохондрий. [c.99]

Мембраны играют также важную роль в механизме освобождения и потребления энергии в живых организмах. Различные виды живых клеток получают энергию из окружающей среды в разных формах, однако накопление и использование ее происходит в виде аденозинтри-фосфата (АТФ). При передаче энергии АТФ переходит в аденозин-дифоефат (АДФ), который в свою очередь за счет разных видов энергии присоединяет фосфатную группу и превращается в АТФ. Процесс образования АТФ называется фосфорилированием. Этот процесс в организмах животных и человека сопряжен с процессом дыхания. Аистом генерирования АТФ в животных клетках являются особые компоненты клеток — митохондрии, которые служат своеобразными силовыми станциями , поставляющими энергию, необходимую для функционирования клеток. Митохондрия окружена двумя мембранами внешней и внутренней. На внутренней мембране, содержащей ферментные комплексы, происходит превращение энергии химических связей в мембранный потенциал. При этом важную роль играют проницаемость и электронная проводимость мембран. [c.140]

Важным направлением биоэлектрохимических исследований является изучение свойств мембран с встроенными ферментными системами. Так, предприняты попытки встраивания в бислойные фосфолипидные мембраны компонентов ферментных систем, присутствующих во внутренней мембране митохондрий (никотинамид — аденин — динуклеотида (ЫАОН), флавинмононуклеотида и коэнзима Р,), а также хлорофилла. На таких мембранах при наличии в водном растворе окис-лительно-восстановительных систем генерируется мембранный потенциал, вызванный протеканием окислительно-восстановительных реакций на границе мембрана — электролит. В определенных условиях мембраны оказываются проницаемыми для электронов или протонов. Эти опыты важны для понимания механизма превращения энергии и переноса электронов в живых организмах. [c.141]

Существует мнение, что перенос протонов через мембраны тилакоидов сопряжен с циклическим окислением и восстановлением пластохинонов (аналогично тому, как это происходит с убихиноном в митохондриях) и что фотосистема II локализована внутри тилакоидов. В таком случае после расщепления молекулы воды два протона (по одному на электрон) останутся внутри тилакоида, а электроны будут выведены под действием света через двойной липндный слой к акцептору Q, расположенному снаружи. Аналогичным образом можно предположить,, что хлорофилл в фотосистеме II локализован с внутренней стороны двойного слоя, а акцептор Z — снаружи (рис. 13-18). Поскольку в ходе происходящего с наружной стороны восстановления NAD+ в NADH высвобождается протон, в сумме происходит перекачивание полутора про гонов на каждый электрон, проходящий через 2-систему [107, 109]. Согласно химио-оомотической гипотезе (гл. 10, разд. Д,9, в), источником свободной энергии, необходимой для синтеза АТР, является именно Перенос протонов, приводящий к появлению градиента pH и мембранного потенциала. [c.50]

В работах лабораторий Либермана п Скулачева расположение дыхательной цепи определялось по ее способности образовывать мембранный потенциал. В среду вводились различные доноры и акцепторы электронов, не проникающие сквозь мембрану. Оказалось, что эти вещества взаимодействуют лишь с цитохромом с в митохондриях. Установлено, что транспорт протонов и (или) электронов по дыхательной цепи действительно происходит. В других экспериментах определена локализация компонентов в мембране митохондрий. На рис. 13.10 показано вероятное расположение цепн. Согласно хемиосмотической гипотезе, любая сопрягающая система должна создавать электрохимический потенциал понов Н ". Действительно, опыты с проникающими синтетическими ионами показали возникновение А1 5 в митохондриях, СМЧ, хлоропластах (см. гл. 14) и мембранах бактерий. В то же время теория Митчелла встречается с трудностями и вызывает возражения. Блюменфельд приводит аргументы, показывающие невозможность построения машины Митчелла в конденсированной фазе. В такой машине АТФ-синтетаза использует разность концентраций протонов в водной фазе по обе стороны мембраны для выполнения внешней работы. Это — энтропийная машина, получающая энергию из термостата в форме кинетической знергип протонов. Нротоны движутся преимущественно по градиенту концентраций и передают свои импульсы подвижным частям машины разность потенциалов А1 5 расходуется на создание [c.437]

Научные работы посвящены изучению механизма превращения энергии в биологических мембранах. Исследовал трансформацию химической энергии в электрическую на мембранах митохондрий, роль мембранного потенциала как фактора, сопрягающего освобождение и аккумуляцию энергии в клетке. Открыл терморегуляторное разобщение процессов дыхания и фосфорилирования и сделал вывод о том, что вещества-разобщители являются переносчиками ионов через биологические мембраны. Провел самосборку протеолииосом, генерирующих электрический ток, что явилось доказательством суще- [c.466]

Энергия, выделяемая при переносе электронов по дыхательной цепи от субстрата на кислород, может при определенных условиях вызвать перенос ионов Н из митохондриального матрикса в среду. В результате pH митохондриального матрикса повышается, а pH среды понижается, т.е. матрикс становится более щелочным, а среда, окружающая митохондрии, более кислой. Во внутренней митохондриальной мембране имеются, следовательно, какие-то насосы для ионов Н эти насосы используют свободную энергию потока электронов для перекачивания ионов Н наружу против градиента концентращад. Выкачивание ионов Н из митохондрий приводит к появлению мембранного электрического потенциала, потому что вследствие выхода этих ионов из матрикса в среду наружная сторона мембраны становится более электроположительной, а внутренняя-более электроотрицательной. Таким образом, перенос электронов создает электрохимический градиент ионов Н, включающий два компонента мембранный потенциал вносит больший вклад в энергию этого градиента [c.530]

При действии раздражителя на нервное или мышечное волокно мембранный потенциал Е в месте раздражения нарушается. Нерв воспламеняется , и поляризация мембраны меняется на обратную (рис. 55, б). Поток ионов Ма+ устремляется внутрь клетки (заса сывается), а затем (рис. 55, в) ионы К+направляются во внешнюю среду. Возвращение к исходному положению (рис. 55, г) происходит спустя одну-две миллисекунды. Нервный импульс пиковый потенциал (потенциал действия) передается по нервному волокну дальше. Мембраны играют важную роль в процессах освобождения и запасания энергии в живых организмах. Ее накопление происходит в виде аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), а при необходимости энергия освобождается за счет разрыва одной из трех богатых энергией связей Р—О—Р. На мембране митохондрии — одного из компонентов клетки — происходит превращение энергии химических связей в мембранный потенциал. При этом важную роль играют проницаемость и электронная проводимость мембран. [c.159]

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. [c.442]

Свойства белковых систем, катализирующих транспорт через сопрягающие мембраны, обычно сильно отличаются от свойств бислойных участков как в присутствии, так и в отсутствие ионофоров. Транспортные белки обладают многими свойствами, присущими ферментам они проявляют стереоспецифичность, часто их можно специфически ингибировать, они генетически детерминированы. Последнее обстоятельство делает невозможной ту степень обобщения, которая применима к транспорту через бислой. Например, если РССР (рис. 2.5) индуцирует протонную проводимость в митохондриях, то можно смело полагать, что его эффект будет тем же в случае хлоропластов, бактерий или искусственного бислоя. В отличие от РССР транспортный белок может быть специфическим не только для данной органеллы, но и для органеллы из определенной ткани. Например, переносчик цитрата существует в митохондриях из печени, где он участвует в переносе промежуточных соединений синтеза жирных кислот (разд. 8.3), но отсутствует в митохондриях из сердца. Иногда утверждают, что для белковых транспортных систем характерна кинетика насыщения. Хотя в некоторых случаях это может быть верным, в целом кинетика транспортных процессов настолько сложна (особенно если они зависят от мембранного потенциала), что интерпретация ее требует большой осторожности. [c.40]

Если охлажденные митохондрии, содержащие частично перенесенные промежуточные продукты, опять нагреть, то перенос быстро завершается (рис. 8-28), даже если мембранный потенциал на внутренней мембране сброшен. По-видимому, мембранный потенциал необходим шшь для начальной стадии переноса белка через мембрану, которая происходит даже при низкой температуре Дальнейшие события, однако, требуют наличия АТР. Эти факты означают, что в норме перенос проходит в два этапа 1) управляемое электрически проникновение сигнального пептрша и связанных с ним последовательностей сквозь обе митохондриальные мембраны и 2) продвижение остатка пепи в митохондриальный матрикс, требующее гидролиза АТР и физиологических температур (рис. 8-29). [c.31]

Электрическая цепь характеризуется двумя основными параметрами разностью потенциалов (в вольтах) и силой тока (в амперах). Измерив эти величины, можно рассчитать и другие параметры, такие, как уровень передачи энергии (в ваттах) или сопротивление компонентов цепи (в омах). На рис. 4.1 показана простая электрическая цепь, а также аналогичный протонный цикл во внутренней мембране митохондрий (цикл, существующий в фотосинтетической мембране, практически не отличается от изображенного на рис. 4.1). В разомкнутой цепи (рис, 4.1, А) электрический потенциал максимальный, но ток не течет, поскольку разность редокс-потенциалов, создаваемая батареей, точно уравновешивается разностью электрических потенциалов. В силу того что окислительно-восстановительные реакции в батарее прочно сопряжены с переносом электронов, в этих условиях химических реакций не происходит. В случае митохондрий протонный цикл оказывается разомкнутым, если протоны, выброшенные при работе дыхательной цепи, не могут вновь вернуться в матрикс. Как и в случае электрической цепи, мембранный потенциал в этих условиях максимальный и разность редокс-потенциалов в протонтранснортирующих участках дыхательной цепи (разд. 5.3) находится в равновесии с разностью электрохимических потенциалов протонов [с учетом стехиометрии Н7е (разд. 3. 8)]. Если редокс-реакции жестко сопряжены с переносом протонов, то в этих условиях дыхания не происходит. [c.69]

Среди клеточных органелл с высокодифференцированной собственной мембранной системой ведущее место без сомнения занимают митохондрии и хлоропласты, с которыми связано осуществление важнейших энергетических процессов растительной клетки. Однако если микроэлектродное измерение потенциала является достаточно сложной задачей уже при анализе электрических свойств плазмалеммы и тонопласта у высших растений, то при переходе на субклеточный уровень методические трудности становятся почти неразрешимыми. В частности, по свидетельству В.П. Скулачева [247], попытки измерить потенциал митохондрий путем введения микроэлектрода до сих пор остаются безуспешными. В то же время некоторым исследователям удалось осуществить измерение трансмембранного потенциала крупных хлоропластов ряда растительных объектов, прежде всего пеперомии [33,337,598]. Его величина в опытах на интактных клетках (измеренная по отношению к цитоплазме) и на изолированных хлоропластах (измеренная по отношению к среде) варьирует от 10 до —бОмВ. [c.12]

Константинов А. А. Роль протонов в механизме работы пзшкта сопряжения Ш дыхательной цепи митохондрий цитохромоксидаза как электронно-протонный генератор мембранного потенциала— Докл. АН СССР, 1977, т. 237, № 3, с. 713— 716. [c.290]

В настоящее время достаточно глубоко исследованы три схемы вторичного активного транспорта. Для простоты рассмотрен транспорт одновалентных ионов с участием молекул-переносчи-ков. При этом подразумевается, что переносчик в нагруженном или ненагруженном состоянии одинаково хорошо пересекает мембрану. Источником энергии служит мембранный потенциал и/или градиент концентрации одного из ионов. Схемы показаны на рис. 2.12. Однонаправленный перенос иона в комплексе со специфическим переносчиком получил название унипорта. При этом через мембрану переносится заряд либо комплексом, если молекула переносчика электронейтральна, либо пустым переносчиком, если перенос обеспечивается заряженным переносчиком. Результатом переноса будет накопление ионов за счет снижения мембранного потенциала. Такой эффект наблюдается при накоплении ионов калия в присутствии валиномицина в энергизированных митохондриях. [c.46]

В некоторых случаях мембранный потенциал в живой клетке может быть выше и достигать 0,2 В (пресноводные водоросли, бактерии, энергизированные митохондрии). В возбудимых нервных и мышечных клетках происходит кратковременная реполяризация мембраны с ростом амплитуды потенциала. Однако пробой клеточной мембраны собственным мембранным потенциалом маловероятен. В то же время рост мембранного потенциала в результате воздействия внешним электрическим полем может достигать величины, превышающей пороговую для электрического пробоя. При этом появляются структурные дефекты типа сквозных липидных пор. Разработанная методика электрического пробоя клеточных мембран получила название электропорации и широко применяется в биотехнологии. [c.52]

Появление создаваемого помпой электрического потенциала может снизить скорость работы Na — К -АТФ-азы в клетке и И -АТФ-азы в митохондриях, так как цитомембрана и внутренняя мембрана митохондрий плохо проницаемы для ионов и могут удерживать мембранный потенциал. В противоположность этому, мембрана саркоплазматического ретикулума характеризуется высокой проницаемостью для других ионов, кроме кальция. Потенциал, создаваемый при работе Са -АТФ-азы, мембрана не удерживает из-за утечки других ионов через мембрану. Поэтому работа Са -АТФ-азы не связана с мембранным потенциалом. [c.134]

Химическая гипотеза постулирует прямое химическое сопряжение окисление приводит к образованию высокоэнергетического интермедиата, который является движущей силой фосфорилирования [34]. Поскольку известно, что в митохондриях могут поддерживаться градиенты концентрации ионов (в том числе протонов) [23], в эту гипотезу обычно включают и сопряжение с транспортом ионов за счет расщепления высокоэнергетического интермедиата. В отличие от этого хемиосмоти-ческая гипотеза постулирует, что окисление сопряжено с выбросом протонов из митохондрий [24,25]. Образующийся при этом градиент электрохимического потенциала протонов движет фосфорилирование в мембранах путем обращения работы АТФазного протонного насоса. Градиенты концентрации катионов рассматриваются как прямой результат электрического мембранного потенциала, возникающего благодаря переносу протонов. [c.312]

Очень важно не смешивать электрический баланс транспортных систем на молекулярном уровне, который мы обсуждаем, и общую электронейтральность суммарного переноса ионов через данную мембрану. Эта электронейтральность определяется тем, что нельзя разделить сколько-нибудь значительные количества положительных и отрицательных зарядов, не создав большого мембранного потенциала. Так, разделение 1 нмоля зарядов на внутренних мембранах 1 г митохондрий создаст на них потенциал более 200 мВ (разд. 4.2). Однако это не является препятствием для существования отдельных электрогенных процессов на молекулярном уровне до тех пор, пока они друг друга компенсируют (разд. 2.7). Нужно отметить, что результат работы прочно сопряженного электронейтрального антипортера в сопрягающей мембране вовсе не совпадает с действием двух электрогенных унипортеров для тех же ионов. [c.33]

Цитохром l, выделенный из митохондрий сердца быка, имеет мол. массу 31 ООО. В отличие от изолированного белка цитохром l in situ нечз ствителен к действию трипсина и, по-видимому, является интегральным белком. Цитохром i имеет спектр, который можно отличить от спектра цитохрома с лишь при низкой температуре (разд. 5.2). Цитохром с — это периферический белок, связывающийся на наружной стороне мембраны. При наложении мембранного потенциала относительное редокс-состояние цитохромов с и i меняется мало. Это указывает на то, что цитохром i также расположен вблизи наружной сто- [c.119]

Хемиосмотическая теория сопряжения. В настоящее время наибольгним признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961). Он высказал предположение, что поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н , включающий химический, или осмотический, градиент (ДрН) и электрический градиент (мембранный потенциал). Согласно хемиосмотической теории электрохимический трансмембранный потенциал ионов и является источником энергии для синтеза АТР за счет обращения транспорта ионов через протонный канал мембранной -АТРазы. [c.158]

Микроэлектродный метод. Прямое измерение мембранного потенциала на природных мембранах возможно только в очень ограниченном числе случаев. Электрод удается ввести лишь в крупные эукариотические клетки, с тем чтобы измерить на их внешней мембране. С другой стороны, бактерии, митохондрии и хлороплас- [c.34]

Справочник химика 21

Химия и химическая технология