Elektrochemický potenciál protonů

Z WikiSkript

V buněčném dýchání používá protonová pumpa energii k přepravě protonů z matrix mitochondrie skrz vnitřní mitochondriální membránu. Je to aktivní pumpa, která umožňuje vytvoření koncentračního gradientu zevně vnitřní mitochondriální membrány. Rozdíly v pH a v elektrickém náboji vytvářejí elektrochemický potenciál, který vyrábí pro buňku energii podobným principem jako baterie.

Definice[upravit | editovat zdroj]

Elektrochemický potenciál je tedy gradient iontu, nebo proton (elektrochemický gradient), který se může pohybovat přes membránu. V biologických procesech určuje směr, kterým se bude tento iont, nebo proton ubírat, ať už difúzí nebo aktivním transportem.

Vzorec[upravit | editovat zdroj]

  • Elektrochemický potenciál je definován jako:
Ψ=− Δϕ + (2,3 RT/F) log (Ckation,ex / Ckation,in)
Kde:
Δϕ je elektrický potenciál přes membránu (ve V)
R je plynová konstanta (8,314 J.K−1.mol−1)
T je absolutní teplota (v K)
F je Faradayova konstanta (96,49 kC.mol−1)
  • Samotný elektrochemický potenciál se tedy skládá ze dvou částí.
  1. Z elektrického potenciálu, který je způsobený změnou náboje napříč lipidovou membránou.
  2. Z rozdílu chemických koncentrací na obou stranách membrány.


Tendence elektricky nabité částice projít přes membránu záleží na rozdílu elektrochemických potenciálů na každé straně membrány. Rozdíl chemických koncentrací se může přirovnat k potenciální energii, která je k dispozici pro práci uvnitř buňky. Tato energie, střádána ve formě chemického potenciálu, se ukládá procesem oxidativní fosforylace do ATP k pozdějšímu využití.
Membrána mitochondrie je nepropustná pro protony směrem do matrix, proto se zde akumuluje více protonů, než-li v samotném matrix. Přebytek protonů je poté spláchnut přes ATP-synthasu při oxidativní fosforylaci a vzniku ATP.

Nulový elektrochemický potenciál[upravit | editovat zdroj]

Elektrochemický potenciál iontu je nulový na úrovni rovnovážného/reverzního potenciálu (známého také jako Nernstův potenciál), kdy hodnota membránového potenciálu je v elektroosmotické rovnováze. To znamená, že pro tento membránový potenciál elektrická síla způsobena rozdílem potenciálů a chemická síla způsobena rozdílem koncentrací (nebo osmotickým rozdílem) jsou si rovné a působí v opačném směru. Množství vcházejících a vycházejících iontů je stejné.
Pokud mluvíme pouze o přechodu jednoho iontu, můžeme určit hodnotu rovnovážného potenciálu pomocí Nernstovy rovnice.

Nernstova rovnice[upravit | editovat zdroj]

[math] E_X = \frac{R \cdot T}{n \cdot F} \cdot \ln \frac{[\mathrm{X}]_e}{[\mathrm{X}]_i}[/math]
EX je elektrochemický rovnovážný potenciál iontu X (V)
R je univerzální plynová konstanta [8.314472 J/(mol.K)]
T je absolutní teplota v K (tělesná teplota 37 °C = 310.15 K)
n je mocenství iontu (např. +1 pro K+ a Na+, +2 pro Ca2+, −1 pro Cl apod.)
F je Faradayova konstanta (96485.3399 C/mol)
ln je přirozený logaritmus
[X]e je extracelulární koncentrace iontu X
[X]i je intracelulární koncentrace iontu X

Transfer elektronů dýchacího řetězce je spojen s pumpováním protonů komplexy I, III a IV přes vnitřní mitochondriální membránu z matrix do mezimembránového prostoru. Tok protonů má za následek:

  1. Generování pH gradient přes vnitřní mitochondriální membránu, pH v matrix je vyšší než pH v cytosolu, kde je pH kolem 7.
  2. Generování pH gradient přes vnitřní mitochondriální membránu, pH v matrix je vyšší než pH v cytosolu, kde je pH kolem 7.

Protonmotivní síla[upravit | editovat zdroj]

Definice[upravit | editovat zdroj]

Protonmotivní síla vyjadřuje závislost sekundárního aktivního transportu na membránovém potenciálu a poměru koncentrací H+ vně a uvnitř buňky; je to ne zcela správné označení (nejde tu o sílu) pro elektrochemický potenciál vydělený Faradayovou konstantou. Analogicky můžeme hovořit obecně o ionmotivní síle. Gradient pH (ΔpH) žene H+ zpět do matrix, tím zesiluje efekt membránového potenciálu (Δ Ψ), který táhne protony zpět přes komplex ATP-syntázy. Součet ΔpH a Δ Ψ, čili protonmotivní síla (PMF, Δp), může být měřena v milivoltech (mV). U typické buňky je PMF respirující mitochondrie v rozmezí hodnot 180 až 190 mV a je tvořena z membránového potenciáu 160 až 170 mV a pH gradientu okolo 0,3 až 0,5 jednotek.

Složky elektrochemického potenciálu protonů.png

Pokud jsou tedy částice v roztoku elektricky nabité, jako například ionty H+, pak tyto částice mají nejen energii chemickou v podobě chemického potenciálu μ, ale taky energii elektrickou.

Zdroje[upravit | editovat zdroj]

  1. Alberts et al., 2002
  2. https://biomikro.vscht.cz/vyuka/bc/prednaska10.pdf
  3. Medicínská biofyzika – Leoš Navrátil, Jozef Rosina a kolektiv
  4. http://che1.lf1.cuni.cz/html/Bioenerg0809_CZE.pdf
  5. https://en.wikipedia.org/wiki/Electrochemical_gradient

Odkazy[upravit | editovat zdroj]