Б.Б. Дамаскин, О.А. Петрий - Электрохимия (1987) (1134481), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Окружающая клетку среда обога1цена ионами Ха+, Разность потенциалов на клеточной мембране зависит от разности концентраций ионов во внутренней части клетки и в окружающей ее среде, а также от проницаемости мембраны. Мембранные потенциалы нервных и мышечных волокон в состоянии покоя составляют 60 — 95 мВ. Формально мембранный потенциал подчиняется уравнению (а ..)1 Ео = — „1п (Ч1.75) (~к+)' где (а +), и (а ..),— активности ионов К+ внутри и снаружи клетки. Методом радиоактивных индикаторов установлено, что мембрана в действительности проницаема для ионов 5(ал и некоторых других ионов. При действии раздражителя на нервное или мышечное волокно мембранный потенциал в месте раздражения нарушается. Это нарушение начинает распространяться вдоль волокна приблизительно с постоянной скоростью.
В первый момент состояния возбуждения резко возрастает проницаемость мембраны для ионов 5(а+, поток которых устремляется внутрь клетки. Затем возникает ток ионов К+, направленный во внешнюю среду. Распространяющаяся по волокну волна называется волной потенциала действия. Схема распространения нервного импульса может быть смоделирована на основе некоторых электрохимических систем, а само явление можно феноменологически описать, если задаться электрической емкостью, сопротивлением утечки мембраны, формой нервного импульса, и рассматривать его как распространение электрического сигнала в кабеле с определенными параметрами.
Развитие биоэнергетики — науки о биологической трансформации энергии — показало, что биомембраны играют главную роль в механизме освобождения н потребления энергии в живых си- 159 стемах. Существует два основных процесса энергообеспечения таких систем: фотосинтез вдыхание. Увысших организмов процессы энергообеспечения локализованы на мембранах особых компонентов клетки (внутриклеточных органелл) — митохондрий, которые служат своеобразными «силовыми станциями», поставляющими энергию, необходимую для функционирования клеток. Митохондрия окружена двумя мембранами — внешней и внутренней.
ерментные комплексы, ответственные за энергообеспечение клетки, расположены на внутренней мембране митохондрий. Аналогичную роль играет клеточная мембрана аэробных бактерий. У зеленых растений трансформация энергии происходит на мембранах тилакоидов хлоропластов, а у фотосинтезирующих бактерий в на мембранах хроматофоров. Увеличение ионной проводимости мембран приводит к рассеиванию энергии в виде теплоты, а разрушение мембран — к полной потере способности к аккумуляции энергии.
Долгое время считалось, что накопление и использование энергии в живых системах происходит только в виде аденозинтрифосфата (АТФ). При передаче энергии АТФ переходит в аденозиндифосфат (АДФ), который затем за счет разных видов энергии присоединяет фосфатную группу и превращается снова в АТФ. Процесс образования АТФ называется фосфорилированием, он сопряжен с окислительными процессами, возникающими в клетках при дыхании или при фотосинтезе. В 1961 г. английский биохимик П. Митчел выдвинул хемиосмотическую (электрохимическую) гипотезу энергетического сопряжения окисления и фосфорилирования, которая в дальнейшем получила подтверждение и развитие во многом благодаря работам советских ученых (В. П.
Скулачев, Е. А. Либерман). Принцип хемиосмотического сопряжения иллюстрирует рис. У1.14. Субстрат АНт — донор водорода — окисляется на активном центре фермента, встроенного на внешней стороне мембраны митохондрии При этом 2Не и А выбрасываются в окружающую среду, а два электрона переносятся на внутреннюю сторону мембраны по так называемой дыхательной цепи, ориентированной поперек мембраны. Локализованный на внутренней стороне переносчик электронов передает электроны акцептору водорода В (например, кислороду), который присоединяет 2Н+ из внутримитохондриального матрикса. Таким образом, окисление одной молекулы АН, приводит к возникновению 2Н+ во внешнем пространстве и исчезновению 2Нф из внутреннего пространства митохондрии. Возникший градиент ионов водорода генерирует трансмембранный потенциал, который' оказывается достаточным по величине для осуществления реакции фосфорилирования.
Последняя состоит во взаимодействии АДФ с фосфатом Ф и приводит к образованию АТФ с поглощением 2Н+ из внешнего пространства г( выделением 2Н+ в матрикс. Величина трансмембранного потенциала сравнительно 160 Рис. Ч1.14. Принцип хемиосмотичесиого сопряжения по Митчелу Рис. У1Л5.
Схема установки для исследования электрохимнчесинх свойств липиднмх бнслоев (а) и структура липидного бислоя (б); à — огаерсгне, на котором формнруегс» лнпндная мембрана; У вЂ” тефлонояый стакан; 3 — эленгроды; 4 — полярные группы фосфолнпндных молекул; 5 — углеаодороднае бнслойное ядро невелика ( 0,2В), но поскольку толщина мембраны порядка 10 нм, напряженность электрического поля в ней достигает более 2.10' В/см. Возникающая на митохондриальной мембране в ходе процесса окисления разность потенциалов служит источником для осуществления не только химической работы (синтез АТФ, обратный перенос электронов по дыхательной цепи), но и осмотической работы (транспорт ионов против градиента концентрации) и выработки теплоты, т. е.
является, наряду с АТФ, конвертируе. мой формой энергии в живых клетках. Изучение мембранных явлений на живых организмах — чрезвычайно сложная экспериментальная задача. В 19б2 г. П. Мюллер и сотрудники разработали методику приготовления бимолекулярных фосфолипидных мембран, что предоставило возможность модельного исследования ионного транспорта через мембраны. Для приготовления искусственной мембраны каплю экстракта мозго. вых липидов в углеводородах наносят на отверстие в тефлоновом стаканчике (рис. Ч1.15). Искусственные мембраны имеют более простое строение, чем естественные (ср.
рис. У1.!3 н Н.!б,б), но приближаются к последним по таким параметрам, как толщина, электрическая емкость, межфазное натяжение, проницаемость для воды и некоторых органических веществ. Однако электрическое сопротивление искусственных мембран на 4 — 5 порядков выше. Проводимость мембран увеличивают„добавляя ионофоры: жнрорастворимые кислоты (2,4-динитрофенол, дикумарол, пентахлорфенол и др.) илн полипептиды (валиномицин, грамицидины А, В и С, аламетицин и др.). Мембрана, модифицированная валиноцицнном, имеет сопротивление порядка 10' Ом/сма, а ее проницаемость по К+ в -400 раз выше, чем по Хаэ.
На модифицированных моделях был изучен механизм селективной проницаемости мембран. В определенных условиях при добавлении белковых 11 †52 161 компонентов искусственная мембрана позволяет моделировать также свойство возбудимости. Существует несколько механизмов ионного транспорта. Согласно механизму подвижных переносчиков ионофор Т вЂ”, вызывающий селективную проводимость мембраны, образует на поверхности мембраны комплекс с ионом С+: С1+Т-жи(СТ]. Этот нейтральный комплекс диффундирует к противоположной стороне мембраны и диссоциирует, так что С" переходит в водную фазу, а Т- под действием электрического поля возвращается обратно: с -(~ ~ ~-с.
Возможен перенос иона как ординарным переносчиком, так и коллективом переносчиков (схема коллективного транспорта). Другая модель — модель эстафетного переносчика — предполагает, что переносчики неподвижны н образуют цепи, расположенные поперек мембраны, а катионы пересекают мембрану вдоль этих цепей, перескакивая от одного переносчика Т вЂ” к другому.
Обе модели приводят к колоколообразной зависимости проводимости мембран по постоянному току от концентрации ионов. Однако при малом содержании С+ в растворе и больших концентрациях Т- в мембране проводимость ее по переменному току высокой частоты мала для эстафетного механизма и значительна при механизме подвижных переносчиков. Предложена также модель переменной диэлектрической проницаемости, согласно которой ионофоры, растворяясь в мембране, повышают ее диэлектрическую проницаемость и тем самым увеличивают растворимость ионов в мембране, а следовательно, и ее проводимость. Перенос ионов возможен и за счет окислительно.
восстановительной реакции на границе раздела линид — вода: В-п~В+е-. Эта реакция сопровождается инжекцией электронов в мембрану. Схема переноса различна в зависимости от того, растнорима или нерастворима частица В в липидной фазе: Этот механизм реализуется при изучении свойств мембран в системе иод — иодид. Важным направлением биоэлектрохимических исследований является изучение свойств мембран с встроенными ферментными системами. Так, предприняты попытки встраивания в бислойные фосфолипндные мембраны компонентов ферментных систем, присутствующих во внутренней мембране митохондрий (никотин- амид-аденин-динуклеотида (МАПН), флавинмоионуклеотида и ко- 162 энзима ()и), а также хлорофилла.
На таких мембранах при наличии в водном растворе окислительно-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. Рассмотренные примеры не исчерпывают всего многообразии современных направлений бноэлектрохимни; однако оии наглядно показывают роль электр9химических явлений в элементарной природе основных биологических процессов. Г Л А В А ТП. ДВОИНОИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СЛОЙ И ЯВЛЕНИЯ АДСОРБЦИИ НА ГРАНИЦЕ ЭЛЕКТРОД вЂ” РАСТВОР т(П.1. Связь электрических и адсорбционных явлений иа границе раздела фаз Переход электрона из металла на находящуюся в растворе частицу или обратный процесс в переход электрона с частицы на электрод — протекает на границе фаз и зависит от того, как построена эта граница. Поэтому знание структуры границы раздела между электродом и раствором имеет очень большое значение при изучении кинетики и механизма электрохимических реакций.
Рассмотрим два основных явления, связанных с образованием границы раздела фаз. Первое состоит в том, что вследствие энергетически неравноценного состояния частиц на поверхности и в объеме раствора их равновесная концентрация изменяется по мере приближения к границе раздела фаз. Это явление получило название адсорбции. Если концентрация частиц увеличивается по мере приближения к поверхности, то адсорбция называется положительной (рис. Ъ'П.1, ' кривая 1). Положительная адсорбция может быть обусловлена «выталкиванием» частиц из объема на поверхность. Так ведут ° (~;:. себя гидрофобные органические вещества в водных растворах, которые нарушают водо- г родные связи между молекулами воды в объеме раствора. Выигрыш в энергии за счет Х восстаневления этих связеи при переходе рис ЬП.1, Зависимость органических молекул на поверхность и слу- концентрации Ьто яомжит причиной их «выжимания» из объема понента от расстояния раствора, Другой возможной причиной по- до тР'ии " Р"до" Ф' при положительной (1) ложительной адсорбции является притяга- и р й (е) ад тельное взаимодействие между поверхно- сорйциях !1е 163 стью электрода н частицами раствора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
