Jump to content

Внутриклеточный pH

Градиент pH на мембране, при котором протоны проходят через транспортер, встроенный в мембрану.

Внутриклеточный pH ( pH i ) является мерой кислотности или основности ( т. е. pH ) внутриклеточной жидкости . pH i играет решающую роль в мембранном транспорте и других внутриклеточных процессах. В среде с неправильным pH i функции биологических клеток могут быть нарушены. [ 1 ] [ 2 ] Таким образом, pH i тщательно регулируется, чтобы обеспечить правильное функционирование клеток, контролируемый рост клеток и нормальные клеточные процессы. [ 3 ] Механизмами, регулирующими pH i, обычно считают переносчики плазматической мембраны , из которых существуют два основных типа — зависимые и независимые от концентрации бикарбоната ( HCO
3
). Физиологически нормальный внутриклеточный pH чаще всего составляет от 7,0 до 7,4, хотя между тканями существуют различия (например, скелетные мышцы млекопитающих обычно имеют pH i 6,8–7,1). [ 4 ] [ 5 ] Существует также вариация pH в разных органеллах , которая может варьироваться от 4,5 до 8,0. [ 6 ] [ 7 ] pH i можно измерить разными способами. [ 3 ] [ 8 ]

Гомеостаз

[ редактировать ]

Внутриклеточный pH обычно ниже внеклеточного pH из-за более низких концентраций HCO 3 . . [ 9 ] Повышение внеклеточного (например, сывороточного ) парциального давления углекислого газа ( pCO 2 ) выше 45 мм рт. ст. приводит к образованию угольной кислоты , которая вызывает снижение pH i по мере ее диссоциации : [ 10 ]

Н 2 О + СО 2 ⇌ Н 2 СО 3 ⇌ Н + + HCO3

Поскольку биологические клетки содержат жидкость, которая может действовать как буфер, pH i можно достаточно хорошо поддерживать в определенном диапазоне. [ 11 ] Клетки соответствующим образом корректируют свой pH i при повышении кислотности или основности, обычно с помощью CO 2 или HCO 3. сенсоры, присутствующие в мембране клетки. [ 3 ] Эти сенсоры могут соответственно позволять H+ проходить через клеточную мембрану, позволяя в этом отношении pH i быть взаимосвязанным с внеклеточным pH. [ 12 ]

Основные внутриклеточные буферные системы включают белки или фосфаты. Поскольку белки имеют кислые и основные области, они могут служить как донорами, так и акцепторами протонов для поддержания относительно стабильного внутриклеточного pH. В случае фосфатного буфера значительные количества слабой кислоты и сопряженного слабого основания (H 2 PO 4 и ГПО 4 2– ) может соответственно принимать или отдавать протоны, чтобы сохранить внутриклеточный pH: [ 13 ] [ 14 ]

ОЙ + Н 2 ПО 4 ⇌ Н 2 О + HPO 4 2–
ЧАС + + ГПО 4 2– ⇌ Н 2 ПО 4

В органеллах

[ редактировать ]
Приблизительные значения pH различных органелл внутри клетки. [ 6 ]

Уровень pH внутри конкретной органеллы зависит от ее конкретной функции.

Например, лизосомы имеют относительно низкий pH — 4,5. [ 6 ] Кроме того, методы флуоресцентной микроскопии показали, что фагосомы также имеют относительно низкий внутренний pH. [ 15 ] Поскольку обе эти органеллы представляют собой деградирующие органеллы, которые поглощают и расщепляют другие вещества, им требуется высокая внутренняя кислотность, чтобы успешно выполнять свою функцию. [ 15 ]

В отличие от относительно низкого pH внутри лизосом и фагосом, митохондриальный матрикс имеет внутренний pH около 8,0, что примерно на 0,9 единицы pH выше, чем внутри межмембранного пространства. [ 6 ] [ 16 ] Поскольку окислительное фосфорилирование должно происходить внутри митохондрий, это несоответствие pH необходимо для создания градиента на мембране. Этот мембранный потенциал в конечном итоге позволяет митохондриям генерировать большие количества АТФ. [ 17 ]

Протоны перекачиваются из митохондриального матрикса в межмембранное пространство по мере движения цепи переноса электронов, что снижает pH межмембранного пространства.

Измерение

[ редактировать ]

Существует несколько распространенных способов измерения внутриклеточного pH (pH i ), в том числе с помощью микроэлектрода, красителя, чувствительного к pH, или методов ядерного магнитного резонанса. [ 18 ] [ 19 ] Для измерения pH внутри органелл можно использовать метод с использованием pH-чувствительных зеленых флуоресцентных белков (GFP). [ 20 ]

В целом все три метода имеют свои преимущества и недостатки. Использование красителей, пожалуй, является самым простым и достаточно точным методом, тогда как ЯМР представляет собой проблему, связанную с относительно меньшей точностью. [ 18 ] Кроме того, использование микроэлектрода может быть затруднительно в ситуациях, когда клетки слишком малы или целостность клеточной мембраны должна оставаться нетронутой. [ 19 ] GFP уникальны тем, что обеспечивают неинвазивный способ определения pH внутри различных органелл, однако этот метод не является наиболее точным в количественном отношении способом определения pH. [ 21 ]

Микроэлектрод

[ редактировать ]

Микроэлектродный метод измерения pH i заключается в помещении очень маленького электрода в цитозоль клетки путем проделывания очень маленького отверстия в плазматической мембране клетки. [ 19 ] Поскольку внутри микроэлектрода имеется жидкость с высокой концентрацией H+ по сравнению с внешней стороной электрода, существует потенциал, создаваемый из-за несоответствия pH внутри и снаружи электрода. [ 18 ] [ 19 ] По этой разности напряжений и заданному pH жидкости внутри электрода можно определить внутриклеточный pH (pH i ) интересующей клетки. [ 19 ]

Флуоресцентная спектроскопия

[ редактировать ]

Другой способ измерения внутриклеточного pH (pH i ) — использование красителей, чувствительных к pH и по-разному флуоресцирующих при различных значениях pH. [ 15 ] [ 22 ] Этот метод, в котором используется флуоресцентная спектроскопия, заключается в добавлении специального красителя в цитозоль клетки. [ 18 ] [ 19 ] Возбуждая краситель в клетке энергией света и измеряя длину волны света, испускаемого фотоном, когда он возвращается в исходное энергетическое состояние, можно определить тип присутствующего красителя и связать его с внутриклеточным pH данного вещества. клетка. [ 18 ] [ 19 ]

Ядерный магнитный резонанс

[ редактировать ]

Помимо использования pH-чувствительных электродов и красителей для измерения pH i можно также использовать спектроскопию ядерного магнитного резонанса (ЯМР) , для количественного определения pH i . [ 19 ] ЯМР, как правило, раскрывает информацию о внутренней части клетки, помещая клетку в среду с мощным магнитным полем. [ 18 ] [ 19 ] По соотношению концентраций протонированных и депротонированных форм фосфатных соединений в данной клетке можно определить внутренний pH клетки. [ 18 ] Кроме того, ЯМР также может быть использован для выявления присутствия внутриклеточного натрия, что также может предоставить информацию о pH i . [ 23 ]

С помощью ЯМР-спектроскопии установлено, что лимфоциты поддерживают постоянный внутренний pH 7,17±0,06, хотя, как и во всех клетках, внутриклеточный pH изменяется в том же направлении, что и внеклеточный pH. [ 24 ]

pH-чувствительные GFP

[ редактировать ]

Для определения pH внутри органелл часто используются pH-чувствительные GFP как часть неинвазивного и эффективного метода. [ 20 ] Используя кДНК в качестве матрицы вместе с соответствующими праймерами, ген GFP можно экспрессировать в цитозоле, а полученные белки могут воздействовать на определенные области внутри клетки, такие как митохондрии, аппарат Гольджи, цитоплазма и эндоплазматический ретикулум. [ 21 ] Если в этих экспериментах используются определенные мутанты GFP, которые очень чувствительны к pH во внутриклеточной среде, относительное количество образующейся флуоресценции может выявить приблизительный уровень pH окружающей среды. [ 21 ] [ 25 ]

  1. ^ Харгинди, С; Станчу, Д; Девеса, Дж; Альфарук, К; Кардоне, РА; Поло Ороско, доктор юридических наук; Девеса, П; Раух, К; Орив, Г; Анитуа, Э; Роджер, С; Решкин С.Ю. (апрель 2017 г.). «Клеточное закисление как новый подход к лечению рака, а также к пониманию и терапии нейродегенеративных заболеваний» . Семинары по биологии рака . 43 : 157–179. doi : 10.1016/j.semcancer.2017.02.003 . ПМИД   28193528 .
  2. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Акта Физиологика . 223 (3): e13068. дои : 10.1111/apha.13068 . ПМИД   29575508 . S2CID   4874638 .
  3. ^ Перейти обратно: а б с Бор В.Ф. (декабрь 2004 г.). «Регуляция внутриклеточного pH». Достижения в области физиологического образования . 28 (1–4): 160–79. дои : 10.1152/advan.00045.2004 . ПМИД   15545345 . S2CID   13242391 .
  4. ^ Брэндис К. «2.6 Регуляция внутриклеточной концентрации ионов водорода» . Кислотно-щелочная физиология . Образовательный сайт по анестезиологии.
  5. ^ Мадшус И.Х. (февраль 1988 г.). «Регуляция внутриклеточного pH в эукариотических клетках» . Биохимический журнал . 250 (1): 1–8. дои : 10.1042/bj2500001 . ПМЦ   1148806 . ПМИД   2965576 .
  6. ^ Перейти обратно: а б с д Асокан А., Чо MJ (апрель 2002 г.). «Использование внутриклеточных градиентов pH при клеточной доставке макромолекул». Журнал фармацевтических наук . 91 (4): 903–13. дои : 10.1002/jps.10095 . ПМИД   11948528 .
  7. ^ Прокш Э (сентябрь 2018 г.). «РН в природе, человеке и коже» . Журнал дерматологии . 45 (9): 1044–1052. дои : 10.1111/1346-8138.14489 . ПМИД   29863755 .
  8. ^ Демут С., Варонье Дж., Жоссен В., Эйбл Р., Эйбл Д. (май 2016 г.). «Новые зонды для измерения pH и растворенного кислорода в культурах от миллилитров до настольных масштабов». Прикладная микробиология и биотехнология . 100 (9): 3853–63. дои : 10.1007/s00253-016-7412-0 . hdl : 11475/2259 . ПМИД   26995606 . S2CID   8434413 .
  9. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Акта Физиол (Oxf) . 223 (3): e13068. дои : 10.1111/apha.13068 . ПМИД   29575508 . S2CID   4874638 . [ нужна проверка ]
  10. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Акта Физиол (Oxf) . 223 (3): e13068. дои : 10.1111/apha.13068. ПМИД 29575508.
  11. ^ Слончевски Дж.Л., Фудзисава М., Допсон М., Крулвич Т.А. (2009). «Измерение цитоплазматического pH и гомеостаз у бактерий и архей». Достижения микробной физиологии . 55 : 1–79, 317. doi : 10.1016/S0065-2911(09)05501-5 . ISBN  9780123747907 . ПМИД   19573695 .
  12. ^ Дженсен ФБ (ноябрь 2004 г.). «РН эритроцитов, эффект Бора и другие явления, связанные с оксигенацией, в транспорте O2 и CO2 в крови». Acta Physiologica Scandinavica . 182 (3): 215–27. дои : 10.1111/j.1365-201X.2004.01361.x . ПМИД   15491402 .
  13. ^ Букаллил М.Дж. «Кислотно-щелочное состояние: pH крови – 3 – Механизмы регулирования» . Список лекций и учебных заметок . Кафедра анестезии Сиднейского университета в Наффилде . Проверено 28 мая 2019 г.
  14. ^ Бертон РФ (апрель 1978 г.). «Внутриклеточная буферизация». Физиология дыхания . 33 (1): 51–8. дои : 10.1016/0034-5687(78)90083-X . ПМИД   27854 .
  15. ^ Перейти обратно: а б с Нуньес П., Гвидо Д., Деморекс Н. (декабрь 2015 г.). «Измерение pH фагосом с помощью ратиометрической флуоресцентной микроскопии» . Журнал визуализированных экспериментов (106): e53402. дои : 10.3791/53402 . ПМЦ   4692782 . ПМИД   26710109 .
  16. ^ Порчелли А.М., Гелли А., Занна С., Пинтон П., Риццуто Р., Руголо М. (январь 2005 г.). «Разница pH на внешней митохондриальной мембране, измеренная с помощью мутанта зеленого флуоресцентного белка». Связь с биохимическими и биофизическими исследованиями . 326 (4): 799–804. дои : 10.1016/j.bbrc.2004.11.105 . ПМИД   15607740 .
  17. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. и др. (2002). «Митохондрия» . Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Garland Science.
  18. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г Роос А., Бор В.Ф. (апрель 1981 г.). «Внутриклеточный pH». Физиологические обзоры . 61 (2): 296–434. дои : 10.1152/physrev.1981.61.2.296 . ПМИД   7012859 .
  19. ^ Перейти обратно: а б с д и ж г час я Луазель Ф.Б., Кейси-младший (2010). «Измерение внутриклеточного pH». Мембранные транспортеры в открытии и разработке лекарств . Методы молекулярной биологии. Том. 637. стр. 311–31. дои : 10.1007/978-1-60761-700-6_17 . ISBN  978-1-60761-699-3 . ПМИД   20419443 .
  20. ^ Перейти обратно: а б Робертс Т.М., Рудольф Ф., Мейер А., Пелло Р., Уайтхед Э., Панке С., Хелд М. (май 2018 г.). «Исправление: идентификация и характеристика pH-стабильного GFP» . Научные отчеты . 8 : 46976. Бибкод : 2018NatSR...846976R . дои : 10.1038/srep46976 . ПМЦ   5956236 . ПМИД   29769631 .
  21. ^ Перейти обратно: а б с Книн М., Фаринас Дж., Ли Ю., Веркман А.С. (март 1998 г.). «Зеленый флуоресцентный белок как неинвазивный внутриклеточный индикатор pH» . Биофизический журнал . 74 (3): 1591–9. Бибкод : 1998BpJ....74.1591K . дои : 10.1016/S0006-3495(98)77870-1 . ПМК   1299504 . ПМИД   9512054 .
  22. ^ Шпехт Э.А., Бразельманн Э., Палмер А.Е. (февраль 2017 г.). «Критический и сравнительный обзор флуоресцентных инструментов для визуализации живых клеток». Ежегодный обзор физиологии . 79 : 93–117. doi : 10.1146/annurev-psyol-022516-034055 . ПМИД   27860833 .
  23. ^ Элиав У, Навон Дж (февраль 2016 г.). «ЯМР/МРТ натрия для анизотропных систем». ЯМР в биомедицине . 29 (2): 144–52. дои : 10.1002/nbm.3331 . ПМИД   26105084 . S2CID   29964258 .
  24. ^ Дойч С., Тейлор Дж.С., Уилсон Д.Ф. (декабрь 1982 г.). «Регуляция внутриклеточного pH лимфоцитами периферической крови человека, измеренная с помощью ЯМР 19F» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 79 (24): 7944–8. Бибкод : 1982PNAS...79.7944D . дои : 10.1073/pnas.79.24.7944 . ПМЦ   347466 . ПМИД   6961462 .
  25. ^ Риццуто Р., Брини М., Пиццо П., Мурджа М., Поццан Т. (июнь 1995 г.). «Химерный зеленый флуоресцентный белок как инструмент визуализации субклеточных органелл в живых клетках» . Современная биология . 5 (6): 635–42. дои : 10.1016/s0960-9822(95)00128-x . ПМИД   7552174 . S2CID   13970185 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 58112b9765d6945699f71beb80e059ef__1715878680
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/58/ef/58112b9765d6945699f71beb80e059ef.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Intracellular pH - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)