Внутриклеточный pH - Intracellular pH

Градиент pH через мембрану, при этом протоны проходят через транспортер, встроенный в мембрану.

Внутриклеточный pH (pHi) - мера кислотность или же основность (т.е. pH ) из внутриклеточная жидкость. PHi играет решающую роль в мембранном транспорте и других внутриклеточных процессах. В среде с неподходящим pHi биологические клетки могут нарушать функцию.[1][2] Следовательно, pHi строго регулируется, чтобы обеспечить правильную клеточную функцию, контролируемый рост клеток и нормальные клеточные процессы.[3] Механизмы, регулирующие pHi, обычно считаются плазматическая мембрана транспортеры, из которых существуют два основных типа - зависимые и независимые от концентрации бикарбонат (HCO−
3). Физиологически нормальный внутриклеточный pH чаще всего составляет от 7,0 до 7,4, хотя между тканями существует различие (например, pH скелетных мышц млекопитающих обычно составляет 6,8–7,1).[4][5]. Также существует различие pH в разных органеллы, который может варьироваться от 4,5 до 8,0.[6][7] pHi можно измерить несколькими способами.[3][8]

Гомеостаз

Внутриклеточный pH обычно ниже внеклеточный pH из-за более низкой концентрации HCO3−.[9] Повышение внеклеточного (например, сыворотка ) частичное давление из углекислый газ (pCO2 ) выше 45мм рт. ст. приводит к образованию угольная кислота, что вызывает снижение pHi, поскольку диссоциирует:[10]

ЧАС2O + CO2 ⇌ H2CO3 ⇌ H+ + HCO3–

Поскольку биологические клетки содержат жидкость, которая может действовать как буфер, pHi можно довольно хорошо поддерживать в определенном диапазоне.[11] Клетки соответственно регулируют свой pHi при повышении кислотности или основности, обычно с помощью CO.2 или HCO3– датчики присутствуют в мембране клетки.[3] Эти датчики могут позволить H + проходить через клеточную мембрану, соответственно, позволяя pHi быть взаимосвязанным с внеклеточным pH в этом отношении.[12]

Основные внутриклеточные буферные системы включают те, которые 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 конъюгированного слабого основания (H2PO4– и HPO42–) может принимать или отдавать протоны соответственно для сохранения внутриклеточного pH:[13][14]

ОЙ– + H2PO4– ⇌ H2O + HPO42–
ЧАС+ + HPO42– ⇌ H2PO4–

В органеллах

Приблизительные значения pH различных органелл внутри клетки.[6]

Уровень pH в конкретной органелле зависит от ее конкретной функции.

Например, лизосомы имеют относительно низкий pH, равный 4,5.[6] Кроме того, методы флуоресцентной микроскопии показали, что фагоциты также имеют относительно низкий внутренний pH.[15] Поскольку обе эти органеллы являются деградирующими органеллами, 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 фагоцитов, 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 через мембрану. Именно этот мембранный потенциал позволяет митохондриям вырабатывать большое количество АТФ.[17]

Протоны перекачиваются из митохондриальной матрицы в межмембранное пространство по мере того, как работает электронная транспортная цепочка, что снижает pH межмембранного пространства.

Измерение

Существует несколько распространенных способов измерения внутриклеточного pH (pHi), в том числе с помощью микроэлектрода, красителя, чувствительного к pH, или с помощью методов ядерного магнитного резонанса.[18][19] Для измерения pH внутри органелл можно использовать метод, использующий pH-чувствительные зеленые флуоресцентные белки (GFP).[20]

В целом, у всех трех методов есть свои преимущества и недостатки. Использование красителей, возможно, является самым простым и достаточно точным, в то время как ЯМР представляет собой проблему относительно меньшей точности.[18] Кроме того, использование микроэлектрода может быть проблематичным в ситуациях, когда клетки слишком малы или целостность клеточной мембраны не должна нарушаться.[19] GFP уникальны тем, что они обеспечивают неинвазивный способ определения pH внутри различных органелл, но этот метод не является наиболее точным в количественном отношении способом определения pH.[21]

Микроэлектрод

Микроэлектродный метод измерения pH заключается в помещении очень маленького электрода в цитозоль клетки, проделывая очень маленькое отверстие в плазматической мембране клетки.[19] Поскольку микроэлектрод содержит жидкость с высокой концентрацией H + внутри по сравнению с внешней стороной электрода, возникает потенциал из-за несоответствия pH между внутренней и внешней частью электрода.[18][19] По этой разнице напряжений и заранее определенному pH жидкости внутри электрода можно определить внутриклеточный pH (pHi) интересующей клетки. [19]

Флуоресцентная спектроскопия

Другой способ измерения внутриклеточного pH (pHi) - использовать красители, чувствительные к pH и флуоресцирующие по-разному при различных значениях pH.[15][22] Этот метод, использующий флуоресцентную спектроскопию, заключается в добавлении этого специального красителя в цитозоль клетки.[18][19] Возбуждая краситель в клетке энергией света и измеряя длину волны света, испускаемого фотоном, когда он возвращается в свое естественное энергетическое состояние, можно определить тип присутствующего красителя и связать его с внутриклеточным pH данного клетка.[18][19]

Ядерный магнитный резонанс

Помимо использования pH-чувствительных электродов и красителей для измерения pHi, спектроскопия ядерного магнитного резонанса (ЯМР) также может использоваться для количественного определения pHi.[19] ЯМР, как правило, выявляет информацию о внутренней части клетки, помещая клетку в среду с сильным магнитным полем.[18][19] На основе соотношения между концентрациями протонированных и депротонированных форм фосфатных соединений в данной клетке можно определить внутренний pH клетки.[18] Кроме того, ЯМР также можно использовать для выявления присутствия внутриклеточного натрия, который также может предоставить информацию о pHi.[23]

С помощью ЯМР-спектроскопии было установлено, что лимфоциты поддерживать 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

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 может быть экспрессирован в цитозоле, а продуцируемые белки могут нацеливаться 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 результирующей флуоресценции может показать приблизительный pH окружающей среды.[21][25]

Рекомендации

  1. ^ Харгинди, S; Stanciu, D; Девеса, Дж; Альфарук, К. Кардоне, РА; Поло Ороско, JD; Devesa, P; Rauch, C; Орив, G; Anitua, E; Роджер, S; Решкин, SJ (апрель 2017 г.). «Подкисление клеток как новый подход к лечению рака, а также к пониманию и лечению нейродегенеративных заболеваний». Семинары по биологии рака. 43: 157–179. Дои:10.1016 / j.semcancer.2017.02.003. PMID  28193528.
  2. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Acta Physiologica. 223 (3): e13068. Дои:10.1111 / apha.13068. PMID  29575508. S2CID  4874638.
  3. ^ а б c Boron WF (декабрь 2004 г.). «Регулирование внутриклеточного pH». Достижения в физиологическом образовании. 28 (1–4): 160–79. Дои:10.1152 / advan.00045.2004. PMID  15545345.
  4. ^ Брэндис К. «2.6 Регулирование внутриклеточной концентрации ионов водорода». Кислотно-основная физиология. Веб-сайт анестезиологического образования.
  5. ^ Мадшус IH (февраль 1988 г.). «Регулирование внутриклеточного pH в эукариотических клетках». Биохимический журнал. 250 (1): 1–8. Дои:10.1042 / bj2500001. ЧВК  1148806. PMID  2965576.
  6. ^ а б c d Асокан А., Чо М.Дж. (апрель 2002 г.). «Использование внутриклеточных градиентов pH в доставке макромолекул в клетки». Журнал фармацевтических наук. 91 (4): 903–13. Дои:10.1002 / jps.10095. PMID  11948528.
  7. ^ Прокщ Э. (сентябрь 2018 г.). «pH в природе, человеке и коже». Журнал дерматологии. 45 (9): 1044–1052. Дои:10.1111/1346-8138.14489. PMID  29863755.
  8. ^ Демут С., Варонье Дж., Йоссен В., Эйбл Р., Эйбл Д. (май 2016 г.). «Новые зонды для измерения pH и растворенного кислорода при культивировании от миллилитров до настольных». Прикладная микробиология и биотехнология. 100 (9): 3853–63. Дои:10.1007 / s00253-016-7412-0. PMID  26995606. S2CID  8434413.
  9. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Acta Physiol (Oxf). 223 (3): e13068. Дои:10.1111 / apha.13068. PMID  29575508. S2CID  4874638.[требуется проверка ]
  10. ^ Флинк М., Крамер С.Х., Педерсен С.Ф. (июль 2018 г.). «Роль pH в контроле пролиферации клеток». Acta Physiol (Oxf). 223 (3): e13068. Дои: 10.1111 / apha.13068. PMID 29575508.
  11. ^ Slonczewski JL, Fujisawa M, Dopson M, Krulwich TA (2009). «Измерение pH цитоплазмы и гомеостаз у бактерий и архей». Успехи микробной физиологии. 55: 1–79, 317. Дои:10.1016 / S0065-2911 (09) 05501-5. ISBN  9780123747907. PMID  19573695.
  12. ^ Дженсен Ф. Б. (ноябрь 2004 г.). «PH красных кровяных телец, эффект Бора и другие связанные с оксигенацией явления в переносе O2 и CO2 в крови». Acta Physiologica Scandinavica. 182 (3): 215–27. Дои:10.1111 / j.1365-201X.2004.01361.x. PMID  15491402.
  13. ^ Bookallil MJ. «Кислотно-основное: pH крови - 3 - механизмы контроля». Список лекций и учебных заметок. Отделение анестезии Наффилда Сиднейского университета. Получено 2019-05-28.
  14. ^ Бертон РФ (апрель 1978 г.). «Внутриклеточная буферизация». Физиология дыхания. 33 (1): 51–8. Дои:10.1016 / 0034-5687 (78) 90083-X. PMID  27854.
  15. ^ а б c 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. ЧВК  4692782. PMID  26710109.
  16. ^ Порселли 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». Сообщения о биохимических и биофизических исследованиях. 326 (4): 799–804. Дои:10.1016 / j.bbrc.2004.11.105. PMID  15607740.
  17. ^ Альбертс Б., Джонсон А., Льюис Дж. И др. (2002). «Митохондрия». Молекулярная биология клетки (4-е изд.). Нью-Йорк: Наука Гарланд.
  18. ^ а б c d е ж грамм Роос А., Бор WF (апрель 1981 г.). «Внутриклеточный pH». Физиологические обзоры. 61 (2): 296–434. Дои:10.1152 / Physrev.1981.61.2.296. PMID  7012859.
  19. ^ а б c d е ж грамм час я Луизель Ф. Б., Кейси-младший (2010). «Измерение внутриклеточного pH». Мембранные переносчики в открытии и разработке лекарств. Методы молекулярной биологии. 637. С. 311–31. Дои:10.1007/978-1-60761-700-6_17. ISBN  978-1-60761-699-3. PMID  20419443.
  20. ^ а б Roberts TM, Rudolf F, Meyer A, Pellaux R, Whitehead E, Panke S, Held M (май 2018 г.). «Исправление: идентификация и характеристика pH-стабильного GFP». Научные отчеты. 8: 46976. Bibcode:2018НатСР ... 846976R. Дои:10.1038 / srep46976. ЧВК  5956236. PMID  29769631.
  21. ^ а б c Книн М., Фаринас Дж., Ли Й., Веркман А.С. (март 1998 г.). «Зеленый флуоресцентный белок как неинвазивный индикатор внутриклеточного pH». Биофизический журнал. 74 (3): 1591–9. Bibcode:1998BpJ .... 74,1591K. Дои:10.1016 / S0006-3495 (98) 77870-1. ЧВК  1299504. PMID  9512054.
  22. ^ Шпехт Э.А., Бразельманн Э., Палмер Э.А. (февраль 2017 г.). «Критический и сравнительный обзор флуоресцентных инструментов для визуализации живых клеток». Ежегодный обзор физиологии. 79: 93–117. Дои:10.1146 / аннурев-физиол-022516-034055. PMID  27860833.
  23. ^ Элиав У, Навон Г (февраль 2016 г.). «Натрий ЯМР / МРТ для анизотропных систем». ЯМР в биомедицине. 29 (2): 144–52. Дои:10.1002 / nbm.3331. PMID  26105084.
  24. ^ Deutsch C, Taylor JS, Wilson DF (декабрь 1982 г.). «Регулирование внутриклеточного pH лимфоцитами периферической крови человека по данным 19F ЯМР». Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 79 (24): 7944–8. Дои:10.1073 / пнас.79.24.7944. ЧВК  347466. PMID  6961462.
  25. ^ Риццуто Р., Брини М., Пиццо П., Мурджа М., Поццан Т. (июнь 1995 г.). «Химерный зеленый флуоресцентный белок как инструмент для визуализации субклеточных органелл в живых клетках». Текущая биология. 5 (6): 635–42. Дои:10.1016 / s0960-9822 (95) 00128-х. PMID  7552174. S2CID  13970185.