biologi i

aktive transportmekanismer kræver brug af cellens energi, normalt i form af adenosintrifosfat (ATP). Hvis et stof skal flytte ind i cellen mod sin koncentration gradient—det er, hvis koncentrationen af stoffet inde i cellen er større end dens koncentration i den ekstracellulære væske (og vice versa)—cellen skal bruge energi til at bevæge sig stoffet. Nogle aktive transportmekanismer bevæger materialer med lille molekylvægt, såsom ioner, gennem membranen. Andre mekanismer transporterer meget større molekyler.,

elektrokemisk Gradient

Vi har diskuteret enkle koncentrationsgradienter—differentielle koncentrationer af et stof Over et rum eller en membran—men i levende systemer er gradienter mere komplekse. Fordi ioner bevæger sig ind og ud af celler, og fordi celler indeholder proteiner, der ikke bevæger sig over membranen og for det meste er negativt ladet, er der også en elektrisk gradient, en forskel på ladning, over plasmamembranen., Det indre af levende celler, der er elektrisk negativ med hensyn til den ekstracellulære væske, hvor de er badet, og på samme tid, celler har højere koncentrationer af kalium (K+) og lavere koncentrationer af natrium (Na+) end ikke den ekstracellulære væske. Så i en levende celle har koncentrationsgradienten af Na+ en tendens til at drive den ind i cellen, og den elektriske gradient af Na+ (en positiv ion) har også en tendens til at drive den indad til det negativt ladede interiør. Situationen er dog mere kompleks for andre elementer som kalium., Den elektriske gradient af K+, en positiv ion, har også en tendens til at drive den ind i cellen, men koncentrationsgradienten af K+ har en tendens til at drive K+ ud af cellen (Figur 1). Den kombinerede gradient af koncentration og elektrisk ladning, der påvirker en ion, kaldes dens elektrokemiske gradient.

Øv

Figur 1. Elektrokemiske gradienter stammer fra de kombinerede virkninger af koncentrationsgradienter og elektriske gradienter., (kredit: “Synaptitude”/Commonsikimedia Commons)

injektion af en kaliumopløsning i en persons blod er dødelig; dette bruges til dødsstraf og dødshjælp. Hvorfor tror du, at en kaliumopløsningsinjektion er dødelig?

Vis Svar

Celler, der typisk har en høj koncentration af kalium i cytoplasmaet og er badet i en høj koncentration af natrium. Injektion af kalium spreder denne elektrokemiske gradient., I hjertemusklen er natrium/kaliumpotentialet ansvarlig for transmission af signalet, der får muskelen til at trække sig sammen. Når dette potentiale spredes, kan signalet ikke overføres, og hjertet holder op med at slå. Kaliuminjektioner bruges også til at forhindre hjertet i at slå under operationen.

bevægelse mod en Gradient

for at flytte stoffer mod en koncentration eller elektrokemisk gradient skal cellen bruge energi. Denne energi høstes fra ATP genereret gennem cellens metabolisme., Aktive transportmekanismer, samlet kaldet pumper, arbejder mod elektrokemiske gradienter. Små stoffer passerer konstant gennem plasmamembraner. Aktiv transport opretholder koncentrationer af ioner og andre stoffer, der er nødvendige af levende celler i lyset af disse passive bevægelser. Meget af en celles forsyning af metabolisk energi kan bruges til at opretholde disse processer. (De fleste af en røde blodlegemer metaboliske energi bruges til at opretholde den ubalance mellem ydre og indre natrium og kalium niveauer kræves af cellen.,) Fordi aktive transportmekanismer afhænger af en celles metabolisme for energi, er de følsomme over for mange metaboliske giftstoffer, der forstyrrer tilførslen af ATP.

Der findes to mekanismer til transport af materiale med lille molekylvægt og små molekyler. Primær aktiv transport bevæger ioner over en membran og skaber en forskel i ladning over den membran, som er direkte afhængig af ATP. Sekundær aktiv transport beskriver bevægelsen af materiale, der skyldes den elektrokemiske gradient etableret ved primær aktiv transport, der ikke direkte kræver ATP.,

Carrier Proteiner til Aktive Transport

En vigtig membran adaption for aktiv transport er tilstedeværelsen af specifikke transportøren proteiner eller pumper til at lette bevægelse: der er tre typer af disse proteiner eller transportører (Figur 2). En uniporter bærer en specifik ion eller molekyle. En symporter bærer to forskellige ioner eller molekyler, begge i samme retning. En antiporter bærer også to forskellige ioner eller molekyler, men i forskellige retninger. Alle disse transportører kan også transportere små, uladede organiske molekyler som glukose., Disse tre typer bærerproteiner findes også i lettere diffusion, men de kræver ikke, at ATP arbejder i denne proces. Nogle eksempler på pumper til aktiv transport er Na+–K+ ATPase, som bærer natrium–og kaliumioner, og H+ – K+ ATPase, som bærer hydrogen-og kaliumioner. Begge disse er antiporterbærerproteiner. To andre bærerproteiner er Ca2+ ATPase og H+ ATPase, som kun bærer henholdsvis calcium og kun hydrogenioner. Begge er pumper.

Figur 2. En uniporter bærer et molekyle eller ion., En symporter bærer to forskellige molekyler eller ioner, begge i samme retning. En antiporter bærer også to forskellige molekyler eller ioner, men i forskellige retninger. (credit: ændring af arbejde “Lupask”/Wikimedia Commons)

Primær Aktiv Transport

Den primære aktiv transport, der fungerer med den aktive transport af natrium og kalium giver mulighed for sekundær aktiv transport til at opstå. Den anden transportmetode betragtes stadig som aktiv, fordi den afhænger af brugen af energi ligesom primær transport (figur 3).,

Figur 3. Primær aktiv transport bevæger ioner over en membran, hvilket skaber en elektrokemisk gradient (elektrogen transport). (credit: ændring af det arbejde, som Mariana Ruiz Villareal)

En af de vigtigste pumper i dyr celler er natrium-kalium-pumpen (Na+-K+ ATPase), der opretholder den elektrokemiske gradient (og de rigtige koncentrationer af Na+ og K+) i levende celler., Natrium-kaliumpumpen bevæger K + ind i cellen, mens den flytter Na+ ud på samme tid i et forhold på tre Na+ for hver to K+ ioner, der flyttes ind. Na+ – K + ATPase findes i to former, afhængigt af dens orientering til det indre eller ydre af cellen og dens affinitet for enten natrium-eller kaliumioner. Processen består af følgende seks trin.

1. med en .ymet orienteret mod det indre af cellen har bæreren en høj affinitet for natriumioner. Tre ioner binder til proteinet.,
2. ATP hydrolyseres af proteinbæreren, og en fosfatgruppe med lav energi bindes til den.
3. som et resultat ændrer bæreren form og orienterer sig igen mod membranets ydre. Proteinets affinitet for natrium falder, og de tre natriumioner forlader bæreren.
4. formændringen øger bærerens affinitet for kaliumioner, og to sådanne ioner knytter sig til proteinet. Derefter løsnes fosfatgruppen med lav energi fra bæreren.,
5. med fosfatgruppen fjernet og kaliumioner fastgjort, repositionerer bærerproteinet sig mod det indre af cellen.
6. bærerproteinet har i sin nye konfiguration en nedsat affinitet for kalium, og de to ioner frigives i cytoplasmaet. Proteinet har nu en højere affinitet for natriumioner, og processen starter igen.

Der er sket flere ting som følge af denne proces. På dette tidspunkt er der flere natriumioner uden for cellen end indeni og flere kaliumioner inde end ude., For hver tre ioner af natrium, der bevæger sig ud, to ioner af kalium flytte ind. Dette resulterer i, at interiøret er lidt mere negativt i forhold til det ydre. Denne forskel i afgift er vigtig for at skabe de nødvendige betingelser for den sekundære proces. Natrium-kaliumpumpen er derfor en elektrogen pumpe (en pumpe, der skaber en ladningsubalance), der skaber en elektrisk ubalance over membranen og bidrager til membranpotentialet.,

sekundær aktiv Transport (Co-transport)

sekundær aktiv transport bringer natriumioner og muligvis andre forbindelser ind i cellen. Når natriumionkoncentrationer bygger sig uden for plasmamembranen på grund af virkningen af den primære aktive transportproces, oprettes en elektrokemisk gradient. Hvis der findes et kanalprotein og er åbent, trækkes natriumionerne gennem membranen. Denne bevægelse bruges til at transportere andre stoffer, der kan binde sig til transportproteinet gennem membranen (figur 4)., Mange aminosyrer, såvel som glucose, indtaster en celle på denne måde. Denne sekundære proces bruges også til at opbevare højenergi-hydrogenioner i mitokondrier af plante-og dyreceller til produktion af ATP. Den potentielle energi, der akkumuleres i de lagrede hydrogenioner, oversættes til kinetisk energi, når ionerne strømmer gennem kanalproteinet ATP-syntase, og denne energi bruges til at omdanne ADP til ATP.

Øv

Figur 4., En elektrokemisk gradient, skabt af primær aktiv transport, kan flytte andre stoffer mod deres koncentrationsgradienter, en proces kaldet samtransport eller sekundær aktiv transport. (credit: ændring af det arbejde, som Mariana Ruiz Villareal)

Vis Svar

Et fald i pH-værdi betyder, at en stigning i positivt ladede H+ ioner, og en stigning i den elektriske gradient på tværs af membranen. Transporten af aminosyrer ind i cellen vil stige.

Tjek Din Forståelse

Svar på spørgsmålet(s) nedenfor for at se, hvor godt du forstår de emner, der gennemgås i det foregående afsnit. Denne korte quui.tæller ikke med din karakter i klassen, og du kan genoptage det et ubegrænset antal gange.

Brug denne quui.til at tjekke din forståelse og beslutte, om du vil (1) studere det foregående afsnit yderligere eller (2) gå videre til næste afsnit.