Biologie I

actieve transportmechanismen vereisen het gebruik van de energie van de cel, meestal in de vorm van adenosinetrifosfaat (ATP). Als een stof tegen zijn concentratiegradiënt in de cel moet bewegen—dat wil zeggen als de concentratie van de stof in de cel groter is dan de concentratie in de extracellulaire vloeistof (en vice versa)—moet de cel energie gebruiken om de stof te verplaatsen. Sommige actieve transportmechanismen bewegen materialen met een klein moleculair gewicht, zoals ionen, door het membraan. Andere mechanismen transporteren veel grotere moleculen.,

elektrochemische gradiënt

we hebben gesproken over eenvoudige concentratiegradiënten-differentiële concentraties van een stof in een ruimte of een membraan—maar in levende systemen zijn gradiënten complexer. Omdat de ionen in en uit cellen bewegen en omdat cellen proteã nen bevatten die niet over het membraan bewegen en meestal negatief geladen zijn, is er ook een elektrogradiënt, een verschil van lading, over het plasmamembraan., Het binnenste van levende cellen is elektrisch negatief met betrekking tot de extracellulaire vloeistof waarin zij worden gebaad, en tegelijkertijd, cellen hebben hogere concentraties van kalium (K+) en lagere concentraties van natrium (Na+) dan de extracellulaire vloeistof. Dus in een levende cel heeft de concentratiegradiënt van Na+ de neiging om het in de cel te drijven, en de elektrische gradiënt van Na+ (een positief ion) heeft ook de neiging om het naar binnen te drijven naar het negatief geladen interieur. De situatie is echter complexer voor andere elementen zoals kalium., De elektrische gradiënt van K+, een positief ion, heeft ook de neiging om het in de cel te drijven, maar de concentratiegradiënt van K+ heeft de neiging om K+ uit de cel te drijven (figuur 1). De gecombineerde gradiënt van concentratie en elektrische lading die een ion beà nvloedt wordt genoemd zijn elektrochemische gradiënt.

praktijk

figuur 1. Elektrochemische gradiënten ontstaan uit de gecombineerde effecten van concentratiegradiënten en elektrische gradiënten., (credit: “Synaptitude” / Wikimedia Commons)

injectie van een kaliumoplossing in iemands bloed is dodelijk; dit wordt gebruikt bij de doodstraf en euthanasie. Waarom denk je dat een injectie met kaliumoplossing dodelijk is?

Toon antwoord

cellen hebben doorgaans een hoge concentratie kalium in het cytoplasma en worden gebaad in een hoge concentratie natrium. Injectie van kalium verdrijft deze elektrochemische gradiënt., In de hartspier is het natrium/kaliumpotentiaal verantwoordelijk voor het overbrengen van het signaal dat ervoor zorgt dat de spier samentrekt. Wanneer dit potentieel wordt afgevoerd, kan het signaal niet worden overgedragen, en het hart stopt met kloppen. Kaliuminjecties worden ook gebruikt om het hart te stoppen met kloppen tijdens de operatie.

bewegen tegen een gradiënt

om stoffen tegen een concentratie of elektrochemische gradiënt te verplaatsen, moet de cel energie gebruiken. Deze energie wordt geoogst uit ATP gegenereerd door het metabolisme van de cel., Actieve transportmechanismen, gezamenlijk pompen genoemd, werken tegen elektrochemische gradiënten. Kleine stoffen gaan constant door plasmamembranen. Actief transport handhaaft concentraties van ionen en andere stoffen die levende cellen nodig hebben in het aangezicht van deze passieve bewegingen. Veel van de levering van een cel van metabolische energie kan worden besteed aan het handhaven van deze processen. (Het grootste deel van de metabolische energie van een rode bloedcel wordt gebruikt om de onbalans tussen exterieur en interieur natrium en kalium niveaus vereist door de cel te handhaven., Omdat actieve transportmechanismen afhankelijk zijn van het metabolisme van een cel voor energie, zijn ze gevoelig voor vele metabolische vergiften die interfereren met de levering van ATP.

Er bestaan twee mechanismen voor het transport van materiaal met een klein molecuulgewicht en kleine moleculen. Het primaire actieve vervoer beweegt ionen over een membraan en leidt tot een verschil in last over dat membraan, dat direct van ATP afhankelijk is. Secundair actief transport beschrijft de beweging van materiaal die te wijten is aan de elektrochemische gradiënt vastgesteld door primair actief transport dat niet direct ATP vereist.,

dragereiwitten voor actief Transport

een belangrijke membraanaanpassing voor actief transport is de aanwezigheid van specifieke dragereiwitten of pompen om de beweging te vergemakkelijken: er zijn drie soorten van deze eiwitten of transporteiwitten (Figuur 2). Een uniporter draagt één specifiek ion of molecuul. Een symporter draagt twee verschillende ionen of moleculen, beide in dezelfde richting. Een antiporter draagt ook twee verschillende ionen of moleculen, maar in verschillende richtingen. Al deze transporters kunnen ook kleine, niet-geladen organische moleculen zoals glucose vervoeren., Deze drie types van dragerproteã nen worden ook gevonden in vergemakkelijkte verspreiding, maar zij vereisen ATP niet om in dat proces te werken. Enkele voorbeelden van pompen voor actief transport zijn Na+–K+ ATPase, dat natrium–en kaliumionen vervoert, en H+ – K+ ATPase, dat waterstof-en kaliumionen vervoert. Beide zijn antiporter dragereiwitten. Twee andere dragerproteã nen zijn Ca2+ ATPase en H+ ATPase, die slechts calcium en slechts waterstofionen, respectievelijk dragen. Beide zijn pompen.

Figuur 2. Een uniporter draagt één molecuul of ion., Een symporter draagt twee verschillende moleculen of ionen, beide in dezelfde richting. Een antiporter draagt ook twee verschillende moleculen of ionen, maar in verschillende richtingen. (credit: modification of work by “Lupask” / Wikimedia Commons)

primair actief Transport

het primaire actieve transport dat functioneert met het actieve transport van natrium en kalium maakt secundair actief transport mogelijk. De tweede vervoersmethode wordt nog steeds als actief beschouwd omdat deze afhankelijk is van het gebruik van energie, evenals het primaire vervoer (Figuur 3).,

Figuur 3. Primair actief transport beweegt ionen over een membraan, waardoor een elektrochemische gradiënt ontstaat (elektrogeen transport). (credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)

een van de belangrijkste pompen in dierencellen is de natrium-kaliumpomp (Na+-K+ ATPase), die de elektrochemische gradiënt (en de juiste concentraties van Na+ en K+) in levende cellen handhaaft., De natrium-kaliumpomp beweegt K + in de cel terwijl het verplaatsen van Na+ uit op hetzelfde moment, met een verhouding van drie Na+ voor elke twee K+ ionen verplaatst in. Na + – K + ATPase bestaat in twee vormen, afhankelijk van zijn oriëntatie op het binnenland of buitenkant van de cel en zijn affiniteit voor of natrium of kaliumionen. Het proces bestaat uit de volgende zes stappen.

1. met het enzym dat naar de binnenkant van de cel is gericht, heeft de drager een hoge affiniteit voor natriumionen. Drie ionen binden zich aan het eiwit.,
2. ATP wordt gehydrolyseerd door de eiwitdrager en een energiezuinige fosfaatgroep hecht zich eraan.
3. hierdoor verandert de drager van vorm en richt zich opnieuw naar de buitenkant van het membraan. De affiniteit van het eiwit voor natrium neemt af en de drie natriumionen verlaten de drager.
4. de vormverandering verhoogt de affiniteit van de drager voor kaliumionen, en twee van deze ionen hechten zich aan het eiwit. Vervolgens ontkoppelt de energiezuinige fosfaatgroep zich van de drager.,
5. wanneer de fosfaatgroep is verwijderd en de kaliumionen eraan zijn bevestigd, verplaatst het dragereiwit zich naar het binnenste van de cel.
6. het dragereiwit in zijn nieuwe configuratie heeft een verminderde affiniteit voor kalium en de twee ionen komen vrij in het cytoplasma. Het eiwit heeft nu een hogere affiniteit voor natriumionen, en het proces begint opnieuw.

verschillende dingen zijn gebeurd als gevolg van dit proces. Op dit punt, zijn er meer natriumionen buiten de cel dan binnen en meer kaliumionen binnen dan buiten., Voor elke drie ionen natrium die eruit komen, gaan er twee ionen kalium naar binnen. Hierdoor is het interieur iets negatiever ten opzichte van de buitenkant. Dit verschil in leiding is belangrijk bij het creëren van de voorwaarden die nodig zijn voor het secundaire proces. De natrium-kaliumpomp is daarom een elektrogene pomp (een pomp die een lastonbalans creëert), die een elektrische onbalans over het membraan creëert en bijdraagt aan het membraanpotentieel.,

secundair actief Transport (Co-transport)

secundair actief transport brengt natriumionen en mogelijk andere verbindingen in de cel. Aangezien de natriumionenconcentraties buiten het plasmamembraan wegens de actie van het primaire actieve transportproces opbouwen, wordt een elektrochemische gradiënt gecreeerd. Als er een kanaalproteã ne bestaat en open is, zullen de natriumionen door het membraan worden getrokken. Deze beweging wordt gebruikt om andere stoffen die zich kunnen hechten aan het transporteiwit door het membraan te transporteren (Figuur 4)., Veel aminozuren, evenals glucose, gaan op deze manier een cel in. Dit secundaire proces wordt ook gebruikt om hoog-energie waterstofionen in de mitochondria van plantaardige en dierlijke cellen voor de productie van ATP op te slaan. De potentiële energie die in de opgeslagen waterstofionen accumuleert wordt vertaald in kinetische energie aangezien de ionen door het kanaalproteã NEATP synthase schommelen, en die energie wordt gebruikt om ADP in ATP om te zetten.

praktijk

Figuur 4., Een elektrochemische gradiënt, gecreëerd door primair actief transport, kan andere stoffen tegen hun concentratiegradiënten bewegen, een proces dat co-transport of secundair actief transport wordt genoemd. (credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)

Toon antwoord

een afname van de pH betekent een toename van positief geladen H+ – ionen en een toename van de elektrische gradiënt over het membraan. Het transport van aminozuren naar de cel zal toenemen.

Controleer uw begrip

beantwoord de vraag(en) hieronder om te zien hoe goed u de onderwerpen begrijpt die in de vorige sectie behandeld werden. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer in de klas, en je kunt het opnieuw een onbeperkt aantal keer.

Gebruik deze quiz om uw begrip te controleren en te beslissen of (1) de vorige sectie verder te bestuderen of (2) verder te gaan naar de volgende sectie.