Biologia i (Polski)

aktywne mechanizmy transportu wymagają wykorzystania energii komórki, zwykle w postaci adenozynotrójfosforanu (ATP). Jeśli substancja musi przenieść się do komórki w stosunku do jej gradientu stężenia—to znaczy, jeśli stężenie substancji wewnątrz komórki jest większe niż jego stężenie w płynie pozakomórkowym—i odwrotnie) – komórka musi użyć energii do przeniesienia substancji. Niektóre aktywne mechanizmy transportowe przenoszą przez błonę materiały o małej masie cząsteczkowej, takie jak jony. Inne mechanizmy transportują znacznie większe cząsteczki.,

Gradient elektrochemiczny

omówiliśmy proste gradienty koncentracji—różnice stężeń substancji w przestrzeni lub membranie—ale w systemach żywych gradienty są bardziej złożone. Ponieważ jony przemieszczają się do i z komórek oraz ponieważ komórki zawierają białka, które nie przemieszczają się przez błonę i są w większości naładowane ujemnie, istnieje również gradient elektryczny, różnica ładunku, przez błonę plazmatyczną., Wnętrze żywych komórek jest elektrycznie ujemne w stosunku do płynu zewnątrzkomórkowego, w którym są kąpane, a jednocześnie komórki mają wyższe stężenia potasu (K+) i niższe stężenia sodu (Na+) niż płyn zewnątrzkomórkowy. Tak więc w żywej komórce, gradient koncentracji Na+ ma tendencję do kierowania go do komórki, a gradient elektryczny na+ (dodatniego jonu) ma również tendencję do kierowania go do wewnątrz do ujemnie naładowanego wnętrza. Sytuacja jest jednak bardziej złożona w przypadku innych pierwiastków, takich jak potas., Gradient elektryczny K+, dodatniego jonu, również ma tendencję do doprowadzania go do komórki, ale gradient stężenia K+ ma tendencję do wyprowadzania K+ z komórki (Rysunek 1). Połączony gradient stężenia i ładunku elektrycznego, który wpływa na jon, nazywany jest jego gradientem elektrochemicznym.

praktyka

Rysunek 1. Gradienty elektrochemiczne wynikają z łącznego wpływu gradientów stężeń i gradientów elektrycznych., (credit: „Synaptitude”/Wikimedia Commons)

wstrzyknięcie roztworu potasu do krwi człowieka jest śmiertelne; jest to używane w karze śmierci i eutanazji. Dlaczego wstrzyknięcie roztworu potasu jest śmiertelne?

Pokaż odpowiedź

komórki zazwyczaj mają wysokie stężenie potasu w cytoplazmie i są skąpane w wysokim stężeniu sodu. Zastrzyk potasu rozprasza ten gradient elektrochemiczny., W mięśniu sercowym potencjał sodu / potasu jest odpowiedzialny za przekazywanie sygnału, który powoduje skurcz mięśnia. Kiedy ten potencjał jest rozproszony, sygnał nie może być przesyłany, a serce przestaje bić. Zastrzyki potasu są również stosowane w celu zatrzymania bicia serca podczas operacji.

poruszanie się względem gradientu

aby przemieszczać substancje względem gradientu stężenia lub gradientu elektrochemicznego, komórka musi wykorzystywać energię. Energia ta jest pobierana z ATP generowanego przez metabolizm komórki., Aktywne mechanizmy transportowe, zwane zbiorczo pompami, działają przeciwko gradientom elektrochemicznym. Małe substancje stale przechodzą przez błony plazmowe. Transport aktywny utrzymuje koncentracje jonów i innych substancji potrzebnych żywym komórkom w obliczu tych pasywnych ruchów. Znaczna część zaopatrzenia komórki w energię metaboliczną może być przeznaczona na utrzymanie tych procesów. (Większość energii metabolicznej krwinek czerwonych jest wykorzystywana do utrzymania równowagi między zewnętrznymi i wewnętrznymi poziomami sodu i potasu wymaganymi przez komórkę.,), Ponieważ aktywne mechanizmy transportu zależą od metabolizmu energii w komórce, są wrażliwe na wiele trucizn metabolicznych, które zakłócają dopływ ATP.

istnieją dwa mechanizmy transportu drobnocząsteczkowego materiału i małych cząsteczek. Podstawowy transport aktywny przenosi jony przez membranę i tworzy różnicę w ładunku przez tę membranę, która jest bezpośrednio zależna od ATP. Wtórny transport aktywny opisuje ruch materiału, który jest spowodowany gradientem elektrochemicznym ustanowionym przez pierwotny transport aktywny, który nie wymaga bezpośrednio ATP.,

białka nośne do aktywnego transportu

ważną adaptacją błonową do aktywnego transportu jest obecność specyficznych białek nośnych lub pomp ułatwiających ruch: istnieją trzy rodzaje tych białek lub transporterów (ryc. 2). Uniporter niesie jeden specyficzny jon lub cząsteczkę. Symporter przenosi dwa różne jony lub cząsteczki, oba w tym samym kierunku. Antyporter przenosi również dwa różne jony lub cząsteczki, ale w różnych kierunkach. Wszystkie te transportery mogą również transportować małe, nie naładowane cząsteczki organiczne, takie jak glukoza., Te trzy rodzaje białek nośnikowych znajdują się również w ułatwionej dyfuzji, ale nie wymagają ATP do pracy w tym procesie. Przykładami pomp do transportu aktywnego są na + – K + Atpaza, która przenosi jony sodu i potasu, oraz H + – K + Atpaza, która przenosi jony wodoru i potasu. Oba są antyporterowymi białkami nośnymi. Dwa inne białka nośnikowe to Ca2 + ATPase i H + ATPase, które przenoszą tylko jony wapnia i tylko wodoru, odpowiednio. Obie są pompami.

Rysunek 2. Uniporter przenosi jedną cząsteczkę lub jon., Symporter przenosi dwie różne cząsteczki lub jony, obie w tym samym kierunku. Antyporter przenosi również dwie różne cząsteczki lub jony, ale w różnych kierunkach. (credit: modification of work by „Lupask” / Wikimedia Commons)

podstawowy aktywny Transport

podstawowy aktywny transport, który działa z aktywnym transportem sodu i potasu, pozwala na wtórny aktywny transport. Druga metoda transportu jest nadal uważana za aktywną, ponieważ zależy od wykorzystania energii, podobnie jak transport pierwotny (Rysunek 3).,

Rysunek 3. Podstawowy transport aktywny przenosi jony przez membranę, tworząc gradient elektrochemiczny (transport elektrogenny). (źródło: modyfikacja pracy Mariana Ruiz Villareal)

jedną z najważniejszych pomp w komórkach zwierząt jest pompa sodowo-potasowa (Na+-K+ ATPase), która utrzymuje gradient elektrochemiczny (i prawidłowe stężenia na+ I K+) w żywych komórkach., Pompa sodowo-potasowa przesuwa K+ do komórki, jednocześnie przesuwając Na+ Na zewnątrz, w stosunku trzech na+ na każde dwa jony K+, które weszły do środka. Atpaza Na + – K + występuje w dwóch formach, w zależności od jej orientacji do wnętrza lub na zewnątrz komórki i jej powinowactwa do jonów sodu lub potasu. Proces składa się z następujących sześciu kroków.

1. z enzymem zorientowanym w kierunku wnętrza komórki, nośnik ma wysokie powinowactwo do jonów sodu. Trzy jony wiążą się z białkiem.,
2. ATP jest hydrolizowany przez nośnik białka i przyłącza się do niego niskoenergetyczna Grupa fosforanowa.
3. w rezultacie nośnik zmienia kształt i ponownie orientuje się w kierunku zewnętrznym membrany. Powinowactwo białka do sodu zmniejsza się i trzy jony sodu opuszczają nośnik.
4. zmiana kształtu zwiększa powinowactwo nośnika do jonów potasu, a dwa takie jony przyłączają się do białka. Następnie niskoenergetyczna Grupa fosforanowa odłącza się od nośnika.,
5. Po usunięciu grupy fosforanowej i przyłączeniu jonów potasowych białko nośne przenosi się do wnętrza komórki.
6. białko nośnikowe w nowej konfiguracji ma zmniejszone powinowactwo do potasu i oba jony są uwalniane do cytoplazmy. Białko ma teraz wyższe powinowactwo do jonów sodu i proces rozpoczyna się ponownie.

w wyniku tego procesu wydarzyło się kilka rzeczy. W tym momencie Na zewnątrz komórki znajduje się więcej jonów sodu niż wewnątrz i więcej jonów potasu wewnątrz niż na zewnątrz., Na każde trzy jony sodu, które się przemieszczają, dwa jony potasu wchodzą do środka. Powoduje to, że wnętrze jest nieco bardziej negatywne w stosunku do zewnątrz. Ta różnica w opłatach jest ważna w tworzeniu warunków niezbędnych dla procesu wtórnego. Pompa sodowo-potasowa jest zatem pompą elektrogeniczną (pompą, która powoduje nierównowagę ładunku), tworząc nierównowagę elektryczną w całej membranie i przyczyniając się do potencjału membranowego.,

wtórny transport aktywny (Ko-transport)

wtórny transport aktywny wprowadza do komórki jony sodu i ewentualnie inne związki. Ponieważ stężenie jonów sodu buduje się poza błoną plazmową z powodu działania podstawowego aktywnego procesu transportu, powstaje gradient elektrochemiczny. Jeśli białko kanału istnieje i jest otwarte, jony sodu będą ciągnięte przez błonę. Ruch ten jest wykorzystywany do transportu innych substancji, które mogą przyłączać się do białka transportującego przez błonę (ryc. 4)., Wiele aminokwasów, a także glukoza, wchodzi do komórki w ten sposób. Ten wtórny Proces jest również używany do przechowywania wysokoenergetycznych jonów wodorowych w mitochondriach komórek roślinnych i zwierzęcych w celu produkcji ATP. Energia potencjalna, która gromadzi się w magazynowanych jonach wodorowych, jest przekształcana w energię kinetyczną, gdy jony przepływają przez syntazę ATP białka kanałowego, a energia ta jest wykorzystywana do konwersji ADP w ATP.

praktyka

Rysunek 4., Gradient elektrochemiczny, stworzony przez pierwotny aktywny transport, może przenosić inne substancje w stosunku do gradientów ich stężenia, proces zwany Ko-transportem lub wtórnym aktywnym transportem. (źródło: modyfikacja pracy Mariana Ruiz Villareal)

Pokaż odpowiedź

spadek pH oznacza wzrost dodatnio naładowanych jonów H+ i wzrost gradientu elektrycznego w całej membranie. Zwiększy się transport aminokwasów do komórki.

Sprawdź swoje zrozumienie

Odpowiedz na poniższe pytania, aby zobaczyć, jak dobrze rozumiesz tematy omówione w poprzedniej sekcji. Ten krótki quiz nie liczy się do twojej oceny w klasie i możesz ją powtórzyć nieograniczoną liczbę razy.

skorzystaj z tego quizu, aby sprawdzić swoje zrozumienie i zdecydować, czy (1) przestudiować poprzednią sekcję dalej, czy (2) przejść do następnej sekcji.