Informácie

Prečo koncentrácia jedného iónu neovplyvňuje koncentračný gradient iného iónu cez plazmatickú membránu?

Prečo koncentrácia jedného iónu neovplyvňuje koncentračný gradient iného iónu cez plazmatickú membránu?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

V počiatočných štádiách sa niektoré iónové kanály cez plazmatickú membránu otvoria, aby umožnili iónom tiecť ich koncentračným gradientom do bunky alebo von z bunky. Chápem, že celkový elektrický potenciál každého iónu cez membránu by ovplyvnil ostatné ióny, čím by ovplyvnil ich transport cez membránu. Nerozumiem však, prečo sa koncentrácia iónov neberie ako celková koncentrácia, pretože určite, ak sa pozeráme na difúziu iónov spôsobenú Brownovým pohybom, potom všetky molekuly na oboch stranách membrány ovplyvnia ostatné molekuly. na príslušnej strane membrány?


Selektívna priepustnosť

Plazmové membrány sú asymetrické, čo znamená, že napriek zrkadlovému obrazu vytvorenému fosfolipidmi nie je vnútro membrány identické s vonkajškom membrány. Integrálne proteíny, ktoré fungujú ako kanály alebo pumpy, pracujú v jednom smere. Sacharidy, naviazané na lipidy alebo proteíny, sa tiež nachádzajú na vonkajšom povrchu plazmatickej membrány. Tieto sacharidové komplexy pomáhajú bunke viazať látky, ktoré bunka potrebuje v extracelulárnej tekutine. To značne prispieva k selektívnej povahe plazmatických membrán.

Pripomeňme, že plazmatické membrány majú hydrofilné a hydrofóbne oblasti. Táto vlastnosť napomáha pohybu určitých materiálov cez membránu a bráni pohybu iných. Materiál rozpustný v lipidoch môže ľahko prekĺznuť cez hydrofóbne lipidové jadro membrány. Látky, ako sú vitamíny A, D, E a K rozpustné v tukoch, ľahko prechádzajú cez plazmatické membrány v tráviacom trakte a iných tkanivách. Lieky rozpustné v tukoch tiež ľahko vstupujú do buniek a sú ľahko transportované do tkanív a orgánov tela. Molekuly kyslíka a oxidu uhličitého nemajú náboj a prechádzajú jednoduchou difúziou.

Polárne látky, s výnimkou vody, predstavujú pre membránu problémy. Zatiaľ čo niektoré polárne molekuly sa ľahko spájajú s vonkajškom bunky, sú nemôže ľahko prejsť cez lipidové jadro plazmatickej membrány. Navyše, zatiaľ čo malé ióny by mohli ľahko prekĺznuť cez priestory v mozaike membrány, ich náboj im v tom bráni. Ióny ako sodík, draslík, vápnik a chlorid musia mať špeciálne prostriedky na prenikanie cez plazmatické membrány. Jednoduché cukry a aminokyseliny tiež potrebujú pomoc s transportom cez plazmatické membrány.


Uľahčená difúzia

Uľahčená difúzia, ktorá sa nesmie zamieňať s jednoduchou difúziou, je formou pasívneho transportu sprostredkovaného transportnými proteínmi uloženými v bunkovej membráne. 12 Uľahčená difúzia umožňuje prechod lipofóbnych molekúl cez lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány. 2 Rovnako ako pri pasívnom transporte, molekuly, častice a ióny voľne prechádzajú cez bunkovú membránu z vysokej koncentrácie do nízkej koncentrácie v snahe dosiahnuť rovnováhu a tým zvýšiť entropiu systému. Rovnako ako pasívny transport, Gibbsova voľná energia systému je negatívna, čo umožňuje, aby bol pohyb častíc spontánny. 4 Uľahčená difúzia však využíva kanálové proteíny na uľahčenie pohybu rozpustenej látky.

(1)

(2)

(3)

(4)

Obrázok 3. Uľahčená difúzia cez kanálový proteín cez membránu prebiehajúce obrázky 1-4.

Kanálové proteíny

Kanálové proteíny sú póry ponorené do lipidovej dvojvrstvovej membrány a sú charakteristickým znakom uľahčenej difúzie. 13 Všetky kanálové proteíny majú spoločné dve veci:

  1. uľahčujú termodynamicky priaznivý čistý pohyb častíc
  2. demonštrujú afinitu a špecifickosť pre transportovanú časticu. 2

Je obzvlášť dôležité poznamenať, že kanálové proteíny nie sú nerozlišujúce, každý kanálový proteín obsahuje selektívny filter. 14 Selektívny filter je súborom aminokyselinových zvyškov koncentrovaných vo vnútri kanálového proteínu. Keď častice, často ióny, prechádzajú do kanálového proteínu, dochádza k elektrostatickej interakcii medzi aminokyselinovými zvyškami a iónom. 15 Interakcia by napríklad zahŕňala negatívne nabité aminokyselinové zvyšky v prípade iónov, ako je vápnik (Na+) alebo draslík (K+), a kladne nabité aminokyselinové zvyšky v prípade chlóru (Cl-). 2 Elektrostatická interakcia medzi aminokyselinovými zvyškami a iónmi umožňuje kanálovému proteínu identifikovať príslušný ión meraním jeho atómového polomeru s extrémne konečnou presnosťou. Draslíkové (K + ) kanály vyberajú K + oproti Na + viac ako tisíckrát napriek tomu, že sa atómový polomer líši iba o 0,38 &Prsteň.

Zatiaľ čo všetky kanálové proteíny majú vlastný selektívny filter, iné majú dodatočné hradlovanie. 2 Gating je odpoveď na vopred určený spúšťač, ktorý umožňuje kanálovému proteínu podstúpiť konformačnú zmenu. Táto akcia následne spôsobí ďalšiu konformačnú zmenu, ktorá buď otvorí alebo zatvorí kanál, čo umožní alebo znemožní prechod jeho špecifickej častice. Kanálové proteíny môžu byť fyzikálne alebo chemicky modulované množstvom rôznych mechanizmov.

Napäťové hradlovanie

Proteíny napäťovo riadeného kanála sa aktivujú zmenou elektrického potenciálu bunkovej membrány v jej blízkosti. 16 Keď sa na bunkovej membráne vyskytne potenciálny rozdiel, jej elektromagnetické pole spôsobí konformačnú zmenu v kanálovom proteíne, čo mu umožní otvoriť sa. Otvorenie proteínového kanála umožňuje prítok alebo odtok iónov, ktoré následne depolarizujú bunkovú membránu.

Napäťovo riadené proteínové kanály hrajú obzvlášť dôležitú úlohu v excitabilných neurónových a svalových tkanivách. 2

Ligandové hradlovanie

Ligandom riadené kanálové proteíny sú aktivované ako odpoveď na väzbu ligandu. K väzbe ligandu typicky dochádza na alosterickom väzbovom mieste nezávisle od pórov kanálového proteínu. Väzba ligandu na alosterické väzbové miesto spôsobuje konformačnú zmenu v štruktúre kanálového proteínu, čo následne spôsobuje príliv alebo odtok iónov. Uvoľnenie ligandu umožňuje, aby sa kanálový proteín vrátil do pôvodného tvaru. Štrukturálne sa proteíny kanálov s ligandom vo všeobecnosti líšia od iných kanálov v dôsledku prítomnosti ďalšej proteínovej domény, ktorá slúži ako alosterické väzbové miesto. 2

Typickým príkladom vrátkovania ligandu je nikotínový acetylcholínový receptor umiestnený na postsynaptickej strane neuromuskulárneho spojenia. 18

Iné vrátkovanie

Kanálové proteíny môžu byť hradlované v menej bežných prípadoch metódami, ako je aktivácia svetlom, mechanická aktivácia alebo aktivácia sekundárneho prenášača. 2 Svetlom aktivované proteínové kanály obsahujú fotospínač, cez ktorý fotón spôsobí konformačnú zmenu v kanálovom proteíne, čo spôsobí jeho otvorenie alebo zatvorenie. Len jeden takýto proteínový kanál prirodzene existuje. 19 Mechanicky aktivované proteínové kanály sa otvárajú alebo zatvárajú v reakcii na mechanický stimul a sú životne dôležité pre hmat, sluch a pocity rovnováhy u ľudí. 20 Ligandom riadené proteínové kanály sú typicky spojené s druhým messangerovým hradlovaním. 2 Vrátenie druhého posla funguje postupne tak, že sa neurotransmiter viaže na kanálový proteínový receptor, ktorý zase odhaľuje aktívne miesto, na ktoré sa viaže ligand meniaci konformáciu.


Sodno-draselná pumpa

Aktívna doprava je energeticky náročný proces čerpania molekúl a iónov cez membrány “do kopca” – proti koncentračnému gradientu. Na pohyb týchto molekúl proti ich koncentračnému gradientu je potrebný nosný proteín. Nosné proteíny môžu pracovať s koncentračným gradientom (počas pasívneho transportu), ale niektoré nosné proteíny môžu pohybovať rozpustenými látkami proti koncentračnému gradientu (od nízkej koncentrácie po vysokú koncentráciu) so vstupom energie.

Pri aktívnom transporte, keďže sa nosné proteíny používajú na pohyb materiálov proti ich koncentračnému gradientu, sú tieto proteíny známe ako pumpy. Ako pri iných typoch bunkových aktivít, ATP dodáva energiu pre väčšinu aktívnych transportov. Jedným zo spôsobov, ako ATP poháňa aktívny transport, je prenos fosfátovej skupiny priamo na nosný proteín. To môže spôsobiť, že nosný proteín zmení svoj tvar, čím sa molekula alebo ión presunie na druhú stranu membrány. Príkladom tohto typu aktívneho transportného systému, ako je znázornené na obrázku nižšie, je sodno-draselná pumpa, ktorý cez plazmatickú membránu živočíšnych buniek vymieňa ióny sodíka za ióny draslíka.

Systém sodíkovo-draslíkovej pumpy posúva sodíkové a draselné ióny proti veľkým koncentračným gradientom. Presúva dva draselné ióny do bunky, kde sú hladiny draslíka vysoké, a pumpuje tri ióny sodíka von z bunky a do extracelulárnej tekutiny.

Ako je znázornené na obrázku vyššie, tri sodné ióny sa viažu s proteínovou pumpou vo vnútri bunky. Nosný proteín potom získava energiu z ATP a mení tvar. Pritom pumpuje tri sodné ióny von z bunky. V tomto bode sa dva draselné ióny z vonkajšej strany bunky naviažu na proteínovú pumpu. Draselné ióny sú potom transportované do bunky a proces sa opakuje. Sodno-draslíková pumpa sa nachádza v plazmatickej membráne takmer každej ľudskej bunky a je spoločná pre celý bunkový život. Pomáha udržiavať bunkový potenciál a reguluje bunkový objem.

Elektrochemický gradient

Aktívny transport iónov cez membránu spôsobuje, že sa cez plazmatickú membránu vytvorí elektrický gradient. Počet kladne nabitých iónov mimo bunky je väčší ako počet kladne nabitých iónov v cytosóle. To má za následok relatívne negatívny náboj na vnútornej strane membrány a kladný náboj na vonkajšej strane. Tento rozdiel v nábojoch spôsobuje napätie na membráne. Napätie je elektrická potenciálna energia, ktorá je spôsobená oddelením opačných nábojov, v tomto prípade cez membránu. Napätie na membráne sa nazýva membránový potenciál. Membránový potenciál je veľmi dôležitý pre vedenie elektrických impulzov pozdĺž nervových buniek.

Pretože vnútro bunky je negatívne v porovnaní s vonkajškom bunky, membránový potenciál podporuje pohyb kladne nabitých iónov (katiónov) do bunky a pohyb záporných iónov (aniónov) von z bunky. Existujú teda dve sily, ktoré riadia difúziu iónov cez plazmatickú membránu – chemická sila (gradient koncentrácie iónov) a elektrická sila (účinok membránového potenciálu na pohyb iónov). Tieto dve sily, ktoré spolupracujú, sa nazývajú an elektrochemický gradienta podrobne o ňom budeme hovoriť v konceptoch “Nervové bunky” a “Nervové impulzy”.


Bunková membrána

Napriek rozdielom v štruktúre a funkcii majú všetky živé bunky v mnohobunkových organizmoch obklopujúcu bunkovú membránu. Ako vonkajšia vrstva vašej pokožky oddeľuje vaše telo od okolitého prostredia, bunková membrána (známa aj ako plazmatická membrána) oddeľuje vnútorný obsah bunky od vonkajšieho prostredia. Táto bunková membrána poskytuje ochrannú bariéru okolo bunky a reguluje, ktoré materiály môžu prechádzať dovnútra alebo von.

Štruktúra a zloženie bunkovej membrány

Bunková membrána je extrémne poddajná štruktúra zložená predovšetkým z fosfolipidov „za sebou“ („dvojvrstva“). Prítomný je aj cholesterol, ktorý prispieva k tekutosti membrány a v membráne sú uložené rôzne proteíny, ktoré majú rôzne funkcie.

Jedna molekula fosfolipidu má na jednom konci fosfátovú skupinu, ktorá sa nazýva „hlava“ a dva vedľajšie reťazce mastných kyselín, ktoré tvoria lipidové konce ((obrázok)). Fosfátová skupina je negatívne nabitá, vďaka čomu je hlava polárna a hydrofilná – alebo „milujúca vodu“. Hydrofilná molekula (alebo oblasť molekuly) je molekula, ktorú priťahuje voda. Fosfátové hlavy sú teda priťahované molekulami vody v extracelulárnom aj intracelulárnom prostredí. Na druhej strane lipidové chvosty nie sú nabité alebo nepolárne a sú hydrofóbne – alebo „obávajú sa vody“. Hydrofóbna molekula (alebo oblasť molekuly) sa odpudzuje a je odpudzovaná vodou. Niektoré lipidové chvosty pozostávajú z nasýtených mastných kyselín a niektoré obsahujú nenasýtené mastné kyseliny. Táto kombinácia pridáva na plynulosti chvostov, ktoré sú neustále v pohybe. Fosfolipidy sú teda amfipatické molekuly. Amfipatická molekula je taká, ktorá obsahuje hydrofilnú aj hydrofóbnu oblasť. V skutočnosti mydlo odstraňuje olejové a mastné škvrny, pretože má amfipatické vlastnosti. Hydrofilná časť sa môže rozpustiť vo vode, zatiaľ čo hydrofóbna časť môže zachytávať mastnotu v micelách, ktoré sa potom môžu zmyť.

Bunková membrána pozostáva z dvoch susediacich vrstiev fosfolipidov. Lipidové chvosty jednej vrstvy smerujú k lipidovým chvostom druhej vrstvy a stretávajú sa na rozhraní dvoch vrstiev. Fosfolipidové hlavy smerujú von, jedna vrstva je vystavená vnútri bunky a jedna vrstva je exponovaná zvonka ((obrázok)). Pretože fosfátové skupiny sú polárne a hydrofilné, sú priťahované vodou v intracelulárnej tekutine. Intracelulárna tekutina (ICF) je vnútrobunková tekutina. Fosfátové skupiny sú tiež priťahované do extracelulárnej tekutiny. Extracelulárna tekutina (ECF) je tekuté prostredie mimo obalu bunkovej membrány. Intersticiálna tekutina (IF) je označenie pre extracelulárnu tekutinu, ktorá sa nenachádza v krvných cievach. Pretože sú lipidové chvosty hydrofóbne, stretávajú sa vo vnútornej oblasti membrány, pričom z tohto priestoru vylučujú vodnú intracelulárnu a extracelulárnu tekutinu. Bunková membrána má veľa proteínov, ako aj iných lipidov (ako je cholesterol), ktoré sú spojené s fosfolipidovou dvojvrstvou. Dôležitou vlastnosťou membrány je, že zostáva tekutá, lipidy a proteíny v bunkovej membráne nie sú pevne uzamknuté na mieste.

Membránové proteíny

Lipidová dvojvrstva tvorí základ bunkovej membrány, ale je posiata rôznymi proteínmi. Dva rôzne typy proteínov, ktoré sú bežne spojené s bunkovou membránou, sú integrálne proteíny a periférny proteín ((obrázok)). Ako už názov napovedá, integrálny proteín je proteín, ktorý je zabudovaný v membráne. Kanálový proteín je príkladom integrálneho proteínu, ktorý selektívne umožňuje konkrétnym materiálom, ako sú určité ióny, prechádzať do bunky alebo z bunky.

Ďalšou dôležitou skupinou integrálnych proteínov sú proteíny rozpoznávajúce bunky, ktoré slúžia na označenie identity bunky, aby ju mohli rozpoznať iné bunky. Receptor je typ rozpoznávacieho proteínu, ktorý sa môže selektívne viazať na špecifickú molekulu mimo bunky a táto väzba vyvoláva chemickú reakciu v bunke. Ligand je špecifická molekula, ktorá sa viaže na receptor a aktivuje ho. Niektoré integrálne proteíny majú dvojitú úlohu ako receptor a iónový kanál. Jedným príkladom interakcie receptor-ligand sú receptory na nervových bunkách, ktoré viažu neurotransmitery, ako je dopamín. Keď sa molekula dopamínu naviaže na proteín dopamínového receptora, otvorí sa kanál v transmembránovom proteíne, ktorý umožní určitým iónom prúdiť do bunky.

Niektoré integrálne membránové proteíny sú glykoproteíny. Glykoproteín je proteín, ktorý má pripojené sacharidové molekuly, ktoré siahajú do extracelulárnej matrice. Pripojené sacharidové značky na glykoproteínoch pomáhajú pri rozpoznávaní buniek. Sacharidy, ktoré vychádzajú z membránových proteínov a dokonca aj z niektorých membránových lipidov, tvoria spoločne glykokalyx. Glykokalyx je rozmazaný povlak okolo bunky vytvorený z glykoproteínov a iných sacharidov pripojených k bunkovej membráne. Glykokalyx môže mať rôzne úlohy. Môže mať napríklad molekuly, ktoré umožňujú bunke naviazať sa na inú bunku, môže obsahovať receptory pre hormóny alebo môže mať enzýmy na rozklad živín. Glykokalyce nachádzajúce sa v tele človeka sú produktmi genetického zloženia danej osoby. Dávajú každej z biliónov buniek jednotlivca „identitu“ príslušnosti k telu človeka. Táto identita je primárnym spôsobom, akým bunky imunitnej obrany človeka „vedia“, že nenapádajú bunky vlastného tela, ale je to aj dôvod, prečo môžu byť orgány darované inou osobou odmietnuté.

Periférne proteíny sa typicky nachádzajú na vnútornom alebo vonkajšom povrchu lipidovej dvojvrstvy, ale môžu byť tiež pripojené k vnútornému alebo vonkajšiemu povrchu integrálneho proteínu. Tieto proteíny typicky vykonávajú špecifickú funkciu pre bunku. Niektoré periférne proteíny na povrchu črevných buniek napríklad fungujú ako tráviace enzýmy, ktoré rozkladajú živiny na veľkosti, ktoré môžu prechádzať bunkami a do krvného obehu.

Transport cez bunkovú membránu

Jedným z veľkých zázrakov bunkovej membrány je jej schopnosť regulovať koncentráciu látok vo vnútri bunky. Tieto látky zahŕňajú ióny ako Ca++, Na+, K+ a Cl – živiny vrátane cukrov, mastných kyselín a aminokyselín a odpadové produkty, najmä oxid uhličitý (CO2), ktorý musí opustiť celu.

Lipidová dvojvrstvová štruktúra membrány poskytuje prvú úroveň kontroly. Fosfolipidy sú spolu tesne zbalené a membrána má hydrofóbne vnútro. Táto štruktúra spôsobuje, že membrána je selektívne priepustná. Membrána, ktorá má selektívnu priepustnosť, umožňuje, aby ňou bez pomoci prešli len látky spĺňajúce určité kritériá. V prípade bunkovej membrány sa cez lipidovú dvojvrstvu môžu pohybovať iba relatívne malé nepolárne materiály (pamätajte, že lipidové konce membrány sú nepolárne). Niektoré príklady sú iné lipidy, kyslík a oxid uhličitý a alkohol. Vo vode rozpustné materiály - ako glukóza, aminokyseliny a elektrolyty - však potrebujú určitú pomoc, aby prešli membránou, pretože sú odpudzované hydrofóbnymi chvostmi fosfolipidovej dvojvrstvy. Všetky látky, ktoré sa pohybujú cez membránu, to robia jednou z dvoch všeobecných metód, ktoré sú kategorizované podľa toho, či je alebo nie je potrebná energia. Pasívny transport je pohyb látok cez membránu bez výdaja bunkovej energie. Naproti tomu aktívny transport je pohyb látok cez membránu pomocou energie z adenozíntrifosfátu (ATP).

Pasívna doprava

Aby sme pochopili ako látky sa pasívne pohybujú cez bunkovú membránu, je potrebné pochopiť koncentračné gradienty a difúziu. Koncentračný gradient je rozdiel v koncentrácii látky v priestore. Molekuly (alebo ióny) sa budú šíriť/difundovať z miesta, kde sú koncentrovanejšie, do miest, kde sú menej koncentrované, až kým nebudú v tomto priestore rovnomerne rozložené. (Keď sa molekuly pohybujú týmto spôsobom, hovorí sa, že sa pohybujú dole ich koncentračný gradient.) Difúzia je pohyb častíc z oblasti s vyššou koncentráciou do oblasti s nižšou koncentráciou. Na ilustráciu tohto konceptu pomôže niekoľko bežných príkladov. Predstavte si, že ste v uzavretej kúpeľni. Ak by sa flakón parfumu rozprášil, molekuly vône by sa prirodzene rozptýlili z miesta, kde flakón opustili, do všetkých kútov kúpeľne a toto rozptyľovanie by pokračovalo, až kým nezostane žiadny koncentračný gradient. Ďalším príkladom je lyžica cukru umiestnená v šálke čaju. Nakoniec bude cukor difundovať do celého čaju, až kým nezostane žiadny koncentračný gradient. V oboch prípadoch, ak je miestnosť teplejšia alebo čaj teplejší, dochádza k difúzii ešte rýchlejšie, pretože molekuly do seba narážajú a šíria sa rýchlejšie ako pri nižších teplotách. Vnútorná telesná teplota okolo 98,6 ° F teda tiež pomáha pri difúzii častíc v tele.

Navštívte tento odkaz, aby ste videli difúziu a ako ju poháňa kinetická energia molekúl v roztoku. Ako teplota ovplyvňuje rýchlosť difúzie a prečo?

Kedykoľvek existuje látka vo väčšej koncentrácii na jednej strane semipermeabilnej membrány, ako sú bunkové membrány, urobí to každá látka, ktorá sa môže pohybovať smerom nadol po svojom koncentračnom gradiente cez membránu. Zvážte látky, ktoré môžu ľahko difundovať cez lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány, ako sú plyny kyslík (O2) a CO2. O2 vo všeobecnosti difunduje do buniek, pretože je koncentrovanejší mimo nich, a CO2 typicky difunduje z buniek, pretože je v nich koncentrovanejší. Ani jeden z týchto príkladov nevyžaduje žiadnu energiu zo strany bunky, a preto na pohyb cez membránu využívajú pasívny transport.

Predtým, ako budete pokračovať, musíte skontrolovať plyny, ktoré môžu difundovať cez bunkovú membránu. Pretože bunky počas metabolizmu rýchlo spotrebúvajú kyslík, zvyčajne je tu nižšia koncentrácia O2 vnútri bunky ako vonku. Výsledkom je, že kyslík bude difundovať z intersticiálnej tekutiny priamo cez lipidovú dvojvrstvu membrány a do cytoplazmy v bunke. Na druhej strane, pretože bunky produkujú CO2 ako vedľajší produkt metabolizmu CO2 koncentrácie v cytoplazme stúpajú, preto CO2 sa bude pohybovať z bunky cez lipidovú dvojvrstvu do intersticiálnej tekutiny, kde je jeho koncentrácia nižšia. Tento mechanizmus pohybu molekúl cez bunkovú membránu zo strany, kde sú koncentrovanejšie, na stranu, kde sú menej koncentrované, je formou pasívneho transportu nazývaného jednoduchá difúzia ((obrázok)).

Veľké polárne alebo iónové molekuly, ktoré sú hydrofilné, nemôžu ľahko prejsť cez fosfolipidovú dvojvrstvu. Veľmi malé polárne molekuly, ako je voda, môžu prechádzať jednoduchou difúziou kvôli svojej malej veľkosti. Nabité atómy alebo molekuly akejkoľvek veľkosti nemôžu prejsť cez bunkovú membránu jednoduchou difúziou, pretože náboje sú odpudzované hydrofóbnymi chvostmi vo vnútri fosfolipidovej dvojvrstvy. Soluty rozpustené vo vode na oboch stranách bunkovej membrány budú mať tendenciu difundovať smerom nadol ich koncentračný gradient, ale pretože väčšina látok nemôže voľne prechádzať cez lipidovú dvojvrstvu bunkovej membrány, ich pohyb je obmedzený na proteínové kanály a špecializované transportné mechanizmy v membráne. . Uľahčená difúzia je proces difúzie používaný pre tie látky, ktoré nemôžu prejsť cez lipidovú dvojvrstvu kvôli svojej veľkosti, náboju a/alebo polarite ((obrázok)). Bežným príkladom uľahčenej difúzie je pohyb glukózy do bunky, kde sa používa na tvorbu ATP. Hoci glukóza môže byť koncentrovanejšia mimo bunky, nemôže prejsť cez lipidovú dvojvrstvu jednoduchou difúziou, pretože je veľká aj polárna. Aby sa to vyriešilo, špecializovaný nosný proteín nazývaný transportér glukózy prenesie molekuly glukózy do bunky, aby sa uľahčila jej difúzia dovnútra.

Napríklad, aj keď sú sodné ióny (Na+) vysoko koncentrované mimo buniek, tieto elektrolyty sú nabité a nemôžu prechádzať cez nepolárnu lipidovú dvojvrstvu membrány. Ich difúziu uľahčujú membránové proteíny, ktoré tvoria sodíkové kanály (alebo „póry“), takže ióny Na + sa môžu pohybovať smerom nadol po svojom koncentračnom gradiente zvonku buniek do vnútra buniek. Existuje mnoho ďalších rozpustených látok, ktoré musia prejsť uľahčenou difúziou, aby sa dostali do bunky, ako sú aminokyseliny, alebo aby sa z bunky dostali von, ako napríklad odpady. Pretože uľahčená difúzia je pasívny proces, nevyžaduje výdaj energie bunkou.

Voda sa tiež môže voľne pohybovať cez bunkovú membránu všetkých buniek, buď cez proteínové kanály, alebo prekĺznutím medzi lipidovými chvostmi samotnej membrány. Osmóza je difúzia vody cez semipermeabilnú membránu ((obrázok)).

Samotný pohyb molekúl vody nie je regulovaný bunkami, preto je dôležité, aby boli bunky vystavené prostrediu, v ktorom sa koncentrácia rozpustených látok mimo buniek (v extracelulárnej tekutine) rovná koncentrácii rozpustených látok vo vnútri buniek ( v cytoplazme). Dva roztoky, ktoré majú rovnakú koncentráciu rozpustených látok, sa nazývajú izotonické (rovnaké napätie). Keď sú bunky a ich extracelulárne prostredie izotonické, koncentrácia molekúl vody je rovnaká vonku aj vo vnútri buniek a bunky si zachovávajú svoj normálny tvar (a funkciu).

Osmóza nastáva, keď existuje nerovnováha rozpustených látok mimo bunky verzus vnútri bunky. Roztok, ktorý má vyššiu koncentráciu rozpustených látok ako iný roztok, sa považuje za hypertonický a molekuly vody majú tendenciu difundovať do hypertonického roztoku ((obrázok)). Bunky v hypertonickom roztoku sa scvrknú, keď voda opustí bunku osmózou. Na rozdiel od toho, roztok, ktorý má nižšiu koncentráciu rozpustených látok ako iný roztok, sa považuje za hypotonický a molekuly vody majú tendenciu difundovať z hypotonického roztoku. Bunky v hypotonickom roztoku naberú príliš veľa vody a napučia, pričom hrozí, že nakoniec prasknú. Kritickým aspektom homeostázy v živých organizmoch je vytvorenie vnútorného prostredia, v ktorom sú všetky bunky tela v izotonickom roztoku. Na udržanie tejto homeostázy pracujú rôzne orgánové systémy, najmä obličky.

Ďalším mechanizmom okrem difúzie na pasívny transport materiálov medzi oddeleniami je filtrácia. Na rozdiel od difúzie látky, odkiaľ je koncentrovanejšia až menej koncentrovaná, filtrácia využíva gradient hydrostatického tlaku, ktorý tlačí tekutinu – a rozpustené látky v nej – z oblasti s vyšším tlakom do oblasti s nižším tlakom. Filtrácia je mimoriadne dôležitý proces v tele. Napríklad obehový systém používa filtráciu na presun plazmy a látok cez endoteliálnu výstelku kapilár a do okolitých tkanív, čím zásobuje bunky živinami. Filtračný tlak v obličkách poskytuje mechanizmus na odstránenie odpadu z krvného obehu.

Aktívna doprava

Pre všetky vyššie opísané spôsoby transportu bunka nevynakladá žiadnu energiu. Membránové proteíny, ktoré pomáhajú pri pasívnom transporte látok, to robia bez použitia ATP. Počas aktívneho transportu je ATP potrebný na pohyb látky cez membránu, často pomocou proteínových nosičov a zvyčajne proti jeho koncentračný gradient.

Jeden z najbežnejších typov aktívneho transportu zahŕňa proteíny, ktoré slúžia ako pumpy. Slovo „pumpa“ pravdepodobne vyvoláva myšlienky na využitie energie na napumpovanie pneumatiky bicykla alebo basketbalovej lopty. Podobne je potrebná energia z ATP pre tieto membránové proteíny na transport látok – molekúl alebo iónov – cez membránu, zvyčajne proti ich koncentračným gradientom (z oblasti s nízkou koncentráciou do oblasti s vysokou koncentráciou).

Sodíkovo-draslíková pumpa, ktorá sa tiež nazýva Na + / K + ATPáza, transportuje sodík von z bunky a zároveň presúva draslík do bunky. Na + /K + pumpa je dôležitá iónová pumpa nachádzajúca sa v membránach mnohých typov buniek. Tieto pumpy sú obzvlášť hojné v nervových bunkách, ktoré neustále pumpujú sodíkové ióny a vťahujú draselné ióny, aby udržali elektrický gradient cez ich bunkové membrány. Elektrický gradient je rozdiel v elektrickom náboji v priestore. Napríklad v prípade nervových buniek existuje elektrický gradient medzi vnútrom a vonkajškom bunky, pričom vnútro je negatívne nabité (približne -70 mV) vzhľadom na vonkajšok. Záporný elektrický gradient sa udržiava, pretože každá pumpa Na + / K + presunie tri ióny Na + von z bunky a dva ióny K + do bunky pre každú molekulu ATP, ktorá sa použije ((obrázok)). Tento proces je pre nervové bunky taký dôležitý, že predstavuje väčšinu ich spotreby ATP.

Aktívne transportné čerpadlá môžu tiež spolupracovať s inými aktívnymi alebo pasívnymi transportnými systémami na presun látok cez membránu. Napríklad sodíkovo-draslíková pumpa udržiava vysokú koncentráciu sodíkových iónov mimo bunky. Preto, ak bunka potrebuje sodíkové ióny, všetko, čo musí urobiť, je otvoriť pasívny sodíkový kanál, pretože koncentračný gradient sodíkových iónov ich prinúti difundovať do bunky. Týmto spôsobom činnosť aktívnej transportnej pumpy (sodíkovo-draslíkovej pumpy) poháňa pasívny transport iónov sodíka vytvorením koncentračného gradientu. Keď aktívny transport poháňa transport inej látky týmto spôsobom, nazýva sa to sekundárny aktívny transport.

Symportéry sú sekundárne aktívne transportéry, ktoré pohybujú dve látky rovnakým smerom. Napríklad sodno-glukózový symporter používa sodíkové ióny na „vtiahnutie“ molekúl glukózy do bunky. Pretože bunky ukladajú glukózu na energiu, glukóza je zvyčajne vo vyššej koncentrácii vo vnútri bunky ako vonku. Pôsobením sodíkovo-draselnej pumpy však sodíkové ióny ľahko difundujú do bunky, keď sa otvorí symporter. Záplava sodíkových iónov cez symportor poskytuje energiu, ktorá umožňuje glukóze pohybovať sa cez symporter a do bunky, proti jej koncentračnému gradientu.

Naopak, antiportéry sú sekundárne aktívne transportné systémy, ktoré transportujú látky v opačných smeroch. Napríklad antiportér sodíkovo-vodíkových iónov využíva energiu z vnútornej záplavy sodíkových iónov na presun vodíkových iónov (H+) von z bunky. Sodíkovo-vodíkový antiportér sa používa na udržanie pH vo vnútri bunky.

Iné formy aktívneho transportu nezahŕňajú membránové nosiče. Endocytóza (vnášanie „do bunky“) je proces, pri ktorom bunka prijíma materiál tak, že ho obalí v časti svojej bunkovej membrány a potom túto časť membrány odtrhne ((obrázok)). Po odštipnutí sa časť membrány a jej obsah stanú nezávislým intracelulárnym vezikulom. Vezikula je membránový vak - guľovitá a dutá organela ohraničená lipidovou dvojvrstvovou membránou. Endocytóza často prináša do bunky materiály, ktoré sa musia rozložiť alebo stráviť. Fagocytóza („požieranie buniek“) je endocytóza veľkých častíc. Mnoho imunitných buniek sa podieľa na fagocytóze inváznych patogénov. Rovnako ako malí Pac-muži, ich úlohou je hliadkovať v telesných tkanivách kvôli nežiaducej hmote, ako sú invázie bakteriálnych buniek, fagocytovať ich a tráviť. Na rozdiel od fagocytózy, pinocytóza („pitie buniek“) privádza tekutinu obsahujúcu rozpustené látky do bunky cez membránové vezikuly.

Fagocytóza a pinocytóza prijímajú veľké časti extracelulárneho materiálu a zvyčajne nie sú vysoko selektívne v látkach, ktoré prinášajú. Bunky regulujú endocytózu špecifických látok prostredníctvom receptorom sprostredkovanej endocytózy. Endocytóza sprostredkovaná receptormi je endocytóza časti bunkovej membrány, ktorá obsahuje mnoho receptorov, ktoré sú špecifické pre určitú látku. Akonáhle povrchové receptory naviažu dostatočné množstvo špecifickej látky (ligand receptora), bunka endocytuje časť bunkovej membrány, ktorá obsahuje komplexy receptor-ligand. Železo, potrebná zložka hemoglobínu, sa týmto spôsobom endocytuje červenými krvinkami. Železo je v krvi viazané na proteín nazývaný transferín. Špecifické transferínové receptory na povrchu červených krviniek viažu molekuly železo-transferín a bunka endocytuje komplexy receptor-ligand.

Na rozdiel od endocytózy je exocytóza (vytiahnutie „z bunky“) proces, pri ktorom bunka exportuje materiál pomocou vezikulárneho transportu ((obrázok)). Mnohé bunky vyrábajú látky, ktoré musia byť vylučované, ako továreň vyrábajúca produkt na export. Tieto látky sú typicky zabalené do membránovo viazaných vezikúl v bunke. Keď sa membrána vezikuly spojí s bunkovou membránou, vezikula uvoľní svoj obsah do intersticiálnej tekutiny. Membrána vezikuly sa potom stáva súčasťou bunkovej membrány. Bunky žalúdka a pankreasu produkujú a vylučujú tráviace enzýmy prostredníctvom exocytózy ((obrázok)). Endokrinné bunky produkujú a vylučujú hormóny, ktoré sú posielané do celého tela, a niektoré imunitné bunky produkujú a vylučujú veľké množstvo histamínu, chemickej látky dôležitej pre imunitné reakcie.

Pozrite si WebScope University of Michigan a preskúmajte vzorku tkaniva podrobnejšie.

Bunka: Cystická fibróza Cystická fibróza (CF) postihuje približne 30 000 ľudí v Spojených štátoch, pričom každý rok je hlásených približne 1 000 nových prípadov. Genetická choroba je najznámejšia pre svoje poškodenie pľúc, ktoré spôsobuje dýchacie ťažkosti a chronické pľúcne infekcie, ale postihuje aj pečeň, pankreas a črevá. Len asi pred 50 rokmi bola prognóza detí narodených s CF veľmi pochmúrna – priemerná dĺžka života zriedka presahovala 10 rokov. Dnes, s pokrokom v lekárskej liečbe, sa mnohí pacienti s CF dožívajú veku 30 rokov.

Symptómy CF sú výsledkom nesprávne fungujúceho membránového iónového kanála nazývaného regulátor transmembránovej vodivosti cystickej fibrózy alebo CFTR. U zdravých ľudí je proteín CFTR integrálnym membránovým proteínom, ktorý transportuje Cl – ióny von z bunky. U osoby, ktorá má CF, je gén pre CFTR zmutovaný, takže bunka vytvára defektný kanálový proteín, ktorý zvyčajne nie je inkorporovaný do membrány, ale namiesto toho je bunkou degradovaný.

CFTR vyžaduje na svoje fungovanie ATP, čím sa jeho Cl – transport stáva formou aktívneho transportu. Táto charakteristika mátla výskumníkov na dlhú dobu, pretože ióny Cl – v skutočnosti prúdia dole ich koncentračný gradient pri transporte z buniek. Aktívny transport vo všeobecnosti pumpuje ióny proti ich koncentračný gradient, ale CFTR predstavuje výnimku z tohto pravidla.

V normálnom pľúcnom tkanive udržiava pohyb Cl – von z bunky Cl – bohaté, negatívne nabité prostredie bezprostredne mimo bunky. Toto je obzvlášť dôležité v epiteliálnej výstelke dýchacieho systému. Respiračné epitelové bunky vylučujú hlien, ktorý slúži na zachytávanie prachu, baktérií a iných nečistôt. Cilium (množné číslo = riasinka) je jedným z vlasových príveskov, ktoré sa nachádzajú na určitých bunkách. Riasinky na epiteliálnych bunkách posúvajú hlien a jeho zachytené častice do dýchacích ciest preč z pľúc a smerom von. Aby sa hlien účinne pohyboval smerom nahor, nesmie byť príliš viskózny, ale musí mať riedku vodnatú konzistenciu. Transport Cl – a udržiavanie elektronegatívneho prostredia mimo bunky priťahujú kladné ióny, ako je Na +, do extracelulárneho priestoru. Akumuláciou iónov Cl – a Na+ v extracelulárnom priestore vzniká hlien bohatý na rozpustené látky, ktorý má nízku koncentráciu molekúl vody. Výsledkom je, že prostredníctvom osmózy sa voda presúva z buniek a extracelulárnej matrice do hlienu a „riedi“ ho. Takto sa v normálnom dýchacom systéme udržiava hlien dostatočne zriedený na to, aby bol vypudený z dýchacieho systému.

Ak CFTR kanál chýba, Cl – ióny nie sú transportované z bunky v dostatočnom počte, čo im bráni čerpať kladné ióny. Neprítomnosť iónov v sekretovanom hliene má za následok nedostatok normálneho gradientu koncentrácie vody. Nedochádza teda k osmotickému tlaku, ktorý vťahuje vodu do hlienu. Výsledný hlien je hustý a lepkavý a riasinkový epitel ho nedokáže účinne odstrániť z dýchacieho systému. Priechody v pľúcach sa zablokujú hlienom spolu s úlomkami, ktoré nesie. Bakteriálne infekcie sa vyskytujú ľahšie, pretože bakteriálne bunky nie sú účinne odvádzané z pľúc.

Prehľad kapitoly

Bunková membrána poskytuje okolo bunky bariéru, ktorá oddeľuje jej vnútorné zložky od extracelulárneho prostredia. Skladá sa z fosfolipidovej dvojvrstvy s hydrofóbnymi vnútornými lipidovými „chvoskami“ a hydrofilnými vonkajšími fosfátovými „hlavičkami“. V dvojvrstve sú rozptýlené rôzne membránové proteíny, vložené do nej a pripojené k nej periférne. Bunková membrána je selektívne priepustná, čo umožňuje len obmedzenému počtu materiálov difundovať cez jej lipidovú dvojvrstvu. Všetky materiály, ktoré prechádzajú cez membránu, to robia pomocou pasívnych (energiu nevyžadujúcich) alebo aktívnych (energiu vyžadujúcich) transportných procesov. Počas pasívneho transportu sa materiály pohybujú jednoduchou difúziou alebo uľahčenou difúziou cez membránu po svojom koncentračnom gradiente. Voda prechádza cez membránu v procese difúzie nazývanom osmóza. Počas aktívneho transportu sa energia vynakladá na napomáhanie pohybu materiálu cez membránu v smere proti ich koncentračnému gradientu. Aktívny transport môže prebiehať pomocou proteínových púmp alebo pomocou vezikúl.

Otázky týkajúce sa interaktívnych odkazov

Navštívte tento odkaz, aby ste videli difúziu a ako ju poháňa kinetická energia molekúl v roztoku. Ako teplota ovplyvňuje rýchlosť difúzie a prečo?

Vyššie teploty urýchľujú difúziu, pretože molekuly majú pri vyšších teplotách viac kinetickej energie.

Kontrolné otázky

Pretože sú vložené do membrány, iónové kanály sú príkladmi ________.

  1. receptorové proteíny
  2. integrálne proteíny
  3. periférne proteíny
  4. glykoproteíny

Difúzia látok v roztoku má tendenciu posúvať tieto látky o ________ ich ________ gradient.

Iónové pumpy a fagocytóza sú príklady ________.

  1. endocytóza
  2. pasívna doprava
  3. aktívny transport
  4. uľahčená difúzia

Vyberte odpoveď, ktorá najlepšie dopĺňa nasledujúcu analógiu: Difúzia je do ________ ako endocytóza do ________.

  1. filtračná fagocytóza
  2. osmóza pinocytóza
  3. rozpustená kvapalina
  4. gradient chemickej energie

Otázky kritického myslenia

Aké materiály môžu ľahko difundovať cez lipidovú dvojvrstvu a prečo?

Len materiály, ktoré sú relatívne malé a nepolárne, môžu ľahko difundovať cez lipidovú dvojvrstvu. Veľké častice sa nedokážu zmestiť medzi jednotlivé fosfolipidy, ktoré sú zbalené dohromady, a polárne molekuly sú odpudzované hydrofóbnymi/nepolárnymi lipidmi, ktoré vystielajú vnútro dvojvrstvy.

Prečo sa receptorom sprostredkovaná endocytóza považuje za selektívnejšiu ako fagocytóza alebo pinocytóza?

Endocytóza sprostredkovaná receptormi je selektívnejšia, pretože látky, ktoré sa dostávajú do bunky, sú špecifické ligandy, ktoré by sa mohli viazať na receptory, ktoré sú endocytózou. Na druhej strane fagocytóza alebo pinocytóza nemajú žiadnu takú špecifickosť receptor-ligand a privádzajú akýkoľvek materiál, ktorý sa náhodou nachádza v blízkosti membrány, keď je obalená.

Čo majú spoločné osmóza, difúzia, filtrácia a pohyb iónov od podobného náboja? V čom sa líšia?

Tieto štyri javy sú podobné v tom zmysle, že opisujú pohyb látok po určitom type gradientu. Osmóza a difúzia zahŕňajú pohyb vody a iných látok nadol po ich koncentračných gradientoch. Filtrácia opisuje pohyb častíc nadol po tlakovom gradiente a pohyb iónov preč od podobného náboja opisuje ich pohyb po elektrickom gradiente.

Slovník pojmov


Biológia 171

Na konci tejto časti budete môcť:

  • Opíšte, ako sa elektróny pohybujú v reťazci prenosu elektrónov, a vysvetlite, čo sa deje s ich energetickými hladinami počas tohto procesu
  • Vysvetlite, ako reťazec transportu elektrónov vytvára a udržiava protónový (H + ) gradient

Práve ste čítali o dvoch dráhach katabolizmu glukózy – glykolýze a cykle kyseliny citrónovej – ktoré vytvárajú ATP. Väčšina ATP generovaného počas aeróbneho katabolizmu glukózy však nevzniká priamo z týchto dráh. Namiesto toho je odvodený z procesu, ktorý začína pohybom elektrónov cez sériu nosičov elektrónov, ktoré podliehajú redoxným reakciám. Tento proces spôsobuje akumuláciu vodíkových iónov v priestore matrice. Preto sa vytvára koncentračný gradient, v ktorom vodíkové ióny difundujú z priestoru matrice prechodom cez ATP syntázu. Prúd vodíkových iónov poháňa katalytický účinok ATP syntázy, ktorá fosforyluje ADP za vzniku ATP.

Elektrónový transportný reťazec

Elektrónový transportný reťazec ((obrázok)) je poslednou zložkou aeróbneho dýchania a je jedinou časťou metabolizmu glukózy, ktorá využíva vzdušný kyslík. Kyslík nepretržite difunduje do rastlinných tkanív (zvyčajne cez prieduchy), ako aj do húb a baktérií, avšak u zvierat kyslík vstupuje do tela cez rôzne dýchacie systémy. Transport elektrónov je séria redoxných reakcií, ktoré sa podobajú štafetovým pretekom alebo bucket brigáde v tom, že elektróny rýchlo prechádzajú z jednej zložky do druhej, ku koncovému bodu reťazca, kde elektróny redukujú molekulárny kyslík a spolu s pridruženými protónmi produkujú vodu. . Existujú štyri komplexy zložené z proteínov, označených na obrázku I až IV (obrázok), a agregácia týchto štyroch komplexov, spolu s pridruženými mobilnými, doplnkovými elektrónovými nosičmi, sa nazýva elektrónový transportný reťazec . Elektrónový transportný reťazec je prítomný s viacerými kópiami vo vnútornej mitochondriálnej membráne eukaryotov a v plazmatickej membráne prokaryotov.


Komplex I

Najprv sa dva elektróny prenesú do prvého komplexu prostredníctvom NADH. Tento komplex, označený jasa skladá z flavínmononukleotidu (FMN) a proteínu obsahujúceho železo-síru (Fe-S). FMN, ktorý je odvodený od vitamínu B2 (nazývaný tiež riboflavín), je jednou z niekoľkých protetických skupín alebo kofaktorov v reťazci transportu elektrónov. Protetická skupina je neproteínová molekula potrebná pre aktivitu proteínu. Protetické skupiny sú organické alebo anorganické, nepeptidové molekuly viazané na proteín, ktoré uľahčujú jeho funkciu. Protetické skupiny zahŕňajú koenzýmy, čo sú prostetické skupiny enzýmov. Enzým v komplexe I je NADH dehydrogenáza a je to veľmi veľký proteín, ktorý obsahuje 45 reťazcov aminokyselín. Komplex I môže pumpovať štyri vodíkové ióny cez membránu z matrice do medzimembránového priestoru a týmto spôsobom je vytvorený a udržiavaný gradient vodíkových iónov medzi dvoma kompartmentmi oddelenými vnútornou mitochondriálnou membránou.

Q a komplex II

Komplex II priamo prijíma FADH2—ktorý neprechádza cez komplex I. Zlúčenina spájajúca prvý a druhý komplex s tretím je ubichinón B. Molekula Q je rozpustná v lipidoch a voľne sa pohybuje cez hydrofóbne jadro membrány. Akonáhle sa zníži (QH2), ubichinón dodáva svoje elektróny do ďalšieho komplexu v reťazci prenosu elektrónov. Q prijíma elektróny odvodené od NADH z komplexu I a elektróny odvodené od FADH2 z komplexu II. Tento enzým a FADH2 tvoria malý komplex, ktorý dodáva elektróny priamo do elektrónového transportného reťazca, pričom obchádza prvý komplex. Keďže tieto elektróny obchádzajú a teda neenergizujú protónovú pumpu v prvom komplexe, z FADH sa vyrába menej molekúl ATP.2 elektróny. Počet nakoniec získaných molekúl ATP je priamo úmerný počtu protónov pumpovaných cez vnútornú mitochondriálnu membránu.

Komplex III

Tretí komplex sa skladá z cytochrómu b – ďalšieho proteínu Fe-S, Rieskeho centra (centrum 2Fe-2S) a proteínov cytochrómu c. Tento komplex sa tiež nazýva cytochróm oxidoreduktáza. Cytochrómové proteíny majú prostetickú skupinu hemu. Molekula hemu je podobná hemu v hemoglobíne, ale nesie elektróny, nie kyslík. Výsledkom je, že ión železa v jeho jadre sa redukuje a oxiduje, keď prechádza elektrónmi, pričom kolíše medzi rôznymi oxidačnými stavmi: Fe ++ (redukovaný) a Fe +++ (oxidovaný). Molekuly hemu v cytochrómoch majú mierne odlišné vlastnosti v dôsledku účinkov rôznych proteínov, ktoré sa na ne viažu, čo dáva každému komplexu mierne odlišné vlastnosti. Komplex III pumpuje protóny cez membránu a odovzdáva svoje elektróny cytochrómu c na transport do štvrtého komplexu proteínov a enzýmov. (Cytochróm c však prijíma elektróny z Q, zatiaľ čo Q nesie páry elektrónov, cytochróm c môže akceptovať iba jeden naraz.)

Komplex IV

Štvrtý komplex sa skladá z cytochrómových proteínov c, a a a3. Tento komplex obsahuje dve hemové skupiny (jedna v každom z dvoch cytochrómov, a a a3) a tri ióny medi (pár CuA a jeden CuB v cytochróme a3). Cytochrómy držia molekulu kyslíka veľmi pevne medzi iónmi železa a medi, kým sa kyslík úplne nezníži ziskom dvoch elektrónov. Redukovaný kyslík potom zachytáva dva vodíkové ióny z okolitého média a vytvára vodu (H2O). Odstránenie vodíkových iónov zo systému prispieva k iónovému gradientu, ktorý tvorí základ pre proces chemiosmózy.

Chemiosmosis

Pri chemiosmóze sa voľná energia zo série práve opísaných redoxných reakcií využíva na pumpovanie vodíkových iónov (protónov) cez mitochondriálnu membránu. Nerovnomerná distribúcia iónov H + cez membránu vytvára koncentračné aj elektrické gradienty (teda elektrochemický gradient) v dôsledku kladného náboja vodíkových iónov a ich agregácie na jednej strane membrány.

Ak by membrána bola nepretržite otvorená jednoduchej difúzii vodíkovými iónmi, ióny by mali tendenciu difundovať späť do matrice, poháňané koncentráciami vytvárajúcimi ich elektrochemický gradient. Pripomeňme si, že mnohé ióny nemôžu difundovať cez nepolárne oblasti fosfolipidových membrán bez pomoci iónových kanálov. Podobne vodíkové ióny v priestore matrice môžu prechádzať iba cez vnútornú mitochondriálnu membránu integrálnym membránovým proteínom nazývaným ATP syntáza ((obrázok)). Tento komplexný proteín pôsobí ako malý generátor, otáčaný silou vodíkových iónov, ktoré ním difundujú, smerom nadol po ich elektrochemickom gradiente. Otáčanie častí tohto molekulárneho stroja uľahčuje pridávanie fosfátu do ADP, čím sa vytvára ATP, pomocou potenciálnej energie gradientu vodíkových iónov.


Dinitrofenol (DNP) je „odpojovač“, vďaka ktorému je vnútorná mitochondriálna membrána „priepustná“ pre protóny. Používal sa až do roku 1938 ako liek na chudnutie. Aký vplyv by mal mať DNP na zmenu pH cez vnútornú mitochondriálnu membránu? Prečo si myslíte, že by to mohol byť účinný liek na chudnutie?

Chemiosmóza ((obrázok)) sa používa na generovanie 90 percent ATP vytvoreného počas aeróbneho katabolizmu glukózy, je to tiež metóda používaná pri svetelných reakciách fotosyntézy na využitie energie slnečného svetla v procese fotofosforylácie. Pripomeňme, že produkcia ATP pomocou procesu chemiosmózy v mitochondriách sa nazýva oxidatívna fosforylácia. Celkovým výsledkom týchto reakcií je produkcia ATP z energie elektrónov odstránených z atómov vodíka. Tieto atómy boli pôvodne súčasťou molekuly glukózy. Na konci dráhy sa elektróny používajú na redukciu molekuly kyslíka na kyslíkové ióny. Extra elektróny na kyslíku priťahujú vodíkové ióny (protóny) z okolitého média a vzniká voda. Kyslík je teda konečným akceptorom elektrónov v reťazci transportu elektrónov.


Kyanid inhibuje cytochróm c oxidázu, zložku elektrónového transportného reťazca. Ak dôjde k otrave kyanidom, očakávali by ste zvýšenie alebo zníženie pH medzimembránového priestoru? Aký vplyv by mal kyanid na syntézu ATP?

Výťažok ATP

Počet molekúl ATP generovaných katabolizmom glukózy sa mení. Napríklad počet vodíkových iónov, ktoré môžu komplexy transportného reťazca elektrónov pumpovať cez membránu, sa medzi jednotlivými druhmi líši. Ďalší zdroj rozptylu pochádza z pohybu elektrónov cez membrány mitochondrií. (NADH generovaný z glykolýzy nemôže ľahko vstúpiť do mitochondrií.) Elektróny sú teda vo vnútri mitochondrií zachytávané buď NAD+ alebo FAD+. As you have learned earlier, these FAD + molecules can transport fewer ions consequently, fewer ATP molecules are generated when FAD + acts as a carrier. NAD + is used as the electron transporter in the liver and FAD + acts in the brain.

Another factor that affects the yield of ATP molecules generated from glucose is the fact that intermediate compounds in these pathways are also used for other purposes. Katabolizmus glukózy sa spája s cestami, ktoré vytvárajú alebo rozkladajú všetky ostatné biochemické zlúčeniny v bunkách, a výsledok je o niečo komplikovanejší ako ideálne situácie opísané doteraz. Napríklad cukry iné ako glukóza sa privádzajú do glykolytickej dráhy na extrakciu energie. In addition, the five-carbon sugars that form nucleic acids are made from intermediates in glycolysis. Certain nonessential amino acids can be made from intermediates of both glycolysis and the citric acid cycle. Lipids, such as cholesterol and triglycerides, are also made from intermediates in these pathways, and both amino acids and triglycerides are broken down for energy through these pathways. Overall, in living systems, these pathways of glucose catabolism extract about 34 percent of the energy contained in glucose, with the remainder being released as heat.

Zhrnutie sekcie

The electron transport chain is the portion of aerobic respiration that uses free oxygen as the final electron acceptor of the electrons removed from the intermediate compounds in glucose catabolism. The electron transport chain is composed of four large, multiprotein complexes embedded in the inner mitochondrial membrane and two small diffusible electron carriers shuttling electrons between them. The electrons are passed through a series of redox reactions, with a small amount of free energy used at three points to transport hydrogen ions across a membrane. This process contributes to the gradient used in chemiosmosis. The electrons passing through the electron transport chain gradually lose energy. High-energy electrons donated to the chain by either NADH or FADH2 complete the chain, as low-energy electrons reduce oxygen molecules and form water. The level of free energy of the electrons drops from about 60 kcal/mol in NADH or 45 kcal/mol in FADH2 to about 0 kcal/mol in water. The end products of the electron transport chain are water and ATP. A number of intermediate compounds of the citric acid cycle can be diverted into the anabolism of other biochemical molecules, such as nonessential amino acids, sugars, and lipids. These same molecules can serve as energy sources for the glucose pathways.

Art Connections

(Figure) Dinitrophenol (DNP) is an “uncoupler” that makes the inner mitochondrial membrane “leaky” to protons. It was used until 1938 as a weight-loss drug. What effect would you expect DNP to have on the change in pH across the inner mitochondrial membrane? Prečo si myslíte, že by to mohol byť účinný liek na chudnutie?

(Figure) After DNP poisoning, the electron transport chain can no longer form a proton gradient, and ATP synthase can no longer make ATP. DNP is an effective diet drug because it uncouples ATP synthesis in other words, after taking it, a person obtains less energy out of the food he or she eats. Interestingly, one of the worst side effects of this drug is hyperthermia, or overheating of the body. Since ATP cannot be formed, the energy from electron transport is lost as heat.

(Figure) Cyanide inhibits cytochrome c oxidase, a component of the electron transport chain. If cyanide poisoning occurs, would you expect the pH of the intermembrane space to increase or decrease? What effect would cyanide have on ATP synthesis?

(Figure) After cyanide poisoning, the electron transport chain can no longer pump electrons into the intermembrane space. The pH of the intermembrane space would increase, the pH gradient would decrease, and ATP synthesis would stop.

Voľná ​​odpoveď

How do the roles of ubiquinone and cytochrome c differ from the roles of the other components of the electron transport chain?

Q a cytochróm c sú transportné molekuly. Ich funkcia nevyúsťuje priamo do syntézy ATP, pretože nejde o pumpy. Okrem toho je Q jedinou zložkou elektrónového transportného reťazca, ktorá nie je proteínom. Ubiquinone and cytochrome c are small, mobile electron carriers, whereas the other components of the electron transport chain are large complexes anchored in the inner mitochondrial membrane.

Čo vysvetľuje rozdielny počet molekúl ATP, ktoré sa tvoria bunkovým dýchaním?

Len málo tkanív okrem svalov produkuje maximálne možné množstvo ATP zo živín. Medziprodukty sa používajú na výrobu potrebných aminokyselín, mastných kyselín, cholesterolu a cukrov pre nukleové kyseliny. Keď je NADH transportovaný z cytoplazmy do mitochondrií, využíva sa aktívny transportný mechanizmus, ktorý znižuje množstvo ATP, ktoré je možné vyrobiť. Elektrónový transportný reťazec sa medzi druhmi líši v zložení, takže rôzne organizmy vytvoria rôzne množstvá ATP pomocou svojich elektrónových transportných reťazcov.

Slovník pojmov


Closing remarks

Biological membranes allow life to exist. From simple unicellular prokaryotes to complex multicellular eukaryotes such as humans, the properties of the membranes that surround cells are remarkably similar. Our understanding of the structure of these lipid bilayers is now expanding rapidly as a result of significant advances in biophysical techniques and the huge computational power now available to researchers. The proteins that inhabit these membranes allow messages to be sent and received so that the cell can communicate with the external environment. Many messages are relayed by hydrophilic molecules that require receptors to transmit information across the bilayer. It is this step that is targeted by the majority of drugs which are on the market today, as it enables us to modify the message before it enters the cell. An understanding of how membrane proteins work, how they reach the correct destinations and how we can alter their functions is key to the fight against human disease.


Defining Active and Passive Transport

Active and passive transport processes are two ways molecules and other materials move in and out of cells and across intracellular membranes. Active transport is the movement of molecules or ions against a concentration gradient (from an area of lower to higher concentration), which does not ordinarily occur, so enzymes and energy are required.

Passive transport is the movement of molecules or ions from an area of higher to lower concentration. There are multiple forms of passive transport: simple diffusion, facilitated diffusion, filtration, and osmosis. Passive transport occurs because of the entropy of the system, so additional energy isn't required for it to occur.


How do you calculate concentration of ions in a solution?

The concentration of ions in solution depends on the mole ratio between the dissolved substance and the cations and anions it forms in solution.

So, if you have a compound that dissociates into cations and anions, the minimum concentration of each of those two products will be equal to the concentration of the original compound. Here's how that works:

Sodium chloride dissociates into #Na^(+)# cations and #Cl^(-)# anions when dissolved in water. Notice that 1 mole of #NaCl# will produce 1 mole of #Na^(+)# and 1 mole of #Cl^(-)# .

This means that if you have a #NaCl# solution with a concentration of #"1.0 M"# , the concentration of the #Na^(+)# ion will be #"1.0 M"# and the concentration of the #Cl^(-)# ion will be #"1.0 M"# as well.

Let's take another example. Assume you have a #"1.0 M"# #Na_2SO_4# solution

Notice that the mole ratio between #Na_2SO_4# and #Na^(+)# is #1:2# , which means that 1 mole of the former will produce 2 moles of the latter in solution.

This means that the concentration of the #Na^(+)# ions will be

#"1.0 M" * ("2 moles Na"^(+))/("1 mole Na"_2"SO"_4) = "2.0 M"#

Think of it like this: the volume of the solution remains constant, but the number of moles doubles automatically, this implies that the concentration will be two times bigger for that respective ion.

Here's how that would look mathematically:

#C_("compound") = n_("Compound")/V => V = n_("compound")/C_("compound")#

#C_("ion") = n_("ion")/V = n_("ion") * 1/V = n_("ion") * C_("compound")/n_("compound")#

#C_("ion") = C_("compound") * n_("ion")/n_("compound")#

As you can see, the mole ratio between the original coumpound and an ion it forms will determine the concetration of the respective ion in solution.

Here's a link to another answer on this topic:

http://socratic.org/questions/how-do-you-calculate-the-number-of-ions-in-a-solution?source=search


Proces

There are two types of active transport: primary and secondary. In primary active transport, specialized trans-membrane proteins recognize the presence of a substance that needs to be transported and serve as pumps, powered by the chemical energy ATP, to carry the desired biochemicals across. In secondary active transport, pore-forming proteins form channels in the cell membrane and force the biochemicals across using an electromagnetic gradient. Often, this energy is gained by simultaneously moving another substance down the concentration gradient.

There are four main types of passive transport: osmosis, diffusion, facilitated diffusion and filtration. Diffusion is the simple movement of particles through a permeable membrane down a concentration gradient (from a more concentrated solution to a less concentrated solution) until the two solutions are of equal concentration. Facilitated diffusion uses special transport proteins to achieve the same effect. Filtration is the movement of water and solute molecules down the concentration gradient, e.g. in the kidneys, and osmosis is the diffusion of water molecules across a selectively permeable membrane. None of these processes require energy.

Video explaining the differences

Here's a good video explaining the process of active and passive transport:


Pozri si video: Строение мембраны (Smieť 2022).


Komentáre:

  1. Fernald

    So the story!

  2. Miquel

    Poďme sa porozprávať, mám čo povedať.

  3. Voran

    Robíš si srandu!

  4. Gottfried

    I like it topic

  5. Daileass

    This magnificent thought, by the way, falls

  6. Oswin

    Zaujímavé príspevky sú určite váš štýl!



Napíšte správu