Informacija

Membranski transport-STARA VERZIJA - Biologija

Membranski transport-STARA VERZIJA - Biologija



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.

Pregled odjeljka

Kemija živih bića javlja se u vodenim otopinama, a balansiranje koncentracija tih otopina je stalni problem. Neki materijali lako difundiraju kroz membranu, ali drugi su otežani, a njihov prolaz omogućuju specijalizirani proteini, kao što su kanali i transporteri.

Transport preko membrane

Jedno od velikih čuda stanične membrane je njezina sposobnost da regulira koncentraciju tvari unutar stanice. Ove tvari uključuju ione kao što je Ca2+, Na+, K+, i Cl; hranjive tvari uključujući šećere, masne kiseline i aminokiseline; i otpadni proizvodi, osobito ugljični dioksid (CO2), koji mora napustiti ćeliju.

Podproblem izazova dizajna:

Kontroliranje onoga što ulazi i izlazi iz ćelije.

Struktura lipidnog dvosloja membrane pruža prvu razinu kontrole. Fosfolipidi su čvrsto zbijeni zajedno, a membrana ima hidrofobnu unutrašnjost. Ova struktura uzrokuje da je membrana selektivno propusna. Membrana koja ima selektivna propusnost dopušta samo tvarima koje ispunjavaju određene kriterije da prolaze kroz njega bez pomoći. U slučaju stanične membrane, samo relativno mali, nepolarni materijali mogu se kretati kroz lipidni dvosloj biološki relevantnim brzinama (zapamtite, lipidni repovi membrane su nepolarni). Brzine transporta različitih molekula prikazane su u tablici u odjeljku Membrane. Sve tvari koje se kreću kroz membranu čine to jednom od dvije općenite metode, koje su kategorizirane na temelju toga je li proces transporta eksergonski ili endergonski. Pasivni transport je eksergoničko kretanje tvari kroz membranu. U kontrastu, aktivni transport je endergoničko kretanje tvari kroz membranu koje je povezano s eksergoničkom reakcijom.

Pasivni transport

Pasivni transport ne zahtijeva da stanica troši energiju. U pasivnom transportu, tvari se kreću iz područja veće koncentracije u područje niže koncentracije, niz gradijent koncentracije i energetski povoljan. Ovisno o kemijskoj prirodi tvari, različiti procesi mogu biti povezani s pasivnim transportom.

Difuzija

Difuzija je pasivan proces transporta. Jedna tvar ima tendenciju premjestiti se iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije sve dok koncentracija ne bude jednaka u cijelom prostoru. Upoznati ste s difuzijom tvari kroz zrak. Na primjer, razmislite o tome da netko otvara bocu amonijaka u prostoriji punoj ljudi. Plin amonijak je u najvišoj koncentraciji u boci; njegova najmanja koncentracija je na rubovima prostorije. Pare amonijaka će se difundirati ili širiti iz boce i postupno će sve više ljudi osjetiti miris amonijaka kako se širi. Materijali se kreću unutar citosola stanice difuzijom, a određeni materijali se kreću kroz plazma membranu difuzijom.

Slika 1. Difuzija kroz propusnu membranu pomiče tvar iz područja visoke koncentracije (u ovom slučaju izvanstanične tekućine) niz njen koncentracijski gradijent (u citoplazmu). Svaka zasebna tvar u mediju, kao što je izvanstanična tekućina, ima svoj koncentracijski gradijent, neovisno o gradijentu koncentracije drugih materijala. Osim toga, svaka će tvar difundirati u skladu s tim gradijentom. Unutar sustava postojat će različite brzine difuzije različitih tvari u mediju (Atribucija: Mariana Ruiz Villareal, modificirano)

Čimbenici koji utječu na difuziju

Ako nisu ograničene, molekule će se kretati i istraživati ​​svemir nasumično brzinom koja ovisi o njihovoj veličini, obliku, okruženju i toplinskoj energiji. Ova vrsta kretanja leži u osnovi difuznog kretanja molekula kroz bilo koji medij u kojem se nalaze. Odsutnost gradijenta koncentracije ne znači da će se to kretanje zaustaviti, samo da možda neće biti neto kretanje broja molekula s jednog područja na drugo, stanje poznato kao dinamička ravnoteža.

Čimbenici koji utječu na difuziju uključuju:

  • Opseg gradijenta koncentracije: Što je veća razlika u koncentraciji, to je brža difuzija. Što se distribucija materijala približava ravnoteži, to je sporija brzina difuzije.
  • Oblik, veličina i masa difuznih molekula: Velike i teže molekule kreću se sporije; stoga se sporije difundiraju. Obrnuto je tipično za manje, lakše molekule.
  • Temperatura: Više temperature povećavaju energiju, a time i kretanje molekula, povećavajući brzinu difuzije. Niže temperature smanjuju energiju molekula, čime se smanjuje brzina difuzije.
  • Gustoća otapala: Kako se gustoća otapala povećava, brzina difuzije se smanjuje. Molekule usporavaju jer teže prolaze kroz gušći medij. Ako je medij manje gust, brzine difuzije se povećavaju. Budući da stanice prvenstveno koriste difuziju za premještanje materijala unutar citoplazme, svako povećanje gustoće citoplazme smanjit će brzinu kojom se materijali kreću u citoplazmi.
  • Topljivost: Kao što je ranije spomenuto, nepolarni materijali ili materijali topivi u lipidima lakše prolaze kroz plazma membrane od polarnih materijala, omogućujući bržu brzinu difuzije.
  • Površina i debljina plazma membrane: Povećana površina povećava brzinu difuzije, dok je deblja membrana smanjuje.
  • Prijeđena udaljenost: Što je veća udaljenost koju tvar mora prijeći, to je sporija brzina difuzije. To postavlja gornje ograničenje na veličinu ćelije. Velika, sferna stanica će umrijeti jer hranjive tvari ili otpad ne mogu dosegnuti ili napustiti središte stanice. Stoga stanice moraju biti male veličine, kao u slučaju mnogih prokariota, ili biti spljoštene, kao kod mnogih jednostaničnih eukariota.

Olakšan transport

U olakšan transport, također nazvana olakšana difuzija, materijali difundiraju kroz plazma membranu uz pomoć membranskih proteina. Postoji koncentracijski gradijent koji omogućuje ovim materijalima da difundiraju u ili iz stanice bez trošenja stanične energije. U slučaju da su materijali ioni ili polarne molekule, spojevi koje odbijaju hidrofobni dijelovi stanične membrane, olakšani transportni proteini pomažu zaštititi te materijale od odbojne sile membrane, dopuštajući im da difundiraju u stanicu.

Napomena: Moguća rasprava

Usporedite i usporedite pasivnu difuziju i olakšanu difuziju.

Kanali

Integralni proteini uključeni u olakšani transport zajednički se nazivaju transportnih proteina, a funkcioniraju ili kao kanali za materijal ili kao nosači. U oba slučaja radi se o transmembranskim proteinima. Različiti proteini kanala imaju različita transportna svojstva. Neki su evoluirali tako da imaju vrlo visoku specifičnost za tvar koja se transportira, dok drugi prenose različite molekule koje dijele neke zajedničke karakteristike. Unutarnji "prolaz" od proteini kanala evoluirali kako bi osigurali nisku energetsku barijeru za transport tvari kroz membranu kroz komplementarni raspored funkcionalnih skupina aminokiselina (i kralježnice i bočnih lanaca). Prolaz kroz kanal omogućuje polarnim spojevima da izbjegnu nepolarni središnji sloj plazma membrane koji bi inače usporio ili spriječio njihov ulazak u stanicu. Dok u bilo kojem trenutku značajne količine vode prolaze kroz membranu i unutra i van, brzina prijenosa pojedinačnih molekula vode možda neće biti dovoljno brza da se prilagodi promjenjivim uvjetima okoline. Za takve slučajeve priroda je razvila posebnu klasu membranskih proteina tzv akvaporini koji omogućuju prolazak vode kroz membranu vrlo velikom brzinom.

Slika 2: Olakšan transport pomiče tvari niz gradijente koncentracije. Mogu proći kroz plazma membranu uz pomoć proteina kanala. (Atribucija: Mariana Ruiz Villareal, izmijenjeno.)

Kanalski proteini su ili otvoreni u svakom trenutku ili su "zatvoreni". Potonji kontrolira otvaranje kanala. Različiti mehanizmi mogu biti uključeni u mehanizam zatvaranja. Na primjer, vezanje specifičnog iona ili male molekule na protein kanala može potaknuti otvaranje. Promjene lokalnog membranskog "naprezanja" ili promjene napona na membrani također mogu biti okidači za otvaranje ili zatvaranje kanala.

Različiti organizmi i tkiva u višestaničnim vrstama izražavaju različite skupove proteina kanala u svojim membranama ovisno o okruženju u kojem žive ili specijaliziranoj funkciji koju imaju u organizmima. To svakoj vrsti stanice osigurava jedinstveni profil propusnosti membrane koji je evoluirao kako bi nadopunio njezine "potrebe" (obratite pažnju na antropomorfizam). Na primjer, u nekim tkivima ioni natrija i klorida slobodno prolaze kroz otvorene kanale, dok se u drugim tkivima moraju otvoriti vrata kako bi se omogućio prolaz. To se događa u bubrezima, gdje se oba oblika kanala nalaze u različitim dijelovima bubrežnih tubula. Stanice koje sudjeluju u prijenosu električnih impulsa, kao što su živčane i mišićne stanice, imaju zatvorene kanale za natrij, kalij i kalcij u svojim membranama. Otvaranje i zatvaranje ovih kanala mijenja relativne koncentracije ovih iona na suprotnim stranama membrane, što rezultira promjenom električnog potencijala kroz membranu što dovodi do širenja poruke u slučaju živčanih stanica ili kontrakcije mišića u slučaju mišićnih stanica. .

Carrie proteini

Druga vrsta proteina ugrađena u plazma membranu je a protein nosač. Ovaj prikladno nazvan protein veže tvar i, pritom, pokreće promjenu vlastitog oblika, pomičući vezanu molekulu s vanjske strane stanice u njezinu unutrašnjost; ovisno o gradijentu, materijal se može kretati u suprotnom smjeru. Proteini nosači obično su specifični za jednu tvar. Ova selektivnost doprinosi ukupnoj selektivnosti plazma membrane. Mehanizam djelovanja ovih proteina na molekularnoj razini ostaje slabo shvaćen.

Slika 3: Neke tvari mogu se kretati niz gradijent koncentracije kroz plazma membranu uz pomoć proteina nosača. Proteini nosači mijenjaju oblik dok pomiču molekule kroz membranu. (Atribucija: Mariana Ruiz Villareal, izmijenjeno.)

Proteini nosači igraju važnu ulogu u funkciji bubrega. Glukoza, voda, soli, ioni i aminokiseline potrebne tijelu filtriraju se u jednom dijelu bubrega. Ovaj filtrat, koji uključuje glukozu, zatim se reapsorbira u drugom dijelu bubrega uz pomoć proteina nosača. Budući da postoji samo ograničen broj proteina prijenosnika za glukozu, ako je u filtratu prisutno više glukoze nego što proteini mogu podnijeti, višak se ne apsorbira i izlučuje se iz tijela mokraćom. Kod dijabetičara to se opisuje kao "prolijevanje glukoze u mokraću". Druga skupina proteina nosača koji se nazivaju proteini za prijenos glukoze ili GLUT, uključeni su u transport glukoze i drugih šećera heksoze kroz plazma membrane unutar tijela.

Proteini kanala i nosači prenose materijale različitim brzinama. Proteini kanala transportiraju se mnogo brže od proteina nosača. Kanalski proteini olakšavaju difuziju brzinom od nekoliko desetaka milijuna molekula u sekundi, dok proteini nosači rade brzinom od tisuću do milijun molekula u sekundi.

Napomena: Zahvalnica

Cijene prijevoza o kojima se upravo govorilo su zapanjujuće. Podsjetimo da su ovi molekularni katalizatori na skali od 10s nanometara (10-9 metara) i da se sastoje od samosklopivog niza od 20 aminokiselina i relativno malog izbora kemijskih funkcionalnih skupina koje nose.

Osmoza

Osmoza je kretanje vode kroz polupropusnu membranu prema gradijentu koncentracije vode preko membrane, koji je obrnuto proporcionalan koncentraciji otopljenih tvari. Dok difuzija prenosi materijal kroz membrane i unutar stanica, osmoza transportira samo voda preko membrane i membrana ograničava difuziju otopljenih tvari u vodi. Nije iznenađujuće da akvaporini koji olakšavaju kretanje vode igraju veliku ulogu u osmozi, najistaknutije u crvenim krvnim stanicama i membranama bubrežnih tubula.

Mehanizam

Osmoza je poseban slučaj difuzije. Voda, kao i druge tvari, prelazi iz područja visoke koncentracije u područje niske koncentracije. Očito je pitanje što vodu uopće pokreće? Zamislite čašu s polupropusnom membranom koja razdvaja dvije strane ili polovice. Na obje strane membrane razina vode je ista, ali postoje različite koncentracije otopljene tvari, ili otopljene tvari, koje ne mogu prijeći membranu (inače bi koncentracije na svakoj strani bile uravnotežene tako da otopljena tvar prolazi kroz membranu). Ako je volumen otopine na obje strane membrane isti, ali su koncentracije otopljene tvari različite, tada postoje različite količine vode, otapala, s obje strane membrane.

Slika 4: U osmozi voda uvijek prelazi iz područja veće koncentracije vode u područje niže koncentracije. Na prikazanom dijagramu otopljena tvar ne može proći kroz selektivno propusnu membranu, ali voda može.

Da biste to ilustrirali, zamislite dvije pune čaše vode. Jedan ima jednu žličicu šećera, dok drugi sadrži jednu četvrtinu šalice šećera. Ako je ukupan volumen otopina u obje čaše jednak, koja čaša sadrži više vode? Budući da velika količina šećera u drugoj šalici zauzima puno više prostora od žličice šećera u prvoj šalici, prva šalica ima više vode.

Vraćajući se na primjer čaše, sjetite se da ima mješavinu otopljenih tvari s obje strane membrane. Princip difuzije je da se molekule kreću okolo i da će se ravnomjerno širiti po mediju ako mogu. Međutim, samo materijal koji može proći kroz membranu će difundirati kroz nju. U ovom primjeru, otopljena tvar ne može difundirati kroz membranu, ali voda može. Voda ima gradijent koncentracije u ovom sustavu. Dakle, voda će difundirati niz svoj koncentracijski gradijent, prelazeći membranu na stranu gdje je manje koncentrirana. Ova difuzija vode kroz membranu – osmoza – nastavit će se sve dok gradijent koncentracije vode ne padne na nulu ili dok hidrostatski tlak vode ne uravnoteži osmotski tlak. Osmoza se neprestano odvija u živim sustavima.

Toničnost

Toničnost opisuje kako ekstracelularna otopina može promijeniti volumen stanice utječući na osmozu. Toničnost otopine često je u izravnoj korelaciji s osmolarnošću otopine. Osmolarnost opisuje ukupnu koncentraciju otopljene tvari u otopini. Otopina niske osmolarnosti ima veći broj molekula vode u odnosu na broj čestica otopljene tvari; otopina s visokim osmolarnošću ima manje molekula vode u odnosu na čestice otopljene tvari. U situaciji u kojoj su otopine dvije različite osmolarnosti odvojene membranom propusnom za vodu, ali ne i za otopljenu tvar, voda će se pomaknuti sa strane membrane s nižim osmolarnošću (i više vode) na stranu s većom osmolarnošću (i manje vode). Ovaj učinak ima smisla ako se sjetite da se otopljena tvar ne može kretati preko membrane, pa se stoga jedina komponenta u sustavu koja se može kretati - voda - kreće duž vlastitog gradijenta koncentracije. Važna razlika koja se tiče živih sustava je da osmolarnost mjeri broj čestica (koje mogu biti molekule) u otopini. Stoga otopina koja je mutna sa stanicama može imati nižu osmolarnost od otopine koja je bistra, ako druga otopina sadrži više otopljenih molekula nego što ima stanica.

Hipotonične otopine

Tri pojma - hipotonični, izotonični i hipertonični - koriste se za povezivanje osmolarnosti stanice s osmolarnošću izvanstanične tekućine koja sadrži stanice. U hipotoničniU situaciji, ekstracelularna tekućina ima nižu osmolarnost od tekućine unutar stanice, a voda ulazi u stanicu. (U živim sustavima referentna točka je uvijek citoplazma, dakle prefiks hipo- znači da izvanstanična tekućina ima nižu koncentraciju otopljenih tvari ili nižu osmolarnost od stanične citoplazme.) To također znači da izvanstanična tekućina ima veću koncentraciju vode u otopini od stanice. U ovoj situaciji, voda će pratiti svoj koncentracijski gradijent i ući u stanicu.

Hipertonične otopine

Što se tiče a hipertonični rješenje, prefiks hiper- odnosi se na ekstracelularnu tekućinu koja ima veću osmolarnost od citoplazme stanice; stoga tekućina sadrži manje vode nego stanica. Budući da stanica ima relativno veću koncentraciju vode, voda će napustiti stanicu.

Izotonične otopine

U jednom izotoničan otopine, ekstracelularna tekućina ima isti osmolarnost kao i stanica. Ako osmolarnost stanice odgovara osmolarnosti izvanstanične tekućine, neće biti neto kretanja vode u stanicu ili iz nje, iako će voda i dalje ulaziti i izlaziti. Krvne stanice i biljne stanice u hipertoničnim, izotoničnim i hipotoničnim otopinama poprimaju karakterističan izgled.

veza:

Slika 5: Osmotski tlak mijenja oblik crvenih krvnih stanica u hipertoničnim, izotoničnim i hipotoničnim otopinama. (zasluge: Mariana Ruiz Villareal)

Liječnik ubrizgava pacijentu ono što liječnik misli da je izotonična fiziološka otopina. Pacijent umire, a obdukcija otkriva da su mnoga crvena krvna zrnca uništena. Mislite li da je otopina koju je liječnik ubrizgao doista izotonična?

Link na učenje:

Za video koji ilustrira proces difuzije u otopinama, posjetite ovu stranicu.

Toničnost u živim sustavima

U hipotoničnom okruženju voda ulazi u stanicu, a stanica bubri. U izotoničnom stanju, relativne koncentracije otopljene tvari i otapala jednake su na obje strane membrane. Nema neto kretanja vode; dakle, nema promjene u veličini stanice. U hipertoničnoj otopini voda napušta stanicu i stanica se skuplja. Ako hipo- ili hiper-stanje prijeđe prekomjerno, funkcije stanice postaju ugrožene i stanica može biti uništena.

Crvena krvna stanica će se rasprsnuti ili lizirati kada nabubri izvan mogućnosti širenja plazma membrane. Zapamtite, membrana nalikuje mozaiku, s diskretnim razmacima između molekula koji je čine. Ako stanica nabubri, a razmaci između lipida i proteina postanu preveliki, stanica će se raspasti.

Nasuprot tome, kada prekomjerne količine vode napuste crvena krvna zrnca, stanica se skuplja ili stvara. To ima učinak koncentriranja otopljenih tvari koje su ostale u stanici, čineći citosol gušćim i ometajući difuziju unutar stanice. Sposobnost stanice za funkcioniranje bit će ugrožena i također može dovesti do smrti stanice.

Razna živa bića imaju načine kontroliranja učinaka osmoze – mehanizma koji se naziva osmoregulacija. Neki organizmi, kao što su biljke, gljive, bakterije i neki protisti, imaju stanične stijenke koje okružuju plazma membranu i sprječavaju lizu stanica u hipotoničnoj otopini. Plazma membrana se može proširiti samo do granice stanične stijenke, pa se stanica neće lizirati. Zapravo, citoplazma u biljkama je uvijek blago hipertonična u odnosu na staničnu okolinu, a voda će uvijek ući u stanicu ako je voda dostupna. Ovaj dotok vode stvara turgorski tlak, koji ukrućuje stanične stijenke biljke. U nedrvenastim biljkama turgorski tlak podržava biljku. S druge strane, ako se biljka ne zalijeva, izvanstanična tekućina će postati hipertonična, uzrokujući da voda napusti stanicu. U tom se stanju stanica ne skuplja jer stanična stijenka nije fleksibilna. Međutim, stanična membrana se odvaja od stijenke i sužava citoplazmu. Ovo se zove plazmoliza. Biljke u tom stanju gube turgorski tlak i venu.

Slika 6: Turgorski tlak unutar biljne stanice ovisi o toničnosti otopine u kojoj je okupana. (zasluge: modifikacija rada Mariane Ruiz Villareal)
Slika 7: Bez adekvatne vode, biljka s lijeve strane je izgubila turgorski tlak, što je vidljivo u njenom venuću; tlak turgora se obnavlja zalijevanjem (desno). (zasluge: Victor M. Vicente Selvas)

Mnogi morski beskralješnjaci imaju unutarnje razine soli usklađene s njihovim okolišem, što ih čini izotoničnima s vodom u kojoj žive. Ribe, međutim, moraju potrošiti otprilike pet posto svoje metaboličke energije na održavanje osmotske homeostaze. Slatkovodne ribe žive u okruženju koje je hipotonično za njihove stanice. Ove ribe aktivno unose sol kroz svoje škrge i izlučuju razrijeđenu mokraću kako bi se riješile viška vode. Morske ribe žive u obrnutom okruženju koje je hipertonično za njihove stanice, a luče sol kroz škrge i izlučuju visoko koncentriranu mokraću.

Kod kralježnjaka bubrezi reguliraju količinu vode u tijelu. Osmoreceptori su specijalizirane stanice u mozgu koje prate koncentraciju otopljenih tvari u krvi. Ako se razine otopljenih tvari povećaju izvan određenog raspona, oslobađa se hormon koji usporava gubitak vode kroz bubrege i razrjeđuje krv na sigurnije razine. Životinje također imaju visoku koncentraciju albumina, koji proizvodi jetra, u krvi. Ovaj protein je prevelik da bi lako prošao kroz plazma membrane i glavni je čimbenik u kontroli osmotskog tlaka koji se primjenjuje na tkiva.

Vježba 1

Liječnik ubrizgava pacijentu ono što liječnik misli da je izotonična fiziološka otopina. Mislite li da je otopina koju je liječnik ubrizgao doista izotonična?

Pitanja za pregled

Vježba 2

Glavna sila koja pokreće kretanje u difuziji je __________.

  1. temperatura
  2. veličina čestice
  3. gradijent koncentracije
  4. površina membrane

Vježba 3

S kojim se problemom susreću organizmi koji žive u slatkoj vodi?

  1. Njihova tijela imaju tendenciju da unose previše vode.
  2. Nemaju načina kontrolirati svoju toničnost.
  3. Samo slana voda predstavlja probleme životinjama koje u njoj žive.
  4. Njihova tijela gube previše vode u okoliš.

Besplatan odgovor

Vježba 4

Zašto se voda kreće kroz membranu?

Aktivni transport

Sažetak odjeljka

Kombinirani gradijent koji utječe na ion uključuje njegov koncentracijski gradijent i njegov električni gradijent. Pozitivni ion, na primjer, mogao bi težiti difuziji u novo područje, niz njegov koncentracijski gradijent, ali ako difundira u područje neto pozitivnog naboja, njegovu će difuziju ometati njegov električni gradijent. Kada se radi o ionima u vodenim otopinama, mora se uzeti u obzir kombinacija elektrokemijskih i koncentracijskih gradijenta, a ne samo gradijent koncentracije. Živim stanicama su potrebne određene tvari koje postoje unutar stanice u koncentracijama većim od onih u izvanstaničnom prostoru. Pomicanje tvari prema svojim elektrokemijskim gradijentima zahtijeva energiju iz stanice. Aktivni transport koristi energiju pohranjenu u ATP-u za pogon ovog transporta. Aktivni transport materijala male molekularne veličine koristi integralne proteine ​​u staničnoj membrani za pomicanje materijala: Ovi proteini su analogni pumpama. Neke pumpe, koje provode primarni aktivni transport, spajaju se izravno s ATP-om kako bi potaknule svoje djelovanje. U kotransportu (ili sekundarnom aktivnom transportu), energija iz primarnog transporta može se upotrijebiti za premještanje druge tvari u stanicu i podizanje gradijenta koncentracije.

Aktivni transport

Aktivni transport mehanizmi zahtijevaju korištenje energije stanice, obično u obliku adenozin trifosfata (ATP). Ako se tvar mora kretati u stanicu protiv njezinog koncentracijskog gradijenta – to jest, ako je koncentracija tvari unutar stanice veća od njezine koncentracije u izvanstaničnoj tekućini (i obrnuto) – stanica mora koristiti energiju za pomicanje tvari. Neki aktivni transportni mehanizmi pomiču materijale male molekularne težine, poput iona, kroz membranu. Drugi mehanizmi transportiraju mnogo veće molekule.

Kretanje protiv gradijenta

Za kretanje tvari protiv koncentracije ili elektrokemijskog gradijenta, stanica mora koristiti energiju. Ova energija se skuplja iz ATP-a koji nastaje putem metabolizma stanice. Aktivni transportni mehanizmi, zajednički tzv pumpe, rade protiv elektrokemijskih gradijenata. Male tvari neprestano prolaze kroz plazma membrane. Aktivni transport održava koncentracije iona i drugih tvari potrebnih živim stanicama suočene s tim pasivnim pokretima. Velik dio stanične zalihe metaboličke energije može se potrošiti na održavanje ovih procesa. (Većina metaboličke energije crvenih krvnih stanica koristi se za održavanje neravnoteže između vanjskih i unutarnjih razina natrija i kalija potrebnih za stanicu.) Budući da aktivni transportni mehanizmi ovise o metabolizmu energije stanice, oni su osjetljivi na mnoge metaboličke otrove koji ometaju uz opskrbu ATP-om.

Postoje dva mehanizma za transport materijala male molekularne težine i malih molekula. Primarni aktivni transport pomiče ione kroz membranu i stvara razliku u naboju na toj membrani, koja je izravno ovisna o ATP-u. Sekundarni aktivni transport opisuje kretanje materijala koje je posljedica elektrokemijskog gradijenta uspostavljenog primarnim aktivnim transportom koji ne zahtijeva izravno ATP.

Proteini nosači za aktivni transport

Važna prilagodba membrane za aktivni transport je prisutnost specifičnih proteina nosača ili pumpi za olakšavanje kretanja: postoje tri vrste ovih proteina ili transporteri. A uniporter nosi jedan specifični ion ili molekulu. A simporter nosi dva različita iona ili molekule, oba u istom smjeru. An antiporter također nosi dva različita iona ili molekule, ali u različitim smjerovima. Svi ovi transporteri također mogu transportirati male, nenabijene organske molekule poput glukoze. Ove tri vrste proteina nosača također se nalaze u olakšanoj difuziji, ali im nije potreban ATP za rad u tom procesu. Neki primjeri pumpi za aktivni transport su Na+-K+ ATPaza, koja nosi ione natrija i kalija, i H+-K+ ATPaza, koja nosi vodikove i kalijeve ione. Oba su proteina nosača antiportera. Druga dva proteina nosača su Ca2+ ATPaza i H+ ATPaze, koje nose samo kalcijeve i samo vodikove ione. Obje su pumpe.

Slika 9: Uniporter nosi jednu molekulu ili ion. Symporter nosi dvije različite molekule ili iona, obje u istom smjeru. Antiporter također nosi dvije različite molekule ili iona, ali u različitim smjerovima. (zasluge: izmjena rada od strane “Lupask”/Wikimedia Commons)

Primarni aktivni transport

U primarnom aktivnom transportu, energija se dobiva izravno iz razgradnje ATP-a. Često, primarni aktivni transport, kao što je dolje prikazan, koji funkcionira za transport natrijevih i kalijevih iona, omogućuje sekundarni aktivni transport (o kojem se raspravlja u odjeljku ispod). Drugi način transporta još uvijek se smatra aktivnim jer ovisi o korištenju energije iz primarnog transporta.

Slika 10: Primarni aktivni transport pomiče ione kroz membranu, stvarajući elektrokemijski gradijent (elektrogeni transport). (zasluge: izmjena djela Mariane Ruiz Villareal)

Jedna od najvažnijih pumpi u životinjskim stanicama je natrij-kalijeva pumpa (Na+-K+ ATPaza), koja održava elektrokemijski gradijent (i ispravne koncentracije Na+ i K+) u živim stanicama. Natrij-kalijeva pumpa pomiče K+ u ćeliju dok pomiče Na+ u isto vrijeme, u omjeru od tri Na+ za svaka dva K+ ušli su ioni. Na+-K+ ATPaza postoji u dva oblika, ovisno o njezinoj orijentaciji prema unutrašnjosti ili eksterijeru stanice i njezinom afinitetu za natrijeve ili kalijeve ione. Proces se sastoji od sljedećih šest koraka.

  1. S enzimom orijentiranim prema unutrašnjosti stanice, nosač ima visok afinitet za natrijeve ione. Na protein se vežu tri iona.
  2. ATP se hidrolizira proteinskim nosačem i na njega se veže niskoenergetska fosfatna skupina.
  3. Kao rezultat toga, nosač mijenja oblik i ponovno se orijentira prema vanjskoj strani membrane. Afinitet proteina prema natriju se smanjuje i tri natrijeva iona napuštaju nosač.
  4. Promjena oblika povećava afinitet nosača za kalijeve ione, a dva takva iona se vežu za protein. Nakon toga, niskoenergetska fosfatna skupina se odvaja od nosača.
  5. S uklonjenom fosfatnom skupinom i vezanim kalijevim ionima, protein nosač se ponovno postavlja prema unutrašnjosti stanice.
  6. Protein nosač, u svojoj novoj konfiguraciji, ima smanjen afinitet prema kaliju, te se dva iona oslobađaju u citoplazmu. Protein sada ima veći afinitet za natrijeve ione i proces počinje ponovno.

Kao rezultat ovog procesa dogodilo se nekoliko stvari. U ovom trenutku, ima više iona natrija izvan stanice nego unutar stanice i više iona kalija iznutra nego izvana. Na svaka tri iona natrija koja se isele, dva iona kalija ulaze. To rezultira da je unutrašnjost nešto negativnija u odnosu na vanjštinu. Ova razlika u zaduženju važna je za stvaranje uvjeta potrebnih za sekundarni proces. Natrij-kalijeva pumpa je, dakle, an elektrogenska pumpa (pumpa koja stvara neravnotežu naboja), stvarajući električnu neravnotežu preko membrane i doprinoseći membranskom potencijalu.

Poveznica na učenje

Posjetite stranicu kako biste vidjeli simulaciju aktivnog transporta u natrij-kalij ATPazi.

Sekundarni aktivni prijevoz (ko-prijevoz)

Sekundarni aktivni transport dovodi ione natrija, a moguće i druge spojeve, u stanicu. Kako se koncentracije natrijevih iona stvaraju izvan plazma membrane zbog djelovanja primarnog aktivnog transportnog procesa, stvara se elektrokemijski gradijent. Ako protein kanala postoji i otvoren je, natrijevi ioni će se povući kroz membranu. Ovo kretanje se koristi za transport drugih tvari koje se mogu vezati za transportni protein kroz membranu. Mnoge aminokiseline, kao i glukoza, na taj način ulaze u stanicu. Ovaj sekundarni proces također se koristi za pohranu visokoenergetskih vodikovih iona u mitohondrijima biljnih i životinjskih stanica za proizvodnju ATP-a. Potencijalna energija koja se akumulira u pohranjenim vodikovim ionima pretvara se u kinetičku energiju kako ioni jure kroz kanal protein ATP sintaze, a ta energija se koristi za pretvaranje ADP-a u ATP.

Slika 11: Elektrokemijski gradijent, stvoren primarnim aktivnim transportom, može pomicati druge tvari protiv njihovih koncentracijskih gradijenta, proces koji se naziva kotransport ili sekundarni aktivni transport. (zasluge: izmjena djela Mariane Ruiz Villareal)

Ako se pH izvan stanice smanji, biste li očekivali povećanje ili smanjenje količine aminokiselina koje se transportiraju u stanicu?

Veze

Vježba 5

Ubrizgavanje otopine kalija u krv osobe je smrtonosno; ovo se koristi u smrtnoj kazni i eutanaziji. Zašto mislite da je injekcija otopine kalija smrtonosna?

Vježba 6

Ako se pH izvan stanice smanji, biste li očekivali povećanje ili smanjenje količine aminokiselina koje se transportiraju u stanicu?

Pitanja za pregled

Vježba 7

Aktivni transport mora kontinuirano funkcionirati jer __________.

  1. plazma membrane se troše
  2. nisu sve membrane amfifilne
  3. olakšani prijevoz suprotstavlja se aktivnom prijevozu
  4. difuzija neprestano pomiče otopljene tvari u suprotnim smjerovima

Vježba 8

Kako natrij-kalijeva pumpa čini unutrašnjost stanice negativno nabijenom?

  1. izbacivanjem aniona
  2. uvlačenjem aniona
  3. izbacivanjem više kationa nego što se unosi
  4. unošenjem i izbacivanjem jednakog broja kationa

Vježba 9

Kako se zove kombinacija električnog gradijenta i gradijenta koncentracije?

  1. potencijalni gradijent
  2. električni potencijal
  3. koncentracijski potencijal
  4. elektrokemijski gradijent

Besplatan odgovor

Vježba 10

Odakle stanica dobiva energiju za aktivne transportne procese?

Vježba 11

Kako natrij-kalijeva pumpa doprinosi neto negativnom naboju unutrašnjosti stanice?


Gledaj video: Membranski potencijal Biologija (Kolovoz 2022).