Permeabilitetsgrader af plasmamembraner i passiv diffusion

Permeabilitetsgrader af plasmamembraner i passiv diffusion!

Membraner i en celle passerer små ioner og molekyler gennem dem. Passagen af ​​ioner eller molekyler kan forekomme som passiv diffusion eller aktiv transport, der udvikler energiforbrug. Ved passiv diffusion kan membraner klassificeres i overensstemmelse med deres permeabilitetsgrad.

1. Uigennemtrængelig :

En membran af denne art tillader intet at passere gennem det. Visse unfertilizd fiskæg, såsom ørred, er kun permeable til gasser; Vand mærket med deuterium beskadiger ikke ægget.

2. semipermeabel

Ingen cellemembraner i cellerne tilhører denne kategori, sådanne membraner tillader vand og bestemte udvalgte ioner og SMA-molekyler at passere igennem, men forbyder andre ioner såvel som små og store molekyler.

3. Selektiv permeabel :

De fleste membraner i cellerne tilhører denne kategori. Sådanne membraner tillader vand og bestemte udvalgte ioner og små molekyler at passere igennem, men forbyder andre ioner såvel som små og store molekyler.

4. Dialysemembraner :

Endotelcellerne og deres kelmembraner i kapillærerne og nephronen kan fungere som dialysator. På denne måde tvinger hydrostatiske tryk vandmolekyler og krystalloider over membranen ned over deres koncentrationsgradienter, mens der begrænses passagen af ​​kolloider.

Transport af stoffer over plasmamembranet i cytoplasma af cellen kan opnås ved hjælp af følgende metoder:

osmose:

Osmose er en særlig form for diffusion, der involverer bevægelse af vand eller andre opløsningsmiddelmolekyler gennem en semipermeabel eller differentielt permeabel membran fra et område med højt potentiale (rent opløsningsmiddel) til et område med lavt potentiale (mere koncentreret opløsning).

Indførelsen af ​​vand i cellen fra dets medium hedder endosmosis; den omvendte proces, hvor vand forlader cellen kaldes exosmosis. Et osmotisk tryk opretholdes af de salte der er til stede i cytoplasma. Cellen forbliver altid i et væske- eller væskemedium til fysiologisk udveksling af gasser, næringsstoffer osv. Denne væske betegnes sædvanligvis ved hjælp af ekstracellulær væske (ECF). I protozoer og andre lavere organismer er det vand. Afhængigt af koncentrationen kan ECF være.

(i) isotonisk opløsning :

Hvis koncentrationen af ​​ECF, hvori cellen er til stede, ligner den af ​​intracellulær væske i cellen, er den kendt som isotonisk opløsning. Formen af ​​cellen forbliver normal.

(ii) Hypotonisk opløsning :

Hvis koncentrationen af ​​ECF er mindre koncentreret end den intracellulære væske, er den kendt som hypotonisk opløsning. I en sådan opløsning svulmer cellen op på grund af, at vand når cellen ved endosmos.

(iii) Hypertonisk opløsning :

Hvis koncentrationen af ​​ECF er højere end den intracellulære væske i cellen, kaldes opløsningen hypertonisk opløsning. I så tilfælde diffunderer vand ud af cellen ved hjælp af exosmos. Som et resultat undergår cellen at være plasmolyse.

Passiv transport:

Passiv transport er lige diffusion af vand, ioner eller molekyler af forskellige stoffer bevæger sig gennem plasmamembranen fra en region med højere koncentration til den lave koncentration. Transport af molekyler foregår langs koncentrationsgradienten, således at der ikke kræves energi til diffusion.

Enkel diffusion :

Ifølge et stort antal bevis bevæger mange stoffer sig gennem plasmamembranen ved fri diffusion, der er direkte proportional med deres opløselighed i lipid. Vandmolekyler er en bemærkelsesværdig undtagelse til denne regel, da de diffunderer frit gennem membraner regelmæssigt og hurtigt.

Plasmamembran skulle indeholde to typer af porer:

(i) Fine vandige kanaler :

Disse er til stede gennem et protein eller mellem grupperede integrerede proteiner. Disse porer er 10 nm i diameter og permanente i naturen. Disse strækker sig gennem hele lipid dobbeltlaget. Disse porer virker som ventrikulære åbninger. Nogle porer bliver ladet positivt andre er negativt ladet.

(ii) Statistiske porer :

Disse porer er ustabile. De fortsætter med at blive vist og forsvinder. Disse er dannet som huller i det meget flydende lipid-dobbeltlag. Disse dannes på grund af tilfældig termisk bevægelse af membranfosfolipider. Stoffer passerer let gennem disse porer, hvis de er opløselige i lipider {Overton). Derfor kan de hydrofobe stoffer med både lav og høj molekylvægt passere gennem plasmamembranen.

Den relative diffusionshastighed af molekyler over membranen afhænger af molekylernes størrelse; koncentrationsgradient over membranen; og opløseligheden i lipider eller hydrofob karakter af molekylet. Collander og Barlund i deres klassiske eksperimenter med planter af planter viste Chara, at den hastighed, hvormed substratet trænger ind afhænger af deres opløselighed i lipider og deres molekylstørrelse.

Permeabiliteten (P) af molekyler på tværs af membranen repræsenterer din formel:

P = KD / t

Hvor K er partitionskoefficient D er diffusionskoefficienten (afhænger af molekylvægt), og t er tykkelsen af ​​membraner. Fordelingskoefficienten i cellemembraner ligner olivenolie og vand. Fordelingskoefficienten kan måles ved at blande opløsningsmidlet med en olie-vandblanding, og de venter, indtil faserne adskilles.

Partitekoefficienten (K) er koncentrationen af ​​opløst stof i olie divideret med koncentrationen af ​​opløst stof i vandig fase. Diffusionskoefficienten (D) kan bestemmes ved at anvende radioaktive opløste stoffer og måle deres optagelseshastighed i cytoplasma ved forskellige eksterne koncentrationer.

Tilrettelagt diffusion:

Spredningen af ​​et stof over en membran sker altid fra et område med højere koncentration på den ene side til en region med lavere koncentration på den anden side. Men det er ikke altid tilfældet, da mange eksempler er blevet afdækket, hvor der findes et protein, permease i plasmamembranen, der letter diffusionsprocessen. Denne mekanisme hedder facilitated diffusion. Denne proces er mest almindelig i bevægelsen af ​​sukker og aminosyrer.

Tilstedeværelsen af ​​permease i membranen giver en vej gennem membranen, som er et alternativ til lipidlaget. Bindingen af ​​opløst stof på membranets ydre overflade ville udløse en konformationsændring i permeasen, idet opløsningsmidlet udsættes for den indre overflade af membranen, hvorfra den kan diffundere ind i cytoplasmaet ned over dens koncentrationsgradient.

Karakteristika for lettet diffusion er:

(i) Mængden af ​​transport af molekyler over membranen er langt større end forventet ved simpel diffusion

(ii) Permeaserne er meget specifikke og hver transporterer kun en enkelt specifik ioner eller molekyler eller en gruppe nært beslægtede molekyler.

(iii) Med en stigning i koncentrationsgradienten er der en tilsvarende stigning i transporthastigheden.

Som i tilfælde af enzymer viser permeaser, der letter diffusion, mætningstype kinetcs. Hvis et stof (S) er til stede indledningsvist uden for plasmamembranen, kan dets transport indeni være repræsenteret ved de følgende ligninger:

S (ud) + Permease Km = S-permeasekompleks Vmax

Her er S substrat, Km er bindende konstant for substrat til permease og Vmax er maksimal transporthastighed. Hvis koncentrationen af ​​S udenfor er C, kan transporthastigheden beregnes som:

V = Vmax / 1 + C / Km

Aktiv transport:

Spredningen af ​​ioner over membranerne er endnu vanskeligere, fordi det ikke kun afhænger af koncentrationsgradienten, men også på den elektriske gradient, der er til stede i systemet. Fordi aktiv transport er en proces, der arbejder imod en koncentrationsgradient, er det ikke overraskende at holde sammen, at det kræver energiforbrug.

Processen involverer anvendelsen af ​​bærermolekyler inden for den egentlige cellemembran. Disse bærermolekyler skyller tilsyneladende frem og tilbage mellem de indre og ydre cellemembranoverflader og enten optager eller frigiver en bestemt ion, der er reguleret. Den energi, der kræves til denne proces, opnås fra adenosintrifosfat (ATP), som hovedsageligt frembringes ved oxidativ phosphorylering i mitokondrier.

Af nedenstående tabel 2.1 er det tydeligt, at der inden for en celle er en stor koncentration af ikke-diffusible anioner, og at der etableres en elektrisk gradient over membranen.

Tabel 2.1

Viser ionisk koncentration og stabil potentiale i muskel

Donnan (1911) forudsagde, hvis en celle med en ikke-diffusibel negativ ladning inde i en opløsning af Cl ^-, vil K ⁺ blive drevet ind i cellekoncentrationen og den elektriske gradient. Cl ioner på den anden side vil blive drevet ind af koncentrationsgradienten, men vil blive afstødt af den elektriske gradient. Ifølge Donnan vil ligevægtskoncentrationerne være nøjagtigt gensidige.

(K ⁺ in) / (K ⁺ ud) = (CI ^- out) / (CI ^- in)

Forholdet mellem koncentrationsgradienten og hvilemembranpotentialet er givet ved Nernst-ligning.

E = RT i C1 / C2

Hvor E er angivet i millivolter, er R universel gas konstant, og T er absolut temperatur. Fra (i) og (ii) kan Donnan-ligevægten for KC1 udtrykkes

E = RT In (K ⁺ in) / (K ⁺ ud) = RT In (C1 ^- out) / C1 ^- in)

Aktiv transport af joner eller natriumpumper:

Det opløste stof, der er mest aktivt pumpet ind i cellerne, er kalium (K ⁺ ) ioner. Driftskraften for denne indadgående transport antages at være en natrium (Na ⁺ ) gradient over membranen, der er skabt ved aktiv transport af Na ion pumpet ud af celle.

Koncentrationen af ​​(Na ⁺ ) -ioner uden for membranen bliver høj, hvor den interne koncentration bliver lav. Energi, der kræves for at pumpe ud Na ⁺ ioner, leveres af ATP. I nærværelse af Mg ^++- aktiveret ATPase hydrolyseres ATP-molekylet, og det antages at ATPase ligger inden i membranen.

Na ⁺ -pumpen blev opdaget af Hodkin og Keynes (1955) og associeret med ATP hydrolyse in vitro af Skou (1957). To forskellige mekanismer af Na ⁺ -pumpe er blevet beskrevet for dyreceller. Disse er:

(i) Natrium - Kaliumbytepumpe:

I en sådan Na ⁺ -pump er den ydre pumpe af Na ⁺ ioner forbundet med den indadgående transport af К ioner. Da Na ⁺ og K ⁺ udveksles på en obligatorisk måde, er udadgående bevægelse af Na ⁺ altid ledsaget af indadgående bevægelse af K ⁺ . En sådan pumpe forekommer i nerveceller og muskelceller.

(ii) Elektrogen Na ⁺ pumpe:

I denne pumpe er der ikke nogen obligatorisk udveksling af indadrettede K ⁺ ioner og udeflydende Na ⁺ ioner. I denne pumpe kan en gradient af elektrokemisk potentiale genereres, når udgangen af ​​Na ⁺ -ioner ikke kompenseres med en til en indgang af K ⁺ .

En høj intracellulær koncentration af K ⁺ ioner, uanset den eksterne koncentration af Na og K ⁺, er nødvendig af aerobic celler. Den høje K ⁺ koncentration er side, cellen er nødvendig til proteinsyntese og glycolyse. Den høje K ⁺ -koncentration af cellen skal afbalanceres ved tab af nogle kationer, såsom Na ⁺, ellers ville overdreven hævelse forårsage, at cellen brister ved at skabe en tilstand med højere internt osmotisk tryk.

Aktiv transport af glucose til celler er en anden konsekvens af virkningen af ​​en elektrogen Na ⁺ pumpe. Ekstrudering af Na ⁺ fra cellen frembringer en gradient af lav intern og højere ekstern koncentration af Na ⁺ . Sukkeraktiv transport udført under betingelser, hvor uden Na ⁺ -koncentration holdes høj nok til at skabe en passende gradient, hvis energi drev metabolitter ind i cellen fra meget fortyndet udvendig opløsning af sukker. Akkumulationen af ​​sukker er kompileret til Na ⁺ ekstrudering og er også assisteret af specifikke bærerproteiner.

Oversættelse på tværs af membranen :

Bæreproteinerne hjælper hydrofile molekyler over en membrantykkelse på 6 til 10 nm. Metabolitterne er betydeligt mindre end 6 nm, så det er vigtigt at vide, hvordan disse molekyler translokeres over denne relativt store afstand af bærerne. Der er blevet foreslået adskillige alternativer, men to har studeret mere intensivt end de andre muligheder.

En alternativ hypotese postulerer, at bæreren binder sig til det hydrofile molekyle, og så roterer hele transportproteinet over membranen og leverer sin bundne metabolitten til den anden side. Det andet alternativ foreslår at bæreren fastgøres på plads inden i membranen, og at bærermolekylet gennemgår en konformationsændring, der translokerer bindingsstedet over membranen, og den bundne metabolitten sammen med den er samtidig.

Når metabolitten er blevet transloceret, frigives bindingsstedet og genoprettes til dets oprindelige konformation, klar til at binde et andet hydrofilt molekyle i en anden transportbegivenhed. Dette andet alternativ er blevet omtalt som den faste pore mekanisme. Det første alternativ er kendt som bærermekanismen.