Úvod
V živých buňkách, plazmatická membrána, nebo membrána je selektivně propustná bariéra, která umožňuje selektivní látky projít. Udržuje tak různé koncentrace na obou stranách membrány. To vede k různým elektrickým a chemickým gradientům koncentrace na povrchu membrány, které společně tvoří elektrochemický gradient.
co je elektrochemický Gradient?,
je definován jako rozdíl v náboji a chemické koncentraci v plazmatické membráně díky své selektivní propustnosti. Kombinace koncentračního gradientu a gradientu elektrického náboje, který ovlivňuje pohyb určitého iontu přes plazmatickou membránu, se nazývá koncentrační gradient.
Jednoduché koncentrační gradienty nejsou tak složité, jak existují v důsledku rozdílu koncentrace látky přes membránu., Ale v případě živých organismů nejsou přechody tak jednoduché. Kromě gradientu koncentrace, elektrický gradient je také přítomen uvnitř živých buněk, protože to není jen ionty, které se pohybují uvnitř i vně buněk, ale intracelulární prostor buněk obsahují některé proteiny, jakož. Většina těchto proteinů se negativně mění a nepohybují se venku. V důsledku toho je vnitřek membrány záporně nabitý, což způsobuje, že přes plazmatickou membránu existuje elektrický gradient kromě koncentračního gradientu způsobeného ionty., Oba tyto elektrické a koncentrační gradienty jsou studovány pod elektrochemickým gradientem.
Chcete-li to pochopit, zvažte pohyb iontů sodíku a draslíku přes membránu. Kromě negativně nabitých proteinů přítomných uvnitř buňky mají buňky vyšší koncentraci draslíku uvnitř buňky a vyšší koncentraci sodíku mimo buňku., Koncentrační gradient pumpuje sodík uvnitř buňky (od vyšší koncentrace po nižší koncentraci) a elektrický gradient také pohání sodík uvnitř buňky kvůli negativně nabitému vnitřku buňky. Situace je však složitější pro draslík. Elektrický gradient draslíku (kladný iont) způsobuje, že je pohyb uvnitř buňky vzhledem k záporně nabité interiér, ale koncentrační gradient draslíku přesune vně buňky (vzhledem k nižší koncentraci draslíku mimo)., Tento proces pohybu v důsledku koncentračního gradientu a elektrického náboje se označuje jako elektrochemický gradient.
Komponenty Elektrochemický Gradient
k Dispozici jsou dvě složky elektrochemické gradientu:
- Elektrické komponenty
- Chemické složky
elektrické součásti výsledky vzhledem k rozdílu v elektrické nabíjení přes plazmatickou membránu. A chemická složka je způsobena rozdílem v koncentraci iontů přes membránu., Kombinace těchto dvou předpovídá termodynamicky příznivý směr pro pohyb iontů přes selektivně permeabilní plazmatickou membránu.
Druhy Aktivní Transportní Mechanismy v Elektrochemických Gradient
k Dispozici jsou dva typy aktivní transportní mechanismy pro pohyb iontů a látek:
- Primární aktivní transport
- Sekundární aktivní transport
Primární aktivní transport pomáhá v pohybu iontů přes membránu a vytváří rozdíl v přechodu, které závisí na ATP přímo., Zatímco sekundární aktivní transport je pro pohyb látek v důsledku elektrochemického gradientu vytvořeného primárním aktivním transportem a tedy nezávisí přímo na ATP.
pohyb proti elektrochemickému gradientu
pohyb látek proti elektrochemickému gradientu nastává v přítomnosti energie. Energie pochází z adenosintrifosfátu (ATP), který je generován během buněčného metabolismu. Aktivní dopravní mechanismy, které jsou společně známé jako čerpadla, pomáhají při pohybu látek proti elektrochemickým gradientům., Mnoho malých látek nepřetržitě prochází buněčnou membránou. Koncentrace iontů a látek je udržována aktivním transportem. Proto se k udržení těchto procesů používá hlavní část metabolické energie buňky.
protože tyto aktivní transportní mechanismy jsou závislé na dodávce energie metabolismem buňky, jakýkoli jed, který může interferovat s metabolismem, aby zastavil dodávku ATP, ovlivní tyto mechanismy.,
Nosné Proteiny pro Aktivní Transport
aktivní transport látek přes membránu je usnadněno přítomnost specifických nosné proteiny nebo čerpadla. Následující tři typy proteinových nosičů nebo přenašečů, které jsou přítomny:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
uniporter je zapojen v dopravě jeden konkrétní iont nebo molekulu. Symporter transportuje dva různé ionty nebo molekuly a oba ve stejném směru., Antiporter působí jako nosný protein pro dva nebo více různých iontů nebo molekul, ale v různých směrech. Tyto proteinové nosiče jsou také zodpovědné za transport malých, nezmapovaných molekul, jako je glukóza. Tyto tři nosné proteiny mají také roli v usnadněné difúzi, ale v tom případě ATP není potřeba., Některé z těchto čerpadel nebo proteinové nosiče pro aktivní transport jsou níže:
Na+-K+ Atpázy: To s sebou nese sodné a draselné ionty,
H+-K+ Atpázy: To transportuje vodíkové a draselné ionty,
Ca+ Atpáza: přepravuje pouze ionty vápníku
H+ Atpázy: Přepravuje pouze vodíkové ionty
první dva z výše uvedených čerpadel jsou antiporter nosné proteiny.,
Elektrochemický Gradient pro Sodné a Draselné Pumpy
elektrochemický gradient Na+/K+ čerpadlo, které je vytvořeno aktivní transportní mechanismus je příkladem elektrochemické gradientu v živých buňkách.
Primární Aktivní Transport
Primární aktivní transport vytváří elektrochemický gradient přes membránu do transportu iontů. Proces je řízen pomocí ATP., Sodné a draselné pumpy jsou jedním z nejdůležitějších čerpadel v živých organismech, které udržuje elektrochemický gradient na membráně. Toto čerpadlo podporuje pohyb dvou iontů draslíku do buňky a tří iontů sodíku mimo buňku. V závislosti na orientaci na vnitřní nebo vnější část buňky a afinitě k oběma iontům je ATPáza Na+-k+ (sodná a draselná pumpa) přítomna ve dvou formách.
proces je dokončen v následujících krocích:
- zpočátku je enzymové čerpadlo nosiče orientováno na vnitřek buňky., Nosič má vysokou afinitu k transportu sodíkových iontů a mohou se na něj vázat tři ionty najednou.
- přenášený protein katalyzuje hydrolýzu ATP a váže k němu nízkoenergetickou fosfátovou skupinu.
- po fosforylaci se změní tvar nosiče a orientace se posune směrem k exteriéru. Výsledkem je snížení afinity k sodíku a tři sodíkové ionty opouštějí čerpadlo.
- změna tvaru nosiče také podporuje připojení dvou iontů draslíku v důsledku zvýšené afinity k iontům draslíku., Díky tomu nízkonapěťová fosfátová skupina opouští nosič.
- po odstranění fosfátové skupiny a připojení iontů draslíku mění nosný protein polohu směrem k vnitřku buňky.
- kvůli změněné konfiguraci se afinita k draslíku snižuje a uvolňuje dva ionty do intracelulárního prostoru. Opět platí, že protein ve svém počátečním stavu má větší afinitu k iontům sodíku a proces začíná znovu.
v důsledku tohoto procesu dochází k mnoha změnám., V této poloze jsou sodíkové ionty ve vyšší koncentraci mimo buňku než uvnitř a ionty draslíku jsou více v intracelulárním prostoru buňky. V důsledku dvou iontů draslíku pohybujících se uvnitř buňky se pohybují tři ionty draslíku venku. Díky tomu je interiér buňky o něco negativnější než exteriér. Tento rozdíl je zodpovědný za vytvoření nezbytných podmínek pro sekundární mechanismus. Čerpadlo sodíku a draslíku tak funguje jako elektrochemické čerpadlo a přispívá k membránovému potenciálu vytvořením elektrické nerovnováhy.,
sekundární aktivní Transport
v sekundárním aktivním transportním procesu, pro jednu molekulu, která se pohybuje dolů elektrochemickým gradientem, se další molekula pohybuje nahoru koncentračním gradientem. V tomto procesu není ATP přímo připojen k nosnému proteinu. Místo toho se molekula nebo iont pohybuje proti svému koncentračnímu gradientu, který vytváří elektrochemický gradient. Požadovaná molekula se pak pohybuje po elektrochemickém gradientu. ATP se v tomto procesu používá také pro generování gradientu a energie se nepoužívá pro pohyb molekuly přes membránu., Proto je známá jako sekundární aktivní doprava.
Antiportery a symportery se podílejí na sekundární aktivní dopravě. Tento proces je zodpovědný za pohyb sodíku a některých dalších látek do buňky. Mezi další látky patří mnoho aminokyselin a glukóza. Je také zodpovědný za udržování vysoké koncentrace vodíkových iontů v mitochondriích rostlin a zvířat pro generování ATP.,
Role Elektrochemický Gradient v Biologických Proces
Elektrochemický gradient určuje směr pohybu látek v biologických procesů difúzí a aktivním transportem. Difúze a aktivní transport vytvářejí elektrochemický potenciál přes membránu. Elektrochemický potenciál je v důsledku:
- Iontová Gradient
- Protonový Gradient
Iontový Gradient
elektrochemický potenciál jako výsledek elektrochemický gradient určuje schopnost iontů přes membránu., Membrána může být z buňky nebo organely nebo jiné sub-sklep entity. Tento potenciál je generován v podstatě vzhledem k rozdílu v koncentraci iontů uvnitř a vně membrány, poplatku přítomen na ionty nebo molekuly, a rozdíl napětí, které existuje přes membránu.
transmembránové ATPázy jsou často zodpovědné za udržování iontových gradientů. Gradient iontů sodíku a draslíku je udržován na+/K+ Atpázou.
protonový Gradient
protonový gradient je stanoven aktivním transportem protonovými pumpami., Tento protonový elektrochemický gradient je zodpovědný za generování chemiosmotického potenciálu (protonová hybná síla) ve fotosyntéze a buněčném dýchání. Protonový gradient je také zodpovědný za ukládání energie pro výrobu tepla a otáčení bičíků.
Tento protonový gradient vzniká během elektronového transportního řetězce v mitochondriích nebo chloroplastu čerpáním protonů přes membránu aktivním transportním mechanismem.
elektrochemický gradient v Bakteriorhodopsinu
elektrochemický gradient způsobuje tvorbu protonového gradientu v Bakteriorhodopsinu., Absorpcí fotonů na vlnové délce 568nm se aktivuje protonová pumpa, která způsobuje pohyb vodíkových iontů z vyšší koncentrace na nižší koncentraci. Po úplném procesu protonového čerpání v důsledku konformačního posunu v sítnici Bakteriorhodopsin obnovuje počáteční klidový stav.
Elektrochemický Gradient v Fosforylace
elektrochemický gradient je také užitečné při vytváření protonového gradientu během procesu fosforylace v mitochondriích., V tomto procesu jsou protony transportovány z mitochondriální matrice do transmembránového prostoru. Protony, které jsou přeneseny, zahrnují I, III a IV protony. Pro generování elektrochemického potenciálu je z matrice transportováno celkem deset protonů do transmembránového prostoru. Elektrochemický potenciál je důležitý pro tvorbu ATP v přítomnosti ATP syntázy. Bez protonového elektrochemického gradientu nedochází k produkci energie v mitochondriích.,
Elektrochemický Gradient v Photophosphorylation
Photophosphorylation, Cyklický a necyklický, zahrnuje přeměnu ADP na ATP za přítomnosti slunečního světla aktivací PSII. Protonový gradient je generován v důsledku absorpce fotonu jako v případě Bakteriorhodopsinu. Elektrony se pohybují v elektronovém transportním řetězci a ATP se vytváří v přítomnosti ATP syntázy. Elektrony jsou transportovány z molekul vysoké energie na molekuly s nízkou energií v elektronovém transportním řetězci., Ve Fotofosforylaci je transmembránový elektrochemický potenciální gradient stanoven pohybem protonů ze stromu do tylakoidního prostoru.
Význam Elektrochemického Gradientu
význam elektrochemického gradientu je zvýrazněna následující body:
- adenosintrifosfát, nebo ATP, je známý jako primární zdroj energie v živých buňkách. Nicméně, kromě ATP také energie uložená v elektrochemickém gradientu, molekuly nebo iontu přes buněčnou membránu, která pomáhá řídit procesy živých organismů.,
- Některé z hlavních biologických procesů, které jsou v důsledku elektrochemického potenciálu nebo gradientu patří nervové vzruchu, svalová kontrakce, sekreci hormonů, a některé smyslové procesy.
- proces oxidační fosforylace v mitochondriích je způsoben protonovým gradientem, který je výsledkem elektrochemického gradientu. Fotonový elektrochemický gradient je nezbytný pro výrobu energie v mitochondriích.
v rostlinách se během fotosyntézy závislé na světle vytvoří protonový elektrochemický gradient., To je zásadní pro dokončení procesu. V obou mitochondrie a chloroplastu, protonového elektrochemického gradientu vytváří chemiosmotická potenciál, který je také známý jako proton motive force. Tato potenciální energie se podílí na syntéze ATP oxidační fosforylací a fotofosforylací.