introduktion
i levende celler er plasmamembranen eller cellemembranen en selektivt permeabel barriere, der tillader selektive stoffer at passere gennem den. Således opretholder den forskellige koncentrationer på begge sider af membranen. Dette giver anledning til forskellige elektriske og kemiske koncentrationsgradienter på membranoverfladen, som samlet danner den elektrokemiske gradient.
Hvad er en elektrokemisk Gradient?,
det defineres som forskellen i ladningen og den kemiske koncentration over plasmamembranen på grund af dens selektive permeabilitet. Kombinationen af koncentrationsgradienten og den elektriske ladningsgradient, der påvirker bevægelsen af en bestemt ion over plasmamembranen, er kendt som en koncentrationsgradient.
Simple koncentration gradienter er ikke så kompliceret, som de eksisterer på grund af den differentierede koncentration af et stof på tværs af en membran., Men i tilfælde af levende organismer er gradienterne ikke så enkle. Ud over en koncentrationsgradient er en elektrisk gradient også til stede i levende celler, fordi det ikke kun er ionerne, der bevæger sig inde i og uden for cellerne, men cellernes intracellulære rum indeholder også nogle proteiner. De fleste af disse proteiner ændres negativt og bevæger sig ikke udenfor. Som et resultat af dette er indersiden af membranen mere negativt ladet, hvilket får en elektrisk gradient til at eksistere over plasmamembranen ud over en koncentrationsgradient på grund af ioner., Både disse elektriske og koncentrationsgradienter studeres under en elektrokemisk gradient.
for at forstå dette skal du overveje bevægelsen af natrium-og kaliumioner over membranen. Ud over de negativt ladede proteiner, der er til stede inde i cellen, har cellerne en højere koncentration af kalium inde i cellen og en højere koncentration af natrium uden for cellen., Koncentrationsforskellen pumper natrium inde i cellen (fra højere koncentration til lavere koncentration) og den elektriske gradient også drev natrium inde i cellen på grund af den negativt ladede indre af cellen. Situationen er imidlertid mere kompleks for kalium. Den elektriske gradient af kalium (positiv ion), som får den til at bevæge sig inde i cellen på grund af en negativt ladet, interiør, men koncentrationsforskellen af kalium bevæger sig uden for cellen (på grund af en lavere koncentration af kalium udenfor)., Denne bevægelsesproces på grund af koncentrationsgradient og elektrisk ladning betegnes som elektrokemisk gradient.
Komponenter af Elektrokemiske Gradient
Der er to komponenter i en elektrokemisk gradient:
- Elektrisk komponent
- Kemisk komponent
Den elektriske komponent resultater på grund af forskellen i elektrisk ladning på tværs af plasma membranen. Og den kemiske komponent skyldes forskellen i koncentration af ioner over membranen., Kombinationen af disse to forudsiger den termodynamisk gunstige retning for bevægelsen af ioner gennem den selektivt permeable plasmamembran.
Former for Aktiv Transport Mekanismer i Elektrokemiske Gradient
Der er to typer af aktiv transport mekanismer for transport af ioner og stoffer:
- Primær aktiv transport
- Sekundær aktiv transport
Primær aktiv transport hjælper med at transportere ioner over en membran, og skaber en forskel i gradient, som afhænger af ATP direkte., Mens sekundær aktiv transport er til bevægelse af stoffer som følge af elektrokemisk gradient skabt af primær aktiv transport og dermed ikke afhænger af ATP direkte.
bevægelse mod elektrokemisk Gradient
bevægelsen af stoffer mod den elektrokemiske gradient forekommer i nærvær af energi. Energien kommer fra adenosintrifosfat (ATP), der genereres under cellemetabolisme. Aktive transportmekanismer, der kollektivt er kendt som pumper, hjælper med at bevæge stoffer mod de elektrokemiske gradienter., Mange små stoffer passerer kontinuerligt gennem cellemembranen. Koncentrationen af ioner og stoffer opretholdes ved aktiv transport. Derfor bruges en stor del af cellens metaboliske energi til at opretholde disse processer.da disse aktive transportmekanismer er afhængige af energiforsyningen ved cellens metabolisme, vil enhver gift, der kan forstyrre metabolismen for at stoppe tilførslen af ATP, påvirke disse mekanismer.,
bærerproteiner til aktiv Transport
den aktive transport af stoffer over membranen lettes ved tilstedeværelsen af specifikke bærerproteiner eller pumper. Følgende tre typer af protein bærere eller transportører, der er til stede:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
En uniporter er involveret i transport af en bestemt ion eller et molekyle. En symporter transporterer to forskellige ioner eller molekyler og begge i samme retning., En antiporter fungerer som et bærerprotein til to eller flere forskellige ioner eller molekyler, men i forskellige retninger. Disse proteinbærere er også ansvarlige for transport af små, uladede molekyler, såsom glukose. Disse tre bærerproteiner har også en rolle i lettere diffusion, men i dette tilfælde er ATP ikke nødvendig., Nogle af disse pumper eller protein bærere for aktiv transport er nedenfor:
Na+-K+ ATPase: Det bærer natrium-og kalium-ioner
H+-K+ ATPase: Det transporterer brint-og kalium-ioner
Ca+ ATPase: Det transporterer kun calcium-ioner
H+ – ATPase: Det transporterer kun brint ioner
De to første af de ovenfor nævnte pumper er antiporter transportøren proteiner.,
Elektrokemiske Gradient af Natrium-og Kalium-Pumpen
Den elektrokemiske gradient Na+/K+ – pumpen, der er etableret ved en aktiv transportmekanisme er et eksempel på en elektrokemisk gradient i levende celler.
Primær Aktiv Transport
Primær aktiv transport skaber en elektrokemisk gradient på tværs af membranen ved transport af ioner. Processen drives ved at bruge ATP., Natrium-og kaliumpumpe er en af de vigtigste pumper i levende organismer, der opretholder en elektrokemisk gradient over membranen. Denne pumpe favoriserer bevægelsen af to kaliumioner ind i cellen og tre natriumioner uden for cellen. Afhængig af orienteringen til det indre eller ydre af cellen og affiniteten for begge ioner er Na+-K+ ATPase (natrium-og kaliumpumpe) til stede i to former.
processen er afsluttet i følgende trin:
- indledningsvis er bæreren .ympumpen orienteret mod det indre af cellen., Bæreren har en høj affinitet for natriumioner transport og tre ioner kan binde til det ad gangen.
- det transporterede protein katalyserer hydrolysen af ATP og binder en fosfatgruppe med lav energi til den.
- efter phosphorylering ændres formen af bæreren, og orienteringen forskydes mod ydersiden. Som et resultat reduceres affiniteten for natrium, og tre natriumioner forlader pumpen.
- ændringen i bærerens form favoriserer også fastgørelsen af to kaliumioner på grund af øget affinitet for kaliumioner., På grund af dette forlader lavenergifosfatgruppen bæreren.
- efter fjernelse af fosfatgruppen og fastgørelse af kaliumioner ændrer bærerproteinet position mod det indre af cellen.
- på grund af den ændrede konfiguration falder affiniteten for kalium, og den frigiver to ioner i det intracellulære rum. Igen har proteinet i sin oprindelige tilstand en større affinitet for natriumioner, og processen starter igen.
mange ændringer opstår som følge af denne proces., I denne position er natriumioner i en højere koncentration uden for cellen end indeni, og kaliumioner er mere i det intracellulære rum i cellen. Som et resultat af to kaliumioner, der bevæger sig inde i cellen, bevæger tre kaliumioner sig udenfor. Dette gør det indre af cellen lidt mere negativt end det ydre. Denne forskel er ansvarlig for at skabe de nødvendige betingelser for den sekundære mekanisme. Natrium-kaliumpumpen fungerer således som en elektrokemisk pumpe og bidrager til membranpotentiale ved at etablere en elektrisk ubalance.,
sekundær aktiv Transport
i den sekundære aktive transportproces for et molekyle, der bevæger sig ned ad den elektrokemiske gradient, bevæger et andet molekyle sin koncentrationsgradient op. I denne proces er ATP ikke direkte fastgjort til bærerproteinet. I stedet bevæger molekylet eller ionen sig mod dets koncentrationsgradient, der etablerer en elektrokemisk gradient. Det krævede molekyle bevæger sig derefter ned ad den elektrokemiske gradient. ATP bruges også i denne proces til at generere gradient, og energi bruges ikke til bevægelse af et molekyle over membranen., Derfor er det kendt som sekundær aktiv transport.
Antiporters og symporters er involveret i sekundær aktiv transport. Denne proces er ansvarlig for bevægelsen af natrium og nogle andre stoffer ind i cellen. De andre stoffer omfatter også mange aminosyrer og glukose. Det er også ansvarligt for at opretholde en høj hydrogenionkoncentration i mitokondrier af planter og dyr til generering af ATP.,
elektrokemisk gradients rolle i biologisk proces
elektrokemisk gradient bestemmer bevægelsesretningen for stoffer i biologiske processer ved diffusion og aktiv transport. Diffusionen og den aktive transport genererer et elektrokemisk potentiale over membranen. Det elektrokemiske potentiale skyldes:
- Iongradient
- protongradient
Iongradient
det elektrokemiske potentiale som følge af den elektrokemiske gradient bestemmer ions evne til at krydse membranen., Membranen kan være af celle eller organelle eller enhver anden underkælder enhed. Dette potentiale genereres grundlæggende på grund af forskellen i koncentration af ioner inde i og uden for membranen, ladningen, der findes på ioner eller molekyler, og spændingsforskellen, der findes over membranen.
Transmembrane Atpaser er ofte ansvarlige for at opretholde iongradienter. Natrium – og kaliumiongradienten opretholdes ved hjælp af Na+/K+ ATPase.
protongradient
protongradienten etableres ved aktiv transport med protonpumper., Denne proton elektrokemiske gradient er ansvarlig for at generere kemiosmotisk potentiale (protonmotiv kraft) i fotosyntese og cellulær respiration. Protongradienten er også ansvarlig for at opbevare energi til produktion af varme og rotation af flagella.
denne protongradient dannes under elektrontransportkæden i mitokondrier eller chloroplast ved pumpning af protoner over membranen ved hjælp af en aktiv transportmekanisme.
elektrokemisk gradient i Bakteriorhodopsin
elektrokemisk gradient forårsager dannelsen af protongradienten i Bakteriorhodopsin., Ved absorption af fotoner ved en bølgelængde på 568 nm aktiveres en protonpumpe, der forårsager bevægelse af hydrogenioner fra en højere koncentration til en lavere koncentration. Efter den komplette proces med protonpumpning på grund af konformationsskiftet i nethinden genopretter Bakteriorhodopsin den oprindelige hviletilstand.
elektrokemisk Gradient ved phosphorylering
den elektrokemiske gradient er også nyttig til at generere en protongradient under processen med phosphorylering i mitokondrier., I denne proces transporteres protoner fra mitokondriematrixen til transmembranrummet. De protoner, der overføres, omfatter I, III og IV protoner. For at generere et elektrokemisk potentiale transporteres i alt ti protoner fra Matri theen til transmembranrummet. Det elektrokemiske potentiale er vigtigt for dannelsen af ATP i nærvær af ATP-syntase. Uden den proton elektrokemiske gradient forekommer energiproduktion ikke i mitokondrier.,
elektrokemisk Gradient i fotophosphorylering
fotophosphorylering, cyklisk og ikke-cyklisk involverer omdannelsen af ADP til ATP i nærvær af sollys ved aktivering af PSII. Protongradienten genereres på grund af absorptionen af fotonen som i tilfælde af Bakteriorhodopsin. Elektroner bevæger sig i elektrontransportkæden, og ATP dannes i nærvær af ATP-syntase. Elektronerne transporteres fra højenergimolekyler til lavenergimolekyler i elektrontransportkæden., Ved fotophosphorylering etableres en transmembran elektrokemisk potentialgradient ved bevægelse af protoner fra stroma til thylakoidrum.
Betydningen af Elektrokemiske Gradient
betydningen af den elektrokemiske gradient, som er fremhævet ved følgende punkter:
- Adenosin trifosfat, eller ATP, er kendt som den primære energikilde i levende celler. Ud over ATP-energien lagres imidlertid også i den elektrokemiske gradient af et molekyle eller ion over cellemembranen, som hjælper med at drive processer fra levende organismer.,
- nogle af de vigtigste biologiske processer, der skyldes det elektrokemiske potentiale eller gradient, inkluderer nerveimpulsledning, muskelkontraktion, hormonsekretion og nogle sensoriske processer.
- processen med o .idativ phosphorylering i mitokondrier skyldes protongradienten, som er et resultat af en elektrokemisk gradient. Den foton elektrokemiske gradient er afgørende for produktionen af energi i mitokondrier.
i planter etableres en protonelektrokemisk gradient under de lysafhængige reaktioner af fotosyntese., Dette er afgørende for færdiggørelsen af processen. I både mitokondrier og chloroplast genererer den proton elektrokemiske gradient kemiosmotisk potentiale, som også er kendt som protonens drivkraft. Denne potentielle energi er involveret i syntesen af ATP ved O .idativ phosphorylering og fotophosphorylering.