Bevezetés
élő sejtekben a plazmamembrán vagy sejtmembrán szelektíven áteresztő gát, amely lehetővé teszi a szelektív anyagok áthaladását. Így különböző koncentrációkat tart fenn a membrán mindkét oldalán. Ez különböző elektromos és kémiai koncentráció gradienseket eredményez a membrán felületén, amelyek együttesen alkotják az elektrokémiai gradienst.
mi az elektrokémiai gradiens?,
a töltés és a plazmamembránon belüli kémiai koncentráció különbsége a szelektív permeabilitása miatt. A koncentráció gradiens és az elektromos töltésgradiens kombinációja, amely befolyásolja egy adott ion mozgását a plazmamembránon, koncentrációs gradiensként ismert.
egyszerű koncentrációs gradiensek nem olyan összetettek, mivel egy anyag membránon keresztüli differenciálkoncentrációja miatt léteznek., De élő szervezetek esetében a színátmenetek nem olyan egyszerűek. A koncentrációs gradiens mellett egy elektromos gradiens is jelen van az élő sejtekben, mivel nemcsak az ionok mozognak a sejteken belül és kívül, hanem a sejtek intracelluláris térében is vannak fehérjék. Ezeknek a fehérjéknek a többsége negatívan változik, és nem mozdulnak ki. Ennek eredményeként a membrán belseje negatívabb töltésű, ami elektromos gradienst eredményez a plazmamembránon, az ionok miatti koncentrációs gradiens mellett., Mind az elektromos, mind a koncentráció gradienseket elektrokémiai gradiens alatt tanulmányozzák.
ennek megértéséhez fontolja meg a nátrium-és káliumionok mozgását a membránon keresztül. A sejten belül jelen lévő negatív töltésű fehérjék mellett a sejtekben nagyobb a káliumkoncentráció a sejten belül, és nagyobb a nátriumkoncentráció a sejten kívül., A koncentrációs gradiens a sejt belsejében nátriumot pumpál (a magasabb koncentrációtól az alacsonyabb koncentrációig), az elektromos gradiens pedig a sejt belsejében nátriumot is vezet a sejt negatív töltésű belseje miatt. A kálium esetében azonban a helyzet összetettebb. A kálium (pozitív ion) elektromos gradiense a negatív töltésű belső tér miatt a sejt belsejében mozog, de a kálium koncentrációs gradiense a sejten kívül mozgatja (a külső kálium alacsonyabb koncentrációja miatt)., Ezt a mozgási folyamatot a koncentráció gradiens és az elektromos töltés miatt elektrokémiai gradiensnek nevezzük.
Alkatrészek Elektrokémiai Gradiens
két komponenst egy elektrokémiai gradiens:
- Elektromos alkatrész
- a Kémiai összetevő
Az elektromos alkatrész eredmények miatt a különbség az elektromos töltés túloldalán, a plazma membrán. A kémiai komponens az ionok koncentrációjának különbsége a membránon keresztül., E kettő kombinációja megjósolja az ionok szelektíven áteresztő plazmamembránon keresztüli mozgásának termodinamikailag kedvező irányát.
Típusú Aktív Transzport Mechanizmusok az Elektrokémiai Gradiens
két típusú aktív transzport mechanizmusok a mozgás ionok pedig anyagok:
- Elsődleges aktív közlekedési
- Másodlagos aktív transzport
Elsődleges aktív közlekedési segít a mozgás ionok át a membrán, valamint létrehozza a különbség a gradiens, amely attól függ, ATP közvetlenül., Míg a másodlagos aktív transzport az anyagok mozgását jelenti az elsődleges aktív transzport által létrehozott elektrokémiai gradiens eredményeként, így nem függ közvetlenül az ATP-től.
mozgó elektrokémiai gradiens ellen
az anyagok mozgása az elektrokémiai gradiens ellen energia jelenlétében történik. Az energia az adenozin-trifoszfátból (ATP) származik, amely a sejtek anyagcseréje során keletkezik. Az aktív szállítási mechanizmusok, amelyeket együttesen szivattyúknak neveznek, segítik az anyagok mozgását az elektrokémiai gradiensek ellen., Sok kis anyag folyamatosan áthalad a sejtmembránon. Az ionok és anyagok koncentrációját aktív szállítás tartja fenn. Ezért a sejt metabolikus energiájának jelentős részét ezen folyamatok fenntartására használják.
mivel ezek az aktív szállítási mechanizmusok a sejt anyagcseréjének energiaellátásától függenek, minden olyan méreg, amely zavarhatja az anyagcserét az ATP ellátásának megállítása érdekében, befolyásolja ezeket a mechanizmusokat.,
hordozófehérjék az aktív szállításhoz
az anyagok membránon keresztüli aktív szállítását specifikus hordozófehérjék vagy szivattyúk jelenléte segíti elő. A következő három típusú fehérje hordozók vagy transzporterek, amelyek jelen vannak:
- Uniporters
- Symportters
- Antiporters
egy uniporter részt vesz egy adott ion vagy molekula szállításában. A symporter két különböző iont vagy molekulát szállít, mindkettő ugyanabban az irányban., Az antiporter két vagy több különböző ion vagy molekula hordozófehérjeként működik, de különböző irányokban. Ezek a fehérjehordozók felelősek a kis, nem feltöltött molekulák, például a glükóz szállításáért is. Ez a három hordozófehérje szintén szerepet játszik a megkönnyített diffúzióban, de ebben az esetben az ATP-re nincs szükség., Néhány ezek a szivattyúk vagy fehérje fuvarozók az aktív szállítás alatt:
Na+-K+ – Atpáz: Ez hordozza a nátrium-kálium-ionok
a H+-K+ – Atpáz: Ez emeli a hidrogén -, valamint kálium-ionok
Ca+ Atpáz: szállítja csak a kalcium-ionok
a H+ Atpáz: Szállítja csak a hidrogén-ionok
Az első kettő a fenti szivattyúk antiporter hordozó fehérjék.,
nátrium-és káliumszivattyú elektrokémiai gradiense
az aktív transzportmechanizmus által létrehozott Na+/K+ elektrokémiai gradiens az élő sejtek elektrokémiai gradiensének példája.
primer Active Transport
primer active transport elektrokémiai gradienst hoz létre a membránon keresztül ionok szállításával. A folyamatot az ATP használatával hajtják végre., A nátrium – és káliumszivattyú az élő szervezetek egyik legfontosabb szivattyúja, amely elektrokémiai gradienst tart fenn a membránon keresztül. Ez a szivattyú elősegíti két káliumion mozgását a sejtbe, három nátriumion pedig a sejten kívül. Attól függően, hogy az orientáció, hogy a belső vagy külső a cellára, majd affinitása mindkét ionok, a Na+-K+ – Atpáz (nátrium-kálium-szivattyú) két formában van jelen.
a folyamat a következő lépésekben fejeződik be:
- kezdetben a hordozó enzimszivattyú a sejt belseje felé irányul., A hordozónak nagy affinitása van a nátrium-ionok transzportjához, és egyszerre három iont képes megkötni.
- a szállított fehérje katalizálja az ATP hidrolízisét, és alacsony energiájú foszfátcsoportot köt hozzá.
- a foszforiláció után a hordozó alakja megváltozik,a tájolás pedig a külső felé tolódik. Ennek eredményeként csökken a nátrium affinitása, három nátriumion elhagyja a szivattyút.
- a hordozó alakjának változása szintén elősegíti a két káliumion kötődését a káliumionok iránti fokozott affinitás miatt., Emiatt az alacsony energiájú foszfátcsoport elhagyja a hordozót.
- a foszfátcsoport eltávolítása és a káliumionok kötődése után a hordozófehérje a sejt belseje felé változik.
- a megváltozott konfigurációnak köszönhetően csökken a kálium affinitása, és két iont bocsát ki az intracelluláris térbe. Ismét a fehérje kezdeti állapotában nagyobb affinitást mutat a nátriumionokkal szemben, és a folyamat újra megkezdődik.
ennek a folyamatnak számos változása következik be., Ebben a helyzetben a nátriumionok nagyobb koncentrációban vannak a sejten kívül, mint belül, a káliumionok pedig inkább a sejt intracelluláris térében vannak. A sejt belsejében mozgó két káliumion eredményeként három káliumion mozog. Ez a cella belsejét kissé negatívabbá teszi, mint a külső. Ez a különbség felelős a másodlagos mechanizmushoz szükséges feltételek megteremtéséért. A nátrium-kálium szivattyú tehát elektrokémiai szivattyúként működik, és elektromos egyensúlyhiány kialakulásával hozzájárul a membránpotenciálhoz.,
másodlagos aktív transzport
a másodlagos aktív transzportfolyamatban egy olyan molekula esetében, amely lefelé mozog az elektrokémiai gradiensben, egy másik molekula felfelé mozgatja a koncentrációs gradienst. Ebben a folyamatban az ATP nem kapcsolódik közvetlenül a hordozó fehérjéhez. Ehelyett a molekula vagy az ion a koncentrációs gradiens ellen mozog, amely elektrokémiai gradienst hoz létre. A szükséges molekula ezután lefelé mozog az elektrokémiai gradiensben. Az ATP-t ebben a folyamatban is használják gradiens generálására, az energiát pedig nem használják egy molekula membránon keresztüli mozgására., Ezért nevezik másodlagos aktív szállításnak.
az Antiporterek és a symporterek másodlagos aktív közlekedésben vesznek részt. Ez a folyamat felelős a nátrium és más anyagok sejtbe történő bejutásáért. A többi anyag számos aminosavat és glükózt tartalmaz. Felelős továbbá a növények és állatok mitokondriumaiban a magas hidrogénion-koncentráció fenntartásáért az ATP előállításához.,
az elektrokémiai gradiens szerepe a biológiai folyamatban
az elektrokémiai gradiens meghatározza az anyagok mozgásának irányát a biológiai folyamatokban diffúzióval és aktív transzporttal. A diffúzió és az aktív transzport elektrokémiai potenciált hoz létre a membránon keresztül. Az elektrokémiai potenciál oka:
- Ion gradiens
- Proton gradiens
Ion gradiens
az elektrokémiai gradiens eredményeként az elektrokémiai potenciál meghatározza az ionok azon képességét, hogy átlépjék a membránt., A membrán lehet sejt vagy organelle vagy bármely más al-pince entitás. Ez a potenciál alapvetően a membránon belüli és kívüli ionok koncentrációjának, az ionokon vagy molekulákon jelen lévő töltésnek, valamint a membránon belüli feszültségkülönbségnek köszönhető.
a transzmembrán Atpázok gyakran felelősek az ionok gradienseinek fenntartásáért. A nátrium-és káliumion-gradienst Na+/K+ ATPáz tartja fenn.
Proton gradiens
a proton gradienst protonpumpák aktív szállításával állapítják meg., Ez a proton-elektrokémiai gradiens felelős a fotoszintézis és a sejtlégzés kemiozmotikus potenciáljának (protonmotívum-erő) létrehozásáért. A proton gradiens feladata továbbá a flagella hőtermelésének és forgásának energiájának tárolása is.
Ez a protongradiens a mitokondriumokban vagy a kloroplasztban lévő elektron-szállítási lánc során alakul ki azáltal, hogy a protonokat aktív transzportmechanizmussal pumpálják a membránon keresztül.
elektrokémiai gradiens Bakteriorhodopszinban
az elektrokémiai gradiens a proton gradiens generációját okozza Bakteriorhodopszinban., Az 568nm hullámhosszú fotonok abszorpciójával aktiválódik egy protonpumpa, amely a hidrogénionok nagyobb koncentrációtól alacsonyabb koncentrációig történő mozgását okozza. A protonpumpálás teljes folyamata után a retina konformációs eltolódása miatt a Bakteriorhodopszin visszaállítja a kezdeti nyugalmi állapotot.
elektrokémiai gradiens Foszforilációban
az elektrokémiai gradiens a mitokondriumok foszforilációjának folyamata során protongradiens létrehozásában is hasznos., Ebben a folyamatban a protonokat a mitokondriális mátrixból a transzmembrán térbe szállítják. Az átadott protonok közé tartoznak az I, III és IV protonok. Az elektrokémiai potenciál előállításához összesen tíz protont szállítanak a mátrixból a transzmembrán térbe. Az elektrokémiai potenciál fontos az ATP előállításához ATP szintáz jelenlétében. A proton elektrokémiai gradiens nélkül az energiatermelés nem fordul elő mitokondriumokban.,
elektrokémiai gradiens a Fotofoszforilációban
fotofoszforiláció, ciklikus és nem ciklikus, magában foglalja az ADP ATP átalakítását napfény jelenlétében a PSII aktiválásával. A proton gradiens a foton felszívódása miatt keletkezik, mint a Bakteriorhodopszin esetében. Az elektronok az elektron-szállítási láncban mozognak, az ATP pedig ATP-szintáz jelenlétében alakul ki. Az elektronokat nagy energiájú molekulákból alacsony energiájú molekulákba szállítják az elektronszállítási láncban., A fotofoszforiláció során transzmembrán elektrokémiai potenciálgradienst állapítanak meg a protonok strómából a thylakoid térbe történő mozgatásával.
az elektrokémiai gradiens fontossága
az elektrokémiai gradiens fontosságát a következő pontok hangsúlyozzák:
- az adenozin-trifoszfát vagy ATP, az élő sejtek elsődleges energiaforrásaként ismert. Az ATP energia mellett azonban egy molekula vagy ion elektrokémiai gradiensében is tárolódik a sejtmembránon keresztül, amely segít az élő szervezetek folyamatainak vezetésében.,
- az elektrokémiai potenciál vagy gradiens miatt bekövetkező főbb biológiai folyamatok közé tartozik az idegimpulzus vezetés, az izomösszehúzódás, a hormonszekréció és néhány érzékszervi folyamat.
- az oxidatív foszforiláció folyamata a mitokondriumokban a proton gradiensnek köszönhető, amely elektrokémiai gradiens eredménye. A foton elektrokémiai gradiens elengedhetetlen a mitokondriumok energiatermeléséhez.
növényekben a fotoszintézis fényfüggő reakciói során proton elektrokémiai gradiens jön létre., Ez elengedhetetlen a folyamat befejezéséhez. Mind a mitokondriumokban, mind a kloroplasztban a proton elektrokémiai gradiens kemiozmotikus potenciált generál, amelyet protonmotív erőnek is neveznek. Ez a potenciális energia részt vesz az ATP oxidatív foszforilációval és fotofoszforilációval történő szintézisében.