Inleiding
in levende cellen is het plasmamembraan of het plasmamembraan een selectief doorlatende barrière die selectieve stoffen toelaat er doorheen te gaan. Aldus, handhaaft het verschillende concentraties aan beide kanten van het membraan. Dit leidt tot verschillende elektrische en chemische concentratiegradiënten op het membraanoppervlak die gezamenlijk de elektrochemische gradiënt vormen.
Wat is een elektrochemische gradiënt?,
Het wordt gedefinieerd als het verschil in de lading en de chemische concentratie over het plasmamembraan als gevolg van de selectieve permeabiliteit. De combinatie van de concentratiegradiënt en de elektrische ladingsgradiënt die de beweging van een bepaald ion over het plasmamembraan beà nvloedt is genoemd geworden concentratiegradiënt.
eenvoudige concentratiegradiënten zijn niet zo complex als ze bestaan als gevolg van de differentiële concentratie van een stof in een membraan., Maar in het geval van levende organismen zijn de gradiënten niet zo eenvoudig. Naast een concentratiegradiënt, is een elektrogradiënt ook aanwezig binnen levende cellen omdat het niet alleen de ionen zijn die binnen en buiten de cellen bewegen maar de intracellular ruimte van cellen bevat ook sommige proteã nen. De meeste van deze eiwitten zijn negatief veranderd en bewegen niet naar buiten. Dientengevolge, is de binnenkant van het membraan negatiever geladen die een elektrogradiënt veroorzaakt om over het plasmamembraan naast een concentratiegradiënt toe te schrijven aan ionen te bestaan., Zowel deze elektrische als concentratiegradiënten worden bestudeerd onder een elektrochemische gradiënt.
om dit te begrijpen, overweeg de beweging van natrium – en kaliumionen door het membraan. Naast de negatief geladen proteã nen huidig binnen de cel, hebben de cellen een hogere concentratie van Kalium binnen de cel en een hogere concentratie van natrium buiten de cel., De concentratiegradiënt pompt natrium binnen de cel (van hogere concentratie aan lagere concentratie) en de elektrische gradiënt drijft ook natrium binnen de cel toe te schrijven aan het negatief geladen binnenland van de cel. De situatie is echter complexer voor kalium. De elektrogradiënt van kalium (een positief ion) veroorzaakt het om binnen de cel toe te schrijven aan een negatief geladen binnenland te bewegen maar de concentratiegradiënt van kalium beweegt het buiten de cel (toe te schrijven aan een lagere concentratie van kalium buiten)., Dit proces van beweging toe te schrijven aan concentratiegradiënt en elektrische lading wordt bedoeld als elektrochemische gradiënt.
componenten met een elektrochemische gradiënt
Er zijn twee componenten met een elektrochemische gradiënt:
- elektrische component
- chemische component
De elektrische component wordt veroorzaakt door het verschil in elektrische lading in het plasmamembraan. En de chemische component is te wijten aan het verschil in concentratie van ionen over het membraan., De combinatie van deze twee voorspelt de thermodynamisch gunstige richting voor de beweging van ionen door het selectief permeabele plasmamembraan.
soorten actieve transportmechanismen in elektrochemische gradiënt
Er zijn twee soorten actieve transportmechanismen voor de beweging van ionen en stoffen:
- primair actief transport
- secundair actief transport
primair actief transport helpt bij de beweging van ionen over een membraan en stelt een verschil in gradiënt vast dat direct afhankelijk is van ATP., Terwijl secundair actief transport is voor de beweging van stoffen als gevolg van elektrochemische gradiënt gecreëerd door primair actief transport en dus niet direct afhankelijk van ATP.
bewegen tegen de elektrochemische gradiënt
de beweging van stoffen tegen de elektrochemische gradiënt vindt plaats in aanwezigheid van energie. De energie komt uit adenosine trifosfaat (ATP) dat wordt gegenereerd tijdens het celmetabolisme. Actieve transportmechanismen, die gezamenlijk bekend staan als pompen, helpen bij de beweging van stoffen tegen de elektrochemische gradiënten., Vele kleine substanties gaan onophoudelijk door het celmembraan. De concentratie van ionen en stoffen wordt gehandhaafd door actief transport. Daarom wordt een groot deel van de metabolische energie van de cel gebruikt om deze processen te handhaven.
aangezien deze actieve transportmechanismen afhankelijk zijn van de toevoer van energie door het metabolisme van de cel, zal elk gif dat het metabolisme kan verstoren om de toevoer van ATP te stoppen, deze mechanismen beïnvloeden.,
dragereiwitten voor actief Transport
het actieve transport van stoffen door het membraan wordt vergemakkelijkt door de aanwezigheid van specifieke dragereiwitten of pompen. De volgende drie soorten eiwitdragers of transporters zijn aanwezig:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
een uniporter is betrokken bij het transport van één specifiek ion of molecuul. Een symporter transporteert twee verschillende ionen of moleculen en beide in dezelfde richting., Een antiporter fungeert als dragereiwit voor twee of meer verschillende ionen of moleculen, maar in verschillende richtingen. Deze eiwitdragers zijn ook verantwoordelijk voor het transport van kleine, ongeladen moleculen zoals glucose. Deze drie dragerproteã nen hebben ook een rol in bevorderde verspreiding, maar in dat geval, is ATP niet nodig., Sommige van deze pompen of eiwitdragers voor actief transport zijn hieronder:
Na+-K+ ATPase: het vervoert natrium-en kaliumionen
H+-K+ ATPase: het vervoert waterstof-en kaliumionen
Ca+ ATPase: het vervoert alleen calciumionen
H+ ATPase: het vervoert alleen waterstofionen
de eerste twee van de bovengenoemde pompen zijn antiporter-dragereiwitten.,
elektrochemische gradiënt van natrium-en kaliumpomp
de elektrochemische gradiënt Na+/K+ pomp die wordt vastgesteld door het actieve transportmechanisme is een voorbeeld van een elektrochemische gradiënt in levende cellen.
primair actief Transport
primair actief transport creëert een elektrochemische gradiënt over het membraan door het transport van ionen. Het proces wordt gedreven door het gebruik van ATP., Natrium – en kaliumpomp zijn een van de belangrijkste pompen in levende organismen die een elektrochemische gradiënt over het membraan handhaaft. Deze pomp begunstigt de beweging van twee kaliumionen in de cel en drie natriumionen buiten de cel. Afhankelijk van de oriëntatie op het interieur of exterieur van de cel en affiniteit voor beide ionen, is de Na+-K+ ATPase (natrium-en kaliumpomp) aanwezig in twee vormen.
het proces wordt in de volgende stappen voltooid:
- aanvankelijk is de dragerenzympomp gericht op de binnenkant van de cel., De drager heeft een hoge affiniteit voor het transport van natriumionen en drie ionen kunnen er tegelijkertijd aan binden.
- het meegevoerde eiwit katalyseert de hydrolyse van ATP en bindt er een laag-energetische fosfaatgroep aan.
- na fosforylering wordt de vorm van de drager veranderd en wordt de richting naar buiten verschoven. Hierdoor neemt de affiniteit voor natrium af en verlaten drie natriumionen de pomp.
- de verandering in de vorm van de drager bevordert ook de hechting van twee kaliumionen vanwege de verhoogde affiniteit voor kaliumionen., Hierdoor verlaat de energiezuinige fosfaatgroep de drager.
- na verwijdering van de fosfaatgroep en aanhechting van kaliumionen verandert het dragereiwit van positie naar het binnenste van de cel.
- door de veranderde configuratie neemt de affiniteit voor kalium af en geeft het twee ionen af in de intracellulaire ruimte. Opnieuw, heeft de proteã ne in zijn aanvankelijke staat, een grotere affiniteit voor natriumionen en het proces begint opnieuw.
veel veranderingen treden op als gevolg van dit proces., Bij deze positie, zijn de natriumionen in een hogere concentratie buiten de cel dan binnen en zijn de kaliumionen meer in de intracellular ruimte van de cel. Als gevolg van twee kaliumionen die in de cel bewegen, bewegen drie kaliumionen naar buiten. Dit maakt de binnenkant van de cel iets negatiever dan de buitenkant. Dit verschil is verantwoordelijk voor het creëren van de noodzakelijke voorwaarden voor het secundaire mechanisme. De natrium-kaliumpomp functioneert dus als een elektrochemische pomp en draagt bij aan membraanpotentiaal door een elektrische onbalans tot stand te brengen.,
secundair actief Transport
in het secundair actief transportproces beweegt een molecuul dat langs de elektrochemische gradiënt beweegt, een ander molecuul zijn concentratiegradiënt op. In dit proces, is ATP niet direct in bijlage aan de dragerproteã ne. In plaats daarvan, beweegt de molecule of het ion zich tegen zijn concentratiegradiënt die een elektrochemische gradiënt vaststelt. Het vereiste molecuul beweegt dan onderaan de elektrochemische gradiënt. ATP wordt ook gebruikt in dit proces voor het produceren van gradiënt en de energie wordt niet gebruikt voor de beweging van een molecule over het membraan., Daarom staat het bekend als secundair actief transport.
Antiporters en symporters zijn betrokken bij secundair actief transport. Dit proces is verantwoordelijk voor de beweging van natrium en enkele andere stoffen in de cel. De andere stoffen omvatten vele aminozuren en glucose ook. Het is ook verantwoordelijk voor het handhaven van een hoge concentratie waterstofionen in de mitochondriën van planten en dieren voor het genereren van ATP.,
rol van elektrochemische gradiënt in biologisch proces
elektrochemische gradiënt bepaalt de bewegingsrichting van stoffen in biologische processen door diffusie en actief transport. De diffusie en het actieve transport genereren een elektrochemisch potentieel over het membraan. Het elektrochemische potentieel wordt veroorzaakt door:
- Iongradiënt
- Protongradiënt
Iongradiënt
het elektrochemische potentieel als gevolg van de elektrochemische gradiënt bepaalt het vermogen van ionen om het membraan te passeren., Het membraan kan van cel of organelle of een andere sub-kelderentiteit zijn. Dit potentieel wordt geproduceerd fundamenteel wegens het verschil in concentratie van ionen binnen en buiten het membraan, de last huidig op ionen of molecules, en het voltageverschil dat over het membraan bestaat.
Transmembrane ATPases zijn vaak verantwoordelijk voor het behoud van ionen-gradiënten. De natrium-en kaliumiongradiënt wordt gehandhaafd door Na+/K+ ATPase.
Protongradiënt
De protongradiënt wordt bepaald door actief transport door protonpompen., Deze Proton elektrochemische gradiënt is verantwoordelijk voor het genereren van chemiosmotic potentiaal (Proton motive force) in fotosynthese en cellulaire ademhaling. De Proton gradiënt is ook verantwoordelijk voor het opslaan van energie voor het produceren van warmte en rotatie van flagella.
deze protongradiënt wordt gevormd tijdens de elektronentransportketen in mitochondriën of chloroplast door het pompen van protonen door het membraan door een actief transportmechanisme.
elektrochemische gradiënt in Bacteriorhodopsine
elektrochemische gradiënt veroorzaakt de vorming van de protongradiënt in Bacteriorhodopsine., Door de absorptie van fotonen bij een golflengte van 568nm, wordt een protonpomp geactiveerd die de beweging van waterstofionen van een hogere concentratie naar een lagere concentratie veroorzaakt. Na het volledige proces van proton het pompen toe te schrijven aan de conformational verschuiving in het netvlies, herstelt Bacteriorhodopsin de aanvankelijke rusttoestand.
elektrochemische gradiënt in fosforylering
de elektrochemische gradiënt is ook nuttig bij het genereren van een protongradiënt tijdens het fosforylatieproces in mitochondriën., In dit proces worden protonen getransporteerd van de mitochondriale matrix naar de transmembraanruimte. De protonen, die worden overgedragen, omvatten I, III, en IV protonen. Voor het genereren van een elektrochemisch potentieel worden in totaal tien protonen van de matrix naar de transmembraanruimte getransporteerd. Het elektrochemische potentieel is belangrijk voor de generatie van ATP in aanwezigheid van ATP synthase. Zonder de proton elektrochemische gradiënt, energieproductie vindt niet plaats in mitochondriën.,
elektrochemische gradiënt in fotofosforylering
fotofosforylering, cyclisch en niet-cyclisch, omvat de omzetting van ADP in ATP in aanwezigheid van zonlicht door activering van PSII. De protongradiënt wordt gegenereerd wegens de absorptie van het foton zoals in het geval van Bacteriorhodopsin. Elektronen bewegen zich in de keten van het elektronentransport en ATP wordt gevormd in aanwezigheid van ATP synthase. De elektronen worden getransporteerd van hoog-energetische moleculen naar laag-energetische moleculen in de elektronentransportketen., In Photofosforylation, wordt een transmembrane elektrochemische potentiële gradiënt door de beweging van protonen van stroma aan thylakoidruimte gevestigd.
belang van de elektrochemische gradiënt
Het belang van de elektrochemische gradiënt wordt benadrukt door de volgende punten:
- adenosinetrifosfaat, of ATP, staat bekend als de primaire energiebron in levende cellen. Nochtans, naast de ATP-energie wordt ook opgeslagen in de elektrochemische gradiënt van een molecuul of ion over het celmembraan dat helpt om processen van het leven organismen te drijven.,
- enkele van de belangrijkste biologische processen die te wijten zijn aan het elektrochemische potentieel of de gradiënt omvatten zenuwimpulsgeleiding, spiercontractie, hormoonsecretie en sommige sensorische processen.
- het proces van oxidatieve fosforylering in mitochondriën is toe te schrijven aan de protongradiënt die een resultaat is van een elektrochemische gradiënt. De foton elektrochemische gradiënt is essentieel voor de productie van energie in mitochondriën.
in planten wordt tijdens de lichtafhankelijke reacties van fotosynthese een proton elektrochemische gradiënt vastgesteld., Dit is cruciaal voor de voltooiing van het proces. In zowel mitochondriën als chloroplast, produceert de proton elektrochemische gradiënt chemiosmotic potentieel dat ook bekend staat als de Proton motive force. Deze potentiële energie is betrokken bij de synthese van ATP door oxidatieve fosforylatie en fotofosforylatie.