Introducere
în celulele vii, membrana plasmatică sau membrana celulară este o barieră selectiv permeabilă care permite substanțelor selective să treacă prin ea. Astfel, menține concentrații diferite pe ambele părți ale membranei. Acest lucru dă naștere la diferite gradienți de concentrație electrică și chimică pe suprafața membranei care formează colectiv gradientul electrochimic.
ce este un Gradient electrochimic?,
este definită ca diferența dintre sarcină și concentrația chimică pe membrana plasmatică datorită permeabilității sale selective. Combinația dintre gradientul de concentrație și gradientul de sarcină electrică care afectează mișcarea unui anumit ion pe membrana plasmatică este cunoscută sub numele de gradient de concentrație.gradienții de concentrație simpli nu sunt atât de complexi, deoarece există datorită concentrației diferențiale a unei substanțe pe o membrană., Dar în cazul organismelor vii, gradienții nu sunt atât de simpli. În plus față de un gradient de concentrație, un gradient electric este prezent și în interiorul celulelor vii, deoarece nu numai ionii se mișcă în interiorul și în afara celulelor, ci și spațiul intracelular al celulelor conțin și unele proteine. Majoritatea acestor proteine sunt schimbate negativ și nu se mișcă afară. Drept urmare, interiorul membranei este încărcat mai negativ, ceea ce determină existența unui gradient electric pe membrana plasmatică, pe lângă un gradient de concentrație datorat ionilor., Atât gradienții electrici, cât și cei de concentrație sunt studiați sub un gradient electrochimic.pentru a înțelege acest lucru, luați în considerare mișcarea ionilor de sodiu și potasiu pe membrană. În plus față de proteinele încărcate negativ prezente în interiorul celulei, celulele au o concentrație mai mare de potasiu în interiorul celulei și o concentrație mai mare de sodiu în afara celulei., Gradientul de concentrație pompează sodiu în interiorul celulei (de la concentrație mai mare la concentrație mai mică), iar gradientul electric conduce, de asemenea, sodiu în interiorul celulei datorită interiorului încărcat negativ al celulei. Cu toate acestea, situația este mai complexă pentru potasiu. Gradientul electric de potasiu (un ion pozitiv) îl determină să se miște în interiorul celulei datorită unui interior încărcat negativ, dar gradientul de concentrație de potasiu îl deplasează în afara celulei (datorită unei concentrații mai mici de potasiu în exterior)., Acest proces de mișcare datorită gradientului de concentrație și încărcăturii electrice este denumit gradient electrochimic.
componente ale gradientului electrochimic
există două componente ale unui gradient electrochimic:
- componenta electrică
- componenta chimică
componenta electrică rezultă datorită diferenței de sarcină electrică pe membrana plasmatică. Și componenta chimică se datorează diferenței de concentrație a ionilor din membrană., Combinația dintre aceste două prezice direcția termodinamică favorabilă pentru mișcarea ionilor prin membrana plasmatică selectiv permeabilă.
Tipuri de Mecanisme de Transport Activ în Gradient Electrochimic
Există două tipuri de mecanisme de transport activ pentru mișcarea de ioni și substanțe:
- activ Primar de transport
- Secundar transportul activ
Primare transport activ ajută în mișcare a ionilor printr-o membrană și stabilește o diferență în gradient de care depinde ATP direct., În timp ce transportul secundar activ este pentru mișcarea substanțelor ca urmare a gradientului electrochimic creat de transportul activ primar și, prin urmare, nu depinde direct de ATP.mișcarea substanțelor împotriva gradientului electrochimic are loc în prezența energiei. Energia provine din adenozin trifosfat (ATP) care este generat în timpul metabolismului celular. Mecanismele active de transport, cunoscute colectiv sub denumirea de pompe, ajută la mișcarea substanțelor împotriva gradienților electrochimici., Multe substanțe mici trec continuu prin membrana celulară. Concentrația de ioni și substanțe este menținută prin transport activ. Prin urmare, o mare parte din energia metabolică a celulei este utilizată pentru a menține aceste procese.deoarece aceste mecanisme active de transport depind de furnizarea de energie prin metabolismul celulei, orice otravă care poate interfera cu metabolismul pentru a opri alimentarea cu ATP va afecta aceste mecanisme.,
proteine purtătoare pentru transportul activ
transportul activ al substanțelor prin membrană este facilitat de prezența proteinelor purtătoare specifice sau a pompelor. Următoarele trei sunt tipurile de proteine operatorii de transport sau transportatorii care sunt prezente:
- Uniporters
- Symporters
- Antiporters
Un uniporter este implicat în transportul de un anumit ion sau moleculă. Un symporter transportă doi ioni sau molecule diferite și ambele în aceeași direcție., Un antiporter acționează ca o proteină purtătoare pentru doi sau mai mulți ioni sau molecule diferite, dar în direcții diferite. Acești purtători de proteine sunt, de asemenea, responsabili pentru transportul moleculelor mici, neîncărcate, cum ar fi glucoza. Aceste trei proteine purtătoare au, de asemenea, un rol în difuzia facilitată, dar în acest caz, ATP nu este necesar., Unele dintre aceste pompe sau proteine transportatori pentru transportul activ sunt de mai jos:
Na+-K+ Atpazei: poarta de sodiu și ionii de potasiu
H+-K+ Atpazei: Se transportă de hidrogen și ioni de potasiu
Ca+ Atpazei: Se transportă numai ionii de calciu
H+ Atpazei: Se transportă numai ioni de hidrogen
primele două din cele de mai sus-menționat pompe sunt antiporter proteine de transport.,gradientul electrochimic al pompei de sodiu și potasiu
gradientul electrochimic Na+/K+ pompă care este stabilit de mecanismul de transport activ este un exemplu de gradient electrochimic în celulele vii.
Activ Primar de Transport
activ Primar de transport creează un gradient electrochimic de-a lungul membranei de transport de ioni. Procesul este condus prin utilizarea ATP., Pompa de sodiu și potasiu sunt una dintre cele mai importante Pompe din organismele vii care menține un gradient electrochimic pe membrană. Această pompă favorizează mișcarea a doi ioni de potasiu în celulă și a trei ioni de sodiu în afara celulei. În funcție de orientarea spre interiorul sau exteriorul celulei și afinitatea pentru ambii ioni, ATPaza Na+-K+ (Pompa de sodiu și potasiu) este prezentă în două forme.procesul este finalizat în următoarele etape:
- inițial, pompa enzimei purtătoare este orientată spre interiorul celulei., Transportatorul are o afinitate mare pentru transportul ionilor de sodiu și trei ioni se pot lega la un moment dat.
- proteina transportată catalizează hidroliza ATP și îi atașează o grupare fosfat cu energie scăzută.
- după fosforilare, forma purtătorului este schimbată și orientarea este deplasată spre exterior. Ca urmare, afinitatea pentru sodiu este scăzută și trei ioni de sodiu părăsesc pompa.
- schimbarea formei purtătorului favorizează, de asemenea, atașarea a doi ioni de potasiu datorită afinității crescute pentru ionii de potasiu., Datorită acestui fapt, grupul fosfat cu energie redusă părăsește transportatorul.
- după îndepărtarea grupării fosfatice și atașarea ionilor de potasiu, proteina purtătoare își schimbă poziția față de interiorul celulei.
- datorită configurației modificate, afinitatea pentru potasiu scade și eliberează doi ioni în spațiul intracelular. Din nou, proteina în starea sa inițială are o afinitate mai mare pentru ionii de sodiu și procesul începe din nou.multe schimbări apar ca urmare a acestui proces., În această poziție, ionii de sodiu sunt într-o concentrație mai mare în afara celulei decât în interior și ionii de potasiu sunt mai mult în spațiul intracelular al celulei. Ca urmare a doi ioni de potasiu care se deplasează în interiorul celulei, trei ioni de potasiu se mișcă în exterior. Acest lucru face ca interiorul celulei să fie puțin mai negativ decât exteriorul. Această diferență este responsabilă pentru crearea condițiilor necesare pentru mecanismul secundar. Pompa sodiu-potasiu funcționează astfel ca o pompă electrochimică și contribuie la potențialul membranei prin stabilirea unui dezechilibru electric.,
transport activ secundar
în procesul de transport activ secundar, pentru o moleculă care se deplasează în jos gradientul electrochimic, o altă moleculă se deplasează în sus gradientul său de concentrație. În acest proces, ATP nu este atașat direct la proteina purtătoare. În schimb, molecula sau ionul se deplasează împotriva gradientului său de concentrație, care stabilește un gradient electrochimic. Molecula necesară se deplasează apoi în jos gradientul electrochimic. ATP este utilizat în acest proces, precum și pentru generarea de gradient și energie nu este utilizat pentru mișcarea unei molecule peste membrana., De aceea este cunoscut sub numele de transport secundar activ.
Antiporterii și simporterii sunt implicați în transportul secundar activ. Acest proces este responsabil pentru mișcarea sodiului și a altor substanțe în celulă. Celelalte substanțe includ mulți aminoacizi și glucoză, de asemenea. De asemenea, este responsabil pentru menținerea unei concentrații ridicate de ioni de hidrogen în mitocondriile plantelor și animalelor pentru generarea ATP.,
rolul gradientului electrochimic în procesul biologic
gradientul electrochimic determină direcția de mișcare a substanțelor în procesele biologice prin difuzie și transport activ. Difuzia și transportul activ generează un potențial electrochimic pe membrană. Potențialul electrochimic se datorează:
- Gradient de ioni
- gradient de protoni
Gradient de ioni
potențialul electrochimic ca rezultat al gradientului electrochimic determină capacitatea ionilor de a traversa membrana., Membrana poate fi de celule sau organelle sau orice altă entitate sub-pivniță. Acest potențial este generat în principal datorită diferenței de concentrație a ionilor din interiorul și din exteriorul membranei, a încărcăturii prezente pe ioni sau molecule și a diferenței de tensiune care există pe membrană.Atpazele transmembranare sunt adesea responsabile pentru menținerea gradienților ionilor. Gradientul de ioni de sodiu și potasiu este menținut de Na+/K+ ATPază.gradientul de protoni este stabilit prin transportul activ de către pompele de protoni., Acest gradient electrochimic de protoni este responsabil pentru generarea potențialului chemiosmotic (forța motrice a protonilor) în fotosinteză și respirație celulară. Gradientul de protoni este, de asemenea, responsabil pentru stocarea energiei pentru producerea căldurii și rotației flagelului.acest gradient de protoni se formează în timpul lanțului de transport al electronilor în mitocondrii sau cloroplast prin pomparea protonilor pe membrană printr-un mecanism activ de transport.gradientul electrochimic în Bacteriorhodopsin
gradientul electrochimic determină generarea gradientului de protoni în Bacteriorhodopsin., Prin absorbția fotonilor la o lungime de undă de 568nm, este activată o pompă de protoni care determină mișcarea ionilor de hidrogen de la o concentrație mai mare la o concentrație mai mică. După procesul complet de pompare a protonilor datorită schimbării conformaționale a retinei, Bacteriorhodopsina restabilește starea inițială de repaus.gradientul electrochimic în fosforilare
gradientul electrochimic este de asemenea util în generarea unui gradient de protoni în timpul procesului de fosforilare în mitocondrii., În acest proces, protonii sunt transportați din matricea mitocondrială în spațiul transmembranar. Protonii, care sunt transferați, includ protonii I, III și IV. Pentru generarea unui potențial electrochimic, un total de zece protoni sunt transportați din matrice în spațiul transmembranar. Potențialul electrochimic este important pentru generarea ATP în prezența sintazei ATP. Fără gradientul electrochimic de protoni, producția de energie nu are loc în mitocondrii.,
Gradient Electrochimic în Photophosphorylation
Photophosphorylation, Ciclice și Non-ciclice, implică transformarea ADP in ATP în prezența luminii solare, prin activarea PSII. Gradientul de protoni este generat datorită absorbției fotonului ca în cazul Bacteriorhodopsinei. Electronii se mișcă în lanțul de transport al electronilor și ATP se formează în prezența sintazei ATP. Electronii sunt transportați de la molecule de energie înaltă la molecule de energie scăzută în lanțul de transport al electronilor., În fotofosforilare, un gradient de potențial electrochimic transmembranar este stabilit prin mișcarea protonilor de la stroma la spațiul tilacoid.
importanța gradientului electrochimic
importanța gradientului electrochimic este evidențiată de următoarele puncte:
- adenozin trifosfat, sau ATP, este cunoscut ca sursă de energie primară în celulele vii. Cu toate acestea, în plus față de energia ATP este, de asemenea, stocată în gradientul electrochimic al unei molecule sau ion peste membrana celulară, care ajută la conducerea proceselor organismelor vii.,unele dintre procesele biologice majore care se datorează potențialului electrochimic sau gradientului includ conducerea impulsurilor nervoase, contracția musculară, secreția hormonală și unele procese senzoriale.procesul de fosforilare oxidativă în mitocondrii se datorează gradientului de protoni care este rezultatul unui gradient electrochimic. Gradientul electrochimic fotonic este esențial pentru producerea de energie în mitocondrii.în plante, în timpul reacțiilor fotosintezei dependente de lumină, se stabilește un gradient electrochimic de protoni., Acest lucru este crucial pentru finalizarea procesului. În ambele mitocondrii și cloroplast, gradientul electrochimic de protoni generează potențial chemiosmotic, cunoscut și sub numele de forța motrice a protonilor. Această energie potențială este implicată în sinteza ATP prin fosforilare oxidativă și fotofosforilare.