introduktion
i levande celler är plasmamembranet eller cellmembranet en selektivt permeabel barriär som tillåter selektiva ämnen att passera genom den. Således upprätthåller den olika koncentrationer på båda sidor av membranet. Detta ger upphov till olika elektriska och kemiska koncentrationsgradienter på membranytan som kollektivt bildar den elektrokemiska gradienten.
Vad är en elektrokemisk Gradient?,
det definieras som skillnaden i laddningen och den kemiska koncentrationen över plasmamembranet på grund av dess selektiva permeabilitet. Kombinationen av koncentrationsgradienten och den elektriska laddningsgradienten som påverkar rörelsen hos en viss Jon över plasmamembranet är känd som en koncentrationsgradient.
enkla koncentrationsgradienter är inte så komplexa eftersom de finns på grund av en ämnes differentialkoncentration över ett membran., Men när det gäller levande organismer är gradienterna inte så enkla. Förutom en koncentrationsgradient är en elektrisk gradient också närvarande inuti levande celler eftersom det inte bara är jonerna som rör sig inuti och utanför cellerna utan även cellernas intracellulära utrymme innehåller vissa proteiner. De flesta av dessa proteiner förändras negativt och rör sig inte utanför. Som ett resultat av detta är insidan av membranet mer negativt laddat vilket orsakar en elektrisk gradient att existera över plasmamembranet förutom en koncentrationsgradient på grund av joner., Både dessa elektriska och koncentrationsgradienter studeras under en elektrokemisk gradient.
för att förstå detta, överväga rörelsen av natrium-och kaliumjoner över membranet. Förutom de negativt laddade proteinerna som finns inuti cellen har cellerna en högre koncentration av kalium inuti cellen och en högre koncentration av natrium utanför cellen., Koncentrationsgradienten pumpar natrium inuti cellen (från högre koncentration till lägre koncentration) och den elektriska gradienten driver också natrium inuti cellen på grund av cellens negativt laddade inre. Situationen är dock mer komplex för kalium. Den elektriska gradienten av kalium (en positiv jon) gör att den rör sig inuti cellen på grund av ett negativt laddat interiör men koncentrationsgradienten av kalium flyttar den utanför cellen (på grund av en lägre koncentration av kalium utanför)., Denna rörelseprocess på grund av koncentrationsgradient och elektrisk laddning kallas elektrokemisk gradient.
komponenter i elektrokemisk Gradient
det finns två komponenter i en elektrokemisk gradient:
- elektrisk komponent
- kemisk komponent
den elektriska komponenten resulterar på grund av skillnaden i elektrisk laddning över plasmamembranet. Och den kemiska komponenten beror på skillnaden i koncentration av joner över membranet., Kombinationen av dessa två förutspår den termodynamiskt gynnsamma riktningen för jonernas rörelse genom det selektivt permeabla plasmamembranet.
typer av aktiva transportmekanismer i elektrokemisk Gradient
det finns två typer av aktiva transportmekanismer för förflyttning av joner och ämnen:
- primär aktiv transport
- sekundär aktiv transport
primär aktiv transport hjälper till vid förflyttning av joner över ett membran och fastställer en skillnad i gradient som beror på ATP direkt., Medan sekundär aktiv transport är för förflyttning av ämnen som ett resultat av elektrokemisk gradient skapad av primär aktiv transport och därmed inte beror på ATP direkt.
rör sig mot elektrokemisk Gradient
rörelsen av ämnen mot den elektrokemiska gradienten sker i närvaro av energi. Energin kommer från adenosintrifosfat (ATP) som genereras under cellmetabolism. Aktiva transportmekanismer, som kollektivt kallas pumpar, hjälper till vid förflyttning av ämnen mot de elektrokemiska gradienterna., Många små ämnen passerar kontinuerligt genom cellmembranet. Koncentrationen av joner och ämnen upprätthålls genom aktiv transport. Därför används en stor del av cellens metaboliska energi för att upprätthålla dessa processer.
eftersom dessa aktiva transportmekanismer är beroende av energiförsörjningen genom cellens metabolism, kommer eventuellt gift som kan störa metabolismen för att stoppa tillförseln av ATP att påverka dessa mekanismer.,
bärarproteiner för aktiv Transport
den aktiva transporten av ämnen över membranet underlättas genom närvaron av specifika bärarproteiner eller pumpar. Följande tre är de typer av proteinbärare eller transportörer som är närvarande:
- Uniporters
- Symportrar
- Antiporters
en uniporter är involverad i transporten av en specifik jon eller molekyl. En symporter transporterar två olika joner eller molekyler och båda i samma riktning., En antiporter fungerar som ett bärarprotein för två eller flera olika joner eller molekyler men i olika riktningar. Dessa proteinbärare är också ansvariga för transport av små, oladdade molekyler som glukos. Dessa tre bärarproteiner har också en roll i underlättad diffusion, men i så fall behövs inte ATP., Några av dessa pumpar eller proteinbärare för aktiv transport är nedan:
Na+-K+ ATPas: det bär natrium-och kaliumjoner
H+-K+ ATPas: det transporterar väte-och kaliumjoner
ca+ ATPas: det transporterar endast kalciumjoner
h+ ATPas: det transporterar endast vätejoner
de två första från de ovan nämnda pumparna är antiporterbärarproteiner.,
elektrokemisk Gradient av natrium-och kaliumpump
den elektrokemiska gradienten Na+ / K+ – pump som är etablerad av den aktiva transportmekanismen är ett exempel på en elektrokemisk gradient i levande celler.
primär aktiv Transport
primär aktiv transport skapar en elektrokemisk gradient över membranet genom transport av joner. Processen drivs av att använda ATP., Natrium – och kaliumpumpen är en av de viktigaste pumparna i levande organismer som upprätthåller en elektrokemisk gradient över membranet. Denna pump gynnar rörelsen av två kaliumjoner i cellen och tre natriumjoner utanför cellen. Beroende på orienteringen till insidan eller utsidan av cellen och affiniteten för båda jonerna är Na+-K+ ATPas (natrium-och kaliumpump) närvarande i två former.
processen är klar i följande steg:
- initialt är bärarenzympumpen inriktad mot cellens inre., Bäraren har en hög affinitet för natriumjoner transport och tre joner kan binda till det åt gången.
- proteinet katalyserar hydrolysen av ATP och fäster en lågenergifosfatgrupp till den.
- efter fosforylering ändras bärarens form och orienteringen flyttas mot utsidan. Som ett resultat minskar affiniteten för natrium och tre natriumjoner lämnar pumpen.
- förändringen i bärarens form gynnar också fastsättningen av två kaliumjoner på grund av ökad affinitet för kaliumjoner., På grund av detta lämnar lågenergifosfatgruppen bäraren.
- efter avlägsnande av fosfatgruppen och fastsättning av kaliumjoner ändras bärarproteinet mot cellens inre.
- på grund av den ändrade konfigurationen minskar affiniteten för kalium och det släpper ut två joner i det intracellulära utrymmet. Återigen har proteinet i sitt ursprungliga tillstånd en större affinitet för natriumjoner och processen börjar igen.
många förändringar sker som ett resultat av denna process., Vid denna position är natriumjoner i en högre koncentration utanför cellen än inuti och kaliumjoner är mer i cellens intracellulära utrymme. Som ett resultat av att två kaliumjoner rör sig inuti cellen rör sig tre kaliumjoner utanför. Detta gör insidan av cellen något mer negativ än utsidan. Denna skillnad är ansvarig för att skapa de nödvändiga förutsättningarna för den sekundära mekanismen. Natrium-kaliumpumpen fungerar sålunda som en elektrokemisk pump och bidrar till membranpotential genom att upprätta en elektrisk obalans.,
sekundär aktiv Transport
i den sekundära aktiva transportprocessen, för en molekyl som rör sig ner den elektrokemiska gradienten, flyttar en annan molekyl upp sin koncentrationsgradient. I denna process är ATP inte direkt fäst vid bärarproteinet. Istället rör sig molekylen eller Jonen mot dess koncentrationsgradient som etablerar en elektrokemisk gradient. Den erforderliga molekylen rör sig sedan ner den elektrokemiska gradienten. ATP används i denna process såväl för att generera gradient och energi används inte för rörelsen av en molekyl över membranet., Därför är det känt som sekundär aktiv transport.
Antiporters och symportrar är involverade i sekundär aktiv transport. Denna process är ansvarig för rörelsen av natrium och några andra ämnen i cellen. De andra ämnena inkluderar många aminosyror och glukos också. Det är också ansvarigt för att upprätthålla en hög vätejoner koncentration i mitokondrier av växter och djur för att generera ATP.,
Roll elektrokemisk Gradient i biologisk Process
elektrokemisk gradient bestämmer rörelseriktningen för ämnen i biologiska processer genom diffusion och aktiv transport. Diffusionen och den aktiva transporten genererar en elektrokemisk potential över membranet. Den elektrokemiska potentialen beror på:
- Jongradient
- Protongradient
Jongradient
den elektrokemiska potentialen som ett resultat av den elektrokemiska gradienten bestämmer jonernas förmåga att korsa membranet., Membranet kan vara av cell eller organell eller någon annan underkällare enhet. Denna potential genereras i grunden på grund av skillnaden i koncentration av joner inuti och utanför membranet, laddningen som finns på joner eller molekyler och spänningsskillnaden som finns över membranet.
transmembran ATPas är ofta ansvariga för att upprätthålla joner gradienter. Natrium – och kaliumjongradienten bibehålls av Na + / K+ ATPas.
Protongradient
protongradienten upprättas genom aktiv transport av protonpumpar., Denna protonelektrokemiska gradient är ansvarig för att generera kemiosmotisk potential (protonmotivkraft) i fotosyntes och cellulär andning. Protongradienten är också ansvarig för att lagra energi för att producera värme och rotation av flagella.
denna protongradient bildas under elektrontransportkedjan i mitokondrier eller kloroplast genom pumpning av protoner över membranet genom en aktiv transportmekanism.
elektrokemisk gradient i Bakteriorhodopsin
elektrokemisk gradient orsakar generering av protongradienten i Bakteriorhodopsin., Genom absorption av fotoner vid en våglängd av 568nm aktiveras en protonpump som orsakar rörelsen av vätejoner från en högre koncentration till en lägre koncentration. Efter den fullständiga processen med protonpumpning på grund av konformationsskiftet i retinalen återställer Bakteriorhodopsin det ursprungliga vilotillståndet.
elektrokemisk Gradient i fosforylering
den elektrokemiska gradienten är också till hjälp för att generera en protongradient under fosforyleringsprocessen i mitokondrier., I denna process transporteras protoner från mitokondriell matris till transmembranutrymmet. Protonerna, som överförs, inkluderar I, III och IV protoner. För att generera en elektrokemisk potential transporteras totalt tio protoner från matrisen till transmembranutrymmet. Den elektrokemiska potentialen är viktig för generering av ATP i närvaro av ATP-syntas. Utan den protonelektrokemiska gradienten förekommer inte energiproduktion i mitokondrier.,
elektrokemisk Gradient i fotofosforylering
fotofosforylering, cyklisk och icke-cyklisk innebär omvandling av ADP till ATP i närvaro av solljus genom aktivering av PSII. Protongradienten genereras på grund av absorptionen av fotonen som vid Bakteriorhodopsin. Elektroner rör sig i elektrontransportkedjan och ATP bildas i närvaro av ATP-syntas. Elektronerna transporteras från högenergimolekyler till lågenergimolekyler i elektrontransportkedjan., I fotofosforylering etableras en transmembranelektrokemisk potentiell gradient genom rörelsen av protoner från stroma till tylakoidutrymme.
betydelsen av elektrokemisk Gradient
betydelsen av den elektrokemiska gradienten markeras med följande punkter:
- adenosintrifosfat, eller ATP, är känd som den primära energikällan i levande celler. Men förutom ATP-energin lagras också i den elektrokemiska gradienten av en molekyl eller jon över cellmembranet som hjälper till att driva processer av levande organismer.,
- några av de viktigaste biologiska processerna som beror på den elektrokemiska potentialen eller gradienten innefattar nervimpulsledning, muskelkontraktion, hormonsekretion och vissa sensoriska processer.
- processen för oxidativ fosforylering i mitokondrier beror på protongradienten som är ett resultat av en elektrokemisk gradient. Den fotonelektrokemiska gradienten är nödvändig för produktion av energi i mitokondrier.
i växter, under de ljusberoende reaktionerna av fotosyntes, upprättas en protonelektrokemisk gradient., Detta är avgörande för slutförandet av processen. I både mitokondrier och kloroplast genererar den protonelektrokemiska gradienten kemiosmotisk potential som också är känd som protonmotivkraften. Denna potentiella energi är involverad i syntesen av ATP genom oxidativ fosforylering och fotofosforylering.