Permeabiliteit Graden van plasmamembranen in passieve diffusie

Permeabiliteit Graden van plasmamembranen bij passieve diffusie!

De membranen van een cel passeren kleine ionen en moleculen er doorheen. De doorgang van ionen of moleculen kan optreden als passieve diffusie of actief transport dat de energiekosten doet evolueren. Bij passieve diffusie kunnen membranen worden geclassificeerd op basis van hun mate van permeabiliteit.

1. Ondoordringbaar :

Een dergelijk membraan laat niets door. Bepaalde onbevruchte viseieren, zoals forel, zijn alleen doorlaatbaar voor gassen; water dat is gemerkt met deuterium penetreert het ei niet.

2. Semipermeable :

Geen celmembranen van de cellen behoren tot deze categorie. Dergelijke membranen laten water en bepaalde geselecteerde ionen en SMA-moleculen door, maar verbieden andere ionen evenals kleine en grote moleculen.

3. Selectief doorlatend :

De meeste membranen van de cellen behoren tot deze categorie. Dergelijke membranen laten water en bepaalde geselecteerde ionen en kleine moleculen door, maar verbieden andere ionen evenals kleine en grote moleculen.

4. Dialyzing membranen :

De endotheelcellen en hun basale membranen van de capillairen en nefron kunnen fungeren als een dialysator. Op deze manier dwingt hydrostatische druk watermoleculen en kristalloïden over het membraan langs hun concentratiegradiënten terwijl ze de doorgang van colloïden beperken.

Vervoer van stoffen door het plasmamembraan in het cytoplasma van de cel kan worden bereikt door de volgende methoden:

Osmose:

Osmose is een speciaal type diffusie dat de beweging van water of andere oplosmiddelmoleculen door een semipermeabel of differentieel permeabel membraan van een gebied met een hoge potentiaal (zuiver oplosmiddel) naar een gebied met een laag potentieel (meer geconcentreerde oplossing) omvat.

De intrede van water in de cel vanuit zijn medium wordt endosmosis genoemd; het omgekeerde proces waarbij water de cel verlaat, wordt exosmosis genoemd. Een osmotische druk wordt gehandhaafd door de zouten die aanwezig zijn in het cytoplasma. De cel blijft altijd in een vloeibaar of vloeibaar medium voor fysiologische uitwisseling van gassen, voedingsstoffen enz. Deze vloeistof wordt meestal aangeduid met extra cellulaire vloeistof (ECF). Bij protozoa en andere lagere organismen is het water. Afhankelijk van de concentratie kan ECF zijn.

(i) Isotonische oplossing :

Als de concentratie van ECF waarin de cel aanwezig is, vergelijkbaar is met die van intracellulaire vloeistof van de cel, is deze bekend als isotone oplossing. De vorm van een cel blijft normaal.

(ii) Hypotonische oplossing :

Als de concentratie van ECF minder geconcentreerd is dan de intracellulaire vloeistof, is het bekend als hypotone oplossing. In een dergelijke oplossing zwelt de cel op doordat water de cel bereikt door endosmose.

(iii) Hypertonische oplossing :

Als de concentratie van ECF hoger is dan de intracellulaire vloeistof van de cel, wordt de oplossing hypertone oplossing genoemd. In dergelijke gevallen diffundeert water uit de cel door exosmosis. Als gevolg ondergaat de cel plasmolyse.

Passief transport:

Passief transport is een rechte diffusie van water, ionen of moleculen van verschillende stoffen die zich door het plasmamembraan verplaatsen van een gebied met een hogere concentratie naar de lage concentratie. Transport van moleculen vindt plaats langs concentratiegradiënt, zodat geen energie nodig is voor diffusie.

Eenvoudige diffusie :

Volgens een groot aantal bewijzen bewegen veel stoffen door plasmamembraan met een mate van vrije diffusie die recht evenredig is met hun oplosbaarheid in lipide. Watermoleculen zijn een opmerkelijke uitzondering op deze regel, omdat ze vrij snel en regelmatig door membranen diffunderen.

Plasmamembraan zou twee soorten poriën moeten bevatten:

(i) Fijne waterige kanalen :

Deze zijn aanwezig via een eiwit of tussen geclusterde integere eiwitten. Deze poriën hebben een diameter van 10 nm en een permanent karakter. Deze strekken zich uit door de gehele lipidedubbellaag. Deze poriën werken als valvulaire openingen. Sommige poriën worden positief geladen, andere zijn negatief geladen.

(ii) Statistische poriën :

Deze poriën zijn onstabiel. Ze blijven verschijnen en verdwijnen. Deze worden gevormd als spleten in de zeer vloeibare lipide dubbellaag. Deze worden gevormd door willekeurige thermische beweging van membraanfosfolipiden. Stoffen passeren gemakkelijk door deze poriën als ze oplosbaar zijn in lipiden {Overton). Dat is de reden waarom de hydrofobe stoffen van zowel laag als hoog molecuulgewicht door plasmamembraan kunnen gaan.

De relatieve diffusiesnelheid van moleculen over het membraan hangt af van de grootte van de moleculen; concentratiegradiënt over het membraan; en de oplosbaarheid in lipiden of hydrofobe aard van het molecuul. Collander en Barlund in hun klassieke experimenten met cellen van planten, liet Chara zien dat de snelheid waarmee substraat doordringt afhangt van hun oplosbaarheid in lipiden en hun grootte van moleculen.

De permeabiliteit (P) van moleculen over het membraan is een formule:

P = KD / t

Waar K verdelingscoëfficiënt is; D is de diffusiecoëfficiënt (hangt af van het molecuulgewicht) en t is de dikte van de membranen. De verdelingscoëfficiënt in celmembranen is vergelijkbaar met die van olijfolie en water. De verdelingscoëfficiënt kan worden gemeten door de opgeloste stof te mengen met een olie-watermengsel en te wachten tot de fasen zijn gescheiden.

De partiële coëfficiënt (K) is de concentratie opgeloste stof in olie, gedeeld door de concentratie opgeloste stof in waterige fase. De diffusiecoëfficiënt (D) kan worden bepaald met behulp van radioactieve opgeloste stoffen en het meten van hun snelheid van binnenkomst in het cytoplasma bij verschillende externe concentraties.

Gefaciliteerde diffusie:

De diffusie van een stof door een membraan gebeurt altijd vanuit een gebied met een hogere concentratie aan de ene kant naar een gebied met een lagere concentratie aan de andere kant. Maar het is niet altijd het geval, omdat er talloze voorbeelden zijn ontdekt waarbij een proteïne, permease aanwezig is in het plasmamembraan dat het diffusieproces vergemakkelijkt. Dit mechanisme wordt gefaciliteerde diffusie genoemd. Dit proces komt het meest voor bij de beweging van suikers en aminozuren.

De aanwezigheid van permease in het membraan biedt een pad door het membraan dat een alternatief is voor de lipidelaag. De binding van opgeloste stof aan het buitenoppervlak van het membraan zou een conformationele verandering in de permease teweegbrengen, waardoor de opgeloste stof wordt blootgesteld aan het binnenoppervlak van het membraan van waaruit het in het cytoplasma kan diffunderen naar beneden zijn concentratiegradiënt.

De kenmerken van gefaciliteerde diffusie zijn:

(i) De transportsnelheid van moleculen over het membraan is veel groter dan verwacht van eenvoudige diffusie

(ii) De permeasen zijn zeer specifiek en elk transporteert slechts een enkele specifieke ionen of moleculen of een groep nauw verwante moleculen.

(iii) Met een toename van de concentratiegradiënt is er een overeenkomstige toename van de transportsnelheid.

Zoals in het geval van enzymen, vertonen permeasen die diffusie mogelijk maken kinetsen van het saturatietype. Als een substantie (S) aanvankelijk buiten het plasmamembraan aanwezig is, kan het transport binnenin worden weergegeven door de volgende vergelijkingen:

S (uit) + Permease Km = S-permease complex Vmax

Hier is S substraat, is Km bindend voor substraat voor permease en is Vmax maximale transportsnelheid. Als de concentratie van S buiten C is, kan de transportsnelheid worden berekend als:

V = Vmax / 1 + C / Km

Actief transport:

De diffusie van ionen over de membranen is zelfs moeilijker omdat deze niet alleen afhangt van de concentratiegradiënt maar ook van de elektrische gradiënt die in het systeem aanwezig is. Omdat actief transport een proces is dat tegen een concentratiegradiënt werkt, is het voor een team niet verrassend dat het energiekosten vereist.

Het proces omvat het gebruik van dragermoleculen in het eigenlijke celmembraan. Deze dragermoleculen heen en weer heen en weer pendelen tussen de binnenste en buitenste celmembraanoppervlakken en ofwel oppakken of vrijgeven van een bepaald ion dat wordt gereguleerd. De energie die nodig is voor dit proces wordt verkregen uit adenosinetrifosfaat (ATP), dat voornamelijk wordt geproduceerd door oxidatieve fosforylatie in mitochondriën.

Uit de onderstaande Tabel 2.1 is het duidelijk dat er binnen een cel een grote concentratie van niet-diffundeerbare anionen is en dat een elektrische gradiënt over het membraan wordt vastgesteld.

Tabel 2.1

Ionische concentratie en bestendig potentieel in spieren laten zien

Donnan (1911) voorspelde, als een cel met een niet-diffundeerbare negatieve lading erin in een oplossing van Cl wordt geplaatst, wordt K ⁺ in de celconcentratie en de elektrische gradiënt gedreven. Cl-ionen aan de andere kant zullen worden binnengedrongen door de concentratiegradiënt, maar worden afgestoten door de elektrische gradiënt. Volgens Donnan zullen de evenwichtsconcentraties precies wederkerig zijn.

(K ⁺ in) / (K ⁺ out) = (CI ^- uit) / (CI ^- in)

De relatie tussen de concentratiegradiënt en de rustende membraanpotentiaal wordt gegeven door de Nernst-vergelijking.

E = RT In C ₁ / C ₂

Waar E wordt gegeven in millivolt, is R de universele gasconstante en T de absolute temperatuur. Uit (i) en (ii) kan het Donnan-evenwicht voor KC1 worden uitgedrukt

E = RT In (K ⁺ in) / (K ⁺ out) = RT In (C1 ^- uit) / C1 ^- in)

Actief transport van ionen of natriumpomp:

De opgeloste stof die het actiefst in de cellen wordt gepompt zijn kalium (K ⁺ ) ionen. De drijvende kracht voor dit naar binnen gerichte transport wordt verondersteld een natrium (Na ⁺ ) gradiënt over het membraan te zijn, gecreëerd door actief transport van Na-ionen die uit de reactor zijn gepompt. cel.

De concentratie van (Na ⁺ ) ionen buiten het membraan wordt hoog daar waar de interne concentratie laag wordt. Energie, nodig om Na ⁺ -ionen uit te pompen, wordt geleverd door ATP. In aanwezigheid van met Mg ⁺⁺ geactiveerd ATPase wordt het ATP-molecuul gehydrolyseerd en aangenomen wordt dat ATPase zich in het membraan bevindt.

De Na ⁺ - pomp werd ontdekt door Hodkin en Keynes (1955) en geassocieerd met ATP-hydrolyse in vitro door Skou (1957). Twee verschillende mechanismen van de Na ⁺ -pomp zijn beschreven voor dierlijke cellen. Dit zijn:

(i) Natrium - Potassium-uitwisselingspomp:

In een dergelijke Na ⁺ -pomp is het naar buiten pompen van Na ⁺ -ionen gekoppeld aan het binnenwaartse transport van К ionen. Aangezien Na ⁺ en K ⁺ op een verplichte manier worden uitgewisseld, gaat de uitgaande beweging van Na ⁺ altijd gepaard met binnenwaartse beweging van K ⁺ . Een dergelijke pomp komt voor in zenuwcellen en spiercellen.

(ii) Electrogenische Na ⁺ -pomp:

In deze pomp is er geen verplichte uitwisseling van naar binnen bewegende K ⁺ -ionen en naar buiten bewegende Na ⁺ -ionen. In deze pomp kan een gradiënt van elektrochemisch potentieel worden gegenereerd wanneer uitgang van Na ⁺ -ionen niet wordt gecompenseerd door één op één invoer van K ⁺ .

Een hoge intracellulaire concentratie van K ⁺ -ionen, ongeacht de externe concentratie van Na en K ⁺, is nodig voor aerobe cellen. De hoge K ⁺ -concentratie is de kant die de cel nodig heeft voor eiwitsynthese en glycolyse. De hoge K ⁺ -concentratie van cellen moet worden gecompenseerd door verlies van sommige kationen zoals Na ⁺, anders zou overmatige zwelling de cel doen barsten door een toestand van hogere interne osmotische druk te creëren.

Actief transport van glucose naar cellen is een ander gevolg van de werking van een elektro- gene Na ⁺ -pomp. Extrusie van Na ⁺ uit de cel genereert een gradiënt van lage inwendige en hogere uitwendige concentratie van Na ⁺ . Suikeractief transport uitgevoerd onder omstandigheden waarbij de buiten Na ⁺ -concentratie hoog genoeg wordt gehouden om een ​​geschikte gradiënt te creëren waarvan de energie metabolieten de cel in drijft van een zeer verdunde buitenoplossing van suiker. De opeenhoping van suikers wordt gecompileerd tot Na ⁺ -extrusie en wordt ook ondersteund door specifieke dragereiwitten.

Translocatie over het membraan :

De dragereiwitten helpen hydrofiele moleculen over een membraandikte van 6 tot 10 nm. De metabolieten zijn aanzienlijk kleiner dan 6 nm, dus het is belangrijk om te weten hoe deze moleculen door de dragers over deze relatief grote afstand worden verplaatst. Verschillende alternatieven zijn voorgesteld, maar twee zijn intensiever dan de andere mogelijkheden onderzocht.

Een alternatieve hypothese veronderstelt dat de drager bindt met het hydrofiele molecuul en dat dan het gehele transporteiwit door het membraan roteert en de gebonden metaboliet aan de andere kant afgeeft. Het tweede alternatief stelt voor dat de drager op zijn plaats in het membraan wordt gefixeerd, en dat het dragermolecuul een conformatieverandering ondergaat die de bindingsplaats over het membraan transloceert en de gebonden metaboliet samen daarmee is het dezelfde tijd.

Zodra de metaboliet is getransloceerd, wordt de bindingsplaats bevrijd en hersteld in de oorspronkelijke conformatie, klaar om een ​​ander hydrofiel molecuul te binden in een andere transportgebeurtenis. Dit tweede alternatief wordt het mechanisme met vaste poriën genoemd. Het eerste alternatief staat bekend als het draagmechanisme.