Pasyviosios difuzijos plazmos membranų pralaidumo laipsniai

Pasyviosios difuzijos plazmos membranų pralaidumo laipsniai!

Ląstelės membranos per jas peržengia mažus jonus ir molekules. Jonų ar molekulių pasiskirstymas gali pasireikšti pasyviu difuzijos būdu arba aktyviu transportu, kuriantį energijos sąnaudas. Pasyvioje difuzijoje membranos gali būti klasifikuojamos pagal jų pralaidumo laipsnį.

1. Neperšlampami :

Tokio tipo membrana neleidžia nieko praeiti. Tam tikri žuvų kiaušiniai, pavyzdžiui, upėtakiai, yra laidūs tik dujoms; vanduo, paženklintas deuteriu, nesumažina kiaušinio.

2. Pusiau laidus :

Jokios ląstelių membranos priklauso šiai kategorijai, nes membranos leidžia vandeniui ir tam tikriems atrinktiems jonams ir SMA molekulėms praeiti, bet uždrausti kitus jonus, taip pat mažas ir dideles molekules.

3. Selektyvus pralaidumas :

Dauguma ląstelių membranų priklauso šiai kategorijai. Tokios membranos leidžia vandeniui ir tam tikriems atrinktiems jonams ir mažoms molekulėms praeiti, bet draudžia kitus jonus, taip pat mažas ir dideles molekules.

4. Dializuojančios membranos :

Kapiliarų ir nefrono endotelio ląstelės ir jų bazinės membranos gali veikti kaip dializatorius. Tokiu būdu hidrostatinis slėgis priverčia vandens molekules ir kristaloidus per membraną nukreipti į jų koncentracijos gradientus, tuo pat metu apribojant koloidų judėjimą.

Medžiagų transportavimas per plazmos membraną į ląstelių citoplazmą gali būti pasiektas šiais būdais:

Osmosas:

Osmosas yra ypatingas difuzijos tipas, kuris apima vandens arba kitų tirpiklių molekulių judėjimą per pusiau laidų arba diferencialiai pralaidžią membraną iš didelio potencialo (gryno tirpiklio) ploto iki mažo potencialo (labiau koncentruoto tirpalo).

Vandens patekimas į ląstelę iš jos terpės vadinamas endosmosiu; atvirkštinis procesas, kai vanduo išeina iš ląstelės, vadinamas eksosmosu. Osmotinį slėgį palaiko citoplazmoje esančios druskos. Ląstelė visada lieka skysčio ar skysčio terpėje, skirta fiziologiniam dujų, maistinių medžiagų mainams ir pan. Šis skystis paprastai žymimas papildomu ląstelių skysčiu (ECF). Protozonai ir kiti žemesni organizmai yra vanduo. Priklausomai nuo koncentracijos, ECF gali būti.

(i) Izotoninis tirpalas :

Jei ECF koncentracija, kurioje ląstelė yra, yra panaši į ląstelėje esančio skysčio koncentraciją, ji yra žinoma kaip izotoninis tirpalas. Ląstelės forma lieka normali.

(ii) Hipotoninis sprendimas :

Jei ECF koncentracija yra mažiau koncentruota nei ląstelėje esantis skystis, jis vadinamas hipotoniniu tirpalu. Tokiu sprendimu ląstelė išsipučia dėl to, kad vanduo pasiekia ląstelių endosmosį.

(iii) Hipertoninis sprendimas :

Jei ECF koncentracija yra didesnė nei ląstelių vidinis skystis, tirpalas vadinamas hipertoniniu tirpalu. Tokiu atveju vanduo išsklaido iš ląstelės eksosmoso būdu. Dėl to ląstelė patenka į plazmolizę.

Pasyvus transportas:

Pasyvus transportavimas yra tiesioginis vandens, įvairių medžiagų jonų ar molekulių plitimas per plazmos membraną iš didesnės koncentracijos regiono iki mažos koncentracijos. Molekulių transportavimas vyksta pagal koncentracijos gradientą, kad difuzijai nereikėtų energijos.

Paprasta difuzija :

Pasak daugelio įrodymų, daugelis medžiagų per plazmos membraną pereina laisvos difuzijos greičiu, kuris yra tiesiogiai proporcingas jų tirpumui lipiduose. Vandens molekulės yra didelė šios taisyklės išimtis, nes jos reguliariai ir greitai laisvai išsklaidomos per membranas.

Plazmos membrana, kurioje turėtų būti dviejų tipų poros:

i) Smulkūs vandeniniai kanalai :

Tai yra per baltymą arba tarp grupių integruotų baltymų. Šios poros yra 10 nm skersmens ir nuolatinės. Tai per visą lipidų dvigubą sluoksnį. Šios poros veikia kaip vožtuvo angos. Kai kurios poros įkraunamos teigiamai.

ii) Statistinės poros :

Šios poros yra nestabilios. Jie nuolat pasirodo ir dingsta. Jie yra suformuoti kaip tarpai didelio skysčio lipidų dvigubame sluoksnyje. Jie susidaro dėl atsitiktinio membraninio fosfolipidų terminio judėjimo. Medžiagos lengvai patenka per šias poras, jei jos tirpsta lipiduose {Overton). Štai kodėl tiek mažos, tiek didelės molekulinės masės hidrofobinės medžiagos gali praeiti pro plazmos membraną.

Santykinis molekulių difuzijos greitis per membraną priklauso nuo molekulių dydžio; koncentracijos gradientas per membraną; ir molekulių tirpumas lipiduose arba hidrofobinis pobūdis. „Collander“ ir „Barlund“ savo klasikiniuose eksperimentuose su augalų ląstelėmis parodė, kad substrato prasiskverbimo greitis priklauso nuo jų tirpumo lipiduose ir jų molekulių dydžio.

Per membraną esančių molekulių pralaidumas (P) yra formulė:

P = KD / t

Kur K yra pasiskirstymo koeficientas; D yra difuzijos koeficientas (priklauso nuo molekulinės masės) ir t yra membranų storis. Ląstelių membranose pasiskirstymo koeficientas yra panašus į alyvuogių aliejaus ir vandens. Pasiskirstymo koeficientas gali būti matuojamas maišant tirpalą su alyvos vandens mišiniu ir jų laukimo, kol fazės bus atskirtos.

Dalinis koeficientas (K) yra tirpios medžiagos koncentracija alyvoje, padalyta iš tirpios medžiagos koncentracijos vandeninėje fazėje. Difuzijos koeficientą (D) galima nustatyti, naudojant radioaktyvius tirpalus ir matuojant jų patekimo į citoplazmą greitį įvairiomis išorinėmis koncentracijomis.

Supaprastinta difuzija:

Medžiagos difuzija per membraną visada kyla iš didesnės koncentracijos srities, esančios vienoje pusėje, į žemesnės koncentracijos regioną kitoje pusėje. Tačiau ne visuomet yra, nes buvo aptikti keli pavyzdžiai, kuriuose plazmos membranoje yra baltymas, permeazė, palengvinanti difuzijos procesą. Šis mechanizmas vadinamas palengvinta difuzija. Šis procesas dažniausiai pasitaiko cukrų ir amino rūgščių judėjime.

Permeazės buvimas membranoje suteikia kelią per membraną, kuri yra alternatyva lipidiniam sluoksniui. Tirpių rišimasis ant išorinio membranos paviršiaus sukeltų konformacinį permeazės pasikeitimą, tirpinį tirpalą apšviečiant į vidinį membranos paviršių, iš kurio jis gali difuzuoti į citoplazmą žemyn jo koncentracijos gradientu.

Palengvintos difuzijos charakteristikos yra:

(i) molekulių pervežimo greitis per membraną yra daug didesnis nei tikėtasi iš paprastos difuzijos

(ii) Permeazės yra labai specifinės ir kiekvienas gabena tik vieną specifinį joną arba molekulę arba artimai susijusių molekulių grupę.

iii) Didėjant koncentracijos gradientui, atitinkamai padidėja transporto greitis.

Kaip ir fermentų atveju, permeazės, palengvinančios difuziją, rodo prisotinimo tipo kinetiką. Jei medžiaga (S) iš pradžių yra už plazmos membranos ribų, jos transportavimas viduje gali būti pateikiamas pagal šias lygtis:

S (out) + Leidimas Km = S-permeazės kompleksas Vmax

Čia S yra substratas, Km yra rišamoji konstanta substratui į permeazę ir Vmax yra didžiausias transportavimo greitis. Jei S koncentracija yra ne C, transporto greitį galima apskaičiuoti taip:

V = Vmax / 1 + C / km

Aktyvus transportas:

Jonų difuzija per membranas yra dar sunkiau, nes ji priklauso ne tik nuo koncentracijos gradiento, bet ir nuo elektrinio gradiento, esančio sistemoje. Kadangi aktyvus transportas yra procesas, kuris veikia prieš koncentracijos gradientą, komandai nenuostabu, kad tai reikalauja energijos išlaidų.

Procesas apima nešiklio molekulių naudojimą tinkama ląstelių membrana. Šios nešančiosios molekulės, matyt, važiuoja į priekį ir atgal tarp vidinių ir išorinių ląstelių membranos paviršių ir paima arba atleidžia tam tikrą reguliuojamą joną. Šiam procesui reikalinga energija gaunama iš adenozino trifosfato (ATP), kurį gamina daugiausia oksidacinė fosforilacija mitochondrijose.

Iš toliau pateiktos 2.1 lentelės matyti, kad ląstelės viduje yra didelė nedifusuojamų anijonų koncentracija ir yra nustatytas elektrinis gradientas per membraną.

2.1 lentelė

Rodant jonų koncentraciją ir stabilų potencialą raumenyje

„Donnan“ (1911) prognozavo, jei ląstelė, kurios viduje yra nedifusinis neigiamas įkrovimas, įdedamas į Cl ^- tirpalą, K ⁺ bus nukreipta į ląstelių koncentraciją ir elektrinį gradientą. Kita vertus, Cl jonus sukels koncentracijos gradientas, tačiau elektrinis gradientas jį atbaidys. Donnan teigimu, pusiausvyros koncentracijos bus tiksliai abipusės.

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

Santykį tarp koncentracijos gradiento ir poilsio membranos potencialo pateikia Nernst lygtis.

E = RT C ₁ / C ₂

Kur E nurodomas milivoltais, R yra universalus dujų konstanta ir T yra absoliuti temperatūra. Iš (i) ir (ii) galima išreikšti Donnan pusiausvyrą KC1

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

Aktyvus jonų arba natrio siurblio transportavimas:

Tirpiklis, kuris yra aktyviausiai pumpuojamas į ląsteles, yra kalio (K ⁺ ) jonai. Manoma, kad šio vidinio transporto varomoji jėga yra natrio (Na ⁺ ) gradientas per membraną, sukurtas aktyviu Na jono, pumpuoto iš ląstelę.

(Na ⁺ ) jonų koncentracija už membranos padidėja, kai vidinė koncentracija tampa maža. Energiją, reikalingą Na ⁺ jonų pumpavimui, teikia ATP. Esant Mg ⁺⁺ aktyvuotai ATPazei, ATP molekulė hidrolizuojama ir manoma, kad ATPazė yra membranoje.

Na ⁺ - siurblį aptiko Hodkinas ir Keynesas (1955) ir su „ATP“ hidrolize in vitro susitiko „Skou“ (1957). Gyvūnų ląstelėms aprašyti du skirtingi Na ⁺ siurblio mechanizmai. Sitie yra:

i) Natrio - kalio mainų siurblys:

Tokiame „Na ^+“ siurblyje Na ⁺ jonų siurbimas į išorę yra susijęs su ions jonų transportavimu į vidų. Kadangi „Na ^+“ ir „K ^+“ keičiama privalomu būdu, „Na ^+“ judėjimas visada lydi K ⁺ judėjimą į vidų. Toks siurblys atsiranda nervų ląstelėse ir raumenų ląstelėse.

ii) Elektrogeninis Na ⁺ siurblys:

Šiame siurblyje nėra privalomo keitimo į vidų judančiais K ⁺ jonais ir išeinančiais Na ⁺ jonais. Šiame siurblyje gali būti generuojamas elektrocheminio potencialo gradientas, kai Na ⁺ jonų išėjimas nėra kompensuojamas vienu į vieną K ⁺ įrašu.

Aerobinėms ląstelėms reikalinga didelė K ⁺ jonų koncentracija, nepriklausomai nuo išorinės Na ir K ⁺ koncentracijos. Aukšta K ⁺ koncentracija yra ląstelės pusė, reikalinga baltymų sintezei ir glikolizei. Aukšta K ⁺ koncentracija ląstelėje turi būti subalansuota kai kurių katijonų, pvz., Na ⁺, praradimu, priešingu atveju pernelyg didelis patinimas sukeltų ląstelių sprogimą, sukuriant aukštesnio vidaus osmosinio slėgio būklę.

Aktyvus gliukozės transportavimas į ląsteles yra dar viena elektrogeninio Na ⁺ siurblio veikimo pasekmė. Na ⁺ ekstruzija iš ląstelės sukuria mažos vidinės ir didesnės Na ⁺ išorinės koncentracijos gradientą. Aktyvus cukraus pervežimas, vykdomas esant tokioms sąlygoms, kuriose ne Na ⁺ koncentracija yra pakankamai aukšta, kad būtų sukurtas tinkamas gradientas, kurio energija skatina metabolitus į ląstelę iš labai praskiesto išorinio cukraus tirpalo. Cukraus kaupimasis sudaromas į Na ⁺ ekstruziją ir taip pat padeda specifiniai nešiklio baltymai.

Perdavimas per membraną :

Nešiojamieji baltymai padeda hidrofilinėms molekulėms per 6-10 nm membranos storį. Metabolitai yra gerokai mažesni nei 6 nm, todėl svarbu žinoti, kaip šias molekules perkelia per šį santykinai didelį atstumą nešėjai. Siūlomos kelios alternatyvos, tačiau dvi buvo intensyviau tiriamos nei kitos galimybės.

Viena alternatyvi hipotezė teigia, kad nešiklis prisijungia prie hidrofilinės molekulės ir kad tada visas transportavimo baltymas sukasi per membraną ir prideda jo susijusią metabolitą į kitą pusę. Antroji alternatyva siūlo, kad nešiklis būtų pritvirtintas membranoje, ir kad nešiklio molekulėje vyktų konformaciniai pokyčiai, kurie persijungia rišimo vietą per membraną, o susietas metabolitas kartu su tuo pačiu metu.

Po to, kai metabolitas buvo perkeltas, surišimo vieta atlaisvinama ir atkuriama į pradinę jo formą, pasirengusi prisijungti prie kitos hidrofilinės molekulės kitame transporto įvykyje. Ši antroji alternatyva vadinama fiksuotu porų mechanizmu. Pirmoji alternatyva yra žinoma kaip nešiklio mechanizmas.