Permeabilitetsgrader av plasmamembran i passiv diffusion

Permeabilitetsgrader av plasmamembran i passiv diffusion!

Membranen i en cell passerar små joner och molekyler genom dem. Passagen av joner eller molekyler kan förekomma som passiv diffusion eller aktiv transport som utvecklar energiförbrukningen. Vid passiv diffusion kan membran klassas enligt deras permeabilitetsgrad.

1. Impermeable :

Ett membran av detta slag tillåter inget att passera genom det. Vissa unfertilizd fiskägg, som öring, är endast permeabla för gaser; vatten som är märkt med deuterium dödar inte ägget.

2. Semipermeabel :

Inga cellmembran i cellerna tillhör denna kategori. Sådana membran tillåter vatten och vissa valda joner och SMA-molekyler att passera, men förbjuder andra joner såväl som små och stora molekyler.

3. Selektiv permeabel :

De flesta membran i cellerna hör till denna kategori. Sådana membran tillåter vatten och vissa valda joner och små molekyler att passera, men förbjuder andra joner såväl som små och stora molekyler.

4. Dialysmembran :

Endotelcellerna och deras basalmembran i kapillärerna och nephronen kan fungera som dialysator. På detta sätt tvingar det hydrostatiska trycket vattenmolekyler och kristalloider över membranet ner i sina koncentrationsgradienter medan de begränsar passagen av kolloider.

Transport av ämnen över plasmamembranet i cellens cytoplasma kan uppnås genom följande metoder:

Osmos:

Osmos är en speciell typ av diffusion som innefattar rörelse av vatten eller andra lösningsmolekyler genom ett semipermeabelt eller differentiellt permeabelt membran från ett område med hög potential (rent lösningsmedel) till ett område med låg potential (mer koncentrerad lösning).

Inmatningen av vatten i cellen från dess medium kallas endosmos; den omvända processen i vilken vatten lämnar cellen kallas exosmos. Ett osmotiskt tryck upprätthålls av salterna närvarande i cytoplasma. Cellen förblir alltid i ett vätske- eller fluidmedium för fysiologisk utbyte av gaser, näringsämnen etc. Detta fluidum betecknas vanligen av extracellulär vätska (ECF). I protozoer och andra lägre organismer är det vatten. Beroende på koncentrationen kan ECF vara.

(i) isotonisk lösning :

Om koncentrationen av ECF i vilken cellen är närvarande liknar den hos intracellulär vätska i cellen är den känd som isotonisk lösning. Cellens form förblir normal.

(ii) Hypotonisk lösning :

Om koncentrationen av ECF är mindre koncentrerad än den intracellulära vätskan är den känd som hypotonisk lösning. I en sådan lösning sväller cellen upp på grund av att vatten når cellen med endosmos.

(iii) Hypertonisk lösning :

Om koncentrationen av ECF är högre än den intracellulära vätskan i cellen kallas lösningen hypertonisk lösning. I så fall diffunderar vatten ut ur cellen genom exosmos. Som en följd av detta genomgår cellen en plasmolys.

Passiv transport:

Passiv transport är rak diffusion av vatten, joner eller molekyler av olika ämnen rör sig genom plasmamembranet från en region med högre koncentration till låg koncentration. Transport av molekyler sker längs koncentrationsgradienten så att ingen energi krävs för diffusion.

Enkel diffusion :

Enligt ett stort antal bevis rör många substanser genom plasmamembran vid fri diffusionshastighet som är direkt proportionell mot deras löslighet i lipid. Vattenmolekyler är ett anmärkningsvärt undantag från denna regel, eftersom de fritt diffunderar genom membran regelbundet och snabbt.

Plasmamembran skulle innehålla två typer av porer:

(i) Fina vattenhaltiga kanaler :

Dessa är närvarande genom ett protein eller mellan grupperade integrerade proteiner. Dessa porer är 10 nm i diameter och permanent i naturen. Dessa sträcker sig genom hela lipid-dubbelskiktet. Dessa porer fungerar som ventrikulära öppningar. Vissa porer laddas positivt andra är negativa avgifter.

(ii) Statistiska porer :

Dessa porer är instabila. De fortsätter att visas och försvinner. Dessa bildas som luckor i det högvätskeformiga lipid-dubbelskiktet. Dessa bildas på grund av slumpmässig termisk rörelse av membranfosfolipider. Ämnen passerar lätt genom dessa porer om de är lösliga i lipider {Overton). Därför kan de hydrofoba ämnena med både låg och hög molekylvikt passera genom plasmamembran.

Den relativa diffusionshastigheten av molekyler över membranet beror på molekylernas storlek; koncentrationsgradient över membranet; och lösligheten i lipider eller hydrofob natur hos molekylen. Collander och Barlund i sina klassiska experiment med plantans celler visade Chara att den hastighet vid vilken substratet tränger beror på deras löslighet i lipider och deras storlek av molekyler.

Permeabiliteten (P) hos molekyler över membranet representerar din formel:

P = KD / t

Där K är partitionskoefficient D är diffusionskoefficienten (beror på molekylvikt) och t är membranets tjocklek. Partitionskoefficienten i cellmembran är lik olivolja och vatten. Partitionskoefficienten kan mätas genom att blanda lösningsmedlet med en oljevattenblandning och väntar tills faserna separeras.

Partikoefficienten (K) är koncentrationen av lösningsmedel i olja, dividerat med koncentrationen av lösningsmedel i vattenfas. Diffusionskoefficienten (D) kan bestämmas genom att man använder radioaktiva lösningsmedel och mäter deras inträdeshastighet i cytoplasman vid olika externa koncentrationer.

Förenklad diffusion:

Spridningen av ett ämne över ett membran sker alltid från en region med högre koncentration på ena sidan till en region med lägre koncentration på den andra sidan. Men det är inte alltid fallet eftersom många exempel har upptäckts där ett protein, permeas finns i plasmamembranet som underlättar diffusionsprocessen. Denna mekanism kallas underlättad diffusion. Denna process är vanligast vid rörelsen av sockerarter och aminosyror.

Närvaron av permeas i membranet erbjuder en väg genom membranet som är ett alternativ till lipidskiktet. Bindningen av lösningsmedel på membranens yttre yta skulle utlösa en konformationell förändring i permeasen och exponera lösningsmedlet till membranets inre yta, från vilken det kan diffundera in i cytoplasman ner dess koncentrationsgradient.

Kännetecknen för underlättad diffusion är:

(i) Mängden transport av molekyler över membranet är mycket större än förväntat från enkel diffusion

(ii) Permeaserna är mycket specifika och transporterar endast en enda specifik jon eller molekyler eller en grupp nära besläktade molekyler.

iii) Med en ökning av koncentrationsgradienten är det en motsvarande ökning av transporthastigheten.

Som i fallet med enzymer visar permeaser som underlättar diffusion uppvisande mättnadskinetik. Om ett ämne (S) är närvarande initialt utanför plasmamembranet, kan dess transport inuti representeras av följande ekvationer:

S (ut) + Permease Km = S-permeaskomplex Vmax

Här är S substrat, Km är bindande konstant för substrat till permeas och Vmax är maximal transporthastighet. Om koncentrationen av S utanför är C, kan transporthastigheten beräknas som:

V = Vmax / 1 + C / Km

Aktiv transport:

Spridningen av joner över membranen är ännu svårare eftersom det inte bara beror på koncentrationsgradienten utan också på den elektriska gradient som finns i systemet. Eftersom aktiv transport är en process som arbetar mot en koncentrationsgradient, är det inte förvånande att laga att det kräver utgifter för energi.

Processen involverar användningen av bärarmolekyler i det egna cellmembranet. Dessa bärarmolekyler skingrar uppenbarligen fram och tillbaka mellan de inre och yttre cellmembranytorna och antingen hämtar eller släpper ut en viss jon som regleras. Den energi som krävs för denna process erhålls från adenosintrifosfat (ATP), som huvudsakligen produceras genom oxidativ fosforylering i mitokondrier.

Av tabell 2.1 som visas nedan är det uppenbart att inom en cell finns en stor koncentration av icke diffunderbara anjoner och att en elektrisk gradient över membranet etableras.

Tabell 2.1

Visar jonisk koncentration och stabil potential i muskeln

Donnan (1911) förutsagde att om en cell med en icke diffunderbar negativ laddning inuti sätts i en lösning av Cl ^-, kommer K ⁺ att drivas in i cellkoncentrationen och den elektriska gradienten. Kloner å andra sidan kommer att drivas in med koncentrationsgradienten men kommer att avstötas av den elektriska gradienten. Enligt Donnan kommer jämviktskoncentrationerna att vara exakt ömsesidiga.

(K ⁺ in) / (K ⁺ ut) = (CI-ut) / (CI-in)

Förhållandet mellan koncentrationsgradienten och vilningsmembranpotentialen ges av Nernst-ekvation.

E = RT i C1 / C2

Där E anges i millivolt är R universell gaskonstant och T är absolut temperatur. Från (i) och (ii) kan Donnans jämvikt för KC1 uttryckas

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

Aktiv transport av joner eller natriumpump:

Det lösta ämnet som pumpas mest in i cellerna är kalium (K ⁺ ) joner. Drivkraften för denna inåtriktade transport antas vara en natrium (Na ⁺ ) gradient över membranet, skapad genom aktiv transport av Na ion pumpad ut ur cell.

Koncentrationen av (Na ⁺ ) joner utanför membranet blir hög, då den inre koncentrationen blir låg. Energi, som krävs för att pumpa ut Na ⁺ joner, tillhandahålls av ATP. I närvaro av Mg ⁺⁺ aktiverat ATPas hydrolyseras ATP-molekylen och det antas att ATPas ligger i membranet.

Na ⁺ -pumpen upptäcktes av Hodkin och Keynes (1955) och associerades med ATP-hydrolys in vitro av Skou (1957). Två separata mekanismer av Na ⁺ -pump har beskrivits för djurceller. Dessa är:

(i) Natrium - Kaliumbytespump:

I en sådan Na ⁺ -pump är den yttre pumpningen av Na ⁺ joner kopplad till den inre transporten av kioner. Eftersom Na ⁺ och K ⁺ utbyts på ett obligatoriskt sätt, följs utåtriktad rörelse av Na ⁺ alltid med inåtgående rörelse av K ⁺ . Sådan pump uppträder i nervceller och muskelceller.

(ii) elektrogenisk Na ⁺ -pump:

I denna pump finns det ingen obligatorisk utbyte av inåtgående K ⁺ -joner och utåtgående Na ⁺ -joner. I denna pump kan en gradient av elektrokemisk potential genereras när utgången av Na ⁺ joner inte kompenseras av en till en ingång av K ⁺ .

En hög intracellulär koncentration av K ⁺ joner, oberoende av den yttre koncentrationen av Na och K ⁺, behövs av aeroba celler. Den höga K ⁺ koncentrationen är sidan cellen är nödvändig för proteinsyntes och glykolys. Den höga K ⁺ -koncentrationen av cellen måste balanseras genom förlust av vissa katjoner, såsom Na ⁺, annars skulle överdriven svullnad leda till att cellen brista genom att skapa ett tillstånd av högre internt osmotiskt tryck.

Aktiv transport av glukos till celler är en annan konsekvens av verkan av en elektrogen Na ⁺ -pump. Extrusion av Na ⁺ från cellen genererar en gradient av låg intern och högre extern koncentration av Na ⁺ . Sockeraktiv transport uppnådd under betingelser i vilka Na ⁺ -koncentrationen hålls tillräckligt hög för att skapa en lämplig gradient vars energi driver metaboliter in i cellen från mycket utspädd sockerlösning. Uppsamlingen av sockerarter kompileras till Na ⁺ -strängsprutning och assisteras också av specifika bärarproteiner.

Translocation över membranet :

Bärarproteinerna hjälper hydrofila molekyler över en membrantjocklek av 6 till 10 nm. Metaboliterna är betydligt mindre än 6 nm, så det är viktigt att veta hur dessa molekyler translokeras över detta relativt stora avstånd av bärarna. Flera alternativ har föreslagits, men två har studerat mer intensivt än de andra möjligheterna.

En alternativ hypotese postulerar att bäraren binder med den hydrofila molekylen och då roterar hela transportproteinet över membranet och levererar sin bundna metabolit till den andra sidan. Det andra alternativet föreslår att bäraren fixeras på plats i membranet och att bärarmolekylen genomgår en konformationsförändring som translokerar bindningsstället över membranet och den bundna metaboliten tillsammans med den är samtidigt.

När metaboliten har translokerats frigörs bindningsstället och återställs till sin ursprungliga konformation, redo att binda en annan hydrofil molekyl i en annan transporthändelse. Detta andra alternativ har hänvisats till som den fixerade pormekanismen. Det första alternativet är känt som bärarmekanismen.