معلومة

كيف تنقل القنوات الأيونية أيونات معينة فقط؟

كيف تنقل القنوات الأيونية أيونات معينة فقط؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

القنوات الأيونية ، مثل قنوات $ Na ^ + $ و $ K ^ + $ ، خاصة جدًا بنفاذية الأيونات. لكن كيف تحقق هذه القنوات هذه الخصوصية وتحافظ عليها؟ مثل كيف تنقل قناة $ K ^ + $ فقط $ K ^ + $ أيونات (نفس الشيء بالنسبة للقنوات الأخرى مثل قناة $ Na ^ + $ و $ Ca ^ {2 +} $ و $ Cl ^ - $ وما إلى ذلك)؟


أقصر الإجابة على قنوات $ Na ^ + $ و $ K ^ + $ فقط ، بافتراض وجود آلية مماثلة للقنوات الأخرى. في هاتين القناتين ، يتم تحقيق هذا المستوى العالي من الخصوصية بسبب اختلافين رئيسيين بين $ Na ^ + $ و $ K ^ + $:

  • الفرق في الحجم $ Na ^ + $ و $ K ^ + $ أيونات.

  • الاختلاف في الخصائص الكيميائية للأيونات $ Na ^ + $ و $ K ^ + $.

لنناقش هذه النقاط واحدة تلو الأخرى:

  1. الفرق في الحجم الأيوني: الحجم الأيوني لـ $ Na ^ + $ ion هو 0.96 $ overet { circ} {A} $ بينما حجم $ K ^ + $ ion هو 1.33 $ overset { circ} {A} $. سيتم مناقشة كيفية استغلال هذا الاختلاف في الحجم البالغ 0.38 دولار overet { circ} {A} $ بواسطة القنوات في قسم لاحق.

مصدر

  1. الفرق في الخواص الكيميائية: الخاصية التي نهتم بها هنا هي المحتوى الحراري المائي. يحتوي أيون $ Na ^ + $ على محتوى ترطيب أكبر من $ K ^ + $ ion ، مما يعني أن $ Na ^ + $ لديه ميل أعلى للبقاء محصورًا بجزيئات الماء أكثر من $ K ^ + $. سيتم مناقشة كيفية استغلال هذا الاختلاف في المحتوى الحراري بواسطة القنوات في القسم التالي.

    مصدر

سأناقش الطرق المختلفة التي تستخدمها هذه القنوات واحدة تلو الأخرى.

  1. قنوات $ Na ^ + $: قنوات $ Na ^ + $ أقل دراسة من قنوات $ K ^ + $ ، لكن بعض الآليات المستخدمة معروفة وموضحة أدناه:

    • تمر أيونات $ Na ^ + $ عبر القنوات في شكل رطب جزئيًا1، وهذه القنوات لها حلقتان من مرشحات التحديد2 في الثدييات.

    • الحلقة الأولى (الخارجية) تحتوي على الأحماض الأمينية EEDD (أو EEMD)3 بينما تحتوي الحلقة الثانية (الداخلية) على الأحماض الأمينية DEKA4. كيف ترتبط هذه الأحماض الأمينية بأيونات $ Na ^ + $ على وجه التحديد ليست معروفة تمامًا حتى الآن ، ولكن يُفترض أن الحلقة الداخلية ، كونها أكثر حفظًا ، أكثر أهمية كمرشح من الحلقة الخارجية. أيضًا ، تم إثبات أن تغيير الحمض الأميني K في DEKA يجعل القناة أكثر قابلية للاختراق إلى أيونات $ K ^ + $ و $ Ca ^ {2 +} $ ، وبتغيير التسلسل من DEKA إلى EEEE يجعل القناة أكثر انتقائية باتجاه $ Ca ^ {2 +} $ ions5.

    • أيون $ K ^ + $ ، في شكل رطب ، لا يمكن أن يمر عبر الفلتر الداخلي بسبب الحجم الأكبر ووجود D و E المشحونة سالبًا من DEKA ، بينما $ Na ^ + $ يمر بسهولة نظرًا لصغر الحجم وارتفاع المحتوى الحراري للترطيب6.

الشحنة السالبة في القناة تحاكي غلاف الماء (ثماني السطوح العادي) من $ Na ^ + $ من الجانب

مصدر (1) مصدر (2)

  1. قنوات $ K ^ + $: تمت دراسة قنوات $ K ^ + $ بشكل مكثف ، لذا فإن آليتها مفهومة بشكل أكبر. النقاط الرئيسية التي يجب التفكير فيها هي:

    • يحتوي مرشح قناة $ K ^ + $ على الأحماض الأمينية TVGYG 7 وهو موجود في أضيق منطقة في القناة.

    • لتمرير هذه القناة ، يحتاج $ K ^ + $ ion إلى التجفيف تمامًا ، أي بدون أي جزيء ماء مرتبط به. الأحماض الأمينية في الفلتر تستبدل جزيئات الماء بذرات الأكسجين القطبية. من ناحية أخرى ، لا يمكن لـ $ Na ^ + $ التخلص من جزيئات الماء بهذه السهولة ، وبالتالي ، فإن مرورها عبر القناة غير مواتٍ من الناحية الديناميكية الحرارية8، جزئيًا أيضًا لأن $ Na ^ + $ المجفف صغير جدًا لدرجة أنه لا يمكنه الارتباط بكل ذرات الأكسجين القطبية للأحماض الأمينية.

    • هنا تظهر الطبيعة بعض التقنيات الذكية. تشكل الأحماض الأمينية ، TVGYG ، التي تحتوي على ذرات أكسجين كربونيل كهربية مصطفة باتجاه مركز مسام المرشح ، مربعًا مضادًا للمنشور يشبه غلافًا مذيبًا للماء حول كل موقع ربط للبوتاسيوم. المسافة بين أكسجين الكربونيل وأيونات البوتاسيوم في مواقع الربط لمرشح الانتقائية هي نفسها بين أكسجين الماء في غلاف الترطيب الأول وأيون البوتاسيوم في محلول الماء ، مما يوفر طريقًا مواتًا بقوة لإذابة الأيونات9.

هكذا يبدو مرور $ K ^ + $ ion عبر قناة $ K ^ + $ كما يلي: مصدر

تحاكي أوكسيجين الكربونيل هذا التكوين لأن هذا هو الشكل الذي يبدو عليه $ K ^ + $ في شكل رطب (مضاد مربع):مصدر

ملاحظة. مع إجراء المزيد من الدراسات العميقة ، قد يتم الكشف عن المزيد من الآليات. أيضًا ، النقاط المذكورة أعلاه مجرد نظريات وليست براهين قاطعة.

مراجع:

  1. Hille، B. نفاذية قناة الصوديوم للكاتيونات العضوية في العصب النخاعي. J. الجنرال فيزيول. 58 ، 599-619 (1971).

  2. Guy HR ، Seetharamulu P. Molecular-Model of the Action-Potential Sodium-Channel. بروك ناتل أكاد علوم الولايات المتحدة الأمريكية. 1986 ؛ 83: 508-512.

  3. McNult ، M. ، Edgerton ، G. B. ، Shah ، R. D. ، Hanck ، D.A ، Fozzard ، H. مجلة علم وظائف الأعضاء ، 581: 741-755. دوى: 10.1113 / jphysiol.2007.130161

  4. Favre I.، Moczydlowski E. & Schild L. على الأساس البنيوي للانتقائية الأيونية بين Na + و K + و Ca2 + في قناة الصوديوم ذات الجهد الكهربائي. Biophys J 71، 3110-3125 (1996).

  5. خصائص قناة الكالسيوم الممنوحة على قناة الصوديوم بواسطة طفرات مفردة. Heinemann SH ، Terlau H ، Stühmer W ، Imoto K ، Numa S 1992 2 أبريل ؛ 356 (6368): 441-3.

  6. آلية نفاذ الأيونات والانتقائية في قناة الصوديوم ذات الجهد الكهربي. بن كوري ومايكل توماس

  7. تم الكشف عن كيمياء التنسيق الأيوني والترطيب بواسطة مجمع $ K ^ + $ channel-Fab بدقة 2.0 ، Yufeng Zhou ، João H. Morais-Cabral ، Amelia Kaufman & Roderick MacKinnon

  8. تم الكشف عن آلية انتقائية قناة البوتاسيوم بواسطة مواقع ربط $ Na ^ + $ و $ Li ^ + $ داخل مسام KcsA. أمير ن.

  9. مقارنة بين قناتين من قنوات البوتاسيوم بدائية النواة (KirBac1.1 و KcsA) في دراسة محاكاة الديناميكيات الجزيئية (MD) ؛ ميكو هيلجرينا ، لارس ساندبرج ، أول إدهولم ، 1 مارس 2006


كيف تنقل قنوات الكالسيوم أيونات الكالسيوم؟

يعد نشاط قناة الكالسيوم أمرًا بالغ الأهمية للعديد من العمليات الفسيولوجية الأساسية التي تتراوح من ضربات القلب إلى الانتقال المشبكي. يتكون البروتين المكون للقناة ، من حوالي 2000 من الأحماض الأمينية ، من أربعة مجالات متجانسة داخليًا مع بعضها البعض. قنوات Ca2 + المعتمدة على الجهد هي القنوات الأيونية الأكثر انتقائية المعروفة. في ظل الظروف الفسيولوجية ، يفضلون Ca2 + على Na بنسبة حوالي 1000: 1. لشرح في نفس الوقت الانتقائية الأيونية الرائعة ومعدل دوران أيون Ca2 + الكبير لقنوات Ca2 + (حوالي 3 × 10 (6) أيونات / ثانية) ، تم اقتراح نموذجين من النوع. في أحدهما ، يمتلك مسار التوصيل موقعين ربط عالي التقارب. عندما يرتبط اثنان من أيونات Ca2 + بكل موقع ، فإن التنافر المتبادل بينهما يسرع معدل خروج الأيونات ، مما يتسبب في زيادة تغلغل الأيونات عبر المسام. يفترض النموذج الثاني وجود موقع واحد له بنية مشحونة قادرة على جذب أيونات متعددة ومتفاعلة في وقت واحد. تظهر الدراسات الحديثة التي تجمع بين الطفرات والفيزيولوجيا الكهربية أن موقع الارتباط عالي التقارب يتكون من حلقة من بقايا الغلوتامات الموجودة في منطقة تشكيل المسام لقناة Ca2 +. كما هو مقترح في الفئة الثانية من النماذج ، تشير النتائج إلى أن أربعة بقايا من الغلوتامات ، واحدة من الغلوتامات تبرع بها كل تكرار ، تتحد لتشكل موقعًا واحدًا عالي التقارب. في هذه المراجعة ، تمت مناقشة نماذج التوصيل المختلفة لقنوات Ca2 + ومواجهتها بالبيانات الهيكلية.


المصطلحات ذات الصلة:

جورجي في بيتكوف ، علم الأدوية ، 2009

بوابات الجهد

كما يوحي الاسم ، يتم تنظيم نشاط القنوات ذات بوابات الجهد من خلال التغيرات في جهد الغشاء. يتطلب استشعار الجهد بنية متخصصة قادرة على اكتشاف انتقال الشحنة الكهربائية عبر غشاء الخلية استجابة للتغيرات في جهد الغشاء. بناءً على العناصر الهيكلية المماثلة ، فإن الجهد الكهربائي المصنوع من Naالخامس، كاليفورنياالخامس، و K.الخامس يتم تصنيف القنوات على أنها عائلة قناة S4. في هذه العائلة S4 ، يتكون مستشعر الجهد من عدة بقايا موجبة الشحنة في الجزء الرابع من TM (S4). تنتج تغييرات جهد الغشاء تعديلات توافقية في منطقة المسام من خلال حركة بقايا مقطع S4 المحفوظة (الشكلان 16.4 و 16.6 أ). هذا يزيد من احتمال فتح القناة الأيونية & # x27s. في حالة CLC ، يتم تشغيل آلية بوابات الجهد بواسطة منشطات ليجند مشحونة مرتبطة بمواقع عميقة داخل البروتين.

بعد التنشيط والفتح ، بعض القنوات ذات الجهد الكهربائي ، بشكل رئيسي Kالخامس، ناالخامس، و Caالخامس، خاضعة لتعطيل النشاط ويمكن أن تتبنى حالة منفصلة معطلة. تتميز حالة القناة الأيونية هذه عن الحالة المغلقة للقناة وتتميز بأنها حالة غير موصلة مقاومة للحرارة لاستقطاب غشاء الخلية اللاحق. تعطيل بعض K.الخامس يتم إنتاج القنوات بواسطة منطقة N-terminus داخل الخلايا للقناة ولهذا السبب تسمى تعطيل نوع N (يُعرف أيضًا باسم التعطيل السريع). يتأرجح هيكل البروتين المربوط ، الذي يعمل مثل الكرة والسلسلة ، في المسام ويسدها جسديًا (الشكل 16.6 أ). بعض Kالخامس القنوات لديها آلية إضافية لتعطيل ، وتقع في C- الطرف ، ودعا تعطيل نوع C (يُعرف أيضًا باسم التعطيل البطيء). يعتمد تعطيل CLC على بوابات الجهد على تغييرات توافقية دقيقة للغاية حيث يمكن أن يكون دوران حمض أميني واحد مسؤولاً عن عملية التثبيط التي تؤدي إلى تثبيط نفاذ الأيونات.


منتجات Ionophore الشعبية

فالينومايسين (V-1013)

فالينوميسين هو حامل شاردة يحث على التوصيل K + في أغشية الخلايا.

الكالسيوم Ionophore CA 1001 (E-2026)

يحتوي CA 1001 (Calcium Ionophore I) على انتقائية عالية جدًا لأيونات Ca2 +. يحدد حامل أيون الكالسيوم نشاط Ca2 + في أقطاب الغشاء ويستخدم لدراسات النقل في الأغشية البيولوجية.

كربونات Ionophore VII (C-8991)

يستخدم كربونات Ionophore VII في الكروماتوغرافيا. إنه مركب مستشعر أيون يستخدم في قياس الجهد الأيوني لـ ISE (الأقطاب الكهربائية الانتقائية للأيونات).

ليثيوم أيونوفور الثامن (L-1185)

يعتبر Lithium Ionophore VIII حاملًا لأقطاب غشاء البوليمر المذيبات الانتقائية بأيون الليثيوم. تستخدم ضد كاتيونات Na + و K +.

نوناكتين (N-1155)

يستخدم Nonactin لتحديد أيون الأمونيوم في أقطاب قياس الجهد لبناء جهاز الاستشعار الحيوي.


إشارات الهرمونات عبر مستقبلات البروتين جي

Javier González-Maeso، Stuart C. Sealfon، in Endocrinology (Sixth Edition)، 2010

إشارات القنوات الأيونية

تختلف القنوات الأيونية ، المشفرة بواسطة عدة مئات من الجينات في البشر ، بشكل كبير في التركيب الجزيئي ، والانتقائية للأيونات ، وآليات التشغيل. 81 على الرغم من تنوعها ، تشترك هذه البروتينات في فكرة هيكلية عامة: مسام يتكون من أجزاء غشاء لبروتين القناة ، والذي من خلاله تعبر الأيونات غشاء البلازما. يتم تنظيم معظم القنوات الأيونية للثدييات بواسطة الناقلات العصبية والهرمونات عبر GPCRs. كلاهما Gα وجβγ يمكن للوحدات الفرعية أن تنظم القنوات الأيونية بشكل غير مباشر (عن طريق الرسل الثاني وكينازات البروتين) أو بشكل مباشر ، من خلال التفاعل المادي بين الوحدات الفرعية للبروتين G وبروتين القناة. على الرغم من اقتراح التعديل المباشر بواسطة بروتينات G للعديد من القنوات الأيونية ، إلا أنه تم ترسيخه بقوة لعائلتين فقط: (1) بعض قنوات Ca 2+ التي يتم تنشيطها بالجهد والتي تمنعها Gβγ، و (2) بروتين G المنشط داخليا لتصحيح قنوات K + ، والتي يتم تنشيطها بواسطة Gβγ. تلعب البروتينات الإضافية أدوارًا مميزة في تحديد موضع Gβγ أو تنظيم تأثيره أو بوابة. الدور الرئيسي لـ Gα هو توفير خصوصية الإشارة والعمل كـ Gβγ الجهات المانحة ، ولكن يمكن أن يمتد دورها إلى ما وراء هذه الوظائف. يبدو أن العديد من القنوات الأيونية الأخرى يتم تعديلها من خلال التفاعلات المباشرة مع بروتينات G ، ولكن هناك حاجة لدراسات إضافية قبل أن يتم إثبات ذلك بحزم.


النقل الأيوني

نقل الأيونات عبر الأغشية البيولوجية في خلايا وأنسجة الكائنات الحية. قد يكون النقل سلبيًا ، أي نتيجة نفاذية الغشاء ، أو نشطًا ، نتيجة لعمل المضخات الجزيئية في أغشية الخلايا والجسيمات تحت الخلوية. النقل الأيوني مهم للغاية في النشاط الحيوي لجميع الكائنات الحية. يسمح بالحفاظ على التركيزات المثلى لـ K + و Na + و H + و Ca 2+ وأيونات أخرى ، وهي تركيزات تختلف عادة بشكل حاد عن تلك الموجودة في الوسائط المحيطة. إن الاختلاف (التدرج) في تركيزات أيونات K + و Na + و Ca 2+ داخل الخلية وخارجها هو الأساس لانتقال الإثارة في تدرجات أيونات H + على أغشية الميتوكوندريا وعضيات البلاستيدات الخضراء. توفير الطاقة في الخلية أثناء الأكسدة البيولوجية والتمثيل الضوئي. يؤدي نقل أيونات الكالسيوم 2+ من الخلايا العضلية إلى استرخاء عضلات دخول هذه الأيونات إلى السيتوبلازم عند الإثارة مما يؤدي إلى تقلص العضلات.

يتم الحفاظ على تدرجات الأيونات على الأغشية البيولوجية بواسطة المضخات الجزيئية ، والتي تعمل عادةً على الطاقة المحررة أثناء انقسام الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) وبالتالي ، تؤدي المضخات الأيونية في نفس الوقت وظيفة الإنزيمات ، المعروفة باسم ATPases ، التي تقسم ATP. أهم ثلاثة إنزيمات من هذا القبيل هي H + -ATPase ، في الميتوكوندريا والبلاستيدات الخضراء Ca 2+ -ATPase ، في أغشية الخلايا العضلية وبعض الخلايا الأخرى و K + ، Na + -ATPase ، في الأغشية البروتوبلازمية لجميع الخلايا تقريبًا . يصاحب انقسام ATP بواسطة هذه الإنزيمات نقل أيونات H + و K + و Na + و Ca 2+.

يعتبر نقل Ca 2+ و Na + وأيونات أخرى إلى الخلية وأيونات K + خارج الخلية أمرًا مهمًا للغاية في تنظيم العمليات داخل الخلايا مثل تنشيط تخليق البروتين وإطلاق آلية انقسام الخلية. يحدث هذا النقل من خلال زيادة نفاذية الأغشية لهذه الأيونات الناتجة عن فتح المسام أو تنشيط ناقلات الأيونات المعطاة في الأغشية. يمكن أن تبدأ هذه الزيادة في النفاذية عن طريق النبضات العصبية ، مثل الوسطاء مثل الأسيتيل كولين ، أو الهرمونات ، غالبًا ما يكون تأثير الهرمونات على نقل الأيونات غير مباشر ويتم التوسط من خلال تنشيط إما الإنزيمات في الغشاء أو التخليق الحيوي للبروتين في النواة والسيتوبلازم باستخدام مساعدة نظام النيوكليوتيدات الحلقية.

يعد اضطراب النقل الأيوني السبب الكامن وراء العديد من الاضطرابات ، من بينها أنواع معينة من التسمم ، واضطراب تبادل الماء والملح ، واضطرابات في وظائف الأعضاء إما بسبب نقص الأكسجين أو اضطراب الدورة الدموية ، واضطراب إفراز الوسطاء والهرمونات والاضطرابات الناجمة عن الإشعاع. لهذا السبب ، فإن دراسة تأثير المواد المختلفة على النقل الأيوني ضرورية لتطوير طرق جديدة للتشخيص والعلاج ولإنشاء مستحضرات طبية جديدة.


الاختلافات الهيكلية والديناميكية بين القنوات الأيونية الانتقائية وغير الانتقائية

لقطة مأخوذة أثناء محاكاة الكمبيوتر لقناة NaK - تتيح هذه القناة (الموضحة باللونين الأصفر والبرتقالي) تدفق الأيونات (مثل أيونات البوتاسيوم [الكرات الحمراء]) عبر غشاء الخلية. (تم تصوير دهون الغشاء باللون الرمادي.) Credit: Barth van Rossum / FMP

معظم القنوات الأيونية انتقائية للغاية بشأن الأيونات التي قد تمر أو لا تمر عبرها. قد تكون موصلة لأيونات البوتاسيوم وغير موصلة لأيونات الصوديوم ، أو العكس. ومع ذلك ، يسمح عدد من القنوات الأيونية بالمرور الفعال لكلا النوعين من الأيونات. كيف تقوم بروتينات القنوات هذه بتحقيق ذلك؟ وجد فريق من العلماء حول الدكتور هان صن والمجموعة البحثية للبروفيسور آدم لانج في Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) الإجابة على هذا السؤال.

كشفت دراستهم عن اختلافات هيكلية وديناميكية بين القنوات الأيونية الانتقائية وغير الانتقائية. وصف العلماء نتائجهم واستنتاجاتهم في المجلة اتصالات الطبيعة. في القنوات غير الانتقائية ، يعرض مرشح الانتقائية ديناميكيات كبيرة غير موجودة في القنوات الانتقائية. يمكن أن يوجد مرشح الانتقائية للقنوات الأيونية غير الانتقائية في شكلين مختلفين. اعتمادًا على حالة مرشح الانتقائية ، قد يمر نوع أيون واحد أو آخر.

تلعب القنوات الأيونية أدوارًا بارزة في الكائنات الحية. على سبيل المثال ، تعمل القنوات الأيونية عندما يسجل الكائن المنبهات ويمرر المعلومات إلى الدماغ في شكل إشارات كهربائية. أثناء نقل الإشارة هذا ، يجب أن تدخل الذرات المشحونة (الأيونات) الخلايا المعنية وتغادرها. لا يمكن للأيونات أن تتخلل أغشية الخلايا المحبة للدهون. وبدلاً من ذلك ، فإنها تمر عبر قنوات البروتين في أغشية الخلايا.

في كثير من الحالات ، تسمح القنوات الأيونية بمرور نوع أيون واحد فقط ، أي أنها قد تكون موصلة للبوتاسيوم ولكن ليس لأيونات الصوديوم أو العكس. يعتبر مرشح الانتقائية الذي يعد أضيق جزء في القناة مسؤولاً عن هذا التمييز الأيوني. ومع ذلك ، تسمح قناة NaK بمرور أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. كان هذا في محور الدراسة الحالية التي أجراها علماء FMP حول الدكتور هان صن والبروفيسور آدم لانج مع زملائه في جوتنغن (ألمانيا) وخفي (الصين).

القنوات الأيونية غير الانتقائية مهمة جدًا في الطب.

حتى الآن ، لا يزال من المثير للجدل سبب سماح قنوات NaK بمرور أيونات الصوديوم والبوتاسيوم. يوضح البروفيسور آدم لانج: "بينما أظهرت لنا الصور البلورية بالأشعة السينية البنية ثلاثية الأبعاد للقناة ، كان من الصعب شرح سبب توصيل هذه القناة لنوعين مختلفين من الأيونات بكفاءة عالية مماثلة. كان هذا صعب الفهم بشكل خاص لأن يتشابه التسلسل والبنية ثلاثية الأبعاد لمرشح الانتقائية مع تلك الموجودة في قنوات انتقائية للبوتاسيوم. "

وأضاف العالم الدكتور هان صن أن هذا نظام نموذجي للعديد من القنوات الأيونية غير الانتقائية الأخرى في جسم الإنسان. في هذا السياق ، تكون القنوات ذات البوابات الحلقية ذات بوابات النوكليوتيدات الدورية والمفعلة بفرط الاستقطاب (قنوات CNG و HCN) ذات صلة طبية وفسيولوجية. "نحن نعلم أن قنوات الغاز الطبيعي المضغوط CNG مهمة للرؤية والشم. قنوات HCN المختلة متورطة في أمراض عصبية مختلفة مثل الصرع أو التوحد."

تفضل الأيونات المحددة هياكل قناة معينة

استخدم العلماء مزيجًا من التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي (NMR) ومحاكاة الديناميكيات الجزيئية بمساعدة الكمبيوتر. أظهرت النتائج أن مرشح الانتقائية لقناة NaK يتغير ديناميكيًا بين هيكلين. كل هيكل موصل لواحد من نوعي الأيونات. يقول الدكتور هان صن: "المثير للدهشة أن المحاكاة الحاسوبية أظهرت أن أيونات البوتاسيوم التي تمر عبر قناة NaK تفضل بنية قناة انتقائية للبوتاسيوم ، في حين أن آلية مرور أيون الصوديوم تشبه مرور أيونات الصوديوم عبر انتقائي للصوديوم قناة أيون ". حتى الآن ، يعتقد الباحثون أن بنية مرشح الانتقائية هي نفسها بالنسبة لنقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم عبر قناة NaK.

لجمع المزيد من الأدلة على الدور الحاسم للهيكل الديناميكي لمرشح انتقائية NaK ، جرب العلماء قناة NaK المتحولة (طفرة نقطية مزدوجة NaK2K). قناة NaK المتغيرة هذه موصلة فقط لأيونات البوتاسيوم. قدم البروفيسور آدم لانج سرداً للنتائج: "كشفت تحقيقاتنا بالرنين المغناطيسي النووي بوضوح أن مرشح الانتقائية لهذه القناة لا يشكل سوى بنية واحدة".


الانتشار الميسر (Uniporter)

أسهل طريقة لنقل الجزيء هي أسفل تدرج تركيزه. تنقل هذه الأحاديات الجزيئات التي يفضل الديناميكا الحرارية لدخول الخلية ولكن لا تستطيع ذلك لأنها غير قادرة على الانتشار عبر طبقة ثنائية الدهون. تشمل هذه الجزيئات الأحماض الأمينية والنيوكليوسيدات والسكريات وما إلى ذلك.
في هذه الدورة التدريبية ، سنناقش أداة أحادية القارب ، وهي أداة أحادية الجلوكوز.

GLUT1 (ناقل الجلوكوز في الثدييات)

تستخدم من قبل معظم خلايا الثدييات للحصول على الجلوكوز عبر الغشاء.
تعرف على الكثير عن وظيفتها وحركيتها من خلال الدراسات التي تضع البروتين في الجسيمات الشحمية (انظر الشكل أعلاه).
يستخدم هذا الناقل (وجميع أجهزة النقل الأحادي) تدرج تركيز الجلوكوز لقيادة النقل.


يمكن للناقل أن يعمل في الاتجاه المعاكس وبالتالي إذا كان تركيز الجلوكوز أعلى من الداخل يمكن أن ينقل الجلوكوز خارج الخلية.
من الشكل 15-5 يمكنك أن ترى أنه يمكن التفكير في حركية النقل من حيث معادلة Michaelis-Menten حيث v = Vmax ([الجلوكوز] / [الجلوكوز] + كم).

من الشكل 15-5 ، يمكنك أيضًا أن ترى أنه بدون الناقل لتسهيل الانتشار ، فإن معدل دخول الجلوكوز في الخلية يكاد يكون صفرًا.
هناك أقصى معدل نقل ويعتمد معدل النقل على تركيز الجلوكوز. وبالتالي يمكن حساب Km من معدل النصف الأقصى. إن الكيلومتر للجلوكوز 1.5 ملي مولار. هذا يعكس تقارب الناقل للجلوكوز. كلما انخفض الكيلومتر كلما زاد التقارب. كما سنرى مع Ca + 2 ATPase ، فإن مواقع الربط الداخلية Ca + 2 لها كيلومتر = 0.0001 ملي مولار.


من الواضح أيضًا أن هناك طاقة مجانية مواتية لنقل الجلوكوز.
تركيز الجلوكوز في الدم حوالي 3.6 ملي مولار - 5.0 ملي مولار بعد نقل الجلوكوز إلى الخلية ، يتم فسفرته ليشكل جلوكوز 6 فوسفات ، والذي لا يمكن أن يترك الخلية. نظرًا لأن هذا التفاعل هو الخطوة الأولى في عملية التمثيل الغذائي للجلوكوز الذي يتم استخدامه بسرعة ، يتم الحفاظ على الطاقة المجانية الملائمة لنقل الجلوكوز.

إمكانات نيرنست

تحتوي جميع الخلايا على غشاء محتمل (جهد كهربائي) موجود عبر غشاء الخلية. يستخدم الباحثون أقطاب كهربائية دقيقة لقياس فرق الجهد بين خارج الخلية وداخلها. يمكنك قياس جهد الغشاء لخلية = فرق الجهد بين داخل الخلية وخارجها.

معادلة نرنست:

تُستخدم لحساب الجهد الكهربائي الدقيق عند التوازن الذي يتم إنشاؤه من أجل اختلاف تركيز معروف في أيون معين ، مفصولة بغشاء منفذ لهذا الأيون.
اشتق والثر نرنست (1888) هذه المعادلة ، بناءً على اعتبارات نظرية بحتة.

يمكن كتابة الطاقة الحرة المرتبطة بنقل أيون (X) عبر الغشاء من الخارج إلى الداخل على النحو التالي:
D G = RTln ([Xi] / [Xo]) + zFEm

هذا لأنه لا توجد روابط مكسورة أو متولدة ولا توجد حرارة متولدة ، لذا فإن D G 01 تساوي صفرًا.
بالإضافة إلى أنه بسبب شحن الأيون ، هناك مكون كيميائي RTln ([Xi] / [Xo]) ومكون كهربائي zFEm.
عند التوازن ، يكون D G صفرًا وهكذا:
zFE = - RTln ([Xi] / [Xo])

وبالتالي فإن احتمالية التوازن للأيون X هي:
مثال = - RT ln [X] ط
. ض. [X] س
أو
مثال = RT ln [X] س
. ض. [X] ط
R = ثابت الغاز العالمي ، T = درجة الحرارة المطلقة ، z = تكافؤ الأيونات (أي Cl- = -1) ، F = ثابت فاراداي
ملحوظة: تكافؤ الأيون مهم جدا أن نتذكره !!

ماذا تعني المعادلة من حيث تركيزين مختلفين للأيون يفصل بينهما غشاء؟
تخيل غرفتين مفصولتين بغشاء فقط قابلة للاختراق لـ K + وليس Cl-. تحتوي المحاليل الموجودة على جانبي الغشاء على بوكل.

يقيس استخدام الأقطاب الكهربائية فرق الجهد (الجهد) عبر الغشاء عندما:

تركيز بوكل متساوي على كلا الجانبين (0.01 م) وبالتالي لا يوجد فرق محتمل.

إمكانات الغشاء: 0 mV


الآن قم بزيادة تركيز بوكل بمقدار 10 أضعاف في الغرفة الأولى

تتدفق K + إلى أسفل تدرج تركيزها ، وتصبح الغرفة II مشحونة بشكل إيجابي أكثر من I. تصل العملية إلى نقطة لا يتدفق فيها المزيد من أيونات K + إلى II بسبب توازن تدفق أيونات K + للخارج بسبب التنافر الكهربائي - وصل النظام إلى حالة توازن.

ط) التدرج الكيميائي الذي يدفع K + إلى الغرفة II
ب) التدرج الكهربائي الذي يدفع K + خارج الغرفة II
لذلك عند التوازن ، إذا دخل K + واحد II ، فسيتم صد أيون K + آخر - لا يحدث تدفق صافي.

يمكننا استخدام معادلة نرنست لحساب جهد الغشاء الذي سيكون في حالة اتزان.

كل أيون له جهد مختلف بالنظر إلى الاختلاف في تدرجات التركيز.


تذكر أن الغشاء يجب أن يكون منفذاً للأيون. يمكن للأيونات عبور الغشاء فقط من خلال المسام أو القنوات. إذا كان الغشاء لا يحتوي على القناة الأيونية المناسبة ، فلا يوجد تدفق أيون ولا يوجد جهد.

التدرجات الكيميائية في الخلايا الحيوانية

تعكس هذه الاختلافات في جهد نرنست الاختلافات في التدرجات الكيميائية لكل أيون.
تحافظ جميع الخلايا الحيوانية على التدرجات الكيميائية عبر غشاء البلازما وأغشية العضية. كما سنناقش ، هناك تدرج تركيز كبير لـ Ca + 2 في جميع الخلايا بحيث يحتوي العصارة الخلوية على تركيز منخفض جدًا من Ca + 2 بينما يكون الجزء الخارجي من الخلية وفي العضيات مثل ER ، والميتوكوندريا Ca + 2 شديد التركيز .
تتميز جميع الخلايا الحيوانية أيضًا بتدرج K + كبير بحيث يكون داخل الخلية تركيز K + أعلى من الخارج. يوجد المزيد من Na + في الخارج مقارنة بالداخل.


من لوديش ، بيولوجيا الخلايا الجزيئية ، الطبعة الرابعة

سنركز على مضخات البروتين الضرورية للحفاظ على هذه التدرجات ، والأهم من ذلك ، لماذا ستواجه الخلية كل هذه المشاكل لاستخدام قدر كبير من الطاقة للقيام بذلك.

الطاقة الحرة المرتبطة بالتدرج الكهروكيميائي Na +.

تم توضيح مثال على مزايا إنشاء تدرج كهربائي / كيميائي لـ Na +:


من لوديش ، بيولوجيا الخلايا الجزيئية ، الطبعة الرابعة
تتحكم قوى الأيونات وتدرجات الجهد في حركة الأيونات عبر الغشاء. يمكننا حساب تغير الطاقة الحرة (D G) الذي يتوافق مع انتقال أيون عبر الغشاء.
نظرًا لأن الأيونات يتم تحميلها أيضًا ، فقد تضمن الحساب مكونًا كيميائيًا وكهربائيًا.

على سبيل المثال ، تغيير الطاقة الحرة الناتج عن تدرج تركيز أيون الصوديوم هو:
D Gc = RTln ([Na +في] / [Na +خارج])

في خلية العينة لدينا ، يتوافق هذا مع -1.45 كيلو كالوري / مول (التغيير المرتبط بنقل 1 مول من الصوديوم من الخارج إلى داخل الخلية).

التغيير الحر الناتج عن الجهد الكهربائي للغشاء هو:
D جم = zFEm

حيث F = ثابت فاراداي ، Em هو جهد الغشاء (-70 مللي فولت في معظم الخلايا الحيوانية) و z هو تكافؤ الأيون (+1 في هذه الحالة). هذا يتوافق مع -1.6 كيلو كالوري / مول.

نظرًا لأن Na + يتأثر بتدرج تركيز Na + وإمكانات الغشاء يتم إضافتهما إلى gether لإعطاء إجمالي -3.06 kCal / mol.
لذلك ، نظرًا لأن هذا أقل من 0 ، فإن هذا يفضل ديناميكيًا حراريًا حركة Na + في الخلية. هذه الميزة لـ Na + التي سنرى في أمثلة مختلفة في الفصل يمكن أن تقود عددًا من العمليات الخلوية.


نقل الخلايا والتوازن

ربما تكون أهم ميزة لأغشية الفسفوليبيد للخلية هي أنها قابلة للاختراق بشكل انتقائي. هذا هو الغشاء نفاذية انتقائية يتحكم في الجزيئات أو الأيونات التي يمكن أن تدخل الخلية أو تغادرها ، كما هو موضح في الشكل 1. تعتمد نفاذية الغشاء على تنظيم وخصائص الغشاء الدهني والبروتينات. بهذه الطريقة ، تساعد أغشية الخلايا في الحفاظ على حالة من التوازن داخل الخلايا (والأنسجة والأعضاء وأنظمة الأعضاء) حتى يتمكن الكائن الحي من البقاء على قيد الحياة وبصحة جيدة.

الشكل 1: يسمح الغشاء المنفَّذ بشكل انتقائي بمرور جزيئات معينة ، ولكن ليس غيرها.

النقل عبر الأغشية

يحد التركيب الجزيئي للطبقة الثنائية الفوسفورية من أنواع الجزيئات التي يمكن أن تمر عبرها. على سبيل المثال ، الجزيئات الكارهة للماء ، مثل ثاني أكسيد الكربون ( (CO_2 )) والأكسجين ( (O_2 )) ، يمكن أن تمر بسهولة عبر طبقة ثنائية الدهون ، لكن الأيونات مثل الكالسيوم ( (Ca ^ <2 +> )) والجزيئات القطبية مثل الماء ( (H_2 O )) لا يمكنها ذلك. لا يسمح الجزء الداخلي الكارهة للماء للفوسفوليبيد بمرور الأيونات أو الجزيئات القطبية لأنها محبة للماء أو محبة للماء. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الجزيئات الكبيرة مثل السكريات والبروتينات أكبر من أن تمر عبر الطبقة الثنائية. تسمح بروتينات النقل داخل الغشاء لهذه الجزيئات بعبور الغشاء إلى داخل الخلية أو خارجها. بهذه الطريقة ، تتجنب الجزيئات القطبية ملامسة الجزء الداخلي غير القطبي للغشاء ، ويتم نقل الجزيئات الكبيرة عبر المسام الكبيرة.

يتم احتواء كل خلية داخل غشاء يتخللها بروتينات نقل تعمل كقنوات أو مضخات للسماح بدخول أو إخراج جزيئات معينة. الغرض من بروتينات النقل هو حماية البيئة الداخلية للخلية والحفاظ على توازن الأملاح والعناصر الغذائية والبروتينات ضمن النطاق الذي يحافظ على الخلية والكائن الحي على قيد الحياة.

هناك ثلاث طرق رئيسية يمكن أن تمر بها الجزيئات عبر غشاء فسفوليبيد. الطريقة الأولى لا تتطلب إدخال طاقة من الخلية وتسمى بالنقل السلبي. الطريقة الثانية تتطلب أن تستخدم الخلية الطاقة لسحب أو ضخ جزيئات وأيونات معينة وتسمى بالنقل النشط. الطريقة الثالثة هي من خلال نقل الحويصلات ، حيث يتم نقل الجزيئات الكبيرة عبر الغشاء في أكياس تشبه الفقاعات مصنوعة من قطع الغشاء.

النقل السلبي

النقل السلبي هي طريقة تتحرك بها الجزيئات أو الأيونات الصغيرة عبر غشاء الخلية دون إدخال طاقة من الخلية. الأنواع الثلاثة الرئيسية للنقل السلبي هي الانتشار والتناضح والانتشار الميسر.

تعريف هي حركة الجزيئات من منطقة عالية التركيز للجزيئات إلى منطقة ذات تركيز أقل. يسمى الاختلاف في تراكيز الجزيئات في المنطقتين بـ تدرج التركيز. سيستمر الانتشار حتى يتم التخلص من هذا التدرج. نظرًا لأن الانتشار ينقل المواد من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة أقل ، فإنها توصف بأنها مواد مذابة متحركة "أسفل تدرج التركيز". النتيجة النهائية للانتشار هي تركيز متساوٍ ، أو حالة توازن، من الجزيئات على جانبي الغشاء.

إذا تمكن الجزيء من المرور بحرية عبر غشاء الخلية ، فسوف يعبر الغشاء عن طريق الانتشار (الشكل 2).

الشكل 2: تنتقل الجزيئات من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة تركيز أقل حتى يتحقق التوازن. تستمر الجزيئات في عبور الغشاء عند التوازن ، ولكن بمعدلات متساوية في كلا الاتجاهين.

تخيل أن لديك كوبًا يحتوي على 100 مل من الماء ، وقمت بإضافة 15 جرامًا من سكر المائدة إلى الماء. يذوب السكر ويتكون الخليط الموجود الآن في الكوب من مادة مذابة (السكر) مذابة في المذيب (الماء). يسمى خليط المذاب في المذيب بالمحلول.

تخيل الآن أن لديك كوبًا ثانيًا به 100 مل من الماء ، وقمت بإضافة 45 جرامًا من سكر المائدة إلى الماء. تمامًا مثل الكوب الأول ، السكر هو المذاب والماء هو المذيب. ولكن الآن لديك خليطين من تركيزات مختلفة من المواد المذابة. عند مقارنة حلين بتركيز مذاب غير متكافئ ، يكون المحلول الذي يحتوي على تركيز مذاب أعلى هو مفرط التوتر، والحل مع تركيز أقل هو نقص الضغط. حلول تركيز المذاب المتساوي هي مساوي التوتر. محلول السكر الأول ناقص التوتر بالنسبة للمحلول الثاني. محلول السكر الثاني مفرط التوتر بالنسبة للأول.

يمكنك الآن إضافة الحلين إلى دورق تم تقسيمه بواسطة غشاء قابل للاختراق بشكل انتقائي. المسام الموجودة في الغشاء صغيرة جدًا بحيث لا يمكن لجزيئات السكر أن تمر من خلالها ، ولكنها كبيرة بما يكفي لتمرير جزيئات الماء من خلالها. يوجد محلول مفرط التوتر على جانب واحد من الغشاء والمحلول ناقص التوتر على الجانب الآخر. The hypertonic solution has a lower water concentration than the hypotonic solution, so a concentration gradient of water now exists across the membrane. Water molecules will move from the side of higher water concentration to the side of lower concentration until both solutions are isotonic.

Osmosis is the diffusion of water molecules across a selectively permeable membrane from an area of higher concentration to an area of lower concentration. Water moves into and out of cells by osmosis. If a cell is in a hypertonic solution, the solution has a lower water concentration than the cell cytosol does, and water moves out of the cell until both solutions are isotonic. Cells placed in a hypotonic solution will take in water across their membrane until both the external solution and the cytosol are isotonic.

A cell that does not have a rigid cell wall (such as a red blood cell), will swell and lyse (burst) when placed in a hypotonic solution. Cells with a cell wall will swell when placed in a hypotonic solution, but once the cell is turgid (firm), the tough cell wall prevents any more water from entering the cell. When placed in a hypertonic solution, a cell without a cell wall will lose water to the environment, shrivel, and probably die. In a hypertonic solution, a cell with a cell wall will lose water too. The plasma membrane pulls away from the cell wall as it shrivels. The cell becomes plasmolyzed. Animal cells tend to do best in an isotonic environment, plant cells tend to do best in a hypotonic environment. This is demonstrated in Figure 3.

When water moves into a cell by osmosis, osmotic pressure may build up inside the cell. If a cell has a cell wall, the wall helps maintain the cell’s water balance. Osmotic pressure is the main cause of support in many plants. When a plant cell is in a hypotonic environment, the osmotic entry of water raises the turgor pressure exerted against the cell wall until the pressure prevents more water from coming into the cell. At this point the plant cell is turgid.

Figure 3: Unless an animal cell (such as the red blood cell in the top panel) has an adaptation that allows it to alter the osmotic uptake of water, it will lose too much water and shrivel up in a hypertonic environment. If placed in a hypotonic solution, water molecules will enter the cell causing it to swell and burst. Plant cells (bottom panel) become plasmolyzed in a hypertonic solution, but tend to do best in a hypotonic environment. Water is stored in the central vacuole of the plant cell.

The effects of osmotic pressures on plant cells are shown in Figure 4.

Figure 4: The central vacuoles of the plant cells in the left image are full of water, so the cells are turgid. The plant cells in the right image have been exposed to a hypertonic solution water has left the central vacuole and the cells have become plasmolysed.

Osmosis can be seen very effectively when potato slices are added to a high concentration of salt solution (hypertonic). The water from inside the potato moves out of the potato cells to the salt solution, which causes the potato cells to lose turgor pressure. The more concentrated the salt solution, the greater the difference in the size and weight of the potato slice after plasmolysis.

The action of osmosis can be very harmful to organisms, especially ones without cell walls. For example, if a saltwater fish (whose cells are isotonic with seawater), is placed in fresh water, its cells will take on excess water, lyse, and the fish will die. Another example of a harmful osmotic effect is the use of table salt to kill slugs and snails.

Controlling Osmosis

Organisms that live in a hypotonic environment such as freshwater, need a way to prevent their cells from taking in too much water by osmosis. أ contractile vacuole is a type of vacuole that removes excess water from a cell. Freshwater protists, such as the paramecia shown in Figure 5, have a contractile vacuole. The vacuole is surrounded by several canals, which absorb water by osmosis from the cytoplasm. After the canals fill with water, the water is pumped into the vacuole. When the vacuole is full, it pushes the water out of the cell through a pore. Other protists, such as members of the genus Amoeba, have contractile vacuoles that move to the surface of the cell when full and release the water into the environment.

Figure 5: The contractile vacuole is the star-like structure within the paramecia (at center-right)

Facilitated Diffusion

Facilitated diffusion is the diffusion of solutes through transport proteins in the plasma membrane. Facilitated diffusion is a type of passive transport. Even though facilitated diffusion involves transport proteins, it is still passive transport because the solute is moving down the concentration gradient.

As was mentioned earlier, small nonpolar molecules can easily diffuse across the cell membrane. However, due to the hydrophobic nature of the lipids that make up cell membranes, polar molecules (such as water) and ions cannot do so. Instead, they diffuse across the membrane through transport proteins. أ transport protein completely spans the membrane, and allows certain molecules or ions to diffuse across the membrane. Channel proteins, gated channel proteins, and carrier proteins are three types of transport proteins that are involved in facilitated diffusion.

أ channel protein, a type of transport protein, acts like a pore in the membrane that lets water molecules or small ions through quickly. Water channel proteins allow water to diffuse across the membrane at a very fast rate. Ion channel proteins allow ions to diffuse across the membrane.

أ gated channel protein is a transport protein that opens a ”gate,” allowing a molecule to pass through the membrane. Gated channels have a binding site that is specific for a given molecule or ion. A stimulus causes the ”gate” to open or shut. The stimulus may be chemical or electrical signals, temperature, or mechanical force, depending on the type of gated channel. For example, the sodium gated channels of a nerve cell are stimulated by a chemical signal which causes them to open and allow sodium ions into the cell. Glucose molecules are too big to diffuse through the plasma membrane easily, so they are moved across the membrane through gated channels. In this way glucose diffuses very quickly across a cell membrane, which is important because many cells depend on glucose for energy.

أ البروتين الناقل is a transport protein that is specific for an ion, molecule, or group of substances. Carrier proteins ”carry” the ion or molecule across the membrane by changing shape after the binding of the ion or molecule. Carrier proteins are involved in passive and active transport. A model of a channel protein and carrier proteins is shown in Figure 6.

Figure 6: Facilitated diffusion in cell membrane. Channel proteins and carrier proteins are shown (but not a gated-channel protein). Water molecules and ions move through channel proteins. Other ions or molecules are also carried across the cell membrane by carrier proteins. The ion or molecule binds to the active site of a carrier protein. The carrier protein changes shape, and releases the ion or molecule on the other side of the membrane. The carrier protein then returns to its original shape.

Ion Channels

Ions such as sodium ((Na^+)), potassium ((K^-)), calcium ((Ca^<2+>)), and chloride ((Cl^-)), are important for many cell functions. Because they are polar, these ions do not diffuse through the membrane. Instead they move through ion channel proteins where they are protected from the hydrophobic interior of the membrane. Ion channels allow the formation of a concentration gradient between the extracellular fluid and the cytosol. Ion channels are very specific as they allow only certain ions through the cell membrane. Some ion channels are always open, others are ”gated” and can be opened or closed. Gated ion channels can open or close in response to different types of stimuli such as electrical or chemical signals.

Active Transport

In contrast to facilitated diffusion which does not require energy and carries molecules or ions down a concentration gradient, active transport pumps molecules and ions against a concentration gradient. Sometimes an organism needs to transport something against a concentration gradient. The only way this can be done is through active transport which uses energy that is produced by respiration (ATP). In active transport, the particles move across a cell membrane from a lower concentration to a higher concentration. Active transport is the energy-requiring process of pumping molecules and ions across membranes ”uphill” against a gradient.

• The active transport of small molecules or ions across a cell membrane is generally carried out by transport proteins that are found in the membrane.

• Larger molecules such as starch can also be actively transported across the cell membrane by processes called endocytosis and exocytosis.

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

Carrier proteins can work with a concentration gradient (passive transport), but some carrier proteins can move solutes against the concentration gradient (from high concentration to low), with energy input from ATP. كما هو الحال في الأنواع الأخرى من الأنشطة الخلوية ، يوفر ATP الطاقة اللازمة للنقل الأكثر نشاطًا. تتمثل إحدى طرق تشغيل ATP في النقل النشط عن طريق نقل مجموعة الفوسفات مباشرة إلى بروتين حامل. قد يتسبب هذا في تغيير البروتين الحامل لشكله ، مما يؤدي إلى تحريك الجزيء أو الأيون إلى الجانب الآخر من الغشاء. An example of this type of active transport system, as shown in Figure 7, is the مضخة الصوديوم والبوتاسيوم, which exchanges sodium ions for potassium ions across the plasma membrane of animal cells.

Figure 7: The sodium-potassium pump system moves sodium and potassium ions against large concentration gradients. إنه ينقل اثنين من أيونات البوتاسيوم إلى الخلية حيث تكون مستويات البوتاسيوم عالية ، ويضخ ثلاثة أيونات الصوديوم خارج الخلية إلى السائل خارج الخلية.

As is shown in Figure 7, three sodium ions bind with the protein pump inside the cell. ثم يحصل البروتين الحامل على الطاقة من ATP ويغير شكله. وبذلك ، تضخ أيونات الصوديوم الثلاثة خارج الخلية. At that point, two potassium ions move in from outside the cell and bind to the protein pump. توجد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم في غشاء البلازما لكل خلية بشرية تقريبًا وهي شائعة في الحياة الخلوية كلها. يساعد في الحفاظ على إمكانات الخلية وينظم الحجم الخلوي. Cystic fibrosis is a genetic disorder that results in a misshapen chloride ion pump. Chloride levels within the cells are not controlled properly, and the cells produce thick mucus. The chloride ion pump is important for creating sweat, digestive juices, and mucus.

التدرج الكهروكيميائي

يؤدي النقل النشط للأيونات عبر الغشاء إلى تراكم تدرج كهربائي عبر غشاء البلازما. عدد الأيونات موجبة الشحنة خارج الخلية أكبر من عدد الأيونات موجبة الشحنة في العصارة الخلوية. ينتج عن هذا شحنة سالبة نسبيًا على الجزء الداخلي من الغشاء وشحنة موجبة من الخارج. هذا الاختلاف في الشحنات يسبب جهدًا عبر الغشاء. الجهد الكهربائي هو طاقة وضع كهربائية ناتجة عن فصل الشحنات المعاكسة ، في هذه الحالة عبر الغشاء. The voltage across a membrane is called membrane potential. جهد الغشاء مهم جدا لتوصيل النبضات الكهربائية على طول الخلايا العصبية.

نظرًا لأن الجزء الداخلي للخلية سلبي مقارنةً بخارج الخلية ، فإن إمكانات الغشاء تفضل حركة الأيونات الموجبة الشحنة (الكاتيونات) داخل الخلية ، وحركة الأيونات السالبة (الأنيونات) خارج الخلية. So, there are two forces that drive the diffusion of ions across the plasma membrane—a chemical force (the ions’ concentration gradient), and an electrical force (the effect of the membrane potential on the ions’ movement). These two forces working together are called an electrochemical gradient.

Vesicles and Active Transport

Some molecules or particles are just too large to pass through the plasma membrane or to move through a transport protein. So cells use two other methods to move these macromolecules (large molecules) into or out of the cell. Vesicles or other bodies in the cytoplasm move macromolecules or large particles across the plasma membrane. There are two types of vesicle transport, endocytosis and exocytosis.

Endocytosis and Exocytosis

الالتقام is the process of capturing a substance or particle from outside the cell by engulfing it with the cell membrane. The membrane folds over the substance and it becomes completely enclosed by the membrane. At this point a membrane-bound sac, or vesicle pinches off and moves the substance into the cytosol. There are two main kinds of endocytosis:

البلعمة or ”cellular eating,” occurs when the dissolved materials enter the cell. The plasma membrane engulfs the solid material, forming a phagocytic vesicle.

كثرة الخلايا or ”cellular drinking,” occurs when the plasma membrane folds inward to form a channel allowing dissolved substances to enter the cell, as shown in Figure 8. When the channel is closed, the liquid is encircled within a pinocytic vesicle.

Figure 8: Transmission electron microscope image of brain tissue that shows pinocytotic vesicles. Pinocytosis is a type of endocytosis.

Exocytosis describes the process of vesicles fusing with the plasma membrane and releasing their contents to the outside of the cell, as shown in Figure 9. Exocytosis occurs when a cell produces substances for export, such as a protein, or when the cell is getting rid of a waste product or a toxin. Newly made membrane proteins and membrane lipids are moved on top the plasma membrane by exocytosis.

Figure 9: Mode of exocytosis at a synaptic junction, where two nerve cells meet. Chemical signal molecules are released from nerve cell A by exocytosis, and move toward receptors in nerve cell B. Exocytosis is an important part in cell signaling.

Homeostasis and Cell Function

التوازن refers to the balance, or equilibrium within the cell or a body. إنها قدرة الكائن الحي على الحفاظ على بيئة داخلية ثابتة. يتطلب الحفاظ على بيئة داخلية مستقرة تعديلات مستمرة مع تغير الظروف داخل الخلية وخارجها. يسمى ضبط الأنظمة داخل الخلية التنظيم المتماثل. نظرًا لأن البيئات الداخلية والخارجية للخلية تتغير باستمرار ، يجب إجراء التعديلات باستمرار للبقاء عند نقطة التحديد أو بالقرب منها (المستوى أو النطاق العادي). Homeostasis is a dynamic equilibrium rather than an unchanging state. The cellular processes discussed all play an important role in homeostatic regulation.

Cell Communication

To survive and grow, cells need to be able to ”talk” with their cell neighbors and be able to detect change in their environment. Talking with neighbors is even more important to a cell if it is part of a multicellular organism. The billions of cells that make up your body need to be able to communicate with each other to allow your body to grow, and to keep you alive and healthy. The same is true for any organism. Cell signaling is a major area of research in biology today. Recently scientists have discovered that many different cell types, from bacteria to plants, use similar types of communication pathways, or cellsignaling mechanisms. This suggests that cell-signaling mechanisms evolved long before the first multicellular organism did.

The Language of Cells

For cells to be able to signal to each other, a few things are needed:

• a cell receptor, which is usually on the plasma membrane, but can be found inside the cell

Cells that are communicating may be right next to each other or far apart. The type of chemical signal a cell will send differs depending on the distance the message needs to go. For example, hormones, ions, and neurotransmitters are all types of signals that are sent depending on the distance the message needs to go.

The target cell then needs to be able to recognize the signal. Chemical signals are received by the target cell on receptor proteins. As discussed earlier, most receptor proteins are found in the plasma membrane. Most receptors proteins are found on the plasma membrane, but some are also found inside the cell. These receptor proteins are very specific for only one particular signal molecule, much like a lock that recognizes only one key. Therefore, a cell has lots of receptor proteins to recognize the large number of cell signal molecules. There are three stages to sending and receiving a cell ”message:” reception, transduction, and response.

Signal Receptors

Cell-surface receptors are integral proteins—they reach right through the lipid bilayer, spanning from the outside to the inside of the cell. These receptor proteins are specific for just one kind of signal molecule. The signaling molecule acts as a ligand when it binds to a receptor protein. أ ligand is a small molecule that binds to a larger molecule. Signal molecule binding causes the receptor protein to change its shape. At this point the receptor protein can interact with another molecule. The ligand (signal molecule) itself does not pass through the plasma membrane.

In eukaryotic cells, most of the intracellular proteins that are activated by a ligand binding to a receptor protein are enzymes. Receptor proteins are named after the type of enzyme that they interact with inside the cell. These enzymes include G proteins and protein kinases, likewise there are G-protein-linked receptors and tyrosine kinase receptors. A kinase is a protein involved in phosphorylation. أ G-protein linked receptor is a receptor that works with the help of a protein called a G-protein. A G-protein gets its name from the molecule to which it is attached, guanosine triphosphate (GTP), or guanosine diphosphate (GDP). The GTP molecule is similar to ATP.

Once G proteins or protein kinase enzymes are activated by a receptor protein, they create molecules called second messengers. أ second messenger is a small molecule that starts a change inside a cell in response to the binding of a specific signal to a receptor protein. Some second messenger molecules include small molecules called cyclic nucleotides, such as cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). Calcium ions ((Ca^<2+>)) also act as secondary messengers. Secondary messengers are a part of signal transduction pathways.

نقل الإشارة

أ signal-transduction pathway is the signaling mechanism by which a cell changes a signal on it surface into a specific response inside the cell. It most often involves an ordered sequence of chemical reactions inside the cell which is carried out by enzymes and other molecules. In many signal transduction processes, the number of proteins and other molecules participating in these events increases as the process progresses from the binding of the signal. A ”signal cascade” begins. Think of a signal cascade as a chemical domino-effect inside the cell, in which one domino knocks over two dominos, which in turn knock over four dominos, and so on. The advantage of this type of signaling to the cell is that the message from one little signal molecule can be greatly amplified and have a dramatic effect.

G protein-linked receptors are only found in higher eukaryotes, including yeast, plants, and animals. Your senses of sight and smell are dependent on G-protein linked receptors. The ligands that bind to these receptors include light-sensitive compounds, odors, hormones, and neurotransmitters. The ligands for G-protein linked receptors come in different sizes, from small molecules to large proteins. G protein-coupled receptors are involved in many diseases, but are also the target of around half of all modern medicinal drugs.

The process of how a G-protein linked receptor works is outlined in Figure 10.

Figure 10: How a G-protein linked receptor works with the help of a G-protein. In panel C, the second messenger cAMP can be seen moving away from the enzyme.

أ.A ligand such as a hormone (small, purple molecule) binds to the G-linked receptor (red molecule). Before ligand binding, the inactive G-protein (yellow molecule) has GDP bound to it.
ب.The receptor changes shape and activates the G-protein and a molecule of GTP replaces the GDP.
ج.The G-protein moves across the membrane then binds to and activates the enzyme (green molecule). This then triggers the next step in the pathway to the cell’s response. After activating the enzyme, the Gprotein returns to its original position. The second messenger of this signal transduction is cAMP, as shown in C.

The sensing of the external and internal environments at the cellular level relies on signal transduction. Defects in signal transduction pathways can contribute or lead to many diseases, including cancer and heart disease. This highlights the importance of signal transductions to biology and medicine.

Signal Responses

In response to a signal, a cell may change activities in the cytoplasm or in the nucleus that include the switching on or off of genes. Changes in metabolism, continued growth, movement, or death are some of the cellular responses to signals that require signal transduction.

Gene activation leads to other effects, since the protein products of many of the responding genes include enzymes and factors that increase gene expression. Gene expression factors produced as a result of a cascade can turn on even more genes. Therefore one stimulus can trigger the expression of many genes, and this in turn can lead to the activation of many complex events. In a multicellular organism these events include the increased uptake of glucose from the blood stream (stimulated by insulin), and the movement of neutrophils to sites of infection (stimulated by bacterial products). The set of genes and the order in which they are activated in response to stimuli are often called a genetic program.


How do ions cross the lipid bilayer?

Ions can cross the lipid bilayer because proteins in the membrane create pores that help ions pass through.

تفسير:

النقل السلبي

في passive transport, transmembrane proteins create a water-filled pore through which ions can pass by diffusion down a concentration gradient.

This is simple diffusion and requires no energy.

Channel proteins are more than just holes in the membrane, as they exhibit specificity and allow only certain ions to go through.

For example, the #"K"^+# channel allows only #"K"^+# ions to enter, and the #"Na"^+# channel allows only #"Na"^+# ions to pass through.

في النقل النشط, specific carrier proteins use the energy of ATP to force ions through the membrane against a concentration gradient.

They physically carry ions from one side of the membrane to the other via conformational changes.

For example, the #"Na"^+"/K"^+# pump exchanges #"3Na"^+# for #"2K"^+# .

The proteins are called ion pumps, because they use the energy from ATP hydrolysis to change their shapes and "pump" ions from one side to the other.

Some ion pumps involve the simultaneous transport of two different ions.

One ion may be transported down the concentration gradient, providing the energy needed to transport a second ion against the gradient.

For example, the sodium-calcium channel moves three sodium ions in one direction for each calcium ion that moves in the other direction.


شاهد الفيديو: Membrane Transport, Animation (يونيو 2022).


تعليقات:

  1. Zolokazahn

    أعتذر ، لكني لست لائقًا بدرجة كافية.

  2. JoJole

    رائعة ، هذه عبارة مضحكة

  3. Kakree

    يا له من سؤال مثير للإعجاب



اكتب رسالة