Informație

5.3A: Gradient electrochimic - Biologie


Pentru a deplasa substanțele împotriva gradientului electrochimic al membranei, celula utilizează transportul activ, care necesită energie de la ATP.

obiective de invatare

  • Definiți un gradient electrochimic și descrieți cum o celulă mută substanțele împotriva acestui gradient

Puncte cheie

  • Gradienții electrici și de concentrație ai unei membrane tind să conducă sodiul în interiorul și potasiul din celulă, iar transportul activ funcționează împotriva acestor gradienți.
  • Pentru a deplasa substanțele împotriva unei concentrații sau a unui gradient electrochimic, celula trebuie să utilizeze energie sub formă de ATP în timpul transportului activ.
  • Transportul activ primar, care este direct dependent de ATP, mișcă ionii peste o membrană și creează o diferență de încărcare peste membrana respectivă.
  • Transportul activ secundar, creat prin transportul activ primar, este transportul unui dizolvat în direcția gradientului său electrochimic și nu necesită în mod direct ATP.
  • Proteinele purtătoare, cum ar fi uniporters, symporters și antiporters efectuează transportul activ primar și facilitează mișcarea substanțelor dizolvate peste membrana celulei.

Termeni cheie

  • adenozin trifosfat: un nucleozid trifosfat multifuncțional utilizat în celule ca coenzimă, adesea numită „unitate moleculară a monedei energetice” în transferul de energie intracelular
  • transport activ: mișcarea unei substanțe peste o membrană celulară împotriva gradientului său de concentrație (de la concentrație mică la mare) facilitată de conversia ATP
  • gradient electrochimic: Diferența de încărcare și concentrație chimică pe o membrană.

Gradienți electrochimici

Gradienții de concentrație simpli sunt concentrații diferențiale ale unei substanțe într-un spațiu sau o membrană, dar în sistemele vii, gradienții sunt mai complexi. Deoarece ionii se deplasează în și din celule și pentru că celulele conțin proteine ​​care nu se mișcă peste membrană și sunt în mare parte încărcate negativ, există, de asemenea, un gradient electric, o diferență de încărcare, pe membrana plasmatică. Interiorul celulelor vii este negativ electric în ceea ce privește fluidul extracelular în care sunt scăldate. În același timp, celulele au concentrații mai mari de potasiu (K+) și concentrații mai mici de sodiu (Na+) decât fluidul extracelular. Într-o celulă vie, gradientul de concentrație de Na+ tinde să o conducă în celulă, iar gradientul electric al Na+ (un ion pozitiv) tinde, de asemenea, să-l conducă spre interior spre interiorul încărcat negativ. Cu toate acestea, situația este mai complexă pentru alte elemente precum potasiul. Gradientul electric al lui K+, un ion pozitiv, tinde, de asemenea, să-l conducă în celulă, dar gradientul de concentrație al K+ tinde să conducă K+ afară din celulă. Gradientul combinat de concentrație și sarcină electrică care afectează un ion se numește gradientul său electrochimic.

Mișcarea împotriva unui gradient

Pentru a deplasa substanțele împotriva unei concentrații sau a unui gradient electrochimic, celula trebuie să utilizeze energie. Această energie este recoltată din trifosfatul de adenozină (ATP) generat prin metabolismul celulei. Mecanismele de transport active, numite în mod colectiv pompe, acționează împotriva gradienților electrochimici. Substanțele mici trec în mod constant prin membranele plasmatice. Transportul activ menține concentrațiile de ioni și alte substanțe necesare celulelor vii în fața acestor mișcări pasive. O mare parte din aprovizionarea cu energie metabolică a unei celule poate fi cheltuită pentru menținerea acestor procese. De exemplu, cea mai mare parte a energiei metabolice a celulelor roșii din sânge este utilizată pentru a menține dezechilibrul dintre nivelurile de sodiu și potasiu exterioare și interioare cerute de celulă. Deoarece mecanismele de transport activ depind de metabolismul unei celule pentru energie, ele sunt sensibile la multe otrăvuri metabolice care interferează cu furnizarea de ATP.

Există două mecanisme pentru transportul materialului cu greutate moleculară mică și a moleculelor mici. Transportul activ primar mișcă ionii peste o membrană și creează o diferență de încărcare peste membrana respectivă, care este direct dependentă de ATP. Transportul activ secundar descrie mișcarea materialului care se datorează gradientului electrochimic stabilit de transportul activ primar care nu necesită direct ATP.

Proteine ​​purtătoare pentru transport activ

O adaptare importantă a membranei pentru transportul activ este prezența proteinelor purtătoare specifice sau a pompelor pentru a facilita mișcarea. Există trei tipuri ale acestor proteine ​​sau transportoare: uniporters, symporters și antiporters. Un uniporter poartă un ion sau o moleculă specifică. Un simportor poartă doi ioni sau molecule diferite, ambii în aceeași direcție. Un antiporter poartă, de asemenea, doi ioni sau molecule diferite, dar în direcții diferite. Toți acești transportori pot transporta, de asemenea, molecule organice mici, neîncărcate, cum ar fi glucoza. Aceste trei tipuri de proteine ​​purtătoare se găsesc și în difuzarea facilitată, dar nu necesită ATP pentru a lucra în acest proces. Câteva exemple de pompe pentru transport activ sunt Na+-K+ ATPaza, care transportă ioni de sodiu și potasiu, și H+-K+ ATPaza, care transportă ioni de hidrogen și potasiu. Ambele sunt proteine ​​purtătoare antiporter. Alte două pompe proteice purtătoare sunt Ca2+ ATPaza și H+ATPaza, care transportă numai ionii de calciu și respectiv hidrogen.