Permeabilitätsgrade von Plasmamembranen in passiver Diffusion

Permeabilitätsgrade von Plasmamembranen in passiver Diffusion!

Die Membranen einer Zelle lassen kleine Ionen und Moleküle durch. Der Durchgang von Ionen oder Molekülen kann als passive Diffusion oder als aktiver Transport auftreten, der den Energieaufwand erhöht. Bei der passiven Diffusion können Membranen nach ihrem Permeabilitätsgrad klassifiziert werden.

1. Undurchlässig :

Eine Membran dieser Art lässt nichts durch. Bestimmte unbefruchtete Fischeier wie Forellen sind nur für Gase durchlässig; Wasser, das mit Deuterium markiert ist, durchdringt das Ei nicht.

2. Semipermeable :

Keine Zellmembran der Zellen gehört zu dieser Kategorie. Solche Membranen lassen Wasser und bestimmte ausgewählte Ionen und SMA-Moleküle passieren, verbieten aber andere Ionen sowie kleine und große Moleküle.

3. Selektiv durchlässig :

Die meisten Membranen der Zellen gehören zu dieser Kategorie. Solche Membranen lassen Wasser und bestimmte ausgewählte Ionen und kleine Moleküle passieren, verbieten aber andere Ionen sowie kleine und große Moleküle.

4. Dialysemembranen :

Die Endothelzellen und ihre Basalmembranen der Kapillaren und des Nephrons können als Dialysator wirken. Auf diese Weise drückt der hydrostatische Druck Wassermoleküle und Kristalloide durch die Membran und senkt deren Konzentrationsgradienten, während der Durchtritt von Kolloiden eingeschränkt wird.

Der Transport von Substanzen durch die Plasmamembran in das Zytoplasma einer Zelle kann durch folgende Methoden erreicht werden:

Osmose:

Osmose ist eine spezielle Art der Diffusion, bei der Wasser oder andere Lösungsmittelmoleküle durch eine semipermeable oder differentiell permeable Membran von einem Bereich mit hohem Potential (reines Lösungsmittel) zu einem Bereich mit niedrigem Potential (konzentrierter Lösung) bewegt werden.

Der Eintritt von Wasser in die Zelle aus ihrem Medium wird Endosmose genannt; Der umgekehrte Prozess, bei dem Wasser die Zelle verlässt, wird Exosmose genannt. Ein osmotischer Druck wird durch die im Zytoplasma vorhandenen Salze aufrechterhalten. Die Zelle bleibt immer in einem flüssigen oder fluiden Medium für den physiologischen Austausch von Gasen, Nährstoffen usw. Diese Flüssigkeit wird normalerweise mit extrazellulärer Flüssigkeit (ECF) bezeichnet. Bei Protozoen und anderen niederen Organismen handelt es sich um Wasser. Abhängig von der Konzentration kann ECF sein.

(i) isotonische Lösung :

Wenn die ECF-Konzentration, in der sich die Zelle befindet, der der intrazellulären Flüssigkeit der Zelle ähnlich ist, wird sie als isotonische Lösung bezeichnet. Die Form der Zelle bleibt normal.

(ii) hypotonische Lösung :

Wenn die ECF-Konzentration weniger konzentriert ist als die intrazelluläre Flüssigkeit, spricht man von hypotoner Lösung. In einer solchen Lösung schwillt die Zelle an, weil Wasser durch Endosmose in die Zelle gelangt.

(iii) hypertonische Lösung :

Wenn die ECF-Konzentration höher ist als die intrazelluläre Flüssigkeit der Zelle, wird die Lösung als hypertonische Lösung bezeichnet. In diesem Fall diffundiert Wasser durch Exosmose aus der Zelle. Als Ergebnis durchläuft die Zelle eine Plasmolyse.

Passiver Transport:

Passiver Transport ist die direkte Diffusion von Wasser, Ionen oder Moleküle verschiedener Substanzen bewegen sich durch die Plasmamembran von einem Bereich höherer Konzentration zu niedriger Konzentration. Der Transport von Molekülen erfolgt entlang des Konzentrationsgradienten, so dass keine Energie für die Diffusion benötigt wird.

Einfache Verbreitung :

Laut einer Vielzahl von Beweisen bewegen sich viele Substanzen mit einer freien Diffusionsgeschwindigkeit, die direkt proportional zu ihrer Löslichkeit in Lipid ist, durch die Plasmamembran. Wassermoleküle bilden eine bemerkenswerte Ausnahme von dieser Regel, da sie regelmäßig und schnell frei durch Membranen diffundieren.

Plasmamembran soll zwei Arten von Poren enthalten:

(i) feine wässrige Kanäle :

Diese sind durch ein Protein oder zwischen gruppierten Integralproteinen vorhanden. Diese Poren haben einen Durchmesser von 10 nm und sind von dauerhafter Natur. Diese erstrecken sich durch die gesamte Lipiddoppelschicht. Diese Poren wirken als Ventilöffnungen. Einige Poren sind positiv geladen, andere sind negativ geladen.

(ii) statistische Poren :

Diese Poren sind instabil. Sie erscheinen immer wieder und verschwinden. Diese bilden sich als Lücken in der hochflüssigen Lipiddoppelschicht. Diese entstehen durch zufällige thermische Bewegung von Membranphospholipiden. Substanzen passieren diese Poren leicht, wenn sie in Lipiden löslich sind (Overton). Deshalb können hydrophobe Substanzen mit niedrigem und hohem Molekulargewicht durch die Plasmamembran gelangen.

Die relative Diffusionsrate von Molekülen durch die Membran hängt von der Größe der Moleküle ab. Konzentrationsgradient über die Membran; und die Löslichkeit in Lipiden oder die hydrophobe Natur eines Moleküls. In ihren klassischen Experimenten mit Pflanzenzellen zeigten Chara und Barlund, dass die Geschwindigkeit, mit der das Substrat in das Substrat eindringt, von ihrer Löslichkeit in Lipiden und ihrer Molekülgröße abhängt.

Die Permeabilität (P) von Molekülen durch die Membran repräsentiert eine Formel:

P = KD / t

Wobei K der Verteilungskoeffizient ist; D ist der Diffusionskoeffizient (abhängig vom Molekulargewicht) und t ist die Dicke der Membranen. Der Verteilungskoeffizient in Zellmembranen ist dem von Olivenöl und Wasser ähnlich. Der Verteilungskoeffizient kann gemessen werden, indem der gelöste Stoff mit einer Öl-Wasser-Mischung gemischt wird und gewartet wird, bis die Phasen getrennt sind.

Der Partite-Koeffizient (K) ist die Konzentration des gelösten Stoffs in Öl, dividiert durch die Konzentration des gelösten Stoffes in wässriger Phase. Der Diffusionskoeffizient (D) kann durch Verwendung von radioaktiven gelösten Stoffen und Messung ihrer Eintrittsgeschwindigkeit in das Zytoplasma bei verschiedenen äußeren Konzentrationen bestimmt werden.

Erleichterte Diffusion:

Die Diffusion einer Substanz durch eine Membran erfolgt immer von einem Bereich höherer Konzentration auf der einen Seite zu einem Bereich niedrigerer Konzentration auf der anderen Seite. Dies ist jedoch nicht immer der Fall, da zahlreiche Beispiele aufgedeckt wurden, bei denen eine Proteinpermease in der Plasmamembran vorhanden ist, die den Diffusionsprozess erleichtert. Dieser Mechanismus wird als erleichterte Diffusion bezeichnet. Dieser Prozess tritt am häufigsten bei der Bewegung von Zuckern und Aminosäuren auf.

Die Anwesenheit von Permease in der Membran bietet einen Weg durch die Membran, der eine Alternative zur Lipidschicht ist. Die Bindung des gelösten Stoffes an der äußeren Oberfläche der Membran würde eine Konformationsänderung in der Permease auslösen, wodurch der gelöste Stoff der inneren Oberfläche der Membran ausgesetzt wird, von der er in den Zytoplasma hinunter in seinen Konzentrationsgradienten eindiffundieren kann.

Die Merkmale der erleichterten Diffusion sind:

(i) Die Transportgeschwindigkeit der Moleküle durch die Membran ist viel größer als von einer einfachen Diffusion erwartet

(ii) Die Permeasen sind sehr spezifisch und jede transportiert nur einzelne spezifische Ionen oder Moleküle oder eine Gruppe eng verwandter Moleküle.

(iii) Mit einer Erhöhung des Konzentrationsgradienten steigt die Transportgeschwindigkeit entsprechend an.

Wie im Fall von Enzymen zeigen Permeasen, die die Diffusion erleichtern, Kinetik vom Sättigungstyp. Wenn eine Substanz (S) anfänglich außerhalb der Plasmamembran vorhanden ist, kann ihr Transport im Inneren durch die folgenden Gleichungen dargestellt werden:

S (aus) + Permease Km = S-Permease-Komplex Vmax

Hier ist S das Substrat, Km ist die Bindungskonstante für das Substrat, und Vmax ist die maximale Transportgeschwindigkeit. Wenn die Konzentration von S außerhalb C ist, kann die Transportrate wie folgt berechnet werden:

V = Vmax / 1 + C / Km

Aktiven Transport:

Die Diffusion von Ionen durch die Membranen ist noch schwieriger, da sie nicht nur vom Konzentrationsgradienten, sondern auch vom im System vorhandenen elektrischen Gradienten abhängt. Da aktiver Transport ein Prozess ist, der einem Konzentrationsgradienten entgegenwirkt, ist es nicht verwunderlich, dass er den Energieaufwand benötigt.

Das Verfahren beinhaltet die Verwendung von Trägermolekülen innerhalb der eigentlichen Zellmembran. Diese Trägermoleküle pendeln anscheinend zwischen den inneren und äußeren Zellmembranoberflächen hin und her und nehmen entweder ein bestimmtes Ion auf, das gerade reguliert wird, oder geben es ab. Die für diesen Prozess benötigte Energie wird aus Adenosintriphosphat (ATP) gewonnen, das hauptsächlich durch oxidative Phosphorylierung in Mitochondrien produziert wird.

Aus der unten gezeigten Tabelle 2.1 ist ersichtlich, dass sich in einer Zelle eine große Konzentration von nicht diffundierbaren Anionen befindet und dass ein elektrischer Gradient über die Membran eingestellt wird.

Tabelle 2.1

Ionenkonzentration und stabiles Potenzial in Muskeln anzeigen

Donnan (1911) prognostizierte, wenn eine Zelle mit einer nicht diffusionsfähigen negativen Ladung in einer Lösung von Cl ^{- angeordnet wird}, wird K ⁺ in die Zellkonzentration und den elektrischen Gradienten getrieben. Cl-Ionen dagegen werden durch den Konzentrationsgradienten getrieben, werden jedoch durch den elektrischen Gradienten abgestoßen. Laut Donnan sind die Gleichgewichtskonzentrationen genau wechselseitig.

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

Die Beziehung zwischen dem Konzentrationsgradienten und dem Ruhemembranpotential ist durch die Nernst-Gleichung gegeben.

E = RT in C ₁ / C ₂

Wenn E in Millivolt angegeben ist, ist R eine universelle Gaskonstante und T ist die absolute Temperatur. Aus (i) und (ii) kann das Donnan-Gleichgewicht für KC1 ausgedrückt werden

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

Aktiver Transport von Ionen oder Natriumpumpe:

Die am aktivsten in die Zellen gepumpten Stoffe sind Kaliumionen (K ⁺ ). Die Antriebskraft für diesen Einlagentransport ist vermutlich ein Natrium (Na ⁺ ) - Gradient durch die Membran, der durch aktiven Transport von aus der Zelle gepumpten Na - Ionen erzeugt wird Zelle.

Die Konzentration von (Na ⁺ ) - Ionen außerhalb der Membran wird hoch, während die innere Konzentration niedrig wird. Die zum Abpumpen von Na ⁺ -Ionen erforderliche Energie wird von ATP bereitgestellt. In Gegenwart von Mg ^{++ -} aktivierter ATPase wird das ATP-Molekül hydrolysiert, und es wird angenommen, dass sich ATPase innerhalb der Membran befindet.

Die Na ⁺ - Pumpe wurde von Hodkin und Keynes (1955) entdeckt und mit der Hydrolyse von ATP in vitro von Skou (1957) in Verbindung gebracht. Zwei unterschiedliche Mechanismen der Na ⁺ -Pumpe wurden für Tierzellen beschrieben. Diese sind:

(i) Natrium-Kalium-Austauschpumpe:

In einer solchen Na ⁺ -Pumpe ist das Abpumpen von Na ⁺ -Ionen mit dem Abtransport von К-Ionen verbunden. Da Na ⁺ und K ⁺ zwangsweise ausgetauscht werden, wird die Bewegung von Na ⁺ nach außen immer von einer Bewegung von K ⁺ nach innen begleitet. Eine solche Pumpe tritt in Nervenzellen und Muskelzellen auf.

(ii) Elektrogene Na ⁺ -Pumpe:

In dieser Pumpe gibt es keinen obligatorischen Austausch von nach innen gerichteten K ⁺ -Ionen und nach außen gerichteten Na ⁺ -Ionen. In dieser Pumpe kann ein Gradient des elektrochemischen Potentials erzeugt werden, wenn der Austritt von Na ⁺ -Ionen nicht durch Eins-zu-Eins-Eintritt von K ⁺ kompensiert wird.

Aerobe Zellen benötigen eine hohe intrazelluläre Konzentration von K ⁺ -Ionen, unabhängig von der externen Konzentration von Na und K ⁺ . Die hohe K ⁺ -Konzentration ist neben der Zelle für die Proteinsynthese und Glykolyse notwendig. Die hohe K ⁺ -Konzentration der Zelle muss durch den Verlust einiger Kationen wie Na ⁺ ausgeglichen werden, da andernfalls eine übermäßige Schwellung die Zelle zum Platzen bringen würde, indem ein Zustand höheren inneren osmotischen Drucks erzeugt wird.

Der aktive Transport von Glukose in Zellen ist eine weitere Folge der Wirkung einer elektrogenen Na ⁺ -Pumpe. Die Extrusion von Na ⁺ aus der Zelle erzeugt einen Gradienten mit niedriger innerer und höherer äußerer Konzentration von Na ⁺ . Zuckeraktiver Transport erfolgt unter Bedingungen, bei denen die Na ⁺ -Konzentration von außen hoch genug gehalten wird, um einen geeigneten Gradienten zu erzeugen, dessen Energie Metaboliten aus der sehr verdünnten äußeren Zuckerlösung in die Zelle treibt. Die Ansammlung von Zuckern wird zur Na ⁺ -Extrusion zusammengestellt und wird auch durch spezifische Trägerproteine ​​unterstützt.

Translokation über die Membran :

Die Trägerproteine ​​unterstützen hydrophile Moleküle über eine Membrandicke von 6 bis 10 nm. Die Metaboliten sind deutlich kleiner als 6 nm, daher ist es wichtig zu wissen, wie diese Moleküle von den Trägern über diese relativ große Entfernung transportiert werden. Es wurden mehrere Alternativen vorgeschlagen, aber zwei wurden intensiver untersucht als die anderen Möglichkeiten.

Eine alternative Hypothese postuliert, dass der Träger an das hydrophile Molekül bindet und dann das gesamte Transportprotein über die Membran rotiert und seinen gebundenen Metaboliten auf die andere Seite überträgt. Die zweite Alternative schlägt vor, dass der Träger in der Membran fixiert ist und das Trägermolekül eine Konformationsänderung durchmacht, die die Bindungsstelle über die Membran und den damit verbundenen gebundenen Metaboliten zur selben Zeit transloziert.

Nach der Translokation des Metaboliten wird die Bindungsstelle freigesetzt und in ihre ursprüngliche Konformation zurückversetzt, um in einem anderen Transportereignis ein anderes hydrophiles Molekül zu binden. Diese zweite Alternative wurde als fester Porenmechanismus bezeichnet. Die erste Alternative ist als Trägermechanismus bekannt.