معلومة

15.3: نقل الأغشية بنفاذية انتقائية - علم الأحياء


النقل عبر الغشاء

مشكلة تحدي التصميم والمشاكل الفرعية

مشكلة عامة: يجب أن يعمل غشاء الخلية في نفس الوقت كحاجز بين "IN" و "OUT" والتحكم على وجه التحديد أي تدخل المواد إلى الخلية وتغادرها ومدى سرعة وكفاءة القيام بذلك.

مشاكل فرعية: الخصائص الكيميائية للجزيئات التي يجب أن تدخل الخلية وتغادرها متغيرة للغاية. بعض المشاكل الفرعية المرتبطة بهذا هي: (أ) يجب أن تكون الجزيئات الكبيرة والصغيرة أو مجموعات الجزيئات قادرة على المرور عبر الغشاء. (ب) يجب أن يكون لكل من المواد الكارهة للماء والمواد المحبة للماء إمكانية الوصول إلى وسائل النقل. (ج) يجب أن تكون المواد قادرة على عبور الغشاء مع وضد تدرجات التركيز. (د) تبدو بعض الجزيئات متشابهة جدًا (مثل Na+ وك+) ولكن يجب أن تظل آليات النقل قادرة على التمييز بينها.

منظور قصة الطاقة

يمكن اعتبار النقل عبر الغشاء من منظور قصة الطاقة ؛ إنها عملية بعد كل شيء. على سبيل المثال ، في بداية العملية ، قد تكون المادة العامة X إما داخل الخلية أو خارجها. في نهاية العملية ، ستكون المادة على الجانب الآخر الذي بدأت منه.

على سبيل المثال X(في) ---> X(خارج)،

حيث يشير الداخل والخارج إلى داخل الخلية وخارج الخلية ، على التوالي.

في البداية ، قد تكون المادة في النظام عبارة عن مجموعة معقدة للغاية من الجزيئات داخل وخارج الخلية ولكن مع وجود جزيء واحد من X داخل الخلية أكثر من خارجها. في النهاية ، يوجد جزيء آخر من X على السطح الخارجي للخلية وجزيء أقل في الداخل. يتم تخزين الطاقة في النظام في البداية إلى حد كبير في الهياكل الجزيئية وحركاتها وفي اختلالات التركيز الكهربائي والكيميائي عبر غشاء الخلية. لن يؤدي نقل X خارج الخلية إلى تغيير طاقات الهياكل الجزيئية بشكل كبير ولكنه سيغير الطاقة المرتبطة باختلال التوازن و / أو الشحن عبر الغشاء. هذا هو النقل ، مثل جميع ردود الفعل الأخرى ، إما أن يكون طاردًا للطاقة أو مسببًا للطاقة. أخيرًا ، هناك حاجة إلى وصف آلية أو مجموعات من آليات النقل.


النفاذية الاختيارية

من أعظم عجائب غشاء الخلية قدرته على تنظيم تركيز المواد داخل الخلية. وتشمل هذه المواد: أيونات مثل الكالسيوم2+، نا+، ك+، و Cl؛ المغذيات بما في ذلك السكريات والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ؛ ومنتجات النفايات ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO2) ، والتي يجب أن تغادر الخلية.

يوفر هيكل طبقة الدهون ثنائية الغشاء المستوى الأول من التحكم. معبأة بإحكام الفسفوليبيدات ، والغشاء له الداخل مسعور. هذا الهيكل وحده يخلق ما يعرف باسم نفاذية انتقائية الحاجز ، الذي يسمح فقط للمواد التي تلبي معايير فيزيائية معينة بالمرور عبره. في حالة غشاء الخلية ، يمكن فقط للمواد غير القطبية الصغيرة نسبيًا أن تتحرك عبر طبقة ثنائية الدهون بمعدلات ذات صلة بيولوجيًا (تذكر أن ذيول الغشاء الدهنية غير قطبية).

النفاذية الاختيارية يشير غشاء الخلية إلى قدرته على التمييز بين أنواع مختلفة من الجزيئات ، مما يسمح فقط لبعض الجزيئات بالمرور بينما يحجب البعض الآخر. تنبع بعض هذه الخاصية الانتقائية من معدلات الانتشار الجوهرية للجزيئات المختلفة عبر الغشاء. العامل الثاني الذي يؤثر على المعدلات النسبية لحركة المواد المختلفة عبر الغشاء البيولوجي هو نشاط مختلف ناقلات الأغشية القائمة على البروتين ، سواء كانت سلبية أو نشطة ، والتي ستتم مناقشتها بمزيد من التفصيل في الأقسام اللاحقة. أولاً ، نأخذ فكرة المعدلات الجوهرية للانتشار عبر الغشاء.

نفاذية نسبية

يجب أن تكون حقيقة أن المواد المختلفة قد تعبر غشاءًا بيولوجيًا بمعدلات مختلفة بديهية نسبيًا. هناك اختلافات في التركيب الفسيفسائي للأغشية في علم الأحياء والاختلافات في الأحجام والمرونة والخصائص الكيميائية للجزيئات ، لذلك من المنطقي أن تختلف معدلات النفاذية. إنه منظر طبيعي معقد. يمكن قياس نفاذية مادة ما عبر غشاء بيولوجي بشكل تجريبي ويمكن الإبلاغ عن معدل الحركة عبر الغشاء فيما يعرف بمعاملات نفاذية الغشاء.

معاملات نفاذية الغشاء

أدناه ، يتم رسم مجموعة متنوعة من المركبات فيما يتعلق بمعاملات نفاذية الغشاء (MPC) كما تم قياسها مقابل تقريب كيميائي حيوي بسيط لغشاء بيولوجي حقيقي. معامل النفاذية المبلغ عنه لهذا النظام هو المعدل الذي يحدث فيه الانتشار البسيط من خلال غشاء ويتم الإبلاغ عنه بوحدات السنتيمتر في الثانية (سم / ثانية). يتناسب معامل النفاذية مع معامل التقسيم ويتناسب عكسياً مع سمك الغشاء.

من المهم أن تكون قادرًا على قراءة الرسم البياني أدناه وتفسيره. كلما زاد المعامل ، كلما كان الغشاء أكثر نفاذاً للمذاب. على سبيل المثال ، حمض الهيكسانويك شديد النفاذية ، MPC 0.9 ؛ يحتوي حمض الخليك والماء والإيثانول على MPCs بين 0.01 و 0.001 ، وهي أقل نفاذية من حمض hexanoic. حيث مثل الأيونات مثل الصوديوم (Na+) ، لها MPC تبلغ 10-12، وعبور الغشاء بمعدل بطيء نسبيًا.

شكل 1. مخطط معامل نفاذية الغشاء. تم أخذ الرسم التخطيطي من BioWiki ويمكن العثور عليه في http://biowiki.ucdavis.edu/Biochemis...e_Permeability.

في حين أن هناك اتجاهات معينة أو خصائص كيميائية يمكن أن ترتبط تقريبًا بنفاذية مركبة مختلفة (الأشياء الصغيرة تمر "بسرعة" ، والأشياء الكبيرة "ببطء" ، والأشياء المشحونة ليست على الإطلاق وما إلى ذلك) ، فإننا نحذر من الإفراط في التعميم. المحددات الجزيئية لنفاذية الغشاء معقدة وتنطوي على العديد من العوامل بما في ذلك: التركيب المحدد للغشاء ، ودرجة الحرارة ، والتركيب الأيوني ، والترطيب ؛ الخواص الكيميائية للمذاب. التفاعلات الكيميائية المحتملة بين المذاب في المحلول وفي الغشاء ؛ الخواص العازلة للمواد ؛ ومقايضات الطاقة المرتبطة بنقل المواد من وإلى بيئات مختلفة. لذلك ، في هذه الفئة ، بدلاً من محاولة تطبيق "القواعد" ومحاولة تطوير عدد كبير جدًا من "الحدود القصوى" التعسفية ، سنسعى جاهدين لتطوير إحساس عام ببعض الخصائص التي يمكن أن تؤثر على النفاذية وتترك تخصيص النفاذية المطلقة لـ معدلات المبلغ عنها تجريبيا. بالإضافة إلى ذلك ، سنحاول أيضًا تقليل استخدام المفردات التي تعتمد على إطار مرجعي. على سبيل المثال ، قول هذا المركب A ينتشر "بسرعة" أو "ببطء" عبر طبقة ثنائية يعني فقط شيئًا إذا تم تعريف المصطلحات "بسرعة" أو "ببطء" عدديًا أو تم فهم السياق البيولوجي.

طاقة النقل

جميع المواد التي تتحرك عبر الغشاء تفعل ذلك بإحدى طريقتين عامتين ، والتي يتم تصنيفها بناءً على ما إذا كانت عملية النقل مفرطة الطاقة أم لا. النقل السلبي هي الحركة المفرطة للطاقة للمواد عبر الغشاء. فى المقابل، النقل النشط عبارة عن حركة إندرجونية للمواد عبر الغشاء مقترنة بتفاعل طارد للطاقة.

النقل السلبي

النقل السلبي لا يتطلب من الخلية إنفاق الطاقة. في النقل السلبي ، تنتقل المواد من منطقة ذات تركيز أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل ، أسفلها تدرج التركيز . اعتمادًا على الطبيعة الكيميائية للمادة ، قد ترتبط العمليات المختلفة بالنقل السلبي.

تعريف

تعريف هي عملية نقل سلبية. تميل مادة واحدة إلى الانتقال من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز عبر مساحة. أنت معتاد على انتشار المواد عبر الهواء. على سبيل المثال ، فكر في شخص يفتح زجاجة من الأمونيا في غرفة مليئة بالناس. يكون غاز الأمونيا عند أعلى تركيز له في الزجاجة ؛ أدنى تركيز له عند أطراف الغرفة. سوف ينتشر بخار الأمونيا أو ينتشر بعيدًا عن الزجاجة ؛ تدريجيا ، سوف يشم المزيد والمزيد من الناس رائحة الأمونيا أثناء انتشارها. تتحرك المواد داخل العصارة الخلوية للخلية عن طريق الانتشار ، وتتحرك مواد معينة عبر غشاء البلازما عن طريق الانتشار.

الشكل 2. يؤدي الانتشار عبر غشاء منفذ إلى نقل مادة من منطقة عالية التركيز (سائل خارج الخلية ، في هذه الحالة) إلى أسفل تدرج تركيزها (إلى السيتوبلازم). كل مادة منفصلة في وسط ، مثل السائل خارج الخلية ، لها تدرج تركيز خاص بها ، بغض النظر عن تدرجات تركيز المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، ستنتشر كل مادة وفقًا لهذا التدرج. داخل النظام ، ستكون هناك معدلات مختلفة لانتشار المواد المختلفة في الوسط. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة ماريانا رويز فيلاريال)
العوامل التي تؤثر على الانتشار

إذا كانت الجزيئات غير مقيدة ، فستتحرك وتستكشف الفضاء بشكل عشوائي بمعدل يعتمد على حجمها وشكلها وبيئتها وطاقتها الحرارية. هذا النوع من الحركة يكمن وراء الحركة المنتشرة للجزيئات عبر أي وسيط موجود فيه. ولا يعني عدم وجود تدرج تركيز أن هذه الحركة ستتوقف ، فقط أنه قد لا يكون هناك صافي حركة عدد الجزيئات من منطقة إلى أخرى ، وهي حالة تعرف باسم توازن ديناميكي.

تشمل العوامل التي تؤثر على الانتشار ما يلي:

  • مدى تدرج التركيز: كلما زاد الاختلاف في التركيز ، زادت سرعة الانتشار. كلما اقترب توزيع المادة من التوازن ، أصبح معدل الانتشار أبطأ.
  • شكل وحجم وكتلة الجزيئات المنتشرة: الجزيئات الكبيرة والثقيلة تتحرك ببطء أكبر ؛ لذلك ، فإنها تنتشر بشكل أبطأ. عادة ما يكون العكس صحيحًا بالنسبة للجزيئات الأصغر والأخف وزنًا.
  • درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة الطاقة وبالتالي حركة الجزيئات ، مما يزيد من معدل الانتشار. تقلل درجات الحرارة المنخفضة من طاقة الجزيئات ، وبالتالي تقلل من معدل الانتشار.
  • كثافة المذيب: مع زيادة كثافة المذيب ، ينخفض ​​معدل الانتشار. تتباطأ الجزيئات لأنها تواجه صعوبة أكبر في المرور عبر الوسط الأكثر كثافة. إذا كان الوسط أقل كثافة ، تزداد معدلات الانتشار. نظرًا لأن الخلايا تستخدم الانتشار لنقل المواد داخل السيتوبلازم ، فإن أي زيادة في كثافة السيتوبلازم ستقلل من معدل تحرك المواد في السيتوبلازم.
  • الذوبان: كما نوقش سابقًا ، تمر المواد غير القطبية أو القابلة للذوبان في الدهون عبر أغشية البلازما بسهولة أكبر من المواد القطبية ، مما يسمح بمعدل انتشار أسرع.
  • مساحة سطح وسماكة غشاء البلازما: زيادة مساحة السطح تزيد من معدل الانتشار ، في حين أن الغشاء السميك يقلله.
  • المسافة المقطوعة: كلما زادت المسافة التي يجب أن تقطعها المادة ، كان معدل الانتشار أبطأ. هذا يضع قيودًا عليا على حجم الخلية. تموت الخلية الكروية الكبيرة لأن العناصر الغذائية أو النفايات لا يمكنها الوصول إلى مركز الخلية أو مغادرته ، على التوالي. لذلك ، يجب أن تكون الخلايا إما صغيرة الحجم ، كما هو الحال في العديد من بدائيات النوى ، أو أن تكون مسطحة ، كما هو الحال مع العديد من حقيقيات النوى أحادية الخلية.

سهولة النقل

في النقل الميسر، ويسمى أيضًا بالانتشار الميسر ، تنتشر المواد عبر غشاء البلازما بمساعدة بروتينات الغشاء. يوجد تدرج تركيز يسمح لهذه المواد بالانتشار داخل الخلية أو خارجها دون إنفاق الطاقة الخلوية. في حالة أن المواد عبارة عن أيونات أو جزيئات قطبية (مركبات تتنافر بواسطة الأجزاء الكارهة للماء من غشاء الخلية) ، تساعد بروتينات النقل الميسر في حماية هذه المواد من القوة الطاردة للغشاء ، مما يسمح لها بالانتشار في الخلية.

ملاحظة: مناقشة ممكنة

قارن وقارن الانتشار السلبي والانتشار الميسر.

القنوات

يشار إلى البروتينات المتكاملة المشاركة في النقل الميسر بشكل جماعي باسم نقل البروتينات، وتعمل كقنوات للمادة أو المواد الحاملة. في كلتا الحالتين ، فهي بروتينات عبر الغشاء. بروتينات القناة المختلفة لها خصائص نقل مختلفة. لقد تطور البعض ليكون لديه خصوصية عالية جدًا للمادة التي يتم نقلها بينما يقوم البعض الآخر بنقل مجموعة متنوعة من الجزيئات التي تشترك في بعض الخصائص (الخصائص) المشتركة. "الممر" الداخلي قناة البروتينات تم تطويرها لتوفير حاجز طاقة منخفض لنقل المواد عبر الغشاء من خلال الترتيب التكميلي للمجموعات الوظيفية للأحماض الأمينية (لكل من العمود الفقري والسلاسل الجانبية). يسمح المرور عبر القناة للمركبات القطبية بتجنب الطبقة المركزية غير القطبية لغشاء البلازما التي من شأنها أن تبطئ أو تمنع دخولها إلى الخلية. في حين أن كميات كبيرة من الماء تعبر الغشاء داخل وخارج الغشاء في أي وقت ، فإن معدل نقل جزيء الماء الفردي قد لا يكون سريعًا بما يكفي للتكيف مع الظروف البيئية المتغيرة. في مثل هذه الحالات ، طورت الطبيعة فئة خاصة من بروتينات الغشاء تسمى أكوابورينات تسمح بمرور الماء عبر الغشاء بمعدل مرتفع جدًا.

الشكل 3. ينقل النقل الميسر المواد إلى أسفل تدرجات تركيزها. قد يعبرون غشاء البلازما بمساعدة بروتينات القناة. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

تكون بروتينات القناة إما مفتوحة في جميع الأوقات أو "بوابات". يتحكم الأخير في فتح القناة. قد تشارك آليات مختلفة في آلية البوابة. على سبيل المثال ، قد يؤدي ربط أيون معين أو جزيء صغير ببروتين القناة إلى فتح. قد تكون التغييرات في "إجهاد" الغشاء المحلي أو التغيرات في الجهد عبر الغشاء محفزات لفتح أو إغلاق قناة.

تعبر الكائنات الحية والأنسجة المختلفة في الأنواع متعددة الخلايا عن مجموعات مختلفة من بروتينات القناة في أغشيتها اعتمادًا على البيئات التي تعيش فيها أو الوظيفة المتخصصة التي تلعبها في الكائنات الحية. يوفر هذا لكل نوع من الخلايا ملف تعريف فريد لنفاذية الغشاء يتم تطويره لاستكمال "احتياجاته" (لاحظ التجسيم). على سبيل المثال ، في بعض الأنسجة ، تمر أيونات الصوديوم والكلوريد بحرية عبر القنوات المفتوحة ، بينما في الأنسجة الأخرى ، يجب فتح بوابة للسماح بالمرور. يحدث هذا في الكلى ، حيث يوجد كلا الشكلين من القنوات في أجزاء مختلفة من الأنابيب الكلوية. الخلايا المشاركة في نقل النبضات الكهربائية ، مثل الخلايا العصبية والعضلية ، لديها قنوات بوابات للصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم في أغشيتها. يؤدي فتح وإغلاق هذه القنوات إلى تغيير التركيزات النسبية على جوانب متقابلة من غشاء هذه الأيونات ، مما يؤدي إلى تغيير في الجهد الكهربائي عبر الغشاء يؤدي إلى انتشار الرسالة في حالة الخلايا العصبية أو تقلص العضلات في حالة الخلايا العضلية .

بروتينات الناقل

نوع آخر من البروتين المضمن في غشاء البلازما هو أ البروتين الناقل. هذا البروتين المسمى بشكل مناسب يربط المادة ، وبذلك ، يؤدي إلى تغيير شكلها ، ونقل الجزيء المرتبط من خارج الخلية إلى داخلها ؛ اعتمادًا على التدرج اللوني ، قد تتحرك المادة في الاتجاه المعاكس. عادة ما تكون البروتينات الحاملة محددة لمادة واحدة. هذه الانتقائية تضيف إلى الانتقائية الشاملة لغشاء البلازما. لا تزال آلية المقياس الجزيئي لوظيفة هذه البروتينات غير مفهومة جيدًا.

الشكل 4. بعض المواد قادرة على التحرك أسفل تدرج تركيزها عبر غشاء البلازما بمساعدة البروتينات الحاملة. تغير البروتينات الحاملة شكلها لأنها تحرك الجزيئات عبر الغشاء. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

يلعب البروتين الناقل دورًا مهمًا في وظيفة الكلى. يتم تصفية الجلوكوز والماء والأملاح والأيونات والأحماض الأمينية التي يحتاجها الجسم في جزء واحد من الكلى. يتم بعد ذلك إعادة امتصاص هذا المرشح ، الذي يحتوي على الجلوكوز ، في جزء آخر من الكلية بمساعدة البروتينات الحاملة. نظرًا لوجود عدد محدود فقط من البروتينات الحاملة للجلوكوز ، في حالة وجود جلوكوز في المرشح أكثر مما يمكن للبروتينات التعامل معه ، لا يتم امتصاص الفائض ويتم إفرازه من الجسم في البول. في الفرد المصاب بالسكري ، يوصف هذا بأنه "سكب الجلوكوز في البول". تشارك مجموعة مختلفة من البروتينات الحاملة تسمى بروتينات نقل الجلوكوز ، أو GLUTs ، في نقل الجلوكوز والسكريات السداسية الأخرى عبر أغشية البلازما داخل الجسم.

تنقل البروتينات القناة والبروتينات الحاملة المواد بمعدلات مختلفة. تنتقل بروتينات القناة بسرعة أكبر بكثير من البروتينات الحاملة. تسهل بروتينات القناة الانتشار بمعدل عشرات الملايين من الجزيئات في الثانية ، بينما تعمل البروتينات الحاملة بمعدل ألف إلى مليون جزيء في الثانية.

النقل النشط

النقل النشط تتطلب الآليات استخدام طاقة الخلية ، عادة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). إذا كان لابد من انتقال مادة إلى الخلية مقابل تدرج تركيزها - أي إذا كان تركيز المادة داخل الخلية أكبر من تركيزها في السائل خارج الخلية (والعكس صحيح) - فيجب على الخلية استخدام الطاقة لتحريك المادة. تقوم بعض آليات النقل النشطة بنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير ، مثل الأيونات ، عبر الغشاء. آليات أخرى تنقل جزيئات أكبر بكثير.

التحرك ضد الانحدار

لتحريك المواد ضد التركيز أو التدرج الكهروكيميائي ، يجب أن تستخدم الخلية الطاقة. يتم حصاد هذه الطاقة من ATP المتولدة من خلال التمثيل الغذائي للخلية. آليات النقل النشطة ، تسمى مجتمعة مضخاتتعمل ضد التدرجات الكهروكيميائية. تمر المواد الصغيرة باستمرار عبر أغشية البلازما. يحافظ النقل النشط على تركيزات الأيونات والمواد الأخرى التي تحتاجها الخلايا الحية في مواجهة هذه الحركات السلبية. قد يتم إنفاق الكثير من إمداد الخلية من الطاقة الأيضية في الحفاظ على هذه العمليات. (تُستخدم معظم الطاقة الأيضية لخلايا الدم الحمراء للحفاظ على عدم التوازن بين مستويات الصوديوم والبوتاسيوم الخارجية والداخلية التي تتطلبها الخلية.) نظرًا لأن آليات النقل النشطة تعتمد على استقلاب الخلية للطاقة ، فهي حساسة للعديد من السموم الأيضية التي تتداخل مع توريد ATP.

توجد آليتان لنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير والجزيئات الصغيرة. النقل النشط الأساسي يحرك الأيونات عبر الغشاء ويحدث فرقًا في الشحنة عبر هذا الغشاء ، والذي يعتمد بشكل مباشر على ATP. النقل النشط الثانوي يصف حركة المادة التي ترجع إلى التدرج الكهروكيميائي الذي تم إنشاؤه بواسطة النقل النشط الأولي الذي لا يتطلب ATP بشكل مباشر.

البروتينات الحاملة للنقل النشط

من أهم تكيفات الغشاء للنقل النشط وجود بروتينات أو مضخات حاملة محددة لتسهيل الحركة: هناك ثلاثة أنواع من هذه البروتينات أو الناقلون. أ أحادي القارب يحمل أيونًا أو جزيءًا محددًا. أ المتناغم يحمل اثنين من الأيونات أو الجزيئات المختلفة ، وكلاهما في نفس الاتجاه. ان مضاد الحمى يحمل أيضًا اثنين من الأيونات أو الجزيئات المختلفة ، ولكن في اتجاهات مختلفة. يمكن لجميع هذه الناقلات أيضًا نقل جزيئات عضوية صغيرة غير مشحونة مثل الجلوكوز. توجد هذه الأنواع الثلاثة من البروتينات الحاملة أيضًا في الانتشار الميسر ، لكنها لا تتطلب ATP للعمل في هذه العملية. بعض الأمثلة على مضخات النقل النشط هي Na++ ATPase الذي يحمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم و H++ ATPase ، الذي يحمل أيونات الهيدروجين والبوتاسيوم. كلاهما عبارة عن بروتينات حاملة لمضادات الحمل. نوعان آخران من البروتينات الحاملة هما Ca2+ATPase و H.+ ATPase ، التي تحمل الكالسيوم فقط وأيونات الهيدروجين فقط ، على التوالي. كلاهما مضخات.

الشكل 5. يحمل أحادي القارب جزيء أو أيونًا واحدًا. يحمل المتناظر جزيئين أو أيونات مختلفة ، كلاهما في نفس الاتجاه. يحمل مضاد الحمى أيضًا جزيئين أو أيونات مختلفة ، ولكن في اتجاهات مختلفة. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة "Lupask" / ويكيميديا ​​كومنز)

النقل النشط الأساسي

في النقل النشط الأولي ، غالبًا ما تكون الطاقة - وإن لم يكن حصريًا - مشتقة مباشرة من التحلل المائي لـ ATP. في كثير من الأحيان ، يسمح النقل النشط الأولي ، مثل ذلك الموضح أدناه ، والذي يعمل على نقل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم ، بحدوث النقل النشط الثانوي (تمت مناقشته في القسم أدناه). لا تزال طريقة النقل الثانية تعتبر نشطة لأنها تعتمد على استخدام الطاقة من النقل الأساسي.

الشكل 6. يحرك النقل النشط الأساسي الأيونات عبر الغشاء ، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا (النقل الكهربائي). (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

تعد مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na++ ATPase) ، الذي يحافظ على التدرج الكهروكيميائي (والتركيزات الصحيحة لـ Na+وك+) في الخلايا الحية. تتحرك مضخة الصوديوم والبوتاسيوم K.+ في الخلية أثناء تحريك Na+ في نفس الوقت ، بنسبة ثلاثة Na+ لكل اثنين ك+ انتقلت الأيونات فيها++يوجد ATPase في شكلين اعتمادًا على اتجاهه إلى الداخل أو الخارج للخلية وتقاربها مع أيونات الصوديوم أو البوتاسيوم. تتكون العملية من الخطوات الست التالية.

  1. مع توجيه الإنزيم نحو الجزء الداخلي للخلية ، يكون للناقل تقارب كبير لأيونات الصوديوم. ترتبط ثلاثة أيونات بالبروتين.
  2. يتم تحلل ATP بواسطة حامل البروتين وترتبط به مجموعة فوسفات منخفضة الطاقة.
  3. نتيجة لذلك ، يغير الناقل شكله ويعيد توجيه نفسه نحو الجزء الخارجي من الغشاء. تقل ألفة البروتين للصوديوم وتغادر أيونات الصوديوم الثلاثة الحامل.
  4. يؤدي تغيير الشكل إلى زيادة تقارب الناقل لأيونات البوتاسيوم ، ويرتبط اثنان من هذه الأيونات بالبروتين. بعد ذلك ، تنفصل مجموعة الفوسفات منخفضة الطاقة عن الناقل.
  5. مع إزالة مجموعة الفوسفات وإرفاق أيونات البوتاسيوم ، يعيد البروتين الحامل وضعه نحو داخل الخلية.
  6. البروتين الحامل ، في تكوينه الجديد ، لديه تقارب منخفض للبوتاسيوم ، ويتم إطلاق الأيونات في السيتوبلازم. يمتلك البروتين الآن تقاربًا أكبر مع أيونات الصوديوم ، وتبدأ العملية مرة أخرى.

حدثت عدة أشياء نتيجة لهذه العملية. في هذه المرحلة ، يوجد عدد أكبر من أيونات الصوديوم خارج الخلية أكثر من الداخل وأيونات البوتاسيوم في الداخل أكثر من الخارج. لكل ثلاثة أيونات من الصوديوم تتحرك للخارج ، يتحرك اثنان من أيونات البوتاسيوم إلى الداخل. وهذا ينتج عنه أن يكون الجزء الداخلي أكثر سلبية بالنسبة إلى الخارج. هذا الاختلاف في المسؤولية مهم في تهيئة الظروف اللازمة للعملية الثانوية. وبالتالي ، فإن مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هي مضخة كهربائية (مضخة تخلق خللاً في الشحنة) ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكهربائي عبر الغشاء ويساهم في إمكانات الغشاء.

رابط للتعلم

قم بزيارة الموقع لمشاهدة محاكاة النقل النشط في ATPase الصوديوم والبوتاسيوم.

النقل النشط الثانوي (النقل المشترك)

يجلب النقل النشط الثانوي أيونات الصوديوم ، وربما مركبات أخرى ، إلى الخلية. نظرًا لأن تركيزات أيون الصوديوم تتراكم خارج غشاء البلازما بسبب عمل عملية النقل الأولية النشطة ، يتم إنشاء تدرج كهروكيميائي. إذا كان بروتين القناة موجودًا ومفتوحًا ، فسيتم سحب أيونات الصوديوم عبر الغشاء. تُستخدم هذه الحركة لنقل المواد الأخرى التي يمكن أن تلتصق ببروتين النقل عبر الغشاء. العديد من الأحماض الأمينية ، وكذلك الجلوكوز ، تدخل الخلية بهذه الطريقة. تُستخدم هذه العملية الثانوية أيضًا لتخزين أيونات الهيدروجين عالية الطاقة في الميتوكوندريا في الخلايا النباتية والحيوانية لإنتاج ATP. يتم ترجمة الطاقة الكامنة التي تتراكم في أيونات الهيدروجين المخزنة إلى طاقة حركية حيث تتدفق الأيونات عبر بروتين القناة سينسيز ATP ، وتستخدم هذه الطاقة لتحويل ADP إلى ATP.

الشكل 7. يمكن للتدرج الكهروكيميائي ، الذي تم إنشاؤه بواسطة النقل النشط الأولي ، تحريك المواد الأخرى ضد تدرجات تركيزها ، وهي عملية تسمى النقل المشترك أو النقل النشط الثانوي. (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

التنافذ

التنافذ هي حركة الماء عبر غشاء شبه نافذ وفقًا لتدرج تركيز الماء عبر الغشاء ، والذي يتناسب عكسًا مع تركيز المواد المذابة. بينما ينقل الانتشار المواد عبر الأغشية وداخل الخلايا ، ينقل التناضح فقط ماء عبر الغشاء والغشاء يحد من انتشار المواد المذابة في الماء. ليس من المستغرب أن تلعب الأكوابورينات التي تسهل حركة الماء دورًا كبيرًا في التناضح ، وعلى الأخص في خلايا الدم الحمراء وأغشية الأنابيب الكلوية.

آلية

التناضح هو حالة خاصة من الانتشار. ينتقل الماء ، مثله مثل المواد الأخرى ، من منطقة عالية التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض. السؤال الواضح هو ما الذي يجعل الماء يتحرك على الإطلاق؟ تخيل دورق به غشاء نصف نافذ يفصل بين الجانبين أو النصفين. يتساوى مستوى الماء على جانبي الغشاء ، ولكن توجد تركيزات مختلفة لمادة مذابة ، أو المذاب، لا يمكن عبور الغشاء (وإلا فسيتم موازنة التركيزات على كل جانب بواسطة المذاب الذي يعبر الغشاء). إذا كان حجم المحلول على جانبي الغشاء متماثلًا ، لكن تراكيز المذاب مختلفة ، فهناك كميات مختلفة من الماء ، المذيب ، على جانبي الغشاء.

الشكل 8. في التناضح ، ينتقل الماء دائمًا من منطقة ذات تركيز ماء أعلى إلى منطقة ذات تركيز أقل. في الرسم البياني الموضح ، لا يمكن للمذاب أن يمر عبر الغشاء القابل للنفاذ بشكل انتقائي ، لكن الماء يمكنه ذلك.

لتوضيح ذلك ، تخيل كأسين كاملين من الماء. يحتوي أحدهما على ملعقة صغيرة من السكر ، بينما يحتوي الثاني على ربع كوب من السكر. إذا كان الحجم الإجمالي للمحلولين في كلا الكوبين هو نفسه ، فأي كوب يحتوي على كمية أكبر من الماء؟ نظرًا لأن كمية السكر الكبيرة في الكوب الثاني تشغل مساحة أكبر بكثير من ملعقة صغيرة من السكر في الكوب الأول ، فإن الكوب الأول يحتوي على كمية أكبر من الماء.

بالعودة إلى مثال الدورق ، تذكر أنه يحتوي على خليط من المواد المذابة على جانبي الغشاء. مبدأ الانتشار هو أن الجزيئات تتحرك وستنتشر بالتساوي في جميع أنحاء الوسط إذا أمكن ذلك. ومع ذلك ، فإن المادة القادرة على اختراق الغشاء فقط هي التي ستنتشر من خلاله. في هذا المثال ، لا يمكن أن ينتشر المذاب عبر الغشاء ، لكن الماء يمكن أن ينتشر. الماء له تركيز متدرج في هذا النظام. وهكذا ، سوف ينتشر الماء أسفل تدرج تركيزه ، ويمر الغشاء إلى الجانب حيث يكون أقل تركيزًا. سوف يستمر هذا الانتشار للمياه عبر الغشاء - التناضح - حتى يذهب تدرج تركيز الماء إلى الصفر أو حتى يوازن الضغط الهيدروستاتيكي للماء الضغط التناضحي. يستمر التناضح باستمرار في الأنظمة الحية.

توترية

توترية يصف كيف يمكن للحل خارج الخلية أن يغير حجم الخلية بالتأثير على التناضح. غالبًا ما يرتبط توتر المحلول ارتباطًا مباشرًا بسمولية المحلول. الأسمولية يصف التركيز الكلي للمذاب للمحلول. يحتوي المحلول ذو الأسمولية المنخفضة على عدد أكبر من جزيئات الماء بالنسبة إلى عدد الجسيمات المذابة ؛ يحتوي المحلول ذو الأسمولية العالية على عدد أقل من جزيئات الماء فيما يتعلق بالجزيئات الذائبة. في حالة يتم فيها فصل محاليل الأسمولية المختلفة عن طريق غشاء منفذ للماء ، ولكن ليس إلى المذاب ، سينتقل الماء من جانب الغشاء ذي الأسمولية المنخفضة (والمزيد من الماء) إلى الجانب ذي الأسمولية الأعلى (و مياه اقل). يكون هذا التأثير منطقيًا إذا كنت تتذكر أن المذاب لا يمكن أن يتحرك عبر الغشاء ، وبالتالي فإن المكون الوحيد في النظام الذي يمكنه التحرك - الماء - يتحرك على طول تدرج التركيز الخاص به. من الاختلافات المهمة التي تتعلق بالنظم الحية أن الأسمولية تقيس عدد الجسيمات (التي قد تكون جزيئات) في محلول. لذلك ، قد يكون للمحلول الغائم بالخلايا أسمولية أقل من المحلول الواضح إذا كان المحلول الثاني يحتوي على جزيئات مذابة أكثر من الخلايا.

حلول منخفضة التوتر

تستخدم ثلاثة مصطلحات - ناقص التوتر ، متساوي التوتر ، وفرط التوتر - لربط الأسمولية للخلية بالاسمولية للسائل خارج الخلية الذي يحتوي على الخلايا. في نقص الضغطالحالة ، يكون للسائل خارج الخلية أسمولية أقل من السائل داخل الخلية ، ويدخل الماء إلى الخلية (في الأنظمة الحية ، تكون النقطة المرجعية دائمًا هي السيتوبلازم ، لذا فإن البادئة هيبو- يعني أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة ، أو أسمولية أقل من سيتوبلازم الخلية). وهذا يعني أيضًا أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز ماء أعلى في المحلول من الخلية. في هذه الحالة ، سيتبع الماء تدرج تركيزه ويدخل الخلية.

حلول مفرطة التوتر

أما بالنسبة ل مفرط التوتر الحل ، البادئة مفرط- يشير إلى السائل خارج الخلية الذي يحتوي على أسمولية أعلى من سيتوبلازم الخلية ؛ لذلك ، يحتوي السائل على كمية أقل من الماء مما تحتويه الخلية. نظرًا لأن الخلية تحتوي على تركيز أعلى نسبيًا من الماء ، فإن الماء سيترك الخلية.

حلول متساوية التوتر

في مساوي التوتر المحلول ، فإن السائل خارج الخلية له نفس الأسمولية مثل الخلية. إذا كانت الأسمولية للخلية تتطابق مع السائل خارج الخلية ، فلن تكون هناك حركة صافية للمياه داخل الخلية أو خارجها ، على الرغم من استمرار تحرك الماء داخل وخارج الخلية. تأخذ خلايا الدم وخلايا النبات في المحاليل مفرطة التوتر ، متساوي التوتر ، وخفض التوتر مظاهر مميزة.

اتصال

الشكل 9. يغير الضغط التناضحي شكل خلايا الدم الحمراء في المحاليل مفرطة التوتر ، متساوي التوتر ، ونقص التوتر. (الائتمان: ماريانا رويز فيلاريال)

يقوم الطبيب بحقن المريض بما يعتقده الطبيب محلول ملحي متساوي التوتر. يموت المريض ويكشف تشريح الجثة أن العديد من خلايا الدم الحمراء قد دمرت. هل تعتقد أن المحلول الذي حقنه الطبيب كان متساوي التوتر حقًا؟

رابط للتعلم

للحصول على مقطع فيديو يوضح عملية الانتشار في الحلول ، قم بزيارة هذا الموقع.

توتر في النظم الحية

في بيئة منخفضة التوتر ، يدخل الماء إلى الخلية وتتضخم الخلية. في حالة متساوية التوتر ، تكون التركيزات النسبية للمذاب والمذيب متساوية على جانبي الغشاء. لا توجد حركة مائية صافية ؛ لذلك ، لا يوجد أي تغيير في حجم الخلية. في محلول مفرط التوتر ، يترك الماء خلية وتتقلص الخلية. إذا تجاوزت حالة النقص أو الحالة المفرطة ، تصبح وظائف الخلية معرضة للخطر ، وقد يتم تدمير الخلية.

تنفجر خلية الدم الحمراء ، أو تتلاشى ، عندما تتضخم بشكل يتجاوز قدرة غشاء البلازما على التوسع. تذكر أن الغشاء يشبه الفسيفساء ، مع وجود مسافات منفصلة بين الجزيئات المكونة له. إذا انتفخت الخلية ، وأصبحت المسافات بين الدهون والبروتينات كبيرة جدًا ، وستتفكك الخلية.

في المقابل ، عندما تترك كميات كبيرة من الماء خلايا الدم الحمراء ، تتقلص الخلية ، أو تتقلص. هذا له تأثير تركيز المواد المذابة المتبقية في الخلية ، مما يجعل العصارة الخلوية أكثر كثافة وتتداخل مع الانتشار داخل الخلية. سيتم اختراق قدرة الخلية على العمل وقد يؤدي أيضًا إلى موت الخلية.

تمتلك الكائنات الحية المختلفة طرقًا للتحكم في تأثيرات التناضح — وهي آلية تسمى تنظيم التناضح. تحتوي بعض الكائنات الحية ، مثل النباتات والفطريات والبكتيريا وبعض الطلائعيات ، على جدران خلوية تحيط بغشاء البلازما وتمنع تحلل الخلايا في محلول ناقص التوتر. يمكن أن يتوسع غشاء البلازما فقط إلى الحد الأقصى لجدار الخلية ، لذلك لن تتلاشى الخلية. في الواقع ، يكون السيتوبلازم في النباتات دائمًا مفرط التوتر قليلاً في البيئة الخلوية ، وسوف يدخل الماء دائمًا إلى الخلية إذا كان الماء متاحًا. ينتج عن تدفق المياه هذا ضغط التورم ، مما يؤدي إلى تصلب جدران الخلايا في النبات. في النباتات غير الخشبية ، يدعم ضغط التورجر النبات. على العكس من ذلك ، إذا لم يتم تسقي النبات ، فإن السائل خارج الخلية يصبح مفرط التوتر ، مما يتسبب في مغادرة الماء للخلية. في هذه الحالة ، لا تتقلص الخلية لأن جدار الخلية غير مرن. ومع ذلك ، ينفصل غشاء الخلية عن الجدار ويقيد السيتوبلازم. هذا يسمي تحلل البلازما. تفقد النباتات ضغط التورم في هذه الحالة وتذبل.

الشكل 10. يعتمد ضغط التورغ داخل الخلية النباتية على توتر المحلول الذي تستحم فيه. (الائتمان: تعديل العمل بواسطة ماريانا رويز فيلاريال)

الشكل 11. بدون ماء كافٍ ، فقد النبات الموجود على اليسار ضغط التمزق الظاهر في الذبول ؛ يتم استعادة ضغط التورور عن طريق الري (يمين). (الائتمان: فيكتور إم فيسنتي سيلفاس)

التوتر هو مصدر قلق لجميع الكائنات الحية. على سبيل المثال ، الباراميسيا والأميبا ، وهما من الطلائعيات التي تفتقر إلى جدران خلوية ، لها فجوات مقلصة. تجمع هذه الحويصلة المياه الزائدة من الخلية وتضخها للخارج ، مما يمنع الخلية من الانفجار لأنها تمتص الماء من بيئتها.

الشكل 12. فجوة مقلصة للباراميسيوم ، والتي يتم تصورها هنا باستخدام الفحص المجهري للمجال الضوئي الساطع بتكبير 480x ، تضخ الماء باستمرار خارج جسم الكائن الحي لمنعه من الانفجار في وسط ناقص التوتر. (الائتمان: تعديل العمل من قبل المعاهد الوطنية للصحة ؛ بيانات شريط المقياس من مات راسل)

تمتلك العديد من اللافقاريات البحرية مستويات ملح داخلية مطابقة لبيئاتها ، مما يجعلها متساوية التوتر مع الماء الذي تعيش فيه. ومع ذلك ، يجب أن تنفق الأسماك ما يقرب من خمسة بالمائة من طاقتها الأيضية في الحفاظ على التوازن التناضحي. تعيش أسماك المياه العذبة في بيئة منخفضة التوتر في خلاياها. تمتص هذه الأسماك الملح من خلال الخياشيم وتفرز البول المخفف للتخلص من الماء الزائد. تعيش أسماك المياه المالحة في بيئة عكسية ، تكون مفرطة التوتر لخلاياها ، وتفرز الملح من خلال خياشيمها وتفرز بولًا عالي التركيز.

في الفقاريات ، تنظم الكلى كمية الماء في الجسم. مستقبلات Osmoreceptors هي خلايا متخصصة في الدماغ تراقب تركيز المواد المذابة في الدم. إذا زادت مستويات المواد المذابة عن نطاق معين ، يتم إطلاق هرمون يؤخر فقدان الماء عبر الكلى ويخفف الدم إلى مستويات أكثر أمانًا. تحتوي الحيوانات أيضًا على تركيزات عالية من الألبومين ، الذي ينتجه الكبد ، في دمائها. هذا البروتين كبير جدًا بحيث لا يمكن تمريره بسهولة عبر أغشية البلازما وهو عامل رئيسي في التحكم في الضغوط التناضحية المطبقة على الأنسجة.


حاويات نانوية هجينة ذات محاكاة حيوية مع نفاذية انتقائية

تلعب الكيمياء دورًا مهمًا في إنشاء نظائرها التركيبية للبنى الجزيئية الحيوية. تعتبر الحويصلات الحيوية المستوحاة من حجرات وعضيات الغشاء الطبيعي ذات أهمية علمية وتكنولوجية خاصة ولكنها تتجنب عيوبها ، مثل عدم استقرار الغشاء والتحكم المحدود في نقل البضائع عبر الحدود. في هذه الدراسة ، تم تطوير حويصلات اصطناعية بالكامل من جدران بوليمرية مستقرة وغشاء سهل التركيب من مسام الحمض النووي النانوية. تتميز الحاويات النانوية الهجينة بنفاذية انتقائية وتسمح بنقل الجزيئات العضوية بحجم 1.5 نانومتر. يمكن تغليف الإنزيمات الأكبر حجمًا (حوالي 5 نانومتر) والاحتفاظ بها داخل الحويصلات مع ذلك تظل نشطة تحفيزيًا. تشكل الهياكل الهجينة نوعًا جديدًا من المفاعلات النانوية الأنزيمية. سيكون الانضباط العالي للحويصلات البوليمرية ومسام الحمض النووي مفتاحًا في تصميم الحاويات النانوية للتطبيقات في توصيل الأدوية ، والتصوير الحيوي ، والتحفيز الحيوي ، وتقليد الخلايا.

الكلمات الدالة: أغشية إنزيمات الدنا nanopores تقنية النانو polymersomes.

© 2016 المؤلفون. تم النشر بواسطة Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA.

الأرقام

حاويات نانوية وظيفية هجينة تتكون من ...

يتم تجميع الحاويات النانوية الهجينة الوظيفية المكونة من البوليمرات (الوسط) من البوليمرات المشتركة للكتل البرمائية ...

توصيف polymersomes ، DNA nanopores ، ...

توصيف البوليمرات ، المسام النانوية للحمض النووي ، والحاويات النانوية الهجينة ذات المسام الغشائية. أ) التحليل ...

Polymersomes مع غشاء ‐ مسامات نانوية للحمض النووي ...

البوليمرات ذات المسام النانوية المغطاة بالغشاء تحتفظ بالإنزيمات ولكنها قابلة للنفاذ إلى الإنزيم الأصغر ...


نقل المواد عبر الغشاء

يمكن لبعض المواد عبور غشاء البلازما بحرية ، دون إنفاق الطاقة. هذه العملية تسمى النقل السلبي . يحدث ذلك لأن تدفق المذاب يتبع تدرج تركيزه ، من الأكثر تركيزًا إلى الأقل تركيزًا. أي لصالح تدرج التركيز.

أمثلة على النقل السلبي هي:

  • الانتشار البسيط: هو مرور الجسيمات من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى المناطق التي يكون تركيزها فيها أقل.
  • تسهيل الانتشار: هو مرور ، عبر الغشاء ، للمواد التي لا تذوب في الدهون ، بمساعدة البروتينات (بيرميز) التي تتخلل الطبقة الدهنية ثنائية الغشاء.
  • التناضح: هو مرور الماء من وسط أقل تركيزًا (منخفض التوتر) إلى وسط آخر أكثر تركيزًا (مفرط التوتر).

في حالات أخرى ، يكون الغشاء قادرًا على امتصاص أو طرد المواد بشكل فعال داخل الخلية أو خارجها ، مع إنفاق الطاقة. هذه العملية تسمى النقل النشط .


النفاذية الاختيارية

تذكر أن أغشية البلازما لها مناطق محبة للماء وكارهة للماء. تساعد هذه الخاصية على حركة بعض المواد عبر الغشاء وتعيق حركة المواد الأخرى. يمكن للمواد القابلة للذوبان في الدهون (الجزيئات الكارهة للماء) أن تنزلق بسهولة من خلال لب الدهون الكارهة للماء في الغشاء. مواد مثل الفيتامينات القابلة للذوبان في الدهون A و D و E و K تمر بسهولة عبر أغشية البلازما في الجهاز الهضمي والأنسجة الأخرى. تكتسب الأدوية القابلة للذوبان في الدهون أيضًا دخولًا سهلاً إلى الخلايا ويتم نقلها بسهولة إلى أنسجة وأعضاء الجسم. الجزيئات الصغيرة غير القطبية مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ليس لها شحنة ويمكن أن تمر مباشرة عبر الغشاء.

المواد القطبية ، باستثناء الماء ، تسبب مشاكل للغشاء. في حين أن بعض الجزيئات القطبية تتصل بسهولة بالجزء الخارجي للخلية ، فإنها لا تستطيع المرور بسهولة عبر النواة الكارهة للماء لغشاء البلازما. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن الأيونات الصغيرة (الجسيمات المشحونة) يمكن أن تنزلق بسهولة عبر الفراغات الموجودة في فسيفساء الغشاء ، فإن شحنتها تمنعها من القيام بذلك. يجب أن يكون للأيونات مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والكلوريد وسيلة خاصة لاختراق أغشية البلازما. السكريات البسيطة والأحماض الأمينية (كبيرة نسبيًا وقطبية) تحتاج أيضًا إلى المساعدة في النقل عبر أغشية البلازما.


نماذج النقل الغشائي

باستخدام كل ما نعرفه عن الجزيئات وبنية أغشية الخلايا ، يواجه الطلاب تحديًا لتوضيح نقل أربعة جزيئات مختلفة جدًا عبر الغشاء باستخدام play-doh والمعكرونة والطعام والحلويات. تعتبر مضخات البروتين وقنوات البروتين وطبقة الفوسفوليبيد ثنائية المحور في القصة.

وصف الدرس

توجيه الأسئلة

يتحكم غشاء البلازما بما يدخل الخلية ويخرج منها ، كيف؟

ما هي مساهمة كل درس من الدروس حتى الآن في إيجاد الإجابة؟

  • هيكل الغشاء
  • مزيد من هيكل الغشاء
  • تجربة نفاذية الغشاء

النشاط 1 - العصف الذهني - ماذا تعرف حتى الآن؟

قم بعصف ذهني في زوج أو مجموعة صغيرة بكل تفاصيل غشاء الخلية المغطى حتى الآن.

ما هي أجزاء غشاء الخلية وأين توجد وما هي وظائفها؟ قد تساعد هذه الصورة.

سؤال

من الصورة أعلاه ، حدد أربعة أنواع من الجزيئات التي يجب نقلها عبر الغشاء.

ما هي المشاكل المحددة التي قد يواجهها غشاء الخلية في تحريك / التحكم في كل نوع من الجزيئات؟

انقر فوق أيقونة العين للحصول على إجابات

من الصورة أعلاه ، حدد أربعة أنواع من الجزيئات التي يجب نقلها عبر الغشاء.

  1. جزيئات صغيرة غير قطبية (مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون)
  2. أيونات صغيرة (مثل الصوديوم (Na +) الكالسيوم (Ca 2 +) ، البوتاسيوم (K +)
  3. جزيئات أكبر (مثل الجلوكوز والنترات)
  4. جزيئات كبيرة جدًا (مثل البروتينات)

مشاكل خاصة:

يمكن للجزيئات الصغيرة جدًا أن تتحرك عبر طبقة ثنائية الفسفوليبيد بسهولة - من الصعب إيقافها.

الجزيئات القطبية مثل الأيونات الصغيرة يمكنها تجاوز ذيول الأحماض الدهنية غير القطبية لطبقة الفوسفوليبيد الثنائية.

يمكن للجزيئات الأكبر & # 39t عبور الطبقة الثنائية أيضًا وتحتاج أحيانًا إلى الانتقال من تركيز منخفض إلى تركيز أعلى (مقابل تدرج التركيز)

يمكن لجزيئات البروتين الكبيرة جدًا عبور الغشاء على الإطلاق ، حتى باستخدام بروتينات متكاملة. هناك حاجة إلى آلية أخرى لهذه الجزيئات. (الالتقام / خروج الخلايا)

النشاط 2 - بناء نموذج وشرح الأنواع الثلاثة للنقل الغشائي

فيما يلي مثال بسيط لصورة متحركة تُظهر انتشارًا بسيطًا عبر غشاء. أنا متأكد من أنه يمكنك القيام بما هو أفضل.

قم بتنفيذ النشاط لبناء نموذج غشاء باستخدام ورقة عمل نماذج النقل الغشائي ، كما هو موضح أدناه.

ثم استخدم النموذج الخاص بك لإنشاء رسوم متحركة لإطار التوقف لطرق النقل الثلاث ، والانتشار البسيط ، والانتشار الميسر ، والنقل النشط.

النشاط 3 - معرض صور الغشاء - اشرح ما تمثله

باستخدام هذا المعرض ، أوقف عرض الشرائح مؤقتًا واشرح ما يتم عرضه. هناك أدلة إذا قمت بالمرور فوق الصورة.

للحصول على سجل دائم ، انسخ بعض الصور وأضف ملصقات لشرح الأنواع الثلاثة للنقل عبر الغشاء

  • النقل السلبي - الانتشار البسيط
  • النقل السلبي - الانتشار الميسر
  • النقل النشط - مضخات البروتين و ATP

النقل عبر الأغشية - النمذجة: الجزيئات الصغيرة غير القطبية ، مثل الأكسجين ، يمكن أن تنتشر عبر غشاء البلازما

النقل عبر الأغشية - النمذجة: طبقة ثنائية الفوسفوليب - مصنوعة من البلاي دوه والسباغيتي

النقل عبر الأغشية - النمذجة: طبقة ثنائية الفوسفوليبيد مع بروتينات غشاء متكامل ومحيطي بالإضافة إلى الكوليسترول

النقل عبر الأغشية - النمذجة: نموذج لغشاء به كولسترول ، طبقة ثنائية فوسفوليبيد ، بروتينات متكاملة ، بروتينات محيطية ، وبروتين سكري.

النقل عبر الأغشية - النمذجة: ثلاث طرق لنقل الجزيئات عبر الغشاء ، الانتشار البسيط ، النقل النشط والانتشار الميسر.

النقل عبر الأغشية - النمذجة: يمكن أن يكون النقل السلبي عبر الغشاء انتشارًا بسيطًا للانتشار الميسر

النقل عبر الأغشية - النمذجة: بعض الجزيئات تكون كبيرة لتمريرها عبر غشاء البلازما باستثناء استخدام الالتقام الخلوي أو الإفراز الخلوي.

النقل عبر الأغشية - النمذجة: بعض الجزيئات تكون كبيرة لتمريرها عبر غشاء البلازما باستثناء استخدام الالتقام الخلوي أو الإفراز الخلوي.

النقل عبر الأغشية - النمذجة:

النقل عبر الأغشية - النمذجة:

النقل عبر الأغشية - النمذجة:

ملاحظات المعلم

صنع هذا النموذج هو فرصة لتقييم فهم الطلاب في الفصل. فقط من خلال مشاهدة الطلاب والنظر إلى نماذجهم ، يسهل العثور على الطلاب الذين يكافحون. ستكون هناك فرصة لشرح أي مفاهيم خاطئة واستخدام النماذج لتوضيح هذه التفسيرات أثناء الدرس ، خاصة أثناء النشاط 2.

النشاط 1 - يمكن أن تكون هذه جلسة عامة قصيرة ، أو جلسة أسئلة وأجوبة ، أو نشاط & quotthink Share & quot. بدلاً من ذلك ، يمكن أن يكون العمل الفردي أو المراجعة أو الواجب المنزلي

النشاط 2 - يمكن أن يتم التمايز حسب النتيجة. قد يستغرق النشاط الثاني وقتًا طويلاً إذا حصل الطلاب على & # 39 & # 39؛ حمل بعيدًا & # 39. أنا شخصياً أود أن أسمح لبعض الطلاب بالقيام بذلك ، وأشجع الآخرين على قضاء وقتهم في فهم النموذج.

النشاط 3 - يجمع الفصل معًا في جلسة عامة.
يعطي فرصة لاستخدام نماذج الطلاب لتلخيص طرق النقل الثلاثة ،

قد تكون نقطة جيدة لطرح أسئلة حول كيفية عمل مضخات البروتين ، قد يقترح شخص ما ، & مثل تغيير شكلها & quot.

يمكن استخدام مضخات الصوديوم والبوتاسيوم كمثال على النقل النشط وتغيير الشكل.
هناك رسوم متحركة لطيفة لوظيفة مضخة الصوديوم والبوتاسيوم - هنا. أنا شخصياً لن أقلق كثيراً بشأن التفاصيل في هذه المرحلة ، وعلينا إعادة النظر فيها في وظيفة الخلايا العصبية لاحقًا.

توضيح آخر لطيف

اجمع كل الدهون الفسفورية معًا لتكوين خلية واحدة كاملة. ضع كومة صغيرة من الحلوى الأكبر التي تمثل البروتينات في النموذج بجوار الخلية واسأل الطلاب

& quot كيف يمكن للخلية استخدام سيولة الغشاء للحصول على جزيئات البروتين الكبيرة هذه في السيتوبلازم؟ & quot إذا نجحت يمكنك مشاركة الحلويات!

قد يتذكرون كيف تبتلع خلايا الدم البيضاء البكتيريا ، أو نظريات أصول حقيقيات النوى ، عن طريق الالتقام الخلوي للكائنات الأخرى التي تؤدي إلى الميتوكوندريا. هذا يمكن أن يؤدي إلى توضيح جيد للالتقام الخلوي ، ووليمة على اليسار على الحلويات كمكافأة؟

إذا كنت تريد أن تكون لئيمًا ، فاجعل الطلاب يحصلون على الخلية لإطلاق الحلويات عن طريق إفراز الخلايا قبل مشاركتها. ولا يأكل في المختبر بالطبع.


شاهد الفيديو: علم الأحياء: النقل خلية (كانون الثاني 2022).