معلومة

هل تفتح البروتينات الحاملة وتغلق باستمرار أم أنها تعمل فقط عندما ترتبط بها مادة ما؟


  1. ما الذي يسبب تغير شكل البروتينات الحاملة؟

  2. هل يحتاجون إلى طاقة لتغيير الشكل؟ إذا كان هذا صحيحًا ، فكيف يشاركون في الانتشار الميسر؟

  3. من خلال تغيير الشكل ، هل نعني دائمًا أن يفتح من جانب ويغلق من جانب آخر؟ (كلهم يعملون عن طريق تغيير الشكل بشكل صحيح؟)

  4. بمجرد نقل الجزيء من الداخل إلى الخارج ، هل يعودون إلى شكلهم الأصلي على الفور أم أنهم بحاجة إلى نقل مادة من الداخل إلى الخارج للعودة إلى شكلها الأصلي؟

  5. وأخيرًا ، هل كل بروتينات النقل المشترك بروتينات حاملة؟


هل تفتح البروتينات الحاملة وتغلق باستمرار أم أنها تعمل فقط عندما ترتبط بها مادة ما؟ - مادة الاحياء

لتحريك المواد ضد التدرج الكهروكيميائي للغشاء ، تستخدم الخلية النقل النشط الذي يتطلب طاقة من ATP.

أهداف التعلم

حدد التدرج الكهروكيميائي ووصف كيف تحرك الخلية المواد عكس هذا التدرج

الماخذ الرئيسية

النقاط الرئيسية

  • تميل التدرجات الكهربائية وتدرجات التركيز للغشاء إلى دفع الصوديوم إلى داخل الخلية والبوتاسيوم خارجها ، ويعمل النقل النشط ضد هذه التدرجات.
  • لتحريك المواد ضد التركيز أو التدرج الكهروكيميائي ، يجب أن تستخدم الخلية الطاقة في شكل ATP أثناء النقل النشط.
  • النقل النشط الأساسي ، الذي يعتمد بشكل مباشر على ATP ، يحرك الأيونات عبر الغشاء ويحدث فرقًا في الشحنة عبر هذا الغشاء.
  • النقل النشط الثانوي ، الذي تم إنشاؤه بواسطة النقل النشط الأولي ، هو نقل المذاب في اتجاه التدرج الكهروكيميائي ولا يتطلب ATP بشكل مباشر.
  • تقوم البروتينات الحاملة مثل الأحاديات ، المتناظرات ، ومضادات الحمل بإجراء النقل النشط الأساسي وتسهيل حركة المواد المذابة عبر غشاء الخلية & # 8217s.

الشروط الاساسية

  • أدينوسين ثلاثي الفوسفات: ثلاثي فوسفات نيوكليوزيد متعدد الوظائف يستخدم في الخلايا كنزيم مساعد ، وغالبًا ما يطلق عليه & # 8220molecular unit of Energy Currency & # 8221 في نقل الطاقة داخل الخلايا
  • النقل النشط: حركة مادة عبر غشاء الخلية مقابل تدرج تركيزها (من تركيز منخفض إلى تركيز عالٍ) يسهله تحويل ATP
  • التدرج الكهروكيميائي: الفرق في الشحنة والتركيز الكيميائي عبر الغشاء.

التدرجات الكهروكيميائية

تدرجات التركيز البسيطة هي تركيزات تفاضلية لمادة عبر مساحة أو غشاء ، ولكن في الأنظمة الحية ، تكون التدرجات أكثر تعقيدًا. نظرًا لأن الأيونات تتحرك داخل وخارج الخلايا ولأن الخلايا تحتوي على بروتينات لا تتحرك عبر الغشاء وغالبًا ما تكون سالبة الشحنة ، فهناك أيضًا تدرج كهربائي ، وهو اختلاف في الشحنة ، عبر غشاء البلازما. يكون الجزء الداخلي من الخلايا الحية سالبًا كهربائيًا فيما يتعلق بالسائل خارج الخلية الذي يتم الاستحمام فيه. في الوقت نفسه ، تحتوي الخلايا على تركيزات أعلى من البوتاسيوم (K +) وتركيزات أقل من الصوديوم (Na +) مقارنة بالسائل خارج الخلية. في الخلية الحية ، يميل تدرج التركيز لـ Na إلى دفعها إلى الخلية ، ويميل التدرج الكهربائي لـ Na + (أيون موجب) أيضًا إلى دفعه إلى الداخل إلى الداخل سالب الشحنة. ومع ذلك ، فإن الوضع أكثر تعقيدًا بالنسبة لعناصر أخرى مثل البوتاسيوم. يميل التدرج الكهربائي لـ K + ، أيون موجب ، أيضًا إلى دفعه إلى داخل الخلية ، لكن تدرج تركيز K + يميل إلى إخراج K + خارج الخلية. يسمى التدرج المركب للتركيز والشحنة الكهربائية التي تؤثر على أيون بالتدرج الكهروكيميائي.

التدرج الكهروكيميائي: تنشأ التدرجات الكهروكيميائية من التأثيرات المجمعة لتدرجات التركيز والتدرجات الكهربائية.

التحرك ضد الانحدار

لتحريك المواد ضد التركيز أو التدرج الكهروكيميائي ، يجب أن تستخدم الخلية الطاقة. يتم حصاد هذه الطاقة من ثلاثي فوسفات الأدينوزين (ATP) المتولد من خلال عملية التمثيل الغذائي للخلية. آليات النقل النشطة ، التي تسمى مجتمعة المضخات ، تعمل 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 إمدادات الخلية من الطاقة الأيضية في الحفاظ على هذه العمليات. على سبيل المثال ، يتم استخدام معظم طاقة التمثيل الغذائي لخلايا الدم الحمراء & # 8217s للحفاظ على عدم التوازن بين مستويات الصوديوم والبوتاسيوم الخارجية والداخلية التي تتطلبها الخلية. نظرًا لأن آليات النقل النشطة تعتمد على التمثيل الغذائي للخلية من أجل الطاقة ، فهي حساسة للعديد من السموم الأيضية التي تتداخل مع إمداد ATP.

توجد آليتان لنقل المواد ذات الوزن الجزيئي الصغير والجزيئات الصغيرة. يحرك النقل النشط الأساسي الأيونات عبر الغشاء ويخلق فرقًا في الشحنة عبر هذا الغشاء ، والذي يعتمد بشكل مباشر على ATP. يصف النقل النشط الثانوي 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 الناقلات: الأحاديات ، المتناظرات ، والمضادات. يحمل أحادي القارب أيونًا أو جزيءًا محددًا. يحمل المتماثل أيونين أو جزيئين مختلفين ، كلاهما في نفس الاتجاه. يحمل مضاد الحمل أيضًا أيونيين أو جزيئين مختلفين ، 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 + -K + ATPase ، التي تحمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم ، و H + -K + ATPase ، التي تحمل أيونات الهيدروجين والبوتاسيوم. كلاهما عبارة عن بروتينات حاملة لمضادات الحمل. مضختان أخريان للبروتين الحاملان هما Ca 2+ ATPase و H + ATPase ، اللتان تحملان الكالسيوم وأيونات الهيدروجين فقط ، على التوالي.

Uniporters ، Symporters ، و Antiporters: أحادي القارب يحمل جزيءًا واحدًا أو أيونًا. يحمل المتناظر جزيئين أو أيونات مختلفة ، كلاهما في نفس الاتجاه. يحمل مضاد الحمى أيضًا جزيئين أو أيونات مختلفة ، ولكن في اتجاهات مختلفة.


أنواع الانتشار الرئيسية

الانتشار السلبي

يحدث هذا النوع من الانتشار عندما تتحرك الجزيئات عبر غشاء نصف نافذ ، بدون قنوات البروتين التي تساعد على حدوث الحركة. تتكون أغشية الخلايا من طبقة ثنائية مصنوعة من الفوسفوليبيد ، والتي تحتوي على طبقة وسطى غير قطبية أو خائفة من الماء. الطبقة الوسطى محمية على كلا الجانبين بأسطح محبة للماء أو محبة للماء.

تمر الجزيئات الكارهة للماء دائمًا بسهولة عبر غشاء الخلية ، وهذا يشمل غازات معينة مثل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين والنيتروجين. الجزيئات القطبية الكبيرة المشحونة كهربائيًا غير قادرة على المرور بحرية عبر غشاء الخلية.

عندما يحدث الانتشار عبر غشاء الخلية ، يعتبر هذا نوعًا من النقل السلبي ، ولا يتطلب أي طاقة. ضع في اعتبارك أن غشاء الخلية عبارة عن طبقة ثنائية فسفوليبيد وأن كلا من داخل وخارج الخلية يعتمد على الماء.

توجد أيضًا منطقة كارهة للماء في الوسط ، وهي حاجز حيوي لأي شيء مشحون وكبير ، أو محب للماء. يسمح الانتشار البسيط للجزيئات الكارهة للماء بالمرور عبر غشاء الخلية ، تمامًا مثل المنطقة الكارهة للماء.

وبسبب هذا ، يوفر الانتشار البسيط مرورًا غير مُساعد للجزيئات غير القطبية الكارهة للماء والتي تكون صغيرة جدًا ، ويبدأ الممر بتركيز أعلى ويذهب إلى تركيز أقل. حتى لو كانت الخلايا محبة للماء ، فلا يزال بإمكان الجزيئات الصغيرة أن تنزلق عبر غشاء الخلية ، وذلك ببساطة بسبب صغر حجمها.

نشر الميسر

يسمح الانتشار الميسر بتدفق الجزيئات إلى أسفل تدرج التركيز وعبر غشاء الخلية ، لكن العملية تتطلب مساعدة من البروتين. توجد فئتان من البروتينات تساعدان في هذا النوع من الانتشار.

الأول هو البروتينات الحاملة ، والتي يمكن اعتبارها مثل سيارة أجرة في غشاء الخلية لأنها تنقل الجزيئات من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر.

والثاني هو بروتينات القناة ، والتي تشبه الأنفاق وتخلق ثقبًا عبر غشاء الخلية. في هذه الحالات ، يتم فتح القنوات التي تسمح للجزيئات بالتدفق من خلالها. على الرغم من أن الانتشار الميسر يتضمن البروتينات ، فإن البروتينات المعنية لا تتطلب استخدام جزيء الطاقة المعروف باسم ATP.

يمكن لجزيئات مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون أن تنتشر عبر غشاء البلازما مباشرة ، بينما تحتاج الجزيئات الأخرى إلى المساعدة لعبور النواة الكارهة للماء.

في الانتشار الميسر ، تنتشر الجزيئات عبر غشاء البلازما بمساعدة بروتينات الغشاء ، بما في ذلك البروتينات مثل الناقلات والقنوات. نظرًا لوجود تدرج تركيز لهذه الجزيئات ، فإن لديها القدرة على الانتشار إما خارج الخلية نفسها أو داخلها عن طريق التحرك لأسفل خلالها.

ومع ذلك ، نظرًا لأنها قطبية أو مشحونة ، فإنها غير قادرة على عبور الجزء الفسفوليبيد من الغشاء دون القليل من المساعدة. بعبارة أخرى ، تحمي البروتينات التي تشكل جزءًا من النقل الميسر الجزيئات فعليًا من النواة الكارهة للماء لهذا الغشاء ، مما يوفر طريقًا يمكنها عبوره.

باختصار ، التصنيفان الرئيسيان للبروتينات لتسهيل النقل هما البروتينات والقنوات الحاملة.

انتشار القناة

يسرد بعض الخبراء ثلاثة أنواع من الانتشار بدلاً من نوعين: البسيط والقناة والميسر. في هذه الأوصاف ، يُعتبر انتشار القناة عملية سلبية تتضمن تحرك الأيونات والجسيمات المشحونة عبر قناة بروتين معينة أو مسام في جدار الخلية.

في هذه الحالة ، لا توجد حدود لعدد الجسيمات التي تنتقل عبر كل من هذه القنوات. يتم تضمين البروتينات بالفعل في غشاء الخلية ، ويمكنها الفتح والإغلاق ، مما يسمح للمركبات أو الجزيئات بالدخول إلى الخلية أو الخروج منها. يتم تنظيم هذا النوع من الانتشار بسهولة شديدة بواسطة بروتينات الغشاء.


الاختلافات بين البروتينات الحاملة والقناة

آلية

تنقل البروتينات الحاملة المواد المذابة عبر الغشاء البيولوجي عن طريق الارتباط بالمذاب والتناوب بين شكلين. تشبه آليتها تفاعلات الركيزة الإنزيمية التي تتبع معادلة Michaelis-Menten (ومع ذلك ، فإنها لا تغير الركيزة ، أي المذاب).

تتفاعل بروتينات القناة بشكل أقل مع المادة المذابة التي تنقلها.

طبيعة المذاب

تنقل البروتينات الحاملة كلا من المواد المذابة القطبية وغير القطبية عبر الغشاء البيولوجي.

▶ تنقل بروتينات القناة المواد المذابة الصغيرة والقطبية عبر الغشاء البيولوجي.

النوعية

هل تود الكتابة لنا؟ حسنًا ، نحن نبحث عن كتاب جيدين يريدون نشر الكلمة. تواصل معنا وسنتحدث.

تعود خصوصية البروتينات الحاملة إلى مواقع الارتباط المحددة التي ترتبط بها الجزيئات الذائبة.

تعود خصوصية بروتينات القناة إلى مرشح انتقائية أيون.

مرشح انتقائية أيون: في أبسط الكلمات ، يمكن تعريفه بأنه أضيق جزء من المسام والذي سيسمح فقط بمرور جزيئات محددة ذات حجم وشحنة معينة بالمرور.

معدل نقل المذاب

يبلغ معدل نقل المادة المذابة بواسطة البروتينات الحاملة حوالي 10 4 أيونات في الثانية.

▶ نظرًا لأن البروتينات لا تنقلب من شكل إلى آخر ، فإن معدل نقل البروتينات المذابة عن طريق القناة أعلى بكثير ، أي 10 8 أيونات في الثانية.

طبيعة النقل

عادة ما تقوم البروتينات الحاملة بنقل الجزيئات مقابل تدرج التركيز للقيام بذلك ، فهي تتطلب طاقة. يمكن توفير هذه الطاقة لها إما عن طريق التحلل المائي لـ ATP (المعروف باسم النقل النشط) أو يمكن أن يقترن بنقل جزيء مذاب آخر (يُعرف بالانتشار الميسر).

أمثلة على النقل النشط بوساطة البروتين الناقل

1. Na + / K + ATPase: يلعب دورًا مهمًا في امتصاص الخلية للجلوكوز. يتم ضخ ثلاثة أيونات Na + خارج الخلية ، ويتم ضخ أيوني K + داخل الخلية. يحدث هذا مقابل تدرج التركيز ، ويتم استهلاك 1 ATP لهذه العملية. تساعد أيونات الصوديوم في إدخال الجلوكوز داخل الخلية (كما هو موضح أدناه).

2. SR Ca 2+ ATPase: إنه موجود في شبكة Sarcoplasmic Reticulum (يُشار إليها اختصارًا باسم شبكة Endoplasmic Reticulum المتخصصة SR الموجودة في خلايا العضلات). يتم نقل اثنين من أيونات Ca 2+ من العصارة الخلوية إلى SR. تستهلك هذه الخطوة 1 ATP وهي ضرورية لتقلص العضلات.

أمثلة على الانتشار الميسر بوساطة البروتين الناقل

1. Symport: النقل المشترك للجزيئات أو الأيونات في نفس اتجاه الغشاء البيولوجي.

على سبيل المثال مضخة الجلوكوز التي تعمل بالـ Na +: يوجد في الخلايا الظهارية المعوية. تمتص الخلايا المعوية الجلوكوز بهذه المضخة. هنا ، يتحرك الجلوكوز عكس تدرج تركيزه. يتم توفير الطاقة اللازمة لأداء ذلك من خلال حركة أيونات الصوديوم في الخلايا ، وتكون هذه الحركة أسفل تدرج تركيزها ويفضل.

2. Antiport: النقل المشترك للجزيئات أو الأيونات في الاتجاه المعاكس للغشاء البيولوجي.

على سبيل المثال مبادل Na + / Ca 2+: هنا ، تتحرك أيونات Na + إلى أسفل تدرجات تركيزها ، وهذا يوفر الطاقة لحركة Ca 2+ مقابل تدرج تركيزها. يتم نقل ثلاثة أيونات Na + داخل الخلية ، ويتم ضخ أيون Ca 2+ خارج الخلية.

تقوم بروتينات القناة دائمًا بنقل الجزيئات إلى أسفل تدرج التركيز من خلال عملية الانتشار ، وبالتالي تتوسط النقل السلبي.

أمثلة على النقل السلبي بوساطة البروتين

القنوات الأيونية ليست مفتوحة باستمرار ويقال إنها بوابات ، والتي تفتح فقط استجابة لحافز معين.

1. القنوات ذات الجهد الكهربائي: يتم تنشيط هذه القنوات الأيونية عندما يكون هناك فرق محتمل ناتج عبر الغشاء البيولوجي. مثال على ذلك هو قنوات الكالسيوم المعتمدة على الجهد ، والتي توجد في غشاء الخلية للخلايا العصبية والخلايا الدبقية وخلايا العضلات. يتم تنشيط هذه القنوات عندما يكون هناك فرق محتمل عبر الغشاء وتتسبب في تدفق أيونات Ca 2+ داخل الخلايا. قد يلعبون دورًا في النقل العصبي ، واسترخاء العضلات ، والتعبير الجيني ، وما إلى ذلك ، اعتمادًا على نوع الخلية التي يتواجدون فيها.

2. قنوات Ligand-gated: عادة ما توجد قناة مستقبلات النيكوتين أسيتيل كولين (nAchR) في الوصلات العصبية العضلية. عندما ترتبط قناة nAchR بالناقل العصبي ، أستيل كولين (يجند) ، تفتح القنوات المغلقة وتسمح بتدفق أيونات الصوديوم ، مما يساعد في تقلص العضلات.

المنشورات ذات الصلة

يشير بروتين الغشاء إلى جزيء بروتين مرتبط بغشاء الخلية أو مرتبط به. يشرح BiologyWise الفرق بين بروتينات الغشاء المحيطي والمتكامل.

تقدم المقالة التالية أمامنا اختلافات monocot مقابل dicot من خلال النظر في ميزاتها المختلفة. تابع القراءة لمعرفة المزيد عن تصنيفات ثنائية الفلقة وحيدة الفلقة.

العصارة الخلوية هي في الأساس السائل أو الجزء المائي من السيتوبلازم ، حيث تظل الأجزاء الأخرى من السيتوبلازم مثل العضيات والجسيمات المختلفة معلقة. تابع القراءة للعثور على & hellip


أمثلة على بروتينات النقل

مضخة الصوديوم والبوتاسيوم

أشهر مثال على بروتين النقل النشط الأساسي هو مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. هذه المضخة هي التي تخلق التدرج الأيوني الذي يسمح للخلايا العصبية بالإطلاق.

تبدأ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم بمواقع ارتباط الصوديوم المواجهة لداخل الخلية. هذه المواقع تجذب أيونات الصوديوم وتحتفظ بها.

عندما يرتبط كل موقع من مواقع ارتباط الصوديوم الثلاثة بأيون الصوديوم ، يرتبط البروتين بعد ذلك بجزيء ATP ، ويقسمه إلى مجموعة ADP + مجموعة فوسفات. يستخدم البروتين الطاقة المنبعثة في تلك العملية لتغيير الشكل.

الآن ، تواجه مواقع ارتباط الصوديوم الحل خارج الخلية. يطلقون أيونات الصوديوم الثلاثة خارج الخلية ، بينما ترتبط مواقع ربط البوتاسيوم بالبروتين & # 8217s باثنين من أيونات البوتاسيوم.

عندما يمتلئ كلا موقعي ربط البوتاسيوم ، يعود البروتين إلى شكله الأصلي. الآن يتم إطلاق أيونات البوتاسيوم داخل الخلية ، ويمكن لمواقع ارتباط الصوديوم الفارغة أن تربط المزيد من أيونات الصوديوم.

لكل ATP تستخدمه هذه المضخة ، فإنها تنقل ثلاثة أيونات موجبة الشحنة خارج الخلية ، بينما تنقل اثنين فقط مرة أخرى إليها. هذا يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا ، حيث يتم شحن سالب داخل الخلية بالنسبة إلى المحلول الخارجي. كما أنه يخلق تدرجًا قويًا في التركيز ، مع وجود الكثير من البوتاسيوم داخل الخلية والمزيد من الصوديوم خارجها.

عندما يحين وقت إطلاق خلية عصبية ، تسمح التدرجات الكهربائية والكيميائية القوية للخلية بإحداث تغيير هائل وفوري عن طريق فتح قنواتها الأيونية ذات الجهد الكهربائي.

بروتينات نقل الجلوكوز الصوديوم

يستخدم بروتين نقل الصوديوم-الجلوكوز وسيلة نقل ثانوية نشطة لنقل الجلوكوز إلى الخلايا. وهي نشطة في خلايا الأمعاء وخلايا الكلى ، وكلاهما يحتاج إلى تحريك الجلوكوز في الجسم وأنظمة # 8217s مقابل تدرج تركيزه.

تتطلب هذه العملية طاقة ، لأن الخلايا المعنية بها تركيز جلوكوز أعلى من السائل خارج الخلية. لذلك ، سيكون من المستحيل أن ينتشر الجلوكوز في الخلايا باستخدام طاقته الخاصة.

في هذه الحالة ، تأتي الطاقة من تدرج تركيز الصوديوم. بفضل عمل مضخة الصوديوم والبوتاسيوم ، يوجد صوديوم خارج الخلية أكثر بكثير من داخلها. هناك تدرج تركيز قوي ، إذن ، يفضل حركة الصوديوم داخل الخلية.

يمكن اعتبار تدرج التركيز هذا نوعًا من "الطاقة المخزنة". تأخذ مضخة الصوديوم والبوتاسيوم الطاقة من ATP وتحولها إلى تدرج التركيز هذا ، والذي يمكن استخدامه بعد ذلك لأغراض أخرى ، مثل بروتين نقل الجلوكوز الصوديوم.

القنوات الأيونية المسورة في القوقعة

القنوات الأيونية المسورة عبارة عن بروتينات نقل سلبية تفتح استجابة لمحفزات معينة. قد تكون على دراية بالقنوات الأيونية ذات الجهد الكهربائي ، مثل تلك التي تتسبب في إطلاق الخلايا العصبية لدينا استجابة لمدخلات من خلايا عصبية أخرى.

أقل شهرة هي القنوات الأيونية ذات البوابات في القوقعة - والتي يتم فتحها عن طريق الضغط الميكانيكي بدلاً من تغيرات الجهد. تسمح هذه القنوات الأيونية الرائعة لأعصاب أذننا الداخلية بالتصاعد استجابةً لاهتزازات الصوت. هكذا نسمع

في القوقعة ، خلايا خاصة تسمى "خلايا الشعر" هي المسؤولة عن السمع. تتأرجح "خلايا الشعر الخارجية" استجابةً للموجات الصوتية ، مما يضخم اهتزازاتها.

من ناحية أخرى ، تتمتع خلايا الشعر الداخلية بوظيفة خاصة جدًا. استجابة لهذه الاهتزازات ، تفتح القنوات الأيونية في أغشية الخلايا وتطلق الناقلات العصبية - تمامًا كما تفعل الخلايا العصبية.

تسبب هذه الناقلات العصبية إطلاق الأعصاب المجاورة. وهذه هي الطريقة التي يتحول بها الصوت إلى نبضات عصبية!


النقل النشط

النقل النشط تتطلب الآليات استخدام طاقة الخلية & # 8217s ، عادة في شكل أدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP). إذا كان لابد من انتقال مادة إلى الخلية عكس 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.

التدرج الكهروكيميائي

لقد ناقشنا تدرجات التركيز البسيطة - التراكيز التفاضلية للمادة عبر الفضاء أو الغشاء - ولكن في الأنظمة الحية ، تكون التدرجات أكثر تعقيدًا. نظرًا لأن الأيونات تتحرك داخل وخارج الخلايا ولأن الخلايا تحتوي على بروتينات لا تتحرك عبر الغشاء وغالبًا ما تكون سالبة الشحنة ، فهناك أيضًا تدرج كهربائي ، وهو اختلاف في الشحنة ، عبر غشاء البلازما. الجزء الداخلي من الخلايا الحية سالب كهربائيًا فيما يتعلق بالسائل خارج الخلية الذي يتم الاستحمام فيه ، وفي الوقت نفسه ، تحتوي الخلايا على تركيزات أعلى من البوتاسيوم (K +) وتركيزات أقل من الصوديوم (Na +) مقارنة بالسائل خارج الخلية . لذلك في الخلية الحية ، يميل تدرج تركيز Na + إلى دفعه إلى الخلية ، ويميل التدرج الكهربائي لـ Na + (أيون موجب) أيضًا إلى دفعه إلى الداخل إلى الداخل سالب الشحنة. ومع ذلك ، فإن الوضع أكثر تعقيدًا بالنسبة لعناصر أخرى مثل البوتاسيوم. يميل التدرج الكهربائي لـ K + ، أيون موجب ، أيضًا إلى دفعه إلى الخلية ، لكن تدرج التركيز لـ K + يميل إلى دفع K + خارج من الخلية (الشكل 1). يُطلق على التدرج المركب للتركيز والشحنة الكهربائية التي تؤثر على أيون اسمها التدرج الكهروكيميائي.

سؤال الممارسة

الشكل 1. تنشأ التدرجات الكهروكيميائية من التأثيرات المجمعة لتدرجات التركيز والتدرجات الكهربائية. (الائتمان: & # 8220Synaptitude & # 8221 / ويكيميديا ​​كومنز)

يعتبر حقن محلول البوتاسيوم في دم الشخص مميتًا ، ويستخدم في عقوبة الإعدام والقتل الرحيم. لماذا تعتقد أن حقنة محلول البوتاسيوم مميتة؟

التحرك ضد الانحدار

لتحريك المواد ضد التركيز أو التدرج الكهروكيميائي ، يجب أن تستخدم الخلية الطاقة. يتم حصاد هذه الطاقة من ATP المتولدة من خلال استقلاب الخلية & # 8217s. 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 إمدادات الخلية من الطاقة الأيضية في الحفاظ على هذه العمليات. (تُستخدم معظم طاقة التمثيل الغذائي لخلايا الدم الحمراء & # 8217s للحفاظ على عدم التوازن بين مستويات الصوديوم والبوتاسيوم الخارجية والداخلية التي تتطلبها الخلية.) نظرًا لأن آليات النقل النشطة تعتمد على استقلاب الخلية و # 8217s للحصول على الطاقة ، فهي حساسة للكثيرين السموم الأيضية التي تتداخل مع إمداد الـ 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 (الشكل 2). 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 + - K + ATPase ، التي تحمل أيونات الصوديوم والبوتاسيوم ، و H + - K + ATPase ، التي تحمل أيونات الهيدروجين والبوتاسيوم. كلاهما عبارة عن بروتينات حاملة لمضادات الحمل. هناك نوعان من البروتينات الحاملة الأخرى هما Ca2 + ATPase و H + ATPase ، والتي تحمل الكالسيوم وأيونات الهيدروجين فقط ، على التوالي. كلاهما مضخات.

الشكل 2. أحادي القارب يحمل 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 & # 8220Lupask & # 8221 / ويكيميديا ​​كومنز)

النقل الأساسي النشط

يسمح النقل النشط الأساسي الذي يعمل مع النقل النشط للصوديوم والبوتاسيوم بحدوث النقل النشط الثانوي. لا تزال طريقة النقل الثانية تعتبر نشطة لأنها تعتمد على استخدام الطاقة كما يفعل النقل الأولي (الشكل 3).

الشكل 3. يحرك النقل النشط الأولي الأيونات عبر الغشاء ، مما يخلق تدرجًا كهروكيميائيًا (النقل الكهروضوئي). (الائتمان: تعديل العمل لماريانا رويز فيلاريال)

من أهم المضخات في خلايا الحيوانات هي مضخة الصوديوم والبوتاسيوم (Na + -K + ATPase) ، والتي تحافظ على التدرج الكهروكيميائي (والتركيزات الصحيحة لـ Na + و K +) في الخلايا الحية. تحرك مضخة الصوديوم والبوتاسيوم K + داخل الخلية أثناء تحريك Na + للخارج في نفس الوقت ، بمعدل ثلاثة Na + لكل اثنين من أيونات K + تتحرك فيها. يوجد Na + -K + ATPase في شكلين ، اعتمادًا على اتجاهه نحو الداخل أو الخارج للخلية وانجذابه لأيونات 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. ينخفض ​​تقارب البروتين & # 8217s للصوديوم وتترك أيونات الصوديوم الثلاثة الحامل.
  4. يؤدي تغيير الشكل إلى زيادة تقارب الناقل & # 8217s 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. لذلك ، فإن مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هي مضخة كهربائية (مضخة تخلق عدم توازن في الشحن) ، مما يؤدي إلى اختلال التوازن الكهربائي عبر الغشاء ويساهم في إمكانات الغشاء.

النقل الثانوي النشط (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 (الشكل 4). 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.

سؤال الممارسة

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.

الشكل 4 (الائتمان: تعديل عمل ماريانا رويز فيلاريال)


الانتشار النشط

النقل النشط هو حركة مادة عبر غشاء مقابل تدرج تركيزها. هذا عادة لتراكم تركيزات عالية من الجزيئات التي تحتاجها الخلية ، مثل الجلوكوز أو الأحماض الأمينية. إذا كانت العملية تستخدم الطاقة الكيميائية ، مثل الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، فإنها تسمى النقل النشط الأولي. يتضمن النقل النشط الثانوي استخدام التدرج الكهروكيميائي ، ولا يستخدم الطاقة المنتجة في الخلية. & # 9110 & # 93 على عكس بروتينات القناة التي تنقل المواد فقط عبر الأغشية بشكل سلبي ، يمكن للبروتينات الحاملة نقل الأيونات والجزيئات إما بشكل سلبي من خلال الانتشار الميسر ، أو عن طريق النقل النشط الثانوي. & # 9111 & # 93 البروتين الحامل مطلوب لنقل الجزيئات من مناطق التركيز المنخفض إلى مناطق التركيز العالي. تحتوي هذه البروتينات الحاملة على مستقبلات ترتبط بجزيء معين (ركيزة) يحتاج إلى النقل. يجب أولاً ربط الجزيء أو الأيون المراد نقله (الركيزة) في موقع ربط عند الجزيء الحامل ، مع تقارب ارتباط معين. بعد الربط ، وبينما يواجه موقع الربط بنفس الطريقة ، سوف يلتقط الناقل أو يسد (يأخذ ويحتفظ) الركيزة داخل هيكله الجزيئي ويسبب إزاحة داخلية بحيث يواجه الفتحة في البروتين الآن الجانب الآخر من غشاء البلازما. & # 9112 & # 93 يتم إطلاق ركيزة البروتين الحامل في هذا الموقع ، وفقًا لتقارب الارتباط هناك.


3.1 غشاء الخلية

على الرغم من الاختلافات في التركيب والوظيفة ، فإن جميع الخلايا الحية في الكائنات متعددة الخلايا لها غشاء خلوي محيط. مثلما تفصل الطبقة الخارجية من بشرتك جسمك عن بيئته ، يفصل غشاء الخلية (المعروف أيضًا باسم غشاء البلازما) المحتويات الداخلية للخلية عن بيئتها الخارجية. يوفر غشاء الخلية هذا حاجزًا وقائيًا حول الخلية وينظم المواد التي يمكن أن تمر إلى الداخل أو الخارج.

هيكل وتكوين غشاء الخلية

ال غشاء الخلية هي بنية مرنة للغاية تتكون أساسًا من طبقتين من الدهون الفوسفورية ("طبقة ثنائية"). يتم أيضًا تضمين الكوليسترول والبروتينات المختلفة داخل الغشاء مما يمنح الغشاء مجموعة متنوعة من الوظائف الموضحة أدناه.

يحتوي جزيء الفسفوليبيد المفرد على مجموعة فوسفات في أحد طرفيه ، تسمى "الرأس" ، وسلاسل من الأحماض الدهنية المتجاورة التي تشكل "ذيول" الدهون (الشكل 3.1.1). تواجه ذيول الدهون في إحدى الطبقات ذيول الدهون للطبقة الأخرى ، وتلتقي عند واجهة الطبقتين. تواجه رؤوس الفسفوليبيد للخارج ، طبقة واحدة مكشوفة للخلية الداخلية وطبقة واحدة معرضة للخارج (الشكل 3.1.1).

الشكل 3.1.1 & # 8211 هيكل الفسفوليبيد وطبقة ثنائية: يتكون جزيء الفسفوليبيد من "رأس" فوسفات قطبي ، وهو محب للماء و "ذيل" غير قطبي دهن ، وهو كاره للماء. تؤدي الأحماض الدهنية غير المشبعة إلى حدوث التواءات في ذيول الكارهة للماء. تتكون طبقة الفسفوليبيد الثنائية من صفحتين متجاورتين من الدهون الفوسفورية ، مرتبة من الذيل إلى الذيل. تترابط الذيل الكارهة للماء مع بعضها البعض ، وتشكل الجزء الداخلي من الغشاء. تتلامس الرؤوس القطبية مع السائل داخل وخارج الخلية.

مجموعة الفوسفات مشحونة سالبة ، مما يجعل الرأس قطبية ومحبة للماء - أو "محبة للماء". أ محبة للماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) هو الذي ينجذب إلى الماء. وهكذا تنجذب رؤوس الفوسفات إلى جزيئات الماء في كل من البيئات خارج الخلية وداخل الخلايا. ذيول الدهون ، من ناحية أخرى ، غير مشحونة ، أو غير قطبية ، وهي كارهة للماء - أو "تخشى الماء". أ نافرة من الماء الجزيء (أو منطقة الجزيء) يتنافر ويطرده الماء. وبالتالي فإن الفسفوليبيدات هي جزيئات أمفيباثيك. ان برمائي الجزيء يحتوي على منطقة محبة للماء ومنطقة كارهة للماء. في الواقع ، يعمل الصابون على إزالة بقع الزيوت والشحوم لما له من خصائص أمفيباثيك. يمكن أن يذوب الجزء المحب للماء في ماء الغسيل بينما يمكن للجزء المقاوم للماء أن يحبس الشحوم في البقع التي يمكن غسلها بعد ذلك. تحدث عملية مماثلة في الجهاز الهضمي عندما تساعد الأملاح الصفراوية (المصنوعة من الكوليسترول والدهون الفوسفورية والملح) على تفتيت الدهون المبتلعة.

نظرًا لأن مجموعات الفوسفات قطبية ومحبة للماء ، فإنها تنجذب إلى الماء في السائل داخل الخلايا. السائل داخل الخلايا (ICF) هو السائل الداخلي للخلية. تنجذب مجموعات الفوسفات أيضًا إلى السائل خارج الخلية. السائل خارج الخلوي (ECF) هي البيئة السائلة خارج حاوية غشاء الخلية (انظر الشكل أعلاه). نظرًا لأن ذيول الدهون كارهة للماء ، فإنها تلتقي في المنطقة الداخلية من الغشاء ، باستثناء السائل المائي داخل الخلايا وخارج الخلية من هذا الفضاء. بالإضافة إلى الدهون الفوسفورية والكوليسترول ، يحتوي غشاء الخلية على العديد من البروتينات المفصلة في القسم التالي.

بروتينات الغشاء

تشكل الطبقة الدهنية الثنائية أساس غشاء الخلية ، لكنها تتخللها بروتينات مختلفة. هناك نوعان مختلفان من البروتينات التي ترتبط عادة بغشاء الخلية وهما البروتين المتكامل والبروتين المحيطي (الشكل 3.1.2). كما يوحي اسمها ، فإن ملف البروتين لا يتجزأ هو بروتين مضمن في الغشاء. توجد أنواع مختلفة من البروتينات المتكاملة ، ولكل منها وظائف مختلفة. على سبيل المثال ، يُعرف البروتين المتكامل الذي يمد فتحة عبر الغشاء للدخول إلى الخلية أو الخروج منها باسم بروتين القناة. توجد البروتينات المحيطية عادةً على السطح الداخلي أو الخارجي للطبقة الدهنية الثنائية ولكن يمكن أيضًا ربطها بالسطح الداخلي أو الخارجي لبروتين متكامل.

الشكل 3.1.2- غشاء الخلية: غشاء الخلية عبارة عن طبقة ثنائية فسفوليبيد تحتوي على العديد من المكونات الجزيئية المختلفة ، بما في ذلك البروتينات والكوليسترول ، وبعضها يحتوي على مجموعات كربوهيدراتية مرتبطة.

تعمل بعض البروتينات المتكاملة تمييز الخلية أو بروتينات الهوية السطحية ، والتي تحدد هوية الخلية بحيث يمكن التعرف عليها من قبل الخلايا الأخرى. تعمل بعض البروتينات المتكاملة كإنزيمات أو في التصاق الخلية بين الخلايا المجاورة. أ مستقبل هو نوع من بروتين التعرف الذي يمكنه ربط جزيء معين بشكل انتقائي خارج الخلية ، وهذا الارتباط يؤدي إلى تفاعل كيميائي داخل الخلية. تؤدي بعض البروتينات المتكاملة أدوارًا مزدوجة كمستقبل وقناة أيونية. أحد الأمثلة على تفاعل قناة المستقبل هو المستقبلات الموجودة على الخلايا العصبية التي تربط الناقلات العصبية ، مثل الدوبامين. عندما يرتبط جزيء الدوبامين ببروتين مستقبل الدوبامين ، تفتح قناة داخل بروتين الغشاء للسماح بتدفق أيونات معينة إلى الخلية. غالبًا ما ترتبط البروتينات المحيطية ببروتينات متكاملة على طول غشاء الخلية الداخلي حيث تلعب دورًا في إرسال إشارات الخلية أو تثبيتها على المكونات الخلوية الداخلية (أي: الهيكل الخلوي الذي تمت مناقشته لاحقًا).

بعض بروتينات الغشاء المتكاملة هي بروتينات سكرية. أ بروتين سكري هو بروتين يحتوي على جزيئات كربوهيدرات متصلة ، والتي تمتد إلى البيئة خارج الخلية. تساعد علامات الكربوهيدرات المرفقة الموجودة على البروتينات السكرية في التعرف على الخلايا. الكربوهيدرات التي تمتد من بروتينات الغشاء وحتى من بعض الدهون الغشائية تشكل مجتمعة الكاليكس. ال مركب السكر عبارة عن طبقة ضبابية الشكل حول الخلية تتكون من البروتينات السكرية والكربوهيدرات الأخرى المرتبطة بغشاء الخلية. يمكن أن يكون لل glycocalyx أدوار مختلفة. على سبيل المثال ، قد تحتوي على جزيئات تسمح للخلية بالارتباط بخلية أخرى ، وقد تحتوي على مستقبلات للهرمونات ، أو قد تحتوي على إنزيمات لتفكيك العناصر الغذائية. الجلايكولات الموجودة في جسم الشخص هي نتاج التركيب الجيني لذلك الشخص. إنهم يمنحون كل خلية من تريليونات الفرد "هوية" الانتماء إلى جسد الشخص. هذه الهوية هي الطريقة الأساسية التي "تعرف" بها خلايا الدفاع المناعي للشخص عدم مهاجمة خلايا جسم الشخص نفسه ، ولكنها أيضًا السبب في رفض الأعضاء التي تبرع بها شخص آخر.

النقل عبر غشاء الخلية

من أعظم عجائب غشاء الخلية قدرته على تنظيم تركيز المواد داخل الخلية. تشمل هذه المواد أيونات مثل Ca ++ و Na + و K + و Cl - والمغذيات بما في ذلك السكريات والأحماض الدهنية والأحماض الأمينية ومنتجات النفايات ، وخاصة ثاني أكسيد الكربون (CO)2) ، والتي يجب أن تغادر الخلية.

يوفر هيكل طبقة الدهون ثنائية الغشاء المستوى الأول من التحكم. يتم حزم الدهون الفسفورية بإحكام معًا ، والغشاء به جزء داخلي مسعور. يتسبب هذا الهيكل في أن يكون الغشاء قابلاً للاختراق بشكل انتقائي. غشاء له النفاذية الاختيارية يسمح فقط للمواد التي تلبي معايير معينة بالمرور من خلالها دون مساعدة. في حالة غشاء الخلية ، يمكن فقط للمواد غير القطبية الصغيرة نسبيًا أن تتحرك عبر طبقة ثنائية الدهون (تذكر أن ذيول الغشاء الدهنية غير قطبية). بعض الأمثلة على ذلك هي الدهون الأخرى والأكسجين وغازات ثاني أكسيد الكربون والكحول. ومع ذلك ، فإن المواد القابلة للذوبان في الماء - مثل الجلوكوز والأحماض الأمينية والإلكتروليتات - تحتاج إلى بعض المساعدة لعبور الغشاء لأنها تنفر من ذيول كارهة للماء لطبقة الفوسفوليبيد الثنائية. جميع المواد التي تتحرك عبر الغشاء تفعل ذلك بإحدى طريقتين عامتين ، يتم تصنيفهما بناءً على ما إذا كانت الطاقة مطلوبة أم لا. النقل السلبي هو حركة المواد عبر الغشاء دون إنفاق الطاقة الخلوية. في المقابل ، النقل النشط هو حركة المواد عبر الغشاء باستخدام الطاقة من الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP).

النقل السلبي

لكي نفهم كيف تتحرك المواد بشكل سلبي عبر غشاء الخلية ، فمن الضروري فهم تدرجات التركيز والانتشار. أ تدرج التركيز هو الاختلاف في تركيز مادة عبر الفضاء. سوف تنتشر الجزيئات (أو الأيونات) من حيث تكون أكثر تركيزًا إلى حيث تكون أقل تركيزًا حتى يتم توزيعها بالتساوي في تلك المساحة. (عندما تتحرك الجزيئات بهذه الطريقة ، يقال إنها تتحرك تحت تدرج تركيزهم ، من تركيز عالٍ إلى تركيز منخفض.) تعريف هي حركة الجسيمات من منطقة تركيز أعلى إلى منطقة تركيز أقل. سيساعد زوجان من الأمثلة الشائعة في توضيح هذا المفهوم. تخيل أنك داخل غرفة مغلقة. إذا تم رش زجاجة عطر ، فستنتشر جزيئات الرائحة بشكل طبيعي من المكان الذي تركت فيه الزجاجة إلى جميع أركان الغرفة ، وسيستمر هذا الانتشار حتى تتوزع الجزيئات بالتساوي في الغرفة. مثال آخر هو وضع ملعقة من السكر في كوب من الشاي. في النهاية سينتشر السكر في جميع أنحاء الشاي حتى لا يتبقى تدرج تركيز. في كلتا الحالتين ، إذا كانت الغرفة أكثر دفئًا أو الشاي أكثر سخونة ، يحدث الانتشار بشكل أسرع حيث تصطدم الجزيئات ببعضها البعض وتنتشر بشكل أسرع من درجات الحرارة المنخفضة.

موقع خارجي

قم بزيارة هذا الرابط لمعرفة الانتشار وكيف يتم دفعه بواسطة الطاقة الحركية للجزيئات في المحلول. كيف تؤثر درجة الحرارة على معدل الانتشار ولماذا؟

عندما توجد مادة بتركيز أكبر على جانب واحد من غشاء شبه نافذ ، مثل أغشية الخلايا ، فإن أي مادة يمكن أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها عبر الغشاء ستفعل ذلك. إذا كانت المواد يمكن أن تتحرك عبر غشاء الخلية دون أن تستهلك الخلية الطاقة ، فإن حركة الجزيئات تسمى النقل السلبي. ضع في اعتبارك المواد التي يمكن أن تنتشر بسهولة من خلال طبقة ثنائية الدهون في غشاء الخلية ، مثل غازات الأكسجين (O2) وثاني أكسيد الكربون (CO2). يمكن لهذه الغازات الصغيرة القابلة للذوبان في الدهون وغيرها من الجزيئات الصغيرة القابلة للذوبان في الدهون أن تذوب في الغشاء وتدخل إلى الخلية أو تخرج منها بعد تدرج تركيزها. هذه الآلية للجزيئات التي تتحرك عبر غشاء الخلية من الجانب حيث تكون أكثر تركيزًا إلى الجانب حيث تكون أقل تركيزًا هي شكل من أشكال النقل السلبي يسمى انتشار بسيط. ا2 ينتشر بشكل عام في الخلايا لأنه أكثر تركيزًا خارجها ، وثاني أكسيد الكربون2 عادة ما ينتشر خارج الخلايا لأنه أكثر تركيزًا بداخلها.

قبل المضي قدمًا ، من المهم أن ندرك أن تدرجات تركيز الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ستظل موجودة دائمًا عبر الخلية الحية ولن تصل أبدًا إلى توزيع متساوٍ. وذلك لأن الخلايا تستهلك الأكسجين بسرعة أثناء عملية التمثيل الغذائي ، وبالتالي ، عادة ما يكون هناك تركيز أقل من O2 داخل الزنزانة من الخارج. نتيجة لذلك ، سينتشر الأكسجين من خارج الخلية مباشرة من خلال الطبقة الدهنية ثنائية الغشاء إلى السيتوبلازم داخل الخلية. من ناحية أخرى ، لأن الخلايا تنتج ثاني أكسيد الكربون2 كمنتج ثانوي لعملية التمثيل الغذائي ، CO2 ترتفع التركيزات داخل السيتوبلازم لذلك ، CO2 ستنتقل من الخلية عبر طبقة ثنائية الدهون إلى السائل خارج الخلية ، حيث يكون تركيزها أقل. (الشكل 3.1.3).

الشكل 3.1.3 & # 8211 انتشار بسيط عبر غشاء الخلية (البلازما): يسمح هيكل الطبقة الدهنية الثنائية للمواد الصغيرة غير المشحونة مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والجزيئات الكارهة للماء مثل الدهون ، بالمرور عبر غشاء الخلية ، أسفل تدرج تركيزها ، عن طريق الانتشار البسيط.

لا يمكن للجزيئات القطبية أو الأيونية الكبيرة ، المحبة للماء ، عبور طبقة ثنائية الفسفوليبيد بسهولة. لا يمكن للذرات أو الجزيئات المشحونة من أي حجم عبور غشاء الخلية عن طريق الانتشار البسيط حيث يتم صد الشحنات بواسطة ذيول كارهة للماء في الجزء الداخلي من طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. تميل المواد المذابة المذابة في الماء على جانبي غشاء الخلية إلى الانتشار أسفل تدرجات تركيزها ، ولكن نظرًا لأن معظم المواد لا يمكنها المرور بحرية عبر الطبقة الدهنية الثنائية لغشاء الخلية ، فإن حركتها تقتصر على قنوات البروتين وآليات النقل المتخصصة في الغشاء . نشر الميسر هي عملية الانتشار المستخدمة لتلك المواد التي لا يمكنها عبور طبقة الدهون الثنائية بسبب حجمها و / أو شحنتها و / أو قطبيتها ولكنها تفعل ذلك لأسفل تدرجات تركيزها (الشكل 3.1.4). على سبيل المثال ، على الرغم من أن أيونات الصوديوم (Na +) تتركز بشكل كبير خارج الخلايا ، فإن هذه الإلكتروليتات مشحونة ولا يمكنها المرور عبر طبقة الدهون غير القطبية ثنائية الغشاء. يتم تسهيل انتشارها عن طريق بروتينات الغشاء التي تشكل قنوات الصوديوم (أو "المسام") ، بحيث يمكن لأيونات الصوديوم أن تتحرك أسفل تدرج تركيزها من خارج الخلايا إلى داخل الخلايا. مثال شائع على الانتشار الميسر باستخدام ملف البروتين الناقل هي حركة الجلوكوز في الخلية ، حيث يتم استخدامه لصنع ATP. على الرغم من أن الجلوكوز يمكن أن يكون أكثر تركيزًا خارج الخلية ، إلا أنه لا يمكنه عبور الطبقة الدهنية الثنائية عن طريق الانتشار البسيط لأنه كبير وقطبي في نفس الوقت ، وبالتالي يتم صده بواسطة غشاء الفوسفوليبيد. لحل هذه المشكلة ، يقوم بروتين ناقل متخصص يسمى ناقل الجلوكوز بنقل جزيئات الجلوكوز إلى الخلية لتسهيل انتشارها إلى الداخل. الفرق بين القناة والناقل هو أن الموجة الحاملة عادة ما تغير شكلها أثناء عملية الانتشار ، في حين أن القناة لا تتغير. هناك العديد من المواد المذابة الأخرى التي يجب أن تخضع للانتشار الميسر للانتقال إلى الخلية ، مثل الأحماض الأمينية ، أو للانتقال خارج الخلية ، مثل النفايات.

الشكل 3.1.4 & # 8211 الانتشار الميسر: (أ) يحدث الانتشار الميسر للمواد التي تعبر غشاء الخلية (البلازما) بمساعدة البروتينات مثل بروتينات القناة والبروتينات الحاملة. تعتبر بروتينات القناة أقل انتقائية من البروتينات الحاملة ، وعادة ما تميز بشكل معتدل بين حمولتها بناءً على الحجم والشحنة. (ب) تكون البروتينات الحاملة أكثر انتقائية ، وغالبًا ما تسمح فقط لنوع معين من الجزيء بالعبور.

A specialized example of facilitated transport is water moving across the cell membrane of all cells, through protein channels known as aquaporins. التنافذ is the diffusion of water through a semipermeable membrane from where there is more relative water to where there is less relative water (down its water concentration gradient) (Figure 3.1.5).

Figure 3.1.5 – Osmosis: التناضح هو انتشار الماء من خلال غشاء نصف نافذ أسفل تدرج تركيزه. إذا كان الغشاء منفذاً للماء ، وإن لم يكن مذابًا ، فإن الماء سيعادل تركيزه عن طريق الانتشار إلى جانب تركيز الماء المنخفض (وبالتالي جانب تركيز الذائبة الأعلى). في الدورق الموجود على اليسار ، يكون المحلول الموجود على الجانب الأيمن من الغشاء مفرط التوتر.

On their own, cells cannot regulate the movement of water molecules across their membrane, so it is important that cells are exposed to an environment in which the concentration of solutes outside of the cells (in the extracellular fluid) is equal to the concentration of solutes inside the cells (in the cytoplasm). يُقال أن هناك حلين لهما نفس تركيز المذابات مساوي التوتر (توتر متساوي). عندما تكون الخلايا وبيئاتها خارج الخلية متساوية التوتر ، يكون تركيز جزيئات الماء هو نفسه خارج الخلايا وداخلها ، وتحافظ الخلايا على شكلها الطبيعي (ووظيفتها).

يحدث التناضح عندما يكون هناك خلل في المواد المذابة خارج الخلية مقابل داخل الخلية. يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أعلى من المواد المذابة مقارنة بمحلول آخر مفرط التوتر, and water molecules tend to diffuse into a hypertonic solution (Figure 3.1.6). سوف تذبل الخلايا في محلول مفرط التوتر حيث يترك الماء الخلية عن طريق التناضح. في المقابل ، يُقال أن المحلول الذي يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة من محلول آخر نقص الضغط، وتميل جزيئات الماء إلى الانتشار خارج محلول ناقص التوتر. ستستهلك الخلايا الموجودة في محلول ناقص التوتر الكثير من الماء وتنتفخ ، مع خطر الانفجار في النهاية. يتمثل أحد الجوانب المهمة للتوازن في الكائنات الحية في خلق بيئة داخلية تكون فيها جميع خلايا الجسم في محلول متساوي التوتر. تعمل أنظمة الأعضاء المختلفة ، وخاصة الكلى ، على الحفاظ على هذا التوازن.

Figure 3.1.6 – Concentration of Solution: يحتوي المحلول مفرط التوتر على تركيز مذاب أعلى من محلول آخر. يحتوي المحلول متساوي التوتر على تركيز ذائب مساوٍ لمحلول آخر. يحتوي المحلول منخفض التوتر على تركيز مذاب أقل من محلول آخر.

النقل النشط

For all of the transport methods described above, the cell expends no energy. Membrane proteins that aid in the passive transport of substances do so without the use of ATP. During primary active transport, ATP is required to move a substance across a membrane, with the help of membrane protein, and ضد تدرج تركيزه.

أحد أكثر أنواع النقل النشط شيوعًا يتضمن البروتينات التي تعمل كمضخات. ربما تستحضر كلمة "مضخة" أفكارًا لاستخدام الطاقة في ضخ إطار دراجة أو كرة سلة. Similarly, energy from ATP is required for these membrane proteins to transport substances—molecules or ions—across the membrane, against their concentration gradients (from an area of low concentration to an area of high concentration).

ال مضخة الصوديوم والبوتاسيوم, which is also called Na + /K + ATPase, transports sodium out of a cell while moving potassium into the cell. The Na + /K + pump is an important ion pump found in the membranes of all cells. The activity of these pumps in nerve cells is so great that it accounts for the majority of their ATP usage.

Figure 3.1.7 تم العثور على مضخة الصوديوم والبوتاسيوم في العديد من أغشية الخلايا (البلازما). تعمل المضخة بواسطة ATP على تحريك أيونات الصوديوم والبوتاسيوم في اتجاهين متعاكسين ، كل منهما مقابل تدرج تركيزها. في دورة واحدة للمضخة ، يتم بثق ثلاثة أيونات صوديوم من الخلية ويتم استيراد أيوني بوتاسيوم إلى داخل الخلية.

Active transport pumps can also work together with other active or passive transport systems to move substances across the membrane. For example, the sodium-potassium pump maintains a high concentration of sodium ions outside of the cell. Therefore, if the cell needs sodium ions, all it has to do is open a passive sodium channel, as the concentration gradient of the sodium ions will drive them to diffuse into the cell. In this way, the action of an active transport pump (the sodium-potassium pump) powers the passive transport of sodium ions by creating a concentration gradient. When active transport powers the transport of another substance in this way, it is called secondary active transport.

Symporters are secondary active transporters that move two substances in the same direction. For example, the sodium-glucose symporter uses sodium ions to “pull” glucose molecules into the cell. Since cells store glucose for energy, glucose is typically at a higher concentration inside of the cell than outside however, due to the action of the sodium-potassium pump, sodium ions will easily diffuse into the cell when the symporter is opened. The flood of sodium ions through the symporter provides the energy that allows glucose to move through the symporter and into the cell, against its concentration gradient.

Conversely, antiporters are secondary active transport systems that transport substances in opposite directions. For example, the sodium-hydrogen ion antiporter uses the energy from the inward flood of sodium ions to move hydrogen ions (H + ) out of the cell. The sodium-hydrogen antiporter is used to maintain the pH of the cell’s interior.

Other Forms of Membrane Transport

لا تتضمن أشكال النقل النشط الأخرى ناقلات الغشاء. الالتقام (bringing “into the cell”) is the process of a cell ingesting material by enveloping it in a portion of its cell membrane, and then pinching off that portion of membrane (Figure 3.1.8). بمجرد الضغط عليه ، يصبح جزء الغشاء ومحتوياته حويصلة مستقلة داخل الخلايا. أ حويصلة هو كيس غشائي - عضية كروية مجوفة يحدها غشاء ثنائي الطبقة من الدهون. غالبًا ما يجلب الالتقام الخلوي المواد إلى الخلية التي يجب تفكيكها أو هضمها. البلعمة ("أكل الخلية") هو الالتقام الخلوي للجزيئات الكبيرة. تشارك العديد من الخلايا المناعية في البلعمة من مسببات الأمراض الغازية. مثل القليل من الرجال باك ، فإن وظيفتهم هي مراقبة أنسجة الجسم بحثًا عن المواد غير المرغوب فيها ، مثل غزو الخلايا البكتيرية ، وتبلعمها ، وهضمها. على عكس البلعمة ، كثرة الكريات ("شرب الخلية") يجلب سائلًا يحتوي على مواد مذابة إلى الخلية من خلال حويصلات الغشاء.

Figure 3.1.8 – Three Forms of Endocytosis: الالتقام الخلوي هو شكل من أشكال النقل النشط حيث تغلف الخلية المواد خارج الخلية باستخدام غشاء الخلية. (a) In phagocytosis, which is relatively nonselective, the cell takes in large particles into larger vesicles known as vacuoles. (ب) في كثرة الخلايا ، تأخذ الخلية جزيئات صغيرة في السائل. (ج) على النقيض من ذلك ، فإن الالتقام الخلوي بوساطة المستقبل انتقائي تمامًا. عندما ترتبط المستقبلات الخارجية برباط معين ، تستجيب الخلية عن طريق الالتحام بالرابط.

تأخذ البلعمة والكريات الحبيبية أجزاء كبيرة من المواد خارج الخلية ، وعادة ما تكون غير انتقائية للغاية في المواد التي تجلبها. تنظم الخلايا عملية الالتقام الخلوي لمواد معينة عن طريق الالتقام الخلوي بوساطة مستقبلات. بوساطة مستقبلات الإلتقام is endocytosis by a portion of the cell membrane which contains many receptors that are specific for a certain substance. بمجرد أن ترتبط المستقبلات السطحية بكميات كافية من المادة المحددة (رابط المستقبل) ، ستلتحم الخلية بجزء من غشاء الخلية الذي يحتوي على مجمعات مستقبلات ليجند. الحديد ، وهو مكون مطلوب من الهيموجلوبين ، يتم تحطيمه بواسطة خلايا الدم الحمراء بهذه الطريقة. يرتبط الحديد ببروتين يسمى الترانسفيرين في الدم. ترتبط مستقبلات الترانسفيرين المحددة على أسطح خلايا الدم الحمراء بجزيئات الحديد-ترانسفيرين ، وتلتحم الخلية بمجمعات مستقبلات ليجند.

على النقيض من الالتقام الخلوي ، طرد خلوي (taking “out of the cell”) is the process of a cell exporting material using vesicular transport (Figure 3.1.9). تصنع العديد من الخلايا مواد يجب إفرازها ، مثل مصنع يصنع منتجًا للتصدير. عادة ما يتم تعبئة هذه المواد في حويصلات مرتبطة بالغشاء داخل الخلية. When the vesicle membrane fuses with the cell membrane, the vesicle releases its contents into the interstitial fluid. ثم يصبح غشاء الحويصلة جزءًا من غشاء الخلية.

Specific examples of exocytosis include cells of the stomach and pancreas producing and secreting digestive enzymes through exocytosis (Figure 3.1.10) and endocrine cells producing and secreting hormones that are sent throughout the body.

The addition of new membrane to the plasma membrane is usually coupled with endocytosis so that the cell is not constantly enlarging. Through these processes, the cell membrane is constantly renewing and changing as needed by the cell.

Figure 3.1.9 – Exocytosis: خروج الخلايا يشبه إلى حد كبير الالتقام الخلوي في الاتجاه المعاكس. يتم تغليف المواد المعدة للتصدير في حويصلة داخل الخلية. يندمج غشاء الحويصلة مع غشاء الخلية ، ويتم إطلاق المحتويات في الفضاء خارج الخلية. Figure 3.1.10 – Pancreatic Cells’ Enzyme Products: تنتج خلايا البنكرياس أسينار وتفرز العديد من الإنزيمات التي تهضم الطعام. الحبيبات السوداء الدقيقة في هذه الصورة المجهرية الإلكترونية عبارة عن حويصلات إفرازية مملوءة بالأنزيمات التي سيتم تصديرها من الخلايا عبر طرد الخلايا. LM × 2900. (صورة مجهرية مقدمة من Regents of University of Michigan Medical School © 2012)

External Website

أمراض الخلية: التليف الكيسي

يؤثر التليف الكيسي (CF) على ما يقرب من 30000 شخص في الولايات المتحدة ، مع الإبلاغ عن حوالي 1000 حالة جديدة كل عام. The genetic disease is most well-known for its damage to the lungs, causing breathing difficulties and chronic lung infections, but it also affects the liver, pancreas, and intestines. منذ حوالي 50 عامًا فقط ، كان تشخيص الأطفال المولودين بمرض التليف الكيسي قاتمًا للغاية - نادرًا ما يتجاوز متوسط ​​العمر المتوقع 10 سنوات. اليوم ، مع التقدم في العلاج الطبي ، يعيش العديد من مرضى التليف الكيسي في الثلاثينيات من العمر.

The symptoms of CF result from a malfunctioning membrane ion channel called the Cystic Fibrosis Transmembrane Conductance Regulator, or CFTR. In healthy people, the CFTR protein is an integral membrane protein that transports Cl– ions out of the cell. في الشخص المصاب بالتليف الكيسي ، يتم تحور جين CFTR ، وبالتالي ، تصنع الخلية بروتين قناة معيب لا يتم دمجه عادةً في الغشاء ، ولكن بدلاً من ذلك تتحلل بواسطة الخلية.

The CFTR requires ATP in order to function, making its Cl– transport a form of active transport. This puzzled researchers for a long time because the Cl– ions are actually flowing تحت تدرج تركيزهم عند نقلهم خارج الخلايا. النقل النشط بشكل عام يضخ الأيونات ضد تدرج تركيزهم ، لكن CFTR يقدم استثناء لهذه القاعدة.

In normal lung tissue, the movement of Cl– out of the cell maintains a Cl–-rich, negatively charged environment immediately outside of the cell. هذا مهم بشكل خاص في البطانة الظهارية للجهاز التنفسي. تفرز الخلايا الظهارية التنفسية المخاط الذي يعمل على حبس الغبار والبكتيريا وغيرها من الحطام. A cilium (plural = cilia) is one of the hair-like appendages found on certain cells. تعمل الأهداب الموجودة على الخلايا الظهارية على تحريك المخاط وجزيئاته المحتبسة عبر الممرات الهوائية بعيدًا عن الرئتين باتجاه الخارج. In order to be effectively moved upward, the mucus cannot be too viscous, rather, it must have a thin, watery consistency. The transport of Cl– and the maintenance of an electronegative environment outside of the cell attracts positive ions such as Na+ to the extracellular space. The accumulation of both Cl– and Na+ ions in the extracellular space creates solute-rich mucus, which has a low concentration of water molecules. نتيجة لذلك ، من خلال التناضح ، ينتقل الماء من الخلايا والمصفوفة خارج الخلية إلى المخاط ، مما يؤدي إلى "تخفيفه". In a normal respiratory system, this is how the mucus is kept sufficiently watered-down to be propelled out of the respiratory system.

If the CFTR channel is absent, Cl– ions are not transported out of the cell in adequate numbers, thus preventing them from drawing positive ions. يؤدي عدم وجود أيونات في المخاط المفرز إلى عدم وجود تدرج طبيعي لتركيز الماء. وبالتالي ، لا يوجد ضغط تناضحي يسحب الماء إلى المخاط. يكون المخاط الناتج سميكًا ولزجًا ، ولا تستطيع الظهارة الهدبية إزالته بشكل فعال من الجهاز التنفسي. يتم حظر الممرات في الرئتين بالمخاط ، جنبًا إلى جنب مع الحطام الذي يحمله. تحدث الالتهابات البكتيرية بسهولة أكبر لأن الخلايا البكتيرية لا يتم نقلها بشكل فعال بعيدًا عن الرئتين.

Chapter Review

The cell membrane provides a barrier around the cell, separating its internal components from the extracellular environment. It is composed of a phospholipid bilayer, with hydrophobic internal lipid “tails” and hydrophilic external phosphate “heads.” Various membrane proteins are scattered throughout the bilayer, both inserted within it and attached to it peripherally. The cell membrane is selectively permeable, allowing only a limited number of materials to diffuse through its lipid bilayer. All materials that cross the membrane do so using passive (non-energy-requiring) or active (energy-requiring) transport processes. During passive transport, materials move by simple diffusion or by facilitated diffusion through the membrane, down their concentration gradient. Water passes through the membrane in a diffusion process called osmosis. During active transport, energy is expended to assist material movement across the membrane in a direction against their concentration gradient. Active transport may take place with the help of protein pumps or through the use of vesicles.

Interactive Link Questions

Visit this link to see diffusion and how it is propelled by the kinetic energy of molecules in solution. How does temperature affect diffusion rate, and why?

Higher temperatures speed up diffusion because molecules have more kinetic energy at higher temperatures.


Show/hide words to know

Ion: an atom or molecule that does not have the same number of electrons as it has protons. This gives the atom or molecule a negative or positive charge. أكثر

Molecule: a chemical structure that has two or more atoms held together by a chemical bond. Water is a molecule of two hydrogen atoms and one oxygen atom (H2O). أكثر

Protein: a type of molecule found in the cells of living things, made up of special building blocks called amino acids.


There are two different types of facilitated diffusion based on the structure of the transmembrane protein present in the plasma membrane –

1) Mediated by Channel Proteins – Span the membrane and create a channel through them to transport molecules or ions in and out of the cell

2) Mediated by Carrier Proteins – Carry the molecules or ions across the membrane by changing their shape after binding

Ans. Facilitated diffusion assists in the transport of large, polar molecules and charged ions across the cell membrane using a helper protein molecule, whereas ordinary diffusion allows free passage to small, non-polar molecules, such as oxygen and carbon dioxide in and out of the cell.

Ans. Facilitated diffusion refers to the diffusion of many different substances, including both solvent and solute molecules across the cell membrane. In contrast, osmosis refers only to the transport of water in and out of the cell.

Ans. Facilitated diffusion of substances requires no energy expenditure, whereas active transport uses cellular energy for transporting substances across the cell membrane.

Ans. The main similarity between facilitated diffusion and active transport is that both require certain carrier protein molecules for carrying out the transport.

Ans. Facilitated diffusion is a passive transport mechanism, whereas the sodium-potassium pump is an active transport mechanism.


شاهد الفيديو: ما هي بنية البروتينات (كانون الثاني 2022).