Skip to main content
Global

6.4: הובלה אל הממברנה ומחוצה לה

  1. Last updated
  2. Save as PDF
  • Page ID
    208328

    • \( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

    אז השאלה היא, איך הממברנה "מחליטה" אילו מולקולות להכניס לתא ולצאת ממנו. אם נחשוב על זה, ישנם שלושה מנגנונים כלליים אפשריים (הודע לנו אם אתה יכול לחשוב על עוד). מולקולות יכולות לנוע בעצמן דרך הממברנה, הן יכולות לנוע באופן פסיבי על פני הממברנה באמצעות סוג כלשהו של "נשא" או "ערוץ" ספציפי, או שהן יכולות להיות מועברות באופן פעיל באמצעות איזושהי "משאבה". אילו סוגים של נשאים, תעלות ומשאבות קיימים יקבעו אילו סוגי מולקולות עוברות דרך קרום התא. כפי שאתה יכול להסיק משאבות דורשות מקור אנרגיה כדי להניע אותן. כפי שנראה, ברוב המוחלט של המקרים, נשאים, תעלות ומשאבות אלה הם מכונות מולקולריות מבוססות חלבון, שאת המבנה שלהן נשקול בפירוט בהמשך. אנו יכולים לחשוב על תגובת התנועה המולקולרית הזו באופן כללי כ:

    \[\text{Molecule}_{\text{outside}} \rightleftharpoons \text{Molecule}_{\text{inside membrane}} \rightleftharpoons \text{Molecule}_{\text{inside cell}}\]

    בדומה לתגובות כימיות סטנדרטיות, תנועה דרך ממברנה כרוכה באנרגיית הפעלה, המסתכמת באנרגיה הדרושה למעבר דרך הממברנה. אז, אולי תשאלו, מדוע הממברנה, במיוחד המרכז ההידרופובי של הממברנה, מהווה מחסום לתנועה של מולקולות הידרופיליות. כאן התשובה כוללת את ההבדל באנרגיה החופשית של המולקולה הנעה בתוך תמיסה מימית, כולל אזור פני השטח ההידרופילי של הממברנה, שבו אינטראקציות אלקטרוסטטיות מסוג H-bond נפוצות בין מולקולות, והאזור ההידרופובי של הממברנה, שבו קיימות רק אינטראקציות ואן דר ואלס. המצב מחמיר עבור מולקולות טעונות, מכיוון שמולקולות מים מאורגנות בדרך כלל בקליפה דינמית סביב כל יון. במקום מגיבים ומוצרים נוכל לשרטט את מיקום המולקולה ביחס לקרום. אנו שוקלים מולקולות של חומר מסוים אחד הנעות דרך הממברנה ולכן זהות המולקולה אינה משתנה במהלך תגובת ההובלה. אם ריכוזי המולקולות זהים משני צידי הממברנה, אז גם האנרגיות החופשיות של גיבס שוות, המערכת תהיה בשיווי משקל ביחס לתגובה זו. במקרה זה, כמו במקרה של תגובות כימיות, לא יהיה שטף נטו של המולקולה על פני הממברנה, אך מולקולות ינועו קדימה ואחורה על פני הממברנה בקצב שווה. הקצב שבו הם נעים קדימה ואחורה יהיה תלוי בגודל אנרגיית ההפעלה הקשורה לנוע על פני הממברנה וכן בריכוזי המולקולות.

    אם מולקולה היא הידרופובית (לא קוטבית) היא תהיה מסיסה יותר בסביבה ההידרופובית הקיימת באזור המרכזי של הממברנה מאשר בסביבה מימית. לעומת זאת המצב יהיה שונה באופן מובהק עבור מולקולות הידרופיליות. בשלב זה, אנו מקווים שתזהו שבממברנה פשוטה של שומנים בלבד (מקרה לא מציאותי מבחינה ביולוגית), צורת הגרף הזה, ובמיוחד גובה שיא אנרגיית ההפעלה ישתנו בהתאם למאפייני המולקולה שאנו שוקלים לנוע כמו גם את הממברנה עצמה. אם המולקולה גדולה והידרופילית מאוד, למשל, אם היא טעונה, אנרגיית ההפעלה הקשורה לחציית הממברנה תהיה גבוהה יותר מאשר אם המולקולה קטנה ולא טעונה. רק בשביל הכיף, אתה יכול לשקול איך דיאגרמת התגובה של מולקולת שומנים אחת עשויה להיראות; היכן הוא עשוי להיות ממוקם, ואילו מחסומי אנרגיה קשורים לתנועתו (התהפכות) על פני קרום. אתה יכול להתחיל בציור השלבים הכרוכים ב"היפוך "כיוון מולקולת השומנים עם קרום.

    נתחיל במים עצמם, שהם קטנים ולא טעונים. כאשר מולקולת מים מתחילה לעזוב את השלב המימי ולהיכנס לאזור ההידרופובי (המרכזי) של הממברנה, אין קשרי H שיתפסו את מקומם של אלה שאבדו, אין לחיצות יד מולקולריות חזקות; התוצאה היא שלעתים קרובות המולקולה "נמשכת לאחור" לשלב המים. עם זאת, יש כל כך הרבה מולקולות מים מחוץ לתא (ובתוכו), ומולקולות המים כל כך קטנות, שברגע שהן נכנסות לקרום, הן יכולות לעבור דרכו. אנרגיית ההפעלה של המים בחוץ תגובת המים בפנים נמוכה מספיק כדי שמים יוכלו לעבור דרך קרום (בשני הכיוונים) בקצב סביר.

    מולקולות קטנות שאינן קוטביות, כגון O 2 ו- CO 2, יכולות (מאוד כמו מים) לעבור דרך קרום ביולוגי בקלות יחסית. יש יותר ממספיק אנרגיה זמינה באמצעות התנגשויות עם מולקולות אחרות (תנועה תרמית) כדי לספק להם את האנרגיה הדרושה כדי להתגבר על אנרגיית ההפעלה הכרוכה במעבר דרך הממברנה. אולם כעת אנו מתחילים לראות שינויים באנרגיות החופשיות של המולקולות בתוך התא ומחוצה לו. לדוגמה, באורגניזמים התלויים ב- O 2 (אירובים מחייבים), ה- O 2 מחוץ לתא מגיע מהאוויר; בסופו של דבר הוא נוצר על ידי צמחים המשחררים O 2 כתוצר פסולת. ברגע ש- O 2 נכנס לתא, הוא לוקח חלק בתגובות הנשימה (נחזור לשני התהליכים בהמשך.) התוצאה היא שריכוז O 2 מחוץ לתא יהיה גדול מריכוז O 2 בתוך התא. המשמעות היא שהאנרגיה החופשית של O 2 בחוץ תהיה גדולה יותר מהאנרגיה החופשית של O 2 בפנים. התגובה O 2 מחוץ O 2 בפנים היא כעת חיובית מבחינה תרמודינמית ויהיה שטף נטו של O 2 לתוך התא. אנו יכולים לשקול כיצד מצב דומה חל על מים. התחום התוך תאי של תא הוא תמיסה מרוכזת של חלבונים ומולקולות אחרות. בדרך כלל, ריכוז המים מחוץ לתא גדול מריכוז המים בתוך התא. הנחת הסדר הראשון שלנו היא שהתגובה:

    \[H_2O_{outside} \rightleftharpoons H_2O_{inside}\]

    הוא חיובי, כך המים יזרמו לתוך התא. אז השאלה המתבקשת היא, מה קורה עם הזמן? נחזור לאופן שבו תאים (ואורגניזמים) פותרים את הבעיה החשובה הזו בקרוב.

    הדמיית וידאו של מולקולת מים הנעה דרך קרום: http://youtu.be/ePGqRaQiBfc

    תורמים וייחוסים