5.3: Active Usafiri

Ujuzi wa Kuendeleza

• Kuelewa jinsi gradients electrochemical kuathiri ions
• Kutofautisha kati ya usafiri wa msingi kazi na sekondari kazi usafiri

Utaratibu wa usafiri wa kazi unahitaji matumizi ya nishati ya seli, kwa kawaida kwa namna ya adenosine triphosphate (ATP). Kama dutu lazima iingie ndani ya seli dhidi ya mkusanyiko wake gradient-yaani, kama mkusanyiko wa dutu ndani ya seli ni mkubwa kuliko mkusanyiko wake katika maji ya ziada (na kinyume chake) -kiini lazima kutumia nishati kuhamisha dutu. Baadhi ya mifumo ya usafiri wa kazi huhamisha vifaa vidogo vya uzito wa Masi, kama vile ions, kupitia membrane. Njia nyingine husafirisha molekuli kubwa zaidi.

Electrochemical Gradient

Tumejadili mkusanyiko rahisi-viwango tofauti vya dutu katika nafasi au membrane-lakini katika mifumo ya maisha, gradients ni ngumu zaidi. Kwa sababu ions huhamia ndani na nje ya seli na kwa sababu seli zina protini ambazo hazihamia kwenye utando na zinashtakiwa vibaya, pia kuna gradient ya umeme, tofauti ya malipo, kwenye utando wa plasma. Mambo ya ndani ya seli hai ni umeme hasi kwa heshima na maji ya ziada ambayo hupasuka, na wakati huo huo, seli zina viwango vya juu vya potasiamu (K ⁺) na viwango vya chini vya sodiamu (Na ⁺) kuliko maji ya ziada. Hivyo katika kiini kilicho hai, gradient ya mkusanyiko wa Na ⁺ huelekea kuiendesha ndani ya seli, na gradient ya umeme ya Na ⁺ (ion chanya) pia huelekea kuendesha ndani ya mambo ya ndani ya kushtakiwa vibaya. Hali ni ngumu zaidi, hata hivyo, kwa mambo mengine kama vile potasiamu. Kielelezo cha umeme cha K ⁺, ion chanya, pia huelekea kuendesha ndani ya seli, lakini gradient ya mkusanyiko wa K ⁺ huelekea kuendesha K ⁺ nje ya seli (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Gradient pamoja ya mkusanyiko na malipo ya umeme ambayo huathiri ion inaitwa gradient yake electrochemical.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Gradients ya electrochemical hutokea kutokana na athari za pamoja za gradients za mkusanyiko na gradients za umeme. (mikopo: “Synaptitude” /Wikimedia Commons)

Ukosefu wa suluhisho la potasiamu ndani ya damu ya mtu ni mbaya; hii hutumiwa katika adhabu ya kifo na euthanasia. Kwa nini unadhani sindano ya ufumbuzi wa potasiamu ni mbaya?

Kuhamia dhidi ya Gradient

Ili kuhamisha vitu dhidi ya mkusanyiko au gradient ya electrochemical, kiini lazima kitumie nishati. Nishati hii huvunwa kutoka ATP inayozalishwa kupitia kimetaboliki ya kiini. Utaratibu wa usafiri wa kazi, pamoja na kuitwa pampu, kazi dhidi ya gradients electrochemical. Dutu ndogo hupita kupitia membrane ya plasma. Usafiri wa kazi unao viwango vya ions na vitu vingine vinavyohitajika kwa seli zilizo hai katika uso wa harakati hizi za passiv. Mengi ya ugavi wa seli ya nishati ya kimetaboliki inaweza kutumika kudumisha taratibu hizi. (Zaidi ya nishati ya metabolic seli nyekundu ya damu ni kutumika kudumisha usawa kati ya nje na mambo ya ndani ya sodium na potasiamu ngazi zinazohitajika na kiini.) Kwa sababu utaratibu wa usafiri wa kazi hutegemea kimetaboliki ya seli kwa nishati, ni nyeti kwa sumu nyingi za kimetaboliki zinazoingilia kati usambazaji wa ATP.

Njia mbili zipo kwa usafiri wa nyenzo ndogo za uzito wa molekuli na molekuli ndogo. Usafiri wa msingi wa kazi husababisha ions kwenye membrane na hujenga tofauti katika malipo katika utando huo, ambao unategemea moja kwa moja ATP. Usafiri wa sekondari wa kazi unaelezea harakati za nyenzo ambazo ni kutokana na gradient ya electrochemical iliyoanzishwa na usafiri wa msingi ambao hauhitaji moja kwa moja ATP.

Protini za Carrier kwa Usafiri wa

Mchanganyiko muhimu wa membrane kwa usafiri wa kazi ni kuwepo kwa protini maalum za carrier au pampu ili kuwezesha harakati: kuna aina tatu za protini hizi au wasafirishaji (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Uniporter hubeba ion moja maalum au molekuli. Symporter hubeba ions mbili tofauti au molekuli, wote katika mwelekeo huo. Antiporter pia hubeba ions mbili tofauti au molekuli, lakini kwa njia tofauti. Wote wa wasafirishaji hawa wanaweza pia kusafirisha molekuli ndogo, zisizochajwa za kikaboni kama glucose. Aina hizi tatu za protini za carrier zinapatikana pia katika utbredningen iliyowezeshwa, lakini hazihitaji ATP kufanya kazi katika mchakato huo. Baadhi ya mifano ya pampu kwa usafiri wa kazi ni Na ⁺ -K ⁺ ATPase, ambayo hubeba ioni za sodiamu na potasiamu, na H ⁺ -K ⁺ ATPase, ambayo hubeba ioni za hidrojeni na potasiamu. Wote wawili ni protini za antiporter carrier. Protini nyingine mbili za carrier ni Ca ²⁺ ATPase na H ⁺ ATPase, ambayo hubeba tu calcium na ions hidrojeni tu, kwa mtiririko huo. Wote ni pampu.

Kielelezo\(\PageIndex{2}\): Uniporter hubeba molekuli moja au ion. Symporter hubeba molekuli mbili tofauti au ions, wote katika mwelekeo huo. Antiporter pia hubeba molekuli mbili tofauti au ions, lakini kwa njia tofauti. (mikopo: mabadiliko ya kazi na “Lupask” /Wikimedia Commons)

Msingi Active Usafiri

Usafiri wa msingi wa kazi unaofanya kazi na usafiri wa sodiamu na potasiamu inaruhusu usafiri wa sekondari wa kazi kutokea. Njia ya pili ya usafiri bado inachukuliwa kuwa hai kwa sababu inategemea matumizi ya nishati kama vile usafiri wa msingi (Kielelezo\(\PageIndex{3}\)).

Kielelezo\(\PageIndex{3}\): Usafiri wa msingi wa kazi husababisha ions kwenye membrane, na kujenga gradient electrochemical (usafiri electrogenic (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mariana Ruiz Villareal)

Moja ya pampu muhimu zaidi katika seli za wanyama ni pampu ya sodiamu-potasiamu (Na ^{+ -K +} ATPase), ambayo inao gradient electrochemical (na viwango sahihi vya Na ⁺ na K ⁺) katika seli hai. Pampu ya sodiamu-potasiamu inakwenda K ^{+ ndani ya seli huku ikisonga Na +} nje kwa wakati mmoja, kwa uwiano wa tatu Na ⁺ kwa kila mbili K ⁺ ions zilizohamia. Na ^{+ -K +} ATPase ipo katika aina mbili, kulingana na mwelekeo wake kwa mambo ya ndani au nje ya seli na mshikamano wake kwa ioni za sodiamu au potasiamu. Utaratibu huu una hatua sita zifuatazo.

1. Kwa enzyme inayoelekezwa kuelekea mambo ya ndani ya seli, carrier ana mshikamano mkubwa kwa ions za sodiamu. Ions tatu hufunga kwa protini.
2. ATP ni hidrolisisi na carrier wa protini na kundi la chini la nishati ya phosphate linaunganisha.
3. Matokeo yake, carrier hubadilisha sura na huelekeza tena kuelekea nje ya membrane. Mshikamano wa protini kwa sodiamu hupungua na ions tatu za sodiamu huondoka carrier.
4. Mabadiliko ya sura huongeza mshikamano wa carrier kwa ions za potasiamu, na ions mbili hizo zinaunganishwa na protini. Baadaye, kundi la chini la nishati ya phosphate linazuia kutoka kwa carrier.
5. Pamoja na kikundi cha phosphate kilichoondolewa na ions za potasiamu zimeunganishwa, protini ya carrier inajiweka yenyewe kuelekea mambo ya ndani ya seli.
6. Protini ya carrier, katika usanidi wake mpya, imepungua mshikamano wa potasiamu, na ions mbili hutolewa kwenye cytoplasm. Protini sasa ina mshikamano mkubwa wa ions za sodiamu, na mchakato huanza tena.

Mambo kadhaa yametokea kutokana na mchakato huu. Katika hatua hii, kuna ions zaidi ya sodiamu nje ya seli kuliko ions ndani na zaidi ya potasiamu ndani kuliko nje. Kwa kila ions tatu za sodiamu zinazoondoka, ions mbili za potasiamu huingia. Hii inasababisha mambo ya ndani kuwa kidogo zaidi hasi jamaa na nje. Tofauti hii katika malipo ni muhimu katika kujenga mazingira muhimu kwa mchakato wa sekondari. Pampu ya sodiamu-potasiamu ni, kwa hiyo, pampu ya electrogenic (pampu ambayo inajenga usawa wa malipo), na kujenga usawa wa umeme kwenye membrane na kuchangia uwezo wa membrane.

Unganisha na Kujifunza

Tembelea tovuti ili kuona simulation ya usafiri wa kazi katika ATPase ya sodium-potasiamu.

Usafiri wa Sekondari Active (Usafiri wa

Usafiri wa sekondari huleta ions za sodiamu, na labda misombo mingine, ndani ya seli. Kama viwango vya ioni vya sodiamu hujenga nje ya membrane ya plasma kwa sababu ya hatua ya mchakato wa usafiri wa msingi, gradient ya electrochemical imeundwa. Ikiwa protini ya channel ipo na imefunguliwa, ions za sodiamu zitavutwa kupitia membrane. Harakati hii hutumiwa kusafirisha vitu vingine vinavyoweza kujiunga na protini ya usafiri kupitia membrane (Kielelezo\(\PageIndex{4}\)). Amino asidi nyingi, pamoja na glucose, ingiza kiini kwa njia hii. Utaratibu huu wa sekondari pia hutumiwa kuhifadhi ioni za hidrojeni za nishati ya juu katika mitochondria ya seli za mimea na wanyama kwa ajili ya uzalishaji wa ATP. Nishati inayoweza kujilimbikiza katika ioni za hidrojeni zilizohifadhiwa hutafsiriwa katika nishati ya kinetic kama ions inapoongezeka kwa njia ya protini ya kituo ATP synthase, na nishati hiyo hutumiwa kubadili ADP ndani ya ATP.

Sanaa Connection

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Gradient electrochemical, iliyoundwa na usafiri wa msingi wa kazi, inaweza kusonga vitu vingine dhidi ya gradients yao ya mkusanyiko, mchakato unaoitwa usafiri wa ushirikiano au usafiri wa sekondari. (mikopo: mabadiliko ya kazi na Mariana Ruiz Villareal)

Ikiwa pH nje ya seli itapungua, je, unatarajia kiasi cha amino asidi kusafirishwa ndani ya seli kuongezeka au kupungua?

Muhtasari

Gradient ya pamoja inayoathiri ion inajumuisha gradient yake ya ukolezi na gradient yake ya umeme. Ion chanya, kwa mfano, inaweza huwa na kuenea katika eneo jipya, chini ya mkusanyiko wake wa ukolezi, lakini ikiwa inaenea katika eneo la malipo mazuri, usambazaji wake utazuiliwa na gradient yake ya umeme. Wakati wa kushughulika na ions katika ufumbuzi wa maji, mchanganyiko wa gradients electrochemical na mkusanyiko, badala ya tu gradient mkusanyiko peke yake, lazima kuzingatiwa. Seli hai zinahitaji vitu fulani vilivyopo ndani ya seli katika viwango vikubwa zaidi kuliko vilivyopo katika nafasi ya ziada. Kusonga vitu juu ya gradients yao ya electrochemical inahitaji nishati kutoka kwenye seli. Usafiri wa kazi hutumia nishati iliyohifadhiwa katika ATP ili kuimarisha usafiri huu. Usafiri wa kazi wa vifaa vidogo vya ukubwa wa molekuli hutumia protini muhimu katika utando wa seli ili kusonga vifaa: Protini hizi ni sawa na pampu. Baadhi ya pampu, ambazo hufanya usafiri wa msingi wa kazi, wanandoa moja kwa moja na ATP kuendesha hatua zao. Katika usafiri wa ushirikiano (au usafiri wa sekondari wa kazi), nishati kutoka kwa usafiri wa msingi inaweza kutumika kuhamisha dutu nyingine ndani ya seli na juu ya gradient yake ya ukolezi.

Sanaa Connections

Kielelezo\(\PageIndex{1}\): Sindano ya suluhisho la potasiamu ndani ya damu ya mtu ni mbaya; hii hutumiwa katika adhabu ya kifo na euthanasia. Kwa nini unadhani sindano ya ufumbuzi wa potasiamu ni mbaya?

Jibu

Seli huwa na mkusanyiko mkubwa wa potasiamu katika cytoplasm na hupandwa katika mkusanyiko mkubwa wa sodiamu. Ukosefu wa potasiamu hupunguza gradient hii ya electrochemical Katika misuli ya moyo, uwezo wa sodiamu/potasiamu ni wajibu wa kupeleka ishara inayosababisha misuli kuwa mkataba. Wakati uwezo huu unapotoshwa, ishara haiwezi kupitishwa, na moyo huacha kumpiga. Sindano za potasiamu pia hutumiwa kuzuia moyo kutopiga wakati wa upasuaji.

Kielelezo\(\PageIndex{4}\): Kama pH nje ya seli itapungua, je, unatarajia kiasi cha amino asidi kusafirishwa ndani ya seli kuongeza au kupungua?

Jibu

Kupungua kwa pH inamaanisha ongezeko la ions H ⁺ za kushtakiwa vyema, na ongezeko la gradient ya umeme kwenye membrane. Usafiri wa amino asidi ndani ya seli utaongezeka.

faharasa

usafiri wa kazi

njia ya kusafirisha vifaa ambayo inahitaji nishati

mpinga mbebaji

transporter kwamba hubeba ions mbili au molekuli ndogo katika pande tofauti

electrokemikali gradient

gradient zinazozalishwa na vikosi vya pamoja vya gradient umeme na gradient kemikali

pampu ya electrojeni

pampu ambayo inajenga usawa wa malipo

kazi ya msingi ya usafiri

kazi usafiri kwamba hatua ions au molekuli ndogo katika utando na inaweza kujenga tofauti katika malipo katika utando kwamba

pampu

kazi ya usafiri utaratibu kwamba kazi dhidi ya gradients electrochemical

sekondari kazi usafiri

harakati ya nyenzo ambayo ni kutokana na gradient electrochemical imara na usafiri wa msingi kazi

mlinganishaji

transporter kwamba hubeba ions mbili tofauti au molekuli ndogo, wote katika mwelekeo huo

msafirishaji

maalum carrier protini au pampu ili kuwezesha harakati

uniporter

transporter ambayo hubeba ion moja maalum au molekuli