Определение избирательной проницаемости
Селективная проницаемость является свойством клеточных мембран, которое позволяет только определенным молекулам входить или выходить из клетка, Это важно для клетки, чтобы поддерживать свой внутренний порядок независимо от изменений в окружающей среде. Например, вода, ионы, глюкоза и диоксид углерода могут потребоваться импортировать или экспортировать из клетки в зависимости от ее метаболической активности. Точно так же, сигнальные молекулы могут нуждаться в проникновении в клетку, а белки, возможно, должны высвобождаться в внеклеточный матрикс, Наличие избирательно проницаемой мембраны позволяет клетке осуществлять контроль за количеством, временем и скоростью движения этих молекул.
Движение через избирательно проницаемую мембрану может происходить активно или пассивно. Например, молекулы воды могут пассивно перемещаться через небольшие поры на мембране. Точно так же углекислый газ, выпущенный как побочный продукт дыхания, быстро диффундирует из клетки. Некоторые молекулы активно транспортируются. Например, клетки почки расходуют энергию, чтобы поглотить всю глюкозу, аминокислоты и витамины из клубочкового фильтрата даже против градиент концентрации, Отказ этого процесса приводит к наличию глюкозы или побочных продуктов белкового обмена в моче; Сказочный признак диабета.
Структура селективно проницаемых мембран
Клеточные мембраны нелегко визуализировать с помощью световых микроскопов. Таким образом, гипотезы об их существовании возникли только в конце 19 века, спустя почти двести лет после того, как были обнаружены первые клетки. В разных точках разные модели пытались объяснить, как структура мембраны поддерживает ее функцию. Первоначально мембрана должна была представлять собой простой липидный слой, определяющий цитозоль из внеклеточной области. Впоследствии модели включали полупроницаемые гелеобразные области в липидном море, чтобы объяснить движение воды, но не заряженных частиц. После этого было предложено наличие пор, позволяющих небольшим молекулам свободно перемещаться.
В настоящее время клеточная мембрана Говорят, что он сделан из избирательно проницаемого фосфолипид бислой, чьи гидрофильные домены обращены к водной среде внутри и снаружи клетки, и гидрофобный домены сталкиваются друг с другом, образуя бислой. Эта липидный бислой акцентируется молекулами холестерина, гликолипидами и белками, которые либо закрепляются, либо пересекают всю мембрану. Эти белки образуют каналы, поры или затворы для поддержания селективной проницаемости ионов, сигнальных молекул и макромолекул в зависимости от требований клетки.
Функция селективной проницаемости
Селективная проницаемость имеет решающее значение для создания совершенно другой среды внутри клетки по сравнению с внеклеточным матриксом. Это одинаково важно для поддержания целостности различных органелл внутри клетки. каждый органеллы представляет собой небольшое отделение со специализированной функцией, требующей оптимальной концентрации белков, малых молекул и ионов. Например, клеточное дыхание внутри митохондрия требует, чтобы белки, которые способствуют этому процессу, избирательно импортировались в органеллу, и на его внутреннюю химию не влияли другие метаболические процессы организма. цитоплазма, Точно так же после того, как нейрон передает электрохимический сигнал, он должен восстановиться и вернуться к своему потенциалу покоя, чтобы включить следующий раунд возбуждающей активности. То же самое происходит в каждом сердечная мышца клетка каждый раз сердце бьет. Эти быстрые и крупномасштабные изменения электрохимических свойств этих клеток необходимы для их функционирования и требуют наличия мембраны, которая является избирательно проницаемой.
Избирательная проницаемость мембран особенно важна для транспорта через ядерную мембрану в эукариотических клетках. Белки, нуклеиновые кислоты и нуклеотиды, участвующие в транскрипция должны избирательно и эффективно транспортироваться в ядро, а продукты транскрипции должны своевременно экспортироваться. Ядро имеет отличную микроокружение по сравнению с цитоплазмой и активный транспорт работают механизмы для поддержания этого различия.
Селективная проницаемость обеспечивается специальными белками, которые проходят через клеточную мембрану. Они участвуют в движении ионов и малых молекул, а также крупных полимеров, таких как РНК и белки. Это движение может быть пассивным или активным – с расходом энергии или без нее.
Например, ионы транспортируются через избирательно проницаемые мембраны через каналы и насосы. Пока каналы для пассивный транспорт Ионные насосы опосредуют первичные активный транспорт против градиента концентрации, с гидролизом высокоэнергетической фосфатной связи.
Активный транспорт также может быть связан с движением другой молекулы. Это может быть либо через белок-симпортер – где две молекулы транспортируются в одном направлении – либо антипортерный белок – где молекулы шунтируются в противоположных направлениях. Принцип в обоих случаях один и тот же – потенциальная энергия, запасенная в электрохимическом градиенте, используется для управления переносом другой молекулы.
Активный и пассивный транспорт через избирательно проницаемые мембраны
Пассивный транспорт бывает двух видов – бесплатный диффузия или облегченная диффузия – и движение всегда вдоль градиента концентрации. Свободная диффузия чаще всего наблюдается при движении незаряженных молекул, таких как диоксид углерода или этанол, через клеточную мембрану без участия каких-либо других молекул.
Трансмембранный транспорт также может осуществляться активно, с затратами энергии. Активный транспорт включает в себя гидролиз терминала фосфатная группа в АТФ или ГТП для питания движения молекул против градиента их концентрации. Например, в большинстве клеток имеется большой избыток ионов натрия во внеклеточной среде вместе с избытком ионов калия внутри клетки. Это достигается с помощью трансмембранного фермента, называемого Na + / K + ATPase, который катализирует движение трех ионов Na + за пределы клетки вместе с импортом двух ионов K +. Для каждого такого транспортного цикла фермент использует энергию, выделяемую при превращении одной молекулы АТФ в АДФ. Это называется первичным активным транспортом, где движение напрямую связано с гидролизом высокоэнергетической фосфатной связи. Подобный процесс используется для накачки протонов против градиента их концентрации, и это является важной частью обоих фотосинтез и клеточное дыхание.
Градиенты ионов H +, Na + и K + используются для управления другими процессами посредством вторичного активного транспорта, где дифференциальные электрохимические концентрации обеспечивают движущую силу для других энергоемких процессов, таких как транспорт аминокислот или глюкозы. Например, поглощение глюкозы в кишечнике связано с транспортом ионов Na +. Это пример симпорта, когда ионы натрия и молекулы глюкозы импортируются в клетку. Ионы натрия также участвуют в движении другой заряженной молекулы – Ca2 +. Натриево-кальциевый обменник использует движение Na + вдоль своего градиента для управления встречным переносом Ca2 +. Это особенно важно при движении ионов кальция в больших количествах, таких как нейроны, сердечные клетки, и для поддержания низкой концентрации кальция в митохондрии.
- Электронный микроскоп – Микроскоп, который использует пучок электронов для освещения образца, достигая чрезвычайно высокого увеличения и разрешения.
- Внеклеточный матрикс – Неклеточный компонент тканей и органов, состоящий из воды, белков и полисахаридов, который обеспечивает физическую, биомеханическую и биохимическую поддержку клеток.
- гидрофильно – Молекула, которая притягивается к воде.
- Ран – Небольшой белок, который направляет транспорт через ядерную мембрану на основе его связывания с гуанозиновыми динуклеотидами и тринуклеотидами.
викторина
1. Какой из этих белков участвует в транспорте ядер?A. ImportinB. ExportinC. RanGTPD. Все вышеперечисленное
Ответ на вопрос № 1
D верно. Importins опосредуют движение в ядро, exportins помогают движению молекул из ядра. RanGTP участвует в обоих этих процессах.
2. Какая из этих молекул свободно диффундирует через небольшие поры на клеточной мембране?A. глюкозаB. ATPC. водаD. Ни один из вышеперечисленных
Ответ на вопрос № 2
С верно. Поры состоят из трансмембранных белков, называемых аквапоринами. Глюкоза транспортируется либо посредством облегченной диффузии, либо посредством активного транспорта против ее градиента концентрации. АТФ представляет собой заряженную молекулу и поэтому не может свободно диффундировать через липидный бислой.
3. Выберите молекулу, которая НЕ нуждается в активном транспорте для перемещения через клеточную мембрану.A. Ионы натрияB. Углекислый газC. АминокислотыD. Ионы калия
Ответ на вопрос № 3
В верно. Он может даже диффундировать через каналы аквапоринов. Все остальные три являются заряженными частицами и не могут диффундировать через клеточную мембрану.