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Lezione 05: Membrane e trasporti - Biologia

Lezione 05: Membrane e trasporti - Biologia


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Panoramica delle membrane

Le membrane plasmatiche racchiudono e definiscono i confini tra l'interno e l'esterno delle cellule. Inoltre, la membrana plasmatica deve, in alcuni casi, essere sufficientemente flessibile da consentire a determinate cellule, come le amebe, di cambiare forma e direzione mentre si muovono attraverso l'ambiente, cacciando organismi unicellulari più piccoli.

Membrane cellulari

Un sottoobiettivo nella nostra sfida di progettazione "costruisci una cella" è creare un confine che separi l'"interno" della cellula dall'ambiente "esterno". Questo confine deve servire più funzioni che includono:

  1. Agire come una barriera impedendo ad alcuni composti di entrare e uscire dalla cellula.
  2. Essere selettivamente permeabili per trasportare composti specifici dentro e fuori la cellula.
  3. Ricevi, percepisci e trasmetti segnali dall'ambiente all'interno della cellula.
  4. Proietta "sé" agli altri comunicando identità ad altre cellule vicine.

Figura 1. Il diametro di un palloncino tipico è di 25 cm e lo spessore della plastica del palloncino di circa 0,25 mm. Questa è una differenza di 1000 volte. Una tipica cellula eucariotica avrà un diametro cellulare di circa 50 µm e uno spessore della membrana cellulare di 5 nm. Questa è una differenza di 10.000 volte.

Nota: possibile discussione

Il rapporto tra lo spessore della membrana rispetto alle dimensioni di una cellula eucariotica media è molto maggiore rispetto a quello di un palloncino allungato con l'aria. Pensare che il confine tra vita e non vita sia così piccolo, e apparentemente fragile, più di un palloncino, suggerisce che strutturalmente la membrana debba essere relativamente stabile. Discutere perché le membrane cellulari sono stabili. Dovrai attingere alle informazioni che abbiamo già trattato in questa classe.

Modello a mosaico fluido

L'esistenza della membrana plasmatica è stata identificata nel 1890 e i suoi componenti chimici nel 1915. I componenti principali identificati a quel tempo erano lipidi e proteine. Il primo modello ampiamente accettato della struttura della membrana plasmatica fu proposto nel 1935 da Hugh Davson e James Danielli; si basava sull'aspetto "a binario ferroviario" della membrana plasmatica nelle prime micrografie elettroniche. Hanno teorizzato che la struttura della membrana plasmatica assomiglia a un sandwich, con le proteine ​​​​analoghe al pane e i lipidi analoghi al ripieno. Negli anni '50, i progressi della microscopia, in particolare la microscopia elettronica a trasmissione (TEM), hanno permesso ai ricercatori di vedere che il nucleo della membrana plasmatica era costituito da un doppio, anziché da un singolo, strato. Un nuovo modello che spiega meglio sia le osservazioni microscopiche che la funzione di quella membrana plasmatica è stato proposto da S.J. Cantante e Garth L. Nicolson nel 1972.

La spiegazione proposta da Singer e Nicolson si chiama Modello a mosaico fluido. Il modello si è evoluto un po' nel tempo, ma rappresenta ancora meglio la struttura e le funzioni della membrana plasmatica così come le intendiamo oggi. Il modello a mosaico fluido descrive la struttura della membrana plasmatica come un mosaico di componenti, inclusi fosfolipidi, colesterolo, proteine ​​e carboidrati, che conferisce alla membrana un carattere fluido. Le membrane plasmatiche variano da 5 a 10 nm di spessore. Per confronto, i globuli rossi umani, visibili al microscopio ottico, sono larghi circa 8 µm, o circa 1.000 volte più larghi di una membrana plasmatica.

figura 2. Il modello a mosaico fluido della membrana plasmatica descrive la membrana plasmatica come una combinazione fluida di fosfolipidi, colesterolo e proteine. I carboidrati attaccati ai lipidi (glicolipidi) e alle proteine ​​(glicoproteine) si estendono dalla superficie rivolta verso l'esterno della membrana.

I componenti principali di una membrana plasmatica sono lipidi (fosfolipidi e colesterolo), proteine ​​e carboidrati. Le proporzioni di proteine, lipidi e carboidrati nella membrana plasmatica variano a seconda dell'organismo e del tipo di cellula, ma per una tipica cellula umana le proteine ​​rappresentano circa il 50 percento della composizione in massa, i lipidi (di tutti i tipi) rappresentano circa il 40 percento della composizione in massa e i carboidrati rappresentano il restante 10 percento della composizione in massa. Tuttavia, la concentrazione di proteine ​​e lipidi varia con le diverse membrane cellulari. Ad esempio, la mielina, una conseguenza della membrana di cellule specializzate, isola gli assoni dei nervi periferici, contiene solo il 18% di proteine ​​e il 76% di lipidi. La membrana mitocondriale interna contiene il 76% di proteine ​​e solo il 24% di lipidi. La membrana plasmatica dei globuli rossi umani è costituita per il 30% da lipidi. I carboidrati sono presenti solo sulla superficie esterna della membrana plasmatica e sono attaccati alle proteine, formando glicoproteine, o attaccato ai lipidi, formando glicolipidi.

Fosfolipidi

Fosfolipidi sono i principali costituenti della membrana cellulare, lo strato più esterno delle cellule. Come i grassi, sono composti da catene di acidi grassi attaccate a un gruppo di testa polare. Nello specifico, ci sono due code di acidi grassi e un gruppo fosfato come gruppo di testa polare. Il fosfolipide è un anfipatico molecola, nel senso che ha una parte idrofoba e una parte idrofila. Le catene di acidi grassi sono idrofobe e non possono interagire con l'acqua, mentre il gruppo di testa contenente fosfato è idrofilo e interagisce con l'acqua.

Nota

Assicurati di notare nella Figura 3 che il gruppo fosfato ha un gruppo R collegato a uno degli atomi di ossigeno. R è una variabile comunemente usata in questi tipi di diagrammi per indicare che qualche altro atomo o molecola è legato in quella posizione. Quella parte della molecola può essere diversa nei diversi fosfolipidi e impartirà una chimica diversa all'intera molecola. Al momento, tuttavia, sei responsabile di essere in grado di riconoscere questo tipo di molecola (non importa quale sia il gruppo R) a causa degli elementi principali comuni: la spina dorsale di glicerolo, il gruppo fosfato e le due code di idrocarburi.

Figura 3. Un fosfolipide è una molecola con due acidi grassi e un gruppo fosfato modificato attaccato a uno scheletro di glicerolo. Il fosfato può essere modificato mediante l'aggiunta di gruppi chimici carichi o polari. Diversi gruppi R chimici possono modificare il fosfato. Qui sono mostrati colina, serina ed etanolamina. Questi si attaccano al gruppo fosfato nella posizione etichettata R tramite i loro gruppi ossidrile.
Attribuzione: Marc T. Facciotti (opera propria)

Un doppio strato fosfolipidico si forma come struttura di base della membrana cellulare. Le code degli acidi grassi dei fosfolipidi sono rivolte verso l'interno, lontano dall'acqua, mentre il gruppo fosfato è rivolto verso l'esterno, legandosi all'idrogeno con l'acqua. I fosfolipidi sono responsabili della natura dinamica della membrana plasmatica. I fosfolipidi formeranno spontaneamente una struttura nota come micella in cui le teste idrofile di fosfato sono rivolte verso l'esterno e gli acidi grassi sono rivolti verso l'interno di questa struttura.

Figura 4. In presenza di acqua, alcuni fosfolipidi si organizzeranno spontaneamente in una micella. I lipidi saranno disposti in modo tale che i loro gruppi polari saranno all'esterno della micella e le code non polari saranno all'interno. Si può anche formare un doppio strato lipidico, un foglio a due strati spesso solo pochi nanometri. Il doppio strato lipidico è costituito da due strati di fosfolipidi organizzati in modo tale che tutte le code idrofobiche si allineino fianco a fianco al centro del doppio strato e siano circondate dai gruppi di teste idrofile.
Fonte: Creato da Erin Easlon (opera propria)

Nota: possibile discussione

Sopra si dice che se dovessi prendere dei fosfolipidi puri e farli cadere nell'acqua che alcuni se spontaneamente (da soli) formerebbero in micelle. Questo suona molto come qualcosa che potrebbe essere descritto da una storia energetica. Torna alla rubrica della storia dell'energia e prova a iniziare a creare una storia dell'energia per questo processo—mi aspetto che i passaggi che coinvolgono la descrizione dell'energia potrebbero essere difficili a questo punto (ci torneremo più avanti) ma dovresti essere in grado eseguire almeno i primi tre passaggi. Puoi criticare in modo costruttivo (educatamente) il lavoro dell'altro per creare una storia ottimizzata.

Nota: possibile discussione

Si noti che il fosfolipide raffigurato sopra ha un gruppo R legato al gruppo fosfato. Ricorda che questa designazione è generica: questi possono essere diversi dai gruppi R sugli amminoacidi. Quale potrebbe essere un vantaggio/scopo di "funzionalizzare" o "decorare" diversi lipidi con diversi gruppi R? Si pensi ai requisiti funzionali per le membrane stipulati sopra.

Proteine ​​di membrana

Le proteine ​​costituiscono il secondo componente principale delle membrane plasmatiche. proteine ​​integrali (alcuni tipi specializzati sono chiamati integrine) sono, come suggerisce il nome, integrati completamente nella struttura della membrana e le loro regioni idrofobe che attraversano la membrana interagiscono con la regione idrofoba del doppio strato fosfolipidico. Le proteine ​​di membrana integrali a passaggio singolo di solito hanno un segmento transmembrana idrofobo che consiste di 20-25 amminoacidi. Alcuni si estendono solo su una parte della membrana, associandosi a un singolo strato, mentre altri si estendono da un lato all'altro della membrana e sono esposti su entrambi i lati. Alcune proteine ​​complesse sono composte da un massimo di 12 segmenti di una singola proteina, che sono ampiamente ripiegati e incorporati nella membrana. Questo tipo di proteina ha una o più regioni idrofile e una o più regioni leggermente idrofobe. Questa disposizione delle regioni della proteina tende ad orientare la proteina lungo i fosfolipidi, con la regione idrofoba della proteina adiacente alle code dei fosfolipidi e la regione o le regioni idrofile della proteina che sporgono dalla membrana e a contatto con il citosol o fluido extracellulare. Proteine ​​periferiche si trovano sulle superfici esterne o interne delle membrane; e debolmente o temporaneamente associati alle membrane. Possono essere attaccati (interagire con) sia alle proteine ​​integrali di membrana o semplicemente interagire debolmente con i fosfolipidi all'interno della membrana.

Figura 5. Le proteine ​​di membrana integrale possono avere una o più α-eliche (cilindri rosa) che attraversano la membrana (esempi 1 e 2), oppure possono avere ?-fogli (rettangoli blu) che attraversano la membrana (esempio 3). (credito: “Foobar”/Wikimedia Commons)

Carboidrati

I carboidrati sono il terzo componente principale delle membrane plasmatiche. Si trovano sempre sulla superficie esterna delle cellule e sono legati o alle proteine ​​(formando glicoproteine) o ai lipidi (formando glicolipidi). Queste catene di carboidrati possono consistere di 2-60 unità di monosaccaridi e possono essere diritte o ramificate. Insieme alle proteine ​​periferiche, i carboidrati formano siti specializzati sulla superficie cellulare che consentono alle cellule di riconoscersi reciprocamente (uno dei requisiti funzionali fondamentali sopra menzionati nelle "membrane cellulari").

Fluidità della membrana

La caratteristica musiva della membrana, descritta nel modello a mosaico fluido, aiuta ad illustrarne la natura. Le proteine ​​e i lipidi integrali esistono nella membrana come molecole separate e "galleggiano" nella membrana, muovendosi un po' l'una rispetto all'altra. La membrana non è però come un palloncino che può espandersi e contrarsi; è piuttosto rigido e può scoppiare se penetrato o se una cellula assorbe troppa acqua. Tuttavia, a causa della sua natura a mosaico, un ago molto sottile può facilmente penetrare in una membrana plasmatica senza provocarne lo scoppio, e la membrana scorrerà e si autosigillarà quando l'ago viene estratto.

Le caratteristiche del mosaico della membrana spiegano in parte, ma non tutta, la sua fluidità. Ci sono altri due fattori che aiutano a mantenere questa caratteristica fluida. Un fattore è la natura dei fosfolipidi stessi. Nella loro forma satura, gli acidi grassi nelle code dei fosfolipidi sono saturati con atomi di idrogeno legati. Non ci sono doppi legami tra atomi di carbonio adiacenti. Ciò si traduce in code relativamente diritte. Al contrario, gli acidi grassi insaturi non contengono un numero massimo di atomi di idrogeno, ma contengono alcuni doppi legami tra atomi di carbonio adiacenti; un doppio legame provoca una curvatura della stringa di atomi di carbonio di circa 30 gradi.

Figura 6. Ogni membrana cellulare sarà composta da una combinazione di fosfolipidi saturi e insaturi. Il rapporto tra i due influenzerà la permeabilità e la fluidità della membrana. Una membrana composta da lipidi completamente saturi sarà densa e meno fluida, e una membrana composta da lipidi completamente insaturi sarà molto lasca e molto fluida.

Nota: possibile discussione

Si possono trovare organismi che vivono in condizioni di temperatura estreme. Sia nel freddo estremo che nel caldo estremo. Quali tipi di differenze ti aspetteresti di vedere nella composizione lipidica degli organismi che vivono a questi estremi?

Gli acidi grassi saturi, con la coda dritta, vengono compressi al diminuire della temperatura e si comprimono l'uno sull'altro, formando una membrana densa e abbastanza rigida. Quando gli acidi grassi insaturi vengono compressi, le code "attorcigliate" allontanano le molecole di fosfolipidi adiacenti, mantenendo uno spazio tra le molecole di fosfolipidi. Questa "stanza del gomito" aiuta a mantenere la fluidità nella membrana a temperature alle quali le membrane con alte concentrazioni di code di acidi grassi saturi si "congelano" o si solidificano. La relativa fluidità della membrana è particolarmente importante in un ambiente freddo. Un ambiente freddo tende a comprimere membrane composte in gran parte da acidi grassi saturi, rendendole meno fluide e più suscettibili alla rottura. Molti organismi (i pesci ne sono un esempio) sono in grado di adattarsi agli ambienti freddi modificando la proporzione di acidi grassi insaturi nelle loro membrane in risposta all'abbassamento della temperatura.

Colesterolo

Gli animali hanno un costituente di membrana aggiuntivo che aiuta a mantenere la fluidità. Il colesterolo, che si trova accanto ai fosfolipidi nella membrana, tende a smorzare gli effetti della temperatura sulla membrana. Pertanto, questo lipide funziona come un tampone di fluidità, impedendo a temperature più basse di inibire la fluidità e impedendo che temperature più elevate aumentino troppo la fluidità. Pertanto, il colesterolo estende, in entrambe le direzioni, l'intervallo di temperatura in cui la membrana è opportunamente fluida e quindi funzionale. Il colesterolo svolge anche altre funzioni, come organizzare gruppi di proteine ​​transmembrana in zattere lipidiche.

Figura 7. Il colesterolo si inserisce tra i gruppi fosfolipidi all'interno della membrana.

Revisione dei componenti della membrana

Membrane Archeali

Una delle principali differenze tra archaea ed eucarioti o batteri è la composizione delle membrane archeali. A differenza degli eucarioti e dei batteri, le membrane archeali non sono costituite da acidi grassi attaccati a uno scheletro di glicerolo. Invece, i lipidi polari sono costituiti da catene di isoprenoidi (molecole derivate dai cinque lipidi di carbonio isoprene) di 20-40 atomi di carbonio di lunghezza. Queste catene, che di solito sono sature, sono attaccate da etere si lega ai carboni del glicerolo nelle posizioni 2 e 3 sulla spina dorsale del glicerolo, invece del più familiare estere legame trovato nei batteri e negli eucarioti. I gruppi della testa polare differiscono in base al genere o alla specie degli Archaea e sono costituiti da miscele di gruppi glicogeni (principalmente disaccaridi) e/o gruppi fosforici principalmente di fosfoglicerolo, fosfoserina, fosfoetanolamina o fosfoinositolo. La stabilità intrinseca e le caratteristiche uniche dei lipidi archeali li rende un utile biomarcatore per gli archei all'interno di campioni ambientali.

Una seconda differenza tra membrane batteriche e archeali che è associata a alcuni archaea è la presenza di membrane monostrato, come illustrato di seguito. Si noti che la catena isoprenoide è attaccata alle spine dorsali di glicerolo ad entrambe le estremità, formando una singola molecola costituita da due gruppi di teste polari attaccati tramite due catene isoprenoidi.

Figura 8. La superficie esterna della membrana plasmatica arcaica non è identica alla superficie interna della stessa membrana.

Figura 9. Confronti tra diversi tipi di lipidi arcaici e lipidi batterici/eucariotici

Nota: possibile discussione

In molti casi, anche se non tutti, gli archaea sono relativamente abbondanti in ambienti che rappresentano gli estremi per la vita (ad esempio, temperatura elevata, sale alto). Quale possibile vantaggio potrebbero fornire le membrane monostrato?

Trasporto a membrana

I componenti e le funzioni della membrana plasmatica

Componente

Posizione

Fosfolipide

Tessuto principale della membrana

Colesterolo

Tra fosfolipidi e tra i due strati fosfolipidici delle cellule animali

Proteine ​​integrali (es. integrine)

Incorporato all'interno dello strato o degli strati fosfolipidici; può o non può penetrare attraverso entrambi gli strati

Proteine ​​periferiche

Sulla superficie interna o esterna del doppio strato fosfolipidico; non incorporato nei fosfolipidi

Carboidrati (componenti di glicoproteine ​​e glicolipidi)

Generalmente attaccato alle proteine ​​sullo strato di membrana esterno

Panoramica della sezione

La chimica degli esseri viventi si verifica in soluzioni acquose e il bilanciamento delle concentrazioni di tali soluzioni è un problema in corso. Nei sistemi viventi, la diffusione di sostanze dentro e fuori le cellule è mediata dalla membrana plasmatica. Le forme passive di trasporto, diffusione e osmosi spostano materiali non polari di piccolo peso molecolare attraverso le membrane. Le sostanze si diffondono dalle aree ad alta concentrazione alle aree a minore concentrazione e questo processo continua fino a quando la sostanza è distribuita uniformemente in un sistema. Nelle soluzioni contenenti più di una sostanza, ogni tipo di molecola diffonde secondo il proprio gradiente di concentrazione, indipendentemente dalla diffusione di altre sostanze. Alcuni materiali si diffondono facilmente attraverso la membrana, ma altri sono ostacolati e il loro passaggio è reso possibile da proteine ​​specializzate, come canali e trasportatori.

Trasporto attraverso la membrana

Una delle grandi meraviglie della membrana cellulare è la sua capacità di regolare la concentrazione di sostanze all'interno della cellula. Queste sostanze includono ioni come Ca2+, N / A+, K+e Cl; nutrienti inclusi zuccheri, acidi grassi e amminoacidi; e prodotti di scarto, in particolare l'anidride carbonica (CO2), che deve lasciare la cella.

Sottoproblema della sfida di progettazione:

Controllare ciò che entra ed esce dalla cella.

La struttura a doppio strato lipidico della membrana fornisce il primo livello di controllo. I fosfolipidi sono strettamente impacchettati insieme e la membrana ha un interno idrofobo. Questa struttura fa sì che la membrana sia selettivamente permeabile. Una membrana che ha permeabilità selettiva consente solo alle sostanze che soddisfano determinati criteri di attraversarlo senza aiuto. Nel caso della membrana cellulare, solo materiali relativamente piccoli e non polari possono muoversi attraverso il doppio strato lipidico a velocità biologicamente rilevanti (ricordate, le code lipidiche della membrana non sono polari). Le velocità di trasporto delle varie molecole sono tabulate nella sezione Membrane. Tutte le sostanze che si muovono attraverso la membrana lo fanno con uno dei due metodi generali, che sono classificati in base al fatto che il processo di trasporto sia esoergonico o endergonico. Trasporto passivo è il movimento esoergonico delle sostanze attraverso la membrana. In contrasto, trasporto attivo è il movimento endoergonico di sostanze attraverso la membrana che è accoppiato a una reazione esoergonica.

Trasporto passivo

Trasporto passivo non richiede alla cellula di consumare energia. Nel trasporto passivo, le sostanze si spostano da un'area di maggiore concentrazione a un'area di minore concentrazione, lungo il gradiente di concentrazione ed energeticamente favorevole. A seconda della natura chimica della sostanza, al trasporto passivo possono essere associati processi diversi.

Diffusione

Diffusione è un processo passivo di trasporto. Una singola sostanza tende a spostarsi da un'area ad alta concentrazione a un'area a bassa concentrazione fino a quando la concentrazione è uguale in uno spazio. Hai familiarità con la diffusione di sostanze attraverso l'aria. Ad esempio, pensa a qualcuno che apre una bottiglia di ammoniaca in una stanza piena di persone. Il gas di ammoniaca è alla sua massima concentrazione nella bottiglia; la sua concentrazione più bassa è ai bordi della stanza. Il vapore di ammoniaca si diffonderà, o si allontanerà, dalla bottiglia e, gradualmente, sempre più persone sentiranno l'odore dell'ammoniaca mentre si diffonde. I materiali si muovono all'interno del citosol della cellula per diffusione e alcuni materiali si muovono attraverso la membrana plasmatica per diffusione.

Figura 1. La diffusione attraverso una membrana permeabile sposta una sostanza da un'area ad alta concentrazione (liquido extracellulare, in questo caso) lungo il suo gradiente di concentrazione (nel citoplasma). Ogni sostanza separata in un mezzo, come il fluido extracellulare, ha il proprio gradiente di concentrazione, indipendente dai gradienti di concentrazione di altri materiali. Inoltre, ogni sostanza si diffonderà secondo quel gradiente. All'interno di un sistema, ci saranno diverse velocità di diffusione delle diverse sostanze nel mezzo.

(Attribuzione: Mariana Ruiz Villareal, modificata)

Fattori che influenzano la diffusione

Se non vincolate, le molecole si muoveranno attraverso ed esploreranno lo spazio in modo casuale a una velocità che dipende dalle loro dimensioni, dalla loro forma, dal loro ambiente e dalla loro energia termica. Questo tipo di movimento è alla base del movimento diffusivo delle molecole attraverso qualunque mezzo si trovino. L'assenza di un gradiente di concentrazione non significa che questo movimento si fermerà, solo che potrebbe non esserci netto movimento del numero di molecole da un'area all'altra, una condizione nota come equilibrio dinamico.

I fattori che influenzano la diffusione includono:

  • Estensione del gradiente di concentrazione: maggiore è la differenza di concentrazione, più rapida è la diffusione. Più la distribuzione del materiale si avvicina all'equilibrio, più lenta diventa la velocità di diffusione.
  • Forma, dimensione e massa delle molecole che diffondono: le molecole grandi e pesanti si muovono più lentamente; pertanto, si diffondono più lentamente. Il contrario è in genere vero per molecole più piccole e più leggere.
  • Temperatura: Temperature più elevate aumentano l'energia e quindi il movimento delle molecole, aumentando la velocità di diffusione. Temperature più basse diminuiscono l'energia delle molecole, diminuendo così la velocità di diffusione.
  • Densità del solvente: All'aumentare della densità di un solvente, la velocità di diffusione diminuisce. Le molecole rallentano perché hanno più difficoltà a passare attraverso il mezzo più denso. Se il mezzo è meno denso, i tassi di diffusione aumentano. Poiché le cellule utilizzano principalmente la diffusione per spostare i materiali all'interno del citoplasma, qualsiasi aumento della densità del citoplasma ridurrà la velocità con cui i materiali si muovono nel citoplasma.
  • Solubilità: come discusso in precedenza, i materiali non polari o liposolubili passano più facilmente attraverso le membrane plasmatiche rispetto ai materiali polari, consentendo una velocità di diffusione più rapida.
  • Area superficiale e spessore della membrana plasmatica: l'aumento dell'area superficiale aumenta la velocità di diffusione, mentre una membrana più spessa la riduce.
  • Distanza percorsa: maggiore è la distanza che una sostanza deve percorrere, minore è la velocità di diffusione. Questo pone un limite superiore alla dimensione delle celle. Una grande cellula sferica morirà perché i nutrienti oi rifiuti non possono raggiungere o lasciare il centro della cellula, rispettivamente. Pertanto, le cellule devono essere di piccole dimensioni, come nel caso di molti procarioti, o appiattite, come in molti eucarioti unicellulari.

Trasporto facilitato

In trasporto agevolato, chiamata anche diffusione facilitata, i materiali si diffondono attraverso la membrana plasmatica con l'aiuto di proteine ​​di membrana. Esiste un gradiente di concentrazione che consente a questi materiali di diffondersi all'interno o all'esterno della cellula senza consumare energia cellulare. Nel caso in cui i materiali siano ioni o molecole polari, composti che vengono respinti dalle parti idrofobiche della membrana cellulare, le proteine ​​di trasporto facilitato aiutano a proteggere questi materiali dalla forza repulsiva della membrana, permettendo loro di diffondersi nella cellula.

Nota: possibile discussione

Confrontare e contrastare la diffusione passiva e la diffusione facilitata.

Canali

Le proteine ​​integrali coinvolte nel trasporto facilitato sono indicate collettivamente come proteine ​​di trasporto, e funzionano come canali per il materiale o come vettori. In entrambi i casi, sono proteine ​​transmembrana. Diverse proteine ​​canale hanno proprietà di trasporto diverse. Alcuni si sono evoluti per avere una specificità molto elevata per la sostanza che viene trasportata, mentre altri trasportano una varietà di molecole che condividono alcune caratteristiche comuni. Il "passaggio" interno di proteine ​​canale si sono evoluti per fornire una barriera energetica bassa per il trasporto di sostanze attraverso la membrana attraverso la disposizione complementare di gruppi funzionali di amminoacidi (sia della spina dorsale che delle catene laterali). Il passaggio attraverso il canale consente ai composti polari di evitare lo strato centrale non polare della membrana plasmatica che altrimenti rallenterebbe o impedirebbe il loro ingresso nella cellula. Mentre in qualsiasi momento quantità significative di acqua attraversano la membrana sia all'interno che all'esterno, la velocità di trasporto delle singole molecole d'acqua potrebbe non essere abbastanza veloce da adattarsi alle mutevoli condizioni ambientali. Per tali casi la Natura ha sviluppato una classe speciale di proteine ​​di membrana chiamate acquaporine che consentono all'acqua di passare attraverso la membrana ad una velocità molto elevata.

Figura 2: Il trasporto facilitato sposta le sostanze lungo i loro gradienti di concentrazione. Possono attraversare la membrana plasmatica con l'aiuto di proteine ​​canale.

(Attribuzione: Mariana Ruiz Villareal, modificata.)

Le proteine ​​canale sono sempre aperte o sono "gate". Quest'ultimo controlla l'apertura del canale. Vari meccanismi possono essere coinvolti nel meccanismo di gating. Ad esempio, l'attacco di uno ione specifico o di una piccola molecola alla proteina canale può innescare l'apertura. Anche i cambiamenti nello "stress" locale della membrana o i cambiamenti nel voltaggio attraverso la membrana possono essere fattori scatenanti per aprire o chiudere un canale.

Organismi e tessuti diversi nelle specie multicellulari esprimono diversi insiemi di proteine ​​canale nelle loro membrane a seconda degli ambienti in cui vivono o della funzione specializzata che svolgono in un organismo. Ciò fornisce a ciascun tipo di cellula un profilo di permeabilità della membrana unico che si è evoluto per completare le sue "esigenze" (notare l'antropomorfismo). Ad esempio, in alcuni tessuti, gli ioni sodio e cloruro passano liberamente attraverso canali aperti, mentre in altri tessuti deve essere aperta una porta per consentire il passaggio. Ciò si verifica nel rene, dove entrambe le forme di canali si trovano in diverse parti dei tubuli renali. Le cellule coinvolte nella trasmissione degli impulsi elettrici, come le cellule nervose e muscolari, hanno canali chiusi per sodio, potassio e calcio nelle loro membrane. L'apertura e la chiusura di questi canali modifica le concentrazioni relative sui lati opposti della membrana di questi ioni, determinando un cambiamento nel potenziale elettrico attraverso la membrana che porta alla propagazione del messaggio nel caso delle cellule nervose o alla contrazione muscolare nel caso delle cellule muscolari .

Proteine ​​Carrie

Un altro tipo di proteina incorporata nella membrana plasmatica è a proteina di trasporto. Questa proteina giustamente chiamata lega una sostanza e, così facendo, innesca un cambiamento della propria forma, spostando la molecola legata dall'esterno della cellula al suo interno; a seconda della pendenza, il materiale può spostarsi nella direzione opposta. Le proteine ​​trasportatrici sono tipicamente specifiche per una singola sostanza. Questa selettività si aggiunge alla selettività complessiva della membrana plasmatica. Il meccanismo di funzionamento su scala molecolare di queste proteine ​​rimane poco compreso.

Figura 3: Alcune sostanze sono in grado di abbassare il loro gradiente di concentrazione attraverso la membrana plasmatica con l'aiuto di proteine ​​di trasporto. Le proteine ​​trasportatrici cambiano forma mentre muovono le molecole attraverso la membrana.

(Attribuzione: Mariana Ruiz Villareal, modificata.)

Le proteine ​​trasportatrici svolgono un ruolo importante nella funzione dei reni. Il glucosio, l'acqua, i sali, gli ioni e gli amminoacidi necessari all'organismo vengono filtrati in una parte del rene. Questo filtrato, che include il glucosio, viene poi riassorbito in un'altra parte del rene con l'aiuto di proteine ​​trasportatrici. Poiché c'è solo un numero finito di proteine ​​trasportatrici per il glucosio, se è presente più glucosio nel filtrato di quanto le proteine ​​possano gestire, l'eccesso non viene riassorbito ed è escreto dal corpo nelle urine. In un individuo diabetico, questo è descritto come "versamento di glucosio nelle urine". Un diverso gruppo di proteine ​​trasportatrici chiamate proteine ​​di trasporto del glucosio, o GLUT, è coinvolto nel trasporto del glucosio e di altri zuccheri esosi attraverso le membrane plasmatiche all'interno del corpo.

Le proteine ​​di canale e di trasporto trasportano i materiali a velocità diverse. Le proteine ​​canale si trasportano molto più rapidamente delle proteine ​​trasportatrici. Le proteine ​​canale facilitano la diffusione a una velocità di decine di milioni di molecole al secondo, mentre le proteine ​​di trasporto lavorano a una velocità da mille a un milione di molecole al secondo.

Nota: una nota di apprezzamento

Le tariffe di trasporto appena discusse sono sorprendenti. Ricordiamo che questi catalizzatori molecolari sono sulla scala di 10s di nanometri (10-9 metri) e che sono composti da una stringa auto-ripiegante di 20 amminoacidi e dalla selezione relativamente piccola di gruppi funzionali chimici che portano.

Osmosi

Osmosi è il movimento dell'acqua attraverso una membrana semipermeabile secondo il gradiente di concentrazione dell'acqua attraverso la membrana, che è inversamente proporzionale alla concentrazione di soluti. Mentre la diffusione trasporta il materiale attraverso le membrane e all'interno delle cellule, l'osmosi trasporta solo acqua attraverso una membrana e la membrana limita la diffusione dei soluti nell'acqua. Non sorprende che le acquaporine che facilitano il movimento dell'acqua svolgano un ruolo importante nell'osmosi, soprattutto nei globuli rossi e nelle membrane dei tubuli renali.

Meccanismo

L'osmosi è un caso speciale di diffusione. L'acqua, come altre sostanze, si sposta da una zona ad alta concentrazione ad una a bassa concentrazione. Una domanda ovvia è: cosa fa muovere l'acqua? Immagina un bicchiere con una membrana semipermeabile che separa i due lati o metà. Su entrambi i lati della membrana il livello dell'acqua è lo stesso, ma ci sono diverse concentrazioni di una sostanza disciolta, o soluto, that cannot cross the membrane (otherwise the concentrations on each side would be balanced by the solute crossing the membrane). If the volume of the solution on both sides of the membrane is the same, but the concentrations of solute are different, then there are different amounts of water, the solvent, on either side of the membrane.

Figura 4: In osmosis, water always moves from an area of higher water concentration to one of lower concentration. In the diagram shown, the solute cannot pass through the selectively permeable membrane, but the water can.

To illustrate this, imagine two full glasses of water. One has a single teaspoon of sugar in it, whereas the second one contains one-quarter cup of sugar. If the total volume of the solutions in both cups is the same, which cup contains more water? Because the large amount of sugar in the second cup takes up much more space than the teaspoon of sugar in the first cup, the first cup has more water in it.

Returning to the beaker example, recall that it has a mixture of solutes on either side of the membrane. A principle of diffusion is that the molecules move around and will spread evenly throughout the medium if they can. However, only the material capable of getting through the membrane will diffuse through it. In this example, the solute cannot diffuse through the membrane, but the water can. Water has a concentration gradient in this system. Thus, water will diffuse down its concentration gradient, crossing the membrane to the side where it is less concentrated. This diffusion of water through the membrane—osmosis—will continue until the concentration gradient of water goes to zero or until the hydrostatic pressure of the water balances the osmotic pressure. Osmosis proceeds constantly in living systems.

Tonicity

Tonicity describes how an extracellular solution can change the volume of a cell by affecting osmosis. A solution's tonicity often directly correlates with the osmolarity of the solution. Osmolarity describes the total solute concentration of the solution. A solution with low osmolarity has a greater number of water molecules relative to the number of solute particles; a solution with high osmolarity has fewer water molecules with respect to solute particles. In a situation in which solutions of two different osmolarities are separated by a membrane permeable to water, though not to the solute, water will move from the side of the membrane with lower osmolarity (and more water) to the side with higher osmolarity (and less water). This effect makes sense if you remember that the solute cannot move across the membrane, and thus the only component in the system that can move—the water—moves along its own concentration gradient. An important distinction that concerns living systems is that osmolarity measures the number of particles (which may be molecules) in a solution. Therefore, a solution that is cloudy with cells may have a lower osmolarity than a solution that is clear, if the second solution contains more dissolved molecules than there are cells.

Hypotonic Solutions

Three terms—hypotonic, isotonic, and hypertonic—are used to relate the osmolarity of a cell to the osmolarity of the extracellular fluid that contains the cells. In a hypotonicsituation, the extracellular fluid has lower osmolarity than the fluid inside the cell, and water enters the cell. (In living systems, the point of reference is always the cytoplasm, so the prefix hypo- means that the extracellular fluid has a lower concentration of solutes, or a lower osmolarity, than the cell cytoplasm.) It also means that the extracellular fluid has a higher concentration of water in the solution than does the cell. In this situation, water will follow its concentration gradient and enter the cell.

Hypertonic Solutions

As for a hypertonic solution, the prefix hyper- refers to the extracellular fluid having a higher osmolarity than the cell’s cytoplasm; therefore, the fluid contains less water than the cell does. Because the cell has a relatively higher concentration of water, water will leave the cell.

Isotonic Solutions

In an isotonic solution, the extracellular fluid has the same osmolarity as the cell. If the osmolarity of the cell matches that of the extracellular fluid, there will be no net movement of water into or out of the cell, although water will still move in and out. Blood cells and plant cells in hypertonic, isotonic, and hypotonic solutions take on characteristic appearances.

Connection:

Figure 5: Osmotic pressure changes the shape of red blood cells in hypertonic, isotonic, and hypotonic solutions. (credit: Mariana Ruiz Villareal)

A doctor injects a patient with what the doctor thinks is an isotonic saline solution. The patient dies, and an autopsy reveals that many red blood cells have been destroyed. Do you think the solution the doctor injected was really isotonic?

Link to Learning:

For a video illustrating the process of diffusion in solutions, visit this site.

Tonicity in Living Systems

In a hypotonic environment, water enters a cell, and the cell swells. In an isotonic condition, the relative concentrations of solute and solvent are equal on both sides of the membrane. There is no net water movement; therefore, there is no change in the size of the cell. In a hypertonic solution, water leaves a cell and the cell shrinks. If either the hypo- or hyper- condition goes to excess, the cell’s functions become compromised, and the cell may be destroyed.

A red blood cell will burst, or lyse, when it swells beyond the plasma membrane’s capability to expand. Remember, the membrane resembles a mosaic, with discrete spaces between the molecules composing it. If the cell swells, and the spaces between the lipids and proteins become too large, the cell will break apart.

In contrast, when excessive amounts of water leave a red blood cell, the cell shrinks, or crenates. This has the effect of concentrating the solutes left in the cell, making the cytosol denser and interfering with diffusion within the cell. The cell’s ability to function will be compromised and may also result in the death of the cell.

Various living things have ways of controlling the effects of osmosis—a mechanism called osmoregulation. Some organisms, such as plants, fungi, bacteria, and some protists, have cell walls that surround the plasma membrane and prevent cell lysis in a hypotonic solution. The plasma membrane can only expand to the limit of the cell wall, so the cell will not lyse. In fact, the cytoplasm in plants is always slightly hypertonic to the cellular environment, and water will always enter a cell if water is available. This inflow of water produces turgor pressure, which stiffens the cell walls of the plant. In nonwoody plants, turgor pressure supports the plant. Conversly, if the plant is not watered, the extracellular fluid will become hypertonic, causing water to leave the cell. In this condition, the cell does not shrink because the cell wall is not flexible. However, the cell membrane detaches from the wall and constricts the cytoplasm. This is called plasmolysis. Plants lose turgor pressure in this condition and wilt.

Figure 6: The turgor pressure within a plant cell depends on the tonicity of the solution that it is bathed in. (credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)
Figure 7: Without adequate water, the plant on the left has lost turgor pressure, visible in its wilting; the turgor pressure is restored by watering it (right). (credit: Victor M. Vicente Selvas)

Many marine invertebrates have internal salt levels matched to their environments, making them isotonic with the water in which they live. Fish, however, must spend approximately five percent of their metabolic energy maintaining osmotic homeostasis. Freshwater fish live in an environment that is hypotonic to their cells. These fish actively take in salt through their gills and excrete diluted urine to rid themselves of excess water. Saltwater fish live in the reverse environment, which is hypertonic to their cells, and they secrete salt through their gills and excrete highly concentrated urine.

In vertebrates, the kidneys regulate the amount of water in the body. Osmoreceptors are specialized cells in the brain that monitor the concentration of solutes in the blood. If the levels of solutes increase beyond a certain range, a hormone is released that retards water loss through the kidney and dilutes the blood to safer levels. Animals also have high concentrations of albumin, which is produced by the liver, in their blood. This protein is too large to pass easily through plasma membranes and is a major factor in controlling the osmotic pressures applied to tissues.

Exercise 1

A doctor injects a patient with what the doctor thinks is an isotonic saline solution. Do you think the solution the doctor injected was really isotonic?

Domande di revisione

Exercise 2

The principal force driving movement in diffusion is the __________.

  1. temperature
  2. particle size
  3. concentration gradient
  4. membrane surface area

Exercise 3

What problem is faced by organisms that live in fresh water?

  1. Their bodies tend to take in too much water.
  2. They have no way of controlling their tonicity.
  3. Only salt water poses problems for animals that live in it.
  4. Their bodies tend to lose too much water to their environment.

Free Response

Exercise 4

Why does water move through a membrane?

Active Transport

Riepilogo della sezione

The combined gradient that affects an ion includes its concentration gradient and its electrical gradient. A positive ion, for example, might tend to diffuse into a new area, down its concentration gradient, but if it is diffusing into an area of net positive charge, its diffusion will be hampered by its electrical gradient. When dealing with ions in aqueous solutions, a combination of the electrochemical and concentration gradients, rather than just the concentration gradient alone, must be considered. Living cells need certain substances that exist inside the cell in concentrations greater than they exist in the extracellular space. Moving substances up their electrochemical gradients requires energy from the cell. Active transport uses energy stored in ATP to fuel this transport. Active transport of small molecular-sized materials uses integral proteins in the cell membrane to move the materials: These proteins are analogous to pumps. Some pumps, which carry out primary active transport, couple directly with ATP to drive their action. In co-transport (or secondary active transport), energy from primary transport can be used to move another substance into the cell and up its concentration gradient.

Active Transport

Active transport mechanisms require the use of the cell’s energy, usually in the form of adenosine triphosphate (ATP). If a substance must move into the cell against its concentration gradient—that is, if the concentration of the substance inside the cell is greater than its concentration in the extracellular fluid (and vice versa)—the cell must use energy to move the substance. Some active transport mechanisms move small-molecular weight materials, such as ions, through the membrane. Other mechanisms transport much larger molecules.

Moving Against a Gradient

To move substances against a concentration or electrochemical gradient, the cell must use energy. This energy is harvested from ATP generated through the cell’s metabolism. Active transport mechanisms, collectively called pumps, work against electrochemical gradients. Small substances constantly pass through plasma membranes. Active transport maintains concentrations of ions and other substances needed by living cells in the face of these passive movements. Much of a cell’s supply of metabolic energy may be spent maintaining these processes. (Most of a red blood cell’s metabolic energy is used to maintain the imbalance between exterior and interior sodium and potassium levels required by the cell.) Because active transport mechanisms depend on a cell’s metabolism for energy, they are sensitive to many metabolic poisons that interfere with the supply of ATP.

Two mechanisms exist for the transport of small-molecular weight material and small molecules. Primary active transport moves ions across a membrane and creates a difference in charge across that membrane, which is directly dependent on ATP. Secondary active transport describes the movement of material that is due to the electrochemical gradient established by primary active transport that does not directly require ATP.

Carrier Proteins for Active Transport

An important membrane adaption for active transport is the presence of specific carrier proteins or pumps to facilitate movement: there are three types of these proteins or transporters. UN uniporter carries one specific ion or molecule. UN symporter carries two different ions or molecules, both in the same direction. Un antiporter also carries two different ions or molecules, but in different directions. All of these transporters can also transport small, uncharged organic molecules like glucose. These three types of carrier proteins are also found in facilitated diffusion, but they do not require ATP to work in that process. Some examples of pumps for active transport are Na+-K+ ATPase, which carries sodium and potassium ions, and H+-K+ ATPase, which carries hydrogen and potassium ions. Both of these are antiporter carrier proteins. Two other carrier proteins are Ca2+ ATPase and H+ ATPase, which carry only calcium and only hydrogen ions, respectively. Both are pumps.

Figure 9: A uniporter carries one molecule or ion. A symporter carries two different molecules or ions, both in the same direction. An antiporter also carries two different molecules or ions, but in different directions. (credit: modification of work by “Lupask”/Wikimedia Commons)

Primary Active Transport

In primary active transport, the energy is derived directly from the breakdown of ATP. Often times, primary active transport such as that shown below which functions to transport sodium and potassium ions allows secondary active transport to occur (discussed in the section below). The second transport method is still considered active because it depends on the use of energy from the primary transport.

Figure 10: Primary active transport moves ions across a membrane, creating an electrochemical gradient (electrogenic transport). (credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)

One of the most important pumps in animal cells is the sodium-potassium pump (Na+-K+ ATPase), which maintains the electrochemical gradient (and the correct concentrations of Na+ and K+) in living cells. The sodium-potassium pump moves K+ into the cell while moving Na+ out at the same time, at a ratio of three Na+ for every two K+ ions moved in. The Na+-K+ ATPase exists in two forms, depending on its orientation to the interior or exterior of the cell and its affinity for either sodium or potassium ions. The process consists of the following six steps.

  1. With the enzyme oriented towards the interior of the cell, the carrier has a high affinity for sodium ions. Three ions bind to the protein.
  2. ATP is hydrolyzed by the protein carrier and a low-energy phosphate group attaches to it.
  3. As a result, the carrier changes shape and re-orients itself towards the exterior of the membrane. The protein’s affinity for sodium decreases and the three sodium ions leave the carrier.
  4. The shape change increases the carrier’s affinity for potassium ions, and two such ions attach to the protein. Subsequently, the low-energy phosphate group detaches from the carrier.
  5. With the phosphate group removed and potassium ions attached, the carrier protein repositions itself towards the interior of the cell.
  6. The carrier protein, in its new configuration, has a decreased affinity for potassium, and the two ions are released into the cytoplasm. The protein now has a higher affinity for sodium ions, and the process starts again.

Several things have happened as a result of this process. At this point, there are more sodium ions outside of the cell than inside and more potassium ions inside than out. For every three ions of sodium that move out, two ions of potassium move in. This results in the interior being slightly more negative relative to the exterior. This difference in charge is important in creating the conditions necessary for the secondary process. The sodium-potassium pump is, therefore, an electrogenic pump (a pump that creates a charge imbalance), creating an electrical imbalance across the membrane and contributing to the membrane potential.

Link all'apprendimento

Visit the site to see a simulation of active transport in a sodium-potassium ATPase.

Secondary Active Transport (Co-transport)

Secondary active transport brings sodium ions, and possibly other compounds, into the cell. As sodium ion concentrations build outside of the plasma membrane because of the action of the primary active transport process, an electrochemical gradient is created. If a channel protein exists and is open, the sodium ions will be pulled through the membrane. This movement is used to transport other substances that can attach themselves to the transport protein through the membrane. Many amino acids, as well as glucose, enter a cell this way. This secondary process is also used to store high-energy hydrogen ions in the mitochondria of plant and animal cells for the production of ATP. The potential energy that accumulates in the stored hydrogen ions is translated into kinetic energy as the ions surge through the channel protein ATP synthase, and that energy is used to convert ADP into ATP.

Figure 11: An electrochemical gradient, created by primary active transport, can move other substances against their concentration gradients, a process called co-transport or secondary active transport. (credit: modification of work by Mariana Ruiz Villareal)

If the pH outside the cell decreases, would you expect the amount of amino acids transported into the cell to increase or decrease?

Connections

Exercise 5

Injection of a potassium solution into a person’s blood is lethal; this is used in capital punishment and euthanasia. Why do you think a potassium solution injection is lethal?

Exercise 6

If the pH outside the cell decreases, would you expect the amount of amino acids transported into the cell to increase or decrease?

Domande di revisione

Exercise 7

Active transport must function continuously because __________.

  1. plasma membranes wear out
  2. not all membranes are amphiphilic
  3. facilitated transport opposes active transport
  4. diffusion is constantly moving solutes in opposite directions

Exercise 8

How does the sodium-potassium pump make the interior of the cell negatively charged?

  1. by expelling anions
  2. by pulling in anions
  3. by expelling more cations than are taken in
  4. by taking in and expelling an equal number of cations

Exercise 9

What is the combination of an electrical gradient and a concentration gradient called?

  1. potential gradient
  2. electrical potential
  3. concentration potential
  4. gradiente elettrochimico

Free Response

Exercise 10

Where does the cell get energy for active transport processes?

Exercise 11

How does the sodium-potassium pump contribute to the net negative charge of the interior of the cell?


Lecture 05: Membranes and transport - Biology

C2006/F2402 '05 OUTLINE FOR LECTURE #5 Last updated 02/01/05 05:04 PM

(c) 2005 Dr. Deborah Mowshowitz , Columbia University, New York, NY

1. Kinetics and Properties of each type of Transport -- How you tell the cases apart.

A. Simple Diffusion (Case 1) Curves #1 & #2 refer to diagrams on top of handout 4A.

1. Curve #1 (uptake or concentration of substance X inside plotted vs. time) plateaus at [X]in = [X]out.

2. Curve #2 (uptake of X plotted vs concentration of X added outside) does not saturate.

3. Energy: Rxn ( X in <--> X out) is strictly reversible. (Keq = 1 standard free energy change = 0 at equil. [X]in = [X]out).
Actual free energy change and direction of transport depends on concentration of X. If [X] is higher outside, X will go in and vice versa.

4. Importance . Used by steroid hormones, some small molecules, gases. Only things that are very small or nonpolar can use this mechanism to cross membranes. Materials (usually small molecules) can diffuse into capillaries by diffusing through the liquid in the spaces between the cells. (The cells surrounding capillaries do not have tight junctions, except in the brain.)

B. Carrier mediated Transport = Facilitated Diffusion using a carrier protein (Case 3)

1. Curve #1 same as above.

2. Curve #2 saturates. Vedi Becker fig. 8-6, or Purves 5.11 (5.10 in 5th ed. not in 6th)

3. Mechanism: Carrier acts like enzyme or permease, with Vmax, Km etc. See Becker fig. 8-8.

4. Energy as above -- substance flows down its gradient, so transport is reversible, depending on relative concentrations in and out.

5. Regulation: Activity of transport proteins can be regulated at least 3 ways. Methods a & b are common to many proteins and are only listed here for comparison (details elsewhere). Method c is unique to transmembrane proteins. (This section is about regulation of activity of pre-existing levels of protein. Synthesis and therefore protein levels are also regulated, as will be explained later.)

un. allosteric feedback inhibition/activation of carrier proteins

B. covalent modification (reversible) of the carrier proteins -- common modifications are addition and removal of phosphates see example below (Na + /K + pump)

C. removal/insertion of carrier into membranes .

(1). Newly made membrane proteins are inserted into the membrane of a vesicle, by a mechanism to be discussed later.

(2). Vesicle can fuse with plasma membrane process is reversible.

(un). Fusion of the vesicle with the plasma membrane inserts transport protein into plasma membrane where it can promote transport.

(B). Budding (endocytosis) of a vesicle back into the cytoplasm removes the transport protein and stops transport.

(3). Some channels and/or carrier proteins are regulated in this way -- channel or carrier proteins can be inserted into the membrane (or removed) in response to the appropriate hormonal signals. (An example next time.)

To see how you analyze uptake, try problem 2-1. To summarize everything so far, try 2-4.

1. Curve #1 -- Same as above except

un. Very high rate of transport -- Initial slope of Curve #1 very steep.

B. Channels often conduct ions. This has consequences. Curve #1 plateaus as above with [X]in = [X]out soltanto if X is neutral or there is no electric potential -- see point 4 below.

2. Curve #2 : Shape like simple diffusion (linear, no saturation) at physiological concentrations. (Curve plateaus only at extraordinarily high concentrations, so we are assuming no saturation observed -- extremely high concentrations of X not reached.)

3. Mechanism. Lack of saturation and high rate of transport indicate that max. capacity of channel is very large and is not easily reached. This is explained by one or both of the following:

un. Binding of ion to channel protein is weak (Km >> 1), and/or

B. No major conformational change of channel protein is required for ion to pass through.

See Purves 44.5 (44.6) for comparison of ion pumps and ion channels Becker p. 203 (209) for comparison of carrier and channel proteins. Note that channels are very specific in spite of features a & b -- each channel transports only one or a very small # of related substances. (Mechanism of specificity has been recently figured out for one channel -- see Purves 5.10 or click on link for a nice picture of a channel and an explanation of how K + channels can be selective.)

4 . Terminology. Diffusion through a channel is usually called "facilitated diffusion" because a protein is needed (to form the channel) for transport across the membrane. However, diffusion though a channel is also sometimes called "simple diffusion," because the rate of transport as a function of [X] is generally linear, as for simple diffusion, as explained in point #2 above. In other words, the kinetics of passage through a channel are linear (at physiological concentrations of X), like simple diffusion -- not hyperbolic, as in carrier mediated transport or standard enzyme catalyzed reactions. Perhaps the best term for transport through a channel is "channel mediated diffusion."

un. Some Channels are gated = % time any particular gate is open is controlled (but each individual gate is either open all the way or shut)

(1). Ligand gated -- opens or shuts in response to ligands (= chemicals that bind to substance under discussion). Typical substances that open ligand gated channels are hormones, neurotransmitters, etc. For a picture see Purves 5.9.

(2). Voltage gated -- opens or shuts in response to changes in voltage. Allows transmission of electrical signals as in muscle and nerve -- see Becker figs. 9-9 & 9-10.

(3). Mechanically gated -- opens or shuts in response to pressure. Important in touch, hearing and balance.

B. Some channels are open all the time (ungated) An example = K + leak channels. These allow a little K + to leave or "leak out" of cells, causing cells to have a slight overall negative charge. This is critical to conduction of impulses by nerve and muscle as will be explained in detail later. Why do leak channels only allow "a little" K + to leave? Vedi sotto.

7. Most channels are ion channels -- transport charged particles, not neutral molecules. This raises new energy considerations:

un. Role of charge : If X is charged, need to consider both chemical gradient & voltage (charge gradient). These can both "push" ions the same way or in opposite directions.

B. Result of charge: Keq not usually 1 here -- Curve #1 plateaus when chemical gradient and voltage are balanced (not necessarily at [X]out = [X]in). Example: K + ions stop leaking out of the cell and you reach equilibrium for K + when the charge difference across the cell membrane (which pushes K + in) balances out the concentration difference across the membrane (which pushes K + out).

Vedere problem 2-6, A. Can you rule out transport through a channel?

D. Active Transport (Cases 4 & 5)

1. Curve #1 : when it plateaus, [X]in greater than [X]out -- because movement of substance linked to some other energy releasing reaction. (This assumes we are following the reaction Xout --> X in)

2. Curve #2 saturates. Enzyme-like protein involved -- acts as transporter or pump.

3. Energy: Not readily reversible Keq not = 1 and standard delta G not = zero. Overall reaction usually has large, negative standard delta G because in overall reaction transport of X (uphill, against the gradient) is coupled to a very downhill reaction. The downhill reaction is either

un. Splitting of ATP (in primary active transport), or

B. Running of some ion (say Y) down its gradient (in secondary active transport).

4 . Secondary (Indirect) Active Transport -- How does ATP fit in? Process occurs in 2 steps:

un. Step 1. Preparatory stage: Splitting of ATP sets up a gradient of some ion (say Y), usually a cation.

B. Step 2. Secondary Active Transport Proper: Y runs down its gradient, and the energy obtained is used to drive X up its gradient. Vedi Becker fig. 8-10.

C. Overall: Step (1) is primary active transport step (2) is secondary and can go on (in the absence of ATP) until the Y gradient is dissipated. Note that step (1) cannot occur at all without ATP but step (2) can continue without any ATP (for a while).

5. How do you tell the two types apart? Primary is directly dependent on splitting of ATP secondary will continue even in the absence of ATP until the gradient of Y runs down.

Try problem 2-2.

6. Some Examples & Possible mechanisms (see handout 5B, texts & animations for models). Click on links for animations.

Type of Active Transport

7. Important features of Na + /K + pump (See handout)

un. Enzyme has 2 forms: one faces in (E1), one faces out (E2).

B. Forms have different affinities for K + and Na + . (See handout)

C . Role of Phosphate: addition/removal of phosphate switches the enzyme from one form to the other.

D. Role of enzymes

(1). Use of kinases & phosphatases (for addition/removal of phosphates) is a common way of regulating enzyme activity by reversible covalent modification.

(2). Enzymatic reactions:

(un). phosphorylation -- addition of phosphate groups -- catalyzed by kinases.

Kinases catalyze: X + ATP --> X-P + ADP

(B). dephosphorylation -- removal of phosphate groups -- catalyzed by phosphatases.

Phosphatases catalyze: X-P + H2O --> X + Pio

P (bold) = phosphate group Pio = inorganic phosphate (in solution)

(3). Result of enzyme activity in this case:

Kinase activity (catalyzes phosphorylation) flips enzyme "out" ( E1 --> E2)

Phosphatase activity (catalyzes removal of phosphate) flips enzyme "in" (E2 --> E1)

e. Location of Enzymes: kinase and phosphatase) are part of the pump itself. Not separate proteins.

Binding of Na + on inside activates kinase. Flips enzyme out, dumps Na + , picks up K + .

Binding of K + on outside activates phosphatase. Flips enzyme in, dumps K + , picks up Na + .

g. Stochiometry: 3 Na + out per 2 K + in. Some of charge differential balanced by Cl - transport. Cells are negative on inside relative to outside, but most of charge imbalance is NOT due to pump.

8. Important Features of Na+/Glucose co-transport

un. Enzyme has 2 forms with different affinities for glucose.

B. Role of Na+: Binding of Na + switches the protein from one form to the other alters affinity for glucose.

C. Binding of glucose probably flips protein so it faces the other way loss of glucose does the reverse.

D. Direction of glucose transport & reversibility: Either form (with or w/o Na + ) can face in or out. In normal cell, glucose always goes in the cell with Na + . Come mai?

9. Are pumps reversible?

un. Theoretically, all pumps (like Na + /K + pump) are reversible -- a pump can break down ATP and use the energy to drive ions up their gradient, or (if ion gradient is large enough) ions running down their gradient can provide enough delta G to drive phosphorylation of ADP to ATP. Therefore, proteins that catalyze active transport are sometimes called "ATPases" or pumps, whether their normal function is to hydrolyze ATP or to synthesize ATP.

B. Practically speaking, inside cells, most pumps are irreversible. Most (but not all) individual "pump" proteins work only one way in cells, because the standard delta G for the "usual" direction is very negative. Therefore it takes very high concentrations of products (very high ATP or very high ion concentrations, depending on the reaction) to push the reaction in the "reverse" direction. The concentrations needed to reverse the reaction are not reached in cells, but can be achieved in test tubes (by adding ATP, setting up ion gradients, etc.). So in vitro (in test tubes), but not in vivo (in living cells), you can make the pumps run in either direction. Two examples of important pumps that are reversible (in vitro), but usually run in one direction (in vivo):

(1). In the inner membranes of mitochondria and chloroplasts, chemical or light energy is used via electron transport to set up a proton gradient, which then runs down driving phosphorylation of ATP. So these systems almost always act a make ATP while ions run down their gradient. (Diff. proteins used in the two organelles.)

(2). The Na + /K + pump in the plasma membrane almost always uses up ATP -- this system drives ions up their gradients at the expense of ATP.

For more examples, see Becker table 8-3.

Now try problems 2-3 & 2-5.

II. Putting all the Methods of Transport of Small Molecules Together or What Good is All This?

UN. How glucose gets from lumen of intestine --> muscle and adipose cells. An example of how the various types of transport are used. (Handout 5A and Becker fig. 11-22) Steps in the process:

1. How glucose exits lumen. Glucose crosses apical surface of epithelial cells primarily by Na + /Glucose co-transport. (2 o act. transport)

2. Role of Na+/K+ pump. Pump in basolateral (BL) surface keeps Na + in cell low, so Na + gradient favors entry of Na + . (1 o act. transport)

3. How glucose exits epithelial cells. Glucose (except that used for metabolism of epithelial cell) exits BL surface of cell (and enters interstitial fluid) by facilitated diffusion = carrier mediated transport. (Interst. fluid = fluid in between body cells.)

4. How glucose enters and leaves capillaries -- by simple diffusion through spaces between the cells. Note: this is NOT by diffusion across a membrane.

5. How glucose enters body cells -- by facilitated diffusion (= carrier mediated transport). Carrier is only "mobilized" that is, inserted into membrane (by fusion of vesicles as explained previously) in some cell types (adipose & muscle) in presence of insulin. Carrier is permanently in cell membrane in other cell types (brain, liver). See below on GLUT transporters.

6. Role of glucose phosphorylation. Conversion of G --> G-6-phosphate traps G inside cells.

For additional examples of the uses of the various types of transport processes, see Becker fig. 8-1 & 8-2.

B. How Glucose Reaches Body Cells -- Another look at handout 5-A. -- The steps in the process are described above in the order in which they occur. Here, the focus is on the various types of transport involved.

1 . Role of Active transpo rt -- Needed to get glucose from lumen to inside of epithelial cell.

un. Primary active transport -- Na + /K + pump keeps intracellular [Na + ] low.

B. Secondary active transport -- Glucose enters epithelial cells by Na + /Glucose co-transport

2. Role of Passive Transport & Phosphorylation

un. Passive Transport -- Used to move glucose the rest of the way -- out of epithelial cells, in & out of capillaries, and into body cells.

B. Phosphorylation of glucose -- Used in the body cells to keep the free glucose level at the "end of the road" low, and ensure that the glucose gradient is "downhill" from epithelial cells to capillaries to body cells.

3. Role of Diffusion: Glucose and other small molecules (but not macromolecules) diffuse in and out of capillaries through the liquid filled spaces between the cells, non by diffusing across the cell membrane. Note that proteins are too big to enter or leave capillaries this way.

4. Role of GLUT transporters (another protein/gene family)

un. GLUT proteins are responsible for carrier mediated transport of glucose. All passive glucose transport across membranes depends on a family of proteins called GLUT 1, GLUT 2, etc. This family of genes and transport proteins is responsible for all carrier mediated transport of glucose.

B. Different family members (genes and proteins) are expressed in different cell types. GLUT 1 protein is found in plasma membrane of RBC & most other cells, GLUT 2 protein on BL surface of intestinal epithelial cells, GLUT 4 protein in muscle and adipose, etc. (Note all genes for all proteins are present in all these cell types -- DNA is the same!)

C. All the genes and corresponding proteins are similar, but have significant structural and functional differences. This is another example of a gene/protein family. All the proteins have a similar overall structure -- 12 transmembrane segments, COOH and amino ends on intracellular side of membrane, etc.

D. Position & Action of GLUT 4 is insulin dependent. GLUT 4 is the only insulin dependent member of the family. Insulin triggers insertion of GLUT 4 protein into the plasma membrane, by triggering vesicle fusion, as explained above. All the other proteins are located constitutively in their respective membranes.

e. Direction of transport. Note that one member of this family (GLUT 2) is responsible for ferrying glucose OUT of epithelial cells different members are responsible for helping glucose ENTER most other cells. All family members bind glucose on one side of the membrane, change conformation and release glucose on the other side of the membrane. Which way the glucose goes (overall) depends on the relative concentrations of glucose on the two sides of the respective membrane, not on which GLUT protein is used.

Try problem 2-9.

Next time: How do large molecules cross membranes? Then how do newly made proteins get to the right place?


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