CELLTRANSPORT: TYPER OCH DERAS EGENSKAPER - BIOLOGI

Den celltransport involverar trafik och rörelse av molekyler mellan insidan och utsidan av celler. Utbytet av molekyler mellan dessa avdelningar är ett väsentligt fenomen för att organismen ska fungera korrekt och förmedlar en serie händelser, såsom membranpotentialen, för att nämna några.

Biologiska membran ansvarar inte bara för att avgränsa cellen, de spelar också en oumbärlig roll för handel med ämnen. De har en serie proteiner som passerar strukturen och, mycket selektivt, tillåter eller inte inträde av vissa molekyler.

Källa: LadyofHats, via Wikimedia Commons

Celltransport klassificeras i två huvudtyper, beroende på om systemet använder energi direkt eller inte.

Passiv transport kräver inte energi, och molekylerna kan passera membranet genom passiv diffusion, genom vattenhaltiga kanaler eller genom transporterade molekyler. Riktningen för aktiv transport bestäms uteslutande av koncentrationsgradienterna mellan båda sidor av membranet.

Däremot kräver den andra typen av transport energi och kallas aktiv transport. Tack vare energin som injiceras i systemet kan pumparna flytta molekylerna mot deras koncentrationsgradienter. Det mest anmärkningsvärda exemplet i litteraturen är natrium-kaliumpumpen.

Teoretiska grunder

-Cellmembran

För att förstå hur trafiken för ämnen och molekyler sker mellan cellen och de närliggande facken är det nödvändigt att analysera strukturen och sammansättningen av biologiska membran.

-Lipider i membranen

Av Jpablo cad, från Wikimedia Commons

Cellerna är omgivna av ett tunt och komplext membran av lipidart. Den grundläggande komponenten är fosfolipider.

Dessa består av ett polärt huvud och apolära svansar. Membranen består av två lager av fosfolipider - "lipid-tvåskikt" - i vilka svansarna är grupperade inuti och huvuden vetter mot de extra och intracellulära ytorna.

Molekyler som har både polära och apolära zoner kallas amfipatiska. Denna egenskap är avgörande för den rumsliga organisationen av lipidkomponenter inom membranen.

Denna struktur delas av membranen som omger de subcellulära facken. Kom ihåg att mitokondrier, kloroplaster, vesiklar och andra organeller också är omgivna av ett membran.

Förutom fosfoglycerider eller fosfolipider är membraner rika på sfingolipider, som har skelett som består av en molekyl som kallas sfingosin och steroler. I den sista gruppen hittar vi kolesterol, en lipid som modulerar membranets egenskaper, såsom dess fluiditet.

-Proteiner i membranen

Bild 1. Diagram över den flytande mosaikmodellen. Källa: Av LadyofHats Mariana Ruiz, översättning Pilar Saenz, via Wikimedia Commons

Membranet är en dynamisk struktur som innehåller flera proteiner inuti. Membranproteiner fungerar som ett slags molekylära "gatekeepers" eller "vakter" som med stor selektivitet definierar vem som kommer in och vem lämnar cellen.

Av denna anledning sägs membran vara halvpermeabel, eftersom vissa föreningar lyckas komma in och andra inte.

Inte alla proteiner som är i membranet ansvarar för att förmedla trafiken. Andra ansvarar för att fånga externa signaler som ger ett cellulärt svar på yttre stimuli.

-Selektivitet hos membranet

Lipidens inre i membranet är mycket hydrofob, vilket gör membranet mycket ogenomträngligt för passagen av molekyler av polär eller hydrofil karaktär (denna term betyder "kär i vatten").

Detta innebär en ytterligare svårighet vid passage av polära molekyler. Transitering av vattenlösliga molekyler är emellertid nödvändig, så att celler har en serie transportmekanismer som möjliggör effektiv förflyttning av dessa ämnen mellan cellen och dess yttre miljö.

På liknande sätt måste stora molekyler, såsom proteiner, transporteras och kräva specialiserade system.

-Diffusion och osmos

Rörelsen av partiklar genom cellmembran sker enligt följande fysiska principer.

Dessa principer är diffusion och osmos och gäller förflyttning av lösta ämnen och lösningsmedel i en lösning genom ett halvpermeabelt membran - till exempel biologiska membran som finns i levande celler.

Diffusion är processen som involverar slumpvis termisk rörelse av suspenderade partiklar från regioner med höga koncentrationer till regioner med lägre koncentration. Det finns ett matematiskt uttryck som syftar till att beskriva processen och kallas Fick-diffusionsekvationen, men vi kommer inte att fördjupa den.

Med detta koncept i åtanke kan vi definiera termen permeabilitet, som avser den hastighet med vilken ett ämne lyckas passivt penetrera membranet under en serie specifika förhållanden.

Å andra sidan rör sig vatten också längs sin koncentrationsgradient i ett fenomen som kallas osmos. Även om det verkar felaktigt att hänvisa till koncentrationen av vatten, måste vi förstå att den vitala vätskan uppträder som något annat ämne när det gäller diffusion.

-Tonicity

Med hänsyn till de beskrivna fysiska fenomenen kommer de koncentrationer som finns både inuti cellen och utanför att bestämma transportriktningen.

Således är toniciteten hos en lösning svaret från celler nedsänkta i en lösning. Det finns vissa terminologier som används för detta scenario:

isoton

En cell, vävnad eller lösning är isoton med avseende på en annan om koncentrationen är lika i båda elementen. I fysiologiskt sammanhang kommer en cell som är nedsänkt i en isotonisk miljö inte genomgå någon förändring.

hypoton

En lösning är hypotonisk med avseende på cellen om koncentrationen av lösta ämnen är lägre utanför - det vill säga cellen har fler lösta ämnen. I detta fall är vattens tendens att komma in i cellen.

Om vi lägger röda blodkroppar i destillerat vatten (som är fria från lösta ämnen), skulle vattnet komma in tills de spricker. Detta fenomen kallas hemolys.

hyperton

En lösning är hypertonisk med avseende på cellen om koncentrationen av lösta ämnen är högre på utsidan - det vill säga cellen har färre lösta ämnen.

I detta fall är vattens tendens att lämna cellen. Om vi lägger röda blodkroppar i en mer koncentrerad lösning, tenderar vattnet i blodcellerna att läcka ut och cellen får ett skrynkligt utseende.

Dessa tre begrepp har biologisk relevans. Till exempel måste ägg från en marin organisme vara isoton med avseende på havsvatten för att inte spricka och inte tappa vatten.

På samma sätt måste parasiter som lever i blod från däggdjur ha en koncentration av lösta ämnen som liknar den miljö där de utvecklas.

-Elektriskt inflytande

När vi pratar om joner, som är laddade partiklar, drivs inte rörelsen genom membranen uteslutande av koncentrationsgradienter. I detta system måste kostnaderna för lösta ämnen beaktas.

Jonen tenderar att röra sig bort från regionerna där koncentrationen är hög (som beskrivs i avsnittet om osmos och diffusion), och även om jonen är negativ kommer den att gå vidare mot regionerna där det finns en växande negativ potential. Kom ihåg att olika avgifter lockar till sig och att liknande avgifter stöter.

För att förutsäga jonets beteende måste vi lägga till de kombinerade krafterna i koncentrationsgradienten och den elektriska gradienten. Denna nya parameter kallas den netto elektrokemiska gradienten.

Typerna av celltransport klassificeras beroende på användning - eller inte - av energi från systemet i passiva och aktiva rörelser. Vi kommer att beskriva var och en i detalj nedan:

Passiv transmembrantransport

Passiva rörelser genom membran involverar passage av molekyler utan direkt behov av energi. Eftersom dessa system inte involverar energi beror det uteslutande på koncentrationsgradienterna (inklusive elektriska) som finns över plasmamembranet.

Även om energin som är ansvarig för partiklarnas rörelse lagras i sådana gradienter är det lämpligt och bekvämt att fortsätta betrakta processen som passiv.

Det finns tre elementära sätt på vilka molekyler passivt kan passera från ena sidan till den andra:

Enkel diffusion

Det enklaste och mest intuitiva sättet att transportera ett löst ämne är att det passerar membranet efter de ovan nämnda lutningarna.

Molekylen diffunderar genom plasmamembranet, lämnar den vattenhaltiga fasen åt sidan, upplöses i lipidpartiet och kommer slutligen in i den vattenhaltiga delen av cellinre. Detsamma kan hända i motsatt riktning, från insidan av cellen till utsidan.

Den effektiva passagen genom membranet kommer att bestämmas av nivån på värmeenergi som systemet har. Om den är tillräckligt hög kommer molekylen att kunna korsa membranet.

Mer detaljerat måste molekylen bryta alla vätebindningar som bildas i vattenfasen för att kunna flytta till lipidfasen. Denna händelse kräver 5 kcal kinetisk energi för varje närvarande länk.

Nästa faktor att ta hänsyn till är molekylens löslighet i lipidzonen. Rörligheten påverkas av olika faktorer, såsom molekylvikt och molekylens form.

Kinetiken för passagen genom enkel diffusion uppvisar en kinetik av omättnad. Detta innebär att inträde ökar i proportion till koncentrationen av det lösta ämnet som ska transporteras i det extracellulära området.

Vattenhaltiga kanaler

Det andra alternativet för passage av molekyler genom den passiva vägen är genom en vattenhaltig kanal belägen i membranet. Dessa kanaler är ett slags porer som möjliggör passage av molekylen och undviker kontakt med den hydrofoba regionen.

Vissa laddade molekyler lyckas komma in i cellen genom att följa deras koncentrationsgradient. Tack vare detta system med vattenfyllda kanaler är membranen mycket ogenomträngliga för joner. Bland dessa molekyler skiljer sig natrium, kalium, kalcium och klor ut.

Bärarmolekyl

Det sista alternativet är kombinationen av det lösta ämnet med en bärarmolekyl som maskerar dess hydrofila natur, så att den passerar genom den lipidrika delen av membranet.

Transportören ökar lipidlösligheten hos molekylen som måste transporteras och gynnar dess passage till förmån för koncentrationsgradienten eller den elektrokemiska gradienten.

Dessa bärarproteiner fungerar på olika sätt. I det enklaste fallet överförs ett löst ämne från ena sidan av membranet till den andra. Denna typ kallas en uniport. Tvärtom, om en annan löst ämne transporteras samtidigt eller kopplas, kallas transportören kopplad.

Om den kopplade transportören rör sig om de två molekylerna i samma riktning är det en symport och om den gör det i motsatta riktningar är transportören antistöd.

Osmos

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKderivativt arbete: Ortisa, via Wikimedia Commons

Det är den typ av celltransport där ett lösningsmedel passerar selektivt genom det semipermeabla membranet.

Vatten tenderar till exempel att passera till den sida av cellen där koncentrationen är lägre. Rörelsen av vatten på denna väg genererar ett tryck som kallas osmotiskt tryck.

Detta tryck är nödvändigt för att reglera koncentrationen av ämnen i cellen, vilket sedan påverkar cellens form.

Ultrafiltrering

I detta fall åstadkoms rörelsen av vissa lösta ämnen genom effekten av ett hydrostatiskt tryck, från området med det största trycket till det med mindre tryck. I människokroppen sker denna process i njurarna tack vare blodtrycket som genereras av hjärtat.

På detta sätt passerar vatten, urea etc. från cellerna in i urinen; och hormoner, vitaminer osv. stannar kvar i blodet. Denna mekanism är också känd som dialys.

Underlättat spridning

Det finns ämnen med mycket stora molekyler (som glukos och andra monosackarider), som behöver ett bärarprotein för att diffundera. Denna diffusion är snabbare än enkel diffusion och beror på:

Ämnets koncentrationsgradient.
Mängden bärarproteiner som finns i cellen.
Proteinernas hastighet.

Ett av dessa transporterproteiner är insulin, vilket underlättar diffusionen av glukos, vilket minskar dess koncentration i blodet.

Aktiv transmembrantransport

Hittills har vi diskuterat passage av olika molekyler genom kanaler utan energikostnad. I dessa händelser är den enda kostnaden att generera den potentiella energin i form av differentiella koncentrationer på båda sidor av membranet.

På detta sätt bestäms transportriktningen av den befintliga lutningen. Lösningar börjar transporteras enligt de ovannämnda spridningsprinciperna, tills de når en punkt där nettodiffusionen slutar - vid denna punkt har en jämvikt uppnåtts. När det gäller joner påverkas rörelsen också av laddning.

Men det enda fallet där fördelningen av jonerna på båda sidorna av membranet är i en verklig jämvikt är när cellen är död. Alla levande celler investerar en stor mängd kemisk energi för att hålla koncentrationen av lösta ämnen ur balans.

Energin som används för att hålla dessa processer aktiv är i allmänhet ATP-molekylen. Adenosintrifosfat, förkortat ATP, är en grundläggande energimolekyl i cellulära processer.

Aktiva transportegenskaper

Aktiv transport kan agera mot koncentrationsgradienter, oavsett hur branta de är - den här egenskapen kommer att bli tydlig med förklaringen av natrium-kaliumpumpen (se nedan).

Aktiva transportmekanismer kan flytta mer än en klass av molekyler åt gången. För aktiv transport används samma klassificering som nämns för transport av flera molekyler samtidigt i passiv transport: symport och antistöd.

Transport med dessa pumpar kan hämmas genom att applicera molekyler som specifikt blockerar viktiga platser på proteinet.

Transportkinetiken är av typen Michaelis-Menten. Båda beteenden - som hämmas av vissa molekyler och kinetik - är typiska egenskaper hos enzymatiska reaktioner.

Slutligen måste systemet ha specifika enzymer som kan hydrolysera ATP-molekylen, såsom ATPaser. Detta är den mekanism genom vilken systemet erhåller den energi som kännetecknar den.

Transportselektivitet

De involverade pumparna är extremt selektiva i molekylerna som kommer att transporteras. Om pumpen till exempel är en natriumjonbärare, kommer den inte att ta litiumjoner, även om båda jonerna är väldigt lika stora.

Det antas att proteinerna kan urskilja mellan två diagnostiska egenskaper: den enkla dehydratiseringen av molekylen och interaktionen med laddningarna i transportörens pore.

Det är känt att stora joner dehydratiserar lätt, jämfört med en liten jon. Således kommer en pore med svaga polära centra att använda stora joner, företrädesvis.

Däremot dominerar interaktion med den dehydratiserade jonen i kanaler med starkt laddade centra.

Exempel på aktiv transport: natrium-kaliumpumpen

För att förklara mekanismerna för aktiv transport är det bäst att göra det med den bäst studerade modellen: natrium-kaliumpumpen.

Ett slående drag hos cellerna är förmågan att upprätthålla branta gradienter av natrium (Na ⁺ ) och kalium (K ⁺ ) joner .

I den fysiologiska miljön är kaliumkoncentrationen inuti cellerna 10-20 gånger högre än utanför cellerna. Däremot är natriumjoner mycket mer koncentrerade i den extracellulära miljön.

Med de principer som reglerar jons rörelse på ett passivt sätt skulle det vara omöjligt att bibehålla dessa koncentrationer, därför kräver celler ett aktivt transportsystem och detta är natrium-kaliumpumpen.

Pumpen består av ett proteinkomplex av ATPas-typ som är förankrat i plasmamembranet i alla djurceller. Detta har bindningsställen för båda jonerna och ansvarar för transport med injektion av energi.

Hur fungerar pumpen?

I detta system finns det två faktorer som bestämmer rörelsen av joner mellan de cellulära och extracellulära facken. Den första är hastigheten med vilken natrium-kaliumpumpen verkar, och den andra faktorn är hastigheten med vilken jonen kan komma in i cellen igen (i fallet med natrium) på grund av passiva diffusionshändelser.

På detta sätt bestämmer hastigheten med vilken jonerna kommer in i cellen hastigheten med vilken pumpen måste arbeta för att bibehålla en lämplig jonkoncentration.

Pumpens drift beror på en serie konformationella förändringar i proteinet som ansvarar för att transportera jonerna. Varje ATP-molekyl hydrolyseras direkt, i processen lämnar tre natriumjoner cellen och samtidigt kommer två kaliumjoner in i cellmiljön.

Masstransport

Det är en annan typ av aktiv transport som hjälper till att förflytta makromolekyler, såsom polysackarider och proteiner. Det kan ges av:

-Endocytosis

Det finns tre processer för endocytos: fagocytos, pinocytos och ligandmedierad endocytos:

fagocytos

Fagocytos, den typ av transport där en fast partikel täcks av en vesikel eller fagosom som består av smälta pseudopoder. Den fasta partikeln som förblir inuti vesikeln smälts av enzymer och når således det inre av cellen.

Så här fungerar de vita blodkropparna i kroppen; de uppslukar bakterier och främmande kroppar som en försvarsmekanism.

pinocytos

Näring av protosoa. Pinocytos. Bild av: Jacek FH (härledd från Mariana Ruiz Villarreal). Taget och redigerat från https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pinocitosis.svg.

Pinocytos uppstår när ämnet som ska transporteras är en droppe eller vesikel av extracellulär vätska, och membranet skapar en pinocytisk vesikel där innehållet i vesikeln eller droppen behandlas så att det återgår till cellens yta.

Endocytos via en receptor

Det är en process som liknar pinocytos, men i detta fall inträffar invagination av membranet när en viss molekyl (ligand) binder till membranreceptorn.

Flera endocytiska vesiklar sammanfogas och bildar en större struktur som kallas endosomen, som är där liganden separeras från receptorn. Receptorn återgår sedan till membranet och liganden binder till en liposom där den smälts av enzymer.

-Exocytosis

Det är en typ av celltransport där ämnet måste transporteras utanför cellen. Under denna process binder det utsöndrande vesikelmembranet till cellmembranet och frigör innehållet i vesikeln.

På detta sätt eliminerar celler syntetiserade ämnen eller avfallsämnen. Detta är också hur de släpper hormoner, enzymer eller neurotransmittorer.

referenser

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Biologi: Life on Earth. Pearson utbildning.
Donnersberger, AB, & Lesak, AE (2002). Anatomi och fysiologi labbok. Redaktionell Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Grundläggande anatomofysiologi och patologi. Redaktionsparaninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Eckert djurfysiologi. Macmillan.
Vived, À. M. (2005). Grunder för fysiologi för fysisk aktivitet och idrott. Panamerican Medical Ed.

CELLTRANSPORT: TYPER OCH DERAS EGENSKAPER - BIOLOGI - 2025