Gradi di permeabilità delle membrane al plasma in diffusione passiva

Gradi di permeabilità delle membrane al plasma in diffusione passiva!

Le membrane di una cellula passano piccoli ioni e molecole attraverso di esse. Il passaggio di ioni o molecole può avvenire come diffusione passiva, o trasporto attivo che evolve il dispendio di energia. In diffusione passiva, le membrane possono essere classificate in base al loro grado di permeabilità.

1. Impermeabile :

Una membrana di questo tipo non consente a nulla di attraversarla. Alcune uova di pesce non fecondate, come la trota, sono permeabili solo ai gas; l'acqua etichettata con il deuterio non penetra nell'uovo.

2. Semipermeabile :

Nessuna membrana cellulare delle cellule appartiene a questa categoria, tali membrane permettono all'acqua e ad alcuni ioni selezionati e alle molecole SMA di passare attraverso, ma proibiscono altri ioni così come molecole piccole e grandi.

3. Permeabile selettiva :

La maggior parte delle membrane delle cellule appartiene a questa categoria. Tali membrane permettono all'acqua e ad alcuni ioni selezionati e piccole molecole di passare attraverso, ma proibiscono altri ioni così come molecole piccole e grandi.

4. Membrane dializzanti :

Le cellule endoteliali e le loro membrane basali dei capillari e del nefrone possono fungere da dializzatore. In questo modo la pressione idrostatica costringe le molecole d'acqua e i cristalloidi attraverso la membrana verso il basso i loro gradienti di concentrazione, mentre limitano il passaggio dei colloidi.

Il trasporto di sostanze attraverso la membrana plasmatica nel citoplasma della cellula può essere ottenuto seguendo i seguenti metodi:

Osmosi:

L'osmosi è un tipo speciale di diffusione che coinvolge il movimento dell'acqua o altre molecole di solvente attraverso una membrana semipermeabile o differenzialmente permeabile da un'area ad alto potenziale (puro solvente) a un'area a basso potenziale (soluzione più concentrata).

L'ingresso di acqua nella cellula dal suo mezzo è chiamato endosmosi; il processo inverso in cui l'acqua lascia la cellula viene chiamato esosmosi. Una pressione osmotica viene mantenuta dai sali presenti nel citoplasma. La cellula rimane sempre in un mezzo liquido o fluido per lo scambio fisiologico di gas, sostanze nutritive ecc. Questo fluido viene solitamente designato con fluido extracellulare (ECF). Nei protozoi e in altri organismi inferiori è l'acqua. A seconda della concentrazione, può essere ECF.

(i) Soluzione isotonica :

Se la concentrazione di ECF in cui è presente la cellula è simile a quella del fluido intracellulare della cellula, è nota come soluzione isotonica. La forma della cellula rimane normale.

(ii) Soluzione ipotonica :

Se la concentrazione di ECF è meno concentrata rispetto al fluido intracellulare, è nota come soluzione ipotonica. In una tale soluzione la cellula si gonfia a causa dell'acqua che raggiunge la cellula per endosmosi.

(iii) Soluzione ipertonica :

Se la concentrazione di ECF è superiore al fluido intracellulare della cellula, la soluzione è chiamata soluzione ipertonica. In tal caso l'acqua si diffonde fuori dalla cellula per esosmosi. Di conseguenza la cellula subisce la plasmolisi.

Trasporto passivo:

Il trasporto passivo è la diffusione diretta dell'acqua, gli ioni o le molecole di varie sostanze si muovono attraverso la membrana plasmatica da una regione di concentrazione più elevata a una bassa concentrazione. Il trasporto delle molecole avviene lungo il gradiente di concentrazione in modo che non sia richiesta energia per la diffusione.

Diffusione semplice :

Secondo un gran numero di evidenze, molte sostanze si muovono attraverso la membrana plasmatica a velocità di diffusione libera che è direttamente proporzionale alla loro solubilità nei lipidi. Le molecole d'acqua sono una notevole eccezione a questa regola, poiché si diffondono liberamente attraverso le membrane regolarmente e rapidamente.

La membrana al plasma dovrebbe contenere due tipi di pori:

(i) Canali acquosi fini :

Questi sono presenti attraverso una proteina o tra proteine ​​integrali raggruppate. Questi pori hanno un diametro di 10 nm e sono di natura permanente. Questi si estendono attraverso l'intero doppio strato lipidico. Questi pori fungono da aperture valvolari. Alcuni pori sono caricati positivamente altri sono negativamente cariche.

(ii) Pori statistici :

Questi pori sono instabili. Continuano ad apparire e scomparire. Questi sono formati come lacune nel doppio strato lipidico altamente fluido. Questi sono formati a causa del movimento termico casuale dei fosfolipidi di membrana. Le sostanze passano facilmente attraverso questi pori se sono solubili nei lipidi {Overton). Questo è il motivo per cui le sostanze idrofobiche di basso e alto peso molecolare possono passare attraverso la membrana plasmatica.

Il tasso relativo di diffusione delle molecole attraverso la membrana dipende dalla dimensione delle molecole; gradiente di concentrazione attraverso la membrana; e la solubilità nei lipidi o la natura idrofobica della molecola. Collera e Barlund nei loro esperimenti classici con le cellule della pianta, Chara ha dimostrato che la velocità con cui il substrato penetra dipende dalla loro solubilità nei lipidi e dalle loro dimensioni di molecole.

La permeabilità (P) delle molecole attraverso la membrana è rappresentata da una formula:

P = KD / t

Dove K è il coefficiente di ripartizione; D è il coefficiente di diffusione (dipende dal peso molecolare), e t è lo spessore delle membrane. Il coefficiente di ripartizione nelle membrane cellulari è simile a quello dell'olio d'oliva e dell'acqua. Il coefficiente di ripartizione può essere misurato miscelando il soluto con una miscela di acqua oleosa e la loro attesa fino alla separazione delle fasi.

Il coefficiente di ripartizione (K) è la concentrazione di soluto nell'olio, divisa per la concentrazione di soluto in fase acquosa. Il coefficiente di diffusione (D) può essere determinato utilizzando soluti radioattivi e misurando la loro velocità di ingresso nel citoplasma a varie concentrazioni esterne.

Diffusione facilitata:

La diffusione di una sostanza attraverso una membrana avviene sempre da una regione di concentrazione più alta da un lato a una regione di concentrazione inferiore dall'altro lato. Ma non è sempre il caso poiché sono stati scoperti numerosi esempi in cui una proteina, la permeazione esiste all'interno della membrana plasmatica che facilita il processo di diffusione. Questo meccanismo è chiamato diffusione facilitata. Questo processo è più comune nel movimento di zuccheri e amminoacidi.

La presenza di una permeasi nella membrana offre un percorso attraverso la membrana che è un'alternativa allo strato lipidico. Il legame del soluto sulla superficie esterna della membrana innescherebbe un cambiamento conformazionale nella permeasi, esponendo il soluto alla superficie interna della membrana da cui può diffondersi nel citoplasma lungo il suo gradiente di concentrazione.

Le caratteristiche della diffusione facilitata sono:

(i) La velocità di trasporto delle molecole attraverso la membrana è molto maggiore di quanto ci si aspetti dalla semplice diffusione

(ii) Le permeaste sono molto specifiche e ciascuna trasporta solo un singolo specifico ione o molecola o gruppo di molecole strettamente correlate.

(iii) Con un aumento del gradiente di concentrazione c'è un corrispondente aumento del tasso di trasporto.

Come nel caso degli enzimi, le permeasi che facilitano la diffusione mostrano kinetcs di tipo di saturazione. Se una sostanza (S) è presente inizialmente al di fuori della membrana plasmatica, il suo trasporto all'interno può essere rappresentato dalle seguenti equazioni:

S (out) + Permease Km = complesso V-permeasi S Vmax

Qui S è un substrato, il Km è vincolante per il substrato costante e Vmax è la massima velocità di trasporto. Se la concentrazione di S all'esterno è C, la velocità di trasporto può essere calcolata come:

V = Vmax / 1 + C / Km

Trasporto attivo:

La diffusione degli ioni attraverso le membrane è ancora più difficile perché dipende non solo dal gradiente di concentrazione ma anche dal gradiente elettrico presente nel sistema. Poiché il trasporto attivo è un processo che funziona contro un gradiente di concentrazione, non è sorprendente per squadra che richiede il dispendio di energia.

Il processo prevede l'uso di molecole carrier all'interno della membrana cellulare propriamente detta. Queste molecole carrier si spostano apparentemente avanti e indietro tra le superfici della membrana cellulare interna ed esterna e raccolgono o rilasciano un particolare ione che viene regolato. L'energia richiesta per questo processo è ottenuta da adenosina trifosfato (ATP), che ha prodotto principalmente dalla fosforilazione ossidativa nei mitocondri.

Dalla Tabella 2.1 mostrata sotto, è evidente che all'interno di una cellula vi è una grande concentrazione di anioni non diffusibili e che viene stabilito un gradiente elettrico attraverso la membrana.

Tabella 2.1

Mostrando la concentrazione ionica e il potenziale costante nel muscolo

Donnan (1911) ha previsto, se una cellula che ha una carica negativa non diffusibile all'interno è messa in una soluzione di Cl ^-, K ⁺ sarà guidata nella concentrazione cellulare e nel gradiente elettrico. D'altro canto, gli ioni Cl saranno guidati dal gradiente di concentrazione, ma saranno respinti dal gradiente elettrico. Secondo Donnan, le concentrazioni di equilibrio saranno esattamente reciproche.

(K ⁺ in) / (K ⁺ out) = (CI ^- out) / (CI ^- in)

La relazione tra il gradiente di concentrazione e il potenziale di membrana a riposo è data dall'equazione di Nernst.

E = RT In C ₁ / C ₂

Dove E è espresso in millivolt, R è la costante universale del gas e T è la temperatura assoluta. Da (i) e (ii) l'equilibrio di Donnan per KC1 può essere espresso

E = RT In (K ⁺ in) / (K ⁺ out) = RT In (C1 ^- out) / C1 ^- in)

Trasporto attivo di ioni o pompa di sodio:

Il soluto che viene pompato più attivamente nelle cellule sono ioni di potassio (K ⁺ ). La forza trainante per questo trasporto verso l'interno è ritenuta essere un gradiente di sodio (Na ⁺ ) attraverso la membrana, creato dal trasporto attivo dello ione Na pompato fuori dal cellula.

La concentrazione di ioni (Na ⁺ ) all'esterno della membrana diventa alta quando la concentrazione interna diventa bassa. L'energia, necessaria per pompare gli ioni Na ⁺, è fornita dall'ATP. In presenza dell'ATPasi attivata da Mg ⁺⁺, la molecola di ATP viene idrolizzata e si ritiene che l'ATPasi si trovi all'interno della membrana.

La pompa Na ⁺ fu scoperta da Hodkin e Keynes (1955) e associata all'idrolisi dell'ATP in vitro da Skou (1957). Due meccanismi distinti della pompa Na ⁺ sono stati descritti per le cellule animali. Questi sono:

(i) Sodio - pompa di scambio di potassio:

In tale pompa Na ⁺, il pompaggio verso l'esterno degli ioni Na ⁺ è collegato al trasporto verso l'interno di ioni К. Poiché Na ⁺ e K ⁺ sono scambiati in modo obbligatorio, il movimento verso l'esterno di Na ⁺ è sempre accompagnato dal movimento verso l'interno di K ⁺ . Tale pompa si verifica nelle cellule nervose e nelle cellule muscolari.

(ii) Pompa elettrogenica Na ⁺ :

In questa pompa non vi è alcuno scambio obbligatorio di ioni K ^{+ che si} muovono verso l'interno e fuori ioni Na ^{+ che si} muovono male. In questa pompa può essere generato un gradiente di potenziale elettrochimico quando l'uscita degli ioni Na ⁺ non viene compensata dall'entrata di uno a uno di K ⁺ .

Un'alta concentrazione intracellulare di ioni K ⁺, indipendentemente dalla concentrazione esterna di Na e K ⁺, è necessaria per le cellule aerobiche. L'alta concentrazione di K ⁺ è laterale alla cellula necessaria per la sintesi proteica e la glicolisi. L'alta concentrazione di cellule K ⁺ deve essere bilanciata dalla perdita di alcuni cationi come Na ⁺, altrimenti un eccessivo gonfiore causerebbe lo scoppio della cellula creando una condizione di maggiore pressione osmotica interna.

Il trasporto attivo del glucosio nelle cellule è un'altra conseguenza dell'azione di una pompa elettrogenica Na ⁺ . L'estrusione di Na ⁺ dalla cellula genera un gradiente di bassa concentrazione interna e superiore di Na ⁺ . Trasporto attivo di zucchero realizzato in condizioni in cui la concentrazione di Na ⁺ esterna è mantenuta abbastanza alta da creare un gradiente appropriato la cui energia guida i metaboliti nella cellula da una soluzione esterna molto diluita di zucchero. L'accumulo di zuccheri è compilato per estrusione di Na ⁺ ed è anche assistito da specifiche proteine ​​di trasporto.

Traslocazione attraverso la membrana :

Le proteine ​​carrier aiutano le molecole idrofile attraverso uno spessore di membrana di 6-10 nm. I metaboliti sono considerevolmente più piccoli di 6 nm, quindi è importante sapere come queste molecole vengono traslocate attraverso questa distanza relativamente grande dai portatori. Sono state proposte diverse alternative, ma due sono stati studiati più intensamente rispetto alle altre possibilità.

Un'ipotesi alternativa postula che il vettore si leghi con la molecola idrofila e che quindi l'intera proteina di trasporto ruoti attraverso la membrana e trasferisca il suo metabolita legato all'altro lato. La seconda alternativa propone che il portatore sia fissato in posizione all'interno della membrana e che la molecola portatrice subisca un cambiamento conformazionale che traslocasse il sito di legame attraverso la membrana e il metabolita associato con esso sia lo stesso tempo.

Una volta che il metabolita è stato traslocato, il sito di legame viene liberato e riportato alla sua conformazione originale, pronto a legare un'altra molecola idrofila in un altro evento di trasporto. Questa seconda alternativa è stata definita meccanismo a pori fissi. La prima alternativa è nota come meccanismo portante.