Активный пассивный транспорт: Primary Active Transport | Protocol (Translated to Russian)

Содержание

Primary Active Transport | Protocol (Translated to Russian)

5.11: Первичный активный транспорт

В отличие от пассивного транспорта, активный транспорт включает перемещение вещества через мембраны в направлении, противоположном его концентрации или электрохимическому градиенту. Существует два типа активного транспорта: первичный активный транспорт и вторичный активный транспорт. Первичный активный транспорт использует химическую энергию АТФ для работы белковых насосов, встроенных в клеточную мембрану. Используя энергию АТФ, насосы переносят ионы против их электрохимических градиентов — в направлении, в котором они обычно не перемещаются путем диффузии.

Взаимосвязь между концентрацией, электрическими и электрохимическими градиентами

Чтобы понять динамику активного переноса, важно сначала понять электрические градиенты и градиенты концентрации. Градиент концентрации — это разница в концентрации вещества на мембране или пространстве, которая движет движением из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией. Точно так же электрический градиент — это сила, возникающая в результате разницы между электрохимическими потенциалами на каждой стороне мембраны, которая приводит к перемещению ионов через мембрану до тех пор, пока заряды на обеих сторонах мембраны не станут одинаковыми. Электрохимический градиент создается, когда объединяются силы градиента химической концентрации и градиента электрического заряда.

Натриево-калиевый насос

Одним из важных переносчиков, отвечающих за поддержание электрохимического градиента в клетках, является натриево-калиевый насос. Первичная транспортная активность насоса происходит, когда он ориентирован так, что он охватывает мембрану с закрытой внеклеточной стороной, а его внутриклеточная область открыта и связана с молекулой АТФ. В этой конформации переносчик имеет высокое сродство к ионам натрия, обычно присутствующим в клетке в низких концентрациях, и три из этих иона входят в насос и присоединяются к нему. Такое связывание позволяет АТФ переносить одну из своих фосфатных групп на переносчик, обеспечивая энергию, необходимую для закрытия внутриклеточной стороны насоса и открытия внеклеточной области.

Изменение конформации снижает сродство насоса к ионам натрия, которые высвобождаются во внеклеточное пространство, но увеличивает его сродство к калию, позволяя ему связывать два иона калия, присутствующих в низкой концентрации во внеклеточной среде. Затем внеклеточная сторона насоса закрывается, и производная АТФ фосфатная группа на транспортере отсоединяется. Это позволяет новой молекуле АТФ связываться с внутриклеточной стороной насоса, которая открывается и позволяет ионам калия выходить в клетку, возвращая переносчик к его исходной форме, начиная цикл снова.

Из-за первичной транспортной активности насоса возникает дисбаланс в распределении ионов через мембрану. Внутри клетки больше ионов калия и больше ионов натрия вне клетки. Таким образом, внутренняя часть клеток оказывается более негативной, чем внешняя. Электрохимический градиент создается в результате ионного дисбаланса. Затем сила от электрохимического градиента запускает реакции вторичного активного транспорта. Вторичный активный транспорт, также известный как ко-транспорт, происходит, когда вещество транспортируется через мембрану в результате электрохимического градиента, установленного первичным активным транспортом, без необходимости дополнительного АТФ.


Литература для дополнительного чтения

Sahoo, Swagatika, Maike K. Aurich, Jon J. Jonsson, and Ines Thiele. “Membrane Transporters in a Human Genome-Scale Metabolic Knowledgebase and Their Implications for Disease.” Frontiers in Physiology 5 (March 11, 2014). [Source]

Yang, Nicole J., and Marlon J. Hinner. “Getting Across the Cell Membrane: An Overview for Small Molecules, Peptides, and Proteins.”

Methods in Molecular Biology (Clifton, N.J.) 1266 (2015): 29–53. [Source]

Активный и пассивный транспорт.

Пассивный транспорт — транспорт веществ по градиенту концентрации, не требующий затрат энергии. Пассивно происходит транспорт гидрофобных веществ сквозь липидный бислой. Пассивно пропускают через себя вещества все белки-каналы и некоторые переносчики. Пассивный транспорт с участием мембранных белков называют облегченной диффузией.

Другие белки-переносчики (их иногда называют белки-насосы) переносят через мембрану вещества с затратами энергии, которая обычно поставляется при гидролизе АТФ. Этот вид транспорта осуществляется против градиента концентрации переносимого вещества и называется активным транспортом.

Симпорт, антипорт и унипорт

Мембранный транспорт веществ различается также по направлению их перемещения и количеству переносимых данным переносчиком веществ:

1) Унипорт — транспорт одного вещества в одном направлении в зависимости от градиента

2) Симпорт — транспорт двух веществ в одном направлении через один переносчик.

3) Антипорт — перемещение двух веществ в разных направлениях через один переносчик.

Унипорт осуществляет, например, потенциал-зависимый натриевый канал, через который в клетку во время генерации потенциала действия перемещаются ионы натрия.

Симпорт осуществляет переносчик глюкозы, расположенный на внешней (обращенной в просвет кишечника) стороне клеток кишечного эпителия. Этот белок захватывает одновременно молекулу глюкозы и ион натрия и, меняя конформацию, переносит оба вещества внутрь клетки. При этом используется энергия электрохимического градиента, который, в свою очередью создается за счет гидролиза АТФ натрий-калиевой АТФ-азой.

Антипорт осуществляет, например, натрий–калиевая АТФаза (или натрий–зависимая АТФаза). Она переносит в клетку ионы калия. а из клетки — ионы натрия.

Работа натрий-калиевой атФазы как пример антипорта и активного транспорта

Первоначально этот переносчик присоединяет с внутренней стороны мембраны три иона Na + . Эти ионы изменяют конформацию активного центра АТФазы. После такой активации АТФаза способна гидролизовать одну молекулу АТФ, причем фосфат-ион фиксируется на поверхности переносчика с внутренней стороны мембраны.

Выделившаяся энергия расходуется на изменение конформации АТФазы, после чего три иона Na + и ион (фосфат) оказываются на внешней стороне мембраны. Здесь ионыNa + отщепляются, а замещается на два иона

K + . Затем конформация переносчика изменяется на первоначальную, и ионы K + оказываются на внутренней стороне мембраны. Здесь ионы K + отщепляются, и переносчик вновь готов к работе.

Более кратко действия АТФазы можно описать так:

  • 1) Она изнутри клетки «забирает» три иона Na + ,затем расщепляет молекулу АТФ и присоединяет к себе фосфат

  • 2) «Выбрасывает» ионы Na + и присоединяет два иона K + из внешней среды.

  • 3) Отсоединяет фосфат, два иона K + выбрасывает внутрь клетки

В итоге во внеклеточной среде создается высокая концентрация ионов Na + , а внутри клетки — высокая концентрация K + . Работа Na + , K + — АТФаза создает не только разность концентраций, но и разность зарядов (она работает как электрогенный насос). На внешней стороне мембраны создается положительный заряд, на внутренней — отрицательный.

Биология для студентов — 116. Механизмы пассивного и активного транспорта веществ в клетку. Их общебиологическое значение для клетки и организма

Пассивный транспорт перенос веществ по градиенту концентрации из области высокой концентрации в область низкой, без затрат энергии (диффузия, осмос). Диффузия — пассивное перемещение вещества из участка большей концентрации к участку меньшей концентрации. Осмос — пассивное перемещение некоторых веществ через полупроницаемую мембрану (обычно мелкие молекулы проходят, крупные не проходят). Осмос заключается в переходе молекул воды через мембрану по направлениям ее концентрационных градиентов.

По пути простой диффузии частицы вещества перемещаются сквозь липидный бислой. Направление простой диффузии определяется только разностью концентраций вещества по обеим сторонам мембраны. Путём простой диффузии в клетку проникают гидрофобные вещества (O2, N2, бензол) и полярные маленькие молекулы (CO2, h3O, мочевина). Не проникают полярные относительно крупные молекулы (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) и макромолекулы (ДНК, белки).

Ограниченная диффузия — диффузия через мембранные каналы. Основная масса каналов специфична (пропускает только один вид ионов), другие или не- или частично специфичны, причем каналы заполнены водой. Это доказано экспериментально в наблюдениях на искусственном липидном бислое. Если на его поверхность поместить электролит, то прохождения ионов нет, если добавить каналообразующие белки, то возникает электрический ток.

Облегчённая диффузия. Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погружённых в неё транспортных белков (белков-переносчиков). Все транспортные белки образуют непрерывный белковый проход через мембрану. С помощью белков-переносчиков осуществляется как пассивный, так и активный транспорт веществ. Полярные вещества (аминокислоты, моносахариды), заряженные частицы (ионы) проходят через мембраны с помощью облегчённой диффузии, при участии белков-каналов или белков-переносчиков. Участие белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегчённой диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. Скорость облегчённой диффузии зависит от ряда причин:

  • от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества,
  • от количества переносчика, который связывается с переносимым веществом,
  • от скорости связывания вещества переносчиком на одной поверхности мембраны(например, на наружной),
  • от скорости конформационных изменений в молекуле переносчика, в результате которых вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны.

Облегчённая диффузия не требует специальных энергетических затрат за счёт гидролиза АТФ. Эта особенность отличает облегчённую диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Белки — переносчики — это трансмембранные белки, которые специфически связывают молекулу транспортируемого вещества и, изменяя конформацию, осуществляют перенос молекулы через липидный слой мембраны. В белках-переносчиках всех типов имеются определенные участки связывания для транспортируемой молекулы. Они могут обеспечивать как пассивный, так и активный мембранный транспорт.

Активный транспорт

— перенос вещества через клеточную или внутриклеточную мембрану (трансмембранный активный транспорт) или через слой клеток (трансцеллюлярный активный транспорт), протекающий против градиента концентрации из области низкой концентрации в область высокой, т. е. с затратой свободной энергии организма. В большинстве случаев, но не всегда, источником энергии служит энергия макроэргических связей АТФ.

Различные транспортные АТФазы, локализованные в клеточных мембранах и участвующие в механизмах переноса веществ, являются основным элементом молекулярных устройств — насосов, обеспечивающих избирательное поглощение и откачивание определенных веществ (например, электролитов) клеткой. Активный специфический транспорт неэлектролитов (молекулярный транспорт) реализуется с помощью нескольких типов молекулярных машин — насосов и переносчиков. Транспорт неэлектролитов (моносахаридов, аминокислот и других мономеров) может сопрягаться с

симпортом — транспортом другого вещества, движение которого по градиенту концентрации является источником энергии для первого процесса. Симпорт может обеспечиваться ионными градиентами (например, натрия) без непосредственного участия АТФ.

Поток воды, вызванный в пористой мембране действием осмотических сил, аналогичен тому, который бы возник при приложении гидростатического давления к столбу воды, заполняющему пору. Рассмотрим мембрану, которая отделяет чистый растворитель от раствора, содержащего молекулы растворенного вещества. Стенки поры будут предохранять движущиеся через нее молекулы воды от бомбардировки молекулами растворенного вещества, что создает осмотическое давление. Следовательно, молекулы воды в поре, расположенные ближе к той стороне мембраны, которая контактирует с раствором, будут находиться под меньшим гидростатическим давлением, чем молекулы, расположенные, ближе к той стороне, которая обращена к чистому растворителю. Движение молекул чистого растворителя полностью передается молекулам, находящимся внутри поры, что и приводит к установлению разности гидростатического давления (разность эта обусловлена различиями в концентрации воды, каждой из которых соответствует определенная величина гидростатического давления). Таким образом, данная модель позволяет объяснить тот факт, что поток воды, обусловленный, действием осмотических сил, приблизительно в 2,4 раза больше диффузионного потока; эти данные позволяют также вычислить эффективный диаметр поры, который оказался равным 0,35 нм.

Мембранный транспорт активный: вещества переносятся через мембрану против концентрационного, электрического и других видов градиентов, на это тратится энергия клеточного метаболизма. Пассивный транспорт осуществляется главным образом тремя способами:

  • Вещества, находящиеся в водной фазе по одну сторону мембраны, растворяются в липидно-белковом слое мембраны, пересекают его и вновь переходят в водную фазу с противоположной стороны мембраны.
  • Вещества, которые перемещаются через поры или каналы мембраны, заполненные водой. В отношении воды было сделано предположение: она дополнительно диффундирует через поры мембраны. Это было доказано экспериментально: если брать синтетическую мембрану, но состоящую только из липидов, вода проходит через нее Þ еще одни механизм, связанный с динамическими свойствами липидов. Так как во время этих динамических движений образуются дефекты и очень подвижные молекулы воды успевают проникнуть через них через мембрану. Кинетика такого транспорта характеризует графическую зависимость скорости поступления через мембрану от концентрации вещества вне клетки. Эта прямая отражает кинетику без насыщения (то есть концентрация вещества может возрастать до бесконечности). Такая кинетика отличает простую диффузию от двух других механизмов пассивного транспорта.
  • Вещества в процессе диффузии проходят через поры мембраны – водорастворимые, полярные соединения и электролиты. Органические вещества проходят за счет растворения в липидах. Зависимость растворения веществ в липидах исследовалось Овертоном. Он показал если есть карбоксильные, гидроксильные и аминогруппы, то это ухудшает проникновение через мембрану. Присутствие же метиловых, этиловых и фенильных групп наоборот облегчает проникновение веществ в клетку. Они не полярные и это увеличивает растворения этих веществ в липидах.

Коэффициент распределения показывает отношение растворимости веществ в жирах к растворимости этих веществ в воде. Чем выше этот коэффициент, тем легче проникают вещества в клетку, вне зависимости от размеров молекулы. Если вещества имеют одинаковый коэффициент распределения, то более мелкие молекулы будут проникать легче чем крупные. Водорастворимые вещества проходят через поры мембран. Для того чтобы пройти через пору, вещество должно преодолеть определенные силы, которые препятствуют этому. Вещество должно освободится от водной или сольватной оболочки, раздвинуть поверхностный молекулярный слой на границе клетки и омывающего раствора, преодолеть взаимодействие своих полярных групп и полярных групп поры мембран, преодолеть энергетический барьер, создаваемый на поверхности цитоплазмы ионами и коллоидами.

Б. Пассивный и активный транспорт / Биохимия

Простейшей формой транспорта через биомембраны является свободная диффузия (облегчённая диффузия). Она часто облегчается определёнными мембранными белками, которые можно разделить на две группы:

1. Канальные белки образуют в биомембранах заполненные водой поры, проницаемые для определённых ионов. Например, имеются специфические ионные каналы для ионов Na+, K+, Ca2+ и Cl (см. Потенциал покоя и потенциал действия).

2. В отличие от ионных каналов транспортные белки избирательно связывают молекулы субстрата и за счёт конформационных изменений переносят их через мембрану. В этом отношении транспортные белки (белки-переносчики, пермеазы) похожи на ферменты. Единственное различие состоит в том, что они «катализируют» направленный транспорт, а не ферментативную реакцию. Они проявляют специфичность — иногда групповую — к субстратам, подлежащим переносу. Кроме того, для них характерны определённое сродство, выражаемое в виде константы диссоциации Kd и максимальная транспортная способность V (см. Фракционирование клеточных структур).

Свободная диффузия и транспортные процессы, обеспечиваемые ионными каналами и переносчиками, осуществляются по градиенту концентрации или градиенту электрического заряда (называемым вместе электрохимическим градиентом). Такие механизмы транспорта классифицируются как «пассивный транспорт». Например, по такому механизму в клетки поступает глюкоза из крови, где её концентрация гораздо выше.

В противоположность этому механизму активный транспорт идёт против градиента концентрации или заряда, поэтому активный транспорт требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счёт гидролиза АТФ (см. Пищеварение: общие сведения). Некоторые транспортные процессы осуществляются за счёт гидролиза других макроэргических соединений, таких, например, как фосфоенол-пируват, или за счёт энергии света.

Активный перенос может сочетаться с другим, спонтанно идущим транспортным процессом (так называемый вторичный активный транспорт). Так, к примеру, происходит в эпителиальных клетках кишечника и почек, где глюкоза переносится против концентрационного градиента за счёт того, что одновременно с глюкозой из просвета кишечника и первичной мочи переносятся ионы Na+. Здесь движущей силой для транспорта глюкозы является градиент концентрации ионов Na+ (см. Реабсорбция электролитов и воды).

С помощью транспортных систем осуществляется регуляция объёма клеток, величины pH и ионного состава цитоплазмы. Благодаря транспортным системам клетки накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, а также выводят в окружающую среду токсические вещества. Транспортные системы обеспечивают поддержание ионных градиентов, существенно важных для окислительного фосфорилирования и стимуляции мышечных и нервных клеток.


Статьи раздела «Транспортные процессы»:

— Следущая статья   |   — Вернуться в раздел

Пассивный транспорт

                                     

2. Рассеивание света.

(Light diffusion)

Большинство веществ переносится через мембрану с помощью погруженных белков транспортные белки-переносчики. все транспортные белки образуют непрерывный прохождение белка через мембрану. С помощью перевозчиков протеин как пассивного, так и активного транспорта веществ. Полярные вещества аминокислоты, моносахариды, заряженные частицы ионы проходят через мембраны с помощью облегченной диффузии, при участии белков-каналов или белков перевозчиков. часть белков-переносчиков обеспечивает более высокую скорость облегченной диффузии по сравнению с простой пассивной диффузией. скорость облегченной диффузии зависит от ряда причин: от трансмембранного концентрационного градиента переносимого вещества, от количества перевозчиков, что связано с переносным вещества, скорости связывания вещества-носителя на одной поверхности мембраны, например, на внешней, скорость конформационных изменений в молекуле носителя, в которой вещество переносится через мембрану и высвобождается на другой стороне мембраны. свет диффузия не требует специальных энергетических затрат за счет гидролиза АТФ. эта особенность отличает облегченную диффузию от активного трансмембранного транспорта.

Через биологические мембраны путем простой диффузии проникают многие вещества. однако, вещества, которые имеют высокую полярность и органической природы, могут проникать через мембрану путем простой диффузии, эти вещества поступают в клетку путем облегченной диффузии. облегченной диффузии является диффузия веществ по градиенту концентрации, которая осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков.

Характерными особенностями этого вида транспорта являются:

  • Конкуренция и чувствительность к конкретным веществам (Competition and sensitivity to specific substances) — ингибиторам.
  • Высокая скорость транспортировки веществ.
  • Зависимость от структуры веществ.
  • Насыщаемость. (Uptake)

Все вышеперечисленные особенности являются результатом действия специальных белков-переносчиков и их низкое содержание в клетке. когда максимальная миграция вещества, когда все перевозчики заняты, дальнейшее увеличение не приведет к увеличению числа подвижных веществ — явление насыщения. вещества, которые постоянно переносятся с той же авиакомпании придется конкурировать за нее — явление конкуренции.

Существует несколько видов транспорта. Ontransport — когда молекулы или ионы переходят через мембрану, несмотря на другие вещества. Симпорт — перенос вещества с другими соединениями. Антипорта — транспорт вещества направлен противоположно другое вещество или ион натрий-калиевого насоса.

Транспорт питательных веществ | справочник Пестициды.ru

Выделяют несколько типов транспортных систем, которые позволяют различным веществам преодолевать преграду цитоплазматической мембраны (ЦПМ) и попадать внутрь клетки микроорганизма. Это пассивная диффузия, облегченная диффузия, активный транспорт. Отмечается, что только активный транспорт способствует аккумуляции (накоплению) веществ внутри клетки[1].

Схема процесса пассивной диффузии

Схема процесса пассивной диффузии


Пассивная диффузия

Пассивная или простая диффузия – неспецифический процесс. Он происходит за счет разницы концентраций. Передвижение молекул осуществляется из более концентрированного раствора в менее концентрированный (по градиенту их концентрации).Этот процесс не связан с затратой энергии. Таким путем в клетку попадают низкомолекулярные вещества: кислород, липофильные соединения (спирты, жирные кислоты), вода, яды и другие, чужеродные для клетки вещества. Таким же образом происходит удаление продуктов обмена. Скорость перемещения веществ путем пассивной диффузии невелика и зависит от размеров транспортирующихся молекул[4][3].

Схема процесса облегченной диффузии

Схема процесса облегченной диффузии


Облегченная диффузия

Облегченная диффузия – перенос веществ через цитоплазматическую мембрану по градиенту их концентрации с участием пермеаз (транслоказ) – специфических мембранных белков, способствующих прохождению веществ через цитоплазматическую мембрану[3][1].

Пермеаза фиксирует на себе молекулу переносимого вещества, вместе с ней преодолевает цитоплазматичекую мембрану. После этого комплекс «вещество-пермеаза» диссоциирует. Освободившаяся пермеаза, диффундирует к наружной поверхности, присоединяет новую молекулу вещества и транспортирует ее внутрь клетки[1].

Облегченная диффузия не требует расхода энергии, если наружная концентрация вещества выше внутренней, поскольку в таком случае вещество перемещается «вниз» по химическому градиенту. Скорость процесса зависит от концентрации вещества в наружном растворе. Предполагается, что выход продуктов обмена веществ из микробной клетки может также происходит по методу облегченной диффузии с помощью переносчиков[1].

Параллельно отмечается, что облегченная диффузия более характерна для эукариотических организмов[4].

Схема активного транспорта

Схема активного транспорта


Активный транспорт

Активный транспорт является основным механизмом избирательного переноса вещества через цитоплазматическую мембрану в клетку против градиента концентрации. Этот процесс протекает при участии локализованных в цитоплазматической мембране переносчиков – пермеаз. Это вещества белковой природы, высокочувствительные к субстрату[3].

Активным транспортом в цитоплазму бактериальной клетку поступает подавляющее большинство разнообразных веществ (ионы, углеводы, аминокислоты, липиды)[4].

Для активного транспорта необходимы затраты энергии. Ее получают в виде АТФ, либо за счет протондвижущей силы энергизованной мембраны[3].

У многих микробов, чаще у грамотрицательных бактерий, в активном транспорте принимают участие связующие белки. Эти вещества не входят в структуру мембраны, не идентичны пермеазам. Они локализованы в периплазматическом пространстве. Связующие белки не имеют каталитической активности, но обладают высоким сродством к определенным питательным веществам, аминокислотам, углеводам, неорганическим ионам. Выделено и изучено более 100 различных связующих белков[3].

Активный транспорт осуществляется двумя путями:

  1. Без химической модификации переносимого вещества[4].
  2. С химической модификацией переносимого вещества[4].

В первом случае молекула питательного вещества образует комплекс с белком периплазматического пространства. Белок взаимодействует со специфической пермеазой цитоплазматической мембраны. После энергозависимого проникновения через цитоплазматическую мембрану комплекс «субстрат – белок периплазмы – пермеаза» диссоциирует и молекула субстрата освобождается[4].

Во втором случае наблюдается следующие последовательные процессы:

  1. Фосфорилирование мембранного фермента-2 со стороны цитоплазмы фосфоенолпируватом[4].
  2. Молекула субстрата связывается на поверхности цитоплазматической мембраны фосфорилированным ферментом-2[4].
  3. Энергозависимый транспорт молекулы субстрата через мембрану в цитоплазму[4].
  4. Перенос фосфатной группы на молекулу сбстрата[4].
  5. Диссоциация в цитоплазме комплекса «субстрат-фермент»[4].

Отмечается, что молекулы субстрата аккумулируются в цитоплазме клеток и теряют способность выйти из них именно за счет фосфорилирования[4].

Отдельные авторы второй путь активного транспорта (с химической модификацией переносимого вещества) выделяют в отдельный (четвертый) способ транспорта питательных веществ – транслокацию (перенос) групп (радикалов)[1][3].

 

Транспортные процессы. НАГЛЯДНАЯ БИОХИМИЯ. Ян Кольман, Клаус-Генрих Рем, Юрген Вирт


Транспортные процессы

А. Проницаемость биомембран

Низкомолекулярные нейтральные вещества, такие, как газы, вода, аммиак, глицерин и мочевина, свободно диффундируют через биомембраны. Однако с увеличением размера молекулы теряют способность проникать через биомембраны. К примеру, биомембраны непроницаемы для глюкозы и других сахаров. Проницаемость биомембран зависит также от полярности веществ. Неполярные вещества, такие, как бензол, этанол, диэтиловый эфир и многие наркотики, способны легко проходить через биомембраны в результате диффузии. Напротив, для гидрофильных, особенно заряженных молекул, биомембраны непроницаемы. Перенос таких веществ осуществляется специализированными транспортными белками (см. ниже и с. 222).

Б. Пассивный и активный транспорт

Простейшей формой транспорта через биомембраны является свободная диффузия (облегченная диффузия). Она часто облегчается определенными мембранными белками, которые можно разделить на две группы:

1. Канальные белки образуют в биомембранах заполненные водой поры, проницаемые для определенных ионов. Например, имеются специфические ионные каналы для ионов Na+, К+, Са2+ и Cl (см. с. 340).

2. В отличие от ионных каналов транспортные белки избирательно связывают молекулы субстрата и за счет конформационных изменений переносят их через мембрану. В этом отношении транспортные белки (белки-переносчики, пермеазы) похожи на ферменты. Единственное различие состоит в том, что они «катализируют» направленный транспорт, а не ферментативную реакцию. Они проявляют специфичность — иногда групповую — к субстратам, подлежащим переносу. Кроме того, для них характерны определенное сродство, выражаемое в виде константы диссоциации Kd и максимальная транспортная способность V (см. с. 96).

Свободная диффузия и транспортные процессы, обеспечиваемые ионными каналами и переносчиками, осуществляются по градиенту концентрации или градиенту электрическою заряда (называемым вместе электрохимическим градиентом). Такие механизмы транспорта классифицируются как «пассивный транспорт». Например, по такому механизму в клетки поступает глюкоза из крови, где ее концентрация гораздо выше.

В противоположность этому механизму активный транспорт идет против градиента концентрации или заряда, поэтому активный транспорт требует притока дополнительной энергии, которая обычно обеспечивается за счет гидролиза АТФ (см. с. 126). Некоторые транспортные процессы осуществляются за счет гидролиза других макроэргических соединений, таких, например, как фосфоенолпируват, или за счет энергии света.

Активный перенос может сочетаться с другим, спонтанно идущим транспортным процессом (так называемый вторичный активный транспорт). Так, к примеру, происходит в эпителиальных клетках кишечника и почек, где глюкоза переносится против концентрационного градиента за счет того, что одновременно с глюкозой из просвета кишечника и первичной мочи переносятся ионы Na+. Здесь движущей силой для транспорта глюкозы является градиент концентрации ионов Na+ (см. с. 320).

С помощью транспортных систем осуществляется регуляция объема клеток, величины рН и ионного состава цитоплазмы. Благодаря транспортным системам клетки накапливают метаболиты, важные для обеспечения энергетического цикла и метаболических процессов, а также выводят в окружающую среду токсические вещества. Транспортные системы обеспечивают поддержание ионных градиентов, существенно важных для окислительного фосфорилирования и стимуляции мышечных и нервных клеток (см. с. 340).

В. Транспортные процессы

Активный транспорт может идти по механизму унипорта (облегченной диффузии), согласно которому только одно вещество переносится через биомембрану в одном направлении с помощью канальных или транспортных белков (например, транспорт глюкозы в клетках печени). Активный транспорт может протекать по механизму сопряженного переноса (симпорт, сопряженный транспорт), когда два вещества переносятся одновременно в одном направлении как. например, транспорт аминокислот или глюкозы вместе с ионами натрия в кишечных эпителиальных клетках, либо в противоположном направлении (антипорт, обменная диффузия), как, например, обмен ионов НСО3 на Cl в мембране эритроцитов.


Определение активного и пассивного транспорта

Активные и пассивные транспортные процессы — это два пути, по которым молекулы и другие материалы перемещаются в клетки и из них, а также через внутриклеточные мембраны. Активный транспорт — это движение молекул или ионов против градиента концентрации (от области с более низкой концентрацией к более высокой), которое обычно не происходит, поэтому требуются ферменты и энергия.

Пассивный транспорт — это перемещение молекул или ионов из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией.Существует несколько форм пассивного транспорта: простая диффузия, облегченная диффузия, фильтрация и осмос. Пассивный перенос происходит из-за энтропии системы, поэтому для его осуществления не требуется дополнительной энергии.

Сравнить

  • И активный, и пассивный транспорт перемещают материалы и могут пересекать биологические мембраны.

Контрастность

  • Активный транспорт перемещает материалы от более низкой концентрации к более высокой, в то время как пассивный транспорт перемещает материалы от более высокой концентрации к более низкой.
  • Активный транспорт требует энергии для движения, в то время как пассивный транспорт не требует дополнительных затрат энергии.

Активный транспорт

Растворенные вещества перемещаются из области с низкой концентрацией в область с высокой концентрацией. В биологической системе мембрана пересекается с использованием ферментов и энергии (АТФ).

Пассивный транспорт

  • Простая диффузия: Растворенные вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область более низкой концентрации.
  • Облегченная диффузия: Растворенные вещества перемещаются через мембрану от более высокой до более низкой концентрации с помощью трансмембранных белков.
  • Фильтрация: Молекулы и ионы растворенных веществ и растворителей пересекают мембрану из-за гидростатического давления. Могут проходить молекулы, достаточно мелкие, чтобы проходить через фильтр.
  • Осмос: Молекулы растворителя перемещаются от к более высокой концентрации растворенного вещества через полупроницаемую мембрану. Обратите внимание, что это делает молекулы растворенного вещества более разбавленными.
  • Примечание: Простая диффузия и осмос подобны, за исключением простой диффузии, это частицы растворенного вещества, которые движутся. При осмосе растворитель (обычно вода) перемещается через мембрану, разбавляя частицы растворенного вещества.

Biology4Kids.com: Функции клетки: Пассивный транспорт


Активный транспорт требует энергии и работы, а пассивный транспорт — нет. Есть несколько различных типов этого легкого движения молекул.Это может быть так же просто, как свободно движущиеся молекулы, такие как осмос или диффузия . Вы также можете увидеть белки в клеточной мембране, которые действуют как каналы , , помогая двигаться дальше. И, конечно же, существует промежуточный процесс переноса, когда очень маленькие молекулы могут пересекать полупроницаемую мембрану .

Иногда белки используются для более быстрого перемещения молекул. Это процесс, называемый облегченной диффузией . Это может быть так же просто, как ввести молекулу глюкозы.Поскольку клеточная мембрана не позволяет глюкозе проникать путем диффузии, необходимы помощники. Клетка может заметить, как мимо проносятся жидкости со свободными молекулами глюкозы. Затем мембранные белки захватывают одну молекулу и меняют свое положение, чтобы доставить молекулу в клетку. Это простая ситуация с пассивным переносом, потому что концентрация глюкозы движется от более высокой к более низкой. Он движется вниз по градиенту концентрации . Если вам нужно удалить глюкозу, клетке потребуется энергия.

Иногда клетки находятся в зоне большой разницы концентраций и . Например, концентрация молекул кислорода может быть очень высокой вне клетки и очень низкой внутри. Эти молекулы кислорода настолько малы, что способны пересечь липидный бислой и проникнуть в клетку. Для этого процесса не требуется энергии. В этом случае это хорошо для клетки, потому что клеткам для выживания нужен кислород. Это также может произойти с другими молекулами, которые могут убить клетку.

Еще один яркий пример пассивного транспорта — осмос. Это процесс , специфичный для воды . Обычно клетки находятся в среде, где одна концентрация ионов снаружи, а другая — внутри. Поскольку концентрации должны быть одинаковыми, клетка может выкачивать ионы, чтобы остаться в живых. Осмос — это движение воды через мембрану.

Чтобы клетка выжила, концентрации ионов должны быть одинаковыми с обеих сторон клеточной мембраны. Если ячейка не откачивает все свои лишние ионы, чтобы выровнять концентрации, вода будет двигаться внутрь.Это может быть очень плохо. Клетка может разбухнуть и взорваться. Классический пример этого типа отека возникает, когда эритроциты помещаются в воду. Вода устремляется к клеткам, они расширяются и в конечном итоге лопаются (ПОП!).

Плазменные мембраны (Johnson County Comm. Coll. Video)



Полезные справочные ссылки

Encyclopedia.com (Osmosis):
http: // www.encyclopedia.com/topic/osmosis.aspx
Википедия:
http://en.wikipedia.org/wiki/Passive_transport
Британская энциклопедия:
http://www.britannica.com/EBchecked / topic / 101396 / cell / 37370 / Транспорт через мембрану? anchor = ref313703

Активный и пассивный транспорт в клетках

Сегодня мы внимательно рассмотрим человеческое тело. Я имею в виду на самом деле при близком рассмотрении. Правильно, мы говорим о клетках! В частности, мы собираемся поговорить о том, как материалы (вода, кислород, ионы натрия и калия, например) попадают в клетки вашего тела и выводятся из них посредством пассивного и активного транспорта.


Структура клеточной мембраны

Одна из общих черт различных типов клеток в вашем теле заключается в том, что они окружены плазматическими мембранами.

Изображение из A&P 6.

Плазменные мембраны содержат липиды, белки и углеводы (которые присоединяются к определенным липидам и белкам, превращая их в гликолипиды и гликопротеины).

Фосфолипиды являются здесь одними из основных игроков. Они образуют фосфолипидный бислой, характерный для биологических мембран.У фосфолипидов есть гидрофильные (водолюбивые) головы и гидрофобные (водобоязненные) хвосты, что означает, что они располагаются так, что головы обращены наружу (там, где больше воды), а хвосты обращены внутрь. Если вы поместите связку фосфолипидов в воду, они сами сформируют такую ​​структуру.

Строение плазматической мембраны клетки. Изображение из A&P 6.

Белки также являются важным компонентом клеточных мембран. Белки клеточной мембраны могут служить рецепторами и ферментами.Они также могут отмечать идентичность ячейки или связывать одну ячейку с другой. Наиболее важно для нашего обсуждения то, что трансмембранные белки, такие как белки каналов, функционируют как туннели, которые позволяют молекулам проходить через клеточную мембрану.

Существует несколько типов каналов, каждый из которых имеет свой метод активации. Каналы, управляемые лигандами, реагируют на химические стимулы. Каналы, управляемые напряжением, реагируют на изменения электрического потенциала на клеточной мембране. Механически управляемые каналы реагируют на физические стимулы, воздействующие на клетку, такие как растяжение и давление.

Кстати о материалах, пересекающих клеточную мембрану…


Пассивный транспорт

Некоторые материалы, такие как вода и кислород, могут входить в клетки и покидать их, при этом клетке не требуется расходовать энергию. Это пассивный транспорт.

Пассивный перенос обычно происходит вниз по градиенту концентрации. По сути, это означает, что молекулы будут перемещаться из областей, где их больше, в места, где их меньше. Когда частицы движутся вниз по градиенту концентрации от области высокой концентрации к области низкой концентрации, это называется (простой) диффузией.Распространение — это то, как кислород попадает в ваши клетки.

Есть ряд факторов, которые могут повлиять на скорость диффузии.

    • Температура. Если температура выше, диффузия будет происходить быстрее.
    • Молекулярный вес. Большие молекулы диффундируют медленнее.
    • Градиент концентрации. Чем круче градиент, тем быстрее произойдет диффузия.
    • Площадь поверхности мембраны. Если есть больше мембран для диффузии, диффузия будет происходить быстрее.
    • Проницаемость мембраны. Мембраны облегчают диффузию некоторых веществ.
    • Полярность. Неполярные вещества легче диффундируют.

Другой тип пассивного переноса, фильтрация, происходит, когда физическое давление проталкивает жидкость через избирательно проницаемую мембрану. В организме это происходит, когда артериальное давление выталкивает жидкость через отверстия в стенках капилляров.

Когда вода проникает через клеточную мембрану, это называется осмосом.Специализированные каналы в клеточной мембране, называемые аквапоринами, позволяют воде поступать в клетки и выходить из них. Направление, в котором происходит осмос (внутри или вне ячейки), зависит от концентрации раствора, в который погружена ячейка.

Давайте возьмем для примера эритроцит.

Нормальная кровь изотонична цитоплазме эритроцитов, что означает, что концентрация воды внутри клетки и за ее пределами одинакова. Прием и вывод воды сбалансированы и все гармонично.

Если эритроциты погрузить в гипотонический раствор, например, в дистиллированную воду, вода хлынет в клетку, и она набухнет (и лопнет!). Это означает, что вне клетки концентрация воды (по сравнению с растворенными веществами) выше, чем внутри, и вода поступает в клетку.

С другой стороны, в гипертоническом растворе, таком как 2% NaCl (соленая вода), эритроциты сморщиваются, как микроскопический изюм. Это связано с тем, что за пределами ячейки соотношение растворенных веществ и воды выше, поэтому вода устремляется из ячейки, чтобы попытаться восстановить баланс Силы.


Активный транспорт

Для крупных (или множественных) частиц и капель жидкости, или когда ячейке необходимо перемещать материалы против градиента концентрации, активный перенос — это правильный путь. Разница между активным и пассивным транспортом состоит в том, что активный транспорт требует энергии — клетка должна расходовать молекулы АТФ.

При активном переносе, опосредованном переносчиком, белок в плазматической мембране служит переносчиком для молекул, движущихся внутрь и из клетки. Классическим примером является натрий-калиевый (Na + –K +) насос, который перемещает оба типа ионов против градиента концентрации.

По сути, один из этих способов работает так: 3 иона натрия (Na +) изнутри клетки связываются с белком-носителем в клеточной мембране. Затем молекула АТФ расщепляется ферментом, называемым натрий-калий-АТФаза, высвобождая энергию и заставляя белок менять форму, выталкивая ионы Na + из клетки. Затем 2 иона K + извне клетки связываются с белком, и он снова меняет форму, депонируя K + в клетку.

Возможен также пассивный перенос, опосредованный переносчиками — это называется облегченной диффузией.Как и в примере с натриево-калиевым насосом, перемещаемый материал связывается с белком-носителем, носитель меняет форму, и материал высвобождается на другую сторону мембраны. АТФ просто не требуется, так как материал перемещается вниз по градиенту его концентрации.

Теперь поговорим о везикулярном транспорте, потому что именно здесь все становится по-настоящему весело. Существует два основных типа везикулярного транспорта: экзоцитоз и эндоцитоз.

Экзоцитоз — это когда транспортная везикула внутри клетки сливается с клеточной мембраной, а затем все, что находится внутри транспортной везикулы, может быть выпущено во внеклеточную жидкость.

Изображение из A&P 6.

Эндоцитоз бывает трех видов: фагоцитоз, пиноцитоз и рецептор-опосредованный эндоцитоз.

Фагоцитоз — мой личный фаворит, потому что он наиболее драматичен (фагоцитоз буквально означает «поедание клеток»). Хороший пример этого в организме человека — это когда лейкоцит, такой как нейтрофил или макрофаг, поглощает бактерию. Лейкоциты окружают бактерию и образуют везикулу, называемую фагосомой, чтобы удерживать ее внутри. Затем лизосома сливается с фагосомой и помогает, уничтожая бактерии с помощью ферментов.Отходы высвобождаются посредством экзоцитоза.

Идет фагоцитоз. Видеозапись с A&P 6.

Пиноцитоз («питье клеток») — это когда плазматическая мембрана защемляется внутрь, образуя везикулу вокруг внеклеточной жидкости, содержащей полезные молекулы. Этот процесс может быть не таким ярким, как фагоцитоз, но он происходит во всех клетках организма, а не только в специализированных, таких как макрофаги и нейтрофилы.

Эндоцитоз, опосредованный рецепторами

, аналогичен тому, что часть плазматической мембраны образует пузырьки вокруг молекул, принимаемых клеткой.Однако эти молекулы сначала связываются с рецепторами на внешней стороне мембраны, а образующаяся везикула окружена особым белком, называемым клатрином. Эндотелиальные клетки, выстилающие кровеносные сосуды, таким образом поглощают ЛПНП (липопротеины низкой плотности).

И теперь вы знаете все «под ключ» пассивного и активного транспорта! Кроме того, если вы думаете о создании группы, вам обязательно следует назвать ее Phospholipid Bilayer.


Не забудьте подписаться на блог Visible Body , чтобы узнать больше об анатомии!

Вы профессор (или знаете кого-нибудь)? У нас есть отличные наглядные пособия и ресурсы для вашего курса анатомии и физиологии!

Пассивный и активный транспорт — The Biology Primer

Активный транспорт

Активный транспорт — это движение молекул через клеточную мембрану в направлении против градиента их концентрации, переходя от низкой концентрации к высокой.Активный транспорт обычно связан с накоплением высоких концентраций молекул, в которых нуждается клетка, таких как ионы, глюкоза и аминокислоты. Если в процессе используется химическая энергия, например, из аденозинтрифосфата (АТФ), это называется первичным активным транспортом. Вторичный активный транспорт предполагает использование электрохимического градиента. Активный транспорт использует клеточную энергию, в отличие от пассивного транспорта, который не использует клеточную энергию. Активный транспорт — хороший пример процесса, для которого клеткам требуется энергия.

Почему клетки такие маленькие?

Клетки настолько малы, что для их исследования понадобится микроскоп. Почему? Чтобы ответить на этот вопрос, мы должны понять, что для выживания клетки должны постоянно взаимодействовать с окружающей их средой. Растворенные в воде газы и молекулы пищи должны абсорбироваться, а продукты жизнедеятельности должны удаляться. Для большинства клеток этот проход всех материалов внутрь и из клетки должен происходить через плазматическую мембрану. Каждая внутренняя область клетки должна обслуживаться частью клеточной поверхности.По мере роста клетки увеличивается ее внутренний объем и расширяется клеточная мембрана. К сожалению, объем увеличивается быстрее, чем площадь поверхности, и поэтому относительная площадь поверхности, доступная для передачи материалов в единицу объема ячейки, неуклонно уменьшается. В конце концов, в какой-то момент поверхности достаточно, чтобы обслуживать все интерьер; чтобы выжить, клетка должна перестать расти. Важным моментом является то, что отношение площади поверхности к объему становится меньше по мере увеличения ячейки.Таким образом, если клетка вырастет за определенный предел, недостаточное количество материала сможет пересечь мембрану достаточно быстро, чтобы приспособиться к увеличенному клеточному объему. Когда это происходит, клетка должна делиться на более мелкие клетки с благоприятным соотношением площадь поверхности / объем или перестать функционировать. Вот почему клетки такие маленькие.

3.5 Пассивный транспорт — Концепции биологии — 1-е канадское издание

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, почему и как происходит пассивная транспортировка
  • Понять процессы осмоса и диффузии
  • Определите тонус и опишите его отношение к пассивному транспорту

Плазменные мембраны должны позволять определенным веществам входить в клетку и выходить из нее, при этом предотвращая попадание вредных материалов и выход основных материалов.Другими словами, плазматические мембраны избирательно проницаемы — они пропускают одни вещества, но не пропускают другие. Если бы они потеряли эту селективность, клетка больше не могла бы поддерживать себя и была бы разрушена. Некоторым клеткам требуется большее количество определенных веществ, чем другим клеткам; у них должен быть способ получить эти материалы из внеклеточных жидкостей. Это может происходить пассивно, поскольку определенные материалы движутся вперед и назад, или в ячейке могут быть специальные механизмы, обеспечивающие транспортировку.Большинство клеток тратят большую часть своей энергии в форме аденозинтрифосфата (АТФ) на создание и поддержание неравномерного распределения ионов на противоположных сторонах своих мембран. Структура плазматической мембраны способствует этим функциям, но также создает некоторые проблемы.

Наиболее прямые формы мембранного транспорта пассивны. Пассивный перенос является естественным явлением и не требует от клетки затрат энергии для выполнения движения. При пассивном переносе вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией в процессе, называемом диффузией .Говорят, что физическое пространство, в котором имеется различная концентрация одного вещества, имеет градиент концентрации.

Плазменные мембраны асимметричны, что означает, что, несмотря на зеркальное отображение, сформированное фосфолипидами, внутренняя часть мембраны не идентична внешней стороне мембраны. Интегральные белки, которые действуют как каналы или насосы, работают в одном направлении. Углеводы, присоединенные к липидам или белкам, также находятся на внешней поверхности плазматической мембраны. Эти углеводные комплексы помогают клетке связывать необходимые клетке вещества во внеклеточной жидкости.Это значительно усиливает избирательность плазматических мембран.

Напомним, что плазматические мембраны имеют гидрофильные и гидрофобные области. Эта характеристика помогает перемещению одних материалов через мембрану и препятствует перемещению других. Жирорастворимый материал может легко проскальзывать через гидрофобное липидное ядро ​​мембраны . Такие вещества, как жирорастворимые витамины A, D, E и K, легко проходят через плазматические мембраны в пищеварительном тракте и других тканях.Жирорастворимые препараты также легко проникают в клетки и легко транспортируются в ткани и органы организма. Молекулы кислорода и углекислого газа не имеют заряда и проходят через простую диффузию.

Полярные вещества, за исключением воды, создают проблемы для мембраны. Хотя некоторые полярные молекулы легко соединяются с внешней стороной клетки, они не могут легко пройти через липидное ядро ​​плазматической мембраны . Кроме того, в то время как маленькие ионы могут легко проскальзывать через промежутки в мозаике мембраны, их заряд мешает им это делать.Ионы, такие как натрий, калий, кальций и хлорид, должны иметь специальные средства проникновения через плазматические мембраны. Простые сахара и аминокислоты также нуждаются в помощи для транспорта через плазматические мембраны.

Распространение — это пассивный транспортный процесс. Одиночное вещество имеет тенденцию перемещаться из области высокой концентрации в область низкой концентрации, пока концентрация не станет одинаковой во всем пространстве. Вы знакомы с диффузией веществ по воздуху. Например, представьте, как кто-то открывает флакон духов в комнате, заполненной людьми.Самая высокая концентрация духов находится во флаконе, а самая низкая — на краю комнаты. Пар духов будет рассеиваться или распространяться от флакона, и постепенно все больше и больше людей будут ощущать запах духов по мере их распространения. Материалы перемещаются в цитозоле клетки путем диффузии, а некоторые материалы перемещаются через плазматическую мембрану путем диффузии (рис. 3.24). Распространение не требует затрат энергии. Скорее, разные концентрации материалов в разных областях являются формой потенциальной энергии, а диффузия — это диссипация этой потенциальной энергии по мере того, как материалы движутся вниз по градиенту их концентрации, от высокого к низкому.

Рис. 3.24. Диффузия через проницаемую мембрану следует градиенту концентрации вещества, перемещая вещество из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией.

Каждое отдельное вещество в среде, такой как внеклеточная жидкость, имеет свой собственный градиент концентрации, независимый от градиентов концентрации других материалов. Кроме того, каждое вещество будет распространяться в соответствии с этим градиентом.

На скорость диффузии влияют несколько факторов.

  • Степень градиента концентрации: Чем больше разница в концентрации, тем быстрее происходит диффузия.Чем ближе распределение материала к равновесию, тем медленнее становится скорость диффузии.
  • Масса диффундирующих молекул: более массивные молекулы движутся медленнее, потому что им труднее перемещаться между молекулами вещества, через которое они движутся; поэтому они распространяются медленнее.
  • Температура: Более высокие температуры увеличивают энергию и, следовательно, движение молекул, увеличивая скорость диффузии.
  • Плотность растворителя: по мере увеличения плотности растворителя скорость диффузии уменьшается.Молекулы замедляются, потому что им труднее проходить через более плотную среду.

Концепция в действии

Чтобы увидеть анимацию процесса диффузии в действии, просмотрите это короткое видео о транспорте через клеточную мембрану.

При облегченном транспорте, также называемом облегченной диффузией, материал перемещается через плазматическую мембрану с помощью трансмембранных белков вниз по градиенту концентрации (от высокой к низкой концентрации) без затрат клеточной энергии.Однако вещества, которые подвергаются облегченному транспорту, в противном случае не могли бы легко и быстро диффундировать через плазматическую мембрану. Решение проблемы перемещения полярных и других веществ через плазматическую мембрану лежит в белках, покрывающих ее поверхность. Транспортируемый материал сначала прикрепляется к рецепторам белка или гликопротеина на внешней поверхности плазматической мембраны. Это позволяет удалить материал, необходимый клетке, из внеклеточной жидкости. Затем вещества передаются определенным интегральным белкам, которые облегчают их прохождение, поскольку они образуют каналы или поры, которые позволяют определенным веществам проходить через мембрану.Интегральные белки, участвующие в облегченном транспорте, вместе называются транспортными белками, и они функционируют либо как каналы для материала, либо как носители.

Осмос — это диффузия воды через полупроницаемую мембрану в соответствии с градиентом концентрации воды через мембрану. В то время как диффузия переносит материал через мембраны и внутри клеток, осмос переносит только воду, через мембрану, а мембрана ограничивает диффузию растворенных веществ в воде.Осмос — это особый случай диффузии. Вода, как и другие вещества, перемещается из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Представьте себе стакан с полупроницаемой мембраной, разделяющей две стороны или половины (рис. 3.25). На обеих сторонах мембраны уровень воды одинаковый, но с каждой стороны существуют разные концентрации растворенного вещества или растворенного вещества, которое не может пересечь мембрану. Если объем воды такой же, но концентрации растворенных веществ различаются, то есть также разные концентрации воды, растворителя, по обе стороны от мембраны.

Рис. 3.25. При осмосе вода всегда перемещается из области с более высокой концентрацией (воды) в область с более низкой концентрацией (воды). В этой системе растворенное вещество не может проходить через избирательно проницаемую мембрану.

Принцип диффузии заключается в том, что молекулы перемещаются и при возможности равномерно распространяются по среде. Однако через нее будет диффундировать только материал, способный проникнуть через мембрану. В этом примере растворенное вещество не может диффундировать через мембрану, а вода может.Вода в этой системе имеет градиент концентрации. Следовательно, вода будет диффундировать вниз по градиенту концентрации, пересекая мембрану в сторону, где она менее концентрирована. Эта диффузия воды через мембрану — осмос — будет продолжаться до тех пор, пока градиент концентрации воды не станет равным нулю. Осмос в живых системах происходит постоянно.

Тоничность описывает количество растворенного вещества в растворе. Мера тоничности раствора или общего количества растворенных веществ, растворенных в определенном количестве раствора, называется его осмолярностью.Три термина — гипотонический, изотонический и гипертонический — используются для связи осмолярности клетки с осмолярностью внеклеточной жидкости, содержащей клетки. В гипотоническом растворе, таком как водопроводная вода, внеклеточная жидкость имеет более низкую концентрацию растворенных веществ, чем жидкость внутри клетки, и вода поступает в клетку. (В живых системах точкой отсчета всегда является цитоплазма, поэтому приставка hypo — означает, что внеклеточная жидкость имеет более низкую концентрацию растворенных веществ или более низкую осмолярность, чем цитоплазма клетки.Это также означает, что во внеклеточной жидкости концентрация воды выше, чем в клетке. В этой ситуации вода будет следовать градиенту своей концентрации и попадет в ячейку. Это может вызвать взрыв или лизис животной клетки.

В гипертоническом растворе (префикс hyper — относится к внеклеточной жидкости, имеющей более высокую концентрацию растворенных веществ, чем цитоплазма клетки), жидкость содержит меньше воды, чем клетка, например морская вода. Поскольку в ячейке концентрация растворенных веществ ниже, вода будет покидать ячейку.Фактически растворенное вещество вытягивает воду из клетки. Это может вызвать сморщивание или образование зубцов в животной клетке.

В изотоническом растворе внеклеточная жидкость имеет ту же осмолярность, что и клетка. Если концентрация растворенных веществ в клетке совпадает с концентрацией внеклеточной жидкости, чистого движения воды внутрь или из клетки не будет. Клетки крови в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах приобретают характерный вид (рис. 3.26).

Рис. 3.26. Осмотическое давление изменяет форму эритроцитов в гипертонических, изотонических и гипотонических растворах.

Врач вводит пациенту изотонический физиологический раствор. Пациент умирает, и вскрытие показывает, что многие эритроциты были разрушены. Как вы думаете, раствор, который ввел врач, был действительно изотоническим?

У некоторых организмов, таких как растения, грибы, бактерии и некоторые простейшие, есть клеточные стенки, которые окружают плазматическую мембрану и предотвращают лизис клеток.Плазматическая мембрана может расширяться только до предела клеточной стенки, поэтому клетка не будет лизироваться. Фактически, цитоплазма растений всегда немного гипертоническая по сравнению с клеточной средой, и вода всегда будет попадать в клетку, если она доступна. Этот приток воды создает тургорное давление, которое укрепляет клеточные стенки растения (рис. 3.27). У недревесных растений давление тургора поддерживает растение. Если клетки растения становятся гипертоническими, как это происходит во время засухи, или если растение не поливают надлежащим образом, вода будет уходить из клетки.В этом состоянии растения теряют тургорное давление и вянут.

Рис. 3.27. Тургорное давление внутри растительной клетки зависит от тоничности раствора, в котором она купается.

Пассивные формы транспорта, диффузии и осмоса, перемещают материалы с малой молекулярной массой. Вещества диффундируют из областей с высокой концентрацией в области с низкой концентрацией, и этот процесс продолжается до тех пор, пока вещество не будет равномерно распределено в системе. В растворах более чем одного вещества молекулы каждого типа диффундируют в соответствии со своим градиентом концентрации.На скорость диффузии могут влиять многие факторы, включая градиент концентрации, размер диффундирующих частиц и температуру системы.

В живых системах диффузия веществ в клетки и из них опосредуется плазматической мембраной. Некоторые материалы легко диффундируют через мембрану, но другие затрудняются, и их прохождение возможно только с помощью белковых каналов и носителей. Химия живых существ происходит в водных растворах, и балансировка концентраций этих растворов является постоянной проблемой.В живых системах диффузия некоторых веществ была бы медленной или затрудненной без мембранных белков.

градиент концентрации: зона высокой концентрации напротив зоны низкой концентрации

диффузия: пассивный процесс транспортировки низкомолекулярного материала вниз по градиенту его концентрации

облегченная транспортировка: процесс, при котором материал движется вниз по градиенту концентрации (от высокой до низкой концентрации) с использованием интегральных мембранных белков

гипертонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет более высокую осмолярность, чем жидкость внутри клетки

гипотонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет более низкую осмолярность, чем жидкость внутри клетки

изотонический: описывает раствор, в котором внеклеточная жидкость имеет ту же осмолярность, что и жидкость внутри клетки

осмолярность: общее количество веществ, растворенных в определенном количестве раствора

осмос: перенос воды через полупроницаемую мембрану из области с высокой концентрацией воды в область с низкой концентрацией воды через мембрану

пассивная транспортировка: способ транспортировки материалов, не требующий энергии

избирательно проницаемая: характеристика мембраны, которая пропускает одни вещества, но не пропускает другие

растворенное вещество: вещество, растворенное в другом с образованием раствора

тоничность: количество растворенного вещества в растворе.

Атрибуция в СМИ

  • Рисунок 3.24: модификация работы Марианы Руис Вильярреал
  • Рисунок 3.26: модификация работы Марианы Руис Вильярреал
  • Рисунок 3.27: модификация работы Марианы Руис Вильярреал

Распространение — Принципы биологии

Наиболее прямые формы мембранного транспорта пассивны. Пассивный перенос — это естественное явление, которое не требует от клетки затрат энергии для выполнения движения.При пассивном переносе вещества перемещаются из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией в процессе, называемом диффузией . Говорят, что физическое пространство, в котором имеется различная концентрация одного вещества, имеет градиент концентрации .

Diffusion — это пассивный процесс транспортировки. Отдельное вещество имеет тенденцию перемещаться из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией, пока концентрация не станет одинаковой во всем пространстве.Вы знакомы с диффузией веществ по воздуху. Например, представьте, как кто-то открывает флакон духов в комнате, заполненной людьми. Самая высокая концентрация духов находится во флаконе, а самая низкая — на краю комнаты. Пар духов будет рассеиваться или распространяться от флакона, и постепенно все больше и больше людей будут ощущать запах духов по мере их распространения. Материалы перемещаются в цитозоле клетки путем диффузии, а некоторые материалы перемещаются через плазматическую мембрану путем диффузии (, рис. 1, ).Распространение не требует затрат энергии. Скорее, разные концентрации материалов в разных областях являются формой потенциальной энергии, а диффузия — это диссипация этой потенциальной энергии по мере того, как материалы движутся вниз по градиенту их концентрации, от высокого к низкому.

Рис. 1 Диффузия через проницаемую мембрану следует градиенту концентрации вещества, перемещая вещество из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. (кредит: модификация работы Марианы Руис Вильярреал)

Каждое отдельное вещество в среде, например внеклеточная жидкость, имеет свой собственный градиент концентрации, независимый от градиентов концентрации других материалов.Кроме того, каждое вещество будет распространяться в соответствии с этим градиентом.

На скорость диффузии влияют несколько факторов:

  • Степень градиента концентрации: Чем больше разница в концентрации, тем быстрее происходит диффузия. Чем ближе распределение материала к равновесию, тем медленнее становится скорость диффузии.
  • Масса диффундирующих молекул: более массивные молекулы движутся медленнее, потому что им труднее перемещаться между молекулами вещества, через которое они движутся; поэтому они распространяются медленнее.
  • Температура: Более высокие температуры увеличивают энергию и, следовательно, движение молекул, увеличивая скорость диффузии.
  • Плотность растворителя: по мере увеличения плотности растворителя скорость диффузии уменьшается. Молекулы замедляются, потому что им труднее проходить через более плотную среду.

Если не указано иное, изображения на этой странице лицензированы OpenStax в соответствии с CC-BY 4.0.

Текст адаптирован из: OpenStax, Концепции биологии.OpenStax CNX. 18 мая 2016 г. http://cnx.org/contents/[email protected]

Активный и пассивный транспорт: красный марсоход отправляет частицы — действие

Быстрый просмотр

Уровень оценки: 9 (9–12)

Требуемое время: 45 минут

Расходные материалы на группу: 0 долл. США.00

Размер группы: 1

Зависимость действий:

Тематические области: Алгебра, Биология, Химия, Анализ и вероятность данных, Науки о жизни, Измерение, Решение проблем, Рассуждение и доказательство, Наука и технологии

Ожидаемые характеристики NGSS:


Резюме

Учащиеся сравнивают и противопоставляют пассивный и активный транспорт, играя в игру для моделирования этого явления.Также моделируется движение через клеточные мембраны, а также структура и движение, типичные для жидкой мозаичной модели клеточной мембраны. Градиент концентрации, размеры, форма и полярность молекул определяют способ движения через клеточные мембраны. Это упражнение связано с фазой «Проверьте свой характер» в устаревшем цикле. Эта инженерная программа соответствует научным стандартам нового поколения (NGSS).

Инженерное соединение

Инженеры используют модели, чтобы представить и лучше понять мир в различных масштабах.Чтобы лучше понять клетки, инженеры создают модели и манипулируют ими. В этом упражнении учащиеся конструируют клеточную мембрану и выделяют области для определенного транспорта. Способность молекулы проникать через клеточную мембрану является одним из основных направлений внутриклеточной инженерии. В области биомедицинской инженерии проводится множество исследований, чтобы узнать о внутренней работе клеток с целью разработки новых форм медицинских технологий.

Цели обучения

После этого занятия студенты должны уметь:

  • Действует как отдельная частица или часть клеточной мембраны для моделирования активного и пассивного транспорта.
  • Объясните, как частицы переносятся с одной стороны клеточной мембраны на другую.
  • Объясните, почему инженеры используют модели.

Образовательные стандарты

Каждый урок или задание TeachEngineering соотносится с одним или несколькими научными дисциплинами K-12, образовательные стандарты в области технологий, инженерии или математики (STEM).

Все 100000+ стандартов K-12 STEM, охватываемых TeachEngineering , собираются, обслуживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).

В ASN стандарты иерархически структурированы: сначала по источникам; например , по штатам; внутри источника по типу; например , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классу, и т. д. .

NGSS: научные стандарты нового поколения — наука
Ожидаемые характеристики NGSS

HS-LS1-2.Разработайте и используйте модель, чтобы проиллюстрировать иерархическую организацию взаимодействующих систем, которые обеспечивают определенные функции внутри многоклеточных организмов. (9–12 классы)

Вы согласны с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!

Нажмите, чтобы просмотреть другие учебные программы, соответствующие этим ожиданиям от результатов.
В этом упражнении основное внимание уделяется следующим аспектам трехмерного обучения NGSS:
Наука и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Общие концепции
Разработайте и используйте модель, основанную на свидетельствах, для иллюстрации взаимосвязей между системами или между компонентами системы.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Многоклеточные организмы имеют иерархическую структурную организацию, в которой любая система состоит из множества частей и сама является компонентом следующего уровня.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Модели (например, физические, математические, компьютерные модели) могут использоваться для моделирования систем и взаимодействий, включая энергию, материю и информационные потоки, внутри и между системами в различных масштабах.

Соглашение о выравнивании: Спасибо за ваш отзыв!

Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии — Технология Предложите выравнивание, не указанное выше

Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?

Список материалов

Материалы, необходимые для этой деятельности:

Рабочие листы и приложения

Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/van_membrane_activity3], чтобы распечатать или загрузить.

Больше подобной программы

Структура и функции клеточной мембраны

Учащиеся узнают о различных структурах, составляющих клеточные мембраны, выполняя часть этапов исследования и проверки устаревшего цикла. Они просматривают онлайн-анимацию динамики клеточных мембран (ссылки предоставлены).

Хранители ворот

Студенты изучают структуру и функцию клеточных мембран. Изучая проникновение и выход частиц через мембраны, студенты узнают о квантовых точках и биотехнологии с помощью концепции внутриклеточной инженерии.

Селективно проницаемые мембраны

Студенты узнают, что инженеры разрабатывают различные полимеры для выполнения различных функций и знакомятся с селективно проницаемыми мембранами. В основном упражнении учащиеся пары проверяют и сравнивают избирательную проницаемость повседневных полимерных материалов, предназначенных для хранения пищевых продуктов (включая пластиковые продукты)…

Поверхностно-активные вещества: помогают молекулам перемещаться

Студенты узнают об основах молекул и о том, как они взаимодействуют друг с другом. Они узнают об идее полярных и неполярных молекул и о том, как они действуют с другими жидкостями и поверхностями. Студенты получают концептуальное представление о молекулах поверхностно-активных веществ и о том, как они работают на молекулярном уровне….

Введение / Мотивация

Сегодня вы все собираетесь участвовать в игре с клеточными мембранами под названием «Красный вездеход — отправить частицы». Это кинестетическое обучение позволяет моделировать и исследовать отношения внутри клетки с участием клеточной мембраны. Активное обучение помогает вам моделировать происходящее на молекулярном уровне, чтобы вы могли лучше понимать процессы, которые вы не можете визуализировать.Вы должны иметь химическое и биологическое представление о жидкой мозаичной модели клеточной мембраны и быть знакомыми со структурой и полярностью молекул, которые будут перемещаться через мембрану. Процесс моделирования — это инструмент, используемый многими инженерами, поскольку они следуют этапам процесса проектирования для решения проблем и поиска хороших решений.

Рассмотрим пассивный и активный транспорт:

Пассивный транспорт — это движение веществ через мембрану без какой-либо энергии от клетки.Осмос и диффузия (в центре внимания предыдущего урока) — два примера пассивного транспорта.

Активный перенос относится к перемещению материалов из области с более низкой концентрацией в область с более высокой концентрацией против градиента концентрации. Для этого требуется энергия, обычно от АТФ. Насосы клеточных мембран, эндоцитоз и экзоцитоз (в центре внимания предыдущего урока) — все это способствует активному транспорту.

В игре с красным вездеходом вы будете физически «перемещать» свое тело через ячейку с легкостью или ограничениями, в зависимости от указанного типа транспорта.

Процедура

Фон

Перед началом игры учащиеся просматривают лист задания, чтобы ознакомиться с типами транспорта и связанными с ними темами. Учитель выступает в роли фасилитатора игры, объявляя тип транспорта и подводя итоги того, что произошло в конце каждого занятия. Во время занятия напомните учащимся о градиенте концентрации и динамическом равновесии.

Перед мероприятием

  • Сделайте копии опроса по клеточным мембранам и видов транспорта, по одному на каждого учащегося.
  • Распечатайте игровые карты, на которых изображены ионы, молекулы и элементы клеточных мембран. Проденьте отверстия в карточках в двух верхних углах и обвяжите каждую нитью, чтобы сделать плакаты, которые каждый ученик будет носить во время занятия, иллюстрирующие их роли. Используйте розовые атомы как калий или другой ион и напишите ионный элемент и заряд на каждом. Попросите учащихся записать заряды атомов натрия и хлора. (Совет: чтобы эти карты можно было использовать повторно, скопируйте их на картон и ламинируйте, прежде чем пробивать отверстия.Маркер сухого стирания стирает с ламинированной поверхности, поэтому пустые атомы можно легко заменить.)
  • Отодвиньте парты и столы, чтобы освободить место для проведения игры. Или договоритесь о выходе на улицу или в спортзал.
  • Раздайте учащимся лист задания перед занятием, чтобы они могли ознакомиться с различными изучаемыми видами транспорта. Также попросите студентов изучить форму и структуру молекул, чтобы определить их полярность и способ движения внутрь и из клеточных мембран.

Со студентами

  1. Предложите учащимся стопку игровых карт лицом вниз и предложите им случайным образом выбрать свои роли в игре, выбирая карту. Попросите их повесить плакаты на шею, чтобы все знали свои роли в игре.
  2. Посоветуйте ученикам, которые нарисовали похожие карточки, сгруппироваться вместе, чтобы обсудить свою стратегию проникновения в клеточную мембрану. Предложите им просмотреть лист занятий, чтобы каждый раз проверять, в каком виде транспорта они могут участвовать.Точно так же члены липидного бислоя и белки обсуждают размещение своих белков внутри мембраны.
  3. Начните игру, объявив, какой тип транспорта будет проиллюстрирован. Подобно игре в «Red Rover», частицы пытаются проникнуть в ячейку и при этом осознавать динамическое равновесие, которое имеет место в сочетании с градиентом концентрации. Держите клеточную мембрану руками так, чтобы она была достаточно «жидкой», чтобы мелкие частицы, такие как вода, углекислый газ и газообразный кислород, могли входить и выходить из клетки по желанию, в то время как заряженные частицы должны входить и выходить из клетки только через свои определенные белки канала .Попросите белки каналов объявить, каким именно ионам они позволяют входить и выходить. Пусть белки-носители также объявят свою конкретную молекулу, такую ​​как глюкоза или аминокислоты.
  4. Периодически останавливайтесь, чтобы обсудить, что моделируют ученики. Переход к новым играм путем обобщения и обсуждения того, что произошло. Перезапускайте новые игры, объявляя разные типы транспорта. Периодически позволяйте учащимся поменяться ролями во время игры, чтобы они могли получить представление о различных частях процесса.Напомните учащимся о градиенте концентрации и динамическом равновесии.
  5. По окончании действия проведите викторину.

Словарь / Определения

Активный транспорт: движение веществ через клеточную мембрану, требующее энергии.

пассивный транспорт: движение частиц через клеточную мембрану, не требующее энергии.

Оценка

Викторина : По окончании занятия проведите тест по клеточным мембранам.Просмотрите ответы студентов, чтобы оценить их понимание концепций.

Авторские права

© 2013 Регенты Университета Колорадо; оригинал © 2010 Университет Вандербильта

Авторы

Мелинда М. Хиггинс

Программа поддержки

VU Bioengineering RET Program, Школа инженерии, Университет Вандербильта

Благодарности

Содержание этой учебной программы по цифровой библиотеке было разработано в рамках грантов №№ RET Национального научного фонда.0338092 и 0742871. Однако это содержание не обязательно отражает политику Национального научного фонда, и вам не следует предполагать, что оно одобрено федеральным правительством.

Последнее изменение: 30 апреля 2021 г.

.