6.4: Транспортування до мембрани та через неї
- Page ID
- 2532
Отже, питання полягає в тому, як мембрана «вирішує», які молекули впускати в клітину та виходити з неї. Якщо ми подумаємо про це, є три можливі загальні механізми (дайте нам знати, чи можете ви придумати більше). Молекули можуть самостійно переміщатися через мембрану, вони можуть пасивно переміщатися по мембрані за допомогою якогось типу специфічного «носія» або «каналу», або ж їх можна було активно переміщати за допомогою якогось «насоса». Які типи носіїв, каналів і насосів присутні, визначатимуть, які типи молекул рухаються через мембрану клітини. Як ви можете вивести, насоси потребують джерела енергії для їх приводу. Як ми побачимо, в переважній більшості випадків ці носії, канали, насоси є молекулярними машинами на основі білків, будова яких ми детально розглянемо далі. Ми можемо думати про цю реакцію молекулярного руху загалом як:
\[\text{Molecule}_{\text{outside}} \rightleftharpoons \text{Molecule}_{\text{inside membrane}} \rightleftharpoons \text{Molecule}_{\text{inside cell}}\]
Як і у випадку зі стандартними хімічними реакціями, рух через мембрану передбачає енергію активації, яка становить енергію, необхідну для проходження через мембрану. Отже, ви цілком можете запитати, чому мембрана, особливо гідрофобний центр мембрани, є бар'єром для руху гідрофільних молекул. Тут відповідь передбачає різницю у вільній енергії рухомої молекули всередині водного розчину, включаючи гідрофільну поверхню мембрани, де електростатичні взаємодії типу H-зв'язку є загальними між молекулами, і гідрофобною областю мембрани, де тільки ван дер Ваальс взаємодії присутні. Ситуація погіршується для заряджених молекул, оскільки молекули води зазвичай організовані в динамічній оболонці навколо кожного іона. Замість реагентів і продуктів ми можемо побудувати графік положення молекули щодо мембрани. Ми розглядаємо молекули однієї конкретної речовини, що рухаються через мембрану, і тому ідентичність молекули не змінюється під час транспортної реакції. Якщо концентрації молекул однакові по обидва боки мембрани, то їх вільні енергії Гіббса теж рівні, система буде знаходитися в рівновазі щодо цієї реакції. При цьому, як і у випадку з хімічними реакціями, чистий потік молекули через мембрану не буде, але молекули будуть рухатися взад-вперед по мембрані з однаковою швидкістю. Швидкість, з якою вони рухаються вперед і назад, буде залежати від розміру енергії активації, пов'язаної з переміщенням по мембрані, а також концентрацій молекул.
Якщо молекула гідрофобна (неполярна), вона буде більш розчинною в гідрофобному середовищі, що існує в центральній області мембрани, ніж у водному середовищі. На противагу цьому ситуація буде чітко відрізнятися для гідрофільних молекул. До цього моменту, ми сподіваємося, ви зрозумієте, що в простій мембрані тільки ліпідів (біологічно нереальний випадок) форма цього графіка, а конкретно висота піку енергії активації буде змінюватися в залежності від характеристик молекули, яку ми розглядаємо, рухається, а також самої мембрани. . Якщо молекула велика і високогідрофільна, наприклад, якщо вона заряджена, енергія активації, пов'язана з перетином мембрани, буде вище, ніж якщо молекула мала і незаряджена. Просто для задоволення, ви можете розглянути, як може виглядати діаграма реакції для однієї ліпідної молекули; де вона може бути розташована, і які енергетичні бар'єри пов'язані з її переміщенням (гортанням) по мембрані. Ви можете почати з малювання кроків, що беруть участь у «перевертанні» орієнтації ліпідної молекули мембраною.
Почнемо з самої води, яка невелика і незаряджена. Коли молекула води починає виходити з водної фази і потрапляти в гідрофобну (центральну) область мембрани, немає Н-зв'язків, які б займали місце втрачених, немає сильних молекулярних рукостискань; результат полягає в тому, що часто молекула «витягується назад» у водну фазу. Проте, молекул води зовні (і всередині) клітини так багато, а молекули води настільки малі, що, потрапивши в мембрану, вони можуть пройти крізь неї. Енергія активації для води зовні Водяна внутрішня реакція досить низька, щоб вода могла проходити через мембрану (в обох напрямках) з розумною швидкістю.
Невеликі неполярні молекули, такі як O 2 і CO 2, можуть (дуже схоже на воду) відносно легко проходити через біологічну мембрану. Існує більш ніж достатньо енергії, доступної через зіткнення з іншими молекулами (тепловий рух), щоб забезпечити їх енергією, необхідною для подолання енергії активації, яка бере участь у проходженні через мембрану. Однак зараз ми починаємо бачити зміни вільних енергій молекул на внутрішній і зовнішній стороні клітини. Наприклад, в організмах, які залежать від O 2 (облігатні аероби), O 2 поза клітиною надходить з повітря; в кінцевому підсумку він генерується рослинами, які виділяють O 2 як продукт життєдіяльності. Як тільки О 2 потрапляє в клітину, вона бере участь в реакціях дихання (ми повернемося до обох процесів далі). Результатом є те, що концентрація O 2 поза клітиною буде більше, ніж концентрація O 2 всередині клітини. Це означає, що вільна енергія O 2 зовні буде більшою, ніж вільна енергія O 2 всередині. Реакція O 2 зовні O 2 всередині тепер термодинамічно сприятлива і в клітину буде чистий потік O 2. Можна розглянути, як подібна ситуація відноситься до води. Внутрішньоклітинний домен клітини являє собою концентрований розчин білків та інших молекул. Як правило, концентрація води поза осередком більше, ніж концентрація води всередині клітини. Наша презумпція першого порядку полягає в тому, що реакція:
\[H_2O_{outside} \rightleftharpoons H_2O_{inside}\]
сприятливий, тому вода буде стікати в клітку. Отже, очевидне питання полягає в тому, що відбувається з часом? Незабаром ми повернемося до того, як клітини (і організми) вирішують цю важливу проблему.
Відео-моделювання молекули води, що рухається через мембрану: http://youtu.be/ePGqRaQiBfc