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Conférence 05 : Membranes et transport - Biologie

Conférence 05 : Membranes et transport - Biologie


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Aperçu des membranes

Les membranes plasmiques enferment et définissent les frontières entre l'intérieur et l'extérieur des cellules. De plus, la membrane plasmique doit, dans certains cas, être suffisamment flexible pour permettre à certaines cellules, telles que les amibes, de changer de forme et de direction lorsqu'elles se déplacent dans l'environnement, chassant des organismes unicellulaires plus petits.

Membranes cellulaires

Un sous-objectif de notre défi de conception « construire une cellule » est de créer une frontière qui sépare « l'intérieur » de la cellule de l'environnement « extérieur ». Cette frontière doit remplir plusieurs fonctions, notamment :

  1. Agir comme une barrière en empêchant certains composés d'entrer et de sortir de la cellule.
  2. Être sélectivement perméable afin de transporter des composés spécifiques dans et hors de la cellule.
  3. Recevoir, détecter et transmettre des signaux de l'environnement vers l'intérieur de la cellule.
  4. Projetez « soi » aux autres en communiquant l'identité à d'autres cellules à proximité.

Figure 1. Le diamètre d'un ballon typique est de 25 cm et l'épaisseur du plastique du ballon d'environ 0,25 mm. C'est une différence de 1000X. Une cellule eucaryote typique aura un diamètre cellulaire d'environ 50 µm et une épaisseur de membrane cellulaire de 5 nm. C'est une différence de 10 000 fois.

Remarque : discussion possible

Le rapport de l'épaisseur de la membrane par rapport à la taille d'une cellule eucaryote moyenne est bien supérieur à celui d'un ballon tendu à l'air. Penser que la frontière entre la vie et la non-vie est si petite et apparemment fragile, plus qu'un ballon, suggère que structurellement la membrane doit être relativement stable. Expliquez pourquoi les membranes cellulaires sont stables. Vous devrez tirer des informations que nous avons déjà couvertes dans cette classe.

Modèle de mosaïque fluide

L'existence de la membrane plasmique a été identifiée dans les années 1890, et ses composants chimiques ont été identifiés en 1915. Les principaux composants identifiés à cette époque étaient les lipides et les protéines. Le premier modèle largement accepté de la structure de la membrane plasmique a été proposé en 1935 par Hugh Davson et James Danielli ; il était basé sur l'aspect « voie ferrée » de la membrane plasmique dans les premières micrographies électroniques. Ils ont émis l'hypothèse que la structure de la membrane plasmique ressemble à un sandwich, les protéines étant analogues au pain et les lipides étant analogues à la garniture. Dans les années 1950, les progrès de la microscopie, notamment la microscopie électronique à transmission (MET), ont permis aux chercheurs de constater que le cœur de la membrane plasmique était constitué d'une double couche plutôt que d'une seule. Un nouveau modèle qui explique mieux à la fois les observations microscopiques et la fonction de cette membrane plasmique a été proposé par S.J. Chanteur et Garth L. Nicolson en 1972.

L'explication proposée par Singer et Nicolson est appelée la modèle de mosaïque fluide. Le modèle a quelque peu évolué au fil du temps, mais il tient toujours mieux compte de la structure et des fonctions de la membrane plasmique telles que nous les comprenons maintenant. Le modèle de mosaïque fluide décrit la structure de la membrane plasmique comme une mosaïque de composants, notamment des phospholipides, du cholestérol, des protéines et des glucides, qui confère à la membrane un caractère fluide. Les membranes plasmiques ont une épaisseur de 5 à 10 nm. A titre de comparaison, les globules rouges humains, visibles en microscopie optique, mesurent environ 8 µm de large, soit environ 1 000 fois plus larges qu'une membrane plasmique.

Figure 2. Le modèle de mosaïque fluide de la membrane plasmique décrit la membrane plasmique comme une combinaison fluide de phospholipides, de cholestérol et de protéines. Les glucides attachés aux lipides (glycolipides) et aux protéines (glycoprotéines) s'étendent à partir de la surface tournée vers l'extérieur de la membrane.

Les principaux composants d'une membrane plasmique sont les lipides (phospholipides et cholestérol), les protéines et les glucides. Les proportions de protéines, de lipides et de glucides dans la membrane plasmique varient selon l'organisme et le type de cellule, mais pour une cellule humaine typique, les protéines représentent environ 50 % de la composition en masse, les lipides (de tous types) représentent environ 40 %. de la composition en masse, et les glucides représentent les 10 pour cent restants de la composition en masse. Cependant, la concentration de protéines et de lipides varie selon les membranes cellulaires. Par exemple, la myéline, une excroissance de la membrane de cellules spécialisées, isole les axones des nerfs périphériques, ne contient que 18 pour cent de protéines et 76 pour cent de lipides. La membrane interne mitochondriale contient 76 pour cent de protéines et seulement 24 pour cent de lipides. La membrane plasmique des globules rouges humains contient 30% de lipides. Les glucides ne sont présents que sur la surface extérieure de la membrane plasmique et sont attachés aux protéines, formant glycoprotéines, ou attachés aux lipides, formant glycolipides.

Phospholipides

Phospholipides sont des constituants majeurs de la membrane cellulaire, la couche la plus externe des cellules. Comme les graisses, elles sont composées de chaînes d'acides gras attachées à un groupe de tête polaire. Plus précisément, il existe deux queues d'acides gras et un groupe phosphate en tant que groupe de tête polaire. Le phospholipide est un amphipathique molécule, ce qui signifie qu'elle a une partie hydrophobe et une partie hydrophile. Les chaînes d'acides gras sont hydrophobes et ne peuvent pas interagir avec l'eau, tandis que le groupe de tête contenant du phosphate est hydrophile et interagit avec l'eau.

Noter

Assurez-vous de noter dans la figure 3 que le groupe phosphate a un groupe R lié à l'un des atomes d'oxygène. R est une variable couramment utilisée dans ces types de diagrammes pour indiquer qu'un autre atome ou molécule est lié à cette position. Cette partie de la molécule peut être différente dans différents phospholipides et donnera une chimie différente à la molécule entière. À l'heure actuelle, cependant, vous êtes responsable de pouvoir reconnaître ce type de molécule (quel que soit le groupe R) en raison des éléments de base communs - le squelette glycérol, le groupe phosphate et les deux queues d'hydrocarbures.

figure 3. Un phospholipide est une molécule avec deux acides gras et un groupe phosphate modifié attaché à un squelette de glycérol. Le phosphate peut être modifié par addition de groupements chimiques chargés ou polaires. Plusieurs groupes chimiques R peuvent modifier le phosphate. La choline, la sérine et l'éthanolamine sont présentées ici. Ceux-ci se fixent au groupe phosphate à la position marquée R via leurs groupes hydroxyle.
Attribution : Marc T. Facciotti (œuvre personnelle)

Une bicouche phospholipidique se forme comme structure de base de la membrane cellulaire. Les queues d'acides gras des phospholipides sont tournées vers l'intérieur, loin de l'eau, tandis que le groupe phosphate fait face à l'extérieur, en liaison hydrogène avec l'eau. Les phospholipides sont responsables de la nature dynamique de la membrane plasmique. Les phospholipides formeront spontanément une structure dite micelle dans laquelle les têtes de phosphates hydrophiles font face à l'extérieur et les acides gras font face à l'intérieur de cette structure.

Figure 4. En présence d'eau, certains phospholipides vont spontanément se disposer en micelle. Les lipides seront disposés de telle sorte que leurs groupes polaires seront à l'extérieur de la micelle, et les queues non polaires seront à l'intérieur. Une bicouche lipidique peut également se former, une feuille à deux couches de seulement quelques nanomètres d'épaisseur. La bicouche lipidique est constituée de deux couches de phospholipides organisées de manière à ce que toutes les queues hydrophobes s'alignent côte à côte au centre de la bicouche et soient entourées par les groupes de tête hydrophiles.
Source : Créé par Erin Easlon (propre travail)

Remarque : discussion possible

Au-dessus, il est dit que si vous deviez prendre des phospholipides purs et les laisser tomber dans de l'eau, certains se formeraient spontanément (tout seuls) en micelles. Cela ressemble beaucoup à quelque chose qui pourrait être décrit par une histoire d'énergie. Revenez à la rubrique histoire d'énergie et essayez de commencer à créer une histoire d'énergie pour ce processus - je pense que les étapes impliquant la description de l'énergie pourraient être difficiles à ce stade (nous y reviendrons plus tard) mais vous devriez être capable faire au moins les trois premières étapes. Vous pouvez critiquer (poliment) de manière constructive le travail de chacun pour créer une histoire optimisée.

Remarque : discussion possible

Notez que le phospholipide décrit ci-dessus a un groupe R lié au groupe phosphate. N'oubliez pas que cette désignation est générique - ceux-ci peuvent être différents des groupes R sur les acides aminés. Quel pourrait être un avantage/un objectif de « fonctionnaliser » ou de « décorer » différents lipides avec différents groupes R ? Pensez aux exigences fonctionnelles pour les membranes stipulées ci-dessus.

Protéines membranaires

Les protéines constituent le deuxième composant majeur des membranes plasmiques. Protéines intégrales (certains types spécialisés sont appelés intégrines) sont, comme leur nom l'indique, complètement intégrés dans la structure membranaire, et leurs régions hydrophobes couvrant la membrane interagissent avec la région hydrophobe de la bicouche phospholipidique. Les protéines membranaires intégrales à passage unique ont généralement un segment transmembranaire hydrophobe composé de 20 à 25 acides aminés. Certains ne couvrent qu'une partie de la membrane - s'associant à une seule couche - tandis que d'autres s'étendent d'un côté de la membrane à l'autre et sont exposés de chaque côté. Certaines protéines complexes sont composées de jusqu'à 12 segments d'une seule protéine, qui sont largement repliés et intégrés dans la membrane. Ce type de protéine possède une ou plusieurs régions hydrophiles et une ou plusieurs régions légèrement hydrophobes. Cet arrangement de régions de la protéine tend à orienter la protéine aux côtés des phospholipides, avec la région hydrophobe de la protéine adjacente aux queues des phospholipides et la ou les régions hydrophiles de la protéine dépassant de la membrane et en contact avec le cytosol ou fluide extra cellulaire. Protéines périphériques se trouvent sur les surfaces extérieures ou intérieures des membranes; et faiblement ou temporairement associés aux membranes. Ils peuvent être attachés (interagir avec) soit à des protéines membranaires intégrales, soit simplement interagir faiblement avec les phospholipides à l'intérieur de la membrane.

Figure 5. Les protéines membranaires intégrales peuvent avoir une ou plusieurs hélices (cylindres roses) qui traversent la membrane (exemples 1 et 2), ou elles peuvent avoir ??-feuilles (rectangles bleus) qui enjambent la membrane (exemple 3). (crédit : « Foobar »/Wikimedia Commons)

Les glucides

Les glucides sont le troisième composant majeur des membranes plasmiques. Ils se trouvent toujours à la surface extérieure des cellules et sont liés soit à des protéines (formant des glycoprotéines) soit à des lipides (formant des glycolipides). Ces chaînes glucidiques peuvent être constituées de 2 à 60 unités monosaccharidiques et peuvent être droites ou ramifiées. Avec les protéines périphériques, les glucides forment des sites spécialisés à la surface des cellules qui permettent aux cellules de se reconnaître (l'une des exigences fonctionnelles essentielles mentionnées ci-dessus dans les « membranes cellulaires »).

Fluidité membranaire

La mosaïque caractéristique de la membrane, décrite dans le modèle de la mosaïque fluide, permet d'illustrer sa nature. Les protéines intégrales et les lipides existent dans la membrane sous forme de molécules séparées et ils « flottent » dans la membrane, se déplaçant quelque peu les uns par rapport aux autres. La membrane n'est pas comme un ballon, cependant, qui peut se dilater et se contracter ; il est plutôt assez rigide et peut éclater s'il est pénétré ou si une cellule absorbe trop d'eau. Cependant, en raison de sa nature en mosaïque, une aiguille très fine peut facilement pénétrer dans une membrane plasmique sans la faire éclater, et la membrane s'écoulera et s'auto-scellera lorsque l'aiguille sera extraite.

Les caractéristiques de mosaïque de la membrane expliquent une partie mais pas la totalité de sa fluidité. Il y a deux autres facteurs qui aident à maintenir cette caractéristique fluide. Un facteur est la nature des phospholipides eux-mêmes. Sous leur forme saturée, les acides gras des queues phospholipidiques sont saturés d'atomes d'hydrogène liés. Il n'y a pas de doubles liaisons entre les atomes de carbone adjacents. Il en résulte des queues relativement droites. En revanche, les acides gras insaturés ne contiennent pas un nombre maximal d'atomes d'hydrogène, mais ils contiennent des doubles liaisons entre des atomes de carbone adjacents ; une double liaison entraîne une courbure de la chaîne de carbones d'environ 30 degrés.

Figure 6. Toute membrane cellulaire donnée sera composée d'une combinaison de phospholipides saturés et insaturés. Le rapport des deux influencera la perméabilité et la fluidité de la membrane. Une membrane composée de lipides complètement saturés sera dense et moins fluide, et une membrane composée de lipides complètement insaturés sera très lâche et très fluide.

Remarque : discussion possible

Les organismes peuvent être trouvés vivant dans des conditions de température extrêmes. Aussi bien dans le froid extrême que dans la chaleur extrême. Quels types de différences vous attendriez-vous à voir dans la composition lipidique des organismes vivant à ces extrêmes ?

Les acides gras saturés, à queues droites, sont comprimés par des températures décroissantes, et ils vont se presser les uns sur les autres, formant une membrane dense et assez rigide. Lorsque les acides gras insaturés sont comprimés, les queues «entortillées» éloignent les molécules de phospholipides adjacentes, maintenant un certain espace entre les molécules de phospholipides. Cette « chambre de coude » aide à maintenir la fluidité dans la membrane à des températures auxquelles les membranes avec des concentrations élevées de queues d'acides gras saturés « gèleraient » ou se solidifieraient. La relative fluidité de la membrane est particulièrement importante dans un environnement froid. Un environnement froid a tendance à comprimer les membranes composées en grande partie d'acides gras saturés, les rendant moins fluides et plus susceptibles de se rompre. De nombreux organismes (les poissons en sont un exemple) sont capables de s'adapter aux environnements froids en modifiant la proportion d'acides gras insaturés dans leurs membranes en réponse à l'abaissement de la température.

Cholestérol

Les animaux ont un constituant membranaire supplémentaire qui aide à maintenir la fluidité. Le cholestérol, qui se trouve à côté des phospholipides dans la membrane, a tendance à atténuer les effets de la température sur la membrane. Ainsi, ce lipide fonctionne comme un tampon de fluidité, empêchant les basses températures d'inhiber la fluidité et empêchant les températures élevées d'augmenter trop la fluidité. Ainsi, le cholestérol étend, dans les deux sens, la plage de température dans laquelle la membrane est convenablement fluide et par conséquent fonctionnelle. Le cholestérol remplit également d'autres fonctions, telles que l'organisation de grappes de protéines transmembranaires en radeaux lipidiques.

Figure 7. Le cholestérol s'insère entre les groupes phospholipidiques à l'intérieur de la membrane.

Revue des composants de la membrane

Membranes archéennes

Une différence majeure entre les archées et les eucaryotes ou les bactéries est la composition des membranes des archées. Contrairement aux eucaryotes et aux bactéries, les membranes des archées ne sont pas constituées d'acides gras attachés à un squelette de glycérol. Au lieu de cela, les lipides polaires sont constitués de chaînes isoprénoïdes (molécules dérivées de l'isoprène lipidique à cinq carbones) de 20 à 40 carbones de long. Ces chaînes, qui sont généralement saturées, sont attachées par éther se lie aux carbones du glycérol aux positions 2 et 3 sur le squelette du glycérol, au lieu de la plus familière ester liaison trouvée chez les bactéries et les eucaryotes. Les groupes de tête polaire diffèrent en fonction du genre ou de l'espèce des archées et consistent en des mélanges de groupes glyco (principalement des disaccharides) et/ou de groupes phospho principalement de phosphoglycérol, phosphosérine, phosphoéthanolamine ou phosphoinositol. La stabilité inhérente et les caractéristiques uniques des lipides des archées en font un biomarqueur utile pour les archées dans les échantillons environnementaux.

Une deuxième différence entre les membranes bactériennes et archéennes qui est associée à certains archaea est la présence de membranes monocouches, comme illustré ci-dessous. Notez que la chaîne isoprénoïde est attachée aux squelettes du glycérol aux deux extrémités, formant une seule molécule composée de deux groupes de tête polaires attachés via deux chaînes isoprénoïdes.

Figure 8. La surface extérieure de la membrane plasmique des archées n'est pas identique à la surface intérieure de la même membrane.

Figure 9. Comparaisons de différents types de lipides archéens et de lipides bactériens/eucaryotes

Remarque : discussion possible

Dans de nombreux cas, mais pas tous, les archées sont relativement abondantes dans des environnements qui représentent des extrêmes pour la vie (par exemple, température élevée, haute teneur en sel). Quel avantage possible les membranes monocouches pourraient-elles offrir ?

Transport membranaire

Les composants et fonctions de la membrane plasmique

Composant

Emplacement

Phospholipide

Tissu principal de la membrane

Cholestérol

Entre les phospholipides et entre les deux couches de phospholipides des cellules animales

Protéines intégrales (par exemple, intégrines)

Intégré dans la ou les couches de phospholipides ; peut ou non pénétrer à travers les deux couches

Protéines périphériques

Sur la surface interne ou externe de la bicouche phospholipidique ; non inclus dans les phospholipides

Glucides (composants des glycoprotéines et des glycolipides)

Généralement attaché aux protéines sur la couche membranaire extérieure

Aperçu de la section

La chimie des êtres vivants se produit dans des solutions aqueuses, et l'équilibrage des concentrations de ces solutions est un problème permanent. Dans les systèmes vivants, la diffusion de substances dans et hors des cellules est médiée par la membrane plasmique. Les formes passives de transport, de diffusion et d'osmose déplacent des matériaux non polaires de faible poids moléculaire à travers les membranes. Les substances diffusent des zones à forte concentration vers les zones à plus faible concentration, et ce processus se poursuit jusqu'à ce que la substance soit uniformément répartie dans un système. Dans les solutions contenant plus d'une substance, chaque type de molécule diffuse selon son propre gradient de concentration, indépendant de la diffusion des autres substances. Certains matériaux diffusent facilement à travers la membrane, mais d'autres sont entravés et leur passage est rendu possible par des protéines spécialisées, telles que des canaux et des transporteurs.

Transport à travers la membrane

L'une des grandes merveilles de la membrane cellulaire est sa capacité à réguler la concentration de substances à l'intérieur de la cellule. Ces substances comprennent des ions tels que Ca2+, N / A+, K+, et Cl; les nutriments, y compris les sucres, les acides gras et les acides aminés ; et les déchets, en particulier le dioxyde de carbone (CO2), qui doit quitter la cellule.

Sous-problème du défi de conception :

Contrôler ce qui entre et sort de la cellule.

La structure bicouche lipidique de la membrane fournit le premier niveau de contrôle. Les phospholipides sont étroitement emballés ensemble et la membrane a un intérieur hydrophobe. Cette structure rend la membrane sélectivement perméable. Une membrane qui a perméabilité sélective permet uniquement aux substances répondant à certains critères de le traverser sans aide. Dans le cas de la membrane cellulaire, seuls des matériaux non polaires relativement petits peuvent se déplacer à travers la bicouche lipidique à des vitesses biologiquement pertinentes (rappelez-vous, les queues lipidiques de la membrane sont non polaires). Les vitesses de transport de diverses molécules sont tabulées dans la section Membranes. Toutes les substances qui se déplacent à travers la membrane le font par l'une des deux méthodes générales, qui sont classées selon que le processus de transport est ou non exergonique ou endergonique. Transport passif est le mouvement exergonique de substances à travers la membrane. En revanche, transport actif est le mouvement endergonique de substances à travers la membrane qui est couplé à une réaction exergonique.

Transport passif

Transport passif n'exige pas que la cellule dépense de l'énergie. Dans le transport passif, les substances se déplacent d'une zone de concentration plus élevée vers une zone de concentration plus faible, le long de la le gradient de concentration et énergétiquement favorable. Selon la nature chimique de la substance, différents processus peuvent être associés au transport passif.

La diffusion

La diffusion est un processus passif de transport. Une seule substance a tendance à se déplacer d'une zone de forte concentration à une zone de faible concentration jusqu'à ce que la concentration soit égale dans un espace. Vous connaissez la diffusion de substances dans l'air. Par exemple, pensez à quelqu'un qui ouvre une bouteille d'ammoniac dans une pièce remplie de monde. Le gaz ammoniac est à sa concentration la plus élevée dans la bouteille ; sa concentration la plus faible se situe aux bords de la pièce. La vapeur d'ammoniac se diffusera ou s'éloignera de la bouteille et progressivement, de plus en plus de personnes sentiront l'ammoniac au fur et à mesure qu'il se répand. Les matériaux se déplacent dans le cytosol de la cellule par diffusion, et certains matériaux se déplacent à travers la membrane plasmique par diffusion.

Figure 1. La diffusion à travers une membrane perméable déplace une substance d'une zone de concentration élevée (liquide extracellulaire, dans ce cas) vers le bas de son gradient de concentration (dans le cytoplasme). Chaque substance séparée dans un milieu, tel que le liquide extracellulaire, a son propre gradient de concentration, indépendant des gradients de concentration d'autres matériaux. De plus, chaque substance diffusera selon ce gradient. Au sein d'un système, il y aura différents taux de diffusion des différentes substances dans le milieu.

(Crédit photo : Mariana Ruiz Villareal, modifiée)

Facteurs qui affectent la diffusion

Si elles ne sont pas contraintes, les molécules se déplaceront et exploreront l'espace de manière aléatoire à une vitesse qui dépend de leur taille, de leur forme, de leur environnement et de leur énergie thermique. Ce type de mouvement sous-tend le mouvement diffusif des molécules à travers quel que soit le milieu dans lequel elles se trouvent. L'absence de gradient de concentration ne signifie pas que ce mouvement va s'arrêter, juste qu'il peut y avoir aucun rapporter mouvement du nombre de molécules d'une zone à une autre, une condition connue sous le nom Équilibre dynamique.

Les facteurs influençant la diffusion comprennent :

  • Etendue du gradient de concentration : Plus la différence de concentration est grande, plus la diffusion est rapide. Plus la distribution du matériau se rapproche de l'équilibre, plus la vitesse de diffusion devient lente.
  • Forme, taille et masse des molécules diffusantes : Les molécules grosses et plus lourdes se déplacent plus lentement ; par conséquent, ils diffusent plus lentement. L'inverse est généralement vrai pour les molécules plus petites et plus légères.
  • Température : Des températures plus élevées augmentent l'énergie et donc le mouvement des molécules, augmentant le taux de diffusion. Des températures plus basses diminuent l'énergie des molécules, diminuant ainsi le taux de diffusion.
  • Densité du solvant : à mesure que la densité d'un solvant augmente, la vitesse de diffusion diminue. Les molécules ralentissent car elles ont plus de difficulté à traverser le milieu plus dense. Si le milieu est moins dense, les taux de diffusion augmentent. Étant donné que les cellules utilisent principalement la diffusion pour déplacer les matériaux dans le cytoplasme, toute augmentation de la densité du cytoplasme réduira la vitesse à laquelle les matériaux se déplacent dans le cytoplasme.
  • Solubilité : Comme indiqué précédemment, les matériaux non polaires ou liposolubles traversent les membranes plasmiques plus facilement que les matériaux polaires, ce qui permet une vitesse de diffusion plus rapide.
  • Surface et épaisseur de la membrane plasmique : Une surface accrue augmente la vitesse de diffusion, alors qu'une membrane plus épaisse la réduit.
  • Distance parcourue : Plus la distance qu'une substance doit parcourir est grande, plus la vitesse de diffusion est lente. Cela place une limite supérieure sur la taille des cellules. Une grande cellule sphérique mourra parce que les nutriments ou les déchets ne peuvent pas atteindre ou quitter le centre de la cellule, respectivement. Par conséquent, les cellules doivent être soit de petite taille, comme dans le cas de nombreux procaryotes, soit aplaties, comme chez de nombreux eucaryotes unicellulaires.

Transport facilité

Dans transport facilité, également appelée diffusion facilitée, les matériaux diffusent à travers la membrane plasmique à l'aide de protéines membranaires. Il existe un gradient de concentration qui permet à ces matériaux de se diffuser dans ou hors de la cellule sans dépenser d'énergie cellulaire. Dans le cas où les matériaux sont des ions ou des molécules polaires, des composés qui sont repoussés par les parties hydrophobes de la membrane cellulaire, les protéines de transport facilité aident à protéger ces matériaux de la force répulsive de la membrane, leur permettant de diffuser dans la cellule.

Remarque : Discussion possible

Comparer et contraster la diffusion passive et la diffusion facilitée.

Canaux

Les protéines intégrales impliquées dans le transport facilité sont collectivement appelées protéines de transport, et ils fonctionnent soit comme des canaux pour le matériel, soit comme des supports. Dans les deux cas, ce sont des protéines transmembranaires. Différentes protéines de canal ont des propriétés de transport différentes. Certains ont évolué pour avoir une spécificité très élevée pour la substance qui est transportée tandis que d'autres transportent une variété de molécules partageant certaines caractéristiques communes. Le "passage" intérieur de protéines de canal ont évolué pour fournir une faible barrière énergétique pour le transport de substances à travers la membrane grâce à l'arrangement complémentaire de groupes fonctionnels d'acides aminés (à la fois du squelette et des chaînes latérales). Le passage à travers le canal permet aux composés polaires d'éviter la couche centrale non polaire de la membrane plasmique qui ralentirait ou empêcherait autrement leur entrée dans la cellule. Alors qu'à un moment donné, des quantités importantes d'eau traversent la membrane à la fois à l'intérieur et à l'extérieur, le taux de transport individuel des molécules d'eau peut ne pas être assez rapide pour s'adapter aux conditions environnementales changeantes. Pour de tels cas, la nature a développé une classe spéciale de protéines membranaires appelées aquaporines qui permettent à l'eau de traverser la membrane à un débit très élevé.

Figure 2: Le transport facilité déplace les substances vers le bas de leurs gradients de concentration. Ils peuvent traverser la membrane plasmique à l'aide de protéines de canal.

(Crédit photo : Mariana Ruiz Villareal, modifiée.)

Les protéines de canal sont soit ouvertes à tout moment, soit elles sont « fermées ». Ce dernier commande l'ouverture du canal. Divers mécanismes peuvent être impliqués dans le mécanisme de déclenchement. Par exemple, la fixation d'un ion spécifique ou d'une petite molécule à la protéine du canal peut déclencher l'ouverture. Des changements dans le « stress » local de la membrane ou des changements de tension à travers la membrane peuvent également être des déclencheurs pour ouvrir ou fermer un canal.

Différents organismes et tissus d'espèces multicellulaires expriment différents ensembles de protéines de canal dans leurs membranes en fonction des environnements dans lesquels ils vivent ou de la fonction spécialisée qu'ils jouent dans un organisme. Cela fournit à chaque type de cellule un profil de perméabilité membranaire unique qui évolue pour compléter ses "besoins" (notez l'anthropomorphisme). Par exemple, dans certains tissus, les ions sodium et chlorure passent librement à travers des canaux ouverts, alors que dans d'autres tissus, une porte doit être ouverte pour permettre le passage. Cela se produit dans le rein, où les deux formes de canaux se trouvent dans différentes parties des tubules rénaux. Les cellules impliquées dans la transmission des impulsions électriques, telles que les cellules nerveuses et musculaires, ont des canaux fermés pour le sodium, le potassium et le calcium dans leurs membranes. L'ouverture et la fermeture de ces canaux modifient les concentrations relatives sur les côtés opposés de la membrane de ces ions, entraînant une modification du potentiel électrique à travers la membrane qui conduit à la propagation du message dans le cas des cellules nerveuses ou à la contraction musculaire dans le cas des cellules musculaires .

Protéines de Carrie

Un autre type de protéine enchâssée dans la membrane plasmique est une protéine porteuse. Cette protéine bien nommée se lie à une substance et, ce faisant, déclenche un changement de sa propre forme, déplaçant la molécule liée de l'extérieur de la cellule vers son intérieur ; selon le gradient, le matériau peut se déplacer dans la direction opposée. Les protéines porteuses sont typiquement spécifiques d'une seule substance. Cette sélectivité s'ajoute à la sélectivité globale de la membrane plasmique. Le mécanisme de fonctionnement à l'échelle moléculaire de ces protéines reste mal compris.

Figure 3: Certaines substances sont capables de descendre leur gradient de concentration à travers la membrane plasmique à l'aide de protéines porteuses. Les protéines porteuses changent de forme lorsqu'elles déplacent les molécules à travers la membrane.

(Crédit photo : Mariana Ruiz Villareal, modifiée.)

Les protéines porteuses jouent un rôle important dans le fonctionnement des reins. Le glucose, l'eau, les sels, les ions et les acides aminés nécessaires à l'organisme sont filtrés dans une partie du rein. Ce filtrat, qui comprend du glucose, est ensuite réabsorbé dans une autre partie du rein à l'aide de protéines porteuses. Parce qu'il n'y a qu'un nombre fini de protéines porteuses du glucose, si plus de glucose est présent dans le filtrat que les protéines ne peuvent en supporter, l'excès n'est pas réabsorbé et il est excrété du corps dans l'urine. Chez une personne diabétique, cela est décrit comme « déverser du glucose dans l'urine ». Un groupe différent de protéines porteuses, appelées protéines de transport du glucose, ou GLUTs, est impliquée dans le transport du glucose et d'autres sucres hexoses à travers les membranes plasmiques dans le corps.

Les protéines de canal et de support transportent des matériaux à des vitesses différentes. Les protéines de canal transportent beaucoup plus rapidement que les protéines porteuses. Les protéines de canal facilitent la diffusion à un rythme de dizaines de millions de molécules par seconde, tandis que les protéines porteuses fonctionnent à un rythme de mille à un million de molécules par seconde.

Remarque : Une note d'appréciation

Les tarifs de transport dont nous venons de parler sont stupéfiants. Rappelons que ces catalyseurs moléculaires sont à l'échelle de 10s de nanomètres (10-9 mètres) et qu'ils sont composés d'une chaîne auto-pliante de 20 acides aminés et de la sélection relativement petite de groupes fonctionnels chimiques qu'ils portent.

Osmose

Osmose est le mouvement de l'eau à travers une membrane semi-perméable en fonction du gradient de concentration de l'eau à travers la membrane, qui est inversement proportionnel à la concentration de solutés. Alors que la diffusion transporte le matériel à travers les membranes et à l'intérieur des cellules, l'osmose transporte seulement de l'eau à travers une membrane et la membrane limite la diffusion des solutés dans l'eau. Sans surprise, les aquaporines qui facilitent le mouvement de l'eau jouent un rôle important dans l'osmose, plus particulièrement dans les globules rouges et les membranes des tubules rénaux.

Mécanisme

L'osmose est un cas particulier de diffusion. L'eau, comme d'autres substances, passe d'une zone à forte concentration à une zone à faible concentration. Une question évidente est qu'est-ce qui fait bouger l'eau? Imaginez un bécher avec une membrane semi-perméable séparant les deux côtés ou moitiés. Des deux côtés de la membrane, le niveau d'eau est le même, mais il existe différentes concentrations d'une substance dissoute, ou soluté, qui ne peut pas traverser la membrane (sinon les concentrations de chaque côté seraient équilibrées par le soluté traversant la membrane). If the volume of the solution on both sides of the membrane is the same, but the concentrations of solute are different, then there are different amounts of water, the solvent, on either side of the membrane.

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

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

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

Tonicity

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

Hypotonic Solutions

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

Hypertonic Solutions

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

Isotonic Solutions

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

Connection:

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

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

Link to Learning:

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

Tonicity in Living Systems

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

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

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

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

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

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

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

Exercise 1

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

Questions de révision

Exercise 2

The principal force driving movement in diffusion is the __________.

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

Exercise 3

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

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

Free Response

Exercise 4

Why does water move through a membrane?

Active Transport

Résumé de la section

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

Active Transport

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

Moving Against a Gradient

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

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

Carrier Proteins for Active Transport

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

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

Primary Active Transport

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

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

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

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

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

Lien vers l'apprentissage

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

Secondary Active Transport (Co-transport)

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

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

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

Connections

Exercise 5

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

Exercise 6

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

Questions de révision

Exercise 7

Active transport must function continuously because __________.

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

Exercise 8

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

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

Exercise 9

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

  1. potential gradient
  2. electrical potential
  3. concentration potential
  4. gradient électrochimique

Free Response

Exercise 10

Where does the cell get energy for active transport processes?

Exercise 11

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


Lecture 05: Membranes and transport - Biology

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

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

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

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

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

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

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

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

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

1. Curve #1 same as above.

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

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

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

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

une. allosteric feedback inhibition/activation of carrier proteins

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

c. removal/insertion of carrier into membranes .

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

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

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

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

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

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

1. Curve #1 -- Same as above except

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

D. Active Transport (Cases 4 & 5)

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Try problem 2-2.

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

Type of Active Transport

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

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

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

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

ré. Role of enzymes

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

(2). Enzymatic reactions:

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

9. Are pumps reversible?

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

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

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

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

For more examples, see Becker table 8-3.

Now try problems 2-3 & 2-5.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

2. Role of Passive Transport & Phosphorylation

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Try problem 2-9.

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



Commentaires:

  1. Huldiberaht

    pensée merveilleusement, très divertissante

  2. Migal

    L'idée magnifique



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