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¿Por qué la concentración de un ion no afecta el gradiente de concentración de otro ion a través de una membrana plasmática?

¿Por qué la concentración de un ion no afecta el gradiente de concentración de otro ion a través de una membrana plasmática?


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En las etapas iniciales, algunos canales iónicos a través de la membrana plasmática se abren para permitir que los iones fluyan por su gradiente de concentración dentro o fuera de la célula. Entiendo que el potencial eléctrico general de cada ion a través de la membrana afectaría a los otros iones, lo que afectaría su transporte a través de la membrana. Sin embargo, no entiendo por qué la concentración de iones no se toma como una concentración general porque seguramente, si estamos observando la difusión de iones causada por el movimiento browniano, entonces todas las moléculas a cada lado de la membrana afectarían a las otras moléculas. en ese lado respectivo de la membrana?


Permeabilidad selectiva

Las membranas plasmáticas son asimétricas, lo que significa que a pesar de la imagen especular formada por los fosfolípidos, el interior de la membrana no es idéntico al exterior de la membrana. Las proteínas integrales que actúan como canales o bombas funcionan en una dirección. Los carbohidratos, unidos a lípidos o proteínas, también se encuentran en la superficie exterior de la membrana plasmática. Estos complejos de carbohidratos ayudan a la célula a unirse a las sustancias que la célula necesita en el líquido extracelular. Esto se suma considerablemente a la naturaleza selectiva de las membranas plasmáticas.

Recuerde que las membranas plasmáticas tienen regiones hidrofílicas e hidrofóbicas. Esta característica ayuda al movimiento de ciertos materiales a través de la membrana y dificulta el movimiento de otros. El material soluble en lípidos puede deslizarse fácilmente a través del núcleo lipídico hidrofóbico de la membrana. Sustancias como las vitaminas A, D, E y K solubles en grasa pasan fácilmente a través de las membranas plasmáticas en el tracto digestivo y otros tejidos. Los medicamentos liposolubles también entran fácilmente en las células y se transportan fácilmente a los tejidos y órganos del cuerpo. Las moléculas de oxígeno y dióxido de carbono no tienen carga y pasan por simple difusión.

Las sustancias polares, a excepción del agua, presentan problemas para la membrana. Si bien algunas moléculas polares se conectan fácilmente con el exterior de una célula, no puede atravesar fácilmente el núcleo lipídico de la membrana plasmática. Además, mientras que los iones pequeños podrían deslizarse fácilmente a través de los espacios en el mosaico de la membrana, su carga les impide hacerlo. Los iones como el sodio, el potasio, el calcio y el cloruro deben tener un medio especial para penetrar en las membranas plasmáticas. Los azúcares simples y los aminoácidos también necesitan ayuda con el transporte a través de las membranas plasmáticas.


Difusión facilitada

La difusión facilitada, que no debe confundirse con la difusión simple, es una forma de transporte pasivo mediado por proteínas de transporte incrustadas dentro de la membrana celular. 12 La difusión facilitada permite el paso de moléculas lipofóbicas a través de la membrana celular y la bicapa lipídica rsquos. 2 Al igual que en el transporte pasivo, las moléculas, partículas e iones viajan libremente a través de la membrana celular desde una concentración alta a una concentración baja en un intento de lograr el equilibrio y así aumentar la entropía del sistema. También como el transporte pasivo, la energía libre de Gibbs del sistema es negativa, lo que permite que el movimiento de las partículas sea espontáneo. 4 La difusión facilitada, sin embargo, utiliza proteínas de canal para facilitar el movimiento de solutos.

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Figura 3. Difusión facilitada a través de la proteína del canal a través de una membrana procediendo a las imágenes 1-4.

Proteínas de canal

Las proteínas del canal son poros sumergidos en la membrana de la bicapa lipídica y son el sello distintivo de la difusión facilitada. 13 Todas las proteínas del canal tienen dos cosas en común:

  1. facilitan un movimiento neto de partículas termodinámicamente favorable
  2. demuestran afinidad y especificidad por la partícula que se transporta. 2

Es de particular importancia señalar que las proteínas de canal no son indiscriminadas, cada proteína de canal contiene un filtro de selectividad. 14 El filtro de selectividad es una colección de residuos de aminoácidos concentrados en el interior de la proteína del canal. A medida que las partículas, a menudo iones, pasan a la proteína del canal, se produce una interacción electrostática entre los residuos de aminoácidos y el ión. 15 La interacción involucraría, por ejemplo, residuos de aminoácidos cargados negativamente en el caso de iones como calcio (Na +) o potasio (K +), y residuos de aminoácidos cargados positivamente en el caso del cloro (Cl -). 2 La interacción electrostática entre los residuos de aminoácidos y los iones permite que la proteína del canal identifique el ion en cuestión midiendo su radio atómico con una precisión extremadamente finita. Los canales de potasio (K +) seleccionan K + sobre Na + por un factor de más de mil a pesar de diferir en el radio atómico por un mero 0,38 &Un anillo.

Si bien todas las proteínas del canal tienen un filtro de selectividad inherente, otras tienen una compuerta adicional. 2 Gating es una respuesta a un desencadenante predeterminado que permite que la proteína del canal experimente un cambio conformacional. Esta acción provoca posteriormente otro cambio conformacional que abre o cierra el canal, permitiendo o impidiendo el paso de su partícula específica. Las proteínas del canal se pueden modular física o químicamente a través de varios mecanismos diferentes.

Puerta de voltaje

Las proteínas de los canales activados por voltaje se activan mediante un cambio en el potencial eléctrico de la membrana celular en su vecindad. 16 Cuando se produce una diferencia de potencial a través de la membrana celular, su campo electromagnético provoca un cambio conformacional en la proteína del canal, lo que permite que se abra. La apertura del canal de proteínas permite una entrada o salida de iones que, a su vez, despolariza la membrana celular.

Los canales de proteínas dependientes de voltaje juegan un papel particularmente importante en los tejidos neuronales y musculares excitables. 2

Puerta de ligando

Las proteínas del canal controlado por ligando se activan en respuesta a la unión de un ligando. 17 Típicamente, la unión del ligando ocurre en un sitio de unión alostérico independiente de la proteína del canal y el poro rsquos. La unión de un ligando en el sitio de unión alostérico provoca un cambio conformacional en la estructura de la proteína del canal, lo que posteriormente provoca una entrada o salida de iones. La liberación del ligando permite que la proteína del canal vuelva a su forma original. Estructuralmente, las proteínas de los canales controlados por ligandos generalmente difieren de otros canales debido a la presencia de un dominio proteico adicional que sirve como sitio de unión alostérico. 2

El ejemplo prototípico de activación de ligandos es el receptor nicotínico de acetilcolina ubicado en el lado postsináptico de la unión neuromuscular. 18

Otras puertas

Las proteínas del canal se pueden activar en casos menos comunes mediante métodos como la activación por luz, la activación mecánica o la activación de mensajes secundarios. 2 Los canales de proteínas activados por luz contienen un interruptor fotográfico a través del cual un fotón provoca un cambio conformacional en la proteína del canal que hace que se abra o se cierre. Solo uno de esos canales de proteínas existe de forma natural. 19 Los canales de proteínas activados mecánicamente se abren o cierran en respuesta a un estímulo mecánico y son vitales para el tacto, la audición y las sensaciones de equilibrio en los seres humanos. 20 Los canales de proteínas activados por ligando están típicamente vinculados a la activación del segundo mensaje. 2 La compuerta del segundo mensajero funciona gradualmente en el sentido de que un neurotransmisor se une a un receptor de proteína de canal que, a su vez, revela un sitio activo al que se une el ligando que cambia la conformación.


La bomba de sodio y potasio

Transporte activo es el proceso que requiere energía de bombear moléculas e iones a través de membranas & # 8220uphill & # 8221 & # 8211 contra un gradiente de concentración. Para mover estas moléculas en contra de su gradiente de concentración, se necesita una proteína transportadora. Las proteínas transportadoras pueden trabajar con un gradiente de concentración (durante el transporte pasivo), pero algunas proteínas transportadoras pueden mover solutos contra el gradiente de concentración (de baja concentración a alta concentración), con una entrada de energía.

En el transporte activo, como las proteínas transportadoras se utilizan para mover materiales en contra de su gradiente de concentración, estas proteínas se conocen como bombas. Como en otros tipos de actividades celulares, el ATP proporciona la energía para la mayor parte del transporte activo. Una forma en que el ATP potencia el transporte activo es transfiriendo un grupo fosfato directamente a una proteína transportadora. Esto puede hacer que la proteína transportadora cambie de forma, lo que mueve la molécula o el ión al otro lado de la membrana. Un ejemplo de este tipo de sistema de transporte activo, como se muestra en la figura siguiente, es el bomba de sodio-potasio, que intercambia iones de sodio por iones de potasio a través de la membrana plasmática de las células animales.

El sistema de bomba de sodio-potasio mueve los iones de sodio y potasio contra grandes gradientes de concentración. Mueve dos iones de potasio hacia la célula donde los niveles de potasio son altos y bombea tres iones de sodio fuera de la célula hacia el líquido extracelular.

Como se muestra en la figura anterior, tres iones de sodio se unen a la bomba de proteínas dentro de la célula. La proteína transportadora obtiene energía del ATP y cambia de forma. Al hacerlo, bombea los tres iones de sodio fuera de la célula. En ese momento, dos iones de potasio del exterior de la célula se unen a la bomba de proteínas. Luego, los iones de potasio se transportan a la célula y el proceso se repite. La bomba de sodio-potasio se encuentra en la membrana plasmática de casi todas las células humanas y es común a toda la vida celular. Ayuda a mantener el potencial celular y regula el volumen celular.

El gradiente electroquímico

El transporte activo de iones a través de la membrana hace que se acumule un gradiente eléctrico a través de la membrana plasmática. El número de iones con carga positiva fuera de la célula es mayor que el número de iones con carga positiva en el citosol. Esto da como resultado una carga relativamente negativa en el interior de la membrana y una carga positiva en el exterior. Esta diferencia de cargas provoca un voltaje a través de la membrana. El voltaje es energía potencial eléctrica causada por una separación de cargas opuestas, en este caso a través de la membrana. El voltaje a través de una membrana se llama Potencial de membrana. El potencial de membrana es muy importante para la conducción de impulsos eléctricos a lo largo de las células nerviosas.

Debido a que el interior de la célula es negativo en comparación con el exterior de la célula, el potencial de membrana favorece el movimiento de iones cargados positivamente (cationes) hacia la célula y el movimiento de iones negativos (aniones) fuera de la célula. Entonces, hay dos fuerzas que impulsan la difusión de iones a través de la membrana plasmática: una fuerza química (los iones y gradiente de concentración) y una fuerza eléctrica (el efecto del potencial de membrana sobre los iones y el movimiento). Estas dos fuerzas que trabajan juntas se denominan gradiente electroquímico, y se discutirá en detalle en los conceptos & # 8220Nerve Cells & # 8221 y & # 8220Nerve Impulses & # 8221.


La membrana celular

A pesar de las diferencias de estructura y función, todas las células vivas de los organismos multicelulares tienen una membrana celular circundante. A medida que la capa externa de su piel separa su cuerpo de su entorno, la membrana celular (también conocida como membrana plasmática) separa el contenido interno de una célula de su entorno exterior. Esta membrana celular proporciona una barrera protectora alrededor de la célula y regula qué materiales pueden entrar o salir.

Estructura y composición de la membrana celular.

La membrana celular es una estructura extremadamente flexible compuesta principalmente de fosfolípidos consecutivos (una "bicapa"). El colesterol también está presente, lo que contribuye a la fluidez de la membrana, y hay varias proteínas incrustadas dentro de la membrana que tienen una variedad de funciones.

Una sola molécula de fosfolípido tiene un grupo fosfato en un extremo, llamado "cabeza", y dos cadenas de ácidos grasos una al lado de la otra que forman las colas lipídicas ((Figura)). El grupo fosfato está cargado negativamente, lo que hace que la cabeza sea polar e hidrófila, o "amante del agua". Una molécula hidrófila (o región de una molécula) es aquella que se siente atraída por el agua. Por tanto, las cabezas de fosfato son atraídas por las moléculas de agua de los entornos extracelular e intracelular. Las colas de lípidos, por otro lado, no están cargadas o son apolares, y son hidrófobas o "temerosas del agua". Una molécula hidrófoba (o región de una molécula) se repele y es repelida por el agua. Algunas colas de lípidos consisten en ácidos grasos saturados y algunas contienen ácidos grasos insaturados. Esta combinación se suma a la fluidez de las colas que están en constante movimiento. Los fosfolípidos son, por tanto, moléculas anfipáticas. Una molécula anfipática es aquella que contiene una región tanto hidrófila como hidrófoba. De hecho, el jabón funciona para eliminar las manchas de aceite y grasa porque tiene propiedades anfipáticas. La porción hidrófila se puede disolver en agua mientras que la porción hidrófoba puede atrapar grasa en micelas que luego se pueden lavar.

La membrana celular consta de dos capas adyacentes de fosfolípidos. Las colas de lípidos de una capa se enfrentan a las colas de lípidos de la otra capa, encontrándose en la interfaz de las dos capas. Las cabezas de fosfolípidos miran hacia afuera, una capa expuesta al interior de la celda y una capa expuesta al exterior ((Figura)). Debido a que los grupos fosfato son polares e hidrófilos, son atraídos por el agua del líquido intracelular. El líquido intracelular (ICF) es el interior líquido de la célula. Los grupos fosfato también son atraídos por el líquido extracelular. El líquido extracelular (ECF) es el entorno líquido fuera del recinto de la membrana celular. Líquido intersticial (IF) es el término que se le da al líquido extracelular que no se encuentra dentro de los vasos sanguíneos. Debido a que las colas lipídicas son hidrófobas, se encuentran en la región interna de la membrana, excluyendo el líquido intracelular y extracelular acuoso de este espacio. La membrana celular tiene muchas proteínas, así como otros lípidos (como el colesterol), que están asociados con la bicapa de fosfolípidos. Una característica importante de la membrana es que permanece fluida; los lípidos y las proteínas de la membrana celular no están rígidamente bloqueados en su lugar.

Proteínas de membrana

La bicapa lipídica forma la base de la membrana celular, pero está salpicada de varias proteínas. Dos tipos diferentes de proteínas que se asocian comúnmente con la membrana celular son las proteínas integrales y la proteína periférica ((Figura)). Como sugiere su nombre, una proteína integral es una proteína que está incrustada en la membrana. Una proteína de canal es un ejemplo de una proteína integral que permite selectivamente que materiales particulares, como ciertos iones, entren o salgan de la célula.

Otro grupo importante de proteínas integrales son las proteínas de reconocimiento celular, que sirven para marcar la identidad de una célula para que pueda ser reconocida por otras células. Un receptor es un tipo de proteína de reconocimiento que puede unirse selectivamente a una molécula específica fuera de la célula, y esta unión induce una reacción química dentro de la célula. Un ligando es la molécula específica que se une a un receptor y lo activa. Algunas proteínas integrales cumplen funciones duales como receptor y canal iónico. Un ejemplo de interacción receptor-ligando son los receptores de las células nerviosas que se unen a neurotransmisores, como la dopamina. Cuando una molécula de dopamina se une a una proteína receptora de dopamina, se abre un canal dentro de la proteína transmembrana para permitir que ciertos iones fluyan hacia la célula.

Algunas proteínas integrales de la membrana son glicoproteínas. Una glicoproteína es una proteína que tiene moléculas de carbohidratos unidas, que se extienden hacia la matriz extracelular. Las etiquetas de carbohidratos adjuntas a las glicoproteínas ayudan en el reconocimiento celular. Los carbohidratos que se extienden desde las proteínas de la membrana e incluso desde algunos lípidos de la membrana forman colectivamente el glucocáliz. El glucocáliz es una capa de apariencia borrosa alrededor de la célula formada por glucoproteínas y otros carbohidratos adheridos a la membrana celular. El glucocáliz puede tener varias funciones. Por ejemplo, puede tener moléculas que permitan que la célula se una a otra célula, puede contener receptores para hormonas o puede tener enzimas para descomponer los nutrientes. Los glicocálculos que se encuentran en el cuerpo de una persona son productos de la composición genética de esa persona. Le dan a cada uno de los billones de células del individuo la "identidad" de pertenencia al cuerpo de la persona. Esta identidad es la principal forma en que las células de defensa inmunológica de una persona "saben" que no deben atacar las células del propio cuerpo de la persona, pero también es la razón por la que los órganos donados por otra persona pueden ser rechazados.

Las proteínas periféricas se encuentran típicamente en la superficie interna o externa de la bicapa lipídica, pero también se pueden unir a la superficie interna o externa de una proteína integral. Estas proteínas suelen realizar una función específica para la célula. Algunas proteínas periféricas en la superficie de las células intestinales, por ejemplo, actúan como enzimas digestivas para descomponer los nutrientes en tamaños que pueden pasar a través de las células hacia el torrente sanguíneo.

Transporte a través de la membrana celular

Una de las grandes maravillas de la membrana celular es su capacidad para regular la concentración de sustancias dentro de la célula. Estas sustancias incluyen iones como Ca ++, Na +, K + y Cl - nutrientes que incluyen azúcares, ácidos grasos y aminoácidos y productos de desecho, particularmente dióxido de carbono (CO2), que debe salir de la celda.

La estructura bicapa lipídica de la membrana proporciona el primer nivel de control. Los fosfolípidos están fuertemente empaquetados y la membrana tiene un interior hidrofóbico. Esta estructura hace que la membrana sea selectivamente permeable. Una membrana que tiene permeabilidad selectiva permite que solo las sustancias que cumplan ciertos criterios pasen a través de ella sin ayuda. En el caso de la membrana celular, solo los materiales apolares relativamente pequeños pueden moverse a través de la bicapa lipídica (recuerde, las colas lipídicas de la membrana son apolares). Algunos ejemplos de estos son otros lípidos, gases de oxígeno y dióxido de carbono y alcohol. Sin embargo, los materiales solubles en agua, como la glucosa, los aminoácidos y los electrolitos, necesitan algo de ayuda para cruzar la membrana porque son repelidos por las colas hidrófobas de la bicapa de fosfolípidos. Todas las sustancias que se mueven a través de la membrana lo hacen mediante uno de dos métodos generales, que se clasifican en función de si se requiere energía o no. El transporte pasivo es el movimiento de sustancias a través de la membrana sin gasto de energía celular. Por el contrario, el transporte activo es el movimiento de sustancias a través de la membrana utilizando energía del trifosfato de adenosina (ATP).

Transporte pasivo

En orden para entender cómo Las sustancias se mueven pasivamente a través de la membrana celular, es necesario comprender los gradientes de concentración y la difusión. Un gradiente de concentración es la diferencia de concentración de una sustancia en un espacio. Las moléculas (o iones) se esparcirán / difundirán desde donde están más concentradas hasta donde están menos concentradas hasta que se distribuyan por igual en ese espacio. (Cuando las moléculas se mueven de esta manera, se dice que se mueven abajo su gradiente de concentración.) La difusión es el movimiento de partículas desde un área de mayor concentración a un área de menor concentración. Un par de ejemplos comunes ayudarán a ilustrar este concepto. Imagínese estar dentro de un baño cerrado. Si se rociara una botella de perfume, las moléculas de olor se difundirían naturalmente desde el lugar donde dejaron la botella a todos los rincones del baño, y esta difusión continuaría hasta que no quedara más gradiente de concentración. Otro ejemplo es una cucharada de azúcar colocada en una taza de té. Con el tiempo, el azúcar se difundirá por todo el té hasta que no quede ningún gradiente de concentración. En ambos casos, si la habitación es más cálida o el té más caliente, la difusión ocurre aún más rápido ya que las moléculas chocan entre sí y se extienden más rápido que a temperaturas más frías. Tener una temperatura corporal interna de alrededor de 98.6 ° F también ayuda en la difusión de partículas dentro del cuerpo.

Visite este enlace para ver la difusión y cómo es impulsada por la energía cinética de las moléculas en solución. ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de difusión y por qué?

Siempre que una sustancia exista en mayor concentración en un lado de una membrana semipermeable, como las membranas celulares, cualquier sustancia que pueda descender por su gradiente de concentración a través de la membrana lo hará. Considere las sustancias que pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica de la membrana celular, como los gases oxígeno (O2) y compañía2. O2 generalmente se difunde en las células porque está más concentrado fuera de ellas, y el CO2 normalmente se difunde fuera de las células porque está más concentrado dentro de ellas. Ninguno de estos ejemplos requiere energía por parte de la célula y, por lo tanto, utilizan el transporte pasivo para moverse a través de la membrana.

Antes de continuar, debe revisar los gases que pueden difundirse a través de la membrana celular. Debido a que las células consumen oxígeno rápidamente durante el metabolismo, generalmente hay una concentración más baja de O2 dentro de la celda que fuera. Como resultado, el oxígeno se difundirá desde el líquido intersticial directamente a través de la bicapa lipídica de la membrana y hacia el citoplasma dentro de la célula. Por otro lado, debido a que las células producen CO2 como subproducto del metabolismo, CO2 las concentraciones aumentan dentro del citoplasma, por lo tanto, CO2 pasará de la célula a través de la bicapa lipídica y al líquido intersticial, donde su concentración es menor. Este mecanismo de moléculas que se mueven a través de una membrana celular desde el lado donde están más concentradas hasta el lado donde están menos concentradas es una forma de transporte pasivo llamado difusión simple ((Figura)).

Las grandes moléculas polares o iónicas, que son hidrófilas, no pueden cruzar fácilmente la bicapa de fosfolípidos. Las moléculas polares muy pequeñas, como el agua, pueden atravesar mediante difusión simple debido a su pequeño tamaño. Los átomos cargados o moléculas de cualquier tamaño no pueden atravesar la membrana celular mediante difusión simple, ya que las colas hidrófobas del interior de la bicapa de fosfolípidos repelen las cargas. Los solutos disueltos en agua a ambos lados de la membrana celular tenderán a difundirse en sus gradientes de concentración, pero debido a que la mayoría de las sustancias no pueden pasar libremente a través de la bicapa lipídica de la membrana celular, su movimiento está restringido a los canales de proteínas y a los mecanismos de transporte especializados en la membrana. . La difusión facilitada es el proceso de difusión utilizado para aquellas sustancias que no pueden atravesar la bicapa lipídica debido a su tamaño, carga y / o polaridad ((Figura)). Un ejemplo común de difusión facilitada es el movimiento de glucosa al interior de la célula, donde se utiliza para producir ATP. Aunque la glucosa puede estar más concentrada fuera de una célula, no puede atravesar la bicapa lipídica por difusión simple porque es grande y polar. Para resolver esto, una proteína transportadora especializada llamada transportador de glucosa transferirá moléculas de glucosa a la célula para facilitar su difusión hacia el interior.

Por ejemplo, aunque los iones de sodio (Na +) están muy concentrados fuera de las células, estos electrolitos están cargados y no pueden atravesar la bicapa lipídica no polar de la membrana. Su difusión se ve facilitada por proteínas de membrana que forman canales de sodio (o "poros"), de modo que los iones de Na + pueden descender por su gradiente de concentración desde el exterior de las células hacia el interior de las células. Hay muchos otros solutos que deben someterse a una difusión facilitada para pasar al interior de una célula, como los aminoácidos, o para salir de una célula, como los desechos. Dado que la difusión facilitada es un proceso pasivo, no requiere gasto de energía por parte de la célula.

El agua también puede moverse libremente a través de la membrana celular de todas las células, ya sea a través de los canales de proteínas o deslizándose entre las colas lipídicas de la propia membrana. La ósmosis es la difusión de agua a través de una membrana semipermeable ((Figura)).

El movimiento de las moléculas de agua no está regulado en sí mismo por las células, por lo que es importante que las células estén expuestas a un entorno en el que la concentración de solutos fuera de las células (en el líquido extracelular) sea igual a la concentración de solutos dentro de las células ( en el citoplasma). Se dice que dos soluciones que tienen la misma concentración de solutos son isotónicas (igual tensión). Cuando las células y sus entornos extracelulares son isotónicos, la concentración de moléculas de agua es la misma fuera y dentro de las células, y las células mantienen su forma (y función) normal.

La ósmosis ocurre cuando hay un desequilibrio de solutos fuera de una célula frente a dentro de la célula. Se dice que una solución que tiene una concentración más alta de solutos que otra solución es hipertónica, y las moléculas de agua tienden a difundirse en una solución hipertónica ((Figura)). Las células en una solución hipertónica se marchitarán cuando el agua abandone la célula por ósmosis. Por el contrario, se dice que una solución que tiene una concentración de solutos más baja que otra solución es hipotónica, y las moléculas de agua tienden a difundirse fuera de una solución hipotónica. Las células en una solución hipotónica absorberán demasiada agua y se hincharán, con el riesgo de estallar eventualmente. Un aspecto crítico de la homeostasis en los seres vivos es crear un entorno interno en el que todas las células del cuerpo se encuentren en una solución isotónica. Varios sistemas de órganos, en particular los riñones, trabajan para mantener esta homeostasis.

Otro mecanismo además de la difusión para transportar materiales pasivamente entre compartimentos es la filtración. A diferencia de la difusión de una sustancia desde donde está más concentrada a menos concentrada, la filtración usa un gradiente de presión hidrostática que empuja el fluido (y los solutos dentro de él) desde un área de mayor presión a un área de menor presión. La filtración es un proceso extremadamente importante en el cuerpo. Por ejemplo, el sistema circulatorio utiliza la filtración para mover el plasma y las sustancias a través del revestimiento endotelial de los capilares y hacia los tejidos circundantes, suministrando los nutrientes a las células. La presión de filtración en los riñones proporciona el mecanismo para eliminar los desechos del torrente sanguíneo.

Transporte activo

Para todos los métodos de transporte descritos anteriormente, la célula no gasta energía. Las proteínas de membrana que ayudan en el transporte pasivo de sustancias lo hacen sin el uso de ATP. Durante el transporte activo, se requiere ATP para mover una sustancia a través de una membrana, a menudo con la ayuda de transportadores de proteínas, y generalmente contra su gradiente de concentración.

Uno de los tipos más comunes de transporte activo involucra proteínas que sirven como bombas. La palabra "bomba" probablemente evoca pensamientos sobre el uso de energía para inflar el neumático de una bicicleta o una pelota de baloncesto. De manera similar, la energía del ATP es necesaria para que estas proteínas de membrana transporten sustancias (moléculas o iones) a través de la membrana, generalmente en contra de sus gradientes de concentración (de un área de baja concentración a un área de alta concentración).

La bomba de sodio-potasio, que también se llama Na + / K + ATPasa, transporta el sodio fuera de la célula mientras mueve el potasio al interior de la célula. La bomba de Na + / K + es una importante bomba de iones que se encuentra en las membranas de muchos tipos de células. Estas bombas son particularmente abundantes en las células nerviosas, que constantemente bombean iones de sodio y atraen iones de potasio para mantener un gradiente eléctrico a través de sus membranas celulares. Un gradiente eléctrico es una diferencia de carga eléctrica en un espacio. En el caso de las células nerviosas, por ejemplo, el gradiente eléctrico existe entre el interior y el exterior de la célula, con el interior cargado negativamente (alrededor de -70 mV) con respecto al exterior. El gradiente eléctrico negativo se mantiene porque cada bomba de Na + / K + mueve tres iones Na + fuera de la célula y dos iones K + dentro de la célula por cada molécula de ATP que se utiliza ((Figura)). Este proceso es tan importante para las células nerviosas que representa la mayor parte de su uso de ATP.

Las bombas de transporte activo también pueden trabajar junto con otros sistemas de transporte activo o pasivo para mover sustancias a través de la membrana. Por ejemplo, la bomba de sodio-potasio mantiene una alta concentración de iones de sodio fuera de la célula. Por lo tanto, si la célula necesita iones de sodio, todo lo que tiene que hacer es abrir un canal de sodio pasivo, ya que el gradiente de concentración de los iones de sodio los impulsará a difundirse en la célula. De esta forma, la acción de una bomba de transporte activa (la bomba de sodio-potasio) impulsa el transporte pasivo de iones de sodio creando un gradiente de concentración. Cuando el transporte activo impulsa el transporte de otra sustancia de esta manera, se denomina transporte activo secundario.

Los simportadores son transportadores activos secundarios que mueven dos sustancias en la misma dirección. Por ejemplo, el simportador de sodio-glucosa utiliza iones de sodio para "atraer" moléculas de glucosa al interior de la célula. Debido a que las células almacenan glucosa para obtener energía, la glucosa se encuentra típicamente en una concentración más alta dentro de la célula que en el exterior. Sin embargo, debido a la acción de la bomba de sodio-potasio, los iones de sodio se difundirán fácilmente en la célula cuando se abra el simportador. La inundación de iones de sodio a través del simportador proporciona la energía que permite que la glucosa se mueva a través del simportador y entre en la célula, en contra de su gradiente de concentración.

Por el contrario, los antiportadores son sistemas de transporte activo secundario que transportan sustancias en direcciones opuestas. Por ejemplo, el antiportador de iones de sodio-hidrógeno usa la energía de la corriente de iones de sodio hacia adentro para mover los iones de hidrógeno (H +) fuera de la celda. El antiportador de sodio-hidrógeno se utiliza para mantener el pH del interior de la celda.

Otras formas de transporte activo no involucran portadores de membrana. La endocitosis (traer "dentro de la célula") es el proceso en el que una célula ingiere material envolviéndolo en una parte de su membrana celular y luego pellizcando esa parte de la membrana ((Figura)). Una vez pellizcada, la porción de membrana y su contenido se convierte en una vesícula intracelular independiente. Una vesícula es un saco membranoso, un orgánulo esférico y hueco delimitado por una membrana de bicapa lipídica. La endocitosis a menudo introduce materiales en la célula que deben descomponerse o digerirse. La fagocitosis ("comer células") es la endocitosis de partículas grandes. Muchas células inmunes participan en la fagocitosis de patógenos invasores. Como los pequeños Pac-men, su trabajo es patrullar los tejidos del cuerpo en busca de materia no deseada, como células bacterianas invasoras, fagocitarlas y digerirlas. A diferencia de la fagocitosis, la pinocitosis ("beber de las células") introduce líquido que contiene sustancias disueltas en una célula a través de vesículas de membrana.

La fagocitosis y la pinocitosis absorben grandes porciones de material extracelular y, por lo general, no son muy selectivas en las sustancias que aportan. Las células regulan la endocitosis de sustancias específicas a través de la endocitosis mediada por receptores. La endocitosis mediada por receptores es la endocitosis por una porción de la membrana celular que contiene muchos receptores que son específicos para una determinada sustancia. Una vez que los receptores de superficie se han unido a cantidades suficientes de la sustancia específica (el ligando del receptor), la célula endocitará la parte de la membrana celular que contiene los complejos receptor-ligando. El hierro, un componente necesario de la hemoglobina, es endocitosado por los glóbulos rojos de esta manera. El hierro se une a una proteína llamada transferrina en la sangre. Los receptores de transferrina específicos en la superficie de los glóbulos rojos se unen a las moléculas de hierro-transferrina y la célula endocitosa los complejos receptor-ligando.

A diferencia de la endocitosis, la exocitosis (sacar "fuera de la célula") es el proceso por el que una célula exporta material mediante transporte vesicular ((Figura)). Muchas células fabrican sustancias que deben secretarse, como una fábrica que fabrica un producto para la exportación. Estas sustancias normalmente se empaquetan en vesículas unidas a la membrana dentro de la célula. Cuando la membrana de la vesícula se fusiona con la membrana celular, la vesícula libera su contenido en el líquido intersticial. La membrana de la vesícula pasa a formar parte de la membrana celular. Las células del estómago y el páncreas producen y secretan enzimas digestivas a través de la exocitosis ((Figura)). Las células endocrinas producen y secretan hormonas que se envían por todo el cuerpo, y ciertas células inmunitarias producen y secretan grandes cantidades de histamina, una sustancia química importante para las respuestas inmunitarias.

Vea el WebScope de la Universidad de Michigan para explorar la muestra de tejido con mayor detalle.

Célula: Fibrosis quística La fibrosis quística (FQ) afecta aproximadamente a 30.000 personas en los Estados Unidos, con aproximadamente 1.000 nuevos casos reportados cada año. La enfermedad genética es más conocida por su daño a los pulmones, que causa dificultades respiratorias e infecciones pulmonares crónicas, pero también afecta el hígado, el páncreas y los intestinos. Hace solo unos 50 años, el pronóstico para los niños que nacían con FQ era muy desalentador, una esperanza de vida que rara vez superaba los 10 años. Hoy en día, con los avances en el tratamiento médico, muchos pacientes con FQ viven hasta los 30 años.

Los síntomas de la FQ son el resultado de un mal funcionamiento de un canal de iones de membrana llamado regulador de la conductancia transmembrana de la fibrosis quística o CFTR. En personas sanas, la proteína CFTR es una proteína de membrana integral que transporta los iones Cl - fuera de la célula. En una persona que tiene FQ, el gen del CFTR está mutado, por lo tanto, la célula fabrica una proteína de canal defectuosa que normalmente no se incorpora a la membrana, sino que la célula la degrada.

El CFTR requiere ATP para funcionar, por lo que su transporte de Cl - es una forma de transporte activo. Esta característica desconcertó a los investigadores durante mucho tiempo porque los iones Cl - en realidad fluyen abajo su gradiente de concentración cuando se transporta fuera de las células. El transporte activo generalmente bombea iones. contra su gradiente de concentración, pero el CFTR presenta una excepción a esta regla.

En el tejido pulmonar normal, el movimiento de Cl - fuera de la célula mantiene un ambiente rico en Cl - cargado negativamente inmediatamente fuera de la célula. Esto es particularmente importante en el revestimiento epitelial del sistema respiratorio. Las células epiteliales respiratorias secretan moco, que sirve para atrapar polvo, bacterias y otros desechos. Un cilio (plural = cilios) es uno de los apéndices con forma de cabello que se encuentran en ciertas células. Los cilios en las células epiteliales mueven el moco y sus partículas atrapadas por las vías respiratorias lejos de los pulmones y hacia el exterior. Para que se mueva efectivamente hacia arriba, el moco no puede ser demasiado viscoso, sino que debe tener una consistencia fina y acuosa. El transporte de Cl - y el mantenimiento de un ambiente electronegativo fuera de la célula atraen iones positivos como Na + al espacio extracelular. La acumulación de iones Cl - y Na + en el espacio extracelular crea un moco rico en solutos, que tiene una baja concentración de moléculas de agua. Como resultado, a través de la ósmosis, el agua se mueve desde las células y la matriz extracelular hacia el moco, "adelgazándolo". Así es como, en un sistema respiratorio normal, el moco se mantiene lo suficientemente diluido como para ser expulsado del sistema respiratorio.

Si el canal CFTR está ausente, los iones Cl - no se transportan fuera de la célula en cantidades adecuadas, lo que les impide atraer iones positivos. La ausencia de iones en el moco secretado da como resultado la falta de un gradiente de concentración de agua normal. Por lo tanto, no hay presión osmótica que atraiga agua al moco. El moco resultante es espeso y pegajoso, y el epitelio ciliado no puede eliminarlo eficazmente del sistema respiratorio. Los conductos de los pulmones se bloquean con moco, junto con los desechos que transporta. Las infecciones bacterianas ocurren más fácilmente porque las células bacterianas no se eliminan eficazmente de los pulmones.

Revisión del capítulo

La membrana celular proporciona una barrera alrededor de la célula, separando sus componentes internos del entorno extracelular. Está compuesto por una bicapa de fosfolípidos, con "colas" lipídicas internas hidrofóbicas y "cabezas" de fosfatos externos hidrofílicos. Varias proteínas de membrana se encuentran dispersas por la bicapa, insertadas dentro de ella y unidas a ella periféricamente. La membrana celular es selectivamente permeable, lo que permite que solo un número limitado de materiales se difunda a través de su bicapa lipídica. Todos los materiales que atraviesan la membrana lo hacen mediante procesos de transporte pasivos (que no requieren energía) o activos (que requieren energía). Durante el transporte pasivo, los materiales se mueven por difusión simple o por difusión facilitada a través de la membrana, por su gradiente de concentración. El agua pasa a través de la membrana en un proceso de difusión llamado ósmosis. Durante el transporte activo, se gasta energía para ayudar al movimiento del material a través de la membrana en una dirección contraria a su gradiente de concentración. El transporte activo puede tener lugar con la ayuda de bombas de proteínas o mediante el uso de vesículas.

Preguntas sobre enlaces interactivos

Visite este enlace para ver la difusión y cómo es impulsada por la energía cinética de las moléculas en solución. ¿Cómo afecta la temperatura a la velocidad de difusión y por qué?

Las temperaturas más altas aceleran la difusión porque las moléculas tienen más energía cinética a temperaturas más altas.

Preguntas de revisión

Debido a que están incrustados dentro de la membrana, los canales iónicos son ejemplos de ________.

  1. proteínas receptoras
  2. proteínas integrales
  3. proteínas periféricas
  4. glucoproteínas

La difusión de sustancias dentro de una solución tiende a mover esas sustancias ________ su gradiente ________.

Las bombas de iones y la fagocitosis son ejemplos de ________.

  1. endocitosis
  2. transporte pasivo
  3. transporte activo
  4. difusión facilitada

Elija la respuesta que mejor complete la siguiente analogía: La difusión es ________ como la endocitosis es ________.

  1. fagocitosis por filtración
  2. pinocitosis de ósmosis
  3. fluido de solutos
  4. gradiente de energía química

Preguntas de pensamiento crítico

¿Qué materiales pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica y por qué?

Solo los materiales que son relativamente pequeños y no polares pueden difundirse fácilmente a través de la bicapa lipídica. Las partículas grandes no pueden caber entre los fosfolípidos individuales que están empaquetados y las moléculas polares son repelidas por los lípidos hidrófobos / apolares que recubren el interior de la bicapa.

¿Por qué se dice que la endocitosis mediada por receptores es más selectiva que la fagocitosis o la pinocitosis?

La endocitosis mediada por receptores es más selectiva porque las sustancias que ingresan a la célula son los ligandos específicos que podrían unirse a los receptores que se endocitosis. La fagocitosis o pinocitosis, por otro lado, no tienen tal especificidad de receptor-ligando y traen cualquier material que esté cerca de la membrana cuando está envuelto.

¿Qué tienen en común la ósmosis, la difusión, la filtración y el movimiento de iones lejos de una carga similar? ¿En qué se diferencian?

Estos cuatro fenómenos son similares en el sentido de que describen el movimiento de sustancias por un tipo particular de gradiente. La ósmosis y la difusión implican el movimiento del agua y otras sustancias en sus gradientes de concentración, respectivamente. La filtración describe el movimiento de partículas hacia abajo en un gradiente de presión, y el movimiento de iones alejándose de una carga similar describe su movimiento hacia abajo por su gradiente eléctrico.

Glosario


Biología 171

Al final de esta sección, podrá hacer lo siguiente:

  • Describir cómo se mueven los electrones a través de la cadena de transporte de electrones y explicar qué sucede con sus niveles de energía durante este proceso.
  • Explicar cómo la cadena de transporte de electrones establece y mantiene un gradiente de protones (H +).

Acaba de leer sobre dos vías del catabolismo de la glucosa, la glucólisis y el ciclo del ácido cítrico, que generan ATP. La mayor parte del ATP generado durante el catabolismo aeróbico de la glucosa, sin embargo, no se genera directamente a partir de estas vías. En cambio, se deriva de un proceso que comienza moviendo electrones a través de una serie de portadores de electrones que experimentan reacciones redox. Este proceso hace que los iones de hidrógeno se acumulen dentro del espacio de la matriz. Por lo tanto, se forma un gradiente de concentración en el que los iones de hidrógeno se difunden fuera del espacio de la matriz al pasar a través de la ATP sintasa. La corriente de iones de hidrógeno impulsa la acción catalítica de la ATP sintasa, que fosforila el ADP y produce ATP.

Cadena de transporte de electrones

La cadena de transporte de electrones ((Figura)) es el último componente de la respiración aeróbica y es la única parte del metabolismo de la glucosa que utiliza oxígeno atmosférico. El oxígeno se difunde continuamente en los tejidos de las plantas (generalmente a través de los estomas), así como en los hongos y las bacterias; sin embargo, en los animales, el oxígeno ingresa al cuerpo a través de una variedad de sistemas respiratorios. El transporte de electrones es una serie de reacciones redox que se asemeja a una carrera de relevos o una brigada de cubos en el que los electrones pasan rápidamente de un componente al siguiente, hasta el punto final de la cadena donde los electrones reducen el oxígeno molecular y, junto con los protones asociados, producen agua. . Hay cuatro complejos compuestos de proteínas, etiquetadas de I a IV en la (Figura), y la agregación de estos cuatro complejos, junto con los portadores de electrones accesorios móviles asociados, se denomina cadena de transporte de electrones. The electron transport chain is present with multiple copies in the inner mitochondrial membrane of eukaryotes and within the plasma membrane of prokaryotes.


Complejo I

First, two electrons are carried to the first complex via NADH. This complex, labeled I, is composed of flavin mononucleotide (FMN) and an iron-sulfur (Fe-S)-containing protein. FMN, que se deriva de la vitamina B2 (also called riboflavin), is one of several prosthetic groups or cofactors in the electron transport chain. A prosthetic group is a nonprotein molecule required for the activity of a protein. Prosthetic groups are organic or inorganic, nonpeptide molecules bound to a protein that facilitate its function. Prosthetic groups include coenzymes, which are the prosthetic groups of enzymes. The enzyme in complex I is NADH dehydrogenase and is a very large protein, containing 45 amino acid chains. Complex I can pump four hydrogen ions across the membrane from the matrix into the intermembrane space, and it is in this way that the hydrogen ion gradient is established and maintained between the two compartments separated by the inner mitochondrial membrane.

Q y Complejo II

El complejo II recibe directamente FADH2—which does not pass through complex I. The compound connecting the first and second complexes to the third is ubiquinone B. The Q molecule is lipid soluble and freely moves through the hydrophobic core of the membrane. Once it is reduced (QH2), la ubiquinona entrega sus electrones al siguiente complejo en la cadena de transporte de electrones. Q receives the electrons derived from NADH from complex I, and the electrons derived from FADH2 from complex II. This enzyme and FADH2 form a small complex that delivers electrons directly to the electron transport chain, bypassing the first complex. Dado que estos electrones se desvían y, por lo tanto, no activan la bomba de protones en el primer complejo, se producen menos moléculas de ATP a partir de la FADH.2 electrones. The number of ATP molecules ultimately obtained is directly proportional to the number of protons pumped across the inner mitochondrial membrane.

Complejo III

The third complex is composed of cytochrome b—another Fe-S protein, a Rieske center (2Fe-2S center), and cytochrome c proteins. This complex is also called cytochrome oxidoreductase. Las proteínas del citocromo tienen un grupo protésico de hemo. La molécula de hemo es similar al hemo de la hemoglobina, pero transporta electrones, no oxígeno. As a result, the iron ion at its core is reduced and oxidized as it passes the electrons, fluctuating between different oxidation states: Fe ++ (reduced) and Fe +++ (oxidized). The heme molecules in the cytochromes have slightly different characteristics due to the effects of the different proteins binding to them, giving slightly different characteristics to each complex. Complex III pumps protons through the membrane and passes its electrons to cytochrome c for transport to the fourth complex of proteins and enzymes. (Cytochrome c receives electrons from Q however, whereas Q carries pairs of electrons, cytochrome c can accept only one at a time.)

Complejo IV

The fourth complex is composed of cytochrome proteins c, a, and a3. This complex contains two heme groups (one in each of the two cytochromes, a, and a3) and three copper ions (a pair of CuA and one CuB in cytochrome a3). The cytochromes hold an oxygen molecule very tightly between the iron and copper ions until the oxygen is completely reduced by the gain of two electrons. El oxígeno reducido luego recoge dos iones de hidrógeno del medio circundante para producir agua (H2O). The removal of the hydrogen ions from the system contributes to the ion gradient that forms the foundation for the process of chemiosmosis.

Chemiosmosis

In chemiosmosis, the free energy from the series of redox reactions just described is used to pump hydrogen ions (protons) across the mitochondrial membrane. The uneven distribution of H + ions across the membrane establishes both concentration and electrical gradients (thus, an electrochemical gradient), owing to the hydrogen ions’ positive charge and their aggregation on one side of the membrane.

If the membrane were continuously open to simple diffusion by the hydrogen ions, the ions would tend to diffuse back across into the matrix, driven by the concentrations producing their electrochemical gradient. Recall that many ions cannot diffuse through the nonpolar regions of phospholipid membranes without the aid of ion channels. Similarly, hydrogen ions in the matrix space can only pass through the inner mitochondrial membrane by an integral membrane protein called ATP synthase ((Figure)). This complex protein acts as a tiny generator, turned by the force of the hydrogen ions diffusing through it, down their electrochemical gradient. The turning of parts of this molecular machine facilitates the addition of a phosphate to ADP, forming ATP, using the potential energy of the hydrogen ion gradient.


Dinitrophenol (DNP) is an “uncoupler” that makes the inner mitochondrial membrane “leaky” to protons. It was used until 1938 as a weight-loss drug. What effect would you expect DNP to have on the change in pH across the inner mitochondrial membrane? ¿Por qué cree que este podría ser un fármaco eficaz para bajar de peso?

Chemiosmosis ((Figure)) is used to generate 90 percent of the ATP made during aerobic glucose catabolism it is also the method used in the light reactions of photosynthesis to harness the energy of sunlight in the process of photophosphorylation. Recall that the production of ATP using the process of chemiosmosis in mitochondria is called oxidative phosphorylation. The overall result of these reactions is the production of ATP from the energy of the electrons removed from hydrogen atoms. These atoms were originally part of a glucose molecule. At the end of the pathway, the electrons are used to reduce an oxygen molecule to oxygen ions. The extra electrons on the oxygen attract hydrogen ions (protons) from the surrounding medium, and water is formed. Thus, oxygen is the final electron acceptor in the electron transport chain.


Cyanide inhibits cytochrome c oxidase, a component of the electron transport chain. If cyanide poisoning occurs, would you expect the pH of the intermembrane space to increase or decrease? What effect would cyanide have on ATP synthesis?

Rendimiento de ATP

El número de moléculas de ATP generadas por el catabolismo de la glucosa varía. Por ejemplo, el número de iones de hidrógeno que los complejos de la cadena de transporte de electrones pueden bombear a través de la membrana varía entre especies. Another source of variance stems from the shuttle of electrons across the membranes of the mitochondria. (The NADH generated from glycolysis cannot easily enter mitochondria.) Thus, electrons are picked up on the inside of mitochondria by either NAD + or FAD + . As you have learned earlier, these FAD + molecules can transport fewer ions consequently, fewer ATP molecules are generated when FAD + acts as a carrier. NAD + is used as the electron transporter in the liver and FAD + acts in the brain.

Another factor that affects the yield of ATP molecules generated from glucose is the fact that intermediate compounds in these pathways are also used for other purposes. El catabolismo de la glucosa se conecta con las vías que construyen o descomponen todos los demás compuestos bioquímicos en las células, y el resultado es algo más complicado que las situaciones ideales descritas hasta ahora. Por ejemplo, los azúcares distintos de la glucosa se introducen en la vía glucolítica para la extracción de energía. In addition, the five-carbon sugars that form nucleic acids are made from intermediates in glycolysis. Certain nonessential amino acids can be made from intermediates of both glycolysis and the citric acid cycle. Lipids, such as cholesterol and triglycerides, are also made from intermediates in these pathways, and both amino acids and triglycerides are broken down for energy through these pathways. Overall, in living systems, these pathways of glucose catabolism extract about 34 percent of the energy contained in glucose, with the remainder being released as heat.

Resumen de la sección

The electron transport chain is the portion of aerobic respiration that uses free oxygen as the final electron acceptor of the electrons removed from the intermediate compounds in glucose catabolism. The electron transport chain is composed of four large, multiprotein complexes embedded in the inner mitochondrial membrane and two small diffusible electron carriers shuttling electrons between them. The electrons are passed through a series of redox reactions, with a small amount of free energy used at three points to transport hydrogen ions across a membrane. This process contributes to the gradient used in chemiosmosis. The electrons passing through the electron transport chain gradually lose energy. High-energy electrons donated to the chain by either NADH or FADH2 complete the chain, as low-energy electrons reduce oxygen molecules and form water. The level of free energy of the electrons drops from about 60 kcal/mol in NADH or 45 kcal/mol in FADH2 to about 0 kcal/mol in water. The end products of the electron transport chain are water and ATP. A number of intermediate compounds of the citric acid cycle can be diverted into the anabolism of other biochemical molecules, such as nonessential amino acids, sugars, and lipids. These same molecules can serve as energy sources for the glucose pathways.

Conexiones de arte

(Figure) Dinitrophenol (DNP) is an “uncoupler” that makes the inner mitochondrial membrane “leaky” to protons. It was used until 1938 as a weight-loss drug. What effect would you expect DNP to have on the change in pH across the inner mitochondrial membrane? ¿Por qué cree que este podría ser un fármaco eficaz para bajar de peso?

(Figure) After DNP poisoning, the electron transport chain can no longer form a proton gradient, and ATP synthase can no longer make ATP. DNP is an effective diet drug because it uncouples ATP synthesis in other words, after taking it, a person obtains less energy out of the food he or she eats. Interestingly, one of the worst side effects of this drug is hyperthermia, or overheating of the body. Since ATP cannot be formed, the energy from electron transport is lost as heat.

(Figure) Cyanide inhibits cytochrome c oxidase, a component of the electron transport chain. If cyanide poisoning occurs, would you expect the pH of the intermembrane space to increase or decrease? What effect would cyanide have on ATP synthesis?

(Figure) After cyanide poisoning, the electron transport chain can no longer pump electrons into the intermembrane space. The pH of the intermembrane space would increase, the pH gradient would decrease, and ATP synthesis would stop.

Respuesta libre

How do the roles of ubiquinone and cytochrome c differ from the roles of the other components of the electron transport chain?

Q y el citocromo c son moléculas de transporte. Su función no resulta directamente en la síntesis de ATP ya que no son bombas. Además, Q es el único componente de la cadena de transporte de electrones que no es una proteína. Ubiquinone and cytochrome c are small, mobile electron carriers, whereas the other components of the electron transport chain are large complexes anchored in the inner mitochondrial membrane.

¿Qué explica el número diferente de moléculas de ATP que se forman a través de la respiración celular?

Pocos tejidos, excepto el músculo, producen la máxima cantidad posible de ATP a partir de los nutrientes. Los intermedios se utilizan para producir los aminoácidos, ácidos grasos, colesterol y azúcares necesarios para los ácidos nucleicos. Cuando el NADH se transporta desde el citoplasma a las mitocondrias, se utiliza un mecanismo de transporte activo, que disminuye la cantidad de ATP que se puede producir. La cadena de transporte de electrones difiere en composición entre especies, por lo que diferentes organismos producirán diferentes cantidades de ATP utilizando sus cadenas de transporte de electrones.

Glosario


Closing remarks

Biological membranes allow life to exist. From simple unicellular prokaryotes to complex multicellular eukaryotes such as humans, the properties of the membranes that surround cells are remarkably similar. Our understanding of the structure of these lipid bilayers is now expanding rapidly as a result of significant advances in biophysical techniques and the huge computational power now available to researchers. The proteins that inhabit these membranes allow messages to be sent and received so that the cell can communicate with the external environment. Many messages are relayed by hydrophilic molecules that require receptors to transmit information across the bilayer. It is this step that is targeted by the majority of drugs which are on the market today, as it enables us to modify the message before it enters the cell. An understanding of how membrane proteins work, how they reach the correct destinations and how we can alter their functions is key to the fight against human disease.


Defining Active and Passive Transport

Active and passive transport processes are two ways molecules and other materials move in and out of cells and across intracellular membranes. Active transport is the movement of molecules or ions against a concentration gradient (from an area of lower to higher concentration), which does not ordinarily occur, so enzymes and energy are required.

Passive transport is the movement of molecules or ions from an area of higher to lower concentration. There are multiple forms of passive transport: simple diffusion, facilitated diffusion, filtration, and osmosis. Passive transport occurs because of the entropy of the system, so additional energy isn't required for it to occur.


How do you calculate concentration of ions in a solution?

The concentration of ions in solution depends on the mole ratio between the dissolved substance and the cations and anions it forms in solution.

So, if you have a compound that dissociates into cations and anions, the minimum concentration of each of those two products will be equal to the concentration of the original compound. Here's how that works:

Sodium chloride dissociates into #Na^(+)# cations and #Cl^(-)# anions when dissolved in water. Notice that 1 mole of #NaCl# will produce 1 mole of #Na^(+)# and 1 mole of #Cl^(-)# .

This means that if you have a #NaCl# solution with a concentration of #"1.0 M"# , the concentration of the #Na^(+)# ion will be #"1.0 M"# and the concentration of the #Cl^(-)# ion will be #"1.0 M"# as well.

Let's take another example. Assume you have a #"1.0 M"# #Na_2SO_4# solution

Notice that the mole ratio between #Na_2SO_4# and #Na^(+)# is #1:2# , which means that 1 mole of the former will produce 2 moles of the latter in solution.

This means that the concentration of the #Na^(+)# ions will be

#"1.0 M" * ("2 moles Na"^(+))/("1 mole Na"_2"SO"_4) = "2.0 M"#

Think of it like this: the volume of the solution remains constant, but the number of moles doubles automatically, this implies that the concentration will be two times bigger for that respective ion.

Here's how that would look mathematically:

#C_("compound") = n_("Compound")/V => V = n_("compound")/C_("compound")#

#C_("ion") = n_("ion")/V = n_("ion") * 1/V = n_("ion") * C_("compound")/n_("compound")#

#C_("ion") = C_("compound") * n_("ion")/n_("compound")#

As you can see, the mole ratio between the original coumpound and an ion it forms will determine the concetration of the respective ion in solution.

Here's a link to another answer on this topic:

http://socratic.org/questions/how-do-you-calculate-the-number-of-ions-in-a-solution?source=search


Proceso

There are two types of active transport: primary and secondary. In primary active transport, specialized trans-membrane proteins recognize the presence of a substance that needs to be transported and serve as pumps, powered by the chemical energy ATP, to carry the desired biochemicals across. In secondary active transport, pore-forming proteins form channels in the cell membrane and force the biochemicals across using an electromagnetic gradient. Often, this energy is gained by simultaneously moving another substance down the concentration gradient.

There are four main types of passive transport: osmosis, diffusion, facilitated diffusion and filtration. Diffusion is the simple movement of particles through a permeable membrane down a concentration gradient (from a more concentrated solution to a less concentrated solution) until the two solutions are of equal concentration. Facilitated diffusion uses special transport proteins to achieve the same effect. Filtration is the movement of water and solute molecules down the concentration gradient, e.g. in the kidneys, and osmosis is the diffusion of water molecules across a selectively permeable membrane. None of these processes require energy.

Video explaining the differences

Here's a good video explaining the process of active and passive transport:



Comentarios:

  1. Rashidi

    Está usted equivocado. Estoy seguro. Escríbeme en PM, te habla.

  2. Roni

    Te estoy agradecido por la información.

  3. Earm

    Hermanos, ¿sobre qué están escribiendo? ? ¿Qué tiene que ver esta publicación con esto? ?

  4. Akibei

    Te pido disculpas, pero, en mi opinión, no tienes razón. Discutámoslo. Escríbeme por MP.



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