Informatie

Membraanpermeabiliteit voor pyruvaat


Pyruvaat lijkt gemakkelijk door het buitenmembraan van het mitochondrion te gaan, maar heeft moeite om het binnenmembraan binnen te gaan (en komt binnen via H+ symport). Ik heb twee vragen: (1) door welke eigenschap van pyruvaat kan het niet door het binnenmembraan gaan? Is het zijn lading? en (2) welke structurele verschillen zijn er tussen de buitenste en binnenste membranen van het mitochondrion die hun ongelijksoortige permeabiliteiten voor pyruvaat creëren?


Pyruvaat is negatief geladen en vrij polair, waardoor het ongunstig is om rechtstreeks door een membraan te diffunderen. Het buitenste mitochondriale membraan bevat porines, waardoor kleine moleculen, zoals pyruvaat, passief kunnen diffunderen. In het bijzonder gebruikt pyruvaat spanningsafhankelijke anionkanalen. Het binnenste mitochondriale membraan mist dergelijke kanalen en is afhankelijk van actief transport door de langverwachte maar pas recent ontdekte mitochondriale pyruvaatdrager (Herzig et al. en Bricker et al., 2012).


ASJC Scopus-onderwerpen

  • APA
  • Standaard
  • Harvard
  • Vancouver
  • Auteur
  • BIBTEX
  • RIS

In: Ontwikkelingsbiologie, Vol. 56, nr. 2, 04.1977, p. 306-315.

Onderzoeksoutput : Bijdrage aan tijdschrift › Artikel › peer-review

T1 - Ontwikkelingsveranderingen in membraantransport en permeabiliteit in het vroege muizenembryo

N1 - Financieringsinformatie: door Grant No. BC-181 Cancer Society.

N2 - Elektrofysiologische en isotopentracerfluxexperimenten werden uitgevoerd om de membraanionenpermeabiliteit en transporteigenschappen van het tweecellige muizenembryo te meten. De resultaten laten zien dat de interne uitwisselbare Na en K respectievelijk 151 en 130 mM zijn, en dat hun membraanpermeabiliteiten (PNa) 16 × 10-8 cm sec-1 en (PK) 21 × 10-8 cm sec-1 zijn. Deze waarden voorspellen een membraanpotentiaal van -24 mV (binnenkant negatief) wat goed overeenkomt met -19 mV gemeten met micro-elektroden. Ouabain-gevoelige isotoopfluxen demonstreren een Na/K-pompmechanisme met een stoichiometrie van 1,7:1 (Na:K). Een extern-Na-afhankelijke Na-efflux wordt aangetoond door de reductie van unidirectionele Na-efflux in Na-vrij medium, maar er is geen bewijs voor een vergelijkbaar mechanisme van K-efflux in dit ontwikkelingsstadium. Deze resultaten worden vergeleken met de waarden die zijn gerapporteerd voor de oöcyt van de muis [Powers, R.D., en Tupper, J.T. (1974). Ontwikkelen. Biol. 38, 320-331 (1975). Exp. Cel res. 91, 413-421]. De hyperpolarisatie van de membraanpotentiaal in vergelijking met de eicel (-13 mV) is voornamelijk het gevolg van de verhoogde PK PNa-verhouding. Een soortgelijk fenomeen is waargenomen bij andere zich ontwikkelende embryo's. De toename van pompgemedieerde K-influx in het tweecellige stadium gaat gepaard met een afname van vergelijkbare grootte in de extern K-afhankelijke K-efflux die in de eicel wordt gevonden. Dit suggereert dat het KK-uitwisselingsmechanisme kan worden omgezet in een actieve pomp. Vanwege de veranderingen in ionenconcentraties en -bewegingen en de ongebruikelijke metabolische behoeften van het muizenembryo, werd het effect van extern Na op de opname van glucose en pyruvaat in de eicel en het twee- en achtcellige stadium onderzocht. In deze stadia kon geen Na-afhankelijk koolhydraattransport worden gevonden.

AB - Elektrofysiologische en isotopentracerfluxexperimenten werden uitgevoerd om de membraanionenpermeabiliteit en transporteigenschappen van het tweecellige muizenembryo te meten. De resultaten laten zien dat de interne uitwisselbare Na en K respectievelijk 151 en 130 mM zijn, en dat hun membraanpermeabiliteiten (PNa) 16 × 10-8 cm sec-1 en (PK) 21 × 10-8 cm sec-1 zijn. Deze waarden voorspellen een membraanpotentiaal van -24 mV (binnenkant negatief) wat goed overeenkomt met -19 mV gemeten met micro-elektroden. Ouabain-gevoelige isotoopfluxen demonstreren een Na/K-pompmechanisme met een stoichiometrie van 1,7:1 (Na:K). Een extern-Na-afhankelijke Na-efflux wordt aangetoond door de reductie van unidirectionele Na-efflux in Na-vrij medium, maar er is geen bewijs voor een vergelijkbaar mechanisme van K-efflux in dit ontwikkelingsstadium. Deze resultaten worden vergeleken met de waarden die zijn gerapporteerd voor de oöcyt van de muis [Powers, R.D., en Tupper, J.T. (1974). Ontwikkelen. Biol. 38, 320-331 (1975). Exp. Cel res. 91, 413-421]. De hyperpolarisatie van de membraanpotentiaal in vergelijking met de eicel (-13 mV) is voornamelijk het gevolg van de verhoogde PK PNa-verhouding. Een soortgelijk fenomeen is waargenomen bij andere zich ontwikkelende embryo's. De toename van pompgemedieerde K-influx in het tweecellige stadium gaat gepaard met een afname van vergelijkbare grootte in de extern K-afhankelijke K-efflux die in de eicel wordt gevonden. Dit suggereert dat het KK-uitwisselingsmechanisme kan worden omgezet in een actieve pomp. Vanwege de veranderingen in ionenconcentraties en -bewegingen en de ongebruikelijke metabolische behoeften van het muizenembryo, werd het effect van extern Na op de opname van glucose en pyruvaat in de eicel en het twee- en achtcellige stadium onderzocht. In deze stadia kon geen Na-afhankelijk koolhydraattransport worden gevonden.


Selectieve permeabiliteit

Plasmamembranen zijn asymmetrisch, wat betekent dat ondanks het spiegelbeeld dat wordt gevormd door de fosfolipiden, de zijde van het membraan die naar de binnenkant van de cel is gericht, niet identiek is aan de buitenkant van het membraan. Eiwitten die fungeren als kanalen of pompen werken in één richting. Koolhydraten, gehecht aan lipiden of eiwitten, worden ook gevonden op het buitenoppervlak van het plasmamembraan.

Deze koolhydraatcomplexen helpen de cel stoffen te binden in de extracellulaire vloeistof die de cel nodig heeft. Dit draagt ​​aanzienlijk bij aan het selectieve karakter van plasmamembranen.

Bedenk dat plasmamembranen hydrofiele en hydrofobe gebieden hebben. Deze eigenschap helpt de beweging van bepaalde materialen door het membraan en belemmert de beweging van andere. Vetoplosbaar materiaal kan gemakkelijk door de hydrofobe lipidekern van het membraan glippen. Stoffen zoals de in vet oplosbare vitamines A, D, E en K gaan gemakkelijk door de plasmamembranen in het spijsverteringskanaal en andere weefsels. In vet oplosbare medicijnen dringen ook gemakkelijk de cellen binnen en worden gemakkelijk naar de weefsels en organen van het lichaam getransporteerd. Moleculen van zuurstof en koolstofdioxide hebben geen lading en gaan door eenvoudige diffusie.

Polaire stoffen, met uitzondering van water, vormen een probleem voor het membraan. Hoewel sommige polaire moleculen gemakkelijk verbinding maken met de buitenkant van een cel, kunnen ze niet gemakkelijk door de lipidekern van het plasmamembraan gaan. Bovendien, terwijl kleine ionen gemakkelijk door de ruimtes in het mozaïek van het membraan kunnen glippen, verhindert hun lading dat ze dit doen. Ionen zoals natrium, kalium, calcium en chloride moeten een speciaal middel hebben om plasmamembranen te penetreren. Eenvoudige suikers en aminozuren hebben ook hulp nodig bij transport over plasmamembranen.


Acetyl CoA naar CO2

De acetylkoolstoffen van acetyl CoA komen vrij als kooldioxide in de citroenzuurcyclus.

Leerdoelen

Beschrijf het lot van de acetyl CoA-koolstoffen in de citroenzuurcyclus

Belangrijkste leerpunten

Belangrijkste punten

  • De citroenzuurcyclus is ook bekend als de Krebs-cyclus of de TCA-cyclus (tricarbonzuur).
  • Acetyl CoA brengt zijn acetylgroep over naar oxaalacetaat om citraat te vormen en de citroenzuurcyclus te beginnen.
  • Het vrijkomen van koolstofdioxide gaat gepaard met de reductie van NAD+ tot NADH in de citroenzuurcyclus.

Sleutelbegrippen

  • TCA-cyclus: een alternatieve naam voor de Krebs-cyclus of citroenzuurcyclus
  • citroenzuurcyclus: een reeks enzymatische reacties die in alle aërobe organismen voorkomen, het omvat het oxidatieve metabolisme van acetyl-eenheden en dient als de belangrijkste bron van cellulaire energie
  • oxaalacetaat: een molecuul met vier koolstofatomen dat een acetylgroep ontvangt van acetyl CoA om citraat te vormen, dat de citroenzuurcyclus binnengaat

Acetyl CoA naar CO2

Acetyl CoA verbindt glycolyse en pyruvaatoxidatie met de citroenzuurcyclus. In aanwezigheid van zuurstof levert acetyl CoA zijn acetylgroep af aan een vier-koolstofmolecuul, oxaalacetaat, om citraat te vormen, een zes-koolstofmolecuul met drie carboxylgroepen. Tijdens deze eerste stap van de citroenzuurcyclus wordt het CoA-enzym, dat een sulfhydrylgroep (-SH bevat), gerecycled en komt beschikbaar om een ​​andere acetylgroep aan te hechten. Het citraat zal dan de rest van de extraheerbare energie oogsten van wat begon als een glucosemolecuul en doorgaan met de citroenzuurcyclus.

In de citroenzuurcyclus komen de twee koolstoffen die oorspronkelijk de acetylgroep van acetyl CoA waren, vrij als koolstofdioxide, een van de belangrijkste producten van cellulaire ademhaling, door een reeks enzymatische reacties. Voor elke acetyl-CoA die de citroenzuurcyclus binnengaat, komen twee koolstofdioxidemoleculen vrij in reacties die gekoppeld zijn aan de productie van NADH-moleculen door de reductie van NAD+-moleculen.

Acetyl CoA en de citroenzuurcyclus: Voor elk molecuul acetyl-CoA dat in de citroenzuurcyclus terechtkomt, komen twee koolstofdioxidemoleculen vrij, die de koolstof uit de acetylgroep verwijderen.

Naast de citroenzuurcyclus, genoemd naar het eerste gevormde tussenproduct, citroenzuur of citraat, wanneer acetaat samenkomt met het oxaalacetaat, is de cyclus ook bekend onder twee andere namen. De TCA-cyclus is genoemd naar tricarbonzuren (TCA) omdat citroenzuur (of citraat) en isocitraat, de eerste twee tussenproducten die worden gevormd, tricarbonzuren zijn. Bovendien staat de cyclus bekend als de Krebs-cyclus, genoemd naar Hans Krebs, die voor het eerst de stappen in het pad in de jaren dertig in duivenvluchtspier identificeerde.


Biologische membranen

Plasmamembranen zijn gedeeltelijk permeabel, wat betekent dat ze sommige moleculen doorlaten, maar andere niet.

(c) beschrijf, met behulp van diagrammen, het vloeistofmozaïekmodel van de membraanstructuur

De fosfolipide dubbellaag is de fundamentele structurele component van plasmamembranen. Het bestaat uit 2 lagen fosfolipidemoleculen. Het midden van de dubbellaag is hydrofoob, dus het membraan laat geen in water oplosbare stoffen (zoals ionen) door, het werkt als een barrière naar deze opgeloste stoffen

In het vloeistofmozaïekmodel vormen fosfolipidemoleculen een continue dubbele laag (dubbellaag). De dubbellaag is ‘vloeibaar’ omdat de fosfolipiden zijn constant in beweging. Het vloeibare mozaïekmodel bevat ook: cholesterol moleculen, eiwitten, glycoproteïnen en glycolipiden.

(d) beschrijf de rollen van componenten van het celmembraan:

(e) schets het effect van veranderende temperatuur op membraanstructuur en permeabiliteit

(f) leg de term celsignalering uit

(g) de rol uitleggen van membraangebonden receptoren als plaatsen waar hormonen en medicijnen kunnen binden

Celsignalering is wanneer cellen met elkaar communiceren door signalen. Om signalen te detecteren, moeten cellen op hun oppervlak hebben: ‘sensoren’ in staat tot signalen ontvangen, deze staan ​​bekend als receptoren en zijn vaak eiwitmoleculen of gemodificeerde eiwitmoleculen (bijvoorbeeld glycoproteïnen). In meercellige organismen wordt communicatie vaak gemedieerd door: hormonen tussen cellen. Hormonen zijn chemische boodschappers, geproduceerd in specifieke weefsels en vervolgens vrijgegeven. Elke cel met een receptor voor het hormoonmolecuul heet a doel cel.

Cellen communiceren met elkaar via boodschappermoleculen:

  1. één cel geeft een boodschappermolecuul af (bijvoorbeeld hormoon)
  2. dit molecuul reist naar een andere cel (bijvoorbeeld in het bloed)
  3. Het boodschappermolecuul is gedetecteerd door de cel omdat het bindt aan een receptor op zijn celmembraan

Receptoreiwitten hebben specifieke vormen – alleen boodschappermoleculen met a complementair vorm kan eraan binden. Verschillende cellen hebben verschillende soorten receptoren - ze reageren op verschillende boodschappermoleculen. Een cel die reageert op een bepaald boodschappermolecuul wordt a . genoemd doel cel.

Glycoproteïnen hebben receptoren. Ze hebben een rol bij:

  • celadhesie – bindt cellen aan elkaar in een weefsel
  • optreden als antigenen op het oppervlak van cellen. Cellen van het immuunsysteem hebben receptoren die de glycoproteïnen detecteren en kunnen bepalen of ze ‘self'8217 of ‘non self'8217 zijn

Veel verdovende middelen werk van binding aan receptoren in celmembranen. zij ofwel een reactie uitlokken in de cel, of blokkeer de receptor en voorkomen dat het werkt bijv. celbeschadiging veroorzaakt het vrijkomen van histamine. Histamine bindt zich aan receptoren op het oppervlak van andere cellen en veroorzaakt ontstekingen. Antihistaminica werken door histaminereceptoren op celoppervlakken te blokkeren. Dit voorkomt dat histamine zich aan de cel bindt en stopt ontstekingen.

(h) uitleggen wat wordt bedoeld met passief transport (diffusie en gefaciliteerde diffusie inclusief de rol van membraaneiwitten), actief transport, endocytose en exocytose

Stoffen kunnen via 2 processen door een membraan bewegen: passief en actief

(i) leg uit wat wordt bedoeld met osmose, in termen van waterpotentiaal

Osmose is de beweging van water moleculen door diffusie uit een regio van hoog waterpotentieel naar een regio van laag waterpotentieel over een gedeeltelijk permeabel membraan

Waterpotentieel is een maat voor de concentratie van watermoleculen dat zijn ‘gratis’ om te verspreiden.

Toevoegen opgeloste stoffen water betekent de watermoleculen TROS rond de opgeloste moleculen, verlaging van de concentratie van ‘vrije’ watermoleculen en daarom verlaagt het waterpotentieel.

(j) de effecten herkennen en verklaren die oplossingen met verschillende waterpotentialen kunnen hebben op plantaardige en dierlijke cellen

In puur water, water beweegt in een cel door osmose langs een waterpotentiaalgradiënt.


Membraanpermeabiliteit voor pyruvaat - biologie

Onderzoek naar factoren die de doorlaatbaarheid van celmembranen beïnvloeden

Bard High School Early College, Manhattan

Zomeronderzoeksprogramma voor natuurkundedocenten

Cursus : Leefomgeving (Biologie)

Niveau : 9e en 10e leerjaar

Eenheid : Celstructuur en cellulair transport

Doel: Studenten onderzoeken factoren die de integriteit van celmembranen beïnvloeden. Bietenweefsel zal als model worden gebruikt om de soorten omgevingsstress te onderzoeken die de membraanintegriteit beïnvloeden.

Studenten kunnen (SWBAT):

Begrijp het vloeistof-mozaïekmodel van de membraanstructuur.

Leg de functie van het celmembraan (plasma) uit.

Maak onderscheid tussen semi-permeabele en selectief permeabele membranen.

Begrijp de verschillende manieren waarop materialen door het celmembraan worden getransporteerd en hoe de structuur van het celmembraan dit mogelijk maakt.

Bepaal de soorten moleculen die door celmembranen kunnen gaan.

Bepaal de factoren die de vloeibaarheid en permeabiliteit van het membraan beïnvloeden.

Formuleer een hypothese over de omgevingsfactoren die de doorlaatbaarheid van het celmembraan zullen veranderen.

Ontwerp een experiment om hun hypothese te testen.

Verzamel en analyseer gegevens en trek geldige conclusies uit gegevens.

Presenteer hun experimentele bevindingen aan de klas door een poster te maken.

Voorkennis:

De studenten hebben inzicht in de vier klassen van biologisch belangrijke verbindingen (dwz koolhydraten, vetten, eiwitten en nucleïnezuren). Deze laboratoriumactiviteit volgt een 'kookboek'-experiment waarin studenten leren hoe ze een spectrofotometer kunnen gebruiken om de concentratie van bekende en onbekende monsters te bepalen.

Vereiste tijd:

1. 8 lessen van vijftig minuten

a) 3 lesuren om de structuur en functie van het celmembraan en soorten celtransport te onderzoeken.

b) 2 lesuren om een ​​toetsbare hypothese te formuleren en een experimentele procedure te ontwerpen

c) 2 lesuren om de op onderzoek gebaseerde laboratoriumactiviteit uit te voeren.

d) 1 lesperiode om gegevens en resultaten aan de klas te presenteren.

Essentiële vragen:

1. Hoe zou je de structuur van het celmembraan (plasma) omschrijven?

2. Wat is de functie van het celmembraan?

3. Waarom wordt het celmembraan 'selectief permeabel' genoemd?

4. Wat zijn de verschillende manieren waarop materialen door het celmembraan kunnen gaan?

5. Welke factoren beïnvloeden de vloeibaarheid of permeabiliteit van celmembranen?

Voorbereiding en procedure:

K-W-L-werkblad voor elke leerling over de structuur van plantaardige en dierlijke cellen en celmembranen

WebQuest-werkbladen voor celmembraanstructuur en -functie en cellulair transport

Druk kopieën af van websites die voor de WebQuests worden gebruikt

Laptopcomputers met internettoegang

Krantenpapier of een overheadprojector en transparanten om de reacties van leerlingen op het K-W-L-werkblad vast te leggen.

Deel 1 : - WebQuests (3 lesuren)

1. Studenten vullen een K-W-L-diagram op celstructuur in.

2. Studenten werken in groepjes van twee of drie om WebQuests te voltooien die de

a) structuur en functie van celmembranen

b) factoren die de vloeibaarheid en permeabiliteit van celmembranen beïnvloeden.

c) verschillende manieren waarop materialen de cel binnenkomen en verlaten.

3. Gebruik de Essentiële vragen om leerlingen te begeleiden tijdens de WebQuest.

4. Studenten werken in groepjes van twee of drie om mogelijke experimentele vragen te formuleren om verschillende factoren te testen die de doorlaatbaarheid van celmembranen beïnvloeden. Experimentele vragen worden op krantenpapier of op een overheadtransparant geplaatst.

1. Animaties/Tutorials

e) Animatie van celbiologie - John Kyrk: celmembraan: http://www.johnkyrk.com/cellmembrane.html

2. WebQuest-bronnen:

Website die beschrijft hoe je een WebQuest in de klas kunt ontwikkelen en implementeren.

Deel 2: Op onderzoek gebaseerde laboratoriumactiviteit (5 lesuren)

maatcilinders van 10 ml

Kurkenboor met een binnendiameter van 4 of 6 mm

W asfles met gedeïoniseerd water

Krantenpapier voor presentatie van resultaten

Achtergrond informatie:

Bietenweefsel zal als model worden gebruikt om te onderzoeken hoe temperatuur en/of verschillende alcoholen de celmembraanintegriteit beïnvloeden. Bietencellen bevatten een rood pigment, betacyanine genaamd, dat zich in de tonoplast bevindt. Betacyanine, een in water oplosbaar pigment, kan niet door het membraan van de tonoplast of celmembraan van de bietencellen gaan zolang deze membranen intact blijven. Als deze cellen echter worden blootgesteld aan veranderingen in temperatuur of een in vet oplosbaar oplosmiddel zoals ethanol, wordt de integriteit van het celmembraan aangetast. Als gevolg hiervan kan betacyanine uit de cellen en in het omringende water lekken. De omvang van de schade aan het celmembraan is direct gerelateerd aan de intensiteit van de rode kleur die verschijnt in het water rond de biet. De intensiteit van de rode kleur kan kwantitatief worden beoordeeld met behulp van een spectrofotometer. Van de studenten wordt verwacht dat ze het gebruik van de spectrofotometer opnemen in hun experimenteel ontwerp om de intensiteit van kleur in de omgeving te meten. De intensiteit van de kleur moet in verhouding staan ​​tot de hoeveelheid schade aan het celmembraan van de biet.

1. Studenten werken in groepjes van twee of drie aan:

a) formuleer een hypothese om een ​​van de experimentele vragen te beantwoorden die de klas aan het einde van deel 1 heeft gesteld.

Zodra de instructeur hun hypothese heeft goedgekeurd, zullen de studenten in de groep beginnen met het bespreken van een experimentele procedure om hun hypothese te testen.

(1) Huiswerk: Studenten zullen hun procedures thuis voltooien. Studenten kunnen via internet onderzoek doen om hun procedure te ontwerpen.

b) Studenten beoordelen elkaars procedures in de klas voordat ze beslissen over een definitieve procedure die ter goedkeuring aan de instructeur wordt voorgelegd.

2. Nadat de instructeur de procedure heeft goedgekeurd, voeren de studenten hun experiment uit tijdens de hun toegewezen laboratoriumperiode.

3. De studenten krijgen tijdens de lesperiode na de laboratoriumactiviteit de tijd om hun gegevens samen te vatten en hun resultaten aan de klas te presenteren met behulp van krantenpapier of overheadtransparanten. Van de studenten wordt ook verwacht dat ze het L -gedeelte op het K-W-L-werkblad invullen.

4. Voorbereiding van de leraar voor deel 2:

a) Mogelijke experimentele procedures voor deze laboratoriumactiviteit kunnen worden gevonden door het volgende te bekijken:

Lab #2: Stress en cellulaire membranen

Effecten van temperatuur en oplosmiddelen op het celmembraan

Suggesties voor beoordeling:

Evalueer de voltooiing van de WebQuest-werkbladen.

Evalueer de L -kolom voor het K-W-L-werkblad.

Evalueer de groepspresentatie van gegevens en resultaten.

Evalueer een formeel laboratoriumrapport dat is ingediend bij de voltooiing van de laboratoriumoefening.

normen :

Nationale wetenschappelijke onderwijsnormen:

1. National Science Educations Standards - Cijfers 9 tot 12

Vaardigheden die nodig zijn om wetenschappelijk onderzoek te doen

Begrippen over wetenschappelijk onderzoek

c) K-12 Verenigen van concepten en processen:

Bewijs, modellen en uitleg

Verandering, constantheid en meting

Evolutie en evenwicht

Normen van de staat New York:

1. Standaard 1: Studenten gebruiken wiskundige analyse, wetenschappelijk onderzoek en technisch ontwerp, waar van toepassing, om vragen te stellen, antwoorden te zoeken en oplossingen te ontwikkelen.

a) Kernidee 1 - Het centrale doel van wetenschappelijk onderzoek is het ontwikkelen van verklaringen voor natuurlijke fenomenen in een voortdurend en creatief proces.

Prestatie-indicatoren 1.1, 1.2, 1.3

b) Kernidee 2 - Naast het gebruik van redenering en consensus, omvat wetenschappelijk onderzoek het testen van voorgestelde verklaringen waarbij gebruik wordt gemaakt van conventionele technieken en procedures en waarvoor gewoonlijk veel vindingrijkheid vereist is.

Prestatie-indicatoren 2.1, 2.2, 2.3, 2.4

c) Kernidee 3 - De waarnemingen die zijn gedaan tijdens het testen van voorgestelde verklaringen, wanneer ze worden geanalyseerd met behulp van conventionele en uitgevonden methoden, verschaffen nieuwe inzichten in natuurlijke fenomenen.

Prestatie-indicatoren 3.1, 3.2, 3.3, 3.4, 3.5

2. Standaard 4: Studenten begrijpen en toepassen wetenschappelijke concepten, principes en theorieën met betrekking tot de fysieke omgeving en leefomgeving en herkennen de historische ontwikkeling van ideeën in de wetenschap.

a) Kernidee 1 - Levende dingen lijken op elkaar en verschillen van elkaar en van niet-levende dingen.


Resultaten

Studie overzicht

Het doel van deze studie was om een ​​toegankelijke test te ontwikkelen voor het beoordelen van celpermeabilisatie voor in vitro analyse, zodat deze toepasbaar is op eukaryote of prokaryotische cellen, en voor meerdere macromoleculen. Om dit te bereiken, veronderstelden we dat: 1) permeabilisatie zou kunnen worden gedefinieerd in termen van een algemeen kenmerk van macromolecuulgrootte, zoals MW. 2) Een intrinsieke cellulaire factor zou kunnen dienen als internalisatiemarker voor moleculen met verschillende MW.

Om deze hypothesen te testen, zochten we een gemakkelijk toegankelijke internalisatiemarker en vonden SAv een ideale kandidaat. Als zodanig hebben we SAv gebruikt om een ​​gemakkelijk toegankelijke test te ontwerpen die, na permeabilisatie, alleen het labelen van cellen met het SAv-conjugaat naar keuze vereist. Gelabelde cellen kunnen worden geanalyseerd door flowcytometrie (zoals hier uitgevoerd) of door een andere geschikte SAv-detectiemethode die beschikbaar is voor onderzoekers. De workflow voor deze test wordt geïllustreerd in sFiguur 1a. In deze setting zal het SAv-conjugaat alleen binden aan cel-intrinsiek biotine als de membraan/enveloppermeabilisatie succesvol is geweest. De internalisatie van moleculen met vergelijkbare MW's zou dus mogelijk moeten zijn met dezelfde permeabilisatiemethode. Deze aanpak werd hier getest in bacteriële (E coli) en zoogdiercellen (4 T1), met 4 verschillende permeabilisatiemiddelen en 2 verschillende SAv-conjugaten. Bovendien werd de test gevalideerd met een functioneel experiment waarbij de internalisatie en activiteit van een nuclease werd beoordeeld met afmetingen die vergelijkbaar waren met die van het geteste SAv-conjugaat, zoals hieronder beschreven.

SAv maakt de beoordeling van membraanpermeabilisatie mogelijk

Streptavidine-Cy5 diende als de celinternalisatiemarker voor Benzonase, een dimeer nuclease, met een MW van 60 KDa [23]. Elk monomeer komt overeen met de afmetingen van DNase I – een compact monomeer met een MW van

30 KDa en afmetingen van 4,6 × 4 × 3,5 nm [24]. Benzonase was het meest kosteneffectieve enzym van 6 onderzochte DNasen (Figuur 2b), het vertoonde de hoogste activiteitsniveaus per gebruikte hoeveelheid enzym. Het permeabilisatievermogen van FF en 4 niet-ionische detergentia voor moleculen van 60 KDa werd beoordeeld in 4 T1 en E coli cellen volgens de workflow in sFiguur 1a. Zoals getoond in Fig. 1a, vertoonden impermeabilized FF 4 T1-cellen significant minder SAv-Cy5-fluorescentie dan die blootgesteld aan detergentia, terwijl alleen E coli cellen (Fig. 1b) behandeld met Triton-X werden gepermeabiliseerd, zoals blijkt uit een 363X toename in fluorescentie (P < 0,001). Dit geeft aan dat fixatie cellen niet doorlaatbaar maakt voor grote moleculen. Van de geteste detergentia was Quillaja-schors Saponine (Qb-Saponin) (vertoonde de hoogste membraanselectiviteit voor Sav in 4 T1-cellen, met een 186X (P < 0,001) toename in fluorescentie, echter geen significante fluorescentieverandering voor E coli was gedetecteerd (P > 0,05). Dit gold voor E coli cellen blootgesteld aan hogere Qb-Saponine-concentraties (sFiguur 2a). Toen een groter molecuul werd onderzocht in 4 T1-cellen - 360 KDa Streptavidine Phycoerythrin (SAv-PE) - was de internalisatie veel lager (2-25%) dan die waargenomen voor SAv-Cy5, zoals verwacht, hoewel patronen van detergenswerkzaamheid varieerden, met internalisatie alleen detecteerbaar voor Digitonine (10,8%) en Qb-Saponine (25%) (sFiguur 3).

Membraan permeabilisatie. Celpermeabilisatie wordt gemeten door de internalisatie van SAv-Cy5 voor (een) 4 T1-cellen en (B) E coli. (Links) Histogrammen die Cy5+ maximale fluorescentie-intensiteit tonen (N = ( overline> ) 6). (Rechts) Boxplot met mediane fluorescentie-intensiteit. Afwijking (%) van ondoordringbaar weergegeven boven elk vak in blauw/rood en P-waarden worden in het zwart weergegeven. In alle gevallen N = 6

Validatie van de permeabilisatiestrategie door nuclease-activiteit

Nuclease-activiteit in gepermeabiliseerde cellen werd getest door de fluorescentie te meten die wordt uitgezonden door een celpermeabele, dubbelstrengs DNA-intercalerende kleurstof (CytoPhase Violet), na behandeling met een permeabilisatiemiddel (P+) en benzonase (sFiguur 1b). Na membraanpermeabilisatie kan het nuclease passief door het cytoplasma en poriën in het kernmembraan diffunderen [25]. Een vermindering van het CytoPhase-signaal is indicatief voor een vermindering van het DNA-gehalte en dus voor een hogere nuclease-activiteit. De resultaten gepresenteerd in Fig. 2 weerspiegelen die in Fig. 1, met de meest significante CytoPhase-signaalreductie (30,8%, P < 0,001) waargenomen in 4 T1-cellen gepermeabiliseerd met Qb-Saponine. Omgekeerd leidde behandeling met Qb-saponine niet tot een significante afname van de fluorescentie voor E coli (4,5% afname, P > 0,05), terwijl behandeling met Triton-X (P+ DNAse+ controle), de grootste daling liet zien met 43,7% (P < 0,001). Ook viel op dat oogsten of voorbehandelingen geen significante invloed hadden op de integriteit van de E coli celomhulling, aangezien niet-meabiliseerde cellen die waren blootgesteld aan benzonase geen significante afname van het CytoPhase-signaal vertoonden. Deze resultaten werden geverifieerd door qPCR, waarbij een gemengde FF-celpopulatie met 1 × 107 E coli en 1 × 10 6 4 T1-cellen, werden blootgesteld aan de Host DNA depletion (HD) strategie, waarna cellen werden geoogst en DNA gezuiverd. Geëlueerd DNA werd geanalyseerd met qPCR. Zoals te zien is in Fig. 3(i), was voor 4 T1-cellen de hoeveelheid genen (genormaliseerd naar genoomkopieën) die na de ZvH werden teruggevonden met een factor 10 verminderd (P < 0,01), wat suggereert dat ongeveer 90% van de cellen permeabel was en hun DNA-gehalte verteerd was. Vanwege de verminderde interferentie van zoogdier-DNA, zorgde de ZvH-behandeling voor een hogere (ware) weergave van bacterieel DNA, dat een 3X (P < 0,01) toename van het aantal teruggewonnen genomen (Fig. 3(ii)). Al met al valideren deze resultaten de beoordelingsstrategie voor permeabilisatie en bevestigen dat Qb-Saponine de beste celselectieve permeabilisatiecapaciteit vertoont.

DNA-uitputting. DNA-depletie wordt hier gemeten door een vermindering van fluorescentie van de dubbelstrengs DNA-intercalerende kleurstof CytoPhase, gemeten voor (een) 4 T1-cellen en (B) E coli. (Links) histogrammen die de maximale fluorescentie-intensiteit voor CytoPhase+-cellen tonen. (Rechts) Boxplot met mediane fluorescentie-intensiteit. Afwijking (%) van impermeabilized DNase - weergegeven boven elk vak in blauw/rood en p-waarden worden weergegeven in zwart. In alle gevallen N = 6

Kwantificering van DNA-uitputting. DNA-depletie gemeten door een vermindering van het qPCR-herstel van genomen van (l) 1 × 10 5 4 T1-cellen en (ii) 1 × 10 6 E coli van een gemengde celsuspensie die al dan niet is behandeld met Qb-saponine en benzonase. Afwijking (%) van impermeabilized DNase - weergegeven boven elk vak in blauw/rood en p-waarden worden weergegeven in zwart. In alle gevallen N = 6


Opslag voor draadloze temperatuur-, pH- en geleidbaarheidssensoren

Elke lade biedt plaats aan maximaal 10 draadloze sensoren, sensoren die afzonderlijk worden verkocht.

Draadloze pH-sensor

Dit is het beste hulpmiddel voor het meten van de pH sinds lakmoespapier. De draadloze pH-sensor maakt verbinding via Bluetooth® om de pH van oplossingen te bewaken.

Biologie Starter Lab Station

Dit Starter Lab Station bevat de draadloze temperatuur-, druk-, pH- en kooldioxidesensoren die worden gebruikt om de belangrijkste activiteiten uit de Essential Biology Lab Manual uit te voeren.

Veel laboratoriumactiviteiten kunnen worden uitgevoerd met onze Wireless-, PASPORT- of zelfs ScienceWorkshop-sensoren en -apparatuur. Neem voor hulp bij het vervangen van compatibele instrumenten contact op met de technische ondersteuning van PASCO. Wij zijn hier om te helpen.
Copyright © 2020 PASCO


Lescelmembraan Structuur en functie

Eenheden dienen als gids voor een bepaalde inhoud of een bepaald onderwerp. Genesteld onder eenheden zijn lessen (in paars) en hands-on activiteiten (in blauw).

Houd er rekening mee dat niet alle lessen en activiteiten onder een eenheid zullen bestaan, en in plaats daarvan als "op zichzelf staand" curriculum kunnen bestaan.

TE Nieuwsbrief

Studenten leren over celmembraanstructuur en -functie

Samenvatting

Technische verbinding

Met de evolutie van het gebruik van nanodeeltjes voor medicijnafgifte en vele andere toepassingen, is de cel een belangrijk onderzoekscentrum geworden, waardoor intracellulaire engineering een gespecialiseerd gebied van biomedische engineering is geworden. Om studenten te laten begrijpen wat er in cellen gebeurt, moeten ze begrijpen hoe deeltjes toegang krijgen tot cellen. Het bestuderen van de structuur en functie van het celmembraan levert de details op die ingenieurs nodig hebben om de toegang te vergemakkelijken.

Leerdoelen

Na deze les moeten de leerlingen in staat zijn om:

  • Identificeer organellen in een cel en hun functie.
  • Beschrijf hoe organismen fysieke verschijnselen gebruiken om actief voedingsstoffen te transporteren.
  • Construeer en identificeer celmembraandelen.
  • Definieer osmose, diffusie en semi-permeabele membranen en begrijp hoe organismen ze gebruiken.

Onderwijsnormen

Elk Onderwijzen Engineering les of activiteit is gecorreleerd aan een of meer K-12 onderwijsnormen voor wetenschap, technologie, techniek of wiskunde (STEM).

Alle 100.000+ K-12 STEM-normen gedekt in Onderwijzen Engineering worden verzameld, onderhouden en verpakt door de Achievement Standards Network (ASN), een project van D2L (www.achievementstandards.org).

In de ASN zijn standaarden hiërarchisch gestructureerd: eerst naar bron bijv., per staat binnen bron per type bijv., wetenschap of wiskunde binnen type per subtype, dan per graad, enzovoort.

NGSS: Next Generation Science Standards - Wetenschap

HS-LS1-2. Een model ontwikkelen en gebruiken om de hiërarchische organisatie van op elkaar inwerkende systemen te illustreren die specifieke functies bieden binnen meercellige organismen. (Grade 9 - 12)

Bent u het eens met deze afstemming? Bedankt voor je feedback!

Afstemmingsovereenkomst: Bedankt voor uw feedback!

Afstemmingsovereenkomst: Bedankt voor uw feedback!

Afstemmingsovereenkomst: Bedankt voor uw feedback!

International Technology and Engineering Educators Association - Technologie

Bent u het eens met deze afstemming? Bedankt voor je feedback!

Werkbladen en bijlagen

Meer leerplan zoals dit

Studenten onderzoeken de structuur en functie van celmembranen. Terwijl ze het binnendringen en verlaten van deeltjes door membranen bestuderen, leren studenten over kwantumstippen en biotechnologie door het concept van intracellulaire engineering.

Studenten leren dat ingenieurs verschillende polymeren ontwikkelen om verschillende functies te vervullen en maken kennis met selectief permeabele membranen. In de hoofdactiviteit testen en vergelijken studentenparen de selectieve permeabiliteit van alledaagse polymeermaterialen die zijn ontworpen voor voedselopslag (inclusief plastic groc.

De leerlingen vergelijken en contrasteren passief en actief transport door een spel te spelen om dit fenomeen te modelleren. Beweging door celmembranen wordt ook gemodelleerd, evenals de structuur en beweging die typisch zijn voor het vloeibare mozaïekmodel van het celmembraan.

De leerlingen leren hoe het hart werkt. Ze maken kennis met het concept van het genereren van actiepotentiaal, dat de elektrische stroom veroorzaakt die spiercontractie in het hart veroorzaakt.

Inleiding/Motivatie

Behalve het begrijpen van de basisonderdelen van een cel en hun functies, wat kan er nog meer in onze cellen komen? Hoe zit het met quantum dots en andere soorten nanodeeltjes? Door de structuur en de chemie van celmembranen te begrijpen, kunnen onderzoekers zich concentreren op hoe cellen voor medische doeleinden voor ons kunnen werken. Veel chemische en biomedische ingenieurs gebruiken hun kennis van hoe cellen werken om innovatieve medische technologieën te ontwikkelen.

Vandaag ga je onderzoek doen, waaronder het bekijken van online animaties van celmembraandynamiek en het observeren van demonstraties van diffusie en osmose. U zult getuige zijn van het effect van beweging door een semi-permeabel membraan met behulp van Lugol's oplossing.

Lesachtergrond en concepten voor docenten

Als onderdeel van Onderzoek en herziening fase leren studenten over de verschillende structuren waaruit het celmembraan bestaat. Ze relateren ook de celmembraanstructuur aan de functie en hoe de functies met elkaar omgaan.

Begin met het projecteren van de online animaties van celmembraandynamiek (vermeld op de hand-out Cell Membrane Animation Links), zodat de hele klas ze kan zien, of laat leerlingen op individuele computers werken om ze te bekijken. Werk enkele animaties door met de leerlingen en leg uit wat ze in elke animatie zien.

Geef een overzicht van de begrippen diffusie en osmose, en leg uit hoe een semi-permeabel membraan werkt. Beschrijf hoe transport over een celmembraan plaatsvindt om de homeostase te handhaven. Leg de concentraties van opgeloste stoffen uit: hyperetonisch, hypotoon en isotoon. Gebruik de onderstaande achtergrondinformatie.

Laat de leerlingen vervolgens drie diffusie- en osmose-demonstraties observeren, zoals beschreven in de Demonstratie-instructies voor docenten. (Merk op dat men 24 uur van tevoren moet instellen.) Studenten zijn getuige van het effect van beweging door een semi-permeabel membraan met behulp van Lugol's oplossing. Laat de leerlingen ten slotte het Celmembraankleurenblad invullen en een celmembraan bouwen om hun begrip van de anatomie en functies van de cel te verstevigen.

Diffusie is een passieve transportmethode voor het verplaatsen van moleculen van een hogere concentratie naar een lagere concentratie. Dit concentratieverschil wordt de concentratiegradiënt.

Wanneer de concentraties binnen en buiten een cel hetzelfde zijn, handhaaft de cel een dynamisch evenwicht.

Celmembranen zijn selectief permeabel, wat betekent dat het afhangt van de grootte en het type molecuul.

Het is belangrijk om te onthouden dat hetzelfde soort oplost. De fosfolipide dubbellaag die celmembranen omvat, is daarom niet-polair, niet-polaire en zeer kleine moleculen zoals koolstofdioxide (CO2) en zuurstofgas (O2) ongeremd door een membraan kunnen gaan.

Osmose verwijst specifiek naar de diffusie van watermoleculen in een oplossing. Water diffundeert door een celmembraan van een gebied met een hogere concentratie naar een gebied met een lagere concentratie.

De bewegingsrichting van het water hangt af van de concentratie van de opgeloste stof aan beide zijden van het membraan.

Hypotone oplossing - treedt op wanneer de concentratie opgeloste stof in een cel hoger is dan de concentratie opgeloste stof buiten een cel. Daarom diffundeert water de cel in.

Hypertonische oplossing - treedt op wanneer de concentratie opgeloste stof buiten een cel hoger is dan de concentratie opgeloste stof in een cel. Water diffundeert uit de cel.

Isotone oplossing - treedt op wanneer de opgeloste stofconcentratie in een cel gelijk is aan de opgeloste stofconcentratie buiten een cel. Water diffundeert met gelijke snelheden in en uit de cel.

Gefaciliteerde diffusie -Dragereiwitten moeten helpen bij de beweging van moleculen die niet oplosbaar zijn in lipiden of te groot zijn. Glucose is een voorbeeld van een groot molecuul dat op deze manier in een cel wordt gebracht.

  • Beweging van stoffen in of uit de cel hangt af van de concentratiegradiënt.
  • Dragereiwitten die helpen bij het verplaatsen van deze stoffen zijn specifiek voor elk type molecuul.

Diffusie door ionenkanalen -Laat beweging van ionen zoals Ca+2, Cl-, door het membraan toe. Omdat ionen geladen en dus polair zijn, kunnen ze niet vrij door het membraan bewegen. Sommige ionenkanalen zijn altijd open, waardoor een vrije stroom van ionen mogelijk is. Anderen hebben specifieke prikkels waardoor ze zich kunnen openen, zoals het uitrekken van het celmembraan, elektrische signalen of chemische signalen.

Celmembraanpompen - Dragereiwitten helpen bij het verplaatsen van stoffen in de concentratiegradiënt. Eiwit verzwelgt en transporteert het molecuul over het membraan naar de andere kant.

Na-K pomp - Om goed te kunnen functioneren, moeten veel soorten cellen een hogere concentratie Na+ buiten en een hogere K+ binnen hebben.

Endocytose en exocytose - Deze verwijzen naar actief transport dat moleculen verplaatst die te groot zijn om door de andere processen te bewegen, zoals macromoleculen en voedseldeeltjes. Beide gebruiken membraangebonden zakjes om stoffen in en uit cellen te vervoeren.

endocytose -Beweging van deeltjes in de cel

pinocytose - Transport van opgeloste stoffen of vloeistoffen

fagocytose - Beweging van grote deeltjes of hele cellen

Exocytose -Movement of particles out of the cell may be used for large particles such as proteins. (Proteins made on ribosomes and packaged into vesicles by the Golgi-vesicles move to cell membrane and move out of the cell.)

Associated Activities

  • Cell Membrane Color Sheet and Build a Cell Membrane - Students color in the outline of structures on a cell membrane sheet. Then they complete the "Build-a-Membrane" activity to reinforce their understanding of the structure and function of animal cells.

Woordenschat/definities

hypertonic: Solute concentration higher on the outside of the cell than on the inside of the cell.

hypotonic: Solute concentration lower on the outside of the cell than on the inside of the cell.

isotonic: Solute concentration equal on the inside and outside of the cell.

semi-permeable: Allows certain substances access to the inner area of the cell.

Beoordeling

Self-Quiz: Administer the Cell Structure and Function Quiz provided at the Biomembranes link at https://www.quia.com/quiz/717688.html.

Lesson Summary Assessment

Modeling: Have students build their sections of the cell membrane and compare to other students' models. Have students put together the different parts of the membrane for a picture of a larger, diverse membrane.


Bekijk de video: 3D Animation: SARS-CoV-2 virus transmission leading to COVID-19 (December 2021).