Informatie

Hoe transporteren ionenkanalen alleen specifieke ionen?


Ionenkanalen, zoals $Na^+$-kanalen en $K^+$-kanalen, zijn zeer specifiek voor ionendoorlaatbaarheid. Maar hoe bereiken en behouden deze kanalen deze specificiteit? Hoe transporteert een $K^+$-kanaal alleen $K^+$-ionen (hetzelfde voor andere kanalen zoals $Na^+$, $Ca^{2+}$, $Cl^-$, enz. kanaal)?


Ik beperk het antwoord tot alleen $Na^+$ en $K^+$ kanalen, uitgaande van een vergelijkbaar mechanisme voor andere kanalen. In deze 2 kanalen wordt zo'n hoge mate van specificiteit bereikt vanwege twee belangrijke verschillen tussen $Na^+$ en $K^+$:

  • verschil in grootte van $Na^+$ en $K^+$ ionen.

  • verschil in chemische eigenschappen van $Na^+$ en $K^+$ ionen.

Laten we deze punten één voor één bespreken:

  1. Verschil in ionische grootte: de ionische grootte van $Na^+$ ion is 0,96$overset{circ}{A}$ terwijl die van $K^+$ ion 1,33$overset{circ}{A}$ is. Hoe dit verschil in grootte van 0,38$overset {circ}{A} $ wordt uitgebuit door kanalen, wordt in een later gedeelte besproken.

bron

  1. Verschil in chemische eigenschappen: de eigenschap waar we ons hier mee bezig houden, is hydratatie-enthalpie. $Na^+$ ion heeft hydratatie-enthalpie dan $K^+$ ion, wat betekent dat $Na^+$ een grotere neiging heeft om door watermoleculen te blijven begrenzen dan $K^+$. Hoe dit enthalpieverschil door kanalen wordt benut, zal in de volgende sectie worden besproken.

    bron

Ik zal de verschillende methoden die door deze kanalen worden gebruikt één voor één bespreken.

  1. $Na^+$ kanalen: $Na^+$ kanalen zijn minder bestudeerd dan $K^+$ kanalen, maar sommige van de gebruikte mechanismen zijn bekend en worden hieronder uitgelegd:

    • $Na^+$ ionen passeren kanalen in gedeeltelijk gehydrateerde vorm1, en deze kanalen hebben 2 ringen met selectiefilters2 bij zoogdieren.

    • De eerste (buitenste) ring bevat aminozuren EEDD (of EEMD)3 terwijl de tweede (binnenste) ring aminozuren DEKA . bevat4. Hoe deze aminozuren aan specifieke $Na^+$-ionen binden, is nog niet helemaal bekend, maar er wordt verondersteld dat de binnenring, die meer geconserveerd is, belangrijker is als filter dan de buitenring. Er is ook aangetoond dat door het veranderen van het aminozuur K in DEKA het kanaal beter doorlaatbaar maakt voor $K^+$ en $Ca^{2+}$ ionen, en door de volgorde van DEKA naar EEEE te veranderen, wordt het kanaal selectiever richting $Ca^{2+}$ ionen5.

    • $K^+$-ion, in gehydrateerde vorm, kan niet door het binnenfilter gaan vanwege de grotere omvang en de aanwezigheid van negatief geladen D en E van DEKA, terwijl $Na^+$ er gemakkelijk doorheen gaat vanwege de kleinere omvang en hogere hydratatie-enthalpie6.

Negatieve lading in het kanaal is zodanig dat het de hydratatieschaal (gewone octaëder) van $Na^+$ vanaf de zijkant nabootst

bron (1) bron (2)

  1. $K^+$ kanalen: $K^+$ kanalen zijn intensiever bestudeerd, dus hun mechanisme is veel beter begrepen. De belangrijkste punten om over na te denken zijn:

    • Het filter van $K^+$ kanaal bevat aminozuren TVGYG 7 en is aanwezig in het smalste gebied van het kanaal.

    • Om dit kanaal te passeren, moet het $K^+$-ion volledig gedehydrateerd zijn, d.w.z. zonder dat er een watermolecuul aan gebonden is. De aminozuren in het filter vervangen watermoleculen door polaire zuurstofatomen. Aan de andere kant kan $Na^+$ watermoleculen niet zo gemakkelijk kwijtraken en daarom is de doorgang door het kanaal thermodynamisch ongunstig8, deels ook omdat gedehydrateerde $Na^+$ zo klein is dat het niet eens kan binden met alle polaire zuurstofatomen van aminozuren.

    • Hier toont de natuur enkele slimme technieken. De aminozuren, TVGYG, met hun elektronegatieve carbonylzuurstofatomen uitgelijnd naar het midden van de filterporie, vormen een vierkant antiprisma dat lijkt op een wateroplossende schil rond elke kaliumbindingsplaats. De afstand tussen de carbonylzuurstofatomen en kaliumionen in de bindingsplaatsen van het selectiviteitsfilter is dezelfde als tussen waterzuurstofatomen in de eerste hydratatieschil en een kaliumion in wateroplossing, wat een energetisch gunstige route biedt voor de-solvatie van de ionen9.

Zo ziet de passage van een $K^+$-ion door het $K^+$-kanaal eruit: bron

De carbonylzuurstofatomen bootsen deze configuratie na, want zo ziet een $K^+$ eruit in gehydrateerde vorm (vierkant antiprisma):bron

PS naarmate er meer diepgaande studies worden gedaan, kunnen meer mechanismen worden onthuld. Bovengenoemde punten zijn ook slechts theorieën en geen afdoende bewijzen.

Referenties:

  1. Hille, B. De permeabiliteit van het natriumkanaal voor organische kationen in gemyeliniseerde zenuw. J. Gen. Physiol. 58, 599-619 (1971).

  2. Guy HR, Seetharamulu P. Moleculair-model van het actie-potentieel natriumkanaal. Proc Natl Acad Sci USA. 1986;83:508-512.

  3. McNulty, M.M., Edgerton, G.B., Shah, R.D., Hanck, D.A., Fozzard, H.A. en Lipkind, G.M. (2007), Lading op de lidocaïnebindingsplaatsresidu Phe-1759 beïnvloedt de permeatie in menselijke hartspanningsafhankelijke natriumkanalen. The Journal of Physiology, 581: 741-755. doi:10.1113/jphysiol.2007.301161

  4. Favre I., Moczydlowski E. & Schild L. Op de structurele basis voor ionische selectiviteit tussen Na +, K + en Ca2 + in het spanningsafhankelijke natriumkanaal. Biophys J 71, 3110-3125 (1996).

  5. Kenmerken van het calciumkanaal die door enkele mutaties aan het natriumkanaal worden verleend. Heinemann SH, Terlau H, Stühmer W, Imoto K, Numa S 1992 april 2;356(6368):441-3.

  6. Mechanisme van ionenpermeatie en selectiviteit in een spanningsgestuurd natriumkanaal. Ben Corry en Michael Thomas

  7. Chemie van ionencoördinatie en hydratatie onthuld door een $K^+$ channel-Fab-complex met een resolutie van 2,0 , Yufeng Zhou, João H. Morais-Cabral, Amelia Kaufman & Roderick MacKinnon

  8. Mechanisme van kaliumkanaalselectiviteit onthuld door $Na^+$ en $Li^+$ bindingsplaatsen in de KcsA-porie. Ameer N. Thompson, Ilsoo Kim, Timothy D. Panosian, Tina M. Iverson, Toby W. Allen en Crina M. Nimigean

  9. Een vergelijking tussen twee prokaryotische kaliumkanalen (KirBac1.1 en KcsA) in een moleculaire dynamica (MD) simulatiestudie; Mikko Hellgrena, Lars Sandberg, Olle Edholm, 1 maart 2006


Hoe transporteren calciumkanalen calciumionen?

Calciumkanaalactiviteit is cruciaal voor veel fundamentele fysiologische processen, variërend van de hartslag tot synaptische transmissie. Het kanaalvormende eiwit, van ongeveer 2000 aminozuren, omvat vier domeinen die intern homoloog zijn aan elkaar. Spanningsafhankelijke Ca2+-kanalen zijn de meest selectieve ionkanalen die bekend zijn. Onder fysiologische omstandigheden geven ze de voorkeur aan Ca2+ boven Na+ in een verhouding van ongeveer 1000:1. Om tegelijkertijd de voortreffelijke ionenselectiviteit en de grote Ca2+-ionomzettingssnelheid van Ca2+-kanalen (ongeveer 3 x 10 (6) ionen/s) te verklaren, zijn twee soorten modellen voorgesteld. In één bezit de geleidingsroute twee bindingsplaatsen met hoge affiniteit. Wanneer twee Ca2+-ionen aan elke plaats zijn gebonden, versnelt de onderlinge afstoting tussen hen de uittreesnelheid van de ionen, waardoor een grotere ionenpermeatie door de porie ontstaat. Het tweede model veronderstelt het bestaan ​​van een enkele site met een geladen structuur die in staat is om meerdere, op elkaar inwerkende ionen tegelijk aan te trekken. Recente studies die mutagenese en elektrofysiologie combineren, tonen aan dat de bindingsplaats met hoge affiniteit wordt gevormd door een ring van glutamaatresiduen die zich in het porievormende gebied van het Ca2+-kanaal bevinden. Zoals voorgesteld in de tweede klasse van modellen, suggereren de resultaten dat vier glutamaatresiduen, één glutamaat gedoneerd door elke herhaling, combineren om een ​​enkele plaats met hoge affiniteit te vormen. In deze review worden de verschillende geleidingsmodellen voor Ca2+ kanalen besproken en geconfronteerd met structurele gegevens.


Gerelateerde termen:

Georgi V. Petkov, in farmacologie, 2009

Spanningspoorten

Zoals de naam al aangeeft, wordt de activiteit van spanningsafhankelijke kanalen gereguleerd door veranderingen in de transmembraanspanning. Spanningsdetectie vereist een gespecialiseerde structuur die in staat is om de overdracht van een elektrische lading door het celmembraan te detecteren als reactie op veranderingen in transmembraanspanning. Op basis van vergelijkbare structurele elementen, de spanningsafhankelijke NaV, CaV, en KV kanalen worden geclassificeerd als de S4-kanaalsuperfamilie. In deze S4-familie bestaat de spanningssensor uit meerdere positief geladen residuen in het vierde TM-segment (S4). Transmembraanspanningsveranderingen produceren conformationele modificaties in het poriegebied door beweging van deze geconserveerde S4-segmentresiduen (Figuur 16.4 en 16.6A). Dit vergroot de open kans van het ionkanaal. In het geval van CLC wordt het spanningsafhankelijke mechanisme aangedreven door geladen ligandactivators die zijn gebonden aan plaatsen diep in het eiwit.

Na activering en opening, sommige spanningsafhankelijke kanalen, voornamelijk KV, NeeV, en CaV, zijn onderhevig aan inactivatie en kunnen een afzonderlijke geïnactiveerde toestand aannemen. Deze toestand van het ionkanaal verschilt van de gesloten toestand van het kanaal en wordt gekenmerkt als een niet-geleidende toestand die ongevoelig is voor daaropvolgende depolarisatie van het celmembraan. Inactivering van sommige KV kanalen wordt geproduceerd door een N-terminus intracellulair gebied van het kanaal en wordt daarom N-type inactivatie (ook bekend als snelle inactivatie). Deze vastgebonden eiwitstructuur, die zich ongeveer als een bal-en-ketting gedraagt, zwaait in de porie en sluit deze fysiek af (Figuur 16.6A). sommige KV kanalen hebben een extra mechanisme voor inactivatie, gelegen aan de C-terminus, genaamd C-type inactivatie (ook bekend als langzame inactivatie). Inactivering van spanningsafhankelijke CLC is gebaseerd op zeer subtiele conformatieveranderingen waarbij zelfs de rotatie van een enkel aminozuur verantwoordelijk kan zijn voor het inactivatieproces dat leidt tot remming van ionenpermeatie.


Populaire Ionofoor-producten

Valinomycine (V-1013)

Valinomycine is een ionofoor die K+-geleiding in celmembranen induceert.

Calciumionofoor CA 1001 (E-2026)

CA 1001 (Calcium Ionophore I) heeft een zeer hoge selectiviteit voor Ca2+-ionen. Calciumionofoor bepaalt de Ca2+-activiteit in membraanelektroden en wordt gebruikt voor transportstudies in biologische membranen.

Carbonaat Ionofoor VII (C-8991)

Carbonaationofoor VII wordt gebruikt in chromatografie. Het is een ionensensorverbinding die wordt gebruikt in ionofoorpotentiometrische voor ISE (ion-selectieve elektroden).

Lithiumionofoor VIII (L-1185)

Lithium Ionofoor VIII is een drager voor lithium-ion-selectieve solvent polymere membraanelektroden. Gebruikt tegen Na+ en K+ kationen.

Nonactine (N-1155)

Nonactin wordt gebruikt voor de bepaling van ammoniumionen in potentiometrische elektroden voor de constructie van biosensoren.


Hormoonsignalering via G-eiwitgekoppelde receptoren

Javier González-Maeso, Stuart C. Sealfon, in endocrinologie (zesde editie), 2010

ION-CHANNEL SIGNALERING

Ionenkanalen, gecodeerd door enkele honderden genen bij mensen, verschillen sterk in moleculaire structuur, selectiviteit voor ionen en werkingsmechanismen. 81 Ondanks hun diversiteit delen deze eiwitten een algemeen structureel motief: een porie gevormd door en omsloten door de transmembraansegmenten van het kanaaleiwit, waardoor ionen het plasmamembraan doorkruisen. De meeste ionkanalen van zoogdieren worden gereguleerd door neurotransmitters en hormonen via GPCR's. Beide Gα en Gβγ subeenheden kunnen ionkanalen indirect reguleren (via second messengers en eiwitkinasen) of direct, via fysieke interactie tussen G-eiwitsubeenheden en het kanaaleiwit. Hoewel directe modulatie door G-eiwitten is voorgesteld voor veel ionkanalen, is het voor slechts twee families stevig verankerd: (i) sommige spanningsgeactiveerde Ca2+-kanalen, die worden geremd door Gβγ, en (ii) door G-eiwit geactiveerde innerlijk rectificerende K+-kanalen, die worden geactiveerd door Gβγ. Extra eiwitten spelen verschillende rollen bij het positioneren van Gβγ of het reguleren van het effect of gating. De hoofdrol van Gα is om de specificiteit van signalering te bieden en om te dienen als Gβγ donoren, maar haar rol zou verder kunnen gaan dan deze functies. Verschillende andere ionkanalen lijken te worden gemoduleerd door directe interacties met G-eiwitten, maar er zijn aanvullende studies nodig voordat dit stevig is vastgesteld.


Ionentransport

de overdracht van ionen over biologische membranen in de cellen en weefsels van organismen. Het transport kan passief zijn, dat wil zeggen, een resultaat van de permeabiliteit van het membraan, of actief, een resultaat van het werk van moleculaire pompen in de membranen van cellen en subcellulaire deeltjes. Ionentransport is uiterst belangrijk in de vitale activiteit van alle organismen. Het maakt het handhaven van optimale concentraties van K + , Na + , H + , Ca 2+ en andere ionen mogelijk, concentraties die gewoonlijk sterk verschillen van die in de omringende media. Het verschil (gradiënt) in de concentraties van K + , Na + en Ca 2+ ionen binnen en buiten de cel is de basis voor de transmissie van excitatie in organismen gradiënten van H + ionen op de membranen van mitochondrion en chloroplast organellen zorgen voor een toevoer van energie in de cel tijdens biologische oxidatie en fotosynthese. Transport van Ca2+-ionen uit spiercellen leidt tot ontspanning van de spieren. Het binnendringen van deze ionen in het cytoplasma bij excitatie veroorzaakt spiercontractie.

De gradiënten van ionen op biologische membranen worden in stand gehouden door moleculaire pompen, die normaal gesproken werken op de energie die vrijkomt tijdens de splitsing van adenosinetrifosfaat (ATP), dus vervullen ionenpompen tegelijkertijd de functie van enzymen, bekend als ATPasen, die ATP splitsen. De drie belangrijkste van dergelijke enzymen zijn H+-ATPase, in de mitochondriën en chloroplasten Ca 2+-ATPase, in de membranen van spiercellen en bepaalde andere cellen en K+, Na+-ATPase, in de protoplasmatische membranen van vrijwel alle cellen . De splitsing van ATP door deze enzymen gaat gepaard met het transport van H+, K+, Na+ en Ca2+ ionen.

Het transport van Ca 2+, Na+ en andere ionen in de cel en van K+-ionen uit de cel is uiterst belangrijk bij het reguleren van intracellulaire processen zoals de activering van eiwitsynthese en het in gang zetten van het mechanisme van celdeling. Dit transport wordt bewerkstelligd door de toename van de permeabiliteit van de membranen voor deze ionen als gevolg van het openen van poriën of het activeren van de dragers van de gegeven ionen in de membranen. Deze toename in permeabiliteit kan worden geïnitieerd door zenuwimpulsen, zoals mediatoren zoals acetylcholine, of hormonen. Het effect van hormonen op het ionentransport is vaak indirect en wordt gemedieerd door de activering van enzymen in het membraan of van eiwitbiosynthese in de kern en het cytoplasma met met behulp van het systeem van cyclische nucleotiden.

De verstoring van het ionentransport is de onderliggende oorzaak van veel aandoeningen, waaronder bepaalde soorten vergiftiging, verstoringen van de water-zoutuitwisseling, verstoringen in het functioneren van organen door ofwel zuurstoftekort of een verstoring van de bloedcirculatie, verstoringen van de afscheiding van mediatoren en hormonen, en aandoeningen veroorzaakt door straling. Om deze reden is de studie van de invloed van verschillende stoffen op het ionentransport noodzakelijk voor de ontwikkeling van nieuwe methoden voor diagnose en behandeling en voor het creëren van nieuwe medicinale preparaten.


Structurele en dynamische verschillen tussen selectieve en niet-selectieve ionkanalen

Momentopname gemaakt tijdens de computersimulatie van het NaK-kanaal - Dit kanaal (getoond in geel en oranje) maakt de stroom van ionen (bijvoorbeeld kaliumionen [rode bollen]) door het celmembraan mogelijk. (De membraanlipiden zijn grijs weergegeven.) Credit: Barth van Rossum / FMP

De meeste ionkanalen zijn erg selectief over de ionen die er wel of niet doorheen gaan. Ze kunnen geleidend zijn voor kaliumionen en niet-geleidend voor natriumionen, of omgekeerd. Een aantal ionenkanalen zorgen echter voor een efficiënte doorgang van beide soorten ionen. Hoe bereiken deze kanaaleiwitten dit? Een team van wetenschappers rond Dr. Han Sun en de onderzoeksgroep van professor Adam Lange van het Leibniz-Forschungsinstitut für Molekulare Pharmakologie (FMP) vond het antwoord op deze vraag.

Hun studie onthulde structurele en dynamische verschillen tussen selectieve en niet-selectieve ionkanalen. De wetenschappers beschreven hun bevindingen en conclusies in het tijdschrift Natuurcommunicatie. In niet-selectieve kanalen vertoont het selectiviteitsfilter een aanzienlijke dynamiek die niet aanwezig is in selectieve kanalen. Het selectiviteitsfilter van niet-selectieve ionenkanalen kan in twee verschillende vormen voorkomen. Afhankelijk van de toestand van het selectiviteitsfilter kan het ene of het andere iontype passeren.

Ionenkanalen spelen een prominente rol in organismen. Ionenkanalen zijn bijvoorbeeld in actie wanneer het organisme prikkels registreert en de informatie in de vorm van elektrische signalen doorgeeft aan de hersenen. Tijdens deze signaaloverdracht moeten geladen atomen (ionen) de betrokken cellen binnenkomen en verlaten. Ionen kunnen lipofiele celmembranen niet doordringen. In plaats daarvan passeren ze eiwitkanalen in de celmembranen.

In veel gevallen laten de ionenkanalen slechts één specifiek iontype door, d.w.z. ze kunnen geleidend zijn voor kalium maar niet voor natriumionen of omgekeerd. Het selectiviteitsfilter dat het smalste deel van het kanaal is, is verantwoordelijk voor deze ionendiscriminatie. Het NaK-kanaal zorgt echter voor de doorgang van zowel natrium- als kaliumionen. Het stond centraal in de huidige studie door FMP-wetenschappers rond Dr. Han Sun en Professor Adam Lange samen met collega's in Göttingen (Duitsland) en Hefei (China).

Niet-selectieve ionenkanalen zijn erg belangrijk in de geneeskunde.

Tot nu toe is het controversieel gebleven waarom NaK-kanalen de doorgang van zowel natrium- als kaliumionen mogelijk maken. Professor Adam Lange legt uit: "Terwijl röntgenkristallografische beelden ons de driedimensionale structuur van het kanaal lieten zien, was het moeilijk uit te leggen waarom dit kanaal geleidend is voor twee verschillende ionentypes met een vergelijkbare hoge efficiëntie. Dit was bijzonder moeilijk te begrijpen omdat de volgorde en de 3D-structuur van het selectiviteitsfilter zijn vergelijkbaar met die in kaliumselectieve kanalen."

Wetenschapper Dr. Han Sun voegde eraan toe dat dit een modelsysteem is voor verschillende andere niet-selectieve ionenkanalen in het menselijk lichaam. In deze context zijn de cyclische nucleotide-gated en hyperpolarisatie-geactiveerde cyclische nucleotide-gated kanalen (CNG- en HCN-kanalen) medisch en fysiologisch relevant. "We weten dat CNG-kanalen belangrijk zijn voor zicht en geur. Disfunctionele HCN-kanalen zijn betrokken bij verschillende neurologische aandoeningen zoals epilepsie of autisme."

Specifieke ionen geven de voorkeur aan specifieke kanaalstructuren

De wetenschappers gebruikten een combinatie van nucleaire magnetische resonantie (NMR) spectroscopie en computerondersteunde moleculaire dynamica-simulaties. De resultaten lieten zien dat het selectiviteitsfilter van het NaK-kanaal dynamisch verandert tussen twee structuren. Elke structuur is geleidend voor een van de twee ionentypes. Dr. Han Sun zegt: "Verrassend genoeg toonden de computersimulaties aan dat kaliumionen die door het NaK-kanaal gaan de voorkeur geven aan de structuur van een kaliumselectief kanaal, terwijl het mechanisme van de natriumionenpassage vergelijkbaar is met de passage van natriumionen door een natriumselectief kanaal. ionenkanaal." Tot nu toe dachten onderzoekers dat de structuur van het selectiviteitsfilter hetzelfde is voor het transport van natrium- en kaliumionen door het NaK-kanaal.

Om verder bewijs te verzamelen voor de cruciale rol van de dynamische structuur van het NaK-selectiviteitsfilter, experimenteerden de wetenschappers met een gemuteerd NaK-kanaal (NaK2K dubbele puntmutatie). Dit gemuteerde NaK-kanaal is alleen geleidend voor kaliumionen. Professor Adam Lange doet verslag van de resultaten: "Ons NMR-onderzoek heeft duidelijk gemaakt dat het selectiviteitsfilter van dit kanaal slechts één enkele structuur vormt."


Gefaciliteerde diffusie (Uniporter)

De gemakkelijkste manier om een ​​molecuul te transporteren is via de concentratiegradiënt. Deze uniporters transporteren moleculen die thermodynamisch de voorkeur hebben om de cel binnen te gaan, maar dat niet kunnen omdat ze niet door de lipidedubbellaag kunnen diffunderen. Deze moleculen omvatten aminozuren, nucleosiden, suikers enz.
Voor deze cursus bespreken we één uniporter, de glucose uniporter.

GLUT1 (zoogdier glucose transporter)

Gebruikt door de meeste zoogdiercellen om glucose door het membraan te krijgen.
Weet veel over de functie en kinetiek ervan door studies die het eiwit in liposomen plaatsen (zie figuur hierboven).
Deze transporter (en alle uniporters) gebruiken de concentratiegradiënt van de glucose om het transport aan te drijven.


De transporter kan omgekeerd werken, dus als de glucoseconcentratie aan de binnenkant hoger is, kan glucose de cel uit transporteren.
In figuur 15.5 kun je zien dat de kinetiek van transport kan worden gezien in termen van de Michaelis-Menten-vergelijking waarbij v = Vmax ([glucose]/[glucose] + Km).

In figuur 15.5 kun je ook zien dat zonder de transporter om diffusie te vergemakkelijken de snelheid waarmee glucose de cel binnenkomt bijna nul is.
Er is een maximale transportsnelheid en de transportsnelheid is afhankelijk van de glucoseconcentratie. Zo kan de Km worden berekend uit de halve maximale snelheid. De Km voor glucose is 1,5 mM. Dit weerspiegelt de affiniteit die de transporter heeft voor glucose. Hoe lager de Km, hoe groter de affiniteit. Zoals we zullen zien bij de Ca+2 ATPase hebben zijn interne Ca+2 bindingsplaatsen een Km = 0,0001 mM.


Ook is duidelijk dat er een gunstige vrije energie is voor het transport van glucose.
De concentratie glucose in het bloed rond 3,6 mM - 5,0 mM Nadat glucose de cel in is getransporteerd, wordt het gefosforyleerd om glucose-6-fosfaat te vormen, dat de cel niet kan verlaten. Omdat deze reactie de eerste stap is in het metabolisme van glucose dat snel wordt benut, blijft de gunstige vrije energie van glucosetransport behouden.

Nernst potentieel

Alle cellen hebben een membraanpotentiaal (een elektrisch potentieel) dat over het celmembraan bestaat. Onderzoekers gebruiken micro-elektroden om het spanningsverschil tussen de buitenkant en de binnenkant van de cel te meten. Je kunt de membraanpotentiaal van een cel meten = het spanningsverschil tussen de binnenkant en de buitenkant van de cel.

Nernst-vergelijking:

Gebruikt om de exacte elektrische potentiaal bij evenwicht te berekenen die wordt gegenereerd voor een bekend concentratieverschil in een specifiek ion, gescheiden door een membraan dat doorlaatbaar is voor dat ion.
Walther Nernst (1888) leidde deze vergelijking af, puur gebaseerd op theoretische overwegingen.

De vrije energie die gepaard gaat met het transport van een ion (X) over het membraan van buiten naar binnen kan worden geschreven als:
D G = RTln([Xi]/[Xo]) + zFEm

Dit komt omdat er geen bindingen worden verbroken of gegenereerd en er geen warmte wordt gegenereerd, dus D G 01 is nul.
Omdat het ion geladen is, is er zowel een chemische component RTln([Xi]/[Xo]) als een elektrische zFEm-component.
Bij evenwicht is D G nul en dus:
zFE = - RTln([Xi]/[Xo])

Dus de evenwichtspotentiaal voor ion X is:
Voorbeeld = - RT ln [X]i
. zF . [X]o
OF
Vb = RT ln [X]o
. zF . [X]i
R = universele gasconstante, T = absolute temperatuur, z = valentie van ionen (d.w.z. Cl- = -1), F = constante van Faraday
Let op: de valentie van het ion is erg belangrijk om te onthouden!!

Wat betekent de vergelijking in termen van twee verschillende ionenconcentraties gescheiden door een membraan?
Stel je twee kamers voor, gescheiden door een membraan dat alleen permeabel voor K+ en niet naar Cl-. De oplossingen aan weerszijden van het membraan bevatten KCl.

Meet met behulp van elektroden het spannings- (potentiaal)verschil over het membraan wanneer:

De concentratie KCl is aan beide kanten gelijk (0,01M) en dus nee er is geen potentiaalverschil.

De membraanpotentiaal is: 0 mV


Verhoog nu de KCl-concentratie met een factor 10 in kamer I

K+ stroomt langs zijn concentratiegradiënt naar beneden, kamer II wordt positiever geladen dan I. Het proces bereikt een punt waar geen K+-ionen meer naar II stromen omdat het evenwicht wordt gecompenseerd door een gelijke stroom van K+-ionen naar buiten als gevolg van elektrische afstoting - het systeem heeft een evenwicht bereikt.

i) de chemische gradiënt die K+ in kamer II . drijft
ii) de elektrische gradiënt die K+ uit kamer II . verdrijft
Daarom zal bij evenwicht, als een K+ II binnengaat, een ander K+-ion worden afgestoten - er treedt geen netto flux op.

We kunnen de Nernst-vergelijking gebruiken om te berekenen wat de membraanpotentiaal zal zijn bij evenwicht.

Elk ion heeft een ander potentieel gezien het verschil in concentratiegradiënten.


Onthoud dat het membraan permeabel moet zijn voor het ion. Ionen kunnen het membraan alleen passeren via poriën of kanalen. Als het membraan niet het juiste ionkanaal bevat, wordt er geen ionenstroom en geen potentiaal gecreëerd.

Chemische gradiënten in dierlijke cellen

Deze verschillen in Nernst-potentiaal weerspiegelen de verschillen in de chemische gradiënten voor elk ion.
Alle dierlijke cellen behouden chemische gradiënten over hun plasmamembraan en organelmembranen. Zoals we zullen bespreken, is er een grote concentratiegradiënt van Ca+2 in alle cellen, zodat het cytosol een zeer lage Ca+2-concentratie heeft, terwijl de buitenkant van de cel en in de organellen zoals het ER, de mitochondriën Ca+2 sterk geconcentreerd zijn. .
Alle dierlijke cellen worden ook gekenmerkt door een grote K+-gradiënt zodat de binnenkant van de cel een hogere K+-concentratie heeft dan de buitenkant. Er zit meer Na+ aan de buitenkant dan aan de binnenkant.


Van Lodish, Molecular Cell Biology, 4e editie

We zullen ons concentreren op de eiwitpompen die nodig zijn om deze gradiënten in stand te houden en, belangrijker nog, waarom de cel zoveel moeite zou doen om veel energie te gebruiken om dit te doen.

Vrije energie geassocieerd met de Na+ elektrochemische gradiënt.

Een voorbeeld van de voordelen van het creëren van een elektrisch/chemische gradiënt worden geschetst voor Na+:


Van Lodish, Molecular Cell Biology, 4e editie
De krachten van het ion en de spanningsgradiënten bepalen de beweging van de ionen over het membraan. We kunnen de vrije-energieverandering (D G) berekenen die overeenkomt met het transport van een ion door het membraan.
Omdat er ook ionen worden geladen, omvatte de berekening zowel een chemische als een elektrische component.

De verandering in vrije energie die wordt gegenereerd door de Na+-ionconcentratiegradiënt is bijvoorbeeld:
D Gc = RTln([Na+in]/[Na+uit])

In onze monstercel komt dit overeen met -1,45 kCal/mol (de verandering die gepaard gaat met het transport van 1 mol Na+ van buiten naar binnen in de cel).

De verandering in vrije energie die wordt gegenereerd door de elektrische potentiaal van het membraan is:
DGm = zFEm

waarbij F = constante van Faraday, Em de membraanpotentiaal is (-70 mV in de meeste dierlijke cellen) en z de valentie van het ion (+1 in dit geval). Dit zou overeenkomen met -1,6 kCal/mol.

Omdat Na+ wordt beïnvloed door zowel de Na+-concentratiegradiënt als de membraanpotentiaal, worden beide bij elkaar opgeteld om een ​​totaal van -3,06 kCal/mol te geven.
Omdat dit kleiner is dan 0, bevordert dit thermodynamisch de beweging van Na+ in de cel. Deze eigenschap van Na+ die we in verschillende voorbeelden in de klas zullen zien, kan een aantal cellulaire processen aansturen.


Celtransport en homeostase

Waarschijnlijk het belangrijkste kenmerk van de fosfolipidemembranen van een cel is dat ze selectief permeabel zijn. Een membraan dat gedeeltelijk doorlatend heeft controle over welke moleculen of ionen de cel kunnen binnenkomen of verlaten, zoals weergegeven in figuur 1. De permeabiliteit van een membraan is afhankelijk van de organisatie en kenmerken van de membraanlipiden en -eiwitten. Op deze manier helpen celmembranen om een ​​staat van homeostase in cellen (en weefsels, organen en orgaansystemen) te behouden, zodat een organisme in leven en gezond kan blijven.

Figuur 1: Een selectief permeabel membraan laat bepaalde moleculen door, maar andere niet.

Transport over membranen

De moleculaire samenstelling van de fosfolipide dubbellaag beperkt de soorten moleculen die er doorheen kunnen gaan. Hydrofobe (waterhatende) moleculen, zoals koolstofdioxide ((CO_2)) en zuurstof ((O_2)), kunnen bijvoorbeeld gemakkelijk door de lipidedubbellaag, maar ionen zoals calcium ((Ca^) <2+>)) en polaire moleculen zoals water ((H_2 O)) niet. Het hydrofobe binnenste van het fosfolipide laat geen ionen of polaire moleculen door omdat ze hydrofiel of waterminnend zijn. Bovendien zijn grote moleculen zoals suikers en eiwitten te groot om door de dubbellaag te gaan. Transporteiwitten binnen het membraan zorgen ervoor dat deze moleculen het membraan in of uit de cel kunnen passeren. Op deze manier vermijden polaire moleculen contact met de niet-polaire binnenkant van het membraan en worden grote moleculen door grote poriën verplaatst.

Elke cel bevindt zich in een membraan dat doorspekt is met transporteiwitten die fungeren als kanalen of pompen om bepaalde moleculen binnen te laten of eruit te duwen. Het doel van de transporteiwitten is om de interne omgeving van de cel te beschermen en de balans van zouten, voedingsstoffen en eiwitten binnen een bereik te houden dat de cel en het organisme in leven houdt.

Er zijn drie belangrijke manieren waarop moleculen door een fosfolipidemembraan kunnen gaan. De eerste manier vereist geen energietoevoer door de cel en wordt passief transport genoemd. De tweede manier vereist dat de cel energie gebruikt om bepaalde moleculen en ionen naar binnen te trekken of eruit te pompen en wordt actief transport genoemd. De derde manier is door middel van vesikeltransport, waarbij grote moleculen over het membraan worden verplaatst in bubbelachtige zakken die zijn gemaakt van stukjes van het membraan.

Passief transport

Passief transport is een manier waarop kleine moleculen of ionen over het celmembraan bewegen zonder energietoevoer door de cel. De drie belangrijkste vormen van passief transport zijn diffusie, osmose en gefaciliteerde diffusie.

Diffusie is de beweging van moleculen van een gebied met een hoge concentratie van de moleculen naar een gebied met een lagere concentratie. Het verschil in de concentraties van de moleculen in de twee gebieden wordt de genoemd concentratiegradiënt. Diffusie zal doorgaan totdat deze gradiënt is geëlimineerd. Aangezien diffusie materialen van een gebied met een hogere concentratie naar een lager gebied verplaatst, wordt het beschreven als het verplaatsen van opgeloste stoffen "naar beneden in de concentratiegradiënt". Het eindresultaat van diffusie is een gelijke concentratie, of evenwicht, van moleculen aan beide zijden van het membraan.

Als een molecuul vrij door een celmembraan kan gaan, zal het het membraan door diffusie passeren (Figuur 2).

Figuur 2: Moleculen verplaatsen zich van een gebied met een hoge concentratie naar een gebied met een lagere concentratie totdat een evenwicht is bereikt. De moleculen blijven het membraan passeren in evenwicht, maar met gelijke snelheden in beide richtingen.

Stel je voor dat je een kopje hebt met 100 ml water en je voegt 15 g tafelsuiker toe aan het water. De suiker lost op en het mengsel dat nu in de beker zit, bestaat uit een opgeloste stof (de suiker), die is opgelost in het oplosmiddel (het water). Het mengsel van een opgeloste stof in een oplosmiddel wordt een oplossing genoemd.

Stel je nu voor dat je een tweede kopje met 100 ml water hebt, en je voegt 45 gram tafelsuiker toe aan het water. Net als het eerste kopje is de suiker de opgeloste stof en het water het oplosmiddel. Maar nu heb je twee mengsels van verschillende concentraties opgeloste stoffen. Bij het vergelijken van twee oplossingen met een ongelijke opgeloste concentratie, is de oplossing met de hoogste opgeloste concentratie: hypertoon, en de oplossing met de lagere concentratie is hypotoon. Oplossingen van gelijke concentratie opgeloste stoffen zijn: isotoon. De eerste suikeroplossing is hypotoon ten opzichte van de tweede oplossing. De tweede suikeroplossing is hypertoon op de eerste.

Je voegt de twee oplossingen nu toe aan een beker die is gescheiden door een selectief permeabel membraan. De poriën in het membraan zijn te klein om de suikermoleculen door te laten, maar groot genoeg voor de watermoleculen. De hypertone oplossing bevindt zich aan de ene kant van het membraan en de hypotone oplossing aan de andere. The hypertonic solution has a lower water concentration than the hypotonic solution, so a concentration gradient of water now exists across the membrane. Water molecules will move from the side of higher water concentration to the side of lower concentration until both solutions are isotonic.

Osmose is the diffusion of water molecules across a selectively permeable membrane from an area of higher concentration to an area of lower concentration. Water moves into and out of cells by osmosis. If a cell is in a hypertonic solution, the solution has a lower water concentration than the cell cytosol does, and water moves out of the cell until both solutions are isotonic. Cells placed in a hypotonic solution will take in water across their membrane until both the external solution and the cytosol are isotonic.

A cell that does not have a rigid cell wall (such as a red blood cell), will swell and lyse (burst) when placed in a hypotonic solution. Cells with a cell wall will swell when placed in a hypotonic solution, but once the cell is turgid (firm), the tough cell wall prevents any more water from entering the cell. When placed in a hypertonic solution, a cell without a cell wall will lose water to the environment, shrivel, and probably die. In a hypertonic solution, a cell with a cell wall will lose water too. The plasma membrane pulls away from the cell wall as it shrivels. The cell becomes plasmolyzed. Animal cells tend to do best in an isotonic environment, plant cells tend to do best in a hypotonic environment. This is demonstrated in Figure 3.

When water moves into a cell by osmosis, osmotic pressure may build up inside the cell. If a cell has a cell wall, the wall helps maintain the cell’s water balance. Osmotic pressure is the main cause of support in many plants. When a plant cell is in a hypotonic environment, the osmotic entry of water raises the turgor pressure exerted against the cell wall until the pressure prevents more water from coming into the cell. At this point the plant cell is turgid.

Figure 3: Unless an animal cell (such as the red blood cell in the top panel) has an adaptation that allows it to alter the osmotic uptake of water, it will lose too much water and shrivel up in a hypertonic environment. If placed in a hypotonic solution, water molecules will enter the cell causing it to swell and burst. Plant cells (bottom panel) become plasmolyzed in a hypertonic solution, but tend to do best in a hypotonic environment. Water is stored in the central vacuole of the plant cell.

The effects of osmotic pressures on plant cells are shown in Figure 4.

Figure 4: The central vacuoles of the plant cells in the left image are full of water, so the cells are turgid. The plant cells in the right image have been exposed to a hypertonic solution water has left the central vacuole and the cells have become plasmolysed.

Osmosis can be seen very effectively when potato slices are added to a high concentration of salt solution (hypertonic). The water from inside the potato moves out of the potato cells to the salt solution, which causes the potato cells to lose turgor pressure. The more concentrated the salt solution, the greater the difference in the size and weight of the potato slice after plasmolysis.

The action of osmosis can be very harmful to organisms, especially ones without cell walls. For example, if a saltwater fish (whose cells are isotonic with seawater), is placed in fresh water, its cells will take on excess water, lyse, and the fish will die. Another example of a harmful osmotic effect is the use of table salt to kill slugs and snails.

Controlling Osmosis

Organisms that live in a hypotonic environment such as freshwater, need a way to prevent their cells from taking in too much water by osmosis. EEN contractile vacuole is a type of vacuole that removes excess water from a cell. Freshwater protists, such as the paramecia shown in Figure 5, have a contractile vacuole. The vacuole is surrounded by several canals, which absorb water by osmosis from the cytoplasm. After the canals fill with water, the water is pumped into the vacuole. When the vacuole is full, it pushes the water out of the cell through a pore. Other protists, such as members of the genus Amoeba, have contractile vacuoles that move to the surface of the cell when full and release the water into the environment.

Figure 5: The contractile vacuole is the star-like structure within the paramecia (at center-right)

Facilitated Diffusion

Gefaciliteerde diffusie is the diffusion of solutes through transport proteins in the plasma membrane. Facilitated diffusion is a type of passive transport. Even though facilitated diffusion involves transport proteins, it is still passive transport because the solute is moving down the concentration gradient.

As was mentioned earlier, small nonpolar molecules can easily diffuse across the cell membrane. However, due to the hydrophobic nature of the lipids that make up cell membranes, polar molecules (such as water) and ions cannot do so. Instead, they diffuse across the membrane through transport proteins. EEN transport protein completely spans the membrane, and allows certain molecules or ions to diffuse across the membrane. Channel proteins, gated channel proteins, and carrier proteins are three types of transport proteins that are involved in facilitated diffusion.

EEN channel protein, a type of transport protein, acts like a pore in the membrane that lets water molecules or small ions through quickly. Water channel proteins allow water to diffuse across the membrane at a very fast rate. Ion channel proteins allow ions to diffuse across the membrane.

EEN gated channel protein is a transport protein that opens a ”gate,” allowing a molecule to pass through the membrane. Gated channels have a binding site that is specific for a given molecule or ion. A stimulus causes the ”gate” to open or shut. The stimulus may be chemical or electrical signals, temperature, or mechanical force, depending on the type of gated channel. For example, the sodium gated channels of a nerve cell are stimulated by a chemical signal which causes them to open and allow sodium ions into the cell. Glucose molecules are too big to diffuse through the plasma membrane easily, so they are moved across the membrane through gated channels. In this way glucose diffuses very quickly across a cell membrane, which is important because many cells depend on glucose for energy.

EEN drager eiwit is a transport protein that is specific for an ion, molecule, or group of substances. Carrier proteins ”carry” the ion or molecule across the membrane by changing shape after the binding of the ion or molecule. Carrier proteins are involved in passive and active transport. A model of a channel protein and carrier proteins is shown in Figure 6.

Figure 6: Facilitated diffusion in cell membrane. Channel proteins and carrier proteins are shown (but not a gated-channel protein). Water molecules and ions move through channel proteins. Other ions or molecules are also carried across the cell membrane by carrier proteins. The ion or molecule binds to the active site of a carrier protein. The carrier protein changes shape, and releases the ion or molecule on the other side of the membrane. The carrier protein then returns to its original shape.

Ion Channels

Ions such as sodium ((Na^+)), potassium ((K^-)), calcium ((Ca^<2+>)), and chloride ((Cl^-)), are important for many cell functions. Because they are polar, these ions do not diffuse through the membrane. Instead they move through ion channel proteins where they are protected from the hydrophobic interior of the membrane. Ion channels allow the formation of a concentration gradient between the extracellular fluid and the cytosol. Ion channels are very specific as they allow only certain ions through the cell membrane. Some ion channels are always open, others are ”gated” and can be opened or closed. Gated ion channels can open or close in response to different types of stimuli such as electrical or chemical signals.

Actief transport

In contrast to facilitated diffusion which does not require energy and carries molecules or ions down a concentration gradient, active transport pumps molecules and ions against a concentration gradient. Sometimes an organism needs to transport something against a concentration gradient. The only way this can be done is through active transport which uses energy that is produced by respiration (ATP). In active transport, the particles move across a cell membrane from a lower concentration to a higher concentration. Active transport is the energy-requiring process of pumping molecules and ions across membranes ”uphill” against a gradient.

• The active transport of small molecules or ions across a cell membrane is generally carried out by transport proteins that are found in the membrane.

• Larger molecules such as starch can also be actively transported across the cell membrane by processes called endocytosis and exocytosis.

Natrium-kaliumpomp

Carrier proteins can work with a concentration gradient (passive transport), but some carrier proteins can move solutes against the concentration gradient (from high concentration to low), with energy input from ATP. Net als bij andere soorten cellulaire activiteiten levert ATP de energie voor het meeste actieve transport. Een manier waarop ATP actief transport mogelijk maakt, is door een fosfaatgroep rechtstreeks over te brengen naar een dragereiwit. Hierdoor kan het dragereiwit van vorm veranderen, waardoor het molecuul of ion naar de andere kant van het membraan wordt verplaatst. An example of this type of active transport system, as shown in Figure 7, is the natrium-kalium pomp, which exchanges sodium ions for potassium ions across the plasma membrane of animal cells.

Figure 7: The sodium-potassium pump system moves sodium and potassium ions against large concentration gradients. Het verplaatst twee kaliumionen naar de cel waar de kaliumspiegels hoog zijn, en pompt drie natriumionen uit de cel en in de extracellulaire vloeistof.

As is shown in Figure 7, three sodium ions bind with the protein pump inside the cell. Het dragereiwit haalt dan energie uit ATP en verandert van vorm. Daarbij pompt het de drie natriumionen de cel uit. At that point, two potassium ions move in from outside the cell and bind to the protein pump. De natrium-kaliumpomp bevindt zich in het plasmamembraan van bijna elke menselijke cel en is gemeenschappelijk voor al het cellulaire leven. Het helpt het celpotentieel te behouden en reguleert het celvolume. Cystic fibrosis is a genetic disorder that results in a misshapen chloride ion pump. Chloride levels within the cells are not controlled properly, and the cells produce thick mucus. The chloride ion pump is important for creating sweat, digestive juices, and mucus.

De elektrochemische gradiënt

Het actieve transport van ionen door het membraan veroorzaakt een elektrische gradiënt over het plasmamembraan. Het aantal positief geladen ionen buiten de cel is groter dan het aantal positief geladen ionen in het cytosol. Dit resulteert in een relatief negatieve lading aan de binnenkant van het membraan en een positieve lading aan de buitenkant. Dit verschil in lading veroorzaakt een spanning over het membraan. Spanning is elektrische potentiële energie die wordt veroorzaakt door een scheiding van tegengestelde ladingen, in dit geval over het membraan. The voltage across a membrane is called membrane potential. Membraanpotentiaal is erg belangrijk voor de geleiding van elektrische impulsen langs zenuwcellen.

Omdat de binnenkant van de cel negatief is in vergelijking met de buitenkant van de cel, bevordert de membraanpotentiaal de beweging van positief geladen ionen (kationen) de cel in en de beweging van negatieve ionen (anionen) de cel uit. So, there are two forces that drive the diffusion of ions across the plasma membrane—a chemical force (the ions’ concentration gradient), and an electrical force (the effect of the membrane potential on the ions’ movement). These two forces working together are called an electrochemical gradient.

Vesicles and Active Transport

Some molecules or particles are just too large to pass through the plasma membrane or to move through a transport protein. So cells use two other methods to move these macromolecules (large molecules) into or out of the cell. Vesicles or other bodies in the cytoplasm move macromolecules or large particles across the plasma membrane. There are two types of vesicle transport, endocytosis and exocytosis.

Endocytose en exocytose

endocytose is the process of capturing a substance or particle from outside the cell by engulfing it with the cell membrane. The membrane folds over the substance and it becomes completely enclosed by the membrane. At this point a membrane-bound sac, or vesicle pinches off and moves the substance into the cytosol. There are two main kinds of endocytosis:

fagocytose or ”cellular eating,” occurs when the dissolved materials enter the cell. The plasma membrane engulfs the solid material, forming a phagocytic vesicle.

pinocytose or ”cellular drinking,” occurs when the plasma membrane folds inward to form a channel allowing dissolved substances to enter the cell, as shown in Figure 8. When the channel is closed, the liquid is encircled within a pinocytic vesicle.

Figure 8: Transmission electron microscope image of brain tissue that shows pinocytotic vesicles. Pinocytosis is a type of endocytosis.

Exocytose describes the process of vesicles fusing with the plasma membrane and releasing their contents to the outside of the cell, as shown in Figure 9. Exocytosis occurs when a cell produces substances for export, such as a protein, or when the cell is getting rid of a waste product or a toxin. Newly made membrane proteins and membrane lipids are moved on top the plasma membrane by exocytosis.

Figure 9: Mode of exocytosis at a synaptic junction, where two nerve cells meet. Chemical signal molecules are released from nerve cell A by exocytosis, and move toward receptors in nerve cell B. Exocytosis is an important part in cell signaling.

Homeostasis and Cell Function

Homeostasis refers to the balance, or equilibrium within the cell or a body. It is an organism’s ability to keep a constant internal environment. Keeping a stable internal environment requires constant adjustments as conditions change inside and outside the cell. The adjusting of systems within a cell is called homeostatic regulation. Because the internal and external environments of a cell are constantly changing, adjustments must be made continuously to stay at or near the set point (the normal level or range). Homeostasis is a dynamic equilibrium rather than an unchanging state. The cellular processes discussed all play an important role in homeostatic regulation.

Cell Communication

To survive and grow, cells need to be able to ”talk” with their cell neighbors and be able to detect change in their environment. Talking with neighbors is even more important to a cell if it is part of a multicellular organism. The billions of cells that make up your body need to be able to communicate with each other to allow your body to grow, and to keep you alive and healthy. The same is true for any organism. Cell signaling is a major area of research in biology today. Recently scientists have discovered that many different cell types, from bacteria to plants, use similar types of communication pathways, or cellsignaling mechanisms. This suggests that cell-signaling mechanisms evolved long before the first multicellular organism did.

The Language of Cells

For cells to be able to signal to each other, a few things are needed:

• a cell receptor, which is usually on the plasma membrane, but can be found inside the cell

Cells that are communicating may be right next to each other or far apart. The type of chemical signal a cell will send differs depending on the distance the message needs to go. For example, hormones, ions, and neurotransmitters are all types of signals that are sent depending on the distance the message needs to go.

The target cell then needs to be able to recognize the signal. Chemical signals are received by the target cell on receptor proteins. As discussed earlier, most receptor proteins are found in the plasma membrane. Most receptors proteins are found on the plasma membrane, but some are also found inside the cell. These receptor proteins are very specific for only one particular signal molecule, much like a lock that recognizes only one key. Therefore, a cell has lots of receptor proteins to recognize the large number of cell signal molecules. There are three stages to sending and receiving a cell ”message:” reception, transduction, and response.

Signal Receptors

Cell-surface receptors are integral proteins—they reach right through the lipid bilayer, spanning from the outside to the inside of the cell. These receptor proteins are specific for just one kind of signal molecule. The signaling molecule acts as a ligand when it binds to a receptor protein. EEN ligand is a small molecule that binds to a larger molecule. Signal molecule binding causes the receptor protein to change its shape. At this point the receptor protein can interact with another molecule. The ligand (signal molecule) itself does not pass through the plasma membrane.

In eukaryotic cells, most of the intracellular proteins that are activated by a ligand binding to a receptor protein are enzymes. Receptor proteins are named after the type of enzyme that they interact with inside the cell. These enzymes include G proteins and protein kinases, likewise there are G-protein-linked receptors and tyrosine kinase receptors. A kinase is a protein involved in phosphorylation. EEN G-protein linked receptor is a receptor that works with the help of a protein called a G-protein. A G-protein gets its name from the molecule to which it is attached, guanosine triphosphate (GTP), or guanosine diphosphate (GDP). The GTP molecule is similar to ATP.

Once G proteins or protein kinase enzymes are activated by a receptor protein, they create molecules called second messengers. EEN second messenger is a small molecule that starts a change inside a cell in response to the binding of a specific signal to a receptor protein. Some second messenger molecules include small molecules called cyclic nucleotides, such as cyclic adenosine monophosphate (cAMP) and cyclic guanosine monophosphate (cGMP). Calcium ions ((Ca^<2+>)) also act as secondary messengers. Secondary messengers are a part of signal transduction pathways.

Signaaltransductie

EEN signal-transduction pathway is the signaling mechanism by which a cell changes a signal on it surface into a specific response inside the cell. It most often involves an ordered sequence of chemical reactions inside the cell which is carried out by enzymes and other molecules. In many signal transduction processes, the number of proteins and other molecules participating in these events increases as the process progresses from the binding of the signal. A ”signal cascade” begins. Think of a signal cascade as a chemical domino-effect inside the cell, in which one domino knocks over two dominos, which in turn knock over four dominos, and so on. The advantage of this type of signaling to the cell is that the message from one little signal molecule can be greatly amplified and have a dramatic effect.

G protein-linked receptors are only found in higher eukaryotes, including yeast, plants, and animals. Your senses of sight and smell are dependent on G-protein linked receptors. The ligands that bind to these receptors include light-sensitive compounds, odors, hormones, and neurotransmitters. The ligands for G-protein linked receptors come in different sizes, from small molecules to large proteins. G protein-coupled receptors are involved in many diseases, but are also the target of around half of all modern medicinal drugs.

The process of how a G-protein linked receptor works is outlined in Figure 10.

Figure 10: How a G-protein linked receptor works with the help of a G-protein. In panel C, the second messenger cAMP can be seen moving away from the enzyme.

A.A ligand such as a hormone (small, purple molecule) binds to the G-linked receptor (red molecule). Before ligand binding, the inactive G-protein (yellow molecule) has GDP bound to it.
B.The receptor changes shape and activates the G-protein and a molecule of GTP replaces the GDP.
C.The G-protein moves across the membrane then binds to and activates the enzyme (green molecule). This then triggers the next step in the pathway to the cell’s response. After activating the enzyme, the Gprotein returns to its original position. The second messenger of this signal transduction is cAMP, as shown in C.

The sensing of the external and internal environments at the cellular level relies on signal transduction. Defects in signal transduction pathways can contribute or lead to many diseases, including cancer and heart disease. This highlights the importance of signal transductions to biology and medicine.

Signal Responses

In response to a signal, a cell may change activities in the cytoplasm or in the nucleus that include the switching on or off of genes. Changes in metabolism, continued growth, movement, or death are some of the cellular responses to signals that require signal transduction.

Gene activation leads to other effects, since the protein products of many of the responding genes include enzymes and factors that increase gene expression. Gene expression factors produced as a result of a cascade can turn on even more genes. Therefore one stimulus can trigger the expression of many genes, and this in turn can lead to the activation of many complex events. In a multicellular organism these events include the increased uptake of glucose from the blood stream (stimulated by insulin), and the movement of neutrophils to sites of infection (stimulated by bacterial products). The set of genes and the order in which they are activated in response to stimuli are often called a genetic program.


How do ions cross the lipid bilayer?

Ions can cross the lipid bilayer because proteins in the membrane create pores that help ions pass through.

Uitleg:

Passief transport

In passief transport, transmembrane proteins create a water-filled pore through which ions can pass by diffusion down a concentration gradient.

This is simple diffusion and requires no energy.

Channel proteins are more than just holes in the membrane, as they exhibit specificity and allow only certain ions to go through.

For example, the #"K"^+# channel allows only #"K"^+# ions to enter, and the #"Na"^+# channel allows only #"Na"^+# ions to pass through.

In actief transport, specific carrier proteins use the energy of ATP to force ions through the membrane against a concentration gradient.

They physically carry ions from one side of the membrane to the other via conformational changes.

For example, the #"Na"^+"/K"^+# pump exchanges #"3Na"^+# for #"2K"^+# .

The proteins are called ion pumps, because they use the energy from ATP hydrolysis to change their shapes and "pump" ions from one side to the other.

Some ion pumps involve the simultaneous transport of two different ions.

One ion may be transported down the concentration gradient, providing the energy needed to transport a second ion against the gradient.

For example, the sodium-calcium channel moves three sodium ions in one direction for each calcium ion that moves in the other direction.