Inligting

Hoe bepaal wetenskaplikes die aard van ione wat deur 'n kanaal/draer/pomp beweeg?

Hoe bepaal wetenskaplikes die aard van ione wat deur 'n kanaal/draer/pomp beweeg?


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

Die NCE (Sodium Calcium Exchanger) vervoer 3 Na+ binne die sel vir 1 Ca2+ na buite. Hoe het ons dit uitgevind, en ander meganismes van hierdie soort? As dit 'n proteïen was, kon ons dit met GFP merk. Maar hulle is ione. Om na potensiaal te kyk, is ook nie baie insiggewend nie; beide K+ en Na+ het dieselfde lading. Wat word eksperimenteel gedoen?


CFTR geen

Die CFTR geen verskaf instruksies vir die maak van 'n proteïen genaamd die sistiese fibrose transmembraangeleidingsreguleerder. Hierdie proteïen funksioneer as 'n kanaal oor die membraan van selle wat slym, sweet, speeksel, trane en spysverteringsensieme produseer. Die kanaal vervoer negatief gelaaide deeltjies genaamd chloriedione in en uit selle. Die vervoer van chloriedione help om die beweging van water in weefsels te beheer, wat nodig is vir die produksie van dun, vryvloeiende slym. Slym is 'n gladde stof wat die voering van die lugweë, spysverteringstelsel, voortplantingstelsel en ander organe en weefsels smeer en beskerm.

Die CFTR-proteïen reguleer ook die funksie van ander kanale, soos dié wat positief gelaaide deeltjies genoem natriumione oor selmembrane vervoer. Hierdie kanale is nodig vir die normale funksie van organe soos die longe en pankreas.


5.2 Passiewe vervoer

Die voorkoming van dehidrasie is belangrik vir beide plante en diere. Water beweeg oor plasmamembrane deur 'n spesifieke tipe diffusie wat osmose genoem word. Die konsentrasiegradiënt van water oor 'n membraan is omgekeerd eweredig aan die konsentrasie van opgeloste stowwe, dit wil sê, water beweeg deur kanaalproteïene wat akwaporiene genoem word van hoër waterkonsentrasie na laer waterkonsentrasie. Konsentrasie van opgeloste stof buite en binne die sel beïnvloed die tempo van osmose. Tonisiteit beskryf hoe die ekstrasellulêre konsentrasie van opgeloste stowwe die volume van 'n sel kan verander deur osmose te beïnvloed, wat dikwels korreleer met die osmolariteit van die oplossing, dit wil sê, die totale opgeloste stofkonsentrasie van die oplossing. In 'n hipotoniese situasie, omdat die ekstrasellulêre vloeistof 'n laer konsentrasie van opgeloste stowwe (laer osmolariteit) as die vloeistof binne die sel het, kom water die sel binne, wat veroorsaak dat dit swel en moontlik bars. Die selwande van plante verhoed dat hulle bars, maar dierselle, soos rooibloedselle, kan lyse. Wanneer 'n sel in 'n hipertoniese oplossing geplaas word, verlaat water die sel omdat die sel 'n hoër waterpotensiaal as die ekstrasellulêre oplossing het. Wanneer die konsentrasies van opgeloste stof gelyk is aan beide kante van die membraan (isotonies), vind geen netto beweging van water in of uit die sel plaas nie. Lewende organismes het 'n verskeidenheid maniere ontwikkel om osmotiese balans te handhaaf, byvoorbeeld seevis skei oortollige sout deur die kieue af om dinamiese homeostase te handhaaf.

Inligting aangebied en die voorbeelde wat in die afdeling uitgelig word, ondersteun konsepte en leerdoelwitte wat in Big Idea 2 van die AP ® Biologie Kurrikulumraamwerk uiteengesit word. Die leerdoelwitte wat in die Kurrikulumraamwerk gelys word, bied 'n deursigtige grondslag vir die AP ® Biologiekursus, 'n ondersoekgebaseerde laboratoriumervaring, onderrigaktiwiteite en AP ® eksamenvrae. 'n Leerdoelwit smelt vereiste inhoud saam met een of meer van die sewe wetenskappraktyke.

Noodsaaklike kennis 2.B.2 Groei en dinamiese homeostase word gehandhaaf deur die konstante beweging van molekules oor membrane.
Wetenskappraktyk 1.4 Die student kan voorstellings en modelle gebruik om situasies te ontleed of probleme kwalitatief en kwantitatief op te los.
Wetenskappraktyk 3.1 Die student kan wetenskaplike vrae stel.
Leerdoelwit 2.11 Die student is in staat om modelle te konstrueer wat die beweging van molekules oor membrane met membraanstruktuur en -funksie verbind.
Noodsaaklike kennis 2.B.2 Groei en dinamiese homeostase word gehandhaaf deur die konstante beweging van molekules oor membrane.
Wetenskappraktyk 1.4 Die student kan voorstellings en modelle gebruik om situasies te ontleed of probleme kwalitatief en kwantitatief op te los.
Wetenskappraktyk 3.1 Die student kan wetenskaplike vrae stel.
Leerdoelwit 2.12 Die student is in staat om voorstellings en modelle te gebruik om situasies te analiseer of probleme kwalitatief en kwantitatief op te los om te ondersoek of dinamiese homeostase in stand gehou word deur die aktiewe beweging van molekules oor membrane.

Onderwyserondersteuning

Bespreek met studente wat semi-deurlaatbare membrane is en hoe kunsmatige membrane gebruik kan word om water te suiwer deur tru-osmose te gebruik. Vir meer inligting, gaan hier.

Studente mag dink dat diffusie en osmose identies is en dat die terme uitruilbaar is. Bespreek met studente die verskil tussen diffusie en osmose. Diffusie is die beweging van opgeloste stowwe van 'n gebied met hoë konsentrasie na 'n gebied met laer konsentrasie. Osmose is die beweging van vrye watermolekules deur 'n semipermeabele membraan volgens die water se konsentrasiegradiënt oor die membraan, wat omgekeerd eweredig is aan die opgeloste stowwe se konsentrasie. In diffusie beweeg die opgeloste stowwe. In osmose beweeg die water. In albei is die doel dieselfde: om die opgeloste stofkonsentrasie uit te balanseer.

Die Wetenskappraktyk-uitdagingsvrae bevat bykomende toetsvrae vir hierdie afdeling wat jou sal help om vir die AP-eksamen voor te berei. Hierdie vrae handel oor die volgende standaarde:
[APLO 2.25][APLO 2.27][APLO 4.3][APLO 4.17][APLO1.9] [APLO 2.16][APLO 2.17][APLO 2.18]

Plasmamembrane moet sekere stowwe toelaat om 'n sel binne te gaan en te verlaat, en verhoed dat sommige skadelike materiale binnedring en sommige noodsaaklike materiale verlaat. Met ander woorde, plasmamembrane is selektief deurlaatbaar—hulle laat sekere stowwe deur, maar ander nie. As hulle hierdie selektiwiteit sou verloor, sou die sel homself nie meer kon onderhou nie, en dit sou vernietig word. Sommige selle benodig groter hoeveelhede spesifieke stowwe as ander selle, hulle moet 'n manier hê om hierdie materiale uit ekstrasellulêre vloeistowwe te verkry. Dit kan passief gebeur, aangesien sekere materiale heen en weer beweeg, of die sel kan spesiale meganismes hê wat vervoer vergemaklik. Sommige materiale is so belangrik vir 'n sel dat dit van sy energie spandeer om adenosientrifosfaat (ATP) te hidroliseer om hierdie materiale te verkry. Rooibloedselle gebruik van hul energie om juis dit te doen. Die meeste selle spandeer die meerderheid van hul energie om 'n wanbalans van natrium- en kaliumione tussen die binne- en buitekant van die sel te handhaaf.

Die mees direkte vorme van membraanvervoer is passief. Passiewe vervoer is 'n natuurlike verskynsel en vereis nie dat die sel enige van sy energie uitoefen om die beweging te bewerkstellig nie. In passiewe vervoer beweeg stowwe van 'n gebied met hoër konsentrasie na 'n gebied met laer konsentrasie. 'n Fisiese ruimte waarin daar 'n reeks konsentrasies van 'n enkele stof is, word gesê dat dit 'n konsentrasiegradiënt het.

Selektiewe deurlaatbaarheid

Plasmamembrane is asimmetries: die binnekant van die membraan is nie identies aan die buitekant van die membraan nie. Trouens, daar is 'n aansienlike verskil tussen die verskeidenheid fosfolipiede en proteïene tussen die twee pamflette wat 'n membraan vorm. Aan die binnekant van die membraan dien sommige proteïene om die membraan aan vesels van die sitoskelet te anker. Daar is perifere proteïene aan die buitekant van die membraan wat elemente van die ekstrasellulêre matriks bind. Koolhidrate, wat aan lipiede of proteïene geheg is, word ook op die buite-oppervlak van die plasmamembraan aangetref. Hierdie koolhidraatkomplekse help die sel om stowwe wat die sel benodig in die ekstrasellulêre vloeistof te bind. Dit dra aansienlik by tot die selektiewe aard van plasmamembrane (Figuur 5.7).

Onthou dat plasmamembrane amfifilies is: Hulle het hidrofiele en hidrofobiese gebiede. Hierdie eienskap help die beweging van sommige materiale deur die membraan en belemmer die beweging van ander. Lipiedoplosbare materiaal met 'n lae molekulêre gewig kan maklik deur die hidrofobiese lipiedkern van die membraan glip. Stowwe soos die vetoplosbare vitamiene A, D, E en K gaan maklik deur die plasmamembrane in die spysverteringskanaal en ander weefsels. Vetoplosbare middels en hormone kry ook maklike toegang tot selle en word maklik in die liggaam se weefsels en organe vervoer. Net so het molekules suurstof en koolstofdioksied geen lading nie en gaan dus deur membrane deur eenvoudige diffusie.

Polêre stowwe bied probleme vir die membraan. Terwyl sommige polêre molekules maklik met die buitekant van 'n sel verbind, kan hulle nie maklik deur die lipiedkern van die plasmamembraan beweeg nie. Daarbenewens, terwyl klein ione maklik deur die spasies in die mosaïek van die membraan kan glip, verhoed hul lading hulle om dit te doen. Ione soos natrium, kalium, kalsium en chloried moet spesiale middele hê om plasmamembrane te penetreer. Eenvoudige suikers en aminosure benodig ook hulp met vervoer oor plasmamembrane, verkry deur verskeie transmembraanproteïene (kanale).

Diffusie

Diffusie is 'n passiewe proses van vervoer. 'n Enkele stof is geneig om van 'n gebied met hoë konsentrasie na 'n gebied met lae konsentrasie te beweeg totdat die konsentrasie gelyk is oor 'n ruimte. Jy is vertroud met die verspreiding van stowwe deur die lug. Dink byvoorbeeld aan iemand wat 'n bottel ammoniak oopmaak in 'n kamer vol mense. Die ammoniakgas is op sy hoogste konsentrasie in die bottel sy laagste konsentrasie is aan die rande van die kamer. Die ammoniakdamp sal van die bottel diffundeer, of wegsprei, en geleidelik sal meer en meer mense die ammoniak ruik soos dit versprei. Materiale beweeg binne die sel se sitosol deur diffusie, en sekere materiale beweeg deur die plasmamembraan deur diffusie (Figuur 5.8). Diffusie verbruik geen energie nie. Inteendeel, konsentrasiegradiënte is 'n vorm van potensiële energie, wat verdwyn soos die gradiënt uitgeskakel word.

Elke afsonderlike stof in 'n medium, soos die ekstrasellulêre vloeistof, het sy eie konsentrasiegradiënt, onafhanklik van die konsentrasiegradiënte van ander materiale. Daarbenewens sal elke stof volgens daardie gradiënt diffundeer. Binne 'n sisteem sal daar verskillende diffusietempo's van die verskillende stowwe in die medium wees.

Faktore wat diffusie beïnvloed

Molekules beweeg voortdurend op 'n ewekansige wyse, teen 'n tempo wat afhang van hul massa, hul omgewing en die hoeveelheid termiese energie wat hulle besit, wat weer 'n funksie van temperatuur is. Hierdie beweging is verantwoordelik vir die verspreiding van molekules deur watter medium ook al waarin hulle gelokaliseer is. 'n Stof sal geneig wees om na enige spasie wat daarvoor beskikbaar is in te beweeg totdat dit eweredig daardeur versprei is. Nadat 'n stof heeltemal deur 'n ruimte diffundeer het en sy konsentrasiegradiënt verwyder is, sal molekules steeds in die ruimte rondbeweeg, maar daar sal geen net beweging van die aantal molekules van een gebied na 'n ander. Hierdie gebrek aan 'n konsentrasiegradiënt waarin daar geen netto beweging van 'n stof is nie, staan ​​bekend as dinamiese ekwilibrium. Terwyl diffusie vorentoe sal gaan in die teenwoordigheid van 'n konsentrasiegradiënt van 'n stof, beïnvloed verskeie faktore die diffusietempo.

  • Omvang van die konsentrasiegradiënt: Hoe groter die verskil in konsentrasie, hoe vinniger is die diffusie. Hoe nader die verspreiding van die materiaal aan ewewig kom, hoe stadiger word die diffusietempo.
  • Massa van die molekules diffundeer: Swaarder molekules beweeg stadiger, daarom diffundeer hulle stadiger. Die omgekeerde is waar vir ligter molekules.
  • Temperatuur: Hoër temperature verhoog die energie en dus die beweging van die molekules, wat die diffusietempo verhoog. Laer temperature verlaag die energie van die molekules, wat dus die diffusietempo verlaag.
  • Oplosmiddeldigtheid: Soos die digtheid van 'n oplosmiddel toeneem, neem die diffusietempo af. Die molekules vertraag omdat dit moeiliker is om deur die digter medium te kom. As die medium minder dig is, neem diffusie toe. Omdat selle hoofsaaklik diffusie gebruik om materiale binne die sitoplasma te beweeg, sal enige toename in die sitoplasma se digtheid die beweging van die materiale inhibeer. 'n Voorbeeld hiervan is 'n persoon wat dehidrasie ervaar. Soos die liggaam se selle water verloor, neem die diffusietempo in die sitoplasma af, en die selle se funksies versleg. Neurone is geneig om baie sensitief te wees vir hierdie effek. Dehidrasie lei dikwels tot bewusteloosheid en moontlik koma as gevolg van die afname in diffusietempo binne die selle.
  • Oplosbaarheid: Soos vroeër bespreek, gaan nie-polêre of lipiedoplosbare materiale makliker deur plasmamembrane as polêre materiale, wat 'n vinniger diffusietempo toelaat.
  • Oppervlakte en dikte van die plasmamembraan: Verhoogde oppervlakte verhoog die diffusietempo, terwyl 'n dikker membraan dit verminder.
  • Afstand afgelê: Hoe groter die afstand wat 'n stof moet aflê, hoe stadiger is die diffusietempo. Dit plaas 'n boonste beperking op selgrootte. ’n Groot, sferiese sel sal sterf omdat voedingstowwe of afval onderskeidelik nie die middel van die sel kan bereik of verlaat nie. Daarom moet selle óf klein van grootte wees, soos in die geval van baie prokariote, óf afgeplat wees, soos met baie eensellige eukariote.

'n Variasie van diffusie is die proses van filtrasie. In filtrasie beweeg materiaal volgens sy konsentrasiegradiënt deur 'n membraan, soms word die diffusietempo deur druk verhoog, wat veroorsaak dat die stowwe vinniger filtreer. Dit vind plaas in die nier, waar bloeddruk groot hoeveelhede water en gepaardgaande opgeloste stowwe, of opgeloste stowwe, uit die bloed en in die nierbuisies dwing. Die verspreidingstempo in hierdie geval is byna heeltemal afhanklik van druk. Een van die gevolge van hoë bloeddruk is die voorkoms van proteïen in die urine, wat deur die abnormale hoë druk "deurgedruk word".

Vervoer gefasiliteer

In gefasiliteerde vervoer, ook genoem gefasiliteerde diffusie, diffundeer materiale oor die plasmamembraan met behulp van membraanproteïene. 'n Konsentrasiegradiënt bestaan ​​wat hierdie materiale in die sel sal laat diffundeer sonder om sellulêre energie te verbruik. Hierdie materiale is egter polêre molekules wat deur die hidrofobiese dele van die selmembraan afgestoot word. Gefasiliteerde vervoerproteïene beskerm hierdie materiale teen die afstootkrag van die membraan, wat hulle in staat stel om in die sel te diffundeer.

Die materiaal wat vervoer word, word eers aan proteïen- of glikoproteïenreseptore op die buite-oppervlak van die plasmamembraan geheg. Dit laat toe dat die materiaal wat deur die sel benodig word, uit die ekstrasellulêre vloeistof verwyder word. Die stowwe word dan na spesifieke integrale proteïene oorgedra wat hul deurgang vergemaklik. Sommige van hierdie integrale proteïene is versamelings van beta-geplooide velle wat 'n porie of kanaal deur die fosfolipied dubbellaag vorm. Ander is draerproteïene wat met die stof bind en die verspreiding daarvan deur die membraan help.

Kanale

Die integrale proteïene betrokke by gefasiliteer vervoer word gesamentlik na verwys as vervoerproteïene, en hulle funksioneer as óf kanale vir die materiaal óf draers. In beide gevalle is dit transmembraanproteïene. Kanale is spesifiek vir die stof wat vervoer word. Kanaalproteïene het hidrofiele domeine wat aan die intrasellulêre en ekstrasellulêre vloeistowwe blootgestel is, hulle het addisioneel 'n hidrofiele kanaal deur hul kern wat 'n gehidreerde opening deur die membraanlae verskaf (Figuur 5.9). Deur deur die kanaal kan polêre verbindings die nie-polêre sentrale laag van die plasmamembraan vermy wat andersins hul toetrede tot die sel sou vertraag of verhoed. Aquaporiene is kanaalproteïene wat water teen 'n baie hoë tempo deur die membraan laat beweeg.

Kanaalproteïene is óf te alle tye oop óf hulle is "omheinde", wat die opening van die kanaal beheer. Die aanhegting van 'n spesifieke ioon aan die kanaalproteïen kan die opening beheer, of ander meganismes of stowwe kan betrokke wees. In sommige weefsels gaan natrium- en chloriedione vrylik deur oop kanale, terwyl in ander weefsels 'n hek oopgemaak moet word om deurgang moontlik te maak. 'n Voorbeeld hiervan kom voor in die nier, waar beide vorme van kanale in verskillende dele van die nierbuisies voorkom. Selle wat betrokke is by die oordrag van elektriese impulse, soos senuwee- en spierselle, het omheinde kanale vir natrium, kalium en kalsium in hul membrane. Die opening en sluiting van hierdie kanale verander die relatiewe konsentrasies aan teenoorgestelde kante van die membraan van hierdie ione, wat lei tot die fasilitering van elektriese transmissie langs membrane (in die geval van senuweeselle) of in spiersametrekking (in die geval van spierselle).

Draerproteïene

'n Ander tipe proteïen wat in die plasmamembraan ingebed is, is 'n draerproteïen. Hierdie gepaste proteïen bind 'n stof en veroorsaak sodoende 'n verandering van sy eie vorm, wat die gebonde molekule van die buitekant van die sel na sy binnekant beweeg (Figuur 5.10), afhangende van die gradiënt, kan die materiaal in die teenoorgestelde beweeg rigting. Draerproteïene is tipies spesifiek vir 'n enkele stof. Hierdie selektiwiteit dra by tot die algehele selektiwiteit van die plasmamembraan. Die presiese meganisme vir die verandering van vorm word swak verstaan. Proteïene kan van vorm verander wanneer hul waterstofbindings aangetas word, maar dit verklaar dalk nie hierdie meganisme volledig nie. Elke draerproteïen is spesifiek vir een stof, en daar is 'n eindige aantal van hierdie proteïene in enige membraan. Dit kan probleme veroorsaak om genoeg van die materiaal te vervoer sodat die sel behoorlik kan funksioneer. Wanneer al die proteïene aan hul ligande gebind is, is hulle versadig en die vervoertempo is op sy maksimum. Die verhoging van die konsentrasiegradiënt op hierdie punt sal nie 'n verhoogde vervoertempo tot gevolg hê nie.

'n Voorbeeld van hierdie proses vind plaas in die nier. Glukose, water, soute, ione en aminosure wat deur die liggaam benodig word, word in een deel van die nier gefiltreer. Hierdie filtraat, wat glukose insluit, word dan in 'n ander deel van die nier herabsorbeer. Omdat daar slegs 'n eindige aantal draerproteïene vir glukose is, word die oormaat nie vervoer nie en word dit in die urine uit die liggaam uitgeskei as meer glukose teenwoordig is as wat die proteïene kan hanteer. By 'n diabeet word dit beskryf as "die mors van glukose in die urine." 'n Ander groep draerproteïene, genaamd glukosetransportproteïene, of GLUT's, is betrokke by die vervoer van glukose en ander heksosesuikers deur plasmamembrane binne die liggaam.

Kanaal- en draerproteïene vervoer materiaal teen verskillende tempo's. Kanaalproteïene vervoer baie vinniger as draerproteïene.Kanaalproteïene fasiliteer diffusie teen 'n tempo van tienmiljoene molekules per sekonde, terwyl draerproteïene teen 'n tempo van duisend tot 'n miljoen molekules per sekonde werk.

Osmose

Osmose is die beweging van vrye watermolekules deur 'n semipermeabele membraan volgens die water se konsentrasiegradiënt oor die membraan, wat omgekeerd eweredig is aan die opgeloste stowwe se konsentrasie. Terwyl diffusie materiaal oor membrane en binne selle vervoer, vervoer osmose net water oor 'n membraan en die membraan beperk die diffusie van opgeloste stowwe in die water. Dit is nie verbasend nie, die akwaporiene wat waterbeweging vergemaklik, speel 'n groot rol in osmose, veral in rooibloedselle en die membrane van nierbuisies.

Meganisme

Osmose is 'n spesiale geval van diffusie. Water, soos ander stowwe, beweeg van 'n gebied met 'n hoë konsentrasie van vry watermolekules na een met 'n lae vrye watermolekule konsentrasie. 'n Voor die hand liggende vraag is wat water enigsins laat beweeg? Stel jou 'n beker voor met 'n semipermeabele membraan wat die twee kante of helftes skei (Figuur 5.11). Aan beide kante van die membraan is die watervlak dieselfde, maar daar is verskillende konsentrasies van 'n opgeloste stof, of opgeloste stof, wat nie die membraan kan oorsteek nie (anders sal die konsentrasies aan elke kant gebalanseer word deur die opgeloste stof wat die membraan kruis). As die volume van die oplossing aan beide kante van die membraan dieselfde is, maar die konsentrasies van opgeloste stof verskil, dan is daar verskillende hoeveelhede water, die oplosmiddel, aan weerskante van die membraan.

Om dit te illustreer, stel jou twee vol glase water voor. Een het 'n enkele teelepel suiker in, terwyl die tweede een 'n kwart koppie suiker bevat. As die totale volume van die oplossings in beide koppies dieselfde is, watter koppie bevat meer water? Omdat die groot hoeveelheid suiker in die tweede koppie baie meer spasie opneem as die teelepel suiker in die eerste koppie, het die eerste koppie meer water in.

Om terug te keer na die bekervoorbeeld, onthou dat dit 'n mengsel van opgeloste stowwe aan weerskante van die membraan het. 'n Beginsel van diffusie is dat die molekules rondbeweeg en eweredig deur die medium sal versprei as hulle kan. Slegs die materiaal wat deur die membraan kan kom, sal egter daardeur diffundeer. In hierdie voorbeeld kan die opgeloste stof nie deur die membraan diffundeer nie, maar die water wel. Water het 'n konsentrasiegradiënt in hierdie stelsel. Water sal dus in sy konsentrasiegradiënt diffundeer en die membraan oorsteek na die kant waar dit minder gekonsentreer is. Hierdie diffusie van water deur die membraan—osmose—sal voortduur totdat die konsentrasiegradiënt van water na nul gaan of totdat die hidrostatiese druk van die water die osmotiese druk balanseer. Osmose vind voortdurend in lewende sisteme plaas.

Die bekervoorbeeld hier kom voor in 'n oop sisteem waar die volume vloeistof vrylik kan toeneem en afneem. Selle, aan die ander kant, bestaan ​​uit proteïene en ander stowwe wat in die waterige sitoplasma ingebed is. Hierdie stowwe kan as opgeloste stowwe beskou word vir die doeleindes om osmose te voorspel. Die selmembraan hou die meeste van die proteïene en ander stowwe binne die sel, wat veroorsaak dat die sel 'n hoër osmolariteit as suiwer water het.

Gestel jy voer 'n eksperiment uit waar jy rooibloedselle in 'n omgewing van suiwer water geplaas het. Wat dink jy sal met die selle gebeur? Omdat die konsentrasie van opgeloste stof hoër is in die rooibloedsel as wat dit in die beker is, sal water die rooibloedsel binnestorm. Wat dink jy sal met die rooibloedsel gebeur, gegewe dat sy selmembraan uit 'n vaste oppervlakte bestaan? Dit is waarskynlik dat die rooibloedsel hemolise sal ondergaan, waar hulle met water opswel en bars. Daar moet egter op gelet word dat die meeste selle meganismes het om te verhoed dat hulle te veel water opneem. Rooibloedselle het egter nie hierdie kontroles nie, wat hulle ideaal maak vir osmolariteitstudies.

Dit is 'n belangrike oorweging vir klinici wat dwelms binneaars toedien. Hoe sou die middel geformuleer moet word, in terme van osmolariteit, om te verhoed dat rooibloedselle hemolise ondergaan? Om hemolise van rooibloedselle in die bloed te voorkom, word dwelms tipies in 'n isotoniese oplossing saam met die bloed geformuleer om osmolariteit te handhaaf.

Tonisiteit

Tonisiteit beskryf hoe 'n ekstrasellulêre oplossing die volume van 'n sel kan verander deur osmose te beïnvloed. 'n Oplossing se tonisiteit korreleer dikwels direk met die osmolariteit van die oplossing. Osmolariteit beskryf die totale opgeloste stofkonsentrasie van die oplossing. 'n Oplossing met lae osmolariteit het 'n groter aantal watermolekules relatief tot die aantal opgeloste stofdeeltjies 'n oplossing met hoë osmolariteit het minder watermolekules met betrekking tot opgeloste stofdeeltjies. In 'n situasie waarin oplossings van twee verskillende osmolariteite geskei word deur 'n membraan wat deurlaatbaar is vir water, maar nie vir die opgeloste stof nie, sal water van die kant van die membraan met laer osmolariteit (en meer water) na die kant met hoër osmolariteit beweeg (en minder water). Hierdie effek maak sin as jy onthou dat die opgeloste stof nie oor die membraan kan beweeg nie, en dus die enigste komponent in die sisteem wat kan beweeg—die water—beweeg langs sy eie konsentrasiegradiënt. 'n Belangrike onderskeid wat lewende sisteme betref, is dat osmolariteit die aantal deeltjies (wat molekules kan wees) in 'n oplossing meet. Daarom kan 'n oplossing wat troebel is met selle 'n laer osmolariteit hê as 'n oplossing wat helder is, as die tweede oplossing meer opgeloste molekules bevat as wat daar selle is.

Hipotoniese oplossings

Drie terme - hipotonies, isotonies en hipertonies - word gebruik om die osmolariteit van 'n sel in verband te bring met die osmolariteit van die ekstrasellulêre vloeistof wat die selle bevat. In 'n hipotoniese situasie het die ekstrasellulêre vloeistof laer osmolariteit as die vloeistof binne die sel, en water gaan die sel binne. (In lewende stelsels is die verwysingspunt altyd die sitoplasma, dus die voorvoegsel hipo- beteken dat die ekstrasellulêre vloeistof 'n laer konsentrasie van opgeloste stowwe, of 'n laer osmolariteit, as die sel sitoplasma het.) Dit beteken ook dat die ekstrasellulêre vloeistof 'n hoër konsentrasie water in die oplossing het as die sel. In hierdie situasie sal water sy konsentrasiegradiënt volg en die sel binnegaan.

Hipertoniese oplossings

Wat 'n hipertoniese oplossing betref, die voorvoegsel hiper- verwys na die ekstrasellulêre vloeistof wat 'n hoër osmolariteit as die sel se sitoplasma het, daarom bevat die vloeistof minder water as die sel. Omdat die sel 'n relatief hoër konsentrasie water het, sal water die sel verlaat.

Isotoniese oplossings

In 'n isotoniese oplossing het die ekstrasellulêre vloeistof dieselfde osmolariteit as die sel. As die osmolariteit van die sel ooreenstem met dié van die ekstrasellulêre vloeistof, sal daar geen netto beweging van water in of uit die sel wees nie, alhoewel water steeds in en uit sal beweeg. Bloedselle en plantselle in hipertoniese, isotoniese en hipotoniese oplossings neem kenmerkende voorkoms aan (Figuur 5.12).

Skakel na Leer

Vir 'n video wat die proses van diffusie in oplossings illustreer, besoek hierdie webwerf.


Instrumentasie

Monster inspuiting

'n Monsterpoort is nodig om die monster aan die kop van die kolom in te voer. Moderne inspuitingstegnieke gebruik dikwels die gebruik van verhitte monsterpoorte waardeur die monster op 'n byna gelyktydige wyse ingespuit en verdamp kan word. 'n Gekalibreerde mikrospuit word gebruik om 'n monstervolume in die reeks van 'n paar mikroliter deur 'n rubberseptum en in die verdampingskamer te lewer. Die meeste skeidings benodig slegs 'n klein fraksie van die aanvanklike monstervolume en 'n monsterverdeler word gebruik om oortollige monster na afval te lei. Kommersiële gaschromatograwe maak dikwels voorsiening vir beide gesplete en splitlose inspuitings wanneer daar tussen gepakte kolomme en kapillêre kolomme afgewissel word. Die verdampingskamer word tipies verhit 50 °C bo die laagste kookpunt van die monster en daarna met die draergas gemeng om die monster in die kolom te vervoer.

Figuur 1: 'n Deursnee-aansig van 'n mikroflitsverdamper direkte inspuiter.

Draer Gas

Die draergas speel 'n belangrike rol, en wissel in die GC wat gebruik word. Draergas moet droog wees, vry van suurstof en chemies inerte mobiele fase wat in gaschromatografie gebruik word. Helium word die meeste gebruik omdat dit veiliger is as, maar vergelykbaar is met waterstof in doeltreffendheid, 'n groter reeks vloeitempo's het en versoenbaar is met baie detektors. Stikstof, argon en waterstof word ook gebruik afhangende van die verlangde werkverrigting en die detektor wat gebruik word. Beide waterstof en helium, wat algemeen gebruik word op die meeste tradisionele detektors soos vlamionisasie (FID), termiese geleidingsvermoë (TCD) en elektronopvang (ECD), bied 'n korter ontledingstyd en laer elueringstemperature van die monster as gevolg van hoër vloeitempo's en lae molekulêre gewig. Byvoorbeeld, waterstof of helium as die draergas gee die hoogste sensitiwiteit met TCD omdat die verskil in termiese geleidingsvermoë tussen die organiese damp en waterstof/helium groter is as ander draergas. Ander detektors soos massaspektroskopie, gebruik stikstof of argon wat 'n baie beter voordeel as waterstof of helium het as gevolg van hul hoër molekulêre gewigte, waarin vakuumpomp doeltreffendheid verbeter.

Alle draergasse is beskikbaar in druktenks en drukreguleerders, meters en vloeimeters word gebruik om die vloeitempo van die gas noukeurig te beheer. Die meeste gasvoorrade wat gebruik word, moet tussen 99,995% - 99,9995% suiwerheidsreeks val en 'n lae vlakke (< 0,5 dpm) suurstof en totale koolwaterstowwe in die tenk bevat. Die draergasstelsel bevat 'n molekulêre sif om water en ander onsuiwerhede te verwyder. Lokvalle is nog 'n opsie om die stelsel suiwer en optimaal sensitief te hou en spore van water en ander kontaminante te verwyder. 'n Twee-fase drukregulering is nodig om te gebruik om die drukstuwings te minimaliseer en om die vloeitempo van die gas te monitor. Om die vloeitempo van die gas te monitor, was 'n vloei- of drukreguleerder ook op beide tenk- en chromatograafgasinlaat nodig. Dit geld verskillende gastipes sal verskillende tipe reguleerder gebruik. Die draergas word voorverhit en met 'n molekulêre sif gefiltreer om onsuiwerhede en water te verwyder voordat dit na die verdampingskamer gebring word. 'n Draergas word tipies in die GC-stelsel benodig om deur die inspuiter te vloei en die gasvormige komponente van die monster op die GC-kolom te druk, wat na die detektor lei (sien meer besonderhede in detektorafdeling).

Figuur 3. Gasaanbevelings vir gepakte kolomme


Aktiewe vervoer

Aktiewe vervoer, eenvoudig gestel, is die beweging van deeltjies deur 'n vervoerproteïen van lae konsentrasie na hoë konsentrasie ten koste van metaboliese energie. 21 Die mees algemene energiebron wat deur selle gebruik word, is adenosientrifosfaat of ATP, hoewel ander bronne soos ligenergie of die energie wat in 'n elektrochemiese gradiënt gestoor word ook gebruik word. 2 In die geval van ATP word energie chemies geoes deur hidrolise. 22 ATP-hidrolise veroorsaak op sy beurt 'n konformasieverandering in die vervoerproteïen wat meganiese beweging van die betrokke deeltjie toelaat. 2 Aktiewe vervoerstelsels is dus energiekoppeltoestelle aangesien chemiese en meganiese prosesse gekoppel word om deeltjiebeweging te bewerkstellig. Aktiewe vervoer word geklassifiseer as óf primêre aktiewe vervoer óf sekondêre aktiewe vervoer. Figuur 4 (hierbo vertoon) vertoon 'n lintstruktuur van 'n algemeen uitgebeelde ABC-vitamien B12invoerder aktiewe vervoerproteïen.

Primêre aktiewe vervoer

Primêre aktiewe vervoer gebruik die energie wat in ATP, fotone en elektrochemiese gradiënte gevind word direk in die vervoer van molekules van lae konsentrasie tot hoë konsentrasie oor die sellulêre membraan. 23

Gebruik ATP

Die ensiem-gekataliseerde hidrolisereaksie wat 'n fosfaat uit ATP verwyder, en sodoende ADP vorm, veroorsaak 'n konformasieverandering in die vervoerproteïen wat deeltjies toelaat om in te vloei of uitvloei. 23 Ensieme wat ATP-gedrewe primêre aktiewe vervoer kataliseer, word ATPases genoem. 2

Figuur 5. Primêre aktiewe vervoer, met die gebruik van ATP, word hierbo uitgebeeld wat van links na regs en van bo na onder vorder.

Die mees universele voorbeeld van ATP-hidrolise wat primêre aktiewe vervoer in selle aandryf, is die natrium-kaliumpomp. 2 Die natrium-kaliumpomp is verantwoordelik vir die beheer van beide natrium- en kaliumkonsentrasies binne die sel. Die natrium-kaliumpomp is uiters belangrik om die sel se ruspotensiaal te handhaaf.

Figuur 6. Lintstruktuur van 'n natrium-kalium ATPase-pomp.

Gebruik van elektrochemiese gradiëntenergie

'n Elektrochemiese gradiënt het twee komponente: 1) 'n elektriese komponent wat veroorsaak word deur ladingsverskil aan weerskante van die sellulêre membraan en 2) 'n chemiese komponent wat voortspruit uit verskillende konsentrasies van ione oor die sellulêre membraan. 24 Die elektrochemiese gradiënt word gegenereer deur die teenwoordigheid van 'n proton (H + ) gradiënt. 'n Protongradiënt is 'n interomskakelbare vorm van energie wat uiteindelik deur die vervoerproteïen gebruik kan word om deeltjies oor die sellulêre membraan te beweeg. 2

'n Kenmerkende voorbeeld van elektrochemiese gradiëntenergie in primêre aktiewe vervoer is die mitochondriale elektrontransportketting (ETC). 25 Die ETC gebruik die energie wat geproduseer word uit die reduksie van NADH na NAD + om 'n protongradiënt te skep deur protone in die binneste mitochondriale ruimte te pomp.

Gebruik Foton Energie

Die energie wat in 'n foton, die basiese eenheid van lig, gestoor word, word gebruik om 'n protongradiënt te genereer deur 'n proses soortgelyk aan dié wat in elektrochemiese gradiënte gevind word. 24 Die stapsgewyse deurgang van elektrone in 'n elektronvervoerketting verminder 'n molekule soos NADH en genereer uiteindelik 'n protongradiënt.

Plantfotosintese is 'n voorbeeld van primêre aktiewe vervoer wat fotonenergie gebruik. 2 Chlorofil absorbeer 'n foton van lig en verloor gevolglik 'n elektron wat dit deur feofitien laat verbygaan wat 'n daaropvolgende elektrontransportketting veroorsaak. 26 Hierdie ETC eindig uiteindelik in die reduksie van NADH na NAD + wat 'n protongradiënt oor die chloroplastmembraan skep.

Sekondêre aktiewe vervoer

Sekondêre aktiewe vervoer bereik 'n identiese resultaat as primêre aktiewe vervoer deurdat deeltjies van lae konsentrasie na hoë konsentrasie verskuif word ten koste van energie. 2 Sekondêre aktiewe vervoer funksioneer egter onafhanklik van direkte ATP-koppeling. Die elektrochemiese energie wat gegenereer word deur ione uit die sel te pomp, word eerder gebruik. Sekondêre aktiewe vervoer word geklassifiseer as óf simporter of antiporter.

Simports

Symport sekondêre aktiewe vervoer gebruik 'n afdraande beweging van een deeltjie om 'n ander deeltjie teen sy konsentrasiegradiënt te vervoer. 27 Simporte beweeg beide deeltjies in dieselfde rigting deur 'n transmembraan-transportproteïen.

'n Algemene simport voorbeeld is SGLT1, 'n glukose simport. SGLT1 vervoer een glukosemolekule na die sel vir elke twee natriumione wat na die sel vervoer word. 28 Die SGLT1-simport is regdeur die liggaam geleë, veral in die nefron van die nier.

Antiports

Antipoort sekondêre aktiewe vervoer beweeg twee of meer verskillende deeltjies oor die sellulêre membraan in teenoorgestelde rigtings. 27 Antipoort sekondêre aktiewe vervoer beweeg een deeltjie in sy konsentrasiegradiënt af en gebruik die energie wat uit daardie proses gegenereer word om 'n ander deeltjie op sy konsentrasiegradiënt te beweeg.

Die natrium-kalsium-uitruiler wat oral in mense in prikkelbare selle voorkom, is 'n eenvoudige en algemene voorbeeld van 'n teenpoort. Drie natriumione beweeg met hul konsentrasiegradiënt af in ruil vir een kalsiumioon. 29


Ioon selektiwiteit in kanale en vervoerders

Benoît Roux, Simon Bernèche, Bernhard Egwolf, Bogdan Lev, Sergei Y. Noskov, Christopher N. Rowley, Haibo Yu Ion selektiwiteit in kanale en vervoerders. J Gen Fisiol 1 Mei 2011 137 (5): 415–426. doi: https://doi.org/10.1085/jgp.201010577

'n Magdom biologiese prosesse vereis die deelname van spesifieke katione, soos H + , Na + , K + , Ca 2+ en Mg 2+. Baie van hierdie prosesse kan slegs plaasvind wanneer proteïene die vermoë het om met 'n baie hoë getrouheid tussen verskillende ione te onderskei. Hoe dit moontlik is, is 'n fundamentele vraag wat wetenskaplikes lankal gefassineer het. Op die mees fundamentele vlak word daar verwag dat ioonselektiwiteit moet voortspruit uit 'n delikate balans van sterk interaksies. Tog is dit moeilik om die belangrikste mikroskopiese faktore te identifiseer en te kwantifiseer, aangesien baie hiervan nie direk deur eksperimente gemeet kan word nie. Teorie en berekeninge kan bydra deur 'n virtuele roete te verskaf om die ontbrekende inligting aan te vul. Omdat ioonselektiwiteit dikwels deur termodinamiese faktore oorheers word, word gedetailleerde molekulêre dinamika (MD) vrye energie-simulasies belangrike hulpmiddels. Dit is vroeg reeds helder geïllustreer met studies van ioonoplosing (Straatsma en Berendsen, 1988 Åqvist, 1990) en ioon-selektiewe sisteme (Lybrand et al., 1986 Grootenhuis en Kollman, 1989 Åqvist, 1992). Hierdie baanbrekerstudies het ons eie pogings geïnspireer.

In hierdie perspektief beoog ons om ons begrip van ioonselektiwiteit aan te bied soos dit oor ongeveer 15 jaar ontwikkel het uit studies gebaseer op verskeie spesifieke strukture: gramisidin A-kanale (bv. Roux, 1996 Allen et al., 2006), die KcsA-kanaal ( bv. Bernèche en Roux, 2000, 2001, 2003, 2005 Noskov et al., 2004a Egwolf en Roux, 2010), die NaK-kanaal (Noskov en Roux, 2007), die LeuT-vervoerder (Noskov en Roux, 2008), en die Na/K-pomp (Ratheal et al., 2010). Ons bespreek ook die insigte wat verkry kan word uit eenvoudige modelle, wat gebruik kan word om fundamentele fisiese beginsels wat ioonselektiwiteit in kanale en vervoerders beheer, te illustreer en te verduidelik (Noskov et al., 2004a Noskov en Roux, 2007, 2008 Yu en Roux, 2009 Yu et al., 2009, 2010b Roux, 2010a).

In Afdeling 1 bied ons kortliks sommige van die historiese agtergrond aan wat ons studies van ioonselektiwiteit in die afgelope dekade gemotiveer en gevorm het, wat aangespoor is deur die bepaling van die x-straalstruktuur van die KcsA K + -kanaal. Ons gaan dan voort met 'n bespreking van die fenotipe van selektiwiteit (Afdeling 2), vrye energie-landskappe (Afdeling 3), die teoretiese formulering van verminderde modelle (Afdeling 4), en kwessies van akkuraatheid in kragvelde (Afdeling 5). Die oorsig eindig met 'n kort gevolgtrekking in Afdeling 6.

1. Historiese konteks

Die x-straalstruktuur van die KcsA K + kanaal het 'n eerste kans gebied om die argitektuur van 'n hoogs selektiewe biologiese kanaal te visualiseer (Doyle et al., 1998). Die struktuur (Fig. 1 A) het getoon dat K +-ione wat die nouste gebied van die porie binnegaan, die selektiwiteitsfilter, gekoördineer word deur ruggraatkarboniel-suurstof (Fig. 1 B). Die x-straalstruktuur blyk direkte ondersteuning te bied vir 'n eenvoudige en aantreklike strukturele verduideliking van ioonselektiwiteit in noue ooreenstemming met die knuspasmeganisme (Bezanilla en Armstrong, 1972), wat daarna implisiet as vanselfsprekend aanvaar word (Hille et al., 1999).Die algemene idee, ontleen aan gasheer-gas chemie, is dat die nou porie perfek geskik is (op die sub-angstrom vlak) om 'n holte van die gepaste grootte te voorsien om K + te pas, maar nie in staat is om - om strukturele redes - aan te pas na die effens kleiner Na + (Dietrich, 1985). Baie vroeg egter het MD-simulasies gebaseer op alle-atoommodelle voorgestel dat die selektiwiteitsfilter van die KcsA-kanaal dalk te buigsaam is om aan die vereiste van die tradisionele knuspasmeganisme te voldoen (Guidoni et al., 1999 Bernèche en Roux, 2000 Biggin et al., 2001). In MD-simulasies wat by kamertemperatuur uitgevoer is, het die fluktuerende filter gelyk of dit maklik vervorm om Na + te wieg met min energiekoste, 'n waarneming wat nie ooreenstem met die voorgestelde strukturele verduideliking van selektiwiteit nie (Hille et al., 1999).

MD simulasies en multi-ioon potensiaal van gemiddelde krag (PMF) berekeninge is gebruik om die posisie van al die K + bindingsplekke langs die porie te voorspel, wat toon dat die vrye energie hindernisse wat ioongeleiding teenstaan ​​nie groter as 'n paar was nie kBT en dat die porie selektief was vir K + bo Na + (Bernèche en Roux, 2001). All-atoom alchemiese vrye energie versteuring (FEP) MD (FEP/MD) simulasies is uitgevoer om ioon selektiwiteit in kwantitatiewe terme te karakteriseer. Die relatiewe affiniteit van K + en Na + , ΔΔGNa, K, is bereken vir die vyf katioonbindingsplekke wat langs die nou porie geleë is (S0-S4 Fig. 1 B),

waar Δ G Na,K-plek = [G Na-plek − G K-plek ] en Δ G Na,K grootmaat = [ G Na grootmaat − G K grootmaat ] . (Deur hierdie definisie is 'n bindingsplek K + selektief wanneer ΔΔGNa, K is positief en Na + selektief wanneer dit negatief is.) Sulke FEP/MD-berekeninge veronderstel dat ioon-selektiwiteit verstaan ​​kan word op grond van termodinamiese bindingsewewig, wat enige kinetiese oorwegings uitlaat (sien Afdeling 3). Die berekeninge het getoon dat die katioonbindingsplekke in die dinamiese selektiwiteitsfilter wat in die MD-simulasies waargeneem is, inderdaad selektief was vir K + oor Na +, veral die plek S2 geleë in die middel van die nou porie. Destyds het die voorstel van 'n K + -selektiewe buigsame filter wat angstromskaal fluktuasies ondergaan, konseptueel onversoenbaar gelyk met die beskikbare hoë-resolusie x-straalstrukture.

Om hierdie dilemma op te los, is 'n reeks rekenaareksperimente toe uitgevoer op 'n wye reeks atoommodelle van 'n KcsA-bindingsplek (Noskov et al., 2004a). Die doel was eerstens om 'n oortuigende demonstrasie aan te bied dat ioonselektiwiteit moontlik was in 'n losweg beperkte buigsame bindingsplek waarin die voorwaardes vir die klassieke knuspasmeganisme nie gerealiseer is nie, en tweedens om die mikroskopiese elemente wat tot selektiwiteit aanleiding gee, af te baken. onder sulke omstandighede. Die ontleding het gelei tot 'n verrassende en uitdagende gevolgtrekking. Daar is waargeneem dat robuuste vrye energieverskille wat selektiwiteit beheer, hoofsaaklik ontstaan ​​uit die aantal en tipe ioonkoördinerende ligande, sonder dat dit nodig is om die posisie van daardie ligande tot sub-angstrom-presisie af te dwing (Noskov et al., 2004a). Selektiwiteit vir K + oor Na + was betekenisvol (d.i. >4–5 kcal/mol) slegs met agt karbonielagtige ligande. Die relatiewe vrye energie van K + en Na + in die porie was die gevolg van 'n plaaslike kompetisie tussen die gunstige ioon-ligand interaksies en die ongunstige ligand-ligand interaksies. Dit het gewys op die belangrikheid van plaaslike energie in buigsame bindingsplekke, 'n taamlik nuwe konsep.

In hierdie raamwerk is die ioonkoördinasie deur die karbonielligande beskryf as "dinamies" en vloeistof-agtig," as 'n kontras met die noupassende prentjie met sy geometrie afgedwing tot sub-angstrom posisionele presisie. Dit het blykbaar tot 'n mate van ongelukkige verwarring gelei, aangesien sommige die semantiek te letterlik opgeneem het. Met vloeistofagtig is bedoel dat die karboniele wat die ioon koördineer fluktueer soos die ligande in die eerste koördinasiedop van 'n ioon wat in 'n vloeistof opgelos is (dws die eerste piek in die radiale verspreidingsfunksie van die ligande rondom die ioon het soortgelyke breedtes). Verder spruit die relatiewe vrye energie van K + en Na + in die porie voort uit 'n balans van dinamiese plaaslike interaksies, wat sekere ooreenkomste met ioonoplosing in 'n vloeistof het (sien Afdeling 4). Om die dinamika van proteïene as vloeistofagtig te beskryf (McCammon et al., 1977 Sheinerman en Brooks, 1998) of vloeistofagtig (Caspar et al., 1988 Kneller en Smith, 1994 Lindorff-Larsen et al., 2005) is eintlik redelik algemeen. Nietemin kan semantiese kortpaaie verwarring veroorsaak, want om 'n duidelike onderskeid te tref tussen 'n materiaal wat styf en rigied is teenoor een wat dinamies en buigsaam is, is deels subjektief en konteksafhanklik. Begrippe van rigiditeit en buigsaamheid in die geval van ioonkanale het slegs kwantifiseerbare betekenis sodra skale van lengtes en energieë gespesifiseer is (Allen et al., 2004). In fisiese chemie is daar 'n lang tradisie wat staatmaak op die Lindemann-smeltkriterium (Lindemann, 1910), waarvolgens 'n materiaal as meer vloeistofagtig as vastestofagtig verklaar word wanneer die wortel-gemiddelde-kwadraat-skommelinge van die atome oorskry ~10–15% van die naaste buurafstand. Hierdie tipe analise is dikwels gebruik om die gevoude en die sogenaamde gesmelte globule toestande van 'n proteïen te kontrasteer (Zhou en Karplus, 1997, 1999 Jang et al., 2002). Met wortel-gemiddelde-kwadraat-skommelings wat ~1 Å is en ioon-karbonielafstande ~3 Å, is die karbonielligande vloeistofagtig op atoomlengteskale volgens die Lindemann-kriterium. Maar die analogieë met ioonoplosing in 'n vloeistof moet nie oorbeklemtoon word nie. Mens moet nooit uit die oog verloor dat die atoomskommelings vanaf MD hoogstens in die orde van ~1 Å is nie (Noskov et al., 2004a), en dat die proteïen onomwonde 'n noodsaaklike strukturele rol speel deur die ioon en die karboniele binne sommige beperk te hou. klein streek.

Om verder te illustreer hoe grootte-selektiwiteit ondersteun kan word in 'n buigsame bindingsplek in die afwesigheid van enige presiese strukturele geometrie, is eenvoudige modelle ("speelgoed") bekendgestel met karbonielagtige groepe beperk tot 'n sferiese gebied (Noskov et al., 2004a) . Deur konstruksie verhoed geen beperkingskragte die ineenstorting van die ligande op die ioon nie. Tog het FEP/MD berekeninge getoon dat robuuste selektiwiteit vir K + kan voorkom. Dat so 'n eenvoudige model selektiwiteit vir K + oor Na + sou oplewer, was onverwags en vir baie verbasend. Na hierdie werk het verskeie teoretiese studies analoge verminderde speelgoedmodelle ondersoek om te ondersoek hoe hulle grootteselektiwiteit kan vertoon (Asthagiri et al., 2006 Bostick en Brooks, 2007, 2009, 2010 Thomas et al., 2007, 2011 Varma en Rempe, 2007 , 2008 Dudev en Lim, 2009). Alhoewel dit verskil in klem, het die ontluikende konsensus uit hierdie en ons eie studies breedweg bevestig dat, afhangende van die aantal en tipe ligande, robuuste ioon-selektiwiteit moontlik is in 'n losweg beperkte buigsame bindingsplek waarvoor die klassieke idee van nougepasmaakte nie van toepassing is nie.

2. Die funksionele konsep van ioonselektiwiteit

Dit is nuttig om daarop te let dat die idee van ioonselektiwiteit verskillende dinge operasioneel kan beteken, afhangende van die molekulêre stelsel wat oorweeg word (bv. 'n ioonkanaal of 'n vervoerder) en van die eksperimentele toestande wat gebruik word om die stelsel te ondersoek (bv. , ewewigsbinding of nie-ewewig vloed en ioniese stroommetings). In die geval van 'n vervoerder is dit redelik om te verwag dat ioonbinding selektiwiteit hoofsaaklik termodinamies deur ewewigsbinding beheer sal word, omdat die leeftyd van die verskillende konformasietoestande van die proteïen uiters lank is. Hierdie situasie is ondubbelsinnig vatbaar vir FEP/MD-berekeninge. In die geval van ioonkanale kan selektiwiteit verskillende dinge beteken, alhoewel daar uiteindelik verstaan ​​word dat die verkeerde soorte ione meer probleme sal ondervind as die regte soort ione om deur te dring.

Klassiek is ioonkanaal selektiwiteit gekenmerk deur die bepaling van die deurlaatbaarheidsverhouding vanaf die omkeerpotensiaal (nul netto stroom) onder bioniese toestande. Berekeningstudies is in staat om hierdie situasie te simuleer en die oorsprong van die omkeerpotensiaal in 'n asimmetriese ioniese konsentrasie met byna kwantitatiewe akkuraatheid vir OmpF-porien (Im en Roux, 2002) en α-hemolisien te verduidelik (Noskov et al., 2004b Egwolf et al. ., 2010 Luo et al., 2010). Metings van omkeerpotensiale word egter onprakties vir hoogs selektiewe kanale soos die K + kanale. In hierdie geval bied alternatiewe metodes soos Ba 2+ blokkadeverligting (Neyton en Miller, 1988a,b) of Na + punchthrough (Nimigean en Miller, 2002) meer effektiewe strategieë om selektiwiteit met kwantitatiewe akkuraatheid te karakteriseer. Ba 2+-blok is meer sensitief vir die diepte van die vrye-energie-minima van die bindingsplekke (d.w.s. ewewigsbinding), terwyl Na + deurslag meer sensitief is vir die hoogte van vrye energieversperrings (d.w.s. nie-ewewigtempo's).

Implisiet word aanvaar dat die verskynsel van ioonpermeasie en selektiwiteit deur 'n oop geleidende porie onafhanklik van gate en inaktivering bespreek kan word. In werklikheid is die situasie meer ingewikkeld. Byvoorbeeld, die filter van sommige K + kanale is nie in staat om in 'n geleidende konformasie te bly wanneer dit aan 'n ioniese oplossing met min of geen K + ione blootgestel word nie. Onder sulke toestande verander die filter vinnig na 'n nie-geleidende toestand omdat K + ione nodig is om die geleidende toestand van die kanaal te handhaaf, wat aanleiding gee tot 'n soort konformasiegedrewe superselektiwiteit. ’n Voorbeeld hiervan word verskaf deur wildtipe KcsA-kanaal (Lockless et al., 2007). Van moontlike relevansie vir hierdie waarnemings, die selektiwiteitsfilter van die bakteriële KcsA-kanaal herbegin die meeste van die kenmerke van C-tipe inaktivering wat deur eukariotiese spanningafhanklike K +-kanale vertoon word (Cordero-Morales et al., 2006, 2007 Cuello et al., 2010). Die komplekse verskynsel van super-selektiwiteit moet onderskei word van die eenvoudiger en dalk meer tradisionele idee van geleidende-toestand selektiwiteit, wat die primêre onderwerp van hierdie Perspektief is. Voorbeelde van kanale wat die verskynsel van geleidende-toestand selektiwiteit ondubbelsinnig vertoon deur in die geleidende toestand te bly selfs in die volledige afwesigheid van K + is die MthK-kanaal (Ye et al., 2010) en die sintetiese KcsA D-Ala77 (Valiyaveetil et al. ., 2006). Rekenkundige studies van selektiwiteit in K + kanale het hoofsaaklik gefokus op die verskynsel van geleidende-toestand selektiwiteit (Bernèche en Roux, 2001 Luzhkov en Åqvist, 2001 Noskov et al., 2004a Thompson et al., 2009 Egwolf en Roux, 2009). Minder aandag is gewy aan die karakterisering van die komplekse koppeling tussen selektiewe ioonbinding en die konformasiestabiliteit van die filter betrokke by super-selektiwiteit deur gebruik te maak van berekeningsmetodes. Vorige studies van die relatiewe stabiliteit van die geleidende en sogenaamde lae-K+-struktuur van die wildtipe KcsA-kanaal en hoe dit van ioonbesetting afhang, verskaf voorbeelde van die uitdagings en probleme wat dalk voorlê (Domene en Furini, 2009 Boiteux en Bernèche, 2011). Om hierdie kwessies sistematies aan te spreek sal gevorderde berekeningstegnieke vereis wat komplekse konformasieveranderinge in makromolekules kan beskryf (Domene et al., 2008 Pan en Roux, 2008 Pan et al., 2008 Maragliano et al., 2009).

3. Selektiwiteit vanuit die perspektief van die multi-ioon vrye energie landskap

Die eenvoudigste siening van geleidende-toestand selektiwiteit begin met die aanname dat daar goed gedefinieerde bindingsplekke bestaan ​​wat deur óf K + óf Na + beset kan word. Binne hierdie konteks kan die probleem behandel word met FEP/MD simulasies om die relatiewe vrye energie van K + en Na + in die bindingsplek van belang te bereken via Vgl. 1. Maar geleidende-toestand selektiwiteit kan ook 'n gevolg wees van kinetiese faktore wat veroorsaak word deur verskille in vrye energie hindernisse (Thompson et al., 2009 Nimigean en Allen, 2011). Verder is dit goed om te onthou dat ioonkanale nie regtig ontwerp is om ione in plek te hou nie, maar om hulle toe te laat om vinnig oor die membraan te diffundeer. Daarom is dit waarskynlik dat bindingsplekke binne die porie, selfs wanneer hulle bestaan, taamlik vlak moet wees en geskei moet word deur klein vrye energieversperrings.

'n Meer volledige ontleding van geleidende-toestand selektiwiteit vereis die kennis van die hele vrye-energie-oppervlak wat die multi-ioon-permeasieproses beheer, met al sy vry-energie putte en hindernisse (Bernèche en Roux, 2001 Roux et al., 2004 Furini en Domene, 2009). Dit kan bereik word deur die PMF vir die ione in die porie te bereken, W(Z1,Z2,Z3), met behulp van sambreelsteekproefneming MD-simulasies (Bernèche en Roux, 2001, 2003). Byvoorbeeld, die multi-ioon PMF van K + ione wat deur die KcsA selektiwiteitsfilter translokeer vertoon 'n reeks katioonbindingsplekke wat slegs deur klein vrye energie hindernisse geskei word (Bernèche en Roux, 2001), wat 'n maksimum kanaalgeleiding van ~300–500 lewer. pS, in goeie ooreenstemming met eksperimente (Bernèche en Roux, 2003). Die oorheersende aanklop-ioongeleidingsmeganisme wat uit die PMF-berekeninge onttrek is, word ondersteun deur die resultate van lang onbevooroordeelde MD-trajekte (Jensen et al., 2010).

Onder fisiologiese toestande is die funksionele gevolg van die hoë selektiwiteit van K+-kanale hoofsaaklik om die binnedring van Na+-ione vanaf die ekstrasellulêre kant te voorkom. Om meer oor hierdie proses te wete te kom, is alle-atoom MD-simulasies met 'n eksplisiete membraan gebruik om die multi-ioon PMF's te bepaal wat ooreenstem met die toetrede van 'n ekstrasellulêre ioon, Na + of K + , in die selektiwiteitsfilter van die KcsA-kanaal terwyl dit is in sy geleidende toestand en beset deur twee K + ione (Egwolf en Roux, 2010). Die berekeninge, opgesom in Fig. 2, was in staat om sleutelverskille tussen die toetrede van 'n K + of Na + ioon in die porie vas te vang. Die belangrikste is dat die PMF's in Fig. 2 A toon dat die gebied wat ooreenstem met die bindingsplek S2 naby die middel van die nou porie na vore kom as die mees selektiewe vir K + oor Na +. In die besonder, alhoewel daar 'n stabiele minimum vir K + in die terrein S2 is, staar die Na + ioon 'n steil stygende vry-energielandskap in die gesig met geen plaaslike put in hierdie streek nie. Alhoewel S2 'n stabiele ligging vir K + is, kan dit 'n stabiele bindingsplek vir Na + wees slegs in die konteks van 'n multi-ioonkonfigurasie, met ander ione gebind in die plekke S0 en S4. Dit het belangrike implikasies vir alchemiese FEP/MD-studies van ioonselektiwiteit in die KcsA-kanaal. Dit is ook moontlik om die gemiddelde aantal koördinerende suurstowwe vanaf ruggraatkarbonielgroepe of watermolekules rondom die K + en Na + ioon te monitor tydens die toetredeproses om te sien hoe dit met die vrye energie landskap korreleer. Die resultate word in Fig. 2 B getoon. Soos verwag, neem die aantal koördinerende watermolekules af soos die ioon van die massafase na die nou selektiwiteitsfilter beweeg, vir Z1 < 7 Å. Dit is betekenisvol dat die toename in selektiwiteit vir K + oor Na + wat naby die terrein S2 waargeneem word, blykbaar hoofsaaklik gekorreleer word met veranderinge in die tipe koördinerende ligande (karboniele vs. watermolekules).

Die kritieke rol van die sentrale streek naby die bindingsplek S2 van KcsA word ook weerspieël in die poriestruktuur van homoloë kanale. Byvoorbeeld, een van die hoofverskille tussen die nie-selektiewe kationiese NaK-kanaal en die K + -selektiewe KcsA-kanaal is die verbreding van die porie op die vlak van die sentrale bindingsplek S2 in NaK (Shi et al., 2006). Dit het gelei tot die voorstel dat verlies aan selektiwiteit op die vlak van die sentrale terrein S2 die hoofrede kan wees waarom die NaK-kanaal Na + kan gelei anders as KcsA (Zagota, 2006), wat met MD-simulasies gekorreleer is (Noskov en Roux) , 2007). Resultate van MD oor die NaK-kanaal (Noskov en Roux, 2007) is daarna deur bykomende x-straalstrukture bevestig (Alam en Jiang, 2009, 2011).

4. Studies van ioonselektiwiteit gebaseer op verminderde modelle

Alhoewel berekeninge wat die multi-ioon vrye energie-oppervlak verantwoord, wenslik is (sien Afdeling 3), kan teoretiese studies gebaseer op verminderde modelle wat slegs die ioon en die naaste koördinerende ligande bevat betekenisvolle insig verskaf wanneer selektiwiteit met termodinamiese bindingsewewig in 'n goed- gedefinieerde webwerf. Daar word nie tipies verwag dat langafstandinteraksies van verafgeleë dele van die proteïen of die oplosmiddel relatiewe vrye energieverskille direk sal beïnvloed as die lading van die ioon byvoorbeeld onveranderd bly, soos die geval is met Na + en K + . Langafstand-effekte kan egter 'n indirekte invloed hê wanneer byvoorbeeld die strukturele stabiliteit van 'n bindingsplek beïnvloed word deur 'n mutasie in 'n verre oorblyfsel, of dit kan die aanvang van een of ander bouvormgedrewe superselektiwiteit veroorsaak (sien Afdeling 2). Nietemin is die beskrywing van aspekte van ioon-selektiwiteit vanuit plaaslike energie, selfs al is daar konformasie-oorgange, formeel moontlik deur 'n stap-vir-stap vrye energie-ontbinding te oorweeg (Deng en Roux, 2009).

(a) Formulering van gereduseerde modelle.

Deur konstruksie behandel verminderde modelle slegs die ioon en die omliggende koördinerende ligande eksplisiet. Die effek van die ontbrekende atome van die proteïen of die oplosmiddel moet indirek geïnkorporeer word via ruimtelike beperkings wat op die ioon en ligande inwerk. Uiteraard kan die resultate sterk beïnvloed word deur die karakter van daardie beperkings (bv. sien Yu et al., 2009), en verminderde modelle met óf baie los óf baie stywe beperkings kan lei tot baie verskillende gevolgtrekkings oor ioonselektiwiteit. Sulke dubbelsinnigheid en willekeur verhoog die moeilikheid om betekenisvolle gevolgtrekkings te maak uit studies gebaseer op verminderde modelle.

Om hierdie kwessie aan te spreek, is 'n statistiese meganiese raamwerk vir die plaaslike strukturele determinant van ioonselektiwiteit in proteïenbindingsplekke geformuleer (Yu et al., 2010b). Eerstens, 'n plaaslike subsisteem wat die ioon en die N koördinerende ligande word gedefinieer. Dan word die invloed van die res van die sisteem op die subsisteem streng uitgedruk as die som van twee afsonderlike bydraes. Die eerste inkorporeer al die molekulêre kragte wat die ioon en die koördinerende ligande losweg tot 'n mikroskopiese subvolume beperk hou, maar dit verhoed nie die ligande om aan te pas by 'n kleiner of groter ioon nie, terwyl die tweede al die oorblywende kragte wat die presiese geometrie van die koördinerende ligande wat die beste aangepas is vir 'n gegewe ioon. 'n Effektiewe veerkonstante, λg, wat bepaal word uit die termiese fluktuasies van die ligande word ingestel om verslag te doen oor die grootte van die geometriese presisiekragte.

(b) Twee meganismes van ioonselektiwiteit.

Die raamwerk openbaar die bestaan ​​van twee afsonderlike en geïdealiseerde beperkende meganismes wat in staat is om aanleiding te gee tot ioonselektiwiteit in proteïenbindingsplekke (Yu et al., 2010b). In een limiet is die meetkundige kragte dominant (λg→∞) en die bindingsplek is amper styf. Dan kan dit aangetoon word dat die vrye energie verskil ΔΔGNa, K word bepaal deur die verskil tussen die gemiddelde ioon-ligand interaksies,

en dat ioonselektiwiteit steries beheer word deur die holtegrootte, volgens die bekende knuspasmeganisme. In die ander limiet is die meetkundige kragte weglaatbaar (λg→0), en die ione en ligande is vry om te fluktueer en aan te pas by ione van verskillende groottes. Ons het hierdie situasie, wat ietwat minder bekend is, die beperkte mikrodruppel genoem. In hierdie geval kan dit streng aangetoon word uit 'n statistiese meganiese ontwikkeling dat vrye energie verskil ΔΔGNa, K word bepaal deur die wisselwerking tussen die gemiddelde ioon-ligand en ligand-ligand interaksies,

Twee belangrike fisiese faktore beheer die relatiewe vrye energie in die beperkte mikrodruppellimiet: die aantal beskikbare ligande N en hul fisiese eienskappe. Laasgenoemde sluit elektrostatiese (dipool, lading en polariseerbaarheid) sowel as nie-elektrostatiese (vorm, radius en grootte) faktore in. Vrye energie verskille word oorheers deur entalpiese bydraes, soos −TΔS is dikwels weglaatbaar (Noskov en Roux, 2006 Roux, 2010a). Dit is egter belangrik om termies-gemiddelde energieë te oorweeg omdat 'n analise gebaseer op energieminima van geoptimaliseerde geometrieë tot beduidende foute kan lei (Yu en Roux, 2009 Dixit en Asthagiri, 2011).

Volgens Vgl. 3, beide die gunstige (negatiewe) ioon-ligand en ongunstige (positiewe) ligand-ligand interaksies dra by en kompeteer, op 'n nie-triviale wyse, om selektiwiteit in die beperkte mikrodruppel te beheer. Die ligand-ligand interaksie tree op soos 'n energieke stam. Soortgelyke gevolgtrekkings is verkry deur Asthagiri en medewerkers (Asthagiri et al., 2006 Dixit et al., 2009) deur gebruik te maak van 'n ontleding van alle-atoom MD en verminderde modelle. Verskille in die gemiddelde ioon-ligand interaksie, 〈 U ioon − ligand 〉 (Na) − 〈 U ioon − ligand 〉 (K) ⁠ , gee nie aanleiding tot selektiwiteit in die beperkte mikrodruppel limiet nie, in teenstelling met die gasheer-gas meganisme met vaste holte radius soos beskryf deur Vgl. 2, wat die belangrikheid van die ligand-ligand-interaksies in die ontleding van buigsame sisteme verder illustreer. 'n Duidelike bespreking van hierdie kwessie is verskaf in Asthagiri et al. (2006). Mens kan daarop let dat met een ioon en N ligande, daar is N ioon-ligand pare en N(N-1)/2 ligand-ligand pare. Daar word dus nie verwag dat Δ G Na,K-terrein tipies 'n eenvoudige afhanklikheid ten opsigte van N.

Dit is opmerklik dat daar geen eksplisiete bydraes van proteïenkragte is tot die vrye energie verskil Δ G Na,K terrein wat die ioonselektiwiteit in Vgl. 3. Dit is nietemin belangrik om in gedagte te hou dat die oorvol omgewing wat deur die inperking opgelê word, 'n deurslaggewende kenmerk is van die konteks wat selektiwiteit in sulke stelsels onderlê. Dit word byvoorbeeld goed verstaan ​​dat heeltemal vrye en onbeperkte ligande (soos in 'n grootmaat vloeistof) nie tipies hoë selektiwiteit vertoon nie. Nietemin hoef die ruimtelike inperking nie presies te wees om aanleiding te gee tot ioonselektiwiteit nie. Nie-triviale vrye energiepatrone kan na vore kom, selfs in die konteks van 'n relatief generiese en kenmerklose bevalling. Dit is in treffende kontras met die noupassende meganisme, wat proteïenkragte vereis wat 'n presiese geometrie dikteer. Daarom, in die beperkte mikrodruppel limiet, speel die proteïenstruktuur 'n kritieke rol om selektiwiteit te ondersteun, alhoewel nie deur 'n spesifieke holtegrootte met 'n ligandgeometrie af te dwing tot sub-angstrom-presisie nie, en ook nie deur direk by te dra tot die vrye energie verskille nie. Alhoewel daar klemverskille is, stem hierdie waarnemings ooreen met die analise wat deur Varma et al. (2011).

In die lig van hierdie teoretiese analise, verskyn die noupassende en die beperkte mikrodruppel nou as twee uiterste en geïdealiseerde fisiese meganismes van ioonselektiwiteit. Daar word verwag dat werklike sisteme 'n gemengde karakter sal aanneem tussen hierdie twee geïdealiseerde sienings. Sommige bindingsplekke kan nie selektief wees sonder bykomende argitektoniese kragte wat die ligandgeometrie stabiliseer nie (bv. die terrein Na2 in LeuT), terwyl ander sterk selektief kan wees in die beperkte mikrodruppellimiet (bv. die terrein S2 van KcsA of die terrein Na1 in LeuT) . Sulke robuuste neigings wat in die beperkte mikrodruppellimiet voorkom, stem ooreen met 'n inherente selektiwiteit, wat 'n opkomende eienskap is wat bepaal word deur die aantal en tipe ligande wat die bindingsplek vorm (sien Afdeling 4c hieronder).

Die resultate van Fig. 3 toon dat dit uiters moeilik is om die inherente selektiwiteit in die geval van die KcsA-terrein S2 of die terrein Na1 van die LeuT teë te werk met klein veranderings aan die struktuur of die argitektoniese kragte. Dit is moontlik om die plaaslike geometrie van die ligande aan te pas om 'n vermeende Na + -selektiewe KcsA-bindingsplek of 'n K + -selektiewe LeuT-Na1-plek te konstrueer, maar die plekke word slegs selektief wanneer die proteïen onrealisties styf gemaak word (λg>>10 kcal/mol/Å 2 ). Soortgelyke resultate is voorheen in 'n aanvanklike studie getoon (sien Fig. 3 van Noskov et al., 2004a). Hierdie analise dui daarop dat die stabilisering van die plaaslike geometrie om voort te bou op die inherente selektiwiteit gestel deur die aantal en tipe ioon-koördinerende ligande waarskynlik 'n belangrike ontwerpbeginsel van ioon-selektiewe bindingsplekke in proteïene en ander biologiese makromolekules is. Byvoorbeeld, 'n mate van inherente selektiwiteit kan vertoon word deur 'n losweg beperkte bindingsplek wat in 'n onvolmaakte gevoude proteïen in 'n vroeë stadium van sy evolusie bestaan. Dan kan die aminosuurvolgorde vervolgens mutasies ondergaan om die argitektoniese styfheid van die bindingsplek na 'n noupassende meganisme te verhoog as dit 'n funksionele voordeel bied, bv. sien die interessante evolusionêre analise van katioon-gereguleerde proteases deur Page en Di Cera (2006) ). Vanuit hierdie perspektief kan die verstewiging van die plaaslike argitektuur dien om die inherente selektiwiteit wat moontlik reeds binne 'n losweg beperkte terrein bestaan, te verbeter (eerder as teen te staan).

(c) Verwantskap met klassieke veldsterkteorie.

Die termodinamiese gedrag in die fluktuerende beperkte mikrodruppel het 'n paar ooreenkomste met die klassieke veldsterkteorie van Eisenman en Krasne (Eisenman, G. en S. Krasne. 1972. Verdere oorwegings oor die ioonselektiwiteit van draermolekules en membrane. Verrigtinge van die vierde Internasionale Biosfisika-kongres-simposium oor membraanstruktuur en -funksie), bv. laeveldligande is geneig om groter katione te bevoordeel, terwyl hoëveldligande geneig is om kleins te bevoordeel. Byvoorbeeld, selektiwiteit kan merkbaar na Na + verskuif as karboksilaat-suurstowwe (hoëveldligande) in 'n bindingsplek geïnkorporeer word. Maar tradisionele ioon-ligand veldsterkte argumente verduidelik nie hoekom 'n buigsame bindingsplek van agt karboniele sterk selektief bly vir K + nie, want die dipool van die ruggraat amiedkarboniel is ongeveer twee keer so groot as die dipool van 'n watermolekule die interaksie tussen 'n katioon en 'n enkele ruggraatkarboniel is aansienlik groter as dié met 'n watermolekule, en hierdie verskil is selfs meer prominent in die geval van Na + as vir K + (Noskov en Roux, 2006). Met ander woorde, karboniele is hoëveldligande volgens die tradisionele veldsterkte-argumente, en hulle sal Na + bo K + bevoordeel as dit nie vir die teen-effek (die elektrostatiese spanningsenergie) van ligand-ligand-interaksies was nie (Noskov en Roux, 2006 Dixit et al., 2009).

(d) 'n Wye reeks ioniese selektiwiteite.

Selfs verminderde modelle met eenvoudige opsluiting kan aanleiding gee tot 'n wye reeks ioniese selektiwiteite. Om dit te illustreer, is 'n uitgebreide versameling van 1 077 verminderde modelle gekarakteriseer deur gebruik te maak van FEP/MD-simulasies (Roux, 2010a). Die modelle het vier tot nege suurstofligande van verskillende tipes bestaan, met nul tot agt N-metielasetamied, metanol (CH3OH), of water, nul tot vier diglisiene (elk met twee ruggraatkarboniele), en nul tot twee neutrale of geïoniseerde asynsure (CHCOOH of CHCOO - , elk met twee suurstofligande). Die resultate het bevestig dat nie-triviale selektiwiteit kan ontstaan ​​in daardie verminderde modelle, sonder die behoefte aan presiese geometrie vir die ligande. Die idee dat selektiwiteit 'n ontluikende eienskap van self-georganiseerde beperkte mikrodruppels is, is soortgelyk aan die lading/ruimte-kompetisie-meganisme wat gebruik is om kalsiumkanale te modelleer, waar selektiwiteit spruit uit 'n balans van elektrostatika en die uitgesluit volume van ione in die oorvol selektiwiteit filter (Gillespie et al., 2005 Gillespie, 2008).

(e) Die kwessie van koördinasienommers.

Die aantal ligande sowel as hul eienskappe sal na verwagting belangrike rol speel in die selektiwiteit (Noskov et al., 2004a). Sommige ondersoekers stel egter voor dat selektiwiteit hoofsaaklik deur die aantal koördinerende ligande beheer word, en hul fisiese eienskappe is minder belangrik (Bostick en Brooks, 2007, 2009, 2010 Thomas et al., 2007 Varma en Rempe, 2007, 2008 Dudev en Lim, 2009). 'n Gedetailleerde punt-vir-punt bespreking van die uiteenlopende sienings vereis 'n kritiese ondersoek van hul statistiese meganiese onderbou en gaan verder as hierdie Perspektief. Van die spesifieke kwessies wat oorweeg moet word, is die gebruik van energie-minimalisering om vrye energie in verminderde modelle te skat (Yu en Roux, 2009), die onderliggende aannames wat gebruik word om die selektiwiteit van proteïenbindingsplekke af te lei gebaseer op die koördinasiegetalle van ione in grootmaat water (Yu et al., 2009), en die akkuraatheid (en toepaslikheid) van 'n benaderde statistiese meganiese raamwerk gebaseer op die primitiewe kwasi-chemiese teorie vir ioonoplosing in grootmaat vloeistowwe vir die modellering van proteïenbindingsplekke (Roux en Yu, 2010) . Alhoewel daar blykbaar geen konsensus is oor die beste benadering om die verskillende bydraes tot ioon-selektiwiteit op die oomblik te dissekteer nie, is 'n belangrike boodskap dat die verskillende studies saamstem dat nie-triviale neigings kan na vore kom in verminderde modelle met losweg beperkte ligande, afhangende van beide op die aantal en die tipe ligande. Die belangrikheid van chemie vir ioon-selektiwiteit - skaars 'n radikale idee - is duidelik te sien of 'n mens 'n ontleding van ioonbindingsplekke in proteïene in ag neem (Noskov en Roux, 2008), 'n karakterisering van 1 077 verminderde modelle van FEP/MD-simulasies (Roux, 2010a), of 'n vergelyking van eksperimentele ioonoplos-vrye energieë in verskeie organiese vloeistowwe (Fig. 2 in Varma et al., 2011).secc

5. Kragveld, geïnduseerde polarisasie en kwantummeganika (QM)

Gevolgtrekkings wat uit rekenaarstudies van ioonselektiwiteit verkry word, hang af van die akkuraatheid van onderliggende berekeningsmetodes. Simulasies van biomolekulêre sisteme word in wese beperk deur die akkuraatheid van die potensiële energie-oppervlak en statistiese steekproefneming (Roux, 2010b). Om betekenisvolle resultate te verkry, moet 'n mens 'n balans soek tussen meer akkurate maar duurder voorstellings van die energie-oppervlak en die verpligting om die relevante konfigurasies voldoende te monster. Die meeste simulasies van biomolekulêre stelsels is gebaseer op potensiële funksies met vaste effektiewe atoomladings (Åqvist, 1990 Cornell et al., 1995 MacKerell et al., 1998), wat op 'n gemiddelde manier verantwoordelik is vir baie-liggaam polarisasie effekte. Sulke rekenkundig goedkoop potensiële funksies maak dit moontlik om konformasieruimte met lang MD-trajekte breedvoerig te verken (Jensen et al., 2010). Maar met toenemend kragtige rekenaars word simulasies wat op meer gesofistikeerde voorstellings gebaseer is, bekostigbaar.

’n Belowende strategie om die akkuraatheid van MD-studies te verbeter, is die ontwikkeling van potensiële funksies wat eksplisiet verantwoordelik is vir geïnduseerde polarisasie (Grossfield et al., 2003 Patel et al., 2004 Lamoureux en Roux, 2006 Whitfield et al., 2007 Yu et al. , 2010a,c). Alhoewel simulasies van volle proteïene met polariseerbare kragvelde steeds nie gereeld uitgevoer word nie, is daar reeds 'n paar interessante resultate rakende ioonoplosing in water (Lamoureux et al., 2006 Yu et al., 2010c) en in vloeibare amiede (Grossfield et al., 2003 Yu et al., 2010a). Byvoorbeeld, volgens FEP/MD-berekeninge is daar 'n uiters skerp variasie in die relatiewe vrye energie van Na + en K + as 'n funksie van die aantal N-metielasetamiedmolekules in gereduseerde modelle, terwyl die ooreenstemmende vrye energie-variasies met watermolekules baie kleiner is (Yu et al., 2010a). Hierdie waarneming beklemtoon die kwantitatiewe verskille wat deur water en karboniele as ioonkoördinerende ligande aangebied word.

Nog 'n gebied van aansienlike vordering het betrekking op simulasies gebaseer op QM elektroniese struktuurteorieë (Bucher en Rothlisberger, 2010). Dit kan uitgevoer word in die konteks van Car–Parrinello MD (CPMD http://www.cpmd.org/), wat 'n algoritme is vir die generering van 'n MD-trajek van 'n periodieke stelsel wat die Born-Oppenheimer-oppervlak van 'n digtheidsfunksie benader. teorie (DFT) metode. Tipies is CPMD-simulasies beperk tot stelsels van slegs 'n paar honderd atome en 'n paar tientalle pikosekondes en is 'n paar duisend keer stadiger as simulasies wat polariseerbare kragvelde gebruik. CPMD is wyd gebruik om die oplossingstruktuur van gehidreerde ione te bereken (Whitfield et al., 2007) en is onlangs gebruik om die koördinasiemodusse van ione in die KcsA-selektiwiteitsfilter te modelleer (Bucher et al., 2007, 2010). As 'n woord van waarskuwing, konvensionele DFT-metodes is nie presies nie en onderskat dikwels intermolekulêre aantreklikhede wat voortspruit uit Van der Waals-verspreidingskragte. Dit kan lei tot beperkings in die voorstelling van die oplos van ione soos K + in vloeibare water, die simulasies lei tot 'n K + –O radiale verspreidingsfunksie wat breër en verskuif na groter afstande as die eksperimentele en molekulêre meganiese kragveldverspreidingsfunksies (Whitfield) et al., 2007). Soos geïllustreer in Fig. 4, is daar 'n mate van verbetering met CPMD-simulasies met 'n empiriese regstelling om rekening te hou met Van der Waals-verspreiding, maar die ooreenkoms met die eksperimentele verspreidingsfunksies wat geskat word uit neutronverstrooiing en anomale diffraksie x-straal absorpsie-fyn struktuur (XAFS) ) is swakker as dié met simulasies gebaseer op 'n polariseerbare kragveld (Whitfield et al., 2007). Veral die koördinasiegetal van K + (by r = 3.5 Å) word aansienlik beïnvloed deur die verspreidingskorreksie. Die koördinasiegetal neem toe van 6.15 in die ongekorrigeerde CPMD-simulasies tot 7.45 in die dispersie-gekorrigeerde CPMD-simulasies - 'n waarde groter as die een wat verkry word uit die nie-polariseerbare kragveld (6.77) en die polariseerbare kragveld (6.80). Dit illustreer dat die benaderings wat tans in CPMD-simulasies gebruik word, ioonoplosing wesenlik kan beïnvloed en met omsigtigheid oorweeg moet word. Daar kan nie aanvaar word dat 'n strategie gebaseer op QM metodes inherent beter is as een wat gebaseer is op 'n goed gekalibreerde kragveld vir die modellering van ioonkanaal selektiwiteit nie, maar dit bly waardevolle hulpmiddels om hierdie simulasies te parametriseer en te valideer.

Uiteindelik, wat saak maak, is die bepaling van die mate van vertroue rakende die gevolgtrekkings wat gemaak word uit enige gegewe berekening. 'n Goeie strategie is om die geldigheid van 'n dominante tendens te assesseer deur hoëvlakmetodes te gebruik. Byvoorbeeld, die belangrikheid van die karboniel-karboniel afstoting in die selektiwiteitsfilter van KcsA, wat die eerste keer opgemerk is in FEP/MD simulasies gebaseer op 'n nie-polariseerbare kragveld, is daarna geassesseer deur gebruik te maak van hoëvlak ab initio berekeninge om te wys dat die afstoting tussen watermolekules is kleiner as dié tussen karbonielgroepe (sien aanvullende materiaal in Noskov et al., 2004a). Meer onlangs is die belangrikheid van die karboniel-karboniel afstoting weer gedemonstreer in die CPMD simulasies van die KcsA kanaal uitgevoer deur Bucher et al. (2010). Dit is ook van belang om 'n paar vorige gevolgtrekkings oor die hoë K + selektiwiteit van die bindingsplek S2 in KcsA te hersien en te bekragtig deur gebruik te maak van FEP/MD-berekeninge met 'n polariseerbare model of 'n volledig QM-berekening gebaseer op DFT (Fig. 1 C). Die resultate wat in Tabel I gegee word, dui aan dat die relatiewe vrye energie van Na + en K + in alle gevalle redelik soortgelyk is, wat aandui dat betekenisvolle gevolgtrekkings gemaak is uit die FEP/MD-berekeninge gebaseer op die nie-polariseerbare kragveld.

6. Gevolgtrekking

Vroeë MD-simulasies van die KcsA-kanaal het die uitdagende idee na vore gebring dat ioonselektiwiteit sterk bereik kan word ten spyte van aansienlike strukturele buigsaamheid, wat 'n herondersoek van die mikroskopiese faktore wat aanleiding gee tot ioonselektiwiteit met behulp van 'n wye reeks berekeningseksperimente aanleiding gegee het. Sommige van daardie berekeningseksperimente het redelik kunsmatige situasies verteenwoordig (bv. die afskakeling van die karboniel-karboniel-afstoting in KcsA), terwyl ander verminderde modelle behels het (bv. 'n paar beperkte karbonielagtige ligande). Idees oor die behoefte aan presiese rigiede bindingsplekke is heroorweeg, en kwessies wat voorheen geglo is om opgelos te word, is heropen.

Klassieke idees oor selektiwiteit van geleidende toestande soos die noupassende meganisme, veldsterkte en vrye energieprofiele is steeds belangrik, maar hulle deel nou die verhoog met bykomende en minder bekende konsepte wat relevant is vir buigsame en losweg beperkte stelsels. Die uitdagende idee dat ioonselektiwiteit in 'n buigsame bindingsplek uit plaaslike energie kan voortspruit, is nou stewig gegrond. Hierdie analise het gehelp om die bestaan ​​van twee verskillende geïdealiseerde meganismes af te baken wat ioonselektiwiteit kan ondersteun (Yu et al., 2010b).

Baie van die vordering het staatgemaak op 'n kombinasie van alle-atoom MD simulasies op bekende strukture met eksplisiete oplosmiddel en membraan en die ontleding van verminderde modelle. Dit is ons stelling dat die verminderde modelle, hoewel nuttig vir die identifisering en illustrasie van fundamentele fisiese beginsels, altyd onderworpe sal wees aan studies oor werklike proteïenstrukture. Alhoewel kenmerke van verminderde modelle 'n kwessie van debat kan wees, is dit belangrik om te onthou dat die resultate van alle-atoom MD-berekeninge op KcsA, NaK en LeuT tot dusver in goeie ooreenstemming met eksperimente was. Hierdie relatiewe sukses van rekenaarsimulasies dui daarop dat hulle 'n realistiese voorstelling van hierdie molekulêre sisteme verskaf, en dat hulle kan bydra tot insig oor ioonselektiwiteit.

Tot nou toe was die meeste pogings implisiet gefokus op die faktore wat selektiwiteit in geleidende toestande beheer, met 'n redelike hoeveelheid aandag wat aan begrippe van termodinamiese ewewig gewy is. Meer pogings sal nodig wees om die komplekse verskynsel van bouvormgedrewe superselektiwiteit, wat steeds swak verstaan ​​word, beter te verstaan. Navorsing oor ioonkanaalselektiwiteit sal voortgaan om te vorder, met bykomende kanaalstrukture, tesame met verbeterings in berekeningsmodelle.

Bylaag

Vgl. 3, geneem uit Yu et al. (2010b), is nou verwant aan Vgl. 2 van Varma et al. (2011). Die verskil tussen die gemiddelde ioon-ligand interaksies vir Na + en K + , 〈 U ioon − ligand 〉 (Na) − 〈 U ioon − ligand 〉 (K) ⁠ , in Vgl. 3 is ekwivalent aan [ Δ UK → Na IL ] ⁠ , en die verskil tussen die gemiddelde ligand-ligand interaksies vir Na + en K + , 〈 U ligand − ligand 〉 (Na) − 〈 U ligand − ligand 〉 (K) ⁠ , in Vgl. 3 stem ooreen met [Δ U K → Na LL + Δ U K → Na intra] ⁠ . Verskille in entropie tussen ione, − T Δ S K → Na ⁠ , is dikwels klein in die praktyk en kan ter wille van eenvoud afgeskeep word (Roux, 2010a).Die oorblywende term is die gemiddelde interne energiebydrae van die eksterne veld wat deur die res van die proteïen Δ U K → Na-veld ⁠ opgelê word. As aangeneem word dat die eksterne veld van die proteïen ooreenstem met een of ander harde beperkende potensiaal wat op die ligande inwerk, U-veld ⁠ , is die gemiddelde daarvan eweredig aan ∫ dx U-veld ( x ) exp [ − U totaal ( x ) / k BT ] , wat sal na verwagting klein wees omdat die Boltzmann-faktor by al die punte weglaatbaar is x waar U-veld nie nul is nie (x verteenwoordig al die relevante grade van vryheid).

Hierdie Perspektiewe-reeks sluit artikels in deur Andersen, Alam en Jiang, Nimigean en Allen, Dixit en Asthagiri, en Varma et al. (geskeduleer vir die Junie 2011-uitgawe).


Wat is Eenvoudige Diffusie

Eenvoudige diffusie is 'n onondersteunde tipe diffusie waarin 'n deeltjie van 'n hoër na 'n laer konsentrasie beweeg. Die rigtingbeweging deur die konsentrasiegradiënt is passief. Sodra die molekules eweredig versprei word, bereik die molekules aan weerskante van die selmembraan 'n ewewig waar geen netto beweging van molekules waargeneem word nie. Oor die algemeen diffundeer klein nie-polêre molekules soos suurstof, koolstofdioksied en etanol vrylik oor die selmembraan. Die diffusietempo hang af van die temperatuur, molekulêre grootte en die steilheid van konsentrasiegradiënt. Temperatuur beïnvloed die kinetiese energie van deeltjies in 'n oplossing. Groot deeltjies word onderworpe aan 'n hoër weerstand binne 'n oplossing in vergelyking met kleiner deeltjies. Verder, wanneer die konsentrasiegradiënt hoog is, sal meer molekules deur die membraan beweeg. Eenvoudige diffusie oor die selmembraan word in Figuur 1.

Figuur 1: Eenvoudige Diffusie


Gefasiliteerde diffusie

Gefasiliteerde diffusie is die deurgang van molekules of ione oor 'n biologiese membraan deur spesifieke vervoerproteïene en vereis geen energie-insette nie. Gefasiliteerde diffusie word veral gebruik in die geval van groot polêre molekules en gelaaide ione sodra sulke ione in water opgelos is, kan hulle nie vrylik oor selmembrane diffundeer nie as gevolg van die hidrofobiese aard van die vetsuursterte van die fosfolipiede waaruit die dubbellaag bestaan. Die tipe draerproteïene wat in gefasiliteerde diffusie gebruik word, verskil effens van dié wat in aktiewe vervoer gebruik word. Hulle is steeds transmembraandraerproteïene, maar dit is omheinde transmembraankanale, wat beteken dat hulle nie intern translokeer nie, en ook nie ATP benodig om te funksioneer nie. Die substraat word in die een kant van die omheinde draer geneem, en sonder die gebruik van ATP word die substraat in die sel vrygestel. Hulle kan as potensiële biomerkers gebruik word.


2.4.7 Verduidelik hoe vesikels gebruik word om materiaal binne 'n sel tussen die growwe endoplasmiese retikulum, Golgi-apparaat en plasmamembraan te vervoer.

Nadat proteïene deur ribosome gesintetiseer is, word hulle na die growwe endoplasmiese retikulum vervoer waar hulle gemodifiseer kan word. Vesikels wat die proteïen dra bot dan van die growwe endoplasmiese retikulum af en word na die Golgi-apparaat vervoer om verder gemodifiseer te word. Hierna bot die vesikels wat die proteïen dra van die Golgi-apparaat af en dra die proteïen na die plasmamembraan. Hier versmelt die vesikels met die membraan en verdryf hul inhoud (die gemodifiseerde proteïene) buite die sel. Die membraan keer dan terug na sy oorspronklike toestand. Dit is 'n proses wat eksositose genoem word. Endositose is 'n soortgelyke proses wat behels die trek van die plasmamembraan na binne sodat die afknyp van 'n vesikel van die plasmamembraan plaasvind en dan kan hierdie vesikel sy inhoud oral in die sel dra.


DIE FOTOSINTETIESE PROSES

John Whitmarsh
Fotosintese Navorsingseenheid, Landbounavorsingsdiens/USDA
Departement Plantbiologie en Sentrum vir Biofisika en Rekenaarbiologie,
Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign

Govindjee
Departement Plantbiologie en Sentrum vir Biofisika en Rekenaarbiologie
Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign

Opsomming

Die primêre bron van energie vir byna alle lewe is die Son. Die energie in sonlig word in die biosfeer ingebring deur 'n proses bekend as fotosintese, wat in plante, alge en sommige soorte bakterieë voorkom. Fotosintese kan gedefinieer word as die fisies-chemiese proses waardeur fotosintetiese organismes ligenergie gebruik om die sintese van organiese verbindings aan te dryf. Die fotosintetiese proses hang af van 'n stel komplekse proteïenmolekules wat in en om 'n hoogs georganiseerde membraan geleë is. Deur 'n reeks energie-oordragreaksies omskep die fotosintetiese masjinerie ligenergie in 'n stabiele vorm wat vir honderde miljoene jare kan hou. Hierdie inleidende hoofstuk fokus op die struktuur van die fotosintetiese masjinerie en die reaksies wat noodsaaklik is vir die transformasie van ligenergie in chemiese energie.

INHOUDSOPGAWE

1. Inleiding

2. Kort geskiedenis

3. Klassifikasie van fotosintetiese organismes

4. Beginsels van Fotosintetiese Energie Transformasie

5. Suurstoffotosintese

6. Anoksigeniese fotosintese

7. Beheer van Intraproteïen-elektronvervoer

8. Globale Fotosintese en die Atmosfeer

Erkennings

Verwysings

1. INLEIDING

2. KORT GESKIEDENIS

3. KLASSIFIKASIE VAN FOTOSINTETIESE ORGANISME

4. BEGINSELS VAN FOTOSINTETIESE ENERGIE-TRANSFORMASIE

Die ligreaksies skakel energie in verskeie vorme om (Fig. 1). Die eerste stap is die omskakeling van 'n foton na 'n opgewonde elektroniese toestand van 'n antenna-pigmentmolekule wat in die antennastelsel geleë is. Die antennastelsel bestaan ​​uit honderde pigmentmolekules (hoofsaaklik chlorofil of bakteriochlorofil en karotenoïede) wat aan proteïene binne die fotosintetiese membraan geanker is en 'n gespesialiseerde proteïenkompleks dien wat bekend staan ​​as 'n reaksiesentrum. Die elektroniese opgewekte toestand word oor die antennamolekules oorgedra as 'n eksiton. Sommige opwekkings word terug in fotone omgeskakel en as fluoressensie uitgestraal, sommige word omgeskakel na hitte, en sommige word vasgevang deur 'n reaksiesentrumproteïen. (Vir 'n bespreking van die gebruik van fluoressensie as 'n sonde van fotosintese, sien bv. Govindjee et al., 1986 en Krause en Weis, 1991.) Eksitone vasgevang deur 'n reaksiesentrum verskaf die energie vir die primêre fotochemiese reaksie van fotosintese - die oordrag van 'n elektron van 'n skenkermolekule na 'n akseptormolekule. Beide die skenker- en aanvaardermolekules is aan die reaksiesentrumproteïenkompleks geheg. Sodra primêre ladingskeiding plaasvind, is die daaropvolgende elektronoordragreaksies energiek afdraand.

In suurstoffotosintetiese organismes (sien afdeling 5) werk twee verskillende reaksiesentrums, bekend as fotosisteem II en fotosisteem I, gelyktydig maar in serie. In die lig voer fotosisteem II elektrone na fotosisteem I. Die elektrone word van fotosisteem II na die fotosisteem I oorgedra deur intermediêre draers. Die netto reaksie is die oordrag van elektrone van 'n watermolekule na NADP+, wat die gereduseerde vorm, NADPH, produseer. In die fotosintetiese proses word baie van die energie wat aanvanklik deur ligenergie verskaf word as redoksvrye energie ('n vorm van chemiese vrye energie) in NADPH gestoor, om later in die reduksie van koolstof gebruik te word. Daarbenewens konsentreer die elektronoordragreaksies protone binne die membraanvesikel en skep 'n elektriese veld oor die fotosintetiese membraan. In hierdie proses skakel die elektronoordragreaksies redoksvrye energie om in 'n elektrochemiese potensiaal van protone. Die energie wat in die proton elektrochemiese potensiaal gestoor word, word deur 'n membraangebonde proteïenkompleks (ATP-Sintase) gebruik om 'n fosfaatgroep kovalent aan adenosiendifosfaat (ADP) te heg, wat adenosientrifosfaat (ATP) vorm. Protone gaan deur die ATP-Sintase-proteïenkompleks wat elektrochemiese vrye energie omskep in 'n tipe chemiese vrye energie bekend as fosfaatgroepoordragpotensiaal (of 'n hoë-energie fosfaatbinding) (Klotz, 1967). Die energie wat in ATP gestoor word, kan na 'n ander molekule oorgedra word deur die fosfaatgroep oor te dra. Die netto effek van die ligreaksies is om stralingsenergie om te skakel in redoksvrye energie in die vorm van NADPH en fosfaatgroepoordragenergie in die vorm van ATP. In die ligreaksies behels die oordrag van 'n enkele elektron van water na NADP+ ongeveer 30 metaalione en 7 aromatiese groepe. Die metaalione sluit 19 Fe, 5 Mg, 4 Mn en 1 Cu in. Die aromaten sluit kinone, feofietien, NADPH, tyrosien en 'n flavoproteïen in. Die NADPH en ATP wat deur die ligreaksies gevorm word, verskaf die energie vir die donker reaksies van fotosintese, bekend as die Calvyn-siklus of die fotosintetiese koolstofreduksie-siklus. Die reduksie van atmosferiese CO2 na koolhidraat vind plaas in die waterfase van die chloroplast en behels 'n reeks ensiematiese reaksies. Die eerste stap word gekataliseer deur die proteïen Rubisco (D-ribulose 1,5-bisfosfaatkarboksilase/oksigenase), wat CO2 aan 'n vyfkoolstofverbinding heg. Die reaksie produseer twee molekules van 'n driekoolstofverbinding. Daaropvolgende biochemiese reaksies behels verskeie ensieme wat koolstof deur waterstofoordrag verminder en die koolstofverbindings herrangskik om koolhidrate te sintetiseer. Die koolstofreduksie-siklus behels die oordrag en herrangskikking van chemiese bindingsenergie.

In anoksigeniese fotosintetiese organismes (sien afdeling 6) word water nie as die elektronskenker gebruik nie. Elektronvloei is siklies en word aangedryf deur 'n enkele fotosisteem, wat 'n proton elektrochemiese gradiënt produseer wat gebruik word om energie te verskaf vir die vermindering van NAD+ deur 'n eksterne H-atoom of e-skenker (bv. H2S of 'n organiese suur) in 'n proses bekend as " omgekeerde elektronvloei". Die binding van CO2 vind plaas via verskillende weë in verskillende organismes.

5. SUURSTOF FOTOSINTESE

5.1 Chloroplaste - Struktuur en Organisasie
By plante vind die fotosintetiese proses binne chloroplaste plaas, wat organelle is wat in sekere selle voorkom. Chloroplaste verskaf die energie en verminderde koolstof wat nodig is vir plantgroei en -ontwikkeling, terwyl die plant die chloroplast voorsien van CO2, water, stikstof, organiese molekules en minerale wat nodig is vir die chloroplastbiogenese. Die meeste chloroplaste is geleë in gespesialiseerde blaarselle, wat dikwels 50 of meer chloroplaste per sel bevat. Elke chloroplast word gedefinieer deur 'n binne- en 'n buitenste omhulselmembraan en is gevorm soos 'n konvekse meniskuslens wat 5-10 mikron in deursnee is (Fig. 2), hoewel baie verskillende vorms en groottes in plante gevind kan word. Vir besonderhede van chloroplaststruktuur, sien Staehlin (1986). Die binneste omhulselmembraan dien as 'n versperring, wat die vloed van organiese en gelaaide molekules in en uit die chloroplast beheer. Water gaan vrylik deur die omhulselmembrane, net soos ander klein neutrale molekules soos CO2 en O2. Daar is bewyse dat chloroplaste eens vry lewende bakterieë was wat lank gelede 'n nie-fotosintetiese sel binnegeval het. Hulle het van die DNA wat nodig is vir hul samestelling behou, maar baie van die DNA wat nodig is vir hul biosintese is in die selkern geleë. Dit stel 'n sel in staat om die biosintese van chloroplaste binne sy domein te beheer.

Binne die chloroplast is 'n ingewikkelde membraanstelsel, bekend as die fotosintetiese membraan (of tilakoïedmembraan), wat die meeste van die proteïene bevat wat benodig word vir die ligreaksies. Die proteïene wat benodig word vir die fiksasie en reduksie van CO2 is buite die fotosintetiese membraan in die omliggende waterfase geleë. Die fotosintetiese membraan bestaan ​​hoofsaaklik uit gliserollipiede en proteïene. Die gliserollipiede is 'n familie van molekules wat gekenmerk word deur 'n polêre kopgroep wat hidrofiel is en twee vetsuursykettings wat hidrofobies is. In membrane rangskik die lipiedmolekules hulself in 'n dubbellaag, met die polêre kop na die waterfase en die vetsuurkettings in lyn met die membraan wat 'n hidrofobiese kern vorm (Fig. 3). Die fotosintetiese membraan is vesikulêr en definieer 'n geslote ruimte met 'n buitenste waterruimte (stromale fase) en 'n binneste waterruimte (lumen). Die organisasie van die fotosintetiese membraan kan beskryf word as groepe gestapelde membrane (soos stapels pita- of chapati-brood met die binneste sak wat die binneste waterige ruimte verteenwoordig), onderling verbind deur nie-gestapelde membrane wat by die kante van die stapels uitsteek (Fig. 2). Eksperimente dui daarop dat die binneste waterige ruimte van die fotosintetiese membraan waarskynlik kontinu binne-in die chloroplast is. Dit is nie bekend hoekom die fotosintetiese membraan so 'n kronkelende struktuur vorm nie. Om die energie van fotosintese te verstaan, kan die ingewikkelde struktuur geïgnoreer word en die fotosintetiese membraan kan as 'n eenvoudige vesikel beskou word.

5.2 Ligabsorpsie - Die Antennastelsel
Plantfotosintese word hoofsaaklik aangedryf deur sigbare lig (golflengtes van 400 tot 700 nm) wat deur pigmentmolekules (hoofsaaklik chlorofil a en b en karotenoïede) geabsorbeer word. Die chemiese struktuur van chlorofil a-molekule word in Fig. 4 getoon. In chlorofil b word CH3 in ring II vervang deur CHO-groep. Plante lyk groen as gevolg van chlorofil, wat so volop is dat streke van die aarde groen lyk vanuit die ruimte. Die absorpsiespektrum van chloroplast chlorofil a en b en karotenoïede tesame met die aksiespektrum van fotosintese van 'n chloroplast word in Fig. 5 getoon. Lig word versamel deur 200-300 pigmentmolekules wat gebind is aan lig-oesproteïenkomplekse geleë in die fotosintetiese middel. membraan. Die lig-oes komplekse omring die reaksiesentrums wat as 'n antenna dien. Die driedimensionele struktuur van die lig-oeskompleks (K hlbrandt et al., 1994) toon dat die proteïen die posisie en oriëntasie van die antennapigmente bepaal. Fotosintese word geïnisieer deur die absorpsie van 'n foton deur 'n antenna-molekule, wat in ongeveer 'n femtosekonde (10-15 s) plaasvind en 'n oorgang van die elektroniese grondtoestand na 'n opgewekte toestand veroorsaak. Binne 10-13 s verval die opgewekte toestand deur vibrasieverslapping na die eerste opgewekte enkelvoudige toestand. Die lot van die opgewonde toestand energie word gelei deur die struktuur van die proteïen. As gevolg van die nabyheid van ander antennamolekules met dieselfde of soortgelyke energietoestande, het die opgewekte toestandsenergie 'n hoë waarskynlikheid om deur resonansie-energie-oordrag na 'n nabye buurman oorgedra te word. Eksiton-energie-oordrag tussen antennamolekules is as gevolg van die interaksie van die oorgangsdipoolmoment van die molekules. Die waarskynlikheid van oordrag is afhanklik van die afstand tussen die oorgangsdipole van die skenker- en akseptormolekules (1/R6), die relatiewe oriëntasie van die oorgangsdipole, en die oorvleueling van die emissiespektrum van die skenkermolekule met die absorpsiespektrum van die aanvaardermolekule (kyk van Grondelle en Amesz, 1986). Fotosintetiese antennastelsels is baie doeltreffend by hierdie oordragproses. Onder optimale toestande word meer as 90% van die geabsorbeerde kwanta binne 'n paar honderd pikosekondes oorgedra vanaf die antennastelsel na die reaksiesentrum wat as 'n lokval vir die eksiton dien. 'n Eenvoudige model van die antenna en sy reaksiesentrum word in Fig. 6 getoon.

Fotochemie in fotosisteem II word geïnisieer deur ladingskeiding tussen P680 en feofietien, wat P680+/Pheo- skep. Primêre ladingskeiding neem ongeveer 'n paar pikosekondes (Fig. 8). Daaropvolgende elektronoordragstappe is deur evolusie ontwerp om te verhoed dat die primêre ladingskeiding herkombineer. Dit word bewerkstellig deur die elektron binne 200 pikosekondes oor te dra van feofietien na 'n plastokinoonmolekule (QA) wat permanent aan fotosisteem II gebind is. Alhoewel plastokinoon normaalweg as 'n twee-elektron-aannemer optree, werk dit as 'n een-elektron-aannemer by die QA-terrein. Die elektron op QA- word dan oorgedra na 'n ander plastokinoonmolekule wat losweg by die QB-plek gebind is. Plastokinoon by die QB-terrein verskil van QA deurdat dit as 'n twee-elektron-aannemer werk, wat ten volle gereduseer en geprotoneer word na twee fotochemiese omskakelings van die reaksiesentrum. Die volle reduksie van plastokinoon vereis die byvoeging van twee elektrone en twee protone, dit wil sê die byvoeging van twee waterstofatome. Die gereduseerde plastokinoon (Fig. 9) ontbind dan van die reaksiesentrum en diffundeer na die hidrofobiese kern van die membraan. Daarna vind 'n geoksideerde plastokinoonmolekule sy weg na die QB-bindingsplek en die proses word herhaal. Omdat die QB-plek naby die buitenste waterfase is, word die protone wat tydens die reduksie by plastokinoon gevoeg is, van die buitekant van die membraan geneem.

Fotostelsel II is die enigste bekende proteïenkompleks wat water kan oksideer, wat lei tot die vrystelling van O2 in die atmosfeer. Ten spyte van jare se navorsing, is min bekend oor die molekulêre gebeure wat tot wateroksidasie lei. Energeties is water 'n swak elektronskenker. Die oksidasie-reduksie middelpuntpotensiaal (Em,7) van water is +0.82 V (pH 7). In fotosisteem II word hierdie reaksie aangedryf deur die geoksideerde reaksiesentrum, P680+ (die middelpuntpotensiaal van P680/P680+ word geskat op +1.2 V by pH 7). Hoe elektrone van water na P680+ oorgedra word, bly 'n raaisel (Govindjee en Coleman, 1990). Dit is bekend dat P680+ 'n tirosien op die D1-proteïen oksideer en dat Mn 'n sleutelrol in wateroksidasie speel. Vier Mn-ione is teenwoordig in die wateroksiderende kompleks. X-straalabsorpsiespektroskopie toon dat Mn liggeïnduseerde oksidasie ondergaan. Wateroksidasie vereis twee molekules water en behels vier opeenvolgende omskakelings van die reaksiesentrum. Dit is getoon deur 'n eksperiment wat demonstreer dat suurstofvrystelling deur fotosisteem II plaasvind met 'n vier flitsafhanklikheid (Fig. 10 Joliot et al., 1969 Joliot en Kok, 1975). Elke fotochemiese reaksie skep 'n oksidant wat een elektron verwyder. Die netto reaksie lei tot die vrystelling van een O2-molekule, die afsetting van vier protone in die binneste waterfase, en die oordrag van vier elektrone na die QB-plek (wat twee gereduseerde plastokinoonmolekules produseer) (hersien deur Renger, 1993 Klein et al. ., 1993 en Lavergne en Junge, 1993).

Fotosisteem II reaksiesentrums bevat 'n aantal redokskomponente met geen bekende funksie nie. 'n Voorbeeld is sitochroom b559, 'n heemproteïen, wat 'n noodsaaklike komponent van alle fotosisteem II-reaksiesentrums is (bespreek deur Whitmarsh en Pakrasi, 1996). As die sitochroom nie in die membraan teenwoordig is nie, kan 'n stabiele PS II reaksiesentrum nie gevorm word nie. Alhoewel die struktuur en funksie van Cyt b559 nog ontdek moet word, is dit bekend dat die sitochroom nie betrokke is by die primêre ensiematiese aktiwiteit van PS II nie, wat die oordrag van elektrone van water na plastokinoon is. Waarom PS II-reaksiesentrums redokskomponente bevat wat nie by die primêre ensiematiese reaksies betrokke is nie, is 'n raaiselagtige vraag. Die antwoord kan gevind word in die ongewone chemiese reaksies wat in PS II voorkom en die feit dat die reaksiesentrum op 'n baie hoë drywingsvlak werk. Fotosisteem II is 'n energietransformerende ensiem wat moet wissel tussen verskeie hoë-energietoestande wat die skepping van die kragtige oksidante behels wat nodig is vir die verwydering van elektrone uit water en die komplekse chemie van plastokinoonreduksie wat sterk deur protone beïnvloed word. In versadigende lig kan 'n enkele reaksiesentrum 'n energie-deurset van 600 eV/s hê (gelykstaande aan 60 000 kW per mol PS II). Om teen so 'n hoë kragvlak te werk, lei tot skade aan die reaksiesentrum.Dit mag wees dat sommige van die " ekstra" redokskomponente in fotosisteem II kan dien om die reaksiesentrum te beskerm.

Fotostelsel II het nog 'n verwarrende kenmerk. Daar is getoon dat baie plante en alge 'n beduidende aantal fotosisteem II-reaksiesentrums het wat nie bydra tot fotosintetiese elektronvervoer nie (bv. Chhylla en Whitmarsh, 1989). Waarom plante hulpbronne aanwend vir die sintese van reaksiesentrums wat klaarblyklik nie bydra tot energie-omskakeling nie, is onbekend (vir resensies van fotosisteem II heterogeniteit sien Ort en Whitmarsh, 1990 Guenther en Melis, 1990 Govindjee, 1990 Melis, 1991 Whitmarsh et al., 1996., 1996. Lavergne en Briantais, 1996)

Die fotosisteem I-kompleks kataliseer die oksidasie van plastosianien, 'n klein oplosbare Cu-proteïen, en die reduksie van ferredoksien, 'n klein FeS-proteïen (Fig. 11). Fotosisteem I is saamgestel uit 'n heterodimeer van proteïene wat optree as ligande vir die meeste van die elektrondraers (Krauss et al., 1993). Die reaksiesentrum word bedien deur 'n antennastelsel wat uit ongeveer tweehonderd chlorofilmolekules (hoofsaaklik chlorofil a) bestaan ​​en primêre fotochemie word geïnisieer deur 'n chlorofil a-dimeer, P700. In teenstelling met fotosisteem II, is baie van die antenna-chlorofilmolekules in fotosisteem I aan die reaksiesentrumproteïene gebind. Ook dien FeS-sentrums as elektrondraers in fotosisteem I en, sover bekend, is fotosisteem I elektronoordrag nie gekoppel aan protontranslokasie nie. Primêre ladingskeiding vind plaas tussen 'n primêre skenker, P700, 'n chlorofildimeer en 'n chlorofilmonomeer (Ao). Die daaropvolgende elektronoordraggebeure en -tempo's word in Fig. 12 getoon (sien Golbeck, 1994).

5.4 Elektronvervoer
Elektronvervoer vanaf water na NADP+ vereis drie membraangebonde proteïenkomplekse wat in serie werk - fotosisteem II, die sitochroom bf-kompleks en fotosisteem I (Fig. 3). Elektrone word tussen hierdie groot proteïenkomplekse oorgedra deur klein mobiele molekules (plastokinoon en plastosianien in plante). Omdat hierdie klein molekules elektrone (of waterstofatome) oor relatief lang afstande dra, speel hulle 'n unieke rol in fotosintetiese energie-omsetting. Dit word geïllustreer deur plastokinoon (PQ), wat twee sleutelfunksies dien. Plastokinoon dra elektrone oor vanaf die fotosisteem II reaksiesentrum na die sitochroom bf kompleks en dra protone oor die fotosintetiese membraan (sien Kallas, 1994). Dit doen dit deur waterstofatome oor die membraan van fotosisteem II na die sitochroom bf-kompleks te skuif. Omdat plastokinoon hidrofobies is, is die beweging daarvan beperk tot die hidrofobiese kern van die fotosintetiese membraan. Plastokinoon werk deur deur die membraan te diffundeer totdat dit, as gevolg van willekeurige botsings, aan 'n spesifieke plek op die fotosisteem II-kompleks gebind word. Die fotosisteem II reaksiesentrum verminder plastokinoon by die QB-plek deur twee elektrone en twee protone by te voeg wat PQH2 skep. Die gereduseerde plastokinoonmolekule ontbind van fotosisteem II en diffundeer ewekansig in die fotosintetiese membraan totdat dit 'n spesifieke bindingsplek op die sitochroom bf-kompleks teëkom. Die sitochroom bf-kompleks is 'n membraangebonde proteïenkompleks wat vier elektrondraers, drie sitochrome en 'n FeS-sentrum bevat. Die kristalstruktuur is opgelos vir sitochroom f van raap (Martinez et al., 1994) en die FeS-sentrum vanaf beeshartmitochondria (Iwata et al., 1996). In 'n ingewikkelde reaksievolgorde wat nie ten volle verstaan ​​word nie, verwyder die sitochroom bf-kompleks die elektrone van gereduseerde plastokinoon en vergemaklik die vrystelling van die protone in die binneste waterige ruimte. Die elektrone word uiteindelik na die fotosisteem I reaksiesentrum oorgedra. Die protone wat vrygestel word in die binneste waterige ruimte dra by tot die proton chemiese vrye energie oor die membraan.

Elektronoordrag vanaf die sitochroom bf-kompleks na fotosisteem I word bemiddel deur 'n klein Cu-proteïen, plastosianien (PC). Plastosianien is wateroplosbaar en werk in die binneste waterruimte van die fotosintetiese membraan. Elektronoordrag van fotosisteem I na NADP+ vereis ferredoksien, 'n klein FeS-proteïen, en ferredoksien-NADP-oksidoreduktase, 'n perifere flavoproteïen wat op die buitenste oppervlak van die fotosintetiese membraan werk. Ferredoksien en NADP+ is wateroplosbaar en word in die buitenste waterfase aangetref.

Die pad van elektrone word grootliks bepaal deur die energetika van die reaksie en die afstand tussen die draers. Die elektronaffiniteit van die draers word in Fig. 13 voorgestel deur hul middelpuntpotensiale, wat die vrye energie beskikbaar vir elektronoordragreaksies onder ewewigstoestande toon. (Dit moet in gedagte gehou word dat reaksietoestande tydens fotosintese nie in ewewig is nie.) Na primêre ladingskeiding is elektrontransport energiek afdraand (van 'n laer (meer negatiewe) na 'n hoër (meer positiewe) redokspotensiaal). Dit is die afdraande vloei van elektrone wat vrye energie verskaf vir die skepping van 'n proton chemiese gradiënt.

Fotosintetiese membrane beperk effektief elektrontransport tot twee dimensies. Vir mobiele elektrondraers verhoog die beperking van diffusie tot twee dimensies die aantal ewekansige ontmoetings (Whitmarsh, 1986). Verder, omdat plastosianien mobiel is, kan enige een sitochroom bf-kompleks met 'n aantal fotosisteem I-komplekse in wisselwerking tree. Dieselfde geld vir plastokinoon, wat gewoonlik teen 'n stoïgiometrie van ongeveer ses molekules per fotosisteem II-kompleks werk.

Die reaksie is energeties opdraand (DG = +32 kJ/mol) en word aangedryf deur protonoordrag deur die ATP-sintaseproteïen. Die ATP Sintase kompleks is saamgestel uit twee hoof subeenhede, CF0 en CF1 (Fig. 14). Die CF0-subeenheid strek oor die fotosintetiese membraan en vorm 'n protonkanaal deur die membraan. Die CF1-subeenheid is aan die bokant van die CF0 aan die buitekant van die membraan geheg en is in die waterige ruimte geleë. CF1 is saamgestel uit verskeie verskillende proteïensubeenhede, waarna verwys word as a, b, g, d en e. Die boonste gedeelte van die CF1 subeenheid is saamgestel uit drie ab-dimere wat die katalitiese plekke vir ATP sintese bevat. 'n Onlangse groot deurbraak was die toeligting van die struktuur van ATPase van beeshartmitochondria deur Abrahams et al. (1994). Die molekulêre prosesse wat protonoordrag deur die proteïen koppel aan die chemiese byvoeging van fosfaat tot ADP word swak verstaan. Dit is bekend dat fosforilering aangedryf kan word deur 'n pH-gradiënt, 'n transmembraan elektriese veld, of 'n kombinasie van die twee. Eksperimente dui daarop dat drie protone deur die ATP-sintasekompleks moet gaan vir die sintese van een molekule ATP. Die protone is egter nie betrokke by die chemie om fosfaat by ADP te voeg nie. Paul Boyer en kollegas het 'n afwisselende bindingsplekmeganisme vir ATP-sintese voorgestel (Boyer, 1993). Een model gebaseer op hul voorstel is dat daar drie katalitiese terreine op elke CF1 is wat tussen drie verskillende state wissel (Fig. 15). Die state verskil in hul affiniteit vir ADP, Pi en ATP. Op enige tydstip is elke webwerf in 'n ander toestand. Hierdie model word ondersteun deur die struktuur van ATPase wat deur Abrahams et al. (1994). Aanvanklik bind een katalitiese plek op CF1 een ADP en een anorganiese fosfaatmolekule relatief los. As gevolg van 'n konformasieverandering van die proteïen, word die plek 'n stywe bindingsplek wat ATP stabiliseer. Vervolgens veroorsaak protonoordrag 'n verandering in proteïenkonformasie wat veroorsaak dat die terrein die ATP-molekule in die waterfase vrystel. In hierdie model word die energie van die proton elektrochemiese gradiënt gebruik om die affiniteit van die terrein vir ATP te verlaag, wat die vrystelling daarvan na die waterfase moontlik maak. Die drie terreine op CF1 tree samewerkend op, dit wil sê, die konformasietoestande van die terreine word gekoppel. Daar is voorgestel dat protone die konformasieverandering beïnvloed deur die rotasie van die boonste deel (die drie ab-dimere) van CF1 aan te dryf. So 'n roterende model is onlangs ondersteun deur aantekening van 'n rotasie van die gamma subeenheid relatief tot die alfa-beta subeenhede deur Sabbert et al. (1996). Hierdie roterende terreinmeganisme sal koerse van so hoog as 100 omwentelinge per sekonde vereis. Dit is opmerklik dat flagella wat sommige bakterieë aandryf, deur 'n protonpomp aangedryf word en teen 60 omwentelinge per sekonde kan draai.

5.7 Sintese van koolhidrate
Alle plante en alge verwyder CO2 uit die omgewing en verminder dit tot koolhidrate deur die Calvin-siklus. Die proses is 'n reeks biochemiese reaksies wat koolstof verminder en bindings herrangskik om koolhidrate uit CO2-molekules te produseer. Die eerste stap is die byvoeging van CO2 tot 'n vyfkoolstofverbinding (ribulose 1,5-bisfosfaat) (Fig. 16). Die ses-koolstofverbinding word verdeel, wat twee molekules van 'n drie-koolstofverbinding (3-fosfogliseraat) gee. Hierdie sleutelreaksie word deur Rubisco, 'n groot wateroplosbare proteïenkompleks, gekataliseer. Die 3-dimensionele struktuur is bepaal deur X-straal-analise vir Rubisco geïsoleer uit tabak (Schreuder et al. 1993) van 'n sianobakterie (Synechococcus) (Newman en Gutteridge, 1993) en van 'n pers bakterie (Rhodospirillum rubrum) (Schneider et al.) al. 1990). Die karboksileringsreaksie is energiek afdraand. Die belangrikste energie-insette in die Calvyn-siklus is die fosforilering deur ATP en daaropvolgende reduksie deur NADPH van die aanvanklike driekoolstofverbinding wat 'n driekoolstofsuiker, triosefosfaat, vorm. Van die triosefosfaat word vanaf die chloroplast uitgevoer en verskaf die bousteen vir die sintetisering van meer komplekse molekules. In 'n proses bekend as regenerasie, gebruik die Calvyn-siklus van die triosefosfaatmolekules om die energieryke ribulose 1,5-bisfosfaat wat nodig is vir die aanvanklike karboksileringsreaksie te sintetiseer. Hierdie reaksie vereis die inset van energie in die vorm van een ATP. In totaal word dertien ensieme benodig om die reaksies in die Calvyn-siklus te kataliseer. Die energie-omsettingsdoeltreffendheid van die Calvyn-siklus is ongeveer 90%. Die reaksies behels nie energie-transduksie nie, maar eerder die herrangskikking van chemiese energie. Elke molekule CO2 wat tot 'n suiker [CH2O]n gereduseer is, benodig 2 molekules NADPH en 3 molekules ATP.

Rubisco is 'n bifunksionele ensiem wat, benewens om CO2 aan ribulose bisfosfaat te bind, ook O2 kan bind. Hierdie oksigeneringsreaksie produseer die 3-fosfogliseraat wat in die Calvin-siklus gebruik word en 'n tweekoolstofverbinding (2-fosfoglikolaat) wat nie vir die plant bruikbaar is nie. In reaksie hierop word 'n ingewikkelde stel reaksies (bekend as fotorespirasie) geïnisieer wat dien om verminderde koolstof te herwin en om fosfoglikolaat te verwyder. Die Rubisco oksigenasiereaksie blyk geen nuttige doel vir die plant te dien nie. Sommige plante het gespesialiseerde strukture en biochemiese weë ontwikkel wat CO2 naby Rubisco konsentreer. Hierdie weë (C4 en CAM) dien om die fraksie van oksigenasiereaksies te verminder (sien hoofstuk hierdie volume oor koolstofreduksie).

6. ANOKSIGENIESE FOTOSINTESE

Die bepaling van die driedimensionele strukture van die reaksiesentrum van die nie-swaelpers bakterieë, Rhodopseudomonas viridis en Rhodobacter sphaeroides, het 'n ongekende geleentheid gebied om die struktuur en funksie van fotosintetiese reaksiesentrums te verstaan ​​(Deisenhofer et al., 1984, 1985) Feher et al., 1989 Lancaster et al., 1995). Die posisies van die elektronoordragkomponente in die reaksiesentrum van Rhodobacter sphaeroides word in Fig. 17 (Norris en van Brakel, 1986) en dié van die drie proteïensubeenhede L, M en H in Fig. 18 getoon. Die reaksie sentrum bevat vier bakteriochlorofil- en twee bakteriofeofietienmolekules. Twee van die bakteriochlorofilmolekules vorm die primêre skenker (P870). Tans is daar kontroversie oor die vraag of 'n bakteriochlorofilmolekule 'n intermediêre is in elektronoordrag van die P870 na bakteriofeofietien. Daar is egter ooreenstemming dat die oorblywende stappe twee kinoonmolekules (QA en QB) behels en dat twee omsettings van die reaksiesentrum lei tot die vrystelling van gereduseerde kinoon (QH2) in die fotosintetiese membraan. Alhoewel daar 'n nie-heem Fe tussen die twee kinoonmolekules is, is daar oortuigende bewyse dat hierdie Fe nie direk betrokke is by die oordrag van 'n elektron van QA na QB nie. Omdat die primêre skenker (P870), bakteriofeofietien- en kinoon-aannemers van die pers bakteriële reaksiesentrum soortgelyk is aan die fotosisteem II reaksiesentrum, word die bakteriële reaksiesentrum as gids gebruik om die struktuur en funksie van fotosisteem II te verstaan.

Liggedrewe elektronoordrag is siklies in Rhodobacter sphaeroides en ander pers bakterieë (Fig. 19). Die reaksiesentrum produseer gereduseerde kinoon, wat deur die sitochroom bc-kompleks geoksideer word. Elektrone van die sitochroom bc-kompleks word oorgedra na 'n oplosbare elektrondraer, sitochroom c2, wat die geoksideerde primêre skenker P870+ verminder. Die produk van die liggedrewe elektronoordragreaksies is ATP. Die elektrone vir die reduksie van koolstof word uit 'n organiese skenker, soos suksinaat of malaat of uit waterstofgas onttrek, maar nie deur die reaksiesentrum nie. Die energie wat nodig is om NAD+ te verminder, word verskaf deur liggedrewe sikliese elektronvervoer in die vorm van ATP. Die energietransformasiepad is ingewikkeld. Suksinaat word geoksideer deur 'n membraangebonde ensiem (suksinaatdehidrogenase) wat die elektrone na kinoon oordra, wat die bron van elektrone is vir die vermindering van NAD+. Elektronoordrag van gereduseerde kinoon na NAD+ is egter energiek opdraand. Deur 'n meganisme wat swak verstaan ​​word, is 'n membraangebonde ensiem in staat om energie wat in die proton-elektrochemiese potensiaal gestoor is, te gebruik om elektrone van gereduseerde kinoon na NAD+ te dryf.


Stimulering van Cl - afskeiding

Die leukokiniene is 'n familie van oktapeptiede wat Holman en sy medewerkers eers van die kop van die kakkerlak geïsoleer het. Leucophaea maderaegebruik van die sametrekkings van die kakkerlak-agterderm as 'n biotoets (Holman et al., 1989). Die pentameer volgorde Phe-X-Ser-Trp-Gly-NH2, wat eindig op 'n C-terminaal amied, is algemeen vir die meeste kiniene. Die stimulering van sametrekking en die ontruiming van die spysverteringskanaal het ons aangespoor om ander uitskeidingseffekte stroomop te soek. Ons het gevind dat die kakkerlak-leukokiniene diuretiese krag het in Malpighian-buisies van die geelkoorsmuskiet (Hayes et al., 1989). Vloeistofafskeidingstempo's het toegeneem van 0.49 nl min -1 tot 0.91 nl min -1 in die teenwoordigheid van leukokinien-VIII (Tabel 3). Sedertdien is diuretiese effekte van leukokiniene in die huiskrieket waargeneem (Acheta domesticus Coast et al., 1990), sprinkaan (Locusta migratoria Schoofs et al., 1992), mielieoorwurm (Helicoverpa zea Blackburn et al., 1995), vrugtevlieg (O'Donnell et al., 1996) en huisvlieg (Musca domestica Iaboni et al., 1998). Culekinin is die inheemse muskietkinien, wat die laboratorium van Hayes geïsoleer en gerangskik het (Hayes et al., 1994). Soos leukokinien, stimuleer dit agterdermsametrekking in die kakkerlak en verminder die transepiteelspanning in muskiet Malpighian tubuli.

Die ontleding van vloeistof afgeskei deur Aedes Malpighian-buisies in die teenwoordigheid van leukokinien-VIII het beduidende toenames in die transepiteelafskeiding van beide NaCl en KCl geopenbaar, asof leukokinien Cl gemaak het - meer geredelik beskikbaar vir die transepiteelafskeiding met Na + en K + (Tabel 3). Elektrofisiologiese studies bevestig hierdie hipotese: leucokinin-VIII het die transepiteel Cl - geleiding verhoog (Pannabecker et al., 1993). In die besonder, die toevoeging van leukokinien-VIII tot die peritubulêre medium van geïsoleerde Aedes Malpighian tubules lei tot die onmiddellike ineenstorting van die transepiteelspanning na 0 mV tesame met 'n 6-voudige afname in transepiteelweerstand (Pannabecker et al., 1993). Lae waardes van transepiteelspanning en weerstand is kenmerkend van sogenaamde `lekkende' epiteel, wat gespesialiseer is om opgeloste stowwe en water teen hoë snelhede te vervoer. Leukokinien-VIII het dus 'n matig `stywe' epiteel, met 'n transepiteelspanning van 59.3 mV (lumen-positief) en 'n transepiteelweerstand van 57.8Ωcm 2 verander na 'n `lekkende' epiteel, met 'n transepiteelspanning van slegs 5.7 mV ( lumen-positief) en 'n transepiteelweerstand van slegs 9.9Ωcm 2 (Pannabecker et al., 1993). Die verandering het met skakelaar-agtige spoed plaasgevind en was ewe vinnig om te keer na uitspoeling van leukokinien (Beyenbach, 2003).

Die diuretiese effek van leukokinien is afhanklik van Cl -, wat die effek op 'n vervoerweg wat deur Cl geneem word, bevestig (Hayes et al., 1989 Pannabecker et al., 1993). Twee Cl - vervoerpaaie is moontlik. Die laboratorium van O'Donnell het bewyse dat Cl deur stervormige selle in beweeg Drosophila Malpighian tubules (O'Donnell et al., 1998), wat in die laboratorium van Dow bevestig is, waar leukokinien intrasellulêre konsentrasies van Ca 2+, die tweede boodskapper van leukokinien, in stervormige selle verhoog, maar nie in hoofselle nie (Terhzaz et al. ., 1999). Alhoewel ons Cl - kanale gevind het in die apikale membraan van stervormige selle in Malpighian tubuli van A. aegypti(O'Connor en Beyenbach, 2001), dui die oorwegende bewyse op 'n ekstrasellulêre Cl-pad wat deur leukokinien geaktiveer word. Leukokinien beïnvloed veral 'n enkele epiteelversperring soos wat verwag word van die septaat (stywe) aansluiting wat tussen die epiteelselle geleë is. Die bewyse vir die toename in die Cl - geleiding van septaataansluitings in A. aegypti Malpighian tubuli is soos volg: (1) transepiteel Cl - diffusiepotensiale benader slegs 15% van Nernst potensiale onder beheertoestande maar 77% in die teenwoordigheid van leukokinien, wat 'n groot toename in transepiteel Cl aandui - geleiding (2) die groot simmetriese transepiteel Cl - diffusiepotensiale vir beide lumen-tot-bad en bad-na-lumen-gerigte Cl - gradiënte word meer geneig om oor 'n enkele versperring soos die septaat-aansluiting gegenereer te word as oor twee selmembrane in serie (3) die effek van leukokinien op transepiteel weerstand word heeltemal omgekeer deur die Cl - konsentrasie van 150 mmol l -1 na 5 mmol l -1 in die ekstrasellulêre, nie intrasellulêre, oplossings te verlaag (beduidend, die Cl - konsentrasie moet aan beide kante van die epiteel verlaag word om die effekte van leukokinien, wat getuig van 'n ekstrasellulêre Cl - pad wat deur leukokinien geaktiveer word) en (4) die waargenome elektrofisiologiese veranderinge van digte na lekkende epiteel wat deur leucoki geïnduseer word nin kan slegs verklaar word deur 'n toename in parasellulêre geleiding. Laastens aktiveer leukokinien ook die transepitheliale Cl-geleiding in buisies wat met sianied of dinitrofenol geïnhibeer word, wat dui op 'n konduktansieverandering van 'n struktuur soos die septaataansluiting wat nie onmiddellik van selmetabolisme afhanklik is nie (Beyenbach, 2003 Pannabecker et al., 1993). .

In die huiskrieket het leukokinien diuretiese effekte soortgelyk aan dié in Drosophila Malpighian tubules (Coast, 2001 Coast et al., 1990). Verder bemiddel Ca 2+ die effekte van leukokinien in beide Acheta en Drosophila Malpighian tubules (Coast, 1998 O'Donnell et al., 1998). Die noemenswaardige verskil tussen die twee spesies is dat Malpighiese buise van die krieket geen stervormige selle het nie (Coast, 2001 Hazelton et al., 1988).Gevolglik is die teenwoordigheid van stervormige selle nie 'n noodsaaklike voorwaarde vir leukokinien om sy diuretiese werkingsmeganisme uit te druk nie. Inderdaad, onlangse studies in ons laboratorium het getoon dat stervormige selle nie nodig is om die effekte van leukokinien in Malpighian tubuli van A. aegypti (M. J. Yu en K. W. Beyenbach, ingedien).

Waar die seintransduksiebaan van leukokinien ook al bestudeer is, is gevind dat Ca 2+ as tweede boodskapper dien (Coast, 1998). Werklike metings van intrasellulêre Ca 2+-konsentrasies toon dat leukokinien Ca 2+-konsentrasies verhoog in stervormige selle van Malpighian-buisies van die vrugtevlieg (O'Donnell et al., 1998) en in hoofselle van die huiskrieket Malpighian-buisies (Coast, 1998) ). Studies in ons laboratorium het getoon dat ekstra- en intrasellulêre Ca 2+ nodig is vir seintransduksie in Aedes Malpighian tubules (Yu en Beyenbach, 2002). Veral belangrik is Ca 2+ in die peritubulêre medium of hemolimf. In die afwesigheid van peritubulêre Ca 2+, produseer leukokinien-VIII slegs gedeeltelike en verbygaande (ossillerende) pogings om die lekkende epiteeltoestand te produseer. Om die volle en blywende oorskakeling na die lekkende epiteel waar te neem, moet Ca 2+ die sel kan binnegaan vanaf die peritubulêre medium of hemolimf. Nifedipien-sensitiewe Ca 2+ kanale in die basolaterale membraan van hoofselle wat deur leukokinien geaktiveer word, bemiddel hierdie Ca 2+ toetrede. Gedetailleerde studies van die relatiewe rolle van intra- en ekstrasellulêre Ca 2+ in AedesMalpighian-buisies stel die seintransduksievolgorde voor wat in Fig. 5 geïllustreer word. Leukokinien bind aan G-proteïengekoppelde reseptor by die basolaterale membraan van hoofselle. Die leukokinienreseptore wat van damslakke geïsoleer is (Lymnaea stagnalis), beesbosluise (Boophilus microplus) en die vrugtevlieg het 'n volgorde wat ooreenstem met 'n G-proteïengekoppelde reseptor (Radford et al., 2002 Holmes et al., 2003). Verder het AlF4 - , 'n bekende aktiveerder van G-proteïene, dupliseer die effekte van leukokinien in Aedes Malpighian tubules (Yu en Beyenbach, 2001). Stimulering van die G-proteïen word vermoedelik fosfolipase C te aktiveer en inositol (1,4,5)-trifosfaat en diacylglycerol te genereer. IP3gaan voort om intrasellulêre Ca 2+ uit winkels vry te stel. Die daaropvolgende styging in sitoplasmiese Ca 2+ konsentrasie en/of die uitputting van intrasellulêre Ca 2+-store aktiveer Ca 2+ kanale in die basolaterale membraan. Ekstrasellulêre Ca 2+ wat die sel binnedring, produseer en hou die epiteel in die lekkende toestand so lank as wat leukokinien teenwoordig is. Hoe Ca 2+ of ander middels die toename in aansluitingsgeleiding of deurlaatbaarheid teweegbring, is tans 'n aktiewe ondersoekveld (Beyenbach, 2003). Stellaat selle kan wel transepiteel Cl - afskeiding onder beheer toestande in Aedes Malpighiese buise. In die teenwoordigheid van leukokinien bemiddel 'n septaat-verbindings-Cl-geleiding egter transepiteel-Cl-afskeiding in die teenwoordigheid van leukokinien.


Kyk die video: Saveti pri odabiru komponenti i sklapanju računara - 4K (Oktober 2022).