معلومة

كيف يحدد العلماء طبيعة الأيونات التي تمر عبر قناة / ناقل / مضخة؟

كيف يحدد العلماء طبيعة الأيونات التي تمر عبر قناة / ناقل / مضخة؟


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.

ينقل NCE (Sodium Calcium Exchanger) 3 Na + داخل الخلية لـ 1 Ca2 + بالخارج. كيف اكتشفنا ذلك وآليات أخرى من هذا النوع؟ إذا كان بروتينًا ، فيمكننا تمييزه بـ GFP. لكنها أيونات. إن النظر إلى الإمكانات ليس مفيدًا للغاية سواء على ما أعتقد ؛ كل من K + و Na + لهما نفس الشحنة. ما الذي تم عمله تجريبيا؟


جين CFTR

ال CFTR يقدم الجين تعليمات لصنع بروتين يسمى منظم التوصيل الغشائي للتليف الكيسي. يعمل هذا البروتين كقناة عبر غشاء الخلايا التي تنتج المخاط والعرق واللعاب والدموع والإنزيمات الهضمية. تنقل القناة جزيئات سالبة الشحنة تسمى أيونات الكلوريد داخل وخارج الخلايا. يساعد نقل أيونات الكلوريد في التحكم في حركة الماء في الأنسجة ، وهو أمر ضروري لإنتاج مخاط رقيق يتدفق بحرية. المخاط مادة زلقة تعمل على تليين وتحمي بطانة الشعب الهوائية والجهاز الهضمي والجهاز التناسلي والأعضاء والأنسجة الأخرى.

ينظم بروتين CFTR أيضًا وظيفة القنوات الأخرى ، مثل تلك التي تنقل جزيئات موجبة الشحنة تسمى أيونات الصوديوم عبر أغشية الخلايا. هذه القنوات ضرورية للوظيفة الطبيعية للأعضاء مثل الرئتين والبنكرياس.


5.2 النقل السلبي

منع الجفاف مهم لكل من النباتات والحيوانات. يتحرك الماء عبر أغشية البلازما بنوع محدد من الانتشار يسمى التناضح. يتناسب تدرج تركيز الماء عبر الغشاء عكسًا مع تركيز المواد المذابة ، أي أن الماء يتحرك عبر بروتينات القناة التي تسمى الأكوابورينات من تركيز الماء الأعلى إلى تركيز الماء المنخفض. يؤثر تركيز المذاب خارج الخلية وداخلها على معدل التناضح. يصف Tonicity كيف يمكن للتركيز خارج الخلية للمذابات أن يغير حجم الخلية من خلال التأثير على التناضح ، وغالبًا ما يرتبط مع الأسمولية للمحلول ، أي إجمالي تركيز الذائبة للمحلول. في حالة نقص التوتر ، نظرًا لأن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة (الأسمولية الأقل) من السائل داخل الخلية ، يدخل الماء إلى الخلية ، مما يؤدي إلى تضخمها وربما انفجارها. تمنع جدران الخلايا للنباتات من الانفجار ، لكن الخلايا الحيوانية ، مثل خلايا الدم الحمراء ، يمكن أن تتلاشى. عندما توضع الخلية في محلول مفرط التوتر ، يترك الماء الخلية لأن الخلية لديها إمكانات مائية أعلى من المحلول خارج الخلية. عندما تكون تركيزات المذاب متساوية على جانبي الغشاء (متساوي التوتر) ، لا تحدث حركة صافية للماء داخل الخلية أو خارجها. لقد طورت الكائنات الحية مجموعة متنوعة من الطرق للحفاظ على التوازن التناضحي ، على سبيل المثال ، تفرز الأسماك البحرية الملح الزائد من خلال الخياشيم للحفاظ على التوازن الديناميكي.

المعلومات المقدمة والأمثلة الموضحة في القسم تدعم المفاهيم وأهداف التعلم الموضحة في الفكرة الكبيرة 2 من إطار منهج علم الأحياء AP ®. توفر أهداف التعلم المدرجة في إطار المناهج الدراسية أساسًا شفافًا لدورة AP ® Biology ، وتجربة معملية قائمة على الاستفسار ، وأنشطة تعليمية ، وأسئلة اختبار AP ®. يدمج هدف التعلم المحتوى المطلوب مع واحد أو أكثر من الممارسات العلمية السبعة.

المعرفة الأساسية 2-ب 2 يتم الحفاظ على النمو والتوازن الديناميكي من خلال الحركة المستمرة للجزيئات عبر الأغشية.
ممارسة العلوم 1.4 يمكن للطالب استخدام التمثيلات والنماذج لتحليل المواقف أو حل المشكلات نوعًا وكميًا.
ممارسة العلوم 3.1 يمكن للطالب طرح أسئلة علمية.
هدف التعلم 2.11 الطالب قادر على بناء نماذج تربط حركة الجزيئات عبر الأغشية ببنية الغشاء ووظيفته.
المعرفة الأساسية 2-ب 2 يتم الحفاظ على النمو والتوازن الديناميكي من خلال الحركة المستمرة للجزيئات عبر الأغشية.
ممارسة العلوم 1.4 يمكن للطالب استخدام التمثيلات والنماذج لتحليل المواقف أو حل المشكلات نوعًا وكميًا.
ممارسة العلوم 3.1 يمكن للطالب طرح أسئلة علمية.
هدف التعلم 2.12 يستطيع الطالب استخدام التمثيلات والنماذج لتحليل الموقف أو حل المشكلات نوعًا وكميًا للتحقق مما إذا كان التوازن الديناميكي يتم الحفاظ عليه من خلال الحركة النشطة للجزيئات عبر الأغشية.

دعم المعلم

ناقش مع الطلاب ماهية الأغشية شبه المنفذة وكيف يمكن استخدام الأغشية الاصطناعية لتنقية المياه باستخدام التناضح العكسي. لمزيد من المعلومات، انتقل هنا.

قد يعتقد الطلاب أن الانتشار والتناضح متطابقان وأن المصطلحين قابلين للتبادل. ناقش مع الطلاب الفرق بين الانتشار والتناضح. الانتشار هو حركة المواد المذابة من منطقة عالية التركيز إلى منطقة تركيز أقل. التناضح هو حركة جزيئات الماء الحرة من خلال غشاء نصف نافذ وفقًا لتدرج تركيز الماء عبر الغشاء ، والذي يتناسب عكسًا مع تركيز المواد المذابة. في الانتشار ، تتحرك المواد المذابة. في التناضح ، يتحرك الماء. في كليهما ، الهدف هو نفسه: موازنة تركيز المذاب.

تحتوي أسئلة تحدي ممارسة العلوم على أسئلة اختبار إضافية لهذا القسم والتي ستساعدك على التحضير لامتحان AP. تتناول هذه الأسئلة المعايير التالية:
[APLO 2.25] [APLO 2.27] [APLO 4.3] [APLO 4.17] [APLO1.9] [APLO 2.16] [APLO 2.17] [APLO 2.18]

يجب أن تسمح أغشية البلازما لبعض المواد بالدخول والخروج من الخلية ومنع بعض المواد الضارة من الدخول وبعض المواد الأساسية من الخروج. وبعبارة أخرى ، فإن أغشية البلازما قابلة للاختراق بشكل انتقائي - فهي تسمح لبعض المواد بالمرور دون غيرها. إذا فقدوا هذه الانتقائية ، فلن تكون الخلية قادرة على الحفاظ على نفسها ، وسيتم تدميرها. تتطلب بعض الخلايا كميات أكبر من المواد المحددة مقارنة بالخلايا الأخرى ، يجب أن يكون لديها وسيلة للحصول على هذه المواد من السوائل خارج الخلية. قد يحدث هذا بشكل سلبي ، حيث تتحرك بعض المواد ذهابًا وإيابًا ، أو قد يكون للخلية آليات خاصة تسهل النقل. بعض المواد مهمة جدًا للخلية لدرجة أنها تنفق بعضًا من طاقتها ، وتحلل الأدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP) ، للحصول على هذه المواد. تستخدم خلايا الدم الحمراء بعض طاقتها للقيام بذلك. تنفق معظم الخلايا معظم طاقتها للحفاظ على عدم توازن أيونات الصوديوم والبوتاسيوم بين الجزء الداخلي والخارجي للخلية.

أكثر أشكال النقل الغشائي المباشر تكون سلبية. النقل السلبي هو ظاهرة تحدث بشكل طبيعي ولا تتطلب من الخلية بذل أي من طاقتها لإنجاز الحركة. في النقل السلبي ، تنتقل المواد من منطقة تركيز أعلى إلى منطقة تركيز أقل. يُقال إن الفضاء المادي الذي يوجد فيه نطاق من تركيزات مادة واحدة يحتوي على تدرج تركيز.

النفاذية الاختيارية

أغشية البلازما غير متماثلة: الجزء الداخلي من الغشاء غير مطابق للجزء الخارجي من الغشاء. في الواقع ، هناك فرق كبير بين مجموعة الدهون الفوسفورية والبروتينات بين الوريقتين اللتين تشكلان غشاء. في الجزء الداخلي من الغشاء ، تعمل بعض البروتينات على تثبيت الغشاء بألياف الهيكل الخلوي. توجد بروتينات محيطية على السطح الخارجي للغشاء تربط عناصر المصفوفة خارج الخلية. توجد الكربوهيدرات المرتبطة بالدهون أو البروتينات أيضًا على السطح الخارجي لغشاء البلازما. تساعد مركبات الكربوهيدرات هذه الخلية على ربط المواد التي تحتاجها الخلية في السائل خارج الخلية. هذا يضيف إلى حد كبير الطبيعة الانتقائية لأغشية البلازما (الشكل 5.7).

تذكر أن أغشية البلازما هي برمائية: لها مناطق محبة للماء وكارهة للماء. تساعد هذه الخاصية على حركة بعض المواد عبر الغشاء وتعيق حركة البعض الآخر. يمكن للمادة القابلة للذوبان في الدهون ذات الوزن الجزيئي المنخفض أن تنزلق بسهولة من خلال لب الدهون الكارهة للماء للغشاء. مواد مثل الفيتامينات القابلة للذوبان في الدهون A و D و E و K تمر بسهولة عبر أغشية البلازما في الجهاز الهضمي والأنسجة الأخرى. تكتسب الأدوية والهرمونات القابلة للذوبان في الدهون أيضًا دخولًا سهلاً إلى الخلايا ويتم نقلها بسهولة إلى أنسجة وأعضاء الجسم. وبالمثل ، فإن جزيئات الأكسجين وثاني أكسيد الكربون ليس لها شحنة وبالتالي تمر عبر الأغشية عن طريق الانتشار البسيط.

تسبب المواد القطبية مشاكل للغشاء. في حين أن بعض الجزيئات القطبية تتصل بسهولة بالجزء الخارجي للخلية ، فإنها لا تستطيع المرور بسهولة عبر اللب الدهني لغشاء البلازما. بالإضافة إلى ذلك ، في حين أن الأيونات الصغيرة يمكن أن تنزلق بسهولة عبر الفراغات الموجودة في فسيفساء الغشاء ، فإن شحنتها تمنعها من القيام بذلك. يجب أن يكون للأيونات مثل الصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم والكلوريد وسائل خاصة لاختراق أغشية البلازما. السكريات البسيطة والأحماض الأمينية تحتاج أيضًا إلى المساعدة في النقل عبر أغشية البلازما ، التي يتم تحقيقها بواسطة بروتينات الغشاء المختلفة (القنوات).

تعريف

الانتشار هو عملية نقل سلبية. تميل مادة واحدة إلى الانتقال من منطقة ذات تركيز عالٍ إلى منطقة تركيز منخفض حتى يتساوى التركيز عبر مساحة. أنت معتاد على انتشار المواد عبر الهواء. على سبيل المثال ، فكر في شخص يفتح زجاجة من الأمونيا في غرفة مليئة بالناس. يكون غاز الأمونيا عند أعلى تركيز له في الزجاجة ، ويكون أقل تركيز له عند أطراف الغرفة. سوف ينتشر بخار الأمونيا أو ينتشر بعيدًا عن الزجاجة ، وسوف يشم المزيد والمزيد من الناس رائحة الأمونيا أثناء انتشارها. تتحرك المواد داخل العصارة الخلوية للخلية عن طريق الانتشار ، وتتحرك مواد معينة عبر غشاء البلازما عن طريق الانتشار (الشكل 5.8). الانتشار لا يستهلك أي طاقة. على العكس من ذلك ، فإن تدرجات التركيز هي شكل من أشكال الطاقة الكامنة ، حيث تتبدد مع إزالة التدرج اللوني.

كل مادة منفصلة في وسط ، مثل السائل خارج الخلية ، لها تدرج تركيز خاص بها ، بغض النظر عن تدرجات تركيز المواد الأخرى. بالإضافة إلى ذلك ، ستنتشر كل مادة وفقًا لهذا التدرج. داخل النظام ، ستكون هناك معدلات مختلفة لانتشار المواد المختلفة في الوسط.

العوامل التي تؤثر على الانتشار

تتحرك الجزيئات باستمرار بطريقة عشوائية ، بمعدل يعتمد على كتلتها ، وبيئتها ، وكمية الطاقة الحرارية التي تمتلكها ، والتي بدورها هي دالة لدرجة الحرارة. تفسر هذه الحركة انتشار الجزيئات عبر أي وسيط يتم توطينهم فيه. تميل المادة إلى الانتقال إلى أي مساحة متاحة لها حتى يتم توزيعها بالتساوي في جميع أنحاءها. بعد أن تنتشر المادة تمامًا عبر الفضاء ، وتزيل تدرج تركيزها ، ستستمر الجزيئات في التحرك في الفراغ ، ولكن لن يكون هناك صافي حركة عدد الجزيئات من منطقة إلى أخرى. يُعرف هذا النقص في تدرج التركيز الذي لا توجد فيه حركة صافية لمادة ما بالتوازن الديناميكي. بينما سيتقدم الانتشار في وجود تدرج تركيز لمادة ، تؤثر عدة عوامل على معدل الانتشار.

  • مدى تدرج التركيز: كلما زاد الاختلاف في التركيز ، زادت سرعة الانتشار. كلما اقترب توزيع المادة من التوازن ، أصبح معدل الانتشار أبطأ.
  • انتشار كتلة الجزيئات: تتحرك الجزيئات الأثقل ببطء ، وبالتالي تنتشر بشكل أبطأ. والعكس صحيح بالنسبة للجزيئات الأخف.
  • درجة الحرارة: تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة الطاقة وبالتالي حركة الجزيئات ، مما يزيد من معدل الانتشار. تقلل درجات الحرارة المنخفضة من طاقة الجزيئات ، وبالتالي تقلل من معدل الانتشار.
  • كثافة المذيب: مع زيادة كثافة المذيب ، ينخفض ​​معدل الانتشار. تتباطأ الجزيئات لأنها تواجه صعوبة أكبر في الوصول إلى الوسط الأكثر كثافة. إذا كان الوسط أقل كثافة ، يزداد الانتشار. نظرًا لأن الخلايا تستخدم الانتشار لتحريك المواد داخل السيتوبلازم ، فإن أي زيادة في كثافة السيتوبلازم ستثبط حركة المواد. مثال على ذلك هو الشخص الذي يعاني من الجفاف. عندما تفقد خلايا الجسم الماء ، يقل معدل الانتشار في السيتوبلازم ، وتتدهور وظائف الخلايا. تميل الخلايا العصبية إلى أن تكون حساسة للغاية لهذا التأثير. يؤدي الجفاف في كثير من الأحيان إلى فقدان الوعي وربما الغيبوبة بسبب انخفاض معدل الانتشار داخل الخلايا.
  • الذوبان: كما نوقش سابقًا ، تمر المواد غير القطبية أو القابلة للذوبان في الدهون عبر أغشية البلازما بسهولة أكبر من المواد القطبية ، مما يسمح بمعدل انتشار أسرع.
  • مساحة سطح وسماكة غشاء البلازما: زيادة مساحة السطح تزيد من معدل الانتشار ، في حين أن الغشاء السميك يقلله.
  • المسافة المقطوعة: كلما زادت المسافة التي يجب أن تقطعها المادة ، كان معدل الانتشار أبطأ. هذا يضع قيودًا عليا على حجم الخلية. تموت الخلية الكروية الكبيرة لأن العناصر الغذائية أو النفايات لا يمكنها الوصول إلى مركز الخلية أو مغادرته ، على التوالي. لذلك ، يجب أن تكون الخلايا إما صغيرة الحجم ، كما هو الحال في العديد من بدائيات النوى ، أو أن تكون مسطحة ، كما هو الحال مع العديد من حقيقيات النوى أحادية الخلية.

تباين الانتشار هو عملية الترشيح. في الترشيح ، تتحرك المادة وفقًا لتدرج تركيزها عبر غشاء في بعض الأحيان يتم تعزيز معدل الانتشار بالضغط ، مما يؤدي إلى ترشيح المواد بسرعة أكبر. يحدث هذا في الكلى ، حيث يدفع ضغط الدم كميات كبيرة من الماء والمواد المذابة المصاحبة لها من الدم إلى الأنابيب الكلوية. معدل الانتشار في هذه الحالة يعتمد كليًا تقريبًا على الضغط. أحد آثار ارتفاع ضغط الدم هو ظهور البروتين في البول ، والذي "يتم ضغطه" بسبب ارتفاع ضغط الدم بشكل غير طبيعي.

سهولة النقل

في النقل الميسر ، الذي يسمى أيضًا الانتشار الميسر ، تنتشر المواد عبر غشاء البلازما بمساعدة بروتينات الغشاء. يوجد تدرج تركيز يسمح لهذه المواد بالانتشار في الخلية دون إنفاق الطاقة الخلوية. ومع ذلك ، فإن هذه المواد عبارة عن جزيئات قطبية يتم صدها بواسطة الأجزاء الكارهة للماء من غشاء الخلية. تحمي بروتينات النقل الميسر هذه المواد من القوة الطاردة للغشاء ، مما يسمح لها بالانتشار في الخلية.

يتم أولاً ربط المادة التي يتم نقلها بمستقبلات البروتين أو البروتين السكري على السطح الخارجي لغشاء البلازما. هذا يسمح بإزالة المادة التي تحتاجها الخلية من السائل خارج الخلية. يتم بعد ذلك تمرير المواد إلى بروتينات متكاملة محددة تسهل مرورها. بعض هذه البروتينات المتكاملة عبارة عن مجموعات من الصفائح المطوية بيتا التي تشكل مسامًا أو قناة عبر طبقة ثنائية الفوسفوليبيد. والبعض الآخر عبارة عن بروتينات حاملة ترتبط بالمادة وتساعد على انتشارها عبر الغشاء.

القنوات

يشار إلى البروتينات المتكاملة المشاركة في النقل الميسر بشكل جماعي باسم بروتينات النقل ، وهي تعمل إما كقنوات للمادة أو الناقلات. في كلتا الحالتين ، فهي بروتينات عبر الغشاء. القنوات خاصة بالمادة التي يتم نقلها. تحتوي بروتينات القناة على مجالات محبة للماء تتعرض للسوائل داخل الخلايا وخارجها ولديها أيضًا قناة محبة للماء من خلال لبها توفر فتحة رطبة من خلال طبقات الغشاء (الشكل 5.9). يسمح المرور عبر القناة للمركبات القطبية بتجنب الطبقة المركزية غير القطبية لغشاء البلازما التي من شأنها أن تبطئ أو تمنع دخولها إلى الخلية. الأكوابورينات عبارة عن بروتينات قناة تسمح للماء بالمرور عبر الغشاء بمعدل مرتفع جدًا.

تكون بروتينات القناة إما مفتوحة في جميع الأوقات أو أنها "ذات بوابات" تتحكم في فتح القناة. قد يتحكم ربط أيون معين ببروتين القناة في الفتحة ، أو قد تشارك آليات أو مواد أخرى. في بعض الأنسجة ، تمر أيونات الصوديوم والكلوريد بحرية عبر القنوات المفتوحة ، بينما في الأنسجة الأخرى ، يجب فتح بوابة للسماح بالمرور. مثال على ذلك يحدث في الكلى ، حيث يوجد كلا الشكلين من القنوات في أجزاء مختلفة من الأنابيب الكلوية. الخلايا المشاركة في نقل النبضات الكهربائية ، مثل الخلايا العصبية والعضلية ، لديها قنوات بوابات للصوديوم والبوتاسيوم والكالسيوم في أغشيتها. يؤدي فتح وإغلاق هذه القنوات إلى تغيير التركيزات النسبية على جوانب متقابلة من غشاء هذه الأيونات ، مما يؤدي إلى تسهيل النقل الكهربائي على طول الأغشية (في حالة الخلايا العصبية) أو في تقلص العضلات (في حالة الخلايا العضلية).

بروتينات الناقل

نوع آخر من البروتين المضمن في غشاء البلازما هو البروتين الحامل. يربط هذا البروتين المسمى بشكل مناسب مادة ما ، وبذلك ، يؤدي إلى تغيير شكلها ، مما يؤدي إلى تحريك الجزيء المرتبط من خارج الخلية إلى داخلها (الشكل 5.10) اعتمادًا على التدرج اللوني ، وقد تتحرك المادة في الاتجاه المعاكس. اتجاه. عادة ما تكون البروتينات الحاملة محددة لمادة واحدة. تضيف هذه الانتقائية إلى الانتقائية الشاملة لغشاء البلازما. الآلية الدقيقة لتغيير الشكل غير مفهومة بشكل جيد. يمكن للبروتينات أن تغير شكلها عندما تتأثر روابطها الهيدروجينية ، لكن هذا قد لا يفسر هذه الآلية بشكل كامل. كل بروتين ناقل خاص بمادة واحدة ، وهناك عدد محدود من هذه البروتينات في أي غشاء. يمكن أن يسبب هذا مشاكل في نقل ما يكفي من المواد للخلية لتعمل بشكل صحيح. عندما ترتبط جميع البروتينات بروابطها ، فإنها تكون مشبعة ويكون معدل النقل في أقصى حد له. إن زيادة تدرج التركيز عند هذه النقطة لن يؤدي إلى زيادة معدل النقل.

مثال على هذه العملية يحدث في الكلى. يتم تصفية الجلوكوز والماء والأملاح والأيونات والأحماض الأمينية التي يحتاجها الجسم في جزء واحد من الكلى. يتم بعد ذلك إعادة امتصاص هذا المرشح ، الذي يحتوي على الجلوكوز ، في جزء آخر من الكلية. نظرًا لوجود عدد محدود فقط من البروتينات الحاملة للجلوكوز ، إذا كان هناك جلوكوز أكثر مما تستطيع البروتينات التعامل معه ، لا يتم نقل الفائض ويتم إفرازه من الجسم في البول. في مرضى السكري ، يوصف هذا بأنه "سكب الجلوكوز في البول". تشارك مجموعة مختلفة من البروتينات الحاملة تسمى بروتينات نقل الجلوكوز ، أو GLUTs ، في نقل الجلوكوز والسكريات السداسية الأخرى عبر أغشية البلازما داخل الجسم.

تنقل البروتينات القناة والبروتينات الحاملة المواد بمعدلات مختلفة. تنتقل بروتينات القناة بسرعة أكبر بكثير من البروتينات الحاملة.تسهل بروتينات القناة الانتشار بمعدل عشرات الملايين من الجزيئات في الثانية ، بينما تعمل البروتينات الحاملة بمعدل ألف إلى مليون جزيء في الثانية.

التنافذ

التناضح هو حركة جزيئات الماء الحرة من خلال غشاء نصف نافذ وفقًا لتدرج تركيز الماء عبر الغشاء ، والذي يتناسب عكسًا مع تركيز المواد المذابة. بينما ينقل الانتشار المواد عبر الأغشية وداخل الخلايا ، ينقل التناضح فقط ماء عبر الغشاء والغشاء يحد من انتشار المواد المذابة في الماء. ليس من المستغرب أن تلعب الأكوابورينات التي تسهل حركة الماء دورًا كبيرًا في التناضح ، وعلى الأخص في خلايا الدم الحمراء وأغشية الأنابيب الكلوية.

آلية

التناضح هو حالة خاصة من الانتشار. ينتقل الماء ، مثله مثل المواد الأخرى ، من منطقة ذات تركيز عالٍ من جزيئات الماء الحرة إلى منطقة ذات تركيز منخفض لجزيئات الماء الحر. السؤال الواضح هو ما الذي يجعل الماء يتحرك على الإطلاق؟ تخيل دورق به غشاء شبه نافذ يفصل بين الجانبين أو النصفين (الشكل 5.11). على جانبي الغشاء ، يكون مستوى الماء متماثلاً ، ولكن توجد تركيزات مختلفة من مادة مذابة ، أو مادة مذابة ، لا يمكنها عبور الغشاء (وإلا فسيتم موازنة التركيزات على كل جانب بواسطة المذاب الذي يعبر الغشاء). إذا كان حجم المحلول على جانبي الغشاء متماثلًا ، لكن تراكيز المذاب مختلفة ، فهناك كميات مختلفة من الماء ، المذيب ، على جانبي الغشاء.

لتوضيح ذلك ، تخيل كأسين كاملين من الماء. يحتوي أحدهما على ملعقة صغيرة من السكر ، بينما يحتوي الثاني على ربع كوب من السكر. إذا كان الحجم الإجمالي للمحلولين في كلا الكوبين هو نفسه ، فأي كوب يحتوي على كمية أكبر من الماء؟ نظرًا لأن كمية السكر الكبيرة في الكوب الثاني تشغل مساحة أكبر بكثير من ملعقة صغيرة من السكر في الكوب الأول ، فإن الكوب الأول يحتوي على كمية أكبر من الماء.

بالعودة إلى مثال الدورق ، تذكر أنه يحتوي على خليط من المواد المذابة على جانبي الغشاء. مبدأ الانتشار هو أن الجزيئات تتحرك وستنتشر بالتساوي في جميع أنحاء الوسط إذا أمكن ذلك. ومع ذلك ، فإن المادة القادرة على اختراق الغشاء فقط هي التي ستنتشر من خلاله. في هذا المثال ، لا يمكن أن ينتشر المذاب عبر الغشاء ، لكن الماء يمكن أن ينتشر. الماء له تركيز متدرج في هذا النظام. وهكذا ، سوف ينتشر الماء أسفل تدرج تركيزه ، ويمر الغشاء إلى الجانب حيث يكون أقل تركيزًا. سوف يستمر هذا الانتشار للمياه عبر الغشاء - التناضح - حتى يتحول تدرج تركيز الماء إلى الصفر أو حتى يوازن الضغط الهيدروستاتيكي للماء الضغط التناضحي. يستمر التناضح باستمرار في الأنظمة الحية.

يحدث مثال الدورق هنا في نظام مفتوح حيث يمكن أن يزيد حجم السائل وينقص بحرية. من ناحية أخرى ، تتكون الخلايا من بروتينات ومواد أخرى مدمجة في السيتوبلازم المائي. يمكن اعتبار هذه المواد مذابة لأغراض التنبؤ بالتناضح. يحتفظ غشاء الخلية بمعظم البروتينات والمواد الأخرى داخل الخلية ، مما يتسبب في أن يكون للخلية أسمولية أعلى من الماء النقي.

لنفترض أنك أجريت تجربة حيث وضعت خلايا الدم الحمراء في بيئة من الماء النقي. ماذا تفترض أن يحدث للخلايا؟ لأن تركيز المذاب أعلى في خلايا الدم الحمراء مما هو عليه في الدورق ، فإن الماء يندفع إلى خلايا الدم الحمراء. في رأيك ، ما الذي سيحدث لكرات الدم الحمراء ، بالنظر إلى أن غشاء الخلية يتكون من مساحة سطح ثابتة؟ من المحتمل أن تخضع خلايا الدم الحمراء لانحلال الدم ، حيث تنتفخ بالماء وتنفجر. ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن معظم الخلايا لديها آليات لمنعها من تناول الكثير من الماء. ومع ذلك ، تفتقر خلايا الدم الحمراء إلى هذه الضوابط ، مما يجعلها مثالية لدراسات الأسمولية.

هذا اعتبار مهم بالنسبة للأطباء الذين يقدمون الأدوية عن طريق الوريد. كيف يجب صياغة الدواء ، من حيث الأسمولية ، لمنع خلايا الدم الحمراء من الخضوع لانحلال الدم؟ من أجل منع انحلال خلايا الدم الحمراء في الدم ، تُصاغ الأدوية عادةً في محلول متساوي التوتر مع الدم للحفاظ على الأسمولية.

توترية

يصف Tonicity كيف يمكن للحل خارج الخلية أن يغير حجم الخلية من خلال التأثير على التناضح. غالبًا ما يرتبط توتر المحلول ارتباطًا مباشرًا بسمولية المحلول. تصف الأسمولية التركيز الكلي للمذاب للمحلول. يحتوي المحلول ذو الأسمولية المنخفضة على عدد أكبر من جزيئات الماء بالنسبة إلى عدد الجسيمات المذابة. يحتوي المحلول ذو الأسمولية العالية على عدد أقل من جزيئات الماء فيما يتعلق بالجسيمات المذابة. في حالة يتم فيها فصل محاليل الأسمولية المختلفة عن طريق غشاء منفذ للماء ، ولكن ليس إلى المذاب ، سينتقل الماء من جانب الغشاء ذي الأسمولية المنخفضة (والمزيد من الماء) إلى الجانب ذي الأسمولية الأعلى (و مياه اقل). يكون هذا التأثير منطقيًا إذا كنت تتذكر أن المذاب لا يمكن أن يتحرك عبر الغشاء ، وبالتالي فإن المكون الوحيد في النظام الذي يمكنه التحرك - الماء - يتحرك على طول تدرج التركيز الخاص به. من الاختلافات المهمة التي تتعلق بالنظم الحية أن الأسمولية تقيس عدد الجسيمات (التي قد تكون جزيئات) في محلول. لذلك ، قد يكون للمحلول الغائم بالخلايا أسمولية أقل من المحلول الواضح ، إذا كان المحلول الثاني يحتوي على جزيئات مذابة أكثر من الخلايا الموجودة.

حلول منخفضة التوتر

تستخدم ثلاثة مصطلحات - ناقص التوتر ، متساوي التوتر ، وفرط التوتر - لربط الأسمولية للخلية بالاسمولية للسائل خارج الخلية الذي يحتوي على الخلايا. في حالة نقص التوتر ، يكون للسائل خارج الخلية أسمولية أقل من السائل داخل الخلية ، ويدخل الماء إلى الخلية. (في الأنظمة الحية ، تكون النقطة المرجعية دائمًا هي السيتوبلازم ، وبالتالي فإن البادئة هيبو- يعني أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أقل من المواد المذابة ، أو أسمولية أقل من سيتوبلازم الخلية.) وهذا يعني أيضًا أن السائل خارج الخلية يحتوي على تركيز أعلى من الماء في المحلول مقارنة بالخلية. في هذه الحالة ، سيتبع الماء تدرج تركيزه ويدخل الخلية.

حلول مفرطة التوتر

أما بالنسبة لمحلول مفرط التوتر ، فإن البادئة مفرط- يشير إلى السائل خارج الخلية الذي يحتوي على أسمولية أعلى من سيتوبلازم الخلية ، لذلك يحتوي السائل على كمية أقل من الماء مما تحتويه الخلية. نظرًا لأن الخلية تحتوي على تركيز أعلى نسبيًا من الماء ، فإن الماء سيترك الخلية.

حلول متساوية التوتر

في محلول متساوي التوتر ، يكون للسائل خارج الخلية نفس الأسمولية مثل الخلية. إذا كانت الأسمولية للخلية تتطابق مع السائل خارج الخلية ، فلن تكون هناك حركة صافية للمياه داخل الخلية أو خارجها ، على الرغم من استمرار تحرك الماء داخل وخارج الخلية. تأخذ خلايا الدم وخلايا النبات في المحاليل مفرطة التوتر ، متساوي التوتر ، وخفض التوتر مظاهر مميزة (الشكل 5.12).

ارتباط بالتعلم

للحصول على مقطع فيديو يوضح عملية الانتشار في الحلول ، قم بزيارة هذا الموقع.


الأجهزة

حقن العينة

منفذ العينة ضروري لإدخال العينة في رأس العمود. غالبًا ما تستخدم تقنيات الحقن الحديثة استخدام منافذ العينات الساخنة التي يمكن من خلالها حقن العينة وتبخيرها بطريقة شبه متزامنة. يتم استخدام microsyringe المعايرة لإيصال حجم عينة في نطاق بضعة ميكرولتر من خلال حاجز مطاطي إلى غرفة التبخير. تتطلب معظم عمليات الفصل جزءًا صغيرًا فقط من حجم العينة الأولي ويتم استخدام مقسم العينة لتوجيه العينة الزائدة إلى النفايات. غالبًا ما تسمح كروماتوغرافيا الغاز التجارية بالحقن المنقسمة وغير المنقسمة عند التبديل بين الأعمدة المعبأة والأعمدة الشعرية. عادةً ما يتم تسخين غرفة التبخير بمقدار 50 درجة مئوية فوق أدنى نقطة غليان للعينة ثم يتم خلطها مع الغاز الحامل لنقل العينة إلى العمود.

الشكل 1: عرض مقطعي للحاقن المباشر لمبخر ميكروفلاش.

غاز الناقل

يلعب الغاز الحامل دورًا مهمًا ويختلف في GC المستخدم. يجب أن يكون الغاز الحامل جافًا وخاليًا من الأكسجين وطورًا متحركًا خاملًا كيميائيًا يستخدم في كروماتوغرافيا الغاز. يستخدم الهيليوم بشكل أكثر شيوعًا لأنه أكثر أمانًا من الهيدروجين ، ولكنه قابل له في الكفاءة ، وله نطاق أكبر من معدلات التدفق ومتوافق مع العديد من أجهزة الكشف. يتم استخدام النيتروجين والأرجون والهيدروجين أيضًا اعتمادًا على الأداء المطلوب والكاشف المستخدم. يوفر كل من الهيدروجين والهيليوم ، اللذين يستخدمان بشكل شائع في معظم أجهزة الكشف التقليدية مثل تأين اللهب (FID) والتوصيل الحراري (TCD) والتقاط الإلكترون (ECD) ، وقت تحليل أقصر ودرجات حرارة منخفضة للعينة بسبب ارتفاع معدلات التدفق وانخفاض الوزن الجزيئي. على سبيل المثال ، يعطي الهيدروجين أو الهليوم كغاز حامل أعلى حساسية مع TCD لأن الاختلاف في التوصيل الحراري بين البخار العضوي والهيدروجين / الهليوم أكبر من الغاز الحامل الآخر. أجهزة الكشف الأخرى مثل التحليل الطيفي الشامل ، تستخدم النيتروجين أو الأرجون الذي يتمتع بميزة أفضل بكثير من الهيدروجين أو الهيليوم بسبب الأوزان الجزيئية العالية ، والتي تعمل على تحسين كفاءة مضخة التفريغ.

تتوفر جميع الغازات الحاملة في خزانات مضغوطة ، وتستخدم منظمات الضغط وعدادات التدفق وعدادات التدفق للتحكم الدقيق في معدل تدفق الغاز. يجب أن تنخفض معظم إمدادات الغاز المستخدمة بين 99.995٪ - 99.9995٪ نطاق نقاء وتحتوي على مستويات منخفضة (& لتر 0.5 جزء في المليون) من الأكسجين وإجمالي الهيدروكربونات في الخزان. يحتوي نظام الغاز الحامل على منخل جزيئي لإزالة الماء والشوائب الأخرى. تعتبر المصائد خيارًا آخر للحفاظ على نقاء النظام وحساسية قصوى وإزالة آثار المياه والملوثات الأخرى. يلزم تنظيم ضغط من مرحلتين لاستخدامه لتقليل ارتفاعات الضغط ولمراقبة معدل تدفق الغاز. لمراقبة معدل تدفق الغاز ، كان هناك حاجة أيضًا إلى منظم التدفق أو الضغط على كل من الخزان ومدخل غاز الكروماتوجراف. ينطبق هذا على نوع غاز مختلف سيستخدم نوعًا مختلفًا من المنظم. يتم تسخين الغاز الحامل مسبقًا وتصفيته بمنخل جزيئي لإزالة الشوائب والماء قبل إدخاله إلى غرفة التبخير. عادةً ما يكون الغاز الحامل مطلوبًا في نظام GC للتدفق عبر الحاقن ودفع المكونات الغازية للعينة إلى عمود GC ، مما يؤدي إلى الكاشف (انظر المزيد من التفاصيل في قسم الكاشف).

الشكل 3. توصيات الغاز للأعمدة المعبأة


النقل النشط

النقل النشط ، ببساطة ، هو حركة الجسيمات عبر بروتين النقل من التركيز المنخفض إلى التركيز العالي على حساب الطاقة الأيضية. 21 مصدر الطاقة الأكثر شيوعًا الذي تستخدمه الخلايا هو الأدينوزين ثلاثي الفوسفات أو ATP ، على الرغم من استخدام مصادر أخرى مثل الطاقة الضوئية أو الطاقة المخزنة في التدرج الكهروكيميائي. 2 في حالة ATP ، يتم حصاد الطاقة كيميائيًا من خلال التحلل المائي. يؤدي التحلل المائي 22 ATP بدوره إلى تغيير تكوين في بروتين النقل الذي يسمح بالحركة الميكانيكية للجسيم المعني. 2 أنظمة النقل النشطة ، لذلك ، هي أجهزة اقتران الطاقة حيث ترتبط العمليات الكيميائية والميكانيكية لتحقيق حركة الجسيمات. يتم تصنيف النقل النشط إما على أنه نقل أساسي نشط أو نقل نشط ثانوي. يعرض الشكل 4 (المعروض أعلاه) بنية شريطية لفيتامين ب ABC المصور بشكل شائع12بروتين النقل النشط المستورد.

النقل الأساسي النشط

يستخدم النقل النشط الأساسي الطاقة الموجودة في ATP والفوتونات والتدرجات الكهروكيميائية مباشرة في نقل الجزيئات من التركيز المنخفض إلى التركيز العالي عبر الغشاء الخلوي. 23

باستخدام ATP

يؤدي تفاعل التحلل المائي المحفز بالإنزيم الذي يزيل الفوسفات من ATP ، وبالتالي تكوين ADP ، إلى تغيير تكوين في بروتين النقل مما يسمح للجسيمات بالتدفق أو التدفق. 23 تسمى الإنزيمات التي تحفز النقل النشط الأولي الذي يحركه ATP باسم ATPases. 2

الشكل 5. النقل النشط الأساسي ، باستخدام ATP ، موصوف أعلاه يتقدم من اليسار إلى اليمين ومن أعلى إلى أسفل.

المثال الأكثر شمولاً على التحلل المائي ATP الذي يقود النقل النشط الأولي في الخلايا هو مضخة الصوديوم والبوتاسيوم. 2 مضخة الصوديوم والبوتاسيوم هي المسؤولة عن التحكم في كل من تركيزات الصوديوم والبوتاسيوم داخل الخلية. تعتبر مضخة الصوديوم والبوتاسيوم مهمة للغاية في الحفاظ على قدرة الخلية و rsquos على الراحة.

الشكل 6. هيكل الشريط لمضخة ATPase الصوديوم والبوتاسيوم.

استخدام طاقة التدرج الكهروكيميائي

يتكون التدرج الكهروكيميائي من مكونين: 1) مكون كهربائي ناتج عن اختلاف الشحنة على جانبي الغشاء الخلوي و 2) مكون كيميائي ناتج عن اختلاف تركيزات الأيونات عبر الغشاء الخلوي. 24 يتم إنشاء التدرج الكهروكيميائي عن طريق وجود تدرج بروتون (H +). التدرج البروتوني هو شكل من أشكال الطاقة القابلة للتحويل والتي يمكن أن يستخدمها بروتين النقل لنقل الجسيمات عبر الغشاء الخلوي. 2

المثال الجوهري لطاقة التدرج الكهروكيميائي في النقل النشط الأولي هو سلسلة نقل الإلكترون في الميتوكوندريا (ETC). 25 يستخدم ETC الطاقة الناتجة من تقليل NADH إلى NAD + لإنشاء تدرج بروتوني عن طريق ضخ البروتونات في الفضاء الداخلي للميتوكوندريا.

استخدام طاقة الفوتون

تُستخدم الطاقة المخزنة في الفوتون ، الوحدة الأساسية للضوء ، لتوليد تدرج بروتون من خلال عملية مماثلة لتلك الموجودة في التدرجات الكهروكيميائية. 24 إن التمرير التدريجي للإلكترونات في سلسلة نقل الإلكترون يقلل من جزيء مثل NADH ويولد في النهاية تدرجًا بروتونيًا.

يعتبر التمثيل الضوئي للنبات مثالاً على النقل النشط الأولي باستخدام طاقة الفوتون. 2 يمتص الكلوروفيل فوتونًا من الضوء وبالتالي يفقد إلكترونًا يمر به فيوفيتين مسبباً سلسلة نقل إلكترون لاحقة. 26 ينتهي ETC هذا في النهاية في تقليل NADH إلى NAD + مما يخلق تدرجًا بروتونيًا عبر غشاء البلاستيدات الخضراء.

النقل النشط الثانوي

يحقق النقل النشط الثانوي نتيجة مماثلة مثل النقل النشط الأولي حيث يتم نقل الجزيئات من التركيز المنخفض إلى التركيز العالي على حساب الطاقة. 2 ومع ذلك ، فإن النقل النشط الثانوي يعمل بشكل مستقل عن اقتران ATP المباشر. بدلاً من ذلك ، يتم استخدام الطاقة الكهروكيميائية الناتجة عن ضخ الأيونات خارج الخلية. يصنف النقل النشط الثانوي على أنه إما متناظر لمضاد الحمى.

Symports

يستخدم النقل النشط الثانوي Symport حركة انحدار لجسيم واحد لنقل جسيم آخر مقابل تدرج تركيزه. 27 تقوم الرموز بتحريك كلا الجسيمين في نفس الاتجاه من خلال بروتين نقل عبر الغشاء.

مثال على الرمز الشائع هو SGLT1 ، وهو رمز جلوكوز. ينقل SGLT1 جزيء جلوكوز واحدًا إلى الخلية مقابل كل اثنين من أيونات الصوديوم يتم نقلها إلى الخلية. 28 يوجد مؤشر SGLT1 في جميع أنحاء الجسم ، ولا سيما في نيفرون الكلى.

انتيبورتس

يتحرك النقل النشط الثانوي المضاد للمنفذ اثنين أو أكثر من الجسيمات المختلفة عبر الغشاء الخلوي في اتجاهين متعاكسين. 27 يحرك النقل النشط الثانوي Antiport جسيمًا واحدًا إلى أسفل تدرج تركيزه ويستخدم الطاقة المتولدة من تلك العملية لتحريك جسيم آخر إلى أعلى تدرج تركيزه.

يعد مبادل الصوديوم والكالسيوم الموجود في جميع أنحاء البشر في الخلايا القابلة للاستثارة مثالًا بسيطًا وشائعًا لمضاد المنفذ. تنتقل ثلاثة أيونات الصوديوم إلى أسفل تدرج تركيزها مقابل أيون كالسيوم واحد. 29


انتقائية الأيونات في القنوات والناقلات

Benoît Roux ، Simon Bernèche ، Bernhard Egwolf ، بوجدان ليف ، سيرجي Y. Noskov ، كريستوفر ن. رولي ، انتقائية Haibo Yu Ion في القنوات والناقلات. ي جن فيزيول 1 مايو 2011137 (5): 415-426. دوى: https://doi.org/10.1085/jgp.201010577

تتطلب العديد من العمليات البيولوجية مشاركة كاتيونات معينة ، مثل H + و Na + و K + و Ca 2+ و Mg 2+. يمكن أن تحدث العديد من هذه العمليات فقط عندما يكون للبروتينات القدرة على التمييز بين الأيونات المختلفة بدقة عالية جدًا. كيف يكون هذا ممكنًا هو سؤال أساسي أذهل العلماء لفترة طويلة. على المستوى الأساسي ، من المتوقع أن انتقائية الأيونات يجب أن تنتج من توازن دقيق للتفاعلات القوية. ومع ذلك ، فإن تحديد وقياس العوامل المجهرية الرئيسية أمر صعب ، حيث لا يمكن قياس العديد من هذه العوامل بشكل مباشر عن طريق التجارب. يمكن أن تساهم النظرية والحسابات من خلال توفير طريق افتراضي لاستكمال المعلومات المفقودة. نظرًا لأن انتقائية الأيونات غالبًا ما تهيمن عليها العوامل الديناميكية الحرارية ، فإن عمليات محاكاة الطاقة المجانية للديناميات الجزيئية (MD) تصبح أدوات مهمة. تم توضيح هذا بوضوح في وقت مبكر من خلال دراسات إذابة الأيونات (Straatsma and Berendsen ، 1988 Åqvist ، 1990) وأنظمة انتقائية الأيونات (Lybrand et al. ، 1986 Grootenhuis and Kollman ، 1989 Åqvist ، 1992). ألهمت هذه الدراسات الرائدة جهودنا الخاصة.

في هذا المنظور ، نهدف إلى تقديم فهمنا لانتقائية الأيونات حيث تطورت على مدار 15 عامًا تقريبًا من الدراسات القائمة على هياكل محددة مختلفة: قنوات الجراميسيدين A (على سبيل المثال ، Roux ، 1996 Allen et al. ، 2006) ، قناة KcsA ( على سبيل المثال ، Bernèche and Roux ، 2000 ، 2001 ، 2003 ، 2005 Noskov et al. ، 2004a Egwolf and Roux ، 2010) ، قناة NaK (Noskov and Roux ، 2007) ، ناقل LeuT (Noskov and Roux ، 2008) ، و مضخة Na / K (Ratheal et al. ، 2010). نناقش أيضًا الأفكار التي يمكن اكتسابها من النماذج البسيطة ، والتي يمكن استخدامها لتوضيح وتوضيح المبادئ الفيزيائية الأساسية التي تحكم انتقائية الأيونات في القنوات والناقلات (Noskov et al.، 2004a Noskov and Roux، 2007، 2008 Yu and Roux، 2009 Yu et al.، 2009، 2010b Roux، 2010a).

في القسم 1 ، نقدم بإيجاز بعضًا من الخلفية التاريخية التي حفزت وشكلت دراساتنا عن انتقائية الأيونات في العقد الماضي ، والتي كانت مدفوعة بتحديد بنية الأشعة السينية لقناة KcsA K +. ننتقل بعد ذلك إلى مناقشة النمط الظاهري للانتقائية (القسم 2) ، ومناظر الطاقة الحرة (القسم 3) ، والصياغة النظرية للنماذج المختصرة (القسم 4) ، وقضايا الدقة في مجالات القوة (القسم 5). تنتهي المراجعة باستنتاج موجز في القسم 6.

1. السياق التاريخي

أتاحت بنية الأشعة السينية لقناة KcsA K + الفرصة الأولى لتصور بنية قناة بيولوجية انتقائية للغاية (Doyle et al. ، 1998). أظهر الهيكل (الشكل 1 أ) أن أيونات K + التي تدخل أضيق منطقة من المسام ، مرشح الانتقائية ، يتم تنسيقها بواسطة أكسجين الكربونيل العمود الفقري (الشكل 1 ب). يبدو أن بنية الأشعة السينية تقدم دعمًا مباشرًا لتفسير هيكلي بسيط وجذاب لانتقائية الأيونات بالتوافق الوثيق مع آلية الملائمة المريحة (Bezanilla and Armstrong، 1972) ، والتي أصبحت فيما بعد أمرًا مفروغًا منه ضمنيًا (Hille et al.، 1999).الفكرة العامة ، المستعارة من كيمياء المضيف - الضيف ، هي أن المسام الضيقة مناسبة تمامًا (على مستوى تحت الأنجستروم) لتوفير تجويف بالحجم المناسب لتناسب K + ، ولكنها غير قادرة - لأسباب هيكلية - على التكيف إلى Na + الأصغر قليلاً (ديتريش ، 1985). في وقت مبكر جدًا ، مع ذلك ، اقترحت عمليات محاكاة MD المستندة إلى نماذج جميع الذرة أن مرشح الانتقائية لقناة KcsA قد يكون مرنًا للغاية لتلبية متطلبات آلية الملائمة التقليدية (Guidoni et al. ، 1999 Bernèche and Roux ، 2000 بيججين وآخرون ، 2001). في عمليات محاكاة MD التي أجريت في درجة حرارة الغرفة ، بدا أن الفلتر المتقلب يتشوه بسهولة ليحمل Na + بتكلفة طاقة قليلة ، وهي ملاحظة لا تتوافق مع التفسير الهيكلي المقترح للانتقائية (Hille et al. ، 1999).

تم استخدام محاكاة MD وإمكانات الأيونات المتعددة لحسابات القوة المتوسطة (PMF) للتنبؤ بموضع جميع مواقع ربط K + على طول المسام ، مما يدل على أن حواجز الطاقة الحرة التي تعارض التوصيل الأيوني لم تكن أكبر من عدد قليل كبتي وأن المسام كانت انتقائية لـ K + على Na + (Bernèche and Roux ، 2001). تم إجراء محاكاة لاضطراب الطاقة الخالي من المواد الكيميائية (FEP) MD (FEP / MD) لتوصيف انتقائية الأيونات من الناحية الكمية. التقارب النسبي لـ K + و Na + ، ΔΔجينا ، ك، لمواقع الربط الكاتيونية الخمسة الواقعة على طول المسام الضيقة (S0 - S4 الشكل 1 ب) ،

حيث موقع Δ G Na ، K = [موقع G Na - موقع G K] و Δ G Na ، K السائبة = [G Na Bulk - G K Bulk]. (وفقًا لهذا التعريف ، يكون موقع الربط انتقائيًا عند K + عندماجينا ، ك تكون موجبة و Na + انتقائية عندما تكون سالبة.) تفترض حسابات FEP / MD هذه أنه يمكن فهم انتقائية الأيونات على أساس توازن الربط الديناميكي الحراري ، مع استبعاد أي اعتبارات حركية (انظر القسم 3). أظهرت الحسابات أن مواقع ربط الكاتيون في مرشح الانتقائية الديناميكي التي لوحظت في محاكاة MD كانت انتقائية بالفعل لـ K + على Na + ، لا سيما الموقع S2 الموجود في وسط المسام الضيقة. في ذلك الوقت ، يبدو أن اقتراح مرشح مرن انتقائي K + يخضع لتقلبات مقياس أنجستروم غير متوافق من الناحية المفاهيمية مع هياكل الأشعة السينية عالية الدقة المتوفرة.

لحل هذه المعضلة ، تم إجراء سلسلة من تجارب الكمبيوتر بعد ذلك على مجموعة واسعة من النماذج الذرية لموقع ربط KcsA (Noskov et al. ، 2004a). كان الهدف ، أولاً ، تقديم دليل مقنع على أن انتقائية الأيونات كانت ممكنة في موقع ربط مرن مقيد بشكل فضفاض حيث لم تتحقق شروط آلية الملائمة الكلاسيكية ، وثانيًا ، تحديد العناصر المجهرية التي تؤدي إلى الانتقائية في ظل هذه الظروف. أدى التحليل إلى نتيجة مفاجئة واستفزازية. لوحظ أن الاختلافات القوية في الطاقة الحرة التي تتحكم في الانتقائية تنشأ بشكل أساسي من عدد ونوع روابط تنسيق الأيونات ، دون الحاجة إلى فرض موضع تلك الروابط على دقة أنجستروم الفرعية (Noskov et al. ، 2004a). كانت انتقائية K + على Na + كبيرة (على سبيل المثال ، GT4-5 كيلو كالوري / مول) فقط مع ثمانية روابط تشبه الكربونيل. نتجت الطاقة الحرة النسبية لـ K + و Na في المسام عن منافسة محلية بين التفاعلات الأيونية - الترابطية المواتية والتفاعلات الترابطية - الترابطية غير المواتية. يشير هذا إلى أهمية علم الطاقة المحلي في مواقع الربط المرنة ، وهو مفهوم جديد نوعًا ما.

في هذا الإطار ، تم وصف التنسيق الأيوني بواسطة روابط الكاربونيل بأنه "ديناميكي" و مثل السائل ، "على النقيض من الصورة الملائمة مع هندستها التي يتم فرضها على الدقة الموضعية تحت أنغستروم. وقد أدى هذا على ما يبدو إلى بعض الارتباك المؤسف ، حيث أخذ البعض المعنى حرفياً للغاية. من خلال الشبيهة بالسائل ، كان من المفترض أن تتذبذب الكاربونيل التي تنسق الأيون مثل الروابط الموجودة في غلاف التنسيق الأول لأيون مذاب في سائل (أي أن القمة الأولى في دالة التوزيع الشعاعي للروابط حول الأيون لها نفس التشابه العروض). علاوة على ذلك ، تنشأ الطاقة الحرة النسبية لـ K و Na في المسام من توازن التفاعلات المحلية الديناميكية ، والتي تحمل بعض أوجه التشابه مع إذابة الأيونات في سائل (انظر القسم 4). وصف ديناميكيات البروتينات بأنها تشبه السوائل (McCammon et al.، 1977 Sheinerman and Brooks، 1998) أو تشبه السائل (Caspar et al.، 1988 Kneller and Smith، 1994 Lindorff-Larsen et al.، 2005) هو في الواقع معروف لحد ما. ومع ذلك ، يمكن أن تؤدي الاختصارات الدلالية إلى حدوث ارتباك لأن التمييز الواضح بين مادة صلبة وصلبة مقابل مادة ديناميكية ومرنة أمر ذاتي جزئيًا ويعتمد على السياق. إن مفاهيم الصلابة والمرونة في حالة القنوات الأيونية لها معنى قابل للقياس الكمي بمجرد تحديد مقاييس الأطوال والطاقات (Allen et al. ، 2004). في الكيمياء الفيزيائية ، هناك تقليد طويل يعتمد على معيار ذوبان ليندمان (Lindemann ، 1910) ، والذي بموجبه يُعلن أن المادة أكثر شبهاً بالسائل من الشبيهة بالصلب عند تقلبات الجذر التربيعي للذرات تتجاوز -10-15٪ من أقرب مسافة مجاورة. غالبًا ما يستخدم هذا النوع من التحليل لمقارنة الحالات المطوية وما يسمى بحالات الكريات المنصهرة للبروتين (Zhou and Karplus، 1997، 1999 Jang et al.، 2002). مع تقلبات جذر متوسط ​​التربيع التي تكون 1 Å ومسافات أيون كربونيل ∼3 Å ، فإن روابط الكاربونيل تشبه السائل على مقاييس الطول الذري وفقًا لمعيار Lindemann. لكن التشابهات مع ذوبان الأيونات في سائل لا ينبغي المبالغة فيها. لا ينبغي لأحد أن يغيب عن بصره أبدًا أن التقلبات الذرية من MD تكون على الأكثر في حدود ∼1 Å (Noskov et al. ، 2004a) ، وأن البروتين يلعب بشكل لا لبس فيه دورًا هيكليًا أساسيًا عن طريق الحفاظ على الأيونات والكربونيل مقيدة داخل بعض منطقة صغيرة.

لتوضيح كيفية دعم انتقائية الحجم في موقع ربط مرن في غياب أي هندسة هيكلية دقيقة ، تم تقديم نماذج بسيطة ("ألعاب") مع مجموعات شبيهة بالكربونيل محصورة في منطقة كروية (Noskov et al. ، 2004a) . عن طريق البناء ، لا تمنع قوى ضبط النفس انهيار الروابط على الأيون. ومع ذلك ، أظهرت حسابات FEP / MD أن الانتقائية القوية لـ K + يمكن أن تحدث. كان مثل هذا النموذج البسيط من شأنه أن ينتج انتقائية لـ K + على Na + كان غير متوقع ومدهشًا جدًا للكثيرين. بعد هذا العمل ، قامت العديد من الدراسات النظرية بفحص نماذج ألعاب مصغرة مماثلة لاستكشاف كيفية عرض انتقائية الحجم (Asthagiri et al.، 2006 Bostick and Brooks، 2007، 2009، 2010 Thomas et al.، 2007، 2011 Varma and Rempe، 2007 ، 2008 دودف وليم ، 2009). على الرغم من الاختلاف في التركيز ، فإن الإجماع الناشئ من هذه الدراسات ودراساتنا الخاصة قد أكد على نطاق واسع أنه ، اعتمادًا على عدد ونوع الروابط ، فإن انتقائية الأيونات القوية ممكنة في موقع ربط مرن مقيد بشكل فضفاض والذي لا ينطبق عليه المفهوم الكلاسيكي للملاءمة الدافئة لا ينطبق.

2. المفهوم الوظيفي لانتقائية الأيونات

من المفيد ملاحظة أن مفهوم انتقائية الأيونات يمكن أن يعني أشياء مختلفة من الناحية التشغيلية ، اعتمادًا على النظام الجزيئي الذي يتم النظر فيه (على سبيل المثال ، قناة أيون أو ناقل) وعلى الظروف التجريبية المستخدمة لفحص النظام (على سبيل المثال. ، ربط التوازن أو التدفق غير المتوازن وقياسات التيار الأيوني). في حالة الناقل ، من المعقول أن نتوقع أن انتقائية ربط الأيونات ستحكم في المقام الأول ديناميكيًا حراريًا عن طريق ربط التوازن ، لأن عمر مختلف حالات التوافق للبروتين طويل للغاية. هذا الموقف قابل بشكل لا لبس فيه لحسابات FEP / MD. في حالة القنوات الأيونية ، يمكن أن تعني الانتقائية أشياء مختلفة ، على الرغم من أنه من المفهوم في النهاية أن الأنواع الخاطئة من الأيونات يجب أن تواجه صعوبة أكبر من النوع الصحيح من الأيونات للتغلغل.

كلاسيكيًا ، تم تمييز انتقائية قناة الأيونات من خلال تحديد نسبة النفاذية من إمكانية الانعكاس (صفر صافي التيار) في ظل الظروف الإلكترونية. الدراسات الحسابية قادرة على محاكاة هذا الموقف وشرح أصل إمكانية الانعكاس في تركيز أيوني غير متماثل مع دقة شبه كمية لـ OmpF porin (Im and Roux ، 2002) و α-hemolysin (Noskov et al. ، 2004b Egwolf et al. ، 2010 Luo et al. ، 2010). ومع ذلك ، فإن قياسات إمكانات الانعكاس تصبح غير عملية للقنوات الانتقائية للغاية مثل قنوات K +. في هذه الحالة ، توفر الطرق البديلة مثل Ba 2+ للتخفيف من الحصار (Neyton and Miller ، 1988a ، b) أو Na + punchthrough (Nimigean and Miller ، 2002) استراتيجيات أكثر فاعلية لوصف الانتقائية بدقة كمية. تعد كتلة Ba 2+ أكثر حساسية لعمق الحد الأدنى للطاقة المجانية لمواقع الربط (أي ربط التوازن) ، في حين أن Na + punchthrough أكثر حساسية لارتفاع حواجز الطاقة المجانية (أي معدلات عدم التوازن).

ضمنيًا ، يُفترض أن ظاهرة نفاذ الأيونات والانتقائية من خلال المسام الموصلة المفتوحة يمكن مناقشتها بشكل مستقل عن التبويض والتعطيل. في الواقع ، الوضع أكثر تعقيدًا. على سبيل المثال ، لا يمكن لمرشح بعض قنوات K + أن يظل في شكل موصل عند تعريضه لمحلول أيوني به أيونات K + قليلة أو معدومة. في ظل هذه الظروف ، يتحول المرشح بسرعة إلى حالة غير موصلة لأن أيونات K + مطلوبة للحفاظ على الحالة الموصلة للقناة ، مما يؤدي إلى نوع من الانتقائية الفائقة المدفوعة بالتوافق. يتم توفير مثال على ذلك من خلال قناة KcsA من النوع البري (Lockless et al. ، 2007). ذات الصلة المحتملة بهذه الملاحظات ، يلخص مرشح الانتقائية لقناة KcsA البكتيرية معظم السمات المميزة لتعطيل النوع C التي تعرضها قنوات K + المعتمدة على الجهد حقيقية النواة (Cordero-Morales et al. ، 2006 ، 2007 Cuello et al. ، 2010). يجب تمييز ظاهرة الانتقائية الفائقة المعقدة عن المفهوم الأبسط وربما الأكثر تقليدية لانتقائية الحالة الموصلة ، وهو الموضوع الأساسي لهذا المنظور. من الأمثلة على القنوات التي تعرض بشكل لا لبس فيه ظاهرة انتقائية الحالة الموصلة من خلال البقاء في الحالة الموصلة حتى في حالة الغياب التام لـ K + قناة MthK (Ye et al. ، 2010) والقناة الاصطناعية KcsA D-Ala77 (Valiyaveetil et al. ، 2006). ركزت الدراسات الحسابية للانتقائية في قنوات K + بشكل أساسي على ظاهرة انتقائية الحالة الموصلة (Bernèche and Roux، 2001 Luzhkov and Åqvist، 2001 Noskov et al.، 2004a Thompson et al.، 2009 Egwolf and Roux، 2010). تم تكريس اهتمام أقل لتوصيف الاقتران المعقد بين الربط الأيوني الانتقائي والاستقرار التوافقي للمرشح المتضمن في الانتقائية الفائقة باستخدام الطرق الحسابية. تقدم الدراسات السابقة حول الاستقرار النسبي للهيكل الموصل وما يسمى بـ low-K + لقناة KcsA من النوع البري وكيف تعتمد على الإشغال الأيوني أمثلة على التحديات والصعوبات التي قد تنتظرنا (Domene and Furini، 2009 Boiteux and Bernèche ، 2011). تتطلب معالجة هذه المشكلات بشكل منهجي تقنيات حسابية متقدمة قادرة على وصف التغييرات المطابقة المعقدة في الجزيئات الكبيرة (Domene et al.، 2008 Pan and Roux، 2008 Pan et al.، 2008 Maragliano et al.، 2009).

3. الانتقائية من منظور مشهد الطاقة الحرة متعدد الأيونات

تبدأ أبسط عرض لانتقائية الحالة الموصلة بافتراض وجود مواقع ربط محددة جيدًا يمكن أن تشغلها إما K + أو Na +. في هذا السياق ، يمكن معالجة المشكلة بمحاكاة FEP / MD لحساب الطاقة الحرة النسبية لـ K + و Na في موقع الربط محل الاهتمام عبر Eq. 1. لكن انتقائية الحالة الموصلة يمكن أن تكون أيضًا نتيجة لعوامل حركية ناجمة عن الاختلافات في حواجز الطاقة الحرة (Thompson et al.، 2009 Nimigean and Allen، 2011). علاوة على ذلك ، من الجيد أن نتذكر أن القنوات الأيونية ليست مصممة حقًا للحفاظ على الأيونات في مكانها ، ولكن للسماح لها بالانتشار بسرعة عبر الغشاء. لذلك ، من المحتمل أن تكون مواقع الربط داخل المسام ، حتى في حالة وجودها ، ضحلة إلى حد ما ومفصولة بحواجز طاقة حرة صغيرة.

يتطلب التحليل الأكثر اكتمالا لانتقائية الحالة الموصلة معرفة كامل سطح الطاقة الحرة الذي يحكم عملية تغلغل الأيونات المتعددة ، مع جميع آبار وحواجز الطاقة المجانية (Bernèche and Roux ، 2001 Roux et al. ، 2004 Furini and Domene ، 2009). يمكن تحقيق ذلك عن طريق حساب PMF للأيونات الموجودة في المسام ، دبليو(ض1,ض2,ض3) ، باستخدام نماذج محاكاة MD لأخذ العينات المظلة (Bernèche and Roux ، 2001 ، 2003). على سبيل المثال ، يعرض PMF متعدد الأيونات لأيونات K + التي تنتقل عبر مرشح انتقائية KcsA سلسلة من مواقع ربط الكاتيونات مفصولة فقط بحواجز طاقة حرة صغيرة (Bernèche and Roux ، 2001) ، مما ينتج عنه أقصى توصيل للقناة من 300-500 pS ، في توافق جيد مع التجارب (Bernèche and Roux ، 2003). يتم دعم آلية التوصيل الأيوني السائدة المستخرجة من حسابات PMF بالنتائج من مسارات MD طويلة غير منحازة (جنسن وآخرون ، 2010).

في ظل الظروف الفسيولوجية ، فإن النتيجة الوظيفية للانتقائية العالية لقنوات K هي في المقام الأول منع دخول أيونات الصوديوم من الجانب خارج الخلية. لمعرفة المزيد حول هذه العملية ، تم استخدام محاكاة كل ذرات MD مع غشاء صريح لتحديد PMF متعدد الأيونات المقابلة لدخول أيون خارج الخلية ، Na + أو K + ، في مرشح الانتقائية لقناة KcsA أثناء ذلك في حالتها الموصلة ويحتلها اثنان من أيونات K (Egwolf and Roux ، 2010). الحسابات ، الملخصة في الشكل 2 ، كانت قادرة على التقاط الاختلافات الرئيسية بين دخول K + أو Na + أيون في المسام. الأهم من ذلك ، أن PMFs في الشكل 2 أ توضح أن المنطقة المقابلة لموقع الربط S2 بالقرب من مركز المسام الضيقة تظهر على أنها الأكثر انتقائية لـ K + على Na +. على وجه الخصوص ، على الرغم من وجود حد أدنى ثابت لـ K + في الموقع S2 ، يواجه أيون الصوديوم ارتفاعًا حادًا في مشهد الطاقة الحرة مع عدم وجود بئر محلي في هذه المنطقة. على الرغم من أن S2 هو موقع ثابت لـ K + ، إلا أنه قد يكون موقعًا ثابتًا للربط لـ Na + فقط في سياق تكوين متعدد الأيونات ، مع وجود أيونات أخرى مرتبطة في الموقعين S0 و S4. هذا له آثار مهمة على دراسات FEP / MD الخيميائية لانتقائية الأيونات في قناة KcsA. من الممكن أيضًا مراقبة متوسط ​​عدد الأكسجين المنسق من مجموعات الكربونيل العمود الفقري أو جزيئات الماء حول K + و Na + أيون أثناء عملية الدخول لمعرفة كيفية ارتباطها بمشهد الطاقة الحرة. النتائج موضحة في الشكل 2 ب. كما هو متوقع ، يتناقص عدد جزيئات الماء المنسقة كلما تحرك الأيون من الطور السائب إلى المرشح الانتقائي الضيق لـ Z1 & lt 7 Å. بشكل ملحوظ ، يبدو أن الزيادة في انتقائية K + على Na التي لوحظت بالقرب من الموقع S2 مرتبطة في الغالب بالتغيرات في نوع الروابط المنسقة (كاربونيل مقابل جزيئات الماء).

ينعكس الدور الحاسم للمنطقة المركزية بالقرب من موقع الربط S2 لـ KcsA أيضًا في بنية المسام للقنوات المتجانسة. على سبيل المثال ، أحد الاختلافات الرئيسية بين قناة NaK الموجبة غير الانتقائية وقناة KcsA الانتقائية K + هو توسيع المسام على مستوى موقع الربط المركزي S2 في NaK (شي وآخرون ، 2006). أدى ذلك إلى اقتراح أن فقدان الانتقائية على مستوى الموقع المركزي S2 يمكن أن يكون السبب الرئيسي وراء قدرة قناة NaK على إجراء Na + على عكس KcsA (Zagotta ، 2006) ، والذي ارتبط بمحاكاة MD (Noskov و Roux) ، 2007). تم تأكيد النتائج من MD حول قناة NaK (Noskov and Roux ، 2007) لاحقًا بواسطة هياكل إضافية للأشعة السينية (Alam and Jiang ، 2009 ، 2011).

4. دراسات انتقائية الأيونات على أساس النماذج المختصرة

على الرغم من أن الحسابات المحاسبية لسطح الطاقة الخالي من الأيونات المتعددة مرغوبة (انظر القسم 3) ، فإن الدراسات النظرية القائمة على نماذج مخفضة تشتمل فقط على الأيونات وأقرب روابط تنسيق يمكن أن توفر رؤية ذات مغزى عندما تتعلق الانتقائية بتوازن الربط الديناميكي الحراري في بئر- موقع محدد. عادةً ، لا يُتوقع أن تؤثر التفاعلات طويلة المدى من الأجزاء البعيدة من البروتين أو المذيب بشكل مباشر على اختلافات الطاقة الحرة النسبية إذا ، على سبيل المثال ، ظلت شحنة الأيون دون تغيير ، كما هو الحال مع Na + و K +. ومع ذلك ، يمكن أن يكون للتأثيرات طويلة المدى تأثير غير مباشر عندما ، على سبيل المثال ، يتأثر الاستقرار الهيكلي لموقع الارتباط بطفرة في بقايا بعيدة ، أو يمكن أن يؤدي إلى ظهور بعض الانتقائية الفائقة المدفوعة بالتشكيل (انظر القسم 2). ومع ذلك ، فإن وصف جوانب انتقائية الأيونات من الطاقة المحلية ، حتى لو كانت هناك انتقالات توافقية ، ممكن رسميًا من خلال التفكير في تحلل الطاقة الحر خطوة بخطوة (Deng and Roux ، 2009).

(أ) صياغة النماذج المختصرة.

من خلال البناء ، تعامل النماذج المصغرة فقط الأيونات والروابط التنسيقية المحيطة بشكل صريح. يجب دمج تأثير الذرات المفقودة من البروتين أو المذيب بشكل غير مباشر عبر القيود المكانية التي تعمل على الأيونات والروابط. من الواضح أن النتائج يمكن أن تتأثر بشدة بطبيعة تلك القيود (على سبيل المثال ، انظر Yu et al. ، 2009) ، ويمكن أن تؤدي النماذج المصغرة ذات القيود الفضفاضة جدًا أو شديدة الصلابة إلى استنتاجات مختلفة جدًا حول انتقائية الأيونات. يزيد هذا الغموض والتعسف من صعوبة استخلاص استنتاجات ذات مغزى من الدراسات القائمة على نماذج مختصرة.

لمعالجة هذه المشكلة ، تمت صياغة إطار ميكانيكي إحصائي للمحدد البنيوي المحلي لانتقائية الأيونات في مواقع ربط البروتين (Yu et al. ، 2010b). أولاً ، نظام فرعي محلي يتألف من أيون و ن يتم تعريف تنسيق الروابط. بعد ذلك ، يتم التعبير عن تأثير باقي النظام على النظام الفرعي بصرامة كمجموع مساهمتين منفصلتين. الأول يشتمل على جميع القوى الجزيئية التي تحافظ على الأيونات والروابط التنسيقية مقيدة بشكل فضفاض بالحجم الفرعي المجهري ، ولكنها لا تمنع الروابط الترابطية من التكيف مع أيون أصغر أو أكبر ، في حين أن الثانية تعيد تجميع جميع القوى المتبقية التي تتحكم في هندسة دقيقة للروابط التنسيقية تتكيف بشكل أفضل مع أيون معين. ثابت الربيع الفعال λز، التي يتم تحديدها من التقلبات الحرارية للروابط ، يتم إدخالها للإبلاغ عن حجم قوى الدقة الهندسية.

(ب) آليتان لانتقائية الأيونات.

يكشف الإطار عن وجود آليتين محددتين متميزتين ومثاليتين يمكن أن تؤدي إلى انتقائية الأيونات في مواقع ربط البروتين (Yu et al. ، 2010b). في حد واحد ، تسود القوى الهندسية (λز→ ∞) وموقع الربط شبه جامد. بعد ذلك ، يمكن إثبات أن فرق الطاقة الحرة ΔΔجينا ، ك من خلال الاختلاف بين متوسط ​​التفاعلات الأيونية - الترابطية ،

ويتم التحكم في انتقائية الأيونات بطريقة معقمة من خلال حجم التجويف ، وفقًا لآلية الملائمة المألوفة. في الحد الآخر ، القوى الهندسية لا تذكر (λز→ 0) ، والأيون والروابط أحرار في التقلب والتكيف مع الأيونات ذات الأحجام المختلفة. لقد أطلقنا على هذا الموقف ، وهو أقل شيوعًا إلى حد ما ، القطرات الصغيرة المحصورة. في هذه الحالة ، يمكن أن يظهر بصرامة من خلال التطور الميكانيكي الإحصائي أن فرق الطاقة الحرةجينا ، ك يتم تعيينه من خلال التفاعل بين متوسط ​​التفاعلات الأيونية والرابطية والرابطية ،

يتحكم عاملان فيزيائيان رئيسيان في الطاقة الحرة النسبية في حد القطرات الصغيرة المحصورة: عدد الروابط المتاحة ن وخصائصها الفيزيائية. يتضمن الأخير عوامل كهروستاتيكية (ثنائية القطب ، وشحنة ، وقابلية استقطاب) بالإضافة إلى عوامل غير كهروستاتيكية (الشكل ، ونصف القطر ، والحجم). تهيمن مساهمات المحتوى الحراري على اختلافات الطاقة الحرة ، مثل -تيΔس غالبًا ما يكون مهملاً (Noskov and Roux، 2006 Roux، 2010a). ومع ذلك ، من المهم النظر في الطاقات المتوسطة حراريًا لأن التحليل القائم على الحدود الدنيا للطاقة من الأشكال الهندسية المحسنة يمكن أن يؤدي إلى أخطاء كبيرة (Yu and Roux ، 2009 Dixit and Asthagiri ، 2011).

وفقًا لـ Eq. في الشكل 3 ، يساهم كل من التفاعلات الأيونية - الترابطية المؤاتية (السلبية) والتفاعلات غير المواتية (الإيجابية) بين الترابط والرابط ، بطريقة غير بديهية ، في التحكم في الانتقائية في القطرات الصغيرة المحصورة. يعمل تفاعل الترابط الرابط بين الترابط مثل إجهاد نشط. تم الحصول على استنتاجات مماثلة من قبل Asthagiri وزملاؤه (Asthagiri et al. ، 2006 Dixit et al. ، 2009) باستخدام تحليل كل ذرة MD ونماذج مختصرة. الاختلافات في متوسط ​​التفاعل الأيوني - الترابطي ، 〈U ion - ligand〉 (Na) - 〈U ion - ligand〉 (K) ⁠ ، لا تؤدي إلى انتقائية في حدود microdroplet المحصورة ، على عكس آلية المضيف - الضيف بنصف قطر تجويف ثابت كما هو موصوف بواسطة Eq. 2 ، مما يوضح أهمية التفاعلات الترابطية والرابطية في تحليل الأنظمة المرنة. تم تقديم مناقشة واضحة لهذه المسألة في Asthagiri et al. (2006). يمكن للمرء أن يلاحظ ذلك مع أيون واحد و ن الترابط ، هناك ن أزواج أيون - يجند و ن (ن -1) / 2 أزواج يجند - يجند. وبالتالي ، لا يُتوقع أن يُظهر موقع Δ G Na ، K عادةً اعتمادًا بسيطًا فيما يتعلق ن.

تجدر الإشارة إلى أنه لا توجد مساهمات واضحة من قوى البروتين لفرق الطاقة الحرة G Na ، K موقع يتحكم في انتقائية الأيونات في المعادلة. 3. ومع ذلك ، من المهم أن نأخذ في الاعتبار أن البيئة المزدحمة التي يفرضها الحبس هي سمة حاسمة للسياق الذي تقوم عليه الانتقائية في مثل هذه الأنظمة. على سبيل المثال ، من المفهوم جيدًا أن الروابط الحرة وغير المقيدة تمامًا (كما هو الحال في السائل السائب) لا تعرض عادةً انتقائية عالية. ومع ذلك ، لا يلزم أن يكون الحبس المكاني دقيقًا لإحداث انتقائية أيونية. يمكن أن تظهر أنماط طاقة حرة غير بديهية ، حتى في سياق حبس عام نسبيًا وخالٍ من الملامح. هذا في تناقض صارخ مع آلية الملائمة المريحة ، والتي تتطلب قوى بروتينية تملي هندسة دقيقة. لذلك ، في حدود microdroplet المحصورة ، تلعب بنية البروتين دورًا حاسمًا في دعم الانتقائية ، وإن لم يكن ذلك من خلال فرض حجم تجويف معين باستخدام هندسة الترابط لدقة أنجستروم الفرعية ، ولا عن طريق المساهمة مباشرة في اختلافات الطاقة الحرة. على الرغم من وجود اختلافات في التركيز ، فإن هذه الملاحظات تتوافق مع التحليل الذي قدمه Varma et al. (2011).

في ضوء هذا التحليل النظري ، يظهر الآن الملاءمة المريحة والقطرة الصغيرة المحصورة كآليتين فيزيائيتين متطرفتين ومثاليتين لانتقائية الأيونات. من المتوقع أن تأخذ الأنظمة الحقيقية طابعًا مختلطًا بين هاتين النظرتين المثاليتين. لا يمكن أن تكون بعض مواقع الربط انتقائية بدون قوى معمارية إضافية تعمل على تثبيت هندسة الترابط (على سبيل المثال ، الموقع Na2 في LeuT) ، بينما يمكن أن يكون البعض الآخر انتقائيًا بشدة في حد القطرات الصغيرة المحصورة (على سبيل المثال ، الموقع S2 لـ KcsA أو الموقع Na1 في LeuT) . تتوافق هذه الاتجاهات القوية التي تظهر في حد القطرات الصغيرة المحصورة مع انتقائية متأصلة ، وهي خاصية ناشئة يحددها عدد ونوع الروابط التي تشكل موقع الربط (انظر القسم 4 ج أدناه).

تظهر نتائج الشكل 3 أنه من الصعب للغاية مواجهة الانتقائية المتأصلة في حالة موقع KcsA S2 أو الموقع Na1 من LeuT مع تعديلات صغيرة على الهيكل أو القوى المعمارية. من الممكن تكييف الهندسة المحلية للروابط لإنشاء موقع مفترض لربط Na + انتقائي KcsA أو موقع K + انتقائي LeuT-Na1 ، لكن المواقع تصبح انتقائية فقط عندما يكون البروتين صلبًا بشكل غير واقعي (λز& gt & gt10 kcal / mol / 2). تم عرض نتائج مماثلة سابقًا في دراسة أولية (انظر الشكل 3 من Noskov et al. ، 2004a). يشير هذا التحليل إلى أن تثبيت الهندسة المحلية للبناء على الانتقائية المتأصلة التي يحددها عدد ونوع روابط تنسيق الأيونات ربما يكون مبدأ تصميمًا مهمًا لمواقع الارتباط الانتقائي للأيونات في البروتينات والجزيئات البيولوجية الكبيرة. على سبيل المثال ، يمكن عرض بعض الانتقائية المتأصلة من خلال موقع ربط مقيد بشكل فضفاض موجود داخل بروتين مطوي بشكل غير كامل في مرحلة مبكرة من تطوره. بعد ذلك ، يمكن أن يخضع تسلسل الأحماض الأمينية لاحقًا لطفرات لزيادة الصلابة المعمارية لموقع الربط نحو آلية مناسبة إذا كان هذا يمنح بعض المزايا الوظيفية ، على سبيل المثال ، انظر التحليل التطوري المثير للاهتمام للبروتياز الخاضع للتنظيم الكاتيوني بواسطة Page and Di Cera (2006) ). من هذا المنظور ، قد يعمل تقوية العمارة المحلية على تعزيز (بدلاً من معارضة) الانتقائية المتأصلة التي قد تكون موجودة بالفعل داخل موقع مقيد بشكل فضفاض.

(ج) العلاقة مع نظرية شدة المجال الكلاسيكية.

السلوك الديناميكي الحراري في microdropet المتذبذب المحصور يحمل بعض أوجه التشابه مع نظرية شدة المجال الكلاسيكية لأيزنمان وكراسن (Eisenman، G.، and S. ندوة المؤتمر الدولي للفيزياء الحيوية حول بنية ووظيفة الغشاء) على سبيل المثال ، تميل روابط المجال المنخفض إلى تفضيل الكاتيونات الأكبر ، في حين تميل روابط المجال العالي إلى تفضيل الروابط الصغيرة. على سبيل المثال ، يمكن أن تتحول الانتقائية بشكل ملحوظ نحو Na + إذا تم دمج أكسجين الكربوكسيل (الروابط عالية المجال) في موقع ربط. لكن الحجج التقليدية حول شدة المجال الأيونية - الترابطية لا تفسر سبب بقاء موقع الربط المرن لثمانية كربونيل انتقائيًا بقوة لـ K + ، لأن ثنائي القطب في العمود الفقري أميد الكربونيل يبلغ ضعف حجم ثنائي القطب لجزيء الماء التفاعل بين إن الكاتيون وكربونيل العمود الفقري الفردي أكبر بكثير من ذلك الموجود في جزيء الماء ، وهذا الاختلاف أكثر وضوحًا في حالة Na أكثر منه في K + (Noskov and Roux ، 2006). بعبارة أخرى ، فإن الكاربونيل عبارة عن روابط ذات مجال عالٍ وفقًا لحجج شدة المجال التقليدية ، ويفضلون Na + على K + إذا لم يكن للتأثير المضاد (طاقة الإجهاد الكهروستاتيكي) من تفاعلات ligand-ligand (Noskov و رو ، 2006 ديكسيت وآخرون ، 2009).

(د) مجموعة واسعة من الانتقائية الأيونية.

حتى النماذج المصغرة ذات الحبس البسيط يمكن أن تؤدي إلى مجموعة واسعة من الانتقائية الأيونية. لتوضيح ذلك ، تم تمييز مجموعة واسعة من 1077 نموذجًا مخفضًا باستخدام محاكاة FEP / MD (Roux ، 2010a). تتألف النماذج من أربعة إلى تسعة روابط أكسجين من أنواع مختلفة ، من صفر إلى ثمانية ن- ميثيل أسيتاميد ، ميثانول (CH3OH) ، أو الماء ، من صفر إلى أربعة ديجليسين (كل منها يحتوي على اثنين من الكربونيل العمود الفقري) ، وصفر إلى اثنين من أحماض الأسيتيك المحايدة أو المتأينة (CHCOOH أو CHCOO - ، كل منهما يحتوي على اثنين من روابط الأكسجين). أكدت النتائج أن الانتقائية غير البسيطة يمكن أن تنشأ في تلك النماذج المختصرة ، دون الحاجة إلى هندسة دقيقة للروابط. إن الفكرة القائلة بأن الانتقائية هي خاصية ناشئة للقطرات الدقيقة المحصورة ذاتية التنظيم تشبه آلية الشحن / المنافسة الفضائية التي تم استخدامها لنمذجة قنوات الكالسيوم ، حيث تنشأ الانتقائية من توازن الكهرباء الساكنة والحجم المستبعد للأيونات في الانتقائية المزدحمة مرشح (Gillespie et al. ، 2005 Gillespie ، 2008).

(هـ) مسألة أرقام التنسيق.

من المتوقع أن يلعب عدد الروابط بالإضافة إلى خصائصها أدوارًا مهمة في الانتقائية (Noskov et al. ، 2004a). ومع ذلك ، يقترح بعض الباحثين أن الانتقائية يتم التحكم فيها بشكل أساسي من خلال عدد الروابط المنسقة ، وأن خصائصها الفيزيائية أقل أهمية (بوستيك وبروكس ، 2007 ، 2009 ، 2010 Thomas et al. ، 2007 Varma and Rempe ، 2007 ، 2008 Dudev and Lim ، 2009). تتطلب المناقشة التفصيلية نقطة بنقطة لوجهات النظر المتباينة فحصًا نقديًا لأسسها الميكانيكية الإحصائية وتتجاوز هذا المنظور. من بين القضايا المحددة التي يجب أخذها في الاعتبار ، استخدام تقليل الطاقة لتقدير الطاقات الحرة في نماذج مخفضة (Yu and Roux ، 2009) ، والافتراضات الأساسية المستخدمة لاستنتاج انتقائية مواقع ربط البروتين بناءً على أعداد التنسيق للأيونات في المياه السائبة (Yu et al. ، 2009) ، ودقة (وقابلية التطبيق) لإطار ميكانيكي إحصائي تقريبي قائم على النظرية شبه الكيميائية البدائية للذوبان الأيوني في السوائل السائبة لنمذجة مواقع ربط البروتين (Roux and Yu ، 2010) . على الرغم من أنه يبدو أنه لا يوجد إجماع على أفضل نهج لتشريح المساهمات المختلفة لانتقائية الأيونات في الوقت الحالي ، فإن الرسالة المهمة التي يجب أخذها إلى المنزل هي أن الدراسات المختلفة تتفق على أن الاتجاهات غير البديهية يمكن أن تظهر في نماذج مختصرة ذات روابط مقيدة بشكل فضفاض ، اعتمادًا على على حد سواء على عدد ونوع الروابط. تظهر أهمية الكيمياء لانتقائية الأيونات - وهي بالكاد فكرة راديكالية - بوضوح ما إذا كان المرء ينظر في تحليل مواقع ربط الأيونات في البروتينات (Noskov and Roux ، 2008) ، وهو توصيف 1077 نموذجًا مختزلًا من محاكاة FEP / MD (Roux ، 2010a) ، أو مقارنة بين الطاقات التجريبية الخالية من المذيبات الأيونية في السوائل العضوية المختلفة (الشكل 2 في فارما وآخرون ، 2011).

5. مجال القوة ، الاستقطاب المستحث ، وميكانيكا الكم (QM)

تعتمد الاستنتاجات المستمدة من الدراسات الحسابية لانتقائية الأيونات على دقة الطرق الحسابية الأساسية. عمليات محاكاة الأنظمة الجزيئية الحيوية محدودة أساسًا بدقة سطح الطاقة الكامنة وأخذ العينات الإحصائية (رو ، 2010 ب). للحصول على نتائج ذات مغزى ، يجب على المرء أن يسعى إلى تحقيق توازن بين التمثيلات الأكثر دقة ولكن الأكثر تكلفة لسطح الطاقة والالتزام بأخذ عينات مناسبة للتكوينات ذات الصلة. تعتمد معظم عمليات محاكاة الأنظمة الجزيئية الحيوية على الوظائف المحتملة ذات الشحنات الذرية الفعالة الثابتة (Åqvist ، 1990 Cornell et al. ، 1995 MacKerell et al. ، 1998) ، والتي تفسر تأثيرات الاستقطاب للعديد من الأجسام بطريقة متوسطة. مثل هذه الوظائف المحتملة غير المكلفة حسابيًا تجعل من الممكن استكشاف مساحة التوافق على نطاق واسع مع مسارات MD طويلة (جنسن وآخرون ، 2010). ولكن مع تزايد قوة أجهزة الكمبيوتر ، أصبحت عمليات المحاكاة القائمة على تمثيلات أكثر تعقيدًا ميسورة التكلفة.

تتمثل الإستراتيجية الواعدة لتحسين دقة دراسات MD في تطوير الوظائف المحتملة التي تفسر بوضوح الاستقطاب المستحث (Grossfield et al.، 2003 Patel et al.، 2004 Lamoureux and Roux، 2006 Whitfield et al.، 2007 Yu et al. ، 2010 أ ، ج). على الرغم من عدم إجراء عمليات محاكاة للبروتينات الكاملة ذات مجالات القوة القابلة للاستقطاب بشكل روتيني ، إلا أن هناك بالفعل بعض النتائج المثيرة للاهتمام فيما يتعلق بحل الأيونات في الماء (Lamoureux et al. ، 2006 Yu et al. ، 2010c) وفي الأميدات السائلة (Grossfield et al. ، 2003 Yu وآخرون ، 2010 أ). على سبيل المثال ، وفقًا لحسابات FEP / MD ، هناك تباين حاد للغاية في الطاقة الحرة النسبية لـ Na + و K + كدالة لعدد ن- جزيئات ميثيل أسيتاميد في نماذج مخفضة ، في حين أن اختلافات الطاقة الحرة المقابلة مع جزيئات الماء تكون أصغر بكثير (Yu et al. ، 2010a). تسلط هذه الملاحظة الضوء على الاختلافات الكمية التي قدمها الماء والكربونيل كروابط تنسيق الأيونات.

مجال آخر من مجالات التقدم الكبير يتعلق بالمحاكاة القائمة على نظريات البنية الإلكترونية لإدارة الجودة (Bucher and Rothlisberger ، 2010). يمكن إجراء ذلك في سياق Car-Parrinello MD (CPMD http://www.cpmd.org/) ، وهي خوارزمية لتوليد مسار MD لنظام دوري يقارب سطح Born-Oppenheimer بكثافة وظيفية طريقة نظرية (DFT). عادةً ما تقتصر عمليات محاكاة CPMD على أنظمة تتكون من بضع مئات من الذرات وبضع عشرات من البيكو ثانية وهي أبطأ عدة آلاف من المرات من عمليات المحاكاة التي تستخدم مجالات القوة القابلة للاستقطاب. تم استخدام CPMD على نطاق واسع لحساب بنية المحلول للأيونات المائية (ويتفيلد وآخرون ، 2007) وقد تم استخدامه مؤخرًا لنمذجة أنماط تنسيق الأيونات في مرشح انتقائية KcsA (Bucher et al. ، 2007 ، 2010). وككلمة تحذير ، فإن طرق DFT التقليدية ليست دقيقة وغالبًا ما تقلل من عوامل الجذب بين الجزيئات الناتجة عن قوى تشتت فان دير فال. يمكن أن يؤدي هذا إلى قيود في تمثيل حل الأيونات مثل K + في الماء السائل ، تؤدي عمليات المحاكاة إلى وظيفة توزيع شعاعي K + –O تكون أوسع وتتحول إلى مسافات أكبر من وظائف توزيع مجال القوة الميكانيكية التجريبية والجزيئية (ويتفيلد وآخرون ، 2007). كما هو موضح في الشكل 4 ، هناك بعض التحسن في محاكاة CPMD مع تصحيح تجريبي لمراعاة تشتت van der Waals ، ولكن التوافق مع وظائف التوزيع التجريبية المقدرة من تشتت النيوترونات والحيود الشاذ للهيكل الناعم لامتصاص الأشعة السينية (XAFS) ) أقل من ذلك باستخدام عمليات المحاكاة القائمة على مجال قوة قابل للاستقطاب (ويتفيلد وآخرون ، 2007). والجدير بالذكر أن رقم التنسيق لـ K + (عند ص = 3.5 Å) إلى حد كبير بتصحيح التشتت. يزيد رقم التنسيق من 6.15 في عمليات محاكاة CPMD غير المصححة إلى 7.45 في محاكاة CPMD المصححة بالتشتت - وهي قيمة أكبر من القيمة التي تم الحصول عليها من مجال القوة غير القابل للاستقطاب (6.77) ومجال القوة القابل للاستقطاب (6.80). يوضح هذا أن التقريبات المستخدمة حاليًا في محاكاة CPMD يمكن أن تؤثر بشكل كبير على ذوبان الأيونات ويجب أخذها في الاعتبار بحذر. لا يمكن افتراض أن الاستراتيجية القائمة على أساليب إدارة الجودة تتفوق بطبيعتها على تلك القائمة على مجال قوة جيد المعايرة لنمذجة انتقائية قناة الأيونات ، لكنها تظل أدوات قيمة لتحديد معايير هذه المحاكاة والتحقق من صحتها.

في النهاية ، ما يهم هو تحديد درجة الثقة فيما يتعلق بالاستنتاجات المستخلصة من أي حساب معين. تتمثل الإستراتيجية الجيدة في تقييم صحة الاتجاه السائد باستخدام طرق عالية المستوى. على سبيل المثال ، تم تقييم أهمية تنافر كاربونيل-كربونيل في المرشح الانتقائي لـ KcsA ، الذي لوحظ لأول مرة في محاكاة FEP / MD بناءً على مجال قوة غير قابل للاستقطاب ، لاحقًا باستخدام حسابات ab عالية المستوى لإظهار أن التنافر بين جزيئات الماء أصغر من تلك الموجودة بين مجموعات الكربونيل (انظر المواد التكميلية في Noskov et al. ، 2004a). في الآونة الأخيرة ، تم توضيح أهمية تنافر كاربونيل-كربونيل مرة أخرى في محاكاة CPMD لقناة KcsA التي أجراها بوشر وآخرون. (2010). من المهم أيضًا إعادة النظر والتحقق من صحة بعض الاستنتاجات السابقة حول انتقائية K العالية لموقع الربط S2 في KcsA باستخدام حسابات FEP / MD بنموذج قابل للاستقطاب أو حساب QM بالكامل بناءً على DFT (الشكل 1 ج). تشير النتائج الواردة في الجدول الأول إلى أنه في جميع الحالات ، تكون الطاقة الحرة النسبية لـ Na و K متشابهة إلى حد ما ، مما يشير إلى أنه تم استخلاص استنتاجات ذات مغزى من حسابات FEP / MD بناءً على مجال القوة غير القابل للاستقطاب.

6. الخلاصة

جلبت عمليات محاكاة MD المبكرة لقناة KcsA إلى المقدمة الفكرة المثيرة التي مفادها أن انتقائية الأيونات يمكن تحقيقها بقوة على الرغم من المرونة الهيكلية الكبيرة ، مما أدى إلى إعادة فحص العوامل المجهرية التي تؤدي إلى انتقائية الأيونات باستخدام مجموعة واسعة من التجارب الحسابية. مثلت بعض تلك التجارب الحسابية مواقف مصطنعة إلى حد ما (على سبيل المثال ، إيقاف تنافر الكربونيل والكربونيل في KcsA) ، بينما تضمنت تجارب أخرى نماذج مختصرة (على سبيل المثال ، عدد قليل من الروابط المحصورة التي تشبه الكربونيل). أعيد تقييم الأفكار المتعلقة بالحاجة إلى مواقع ربط صارمة ودقيقة ، وأعيد فتح القضايا التي كان يعتقد سابقًا أنها ستتم تسويتها.

لا تزال المفاهيم الكلاسيكية حول انتقائية الحالة الموصلة مثل آلية الملائمة المريحة وقوة المجال وملفات تعريف الطاقة الحرة مهمة ، لكنها تشارك الآن المرحلة بمفاهيم إضافية وأقل شيوعًا تتعلق بالأنظمة المرنة والمقيدة بشكل فضفاض. إن الفكرة الاستفزازية القائلة بأن انتقائية الأيونات في موقع ربط مرن يمكن أن تنبثق من علم الطاقة المحلي أصبحت الآن راسخة بقوة. ساعد هذا التحليل في تحديد وجود آليتين مثاليتين مختلفتين قادرة على دعم انتقائية الأيونات (Yu et al. ، 2010b).

اعتمد قدر كبير من التقدم على مجموعة من عمليات محاكاة كل ذرات MD على هياكل معروفة ذات مذيب وأغشية صريحة وتحليل النماذج المختزلة. من وجهة نظرنا أن النماذج المختصرة ، على الرغم من أنها مفيدة في تحديد وتوضيح المبادئ الفيزيائية الأساسية ، ستكون دائمًا خاضعة للدراسات المتعلقة بهياكل البروتين الحقيقية. على الرغم من أن ميزات النماذج المصغرة يمكن أن تكون موضع نقاش ، فمن المهم أن نتذكر أن النتائج من جميع حسابات MD الشاملة على KcsA و NaK و LeuT كانت ، حتى الآن ، متوافقة جيدًا مع التجارب. يشير هذا النجاح النسبي لعمليات المحاكاة الحاسوبية إلى أنها توفر تمثيلًا واقعيًا لهذه الأنظمة الجزيئية ، وأنها يمكن أن تساهم في تكوين نظرة ثاقبة حول انتقائية الأيونات.

حتى الآن ، تركزت معظم الجهود ضمنيًا على العوامل التي تحكم انتقائية الحالة الموصلة ، مع قدر لا بأس به من الاهتمام المكرس لمفاهيم التوازن الديناميكي الحراري. ستكون هناك حاجة إلى مزيد من الجهود لفهم أفضل للظاهرة المعقدة للانتقائية الفائقة المدفوعة بالتشكيل ، والتي لا تزال غير مفهومة جيدًا. سيستمر البحث في انتقائية القنوات الأيونية في التقدم ، مع هياكل قنوات إضافية ، إلى جانب التحسينات في النماذج الحسابية.

زائدة

مكافئ. 3 ، مأخوذة من Yu et al. (2010b) ، وثيق الصلة بـ Eq. 2 من فارما وآخرون. (2011). الفرق بين متوسط ​​تفاعلات أيون - يجند لـ Na + و K + ، 〈U ion - يجند〉 (Na) - 〈U ion - ligand〉 (K) ⁠ ، في المعادلة. 3 مكافئ لـ [Δ المملكة المتحدة → Na IL] ⁠ ، والفرق بين متوسط ​​تفاعلات الترابط والرابط لـ Na + و K + ، 〈U يجند - يجند〉 (Na) - 〈U يجند - يجند〉 (K) ⁠ ، في Eq. 3 يتوافق مع [Δ U K → Na LL + Δ U K → Na intra] ⁠. الاختلافات في الانتروبيا بين الأيونات ، - T Δ S K → Na ، غالبًا ما تكون صغيرة في الممارسة ويمكن إهمالها من أجل البساطة (Roux ، 2010a).المصطلح المتبقي هو متوسط ​​مساهمة الطاقة الداخلية من المجال الخارجي الذي تفرضه بقية البروتين Δ U K → Na المجال ⁠. بافتراض أن المجال الخارجي من البروتين يتوافق مع بعض الإمكانات المقيدة القاسية التي تعمل على الروابط ، الحقل U ⁠ ، فإن متوسطه يتناسب مع ∫ dx U المجال (x) exp [- إجمالي U (x) / k BT] ⁠ ، والذي من المتوقع أن يكون صغيراً لأن عامل بولتزمان لا يكاد يذكر في جميع النقاط x حيث يكون حقل U غير صفري (x يمثل جميع درجات الحرية ذات الصلة).

تتضمن سلسلة Perspectives هذه مقالات كتبها Andersen و Alam و Jiang و Nimigean و Allen و Dixit و Asthagiri و Varma et al. (من المقرر طرحه في إصدار يونيو 2011).


ما هو الانتشار البسيط

الانتشار البسيط هو نوع غير مساعد من الانتشار ينتقل فيه الجسيم من تركيز أعلى إلى تركيز أقل. الحركة الاتجاهية من خلال تدرج التركيز سلبية. بمجرد توزيع الجزيئات بالتساوي ، تحقق الجزيئات الموجودة على جانبي غشاء الخلية توازنًا حيث لا يتم ملاحظة أي حركة صافية للجزيئات. بشكل عام ، تنتشر الجزيئات الصغيرة غير القطبية مثل الأكسجين وثاني أكسيد الكربون والإيثانول بحرية عبر غشاء الخلية. يعتمد معدل الانتشار على درجة الحرارة والحجم الجزيئي وشدة انحدار التركيز. تؤثر درجة الحرارة على الطاقة الحركية للجسيمات في المحلول. تتعرض الجسيمات الكبيرة لمقاومة أعلى داخل المحلول عند مقارنتها بالجسيمات الأصغر. علاوة على ذلك ، عندما يكون تدرج التركيز مرتفعًا ، ستمر جزيئات أكثر عبر الغشاء. يظهر الانتشار البسيط عبر غشاء الخلية في شكل 1.

الشكل 1: انتشار بسيط


نشر الميسر

الانتشار الميسر هو مرور الجزيئات أو الأيونات عبر غشاء بيولوجي من خلال بروتينات نقل محددة ولا يتطلب أي مدخلات طاقة. يتم استخدام الانتشار الميسر خاصة في حالة الجزيئات القطبية الكبيرة والأيونات المشحونة بمجرد إذابة هذه الأيونات في الماء ولا يمكنها الانتشار بحرية عبر أغشية الخلايا بسبب الطبيعة الكارهة للماء لذيول الأحماض الدهنية للفوسفوليبيد التي تشكل الطبقات الثنائية. يختلف نوع البروتينات الحاملة المستخدمة في الانتشار الميسر قليلاً عن تلك المستخدمة في النقل النشط. لا تزال عبارة عن بروتينات حاملة عبر الغشاء ، ولكنها قنوات غشائية مسورة ، مما يعني أنها لا تنتقل داخليًا ، ولا تتطلب ATP لتعمل. تؤخذ الركيزة في جانب واحد من الناقل المسور ، وبدون استخدام ATP ، يتم تحرير الركيزة في الخلية. يمكن استخدامها كمؤشرات حيوية محتملة.


2.4.7 اشرح كيفية استخدام الحويصلات لنقل المواد داخل الخلية بين الشبكة الإندوبلازمية الخشنة وجهاز جولجي وغشاء البلازما.

بعد أن يتم تصنيع البروتينات بواسطة الريبوسومات ، يتم نقلها إلى الشبكة الإندوبلازمية الخشنة حيث يمكن تعديلها. ثم تتبرعم الحويصلات التي تحمل البروتين من الشبكة الإندوبلازمية الخشنة ويتم نقلها إلى جهاز جولجي لتعديلها بشكل أكبر. بعد ذلك ، تحمل الحويصلات برعم البروتين من جهاز جولجي وتحمل البروتين إلى غشاء البلازما. هنا تندمج الحويصلات مع الغشاء لطرد محتواها (البروتينات المعدلة) خارج الخلية. ثم يعود الغشاء إلى حالته الأصلية. هذه عملية تسمى خروج الخلايا. عملية الالتقام الخلوية هي عملية مماثلة تتضمن سحب غشاء البلازما للداخل بحيث يحدث ضغط الحويصلة من غشاء البلازما ومن ثم يمكن لهذه الحويصلة أن تحمل محتواها في أي مكان في الخلية.


عملية التصوير الضوئي

جون ويتمارش
وحدة أبحاث التركيب الضوئي ، خدمة البحوث الزراعية / وزارة الزراعة الأمريكية
قسم بيولوجيا النبات ومركز الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الحاسوبية ،
جامعة إلينوي في أوربانا شامبين

جوفيندجي
قسم بيولوجيا النبات ومركز الفيزياء الحيوية والبيولوجيا الحاسوبية
جامعة إلينوي في أوربانا شامبين

ملخص

المصدر الأساسي للطاقة لكل أشكال الحياة تقريبًا هو الشمس. يتم إدخال الطاقة في ضوء الشمس إلى المحيط الحيوي من خلال عملية تعرف باسم التمثيل الضوئي ، والتي تحدث في النباتات والطحالب وبعض أنواع البكتيريا. يمكن تعريف التمثيل الضوئي على أنه عملية فيزيائية كيميائية تستخدم من خلالها كائنات التمثيل الضوئي الطاقة الضوئية لتحفيز تخليق المركبات العضوية. تعتمد عملية التمثيل الضوئي على مجموعة من جزيئات البروتين المعقدة الموجودة داخل وحول غشاء عالي التنظيم. من خلال سلسلة من تفاعلات تحويل الطاقة ، تحول آلية التمثيل الضوئي الطاقة الضوئية إلى شكل مستقر يمكن أن يستمر لمئات الملايين من السنين. يركز هذا الفصل التمهيدي على بنية آلية التمثيل الضوئي والتفاعلات الأساسية لتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كيميائية.

جدول المحتويات

1 المقدمة

2. نبذة تاريخية

3. تصنيف الكائنات الضوئية

4. مبادئ تحويل الطاقة الضوئية

5. التمثيل الضوئي الأكسجين

6. التمثيل الضوئي غير المؤكسد

7. التحكم في نقل الإلكترون داخل البروتين

8. التمثيل الضوئي العالمي والغلاف الجوي

شكر وتقدير

مراجع

1 المقدمة

2. تاريخ موجز

3. تصنيف الكائنات الضوئية

4. مبادئ تحويل الطاقة الضوئية

تعمل تفاعلات الضوء على تحويل الطاقة إلى عدة أشكال (الشكل 1). تتمثل الخطوة الأولى في تحويل الفوتون إلى حالة إلكترونية مثارة لجزيء صبغ هوائي موجود في نظام الهوائي. يتكون نظام الهوائي من مئات الجزيئات الصبغية (بشكل رئيسي الكلوروفيل أو الكلوروفيل الجرثومي والكاروتينات) التي ترتبط بالبروتينات الموجودة داخل غشاء التمثيل الضوئي وتخدم مجمع بروتين متخصص يعرف باسم مركز التفاعل. يتم نقل الحالة المثارة الإلكترونية عبر جزيئات الهوائي كإكسيتون. يتم تحويل بعض الإكسيتونات مرة أخرى إلى فوتونات وتنبعث على شكل مضان ، ويتم تحويل بعضها إلى حرارة ، والبعض الآخر محاصر بواسطة بروتين مركز التفاعل. (لمناقشة استخدام الفلورة كمسبار لعملية التمثيل الضوئي ، انظر على سبيل المثال Govindjee et al.، 1986 and Krause and Weis، 1991). نقل إلكترون من جزيء مانح إلى جزيء متقبل. يتم ربط كل من الجزيئات المانحة والمستقبلية بمركب بروتين مركز التفاعل. بمجرد حدوث فصل الشحنة الأولية ، فإن تفاعلات نقل الإلكترون اللاحقة تنحدر بقوة.

في كائنات التمثيل الضوئي الأكسجينية (انظر القسم 5) ، يعمل مركزان مختلفان للتفاعل ، يُعرفان بالنظام الضوئي الثاني والنظام الضوئي الأول ، بشكل متزامن ولكن على التوالي. في نظام الضوء الثاني يغذي الإلكترونات إلى النظام الضوئي الأول. يتم نقل الإلكترونات من النظام الضوئي الثاني إلى النظام الضوئي الأول بواسطة ناقلات وسيطة. التفاعل الصافي هو نقل الإلكترونات من جزيء الماء إلى NADP + ، مما ينتج عنه الشكل المختزل ، NADPH. في عملية التمثيل الضوئي ، يتم تخزين الكثير من الطاقة التي توفرها الطاقة الضوئية في البداية كطاقة خالية من الأكسدة والاختزال (شكل من أشكال الطاقة الخالية من المواد الكيميائية) في NADPH ، لاستخدامها لاحقًا في تقليل الكربون. بالإضافة إلى ذلك ، تركز تفاعلات نقل الإلكترون البروتونات داخل حويصلة الغشاء وتخلق مجالًا كهربائيًا عبر غشاء التمثيل الضوئي. في هذه العملية ، تقوم تفاعلات نقل الإلكترون بتحويل الطاقة الخالية من الأكسدة والاختزال إلى جهد كهروكيميائي للبروتونات. يتم استخدام الطاقة المخزنة في الإمكانات الكهروكيميائية للبروتون بواسطة مركب بروتين مرتبط بالغشاء (ATP-Synthase) لربط مجموعة فوسفات تساهميًا بثنائي فوسفات الأدينوزين (ADP) ، مكونًا أدينوزين ثلاثي الفوسفات (ATP). تمر البروتونات عبر مركب البروتين ATP-Synthase الذي يحول الطاقة الكهروكيميائية الحرة إلى نوع من الطاقة الكيميائية الحرة المعروفة باسم إمكانية نقل مجموعة الفوسفات (أو رابطة فوسفات عالية الطاقة) (كلوتز ، 1967). يمكن نقل الطاقة المخزنة في ATP إلى جزيء آخر عن طريق نقل مجموعة الفوسفات. التأثير الصافي لتفاعلات الضوء هو تحويل الطاقة المشعة إلى طاقة خالية من الأكسدة والاختزال على شكل NADPH وطاقة مجموعة الفوسفات في شكل ATP. في تفاعلات الضوء ، يتضمن نقل إلكترون واحد من الماء إلى NADP + حوالي 30 أيونًا معدنيًا و 7 مجموعات عطرية. تشتمل أيونات المعادن على 19 Fe ، و 5 Mg ، و 4 Mn ، و 1 Cu. تشتمل المركبات العطرية على الكينونات ، والفيوفيتين ، و NADPH ، والتيروزين ، والبروتين الفلافي. يوفر NADPH و ATP المتكون من تفاعلات الضوء الطاقة للتفاعلات المظلمة لعملية التمثيل الضوئي ، والمعروفة باسم دورة كالفين أو دورة تقليل الكربون الضوئي. يحدث اختزال ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى كربوهيدرات في المرحلة المائية من البلاستيدات الخضراء وينطوي على سلسلة من التفاعلات الأنزيمية. يتم تحفيز الخطوة الأولى بواسطة البروتين Rubisco (D-ribulose 1،5-bisphosphate carboxylase / Oxygenase) ، والذي يربط ثاني أكسيد الكربون بمركب مكون من خمسة كربون. ينتج التفاعل جزيئين من مركب ثلاثي الكربون. تتضمن التفاعلات الكيميائية الحيوية اللاحقة العديد من الإنزيمات التي تقلل الكربون عن طريق نقل الهيدروجين وتعيد ترتيب مركبات الكربون لتخليق الكربوهيدرات. تتضمن دورة تقليل الكربون نقل وإعادة ترتيب طاقة الرابطة الكيميائية.

في كائنات التمثيل الضوئي غير المؤكسدة (انظر القسم 6) ، لا يتم استخدام الماء كمانح للإلكترون. يكون تدفق الإلكترون دوريًا ويتم تشغيله بواسطة نظام ضوئي واحد ، مما ينتج عنه تدرج بروتون كهروكيميائي يستخدم لتوفير الطاقة لتقليل NAD + بواسطة ذرة H خارجية أو متبرع إلكتروني (على سبيل المثال ، H2S أو حمض عضوي) في عملية المعروف باسم & quot؛ تدفق الإلكترون العكسي & quot. يحدث تثبيت ثاني أكسيد الكربون عبر مسارات مختلفة في كائنات مختلفة.

5. التأكسج الضوئي الأوكسجين

5.1 البلاستيدات الخضراء - الهيكل والتنظيم
تحدث عملية التمثيل الضوئي في النباتات داخل البلاستيدات الخضراء ، وهي عضيات توجد في خلايا معينة. توفر البلاستيدات الخضراء الطاقة وتقليل الكربون اللازمين لنمو النبات وتطوره ، بينما يزود المصنع البلاستيدات الخضراء بثاني أكسيد الكربون والماء والنيتروجين والجزيئات العضوية والمعادن الضرورية للتكوين الحيوي للبلاستيدات الخضراء. توجد معظم البلاستيدات الخضراء في الخلايا الورقية المتخصصة ، والتي تحتوي غالبًا على 50 أو أكثر من البلاستيدات الخضراء لكل خلية. يتم تعريف كل بلاستيدات خضراء من خلال غشاء داخلي وخارجي وتشبه العدسة المحدبة الغضروفية التي يبلغ قطرها 5-10 ميكرون (الشكل 2) ، على الرغم من وجود العديد من الأشكال والأحجام المختلفة في النباتات. للحصول على تفاصيل حول بنية البلاستيدات الخضراء ، انظر Staehlin (1986). يعمل غشاء الغلاف الداخلي كحاجز يتحكم في تدفق الجزيئات العضوية والمشحونة داخل وخارج البلاستيدات الخضراء. يمر الماء بحرية عبر أغشية الغلاف ، كما تفعل الجزيئات الصغيرة المحايدة الأخرى مثل ثاني أكسيد الكربون والأكسجين. هناك أدلة على أن البلاستيدات الخضراء كانت ذات يوم بكتيريا حية حرة غزت خلية غير ضوئية منذ فترة طويلة. لقد احتفظوا ببعض الحمض النووي الضروري لتجميعهم ، لكن الكثير من الحمض النووي الضروري لتكوينهم الحيوي يقع في نواة الخلية. يتيح ذلك للخلية التحكم في التخليق الحيوي للبلاستيدات الخضراء في مجالها.

يوجد داخل البلاستيدات الخضراء نظام غشاء معقد ، يُعرف باسم الغشاء الضوئي (أو غشاء الثايلاكويد) ، والذي يحتوي على معظم البروتينات اللازمة لتفاعلات الضوء. توجد البروتينات اللازمة لتثبيت وتقليل ثاني أكسيد الكربون خارج غشاء التمثيل الضوئي في الطور المائي المحيط. يتكون الغشاء الضوئي بشكل أساسي من دهون الجلسرين والبروتين. دهون الجلسرين هي عائلة من الجزيئات تتميز بمجموعة رأس قطبية محبة للماء وسلاسل جانبية من الأحماض الدهنية كارهة للماء. في الأغشية ، ترتب جزيئات الدهون نفسها في طبقة ثنائية ، مع اتجاه الرأس القطبي نحو طور الماء ، وتصطف سلاسل الأحماض الدهنية داخل الغشاء لتشكل قلبًا كارهًا للماء (الشكل 3). غشاء التمثيل الضوئي حويصلي ، يحدد مساحة مغلقة بمساحة مائية خارجية (طور انسجة) ومساحة مائية داخلية (لومن). يمكن وصف تنظيم الغشاء الضوئي على أنه مجموعات من الأغشية المكدسة (مثل أكوام خبز البيتا أو خبز الشباتي مع الجيب الداخلي الذي يمثل الفضاء المائي الداخلي) ، مترابطة بأغشية غير مكدسة تبرز من حواف الأكوام (الشكل. 2). تشير التجارب إلى أن المساحة المائية الداخلية لغشاء التمثيل الضوئي من المحتمل أن تكون مستمرة داخل البلاستيدات الخضراء. من غير المعروف لماذا يشكل غشاء التمثيل الضوئي مثل هذا الهيكل المعقد. لفهم علم الطاقة لعملية التمثيل الضوئي ، يمكن تجاهل البنية المعقدة ويمكن اعتبار الغشاء الضوئي كحويصلة بسيطة.

5.2 امتصاص الضوء - نظام الهوائي
يتم تحريك عملية التمثيل الضوئي للنبات بشكل أساسي عن طريق الضوء المرئي (أطوال موجية من 400 إلى 700 نانومتر) الذي تمتصه جزيئات الصباغ (بشكل رئيسي الكلوروفيل أ وب والكاروتينات). يظهر التركيب الكيميائي لجزيء الكلوروفيل في الشكل 4. في الكلوروفيل ب ، يتم استبدال CH3 في الحلقة II بمجموعة CHO. تظهر النباتات خضراء بسبب الكلوروفيل ، وهو وفير جدًا لدرجة أن مناطق الأرض تظهر خضراء من الفضاء. يظهر في الشكل 5 طيف امتصاص كلوروفيل الكلوروفيل a و b والكاروتينات جنبًا إلى جنب مع طيف عمل التمثيل الضوئي للبلاستيدات الخضراء. يتم جمع الضوء بواسطة 200-300 جزيء صبغ مرتبط بمجمعات بروتين حصاد الضوء الموجودة في التمثيل الضوئي غشاء. تحيط مجمعات حصاد الضوء بمراكز التفاعل التي تعمل كهوائي. يوضح الهيكل ثلاثي الأبعاد لمركب حصاد الضوء (K hlbrandt et al. ، 1994) أن البروتين يحدد موضع واتجاه أصباغ الهوائي. يبدأ التمثيل الضوئي عن طريق امتصاص فوتون بواسطة جزيء هوائي ، والذي يحدث في حوالي فيمتوثانية (10-15 ثانية) ويسبب الانتقال من حالة التأريض الإلكترونية إلى حالة الإثارة. في غضون 10-13 ثانية ، تتحلل الحالة المثارة عن طريق الاسترخاء الاهتزازي إلى حالة القميص الأولى. يسترشد مصير طاقة الحالة المثارة بهيكل البروتين. نظرًا لقرب جزيئات الهوائي الأخرى مع نفس حالات الطاقة أو ما شابهها ، فإن طاقة الحالة المثارة لديها احتمال كبير في أن يتم نقلها عن طريق نقل طاقة الرنين إلى جار قريب. يرجع نقل طاقة الإكسيتون بين جزيئات الهوائي إلى تفاعل لحظة انتقال ثنائي القطب للجزيئات. يعتمد احتمال النقل على المسافة بين ثنائيات الأقطاب الانتقالية للجزيئات المانحة والمستقبلية (1 / R6) ، والتوجه النسبي لثنائيات الأقطاب الانتقالية ، وتداخل طيف الانبعاث للجزيء المانح مع طيف الامتصاص الخاص بالجزيء المانح. جزيء متقبل (انظر Van Grondelle and Amesz ، 1986). تعتبر أنظمة الهوائيات الضوئية فعالة للغاية في عملية النقل هذه. في ظل الظروف المثلى ، يتم نقل أكثر من 90٪ من الكميات الممتصة خلال بضع مئات من البيكو ثانية من نظام الهوائي إلى مركز التفاعل الذي يعمل كمصيدة للإكسيتون. يظهر نموذج بسيط للهوائي ومركز تفاعله في الشكل 6.

يتم بدء الكيمياء الضوئية في النظام الضوئي II عن طريق فصل الشحنات بين P680 و pheophytin ، مما يؤدي إلى إنشاء P680 + / Pheo-. يستغرق فصل الشحنة الأولية حوالي بضع بيكو ثانية (الشكل 8). تم تصميم خطوات نقل الإلكترون اللاحقة من خلال التطور لمنع فصل الشحنة الأولية من إعادة الاتحاد. يتم تحقيق ذلك عن طريق نقل الإلكترون في غضون 200 بيكو ثانية من فيوفيتين إلى جزيء بلاستوكينون (QA) المرتبط بشكل دائم بالنظام الضوئي الثاني. على الرغم من أن البلاستوكينون يعمل عادةً كمقبل ثنائي الإلكترون ، إلا أنه يعمل كمتقبل لإلكترون واحد في موقع ضمان الجودة. يتم بعد ذلك نقل الإلكترون الموجود على QA إلى جزيء بلاستوكينون آخر مرتبط بشكل فضفاض في موقع QB. يختلف Plastoquinone الموجود في موقع QB عن QA من حيث أنه يعمل كمتقبل ثنائي الإلكترون ، حيث يتم تقليله بالكامل وبروتته بعد دورانين كيميائيين ضوئيين لمركز التفاعل. يتطلب التخفيض الكامل للبلاستوكينون إضافة إلكترونين وبروتونيين ، أي إضافة ذرتين من الهيدروجين. ثم ينخفض ​​البلاستوكينون المختزل (الشكل 9) من مركز التفاعل وينتشر في قلب الغشاء الكارهة للماء. بعد ذلك ، يجد جزيء البلاستوكينون المؤكسد طريقه إلى موقع ربط QB وتتكرر العملية. نظرًا لأن موقع QB يقع بالقرب من الطور المائي الخارجي ، فإن البروتونات المضافة إلى البلاستوكينون أثناء اختزاله تؤخذ من خارج الغشاء.

النظام الضوئي الثاني هو مركب البروتين الوحيد المعروف الذي يمكنه أكسدة الماء ، مما يؤدي إلى إطلاق O2 في الغلاف الجوي. على الرغم من سنوات من البحث ، لا يُعرف الكثير عن الأحداث الجزيئية التي تؤدي إلى أكسدة الماء. بقوة ، الماء هو مانح ضعيف للإلكترون. احتمال نقطة الوسط للأكسدة والاختزال (Em ، 7) للماء هو +0.82 فولت (الرقم الهيدروجيني 7). في النظام الضوئي II ، يكون هذا التفاعل مدفوعًا بمركز التفاعل المؤكسد ، P680 + (تقدر نقطة المنتصف المحتملة لـ P680 / P680 + بـ +1.2 فولت عند الرقم الهيدروجيني 7). تظل كيفية نقل الإلكترونات من الماء إلى P680 + لغزا (Govindjee and Coleman ، 1990). من المعروف أن P680 + يؤكسد التيروزين على بروتين D1 وأن ​​المنغنيز يلعب دورًا رئيسيًا في أكسدة الماء. توجد أربعة أيونات Mn في مجمع مؤكسد الماء. يوضح التحليل الطيفي لامتصاص الأشعة السينية أن المنغنيز يخضع للأكسدة التي يسببها الضوء. تتطلب أكسدة الماء جزيئين من الماء وتنطوي على أربع دورات متتالية لمركز التفاعل. تم توضيح ذلك من خلال تجربة توضح أن إطلاق الأكسجين بواسطة النظام الضوئي الثاني يحدث مع اعتماد أربعة ومضات (الشكل 10 Joliot et al. ، 1969 Joliot and Kok ، 1975). ينتج عن كل تفاعل كيميائي ضوئي مؤكسد يزيل إلكترونًا واحدًا. ينتج عن التفاعل الصافي إطلاق جزيء O2 واحد ، وترسب أربعة بروتونات في طور الماء الداخلي ، ونقل أربعة إلكترونات إلى موقع QB (إنتاج جزيئين من البلاستوكينون المختزل) (تمت مراجعته بواسطة Renger ، 1993 Klein et al. ، 1993 و Lavergne and Junge ، 1993).

تحتوي مراكز تفاعل نظام الصور II على عدد من مكونات الأكسدة والاختزال التي ليس لها وظيفة معروفة. مثال على ذلك هو السيتوكروم b559 ، وهو بروتين هيم ، وهو مكون أساسي لجميع مراكز تفاعل النظام الضوئي الثاني (تمت مناقشته بواسطة ويتمارش وباكراسي ، 1996). إذا لم يكن السيتوكروم موجودًا في الغشاء ، فلا يمكن تشكيل مركز تفاعل PS II ثابت. على الرغم من أنه لا يزال يتعين اكتشاف بنية ووظيفة Cyt b559 ، فمن المعروف أن السيتوكروم لا يشارك في النشاط الإنزيمي الأساسي لـ PS II ، وهو نقل الإلكترونات من الماء إلى البلاستوكينون. لماذا تحتوي مراكز تفاعل PS II على مكونات الأكسدة والاختزال التي لا تشارك في التفاعلات الأنزيمية الأولية هو سؤال محير. يمكن العثور على الإجابة في التفاعلات الكيميائية غير العادية التي تحدث في PS II وحقيقة أن مركز التفاعل يعمل بمستوى طاقة عالي جدًا. نظام الصور الثاني هو إنزيم محول للطاقة يجب أن ينتقل بين حالات الطاقة العالية المختلفة التي تتضمن تكوين المؤكسدات القوية المطلوبة لإزالة الإلكترونات من الماء والكيمياء المعقدة لتقليل البلاستوكينون والتي تتأثر بشدة بالبروتونات. في ضوء التشبع ، يمكن أن يكون لمركز تفاعل واحد إنتاجية طاقة تبلغ 600 فولت / ثانية (ما يعادل 60000 كيلو وات لكل مول من PS II). يؤدي التشغيل عند مستوى طاقة عالٍ إلى إتلاف مركز التفاعل.قد تكون بعض مكونات & quotextra & quot الأكسدة والاختزال في النظام الضوئي II تعمل على حماية مركز التفاعل.

يحتوي نظام الصور الثاني على ميزة أخرى محيرة. ثبت أن العديد من النباتات والطحالب لديها عدد كبير من مراكز تفاعل النظام الضوئي الثاني التي لا تساهم في نقل الإلكترون الضوئي (على سبيل المثال ، Chylla and Whitmarsh ، 1989). لماذا تخصص النباتات موارد لتخليق مراكز التفاعل التي لا تساهم على ما يبدو في تحويل الطاقة غير معروف (لمراجعات عدم تجانس النظام الضوئي الثاني ، انظر Ort and Whitmarsh، 1990 Guenther and Melis، 1990 Govindjee، 1990 Melis، 1991 Whitmarsh et al.، 1996 Lavergne and Briantais ، 1996)

يحفز مركب النظام الضوئي 1 أكسدة البلاستوسيانين ، وهو بروتين نحاسي صغير قابل للذوبان ، واختزال الفيروكسين ، وهو بروتين FeS صغير (الشكل 11). يتكون النظام الضوئي الأول من مغاير مغاير للبروتينات التي تعمل كروابط لمعظم ناقلات الإلكترون (Krauss et al. ، 1993). يتم تقديم مركز التفاعل من خلال نظام هوائي يتكون من حوالي مائتي جزيء كلوروفيل (بشكل رئيسي الكلوروفيل أ) ويتم بدء الكيمياء الضوئية الأولية بواسطة ثنائي كلوروفيل ، P700. على عكس النظام الضوئي الثاني ، فإن العديد من جزيئات الكلوروفيل الهوائي في النظام الضوئي الأول مرتبطة ببروتينات مركز التفاعل. أيضًا ، تعمل مراكز FeS كحاملات إلكترون في النظام الضوئي الأول ، وبقدر ما هو معروف ، لا يقترن نظام الصور الأول بنقل الإلكترون بنقل البروتون. يحدث فصل الشحنة الأولية بين المتبرع الأساسي ، P700 ، ثنائي كلوروفيل ، ومونومر الكلوروفيل (Ao). تظهر أحداث ومعدلات نقل الإلكترون اللاحقة في الشكل 12 (انظر Golbeck ، 1994).

5.4 نقل الإلكترون
يتطلب نقل الإلكترون من الماء إلى NADP + ثلاثة معقدات بروتينية مرتبطة بالغشاء تعمل في سلسلة - النظام الضوئي الثاني ، ومركب السيتوكروم bf والنظام الضوئي الأول (الشكل 3). يتم نقل الإلكترونات بين هذه المجمعات البروتينية الكبيرة بواسطة جزيئات صغيرة متحركة (بلاستوكينون وبلاستوسيانين في النباتات). نظرًا لأن هذه الجزيئات الصغيرة تحمل الإلكترونات (أو ذرات الهيدروجين) عبر مسافات طويلة نسبيًا ، فإنها تلعب دورًا فريدًا في تحويل الطاقة الضوئية. ويتضح ذلك من خلال البلاستوكينون (PQ) ، الذي يخدم وظيفتين رئيسيتين. ينقل Plastoquinone الإلكترونات من مركز تفاعل النظام الضوئي II إلى مركب السيتوكروم bf ويحمل البروتونات عبر الغشاء الضوئي (انظر كالاس ، 1994). يقوم بذلك عن طريق نقل ذرات الهيدروجين عبر الغشاء من النظام الضوئي الثاني إلى مركب السيتوكروم bf. لأن البلاستوكينون كاره للماء ، فإن حركته تقتصر على النواة الكارهة للماء لغشاء التمثيل الضوئي. يعمل البلاستوكينون عن طريق الانتشار عبر الغشاء حتى يصبح مرتبطًا بموقع معين في مجمع النظام الضوئي الثاني بسبب الاصطدامات العشوائية. يقلل مركز تفاعل النظام الضوئي II من البلاستوكينون في موقع QB عن طريق إضافة إلكترونين وبروتونيين لإنشاء PQH2. ينفصل جزيء البلاستوكينون المختزل عن النظام الضوئي الثاني وينتشر بشكل عشوائي في غشاء التمثيل الضوئي حتى يواجه موقع ارتباط محدد على مركب السيتوكروم bf. مركب السيتوكروم bf عبارة عن مركب بروتين مرتبط بغشاء يحتوي على أربع ناقلات إلكترون وثلاثة سيتوكرومات ومركز FeS. تم حل التركيب البلوري للسيتوكروم f من اللفت (Martinez et al. ، 1994) ومركز FeS من ميتوكوندريا قلب الأبقار (Iwata et al. ، 1996). في تسلسل تفاعل معقد غير مفهوم تمامًا ، يزيل مركب السيتوكروم bf الإلكترونات من البلاستوكينون المختزل ويسهل إطلاق البروتونات في الفضاء المائي الداخلي. يتم نقل الإلكترونات في النهاية إلى مركز تفاعل النظام الضوئي الأول. تساهم البروتونات المنبعثة في الفضاء المائي الداخلي في طاقة البروتون الخالية من المواد الكيميائية عبر الغشاء.

يتم نقل الإلكترون من مركب السيتوكروم bf إلى النظام الضوئي الأول بواسطة بروتين النحاس الصغير ، البلاستوسيانين (الكمبيوتر). البلاستوسيانين قابل للذوبان في الماء ويعمل في الفضاء المائي الداخلي لغشاء التمثيل الضوئي. يتطلب نقل الإلكترون من نظام ضوئي I إلى NADP + فيروتوكسين ، وهو بروتين FeS صغير ، و ferroxin-NADP oxidoreductase ، وهو بروتين فلافوبروتين محيطي يعمل على السطح الخارجي للغشاء الضوئي. الفيروكسين و NADP + قابلان للذوبان في الماء ويوجدان في الطور المائي الخارجي.

يتم تحديد مسار الإلكترونات إلى حد كبير من خلال طاقة التفاعل والمسافة بين الحاملات. يتم تمثيل ألفة الإلكترون للحوامل في الشكل 13 من خلال إمكانات نقطة الوسط الخاصة بهم ، والتي تُظهر الطاقة الحرة المتاحة لتفاعلات نقل الإلكترون في ظل ظروف التوازن. (يجب أن يؤخذ في الاعتبار أن ظروف التفاعل أثناء عملية التمثيل الضوئي ليست في حالة توازن.) بعد فصل الشحنة الأولية ، يكون نقل الإلكترون منحدرًا بقوة (من انخفاض (أكثر سلبية) إلى احتمال أعلى (أكثر إيجابية) للاختزال). إنه التدفق المنحدر للإلكترونات الذي يوفر طاقة مجانية لإنشاء تدرج كيميائي للبروتون.

تحد أغشية التمثيل الضوئي بشكل فعال من نقل الإلكترون إلى بعدين. بالنسبة لحاملات الإلكترون المتنقلة ، يؤدي قصر الانتشار على بعدين إلى زيادة عدد اللقاءات العشوائية (ويتمارش ، 1986). علاوة على ذلك ، نظرًا لأن البلاستوسيانين متحرك ، فإن أي مركب سيتوكروم bf يمكن أن يتفاعل مع عدد من مجمعات نظام الصور الأول. وينطبق الشيء نفسه على plastoquinone ، الذي يعمل عادة عند قياس العناصر المتكافئة لحوالي ستة جزيئات لكل مجمع نظام ضوئي II.

يكون التفاعل شاقًا بقوة (DG = +32 kJ / mol) ويتم دفعه عن طريق نقل البروتون من خلال بروتين ATP synthase. يتكون مجمع ATP Synthase من وحدتين فرعيتين رئيسيتين ، CF0 و CF1 (الشكل 14). تمتد الوحدة الفرعية CF0 عبر الغشاء الضوئي وتشكل قناة بروتون عبر الغشاء. يتم توصيل الوحدة الفرعية CF1 بأعلى CF0 على الجزء الخارجي من الغشاء وتقع في الفضاء المائي. يتكون CF1 من عدة وحدات فرعية بروتينية مختلفة ، يشار إليها باسم a و b و g و d و e. يتكون الجزء العلوي من الوحدة الفرعية CF1 من ثلاثة ثنائيات ab تحتوي على المواقع المحفزة لتخليق ATP. كان الإنجاز الكبير الأخير هو توضيح بنية ATPase لميتوكوندريا قلب لحم البقر بواسطة Abrahams et al. (1994). العمليات الجزيئية التي تربط بين نقل البروتون عبر البروتين إلى الإضافة الكيميائية للفوسفات إلى ADP غير مفهومة جيدًا. من المعروف أن الفسفرة يمكن أن تكون مدفوعة بتدرج الأس الهيدروجيني ، أو مجال كهربائي عبر الغشاء ، أو مزيج من الاثنين. تشير التجارب إلى أن ثلاثة بروتونات يجب أن تمر عبر معقد سينسيز ATP لتخليق جزيء واحد من ATP. ومع ذلك ، لا تشارك البروتونات في كيمياء إضافة الفوسفات إلى ADP. اقترح بول بوير وزملاؤه في العمل آلية موقع ربط بديلة لتوليف ATP (Boyer ، 1993). أحد النماذج التي تستند إلى اقتراحهم هو أن هناك ثلاثة مواقع تحفيزية في كل CF1 تدور بين ثلاث حالات مختلفة (الشكل 15). تختلف الدول في تقاربها مع ADP و Pi و ATP. في أي وقت ، يكون كل موقع في حالة مختلفة. هذا النموذج مدعوم ببنية ATPase التي أوضحها Abrahams et al. (1994). في البداية ، يرتبط موقع تحفيزي واحد على CF1 واحد ADP وجزيء فوسفات غير عضوي واحد بشكل فضفاض نسبيًا. بسبب التغيير التوافقي للبروتين ، يصبح الموقع موقع ربط محكمًا ، مما يؤدي إلى استقرار ATP. بعد ذلك ، يؤدي نقل البروتون إلى إحداث تغيير في تكوين البروتين يؤدي إلى إطلاق الموقع لجزيء ATP في الطور المائي. في هذا النموذج ، يتم استخدام الطاقة من التدرج الكهروكيميائي للبروتون لتقليل ألفة الموقع لـ ATP ، مما يسمح بإطلاقه إلى مرحلة الماء. تعمل المواقع الثلاثة على CF1 بشكل تعاوني ، أي أن الحالات المطابقة للمواقع مرتبطة. لقد تم اقتراح أن البروتونات تؤثر على التغيير التوافقي من خلال دفع دوران الجزء العلوي (الثلاثة أب-ديمرز) من CF1. تم دعم هذا النموذج الدوار مؤخرًا من خلال تسجيل دوران وحدة جاما الفرعية بالنسبة لوحدات ألفا-بيتا الفرعية بواسطة Sabbert et al. (1996). تتطلب آلية الموقع الدوار هذه معدلات تصل إلى 100 دورة في الثانية. وتجدر الإشارة إلى أن الأسواط التي تدفع بعض البكتيريا مدفوعة بمضخة بروتون ويمكن أن تدور 60 دورة في الثانية.

5.7 تخليق الكربوهيدرات
تقوم جميع النباتات والطحالب بإزالة ثاني أكسيد الكربون من البيئة وتقليله إلى كربوهيدرات بواسطة دورة كالفين. هذه العملية عبارة عن سلسلة من التفاعلات الكيميائية الحيوية التي تقلل الكربون وتعيد ترتيب الروابط لإنتاج الكربوهيدرات من جزيئات ثاني أكسيد الكربون. تتمثل الخطوة الأولى في إضافة ثاني أكسيد الكربون إلى مركب مكون من خمسة كربون (ريبولوز 1.5-بيسفوسفات) (الشكل 16). ينقسم المركب المكون من ستة كربون ، ويعطي جزيئين من مركب ثلاثي الكربون (3-فوسفوجليسيرات). يتم تحفيز هذا التفاعل الرئيسي بواسطة Rubisco ، وهو مركب بروتين كبير قابل للذوبان في الماء. تم تحديد البنية ثلاثية الأبعاد من خلال تحليل الأشعة السينية لـ Rubisco المعزول من التبغ (Schreuder et al. 1993) من البكتيريا الزرقاء (Synechococcus) (Newman and Gutteridge ، 1993) ومن بكتيريا أرجوانية (Rhodospirillum rubrum) (Schneider et آل. 1990). تفاعل الكربوكسيل هو انحدار بقوة. المدخل الرئيسي للطاقة في دورة كالفين هو الفسفرة بواسطة ATP والاختزال اللاحق بواسطة NADPH لمركب ثلاثي الكربون الأولي مكونًا سكر ثلاثي فوسفات ثلاثي الكربون. يتم تصدير بعض ثلاثي الفوسفات من البلاستيدات الخضراء ويوفر اللبنة الأساسية لتخليق جزيئات أكثر تعقيدًا. في عملية تُعرف باسم التجديد ، تستخدم دورة كالفين بعضًا من جزيئات ثلاثي الفوسفات لتجميع الريبولوز الغني بالطاقة 1،5-بيسفوسفات اللازم لتفاعل الكربوكسيل الأولي. يتطلب هذا التفاعل إدخال الطاقة في شكل ATP واحد. بشكل عام ، هناك حاجة إلى ثلاثة عشر إنزيمًا لتحفيز التفاعلات في دورة كالفين. تبلغ كفاءة تحويل الطاقة لدورة كالفين حوالي 90٪. لا تتضمن التفاعلات تحويل الطاقة ، بل إعادة ترتيب الطاقة الكيميائية. يتطلب كل جزيء من ثاني أكسيد الكربون يتم اختزاله إلى سكر [CH2O] n جزيئين من NADPH و 3 جزيئات من ATP.

Rubisco هو إنزيم ثنائي الوظيفة ، بالإضافة إلى ربط CO2 بثنائي فوسفات الريبولوز ، يمكنه أيضًا ربط O2. ينتج تفاعل الأوكسجين هذا 3-فوسفوجليسيرات المستخدمة في دورة كالفين ومركب ثنائي الكربون (2-فوسفوجليكولات) غير مفيد للنبات. استجابة لذلك ، يتم بدء مجموعة معقدة من التفاعلات (المعروفة باسم التنفس الضوئي) والتي تعمل على استعادة الكربون المختزل وإزالة الفوسفوجليكولات. يبدو أن تفاعل الأكسجة Rubisco لا يخدم أي غرض مفيد للمصنع. طورت بعض المصانع هياكل متخصصة ومسارات كيميائية حيوية تركز ثاني أكسيد الكربون بالقرب من روبيسكو. تعمل هذه المسارات (C4 و CAM) على تقليل جزء تفاعلات الأكسجة (انظر فصل هذا الحجم عن تقليل الكربون).

6. التأكسج الضوئي

لقد أتاح تحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد لمركز تفاعل البكتيريا الأرجواني غير الكبريتية ، Rhodopseudomonas viridis و Rhodobacter sphaeroides ، فرصة غير مسبوقة لفهم بنية ووظيفة مراكز التفاعل الضوئي (Deisenhofer et al. ، 1984 ، 1985 Feher et al.، 1989 Lancaster et al.، 1995). يوضح الشكل 17 (Norris and van Brakel، 1986) مواضع مكونات نقل الإلكترون في مركز تفاعل Rhodobacter sphaeroides وتلك الخاصة بالوحدات البروتينية الفرعية الثلاثة L و M و H في الشكل 18. التفاعل يحتوي المركز على أربعة جرثومي كلوروفيل واثنين من جزيئات البكتيرية. اثنان من جزيئات الكلوروفيل الجرثومي يشكلان المتبرع الأساسي (P870). في الوقت الحاضر ، هناك جدل حول ما إذا كان جزيء جرثومي كلوروفيل وسيطًا في نقل الإلكترون من P870 إلى جرثومة البكتيرية. ومع ذلك ، هناك اتفاق على أن الخطوات المتبقية تتضمن جزيئين من الكينون (QA و QB) وأن اثنين من دوران مركز التفاعل يؤديان إلى إطلاق كينون مخفض (QH2) في غشاء التمثيل الضوئي. على الرغم من وجود الحديد غير الهيم بين جزيئي الكينون ، إلا أن هناك دليلًا مقنعًا على أن هذا الحديد ليس متورطًا بشكل مباشر في نقل الإلكترون من QA إلى QB. نظرًا لأن المتبرع الأساسي (P870) ومتقبلات البكتريوفوفيتين والكينون لمركز التفاعل البكتيري الأرجواني تشبه مركز تفاعل النظام الضوئي الثاني ، يتم استخدام مركز التفاعل البكتيري كدليل لفهم بنية ووظيفة النظام الضوئي الثاني.

يكون نقل الإلكترون المدفوع بالضوء دوريًا في بكتيريا رودوباكتر والبكتيريا الأرجوانية الأخرى (الشكل 19). ينتج مركز التفاعل كينون مخفض ، والذي يتأكسد بمركب السيتوكروم قبل الميلاد. يتم نقل الإلكترونات من مجمع السيتوكروم قبل الميلاد إلى حامل إلكترون قابل للذوبان ، وهو السيتوكروم c2 ، مما يقلل من المؤكسد الأساسي المتبرع P870 +. ناتج تفاعلات نقل الإلكترون المدفوعة بالضوء هو ATP. يتم استخلاص الإلكترونات الخاصة باختزال الكربون من متبرع عضوي ، مثل سكسينات أو مالات أو من غاز الهيدروجين ، ولكن ليس بواسطة مركز التفاعل. يتم توفير الطاقة اللازمة لتقليل NAD + عن طريق النقل الإلكترون الدوري الذي يحركه الضوء في شكل ATP. مسار تحويل الطاقة معقد. يتأكسد السكسينات بواسطة إنزيم مرتبط بالغشاء (نازع هيدروجين السكسينات) ينقل الإلكترونات إلى الكينون ، وهو مصدر الإلكترونات لتقليل NAD +. ومع ذلك ، فإن نقل الإلكترون من الكينون المختزل إلى NAD + شاق بقوة. من خلال آلية غير مفهومة جيدًا ، يكون الإنزيم المرتبط بالغشاء قادرًا على استخدام الطاقة المخزنة في إمكانات البروتون الكهروكيميائية لدفع الإلكترونات من الكينون المختزل إلى NAD +.


تحفيز إفراز الكلور

Leucokinins هي عائلة من octapeptides ، والتي عزلها هولمان وزملاؤه لأول مرة عن رأس الصرصور Leucophaea maderaeباستخدام تقلصات المعى الخلفي للصرصور كمقايسة بيولوجية (هولمان وآخرون ، 1989). تسلسل pentamer Phe-X-Ser-Trp-Gly-NH2، الذي ينتهي بـ C-terminal amide ، هو أمر شائع لدى معظم الأقارب. دفعنا تحفيز الانقباض وإخلاء الجهاز الهضمي إلى البحث عن تأثيرات إفرازية أخرى في المنبع. وجدنا أن leucokinins الصرصور لها فاعلية مدر للبول في أنابيب Malpighian لبعوض الحمى الصفراء (Hayes et al. ، 1989). زادت معدلات إفراز السوائل من 0.49 nl min -1 إلى 0.91 nl min -1 في وجود leucokinin-VIII (الجدول 3). منذ ذلك الحين ، لوحظت التأثيرات المدرة للبول من مادة leucokinins في لعبة الكريكيت المنزلية (أشيتا دومينيكوس Coast et al. ، 1990) ، الجراد (الجراد المهاجر Schoofs وآخرون ، 1992) ، دودة أذن الذرة (هيليكوفيربا زيا بلاكبيرن وآخرون ، 1995) ، ذبابة الفاكهة (أودونيل وآخرون ، 1996) وذبابة المنزل (موسكا دومستيكا Iaboni et al. ، 1998). Culekinin هو عشيرة البعوض الأصلية ، والتي قام مختبر Hayes بعزلها وتسلسلها (Hayes et al. ، 1994). مثل leucokinin ، فإنه يحفز تقلص المعى الخلفي في الصرصور ويقلل الجهد عبر الظهارة في البعوض Malpighian الأنابيب.

تحليل السائل الذي يفرزه الزاعجة كشفت أنابيب Malpighian في وجود leucokinin-VIII عن زيادات كبيرة في إفراز طبقة الظهارة لكل من NaCl و KCl ، كما لو أن leucokinin جعل Cl - متاحًا بسهولة أكبر لإفراز طبقة الظهارة مع Na + و K + (الجدول 3). تؤكد الدراسات الفيزيولوجية الكهربية هذه الفرضية: زاد leucokinin-VIII من توصيل Cl بطريق الظهارة (Pannabecker et al. ، 1993). على وجه الخصوص ، إضافة leucokinin-VIII إلى الوسط المحيطي للعزلة الزاعجة تؤدي أنابيب Malpighian إلى الانهيار الفوري للجهد الظهاري نحو 0 mV مع انخفاض بمقدار 6 أضعاف في المقاومة عبر الظهارة (Pannabecker et al. ، 1993). تعتبر القيم المنخفضة للجهد الظهاري والمقاومة من سمات ما يسمى بالظهارة "المتسربة" ، والتي تختص بنقل المذاب والماء بمعدلات عالية. وهكذا ، تحول leucokinin-VIII إلى ظهارة `` ضيقة بشكل معتدل '' ، بجهد بطبقة الظهارة يبلغ 59.3 مللي فولت (موجب التجويف) ومقاومة بطبقة الظهارة 57.8 سم 2 ، إلى ظهارة `` متسربة '' ، بجهد بطاني للظهارة يبلغ 5.7 مللي فولت فقط ( موجب التجويف) ومقاومة بطبقة الظهارة 9.9 سم 2 فقط (Pannabecker et al. ، 1993). حدث التغيير بسرعة شبيهة بالتبديل وكان سريعًا بنفس القدر في التراجع عند غسل مادة leucokinin (Beyenbach ، 2003).

يعتمد التأثير المدر للبول للليكوكينين على Cl - ، مما يؤكد التأثير على مسار النقل الذي يتخذه Cl - (Hayes et al. ، 1989 Pannabecker et al. ، 1993). اثنان من Cl - مسارات النقل ممكنة. مختبر أودونيل لديه دليل على أن Cl - يمر عبر الخلايا النجمية في ذبابة الفاكهة نبيبات Malpighian (O'Donnell et al. ، 1998) ، والتي تم تأكيدها في مختبر Dow ​​، حيث يزيد leucokinin التركيزات داخل الخلايا لـ Ca 2+ ، المرسل الثاني من leucokinin ، في الخلايا النجمية ولكن ليس في الخلايا الرئيسية (Terhzaz et al. ، 1999). على الرغم من أننا وجدنا قنوات Cl في الغشاء القمي للخلايا النجمية في أنابيب Malpighian A. aegypti(O'Connor and Beyenbach، 2001) ، تشير الأدلة السائدة إلى وجود مسار خارج الخلية Cl ينشط بواسطة leucokinin. على وجه الخصوص ، يؤثر leucokinin على حاجز ظهاري واحد مثل ذلك المتوقع من التقاطع الحاجز (الضيق) الموجود بين الخلايا الظهارية. الدليل على الزيادة في Cl - التوصيل من تقاطعات septate في A. aegypti الأنابيب Malpighian هي كما يلي: (1) تقترب إمكانات Cl عبر الظهارة من 15 ٪ فقط من إمكانات Nernst تحت ظروف تحكم ولكن 77 ٪ في وجود leucokinin ، مما يدل على زيادة كبيرة في الموصلية Cl عبر الظهارة (2) كبيرة متناظرة عبر الظهارة Cl - إمكانات الانتشار لكل من Cl الموجه من التجويف إلى الحمام ومن الحمام إلى التجويف - من المرجح أن يتم إنشاء التدرجات عبر حاجز واحد مثل تقاطع الحاجز مقارنة بغشاءين من الخلايا في سلسلة (3) تأثير الليوكوكينين على يتم عكس المقاومة بطريق الظهارة تمامًا عن طريق خفض تركيز Cl من 150 مليمول لتر -1 إلى 5 مليمول لتر -1 في المحاليل خارج الخلية ، وليس داخل الخلايا (بشكل ملحوظ ، يجب خفض تركيز Cl على جانبي الظهارة لعكس تأثيرات leucokinin ، مما يدل على وجود مسار Cl خارج الخلية يتم تنشيطه بواسطة leucokinin) و (4) التغيرات الكهربية المرصودة من ظهارة ضيقة إلى ظهارة متسربة ناتجة عن leucoki يمكن تفسير نين فقط من خلال زيادة التوصيل الخلوي. أخيرًا ، ينشط leucokinin أيضًا توصيل Cl عبر الظهارة في الأنابيب المثبطة بالسيانيد أو ثنائي نتروفينول ، مشيرًا إلى تغيير في التوصيل لهيكل مثل تقاطع الفصل الذي لا يعتمد مباشرة على استقلاب الخلية (Beyenbach ، 2003 Pannabecker et al. ، 1993) .

في لعبة الكريكيت المنزلية ، يحتوي leucokinin على تأثيرات مدر للبول مماثلة لتلك الموجودة في ذبابة الفاكهة الأنابيب Malpighian (Coast ، 2001 Coast et al. ، 1990). علاوة على ذلك ، يتوسط Ca 2+ تأثيرات leucokinin في كليهما أشيتا و ذبابة الفاكهة النبيبات Malpighian (Coast ، 1998 O'Donnell et al. ، 1998). يتمثل الاختلاف الملحوظ بين النوعين في أن الأنابيب المالبية للصراصير لا تحتوي على خلايا نجمية (Coast ، 2001 Hazelton et al. ، 1988).وفقًا لذلك ، فإن وجود الخلايا النجمية ليس شرطًا ضروريًا للليوكوكينين للتعبير عن آلية عملها المدرة للبول. في الواقع ، أظهرت الدراسات الحديثة في مختبرنا أن الخلايا النجمية ليست ضرورية للتوسط في تأثيرات leucokinin في الأنابيب Malpighian من A. aegypti (قدم إم جيه يو وكيه دبليو بينباخ).

أينما تمت دراسة مسار تحويل الإشارة لـ leucokinin ، تم العثور على Ca 2+ ليكون بمثابة رسول ثانٍ (Coast ، 1998). تظهر القياسات الفعلية لتركيزات Ca 2+ داخل الخلايا أن leucokinin يزيد من تركيزات Ca 2+ في الخلايا النجمية لأنابيب Malpighian لذبابة الفاكهة (O'Donnell et al. ، 1998) وفي الخلايا الرئيسية لأنابيب الكريكيت المنزلية Malpighian (الساحل ، 1998) ). أظهرت الدراسات في مختبرنا أن Ca 2+ خارج وداخل الخلايا ضرورية لنقل الإشارة في الزاعجة الأنابيب Malpighian (يو وبيينباخ ، 2002). مهم بشكل خاص هو Ca 2+ في الوسط المحيطي أو الدملمف. في حالة عدم وجود Ca 2+ حول الأنبوب ، ينتج leucokinin-VIII محاولات جزئية وعابرة (متذبذبة) لإنتاج حالة الظهارة المتسربة. لمراقبة التحول الكامل والدائم إلى الظهارة المتسربة ، يجب أن يكون Ca 2+ قادرًا على دخول الخلية من الوسط المحيط بالنبيبات أو الدملمف. تتوسط قنوات Ca 2+ الحساسة لـ Nifedipine في الغشاء الجانبي للخلايا الرئيسية التي يتم تنشيطها بواسطة leucokinin هذا الإدخال Ca 2+. دراسات مفصلة للأدوار النسبية داخل وخارج الخلية Ca 2+ في الزاعجةتشير أنابيب Malpighian إلى تسلسل تحويل الإشارة الموضح في الشكل 5. يرتبط Leucokinin بمستقبلات مقترنة ببروتين G في الغشاء الجانبي للخلايا الرئيسية. مستقبلات الليوكوكينين التي تم عزلها من قواقع البركة (Lymnaea stagnalis) ، قراد الماشية (Boophilus microplus) وذبابة الفاكهة لها تسلسل متوافق مع مستقبلات مقترنة ببروتين G (Radford et al. ، 2002 Holmes et al. ، 2003). علاوة على ذلك ، AlF4 - ، منشط معروف لبروتينات G ، يكرر تأثيرات الليوكوكينين في الزاعجة الأنابيب Malpighian (يو وبيينباخ ، 2001). يُعتقد أن تحفيز البروتين G ينشط فسفوليباز C ويولد إينوزيتول (1،4،5) -تريسفوسفات و diacylglycerol. IP3يستمر في إطلاق Ca 2+ داخل الخلايا من المتاجر. يؤدي الارتفاع اللاحق في تركيز Ca 2+ السيتوبلازمي و / أو استنفاد مخازن Ca 2+ داخل الخلايا إلى تنشيط قنوات Ca 2+ في الغشاء الجانبي الجانبي. يؤدي دخول Ca 2+ خارج الخلية إلى إنتاج الظهارة والحفاظ عليها في حالة التسرب طالما أن leucokinin موجود. كيف يؤدي Ca 2+ أو عوامل أخرى إلى زيادة التوصيل الوصلي أو النفاذية هو حاليًا مجال بحث نشط (Beyenbach ، 2003). قد تتوسط الخلايا النجمية بشكل جيد إفراز Cl عبر الظهارة تحت ظروف تحكم في الزاعجة نبيبات Malpighian. ومع ذلك ، في وجود leucokinin ، يتوسط Cl - الموصلية الفاصلة المفصلية Cl - إفراز الظهارة Cl في وجود leucokinin.


شاهد الفيديو: قوة الاستشعار بينك وبين تلك المادة الذي تريد البحث عنة (يوليو 2022).


تعليقات:

  1. Alfredo

    Propertyman المنتجة

  2. Martinek

    .. نادرا .. من الممكن أن نخبر ، هذا :) استثناء للقواعد

  3. Vudolabar

    أود أن أتحدث إليكم.

  4. Moore

    عيد ميلاد سعيد ، مبروك



اكتب رسالة