Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove

5.11: Primärer aktiver Transport
INHALTSVERZEICHNIS

JoVE Core
Biology

This content is Free Access.

Education
Primary Active Transport
 
PROTOKOLLE

5.11: Primary Active Transport

5.11: Primärer aktiver Transport

In contrast to passive transport, active transport involves a substance being moved through membranes in a direction against its concentration or electrochemical gradient. There are two types of active transport: primary active transport and secondary active transport. Primary active transport utilizes chemical energy from ATP to drive protein pumps that are embedded in the cell membrane. With energy from ATP, the pumps transport ions against their electrochemical gradients—a direction they would not normally travel by diffusion.

Relationship between Concentration, Electrical, and Electrochemical Gradients

To understand the dynamics of active transport, it is important to first understand electrical and concentration gradients. A concentration gradient is a difference in the concentration of a substance across a membrane or space that drives movement from areas of high concentration to areas of low concentration. Similarly, an electrical gradient is the force resulting from the difference between electrochemical potentials on each side of the membrane that leads to the movement of ions across the membrane until the charges are similar on both sides of the membrane. An electrochemical gradient is created when the forces of a chemical concentration gradient and electrical charge gradient are combined.

Sodium-Potassium Pump

One important transporter responsible for maintaining the electrochemical gradient in cells is the sodium-potassium pump. The primary active transport activity of the pump occurs when it is oriented such that it spans the membrane with its extracellular side closed, and its intracellular region open and associated with a molecule of ATP. In this conformation, the transporter has a high affinity for sodium ions normally present in the cell in low concentrations, and three of these ions enter into and attach to the pump. Such binding allows ATP to transfer one of its phosphate groups to the transporter, providing the energy needed to close the pump’s intracellular side and open the extracellular region.

The change in conformation decreases the pump’s affinity for sodium ions—which are released into the extracellular space—but increases its affinity for potassium, allowing it to bind two potassium ions present in low concentration in the extracellular environment. The extracellular side of the pump then closes, and the ATP-derived phosphate group on the transporter detaches. This enables a new ATP molecule to associate with the pump’s intracellular side, which opens and allows the potassium ions to exit into the cell—returning the transporter to its initial shape beginning the cycle again.

Due to the pump’s primary active transport activity, there ends up being an imbalance in the distribution of ions across the membrane. There are more potassium ions inside the cell and more sodium ions outside the cell. Therefore, the inside of the cells ends up being more negative than the outside. An electrochemical gradient is generated as a result of the ion imbalance. The force from the electrochemical gradient then propels the reactions of secondary active transport. Secondary active transport, also known as co-transport, occurs when a substance is transported across a membrane as a result of the electrochemical gradient established by primary active transport without requiring additional ATP.

Im Gegensatz zum passiven Transport wird beim aktiven Transport eine Substanz durch Membranen in eine Richtung entgegen ihrer Konzentration oder ihres elektrochemischen Gradienten bewegt. Es gibt zwei Arten von aktivem Transport: den primären aktiven Transport und den sekundären aktiven Transport. Beim primären aktiven Transport wird die chemische Energie von ATP genutzt, um Proteinpumpen anzutreiben, welche in die Zellmembran eingebettet sind. Mit der Energie von ATP transportieren die Pumpen Ionen gegen ihren elektrochemischen Gradienten in eine Richtung, in die sie sich normalerweise nur durch Diffusion nicht bewegen würden.

Beziehung zwischen Konzentration, elektrischen und elektrochemischen Gradienten

Man muss zuerst die Funktionsweise von elektrischen und Konzentrationsgradienten verstehen, um die Dynamik des aktiven Transports greifen zu können. Ein Konzentrationsgradient ist ein Unterschied in der Konzentration einer Substanz über eine Membran oder einen Raum hinweg. Moleküle und Ionen bewegen sich dann von der Seite mit dem höheren Konzentrationsgradienten auf die Seite des niedrigeren Gradienten. In vergleichbarer Weise ist ein elektrischer Gradient die Kraft, die sich aus der Differenz zwischen elektrochemischen Potenzialen auf jeder Seite der Membran ergibt. Auch das führt zur Bewegung von Ionen über die Membran, bis die Ladungen auf beiden Seiten der Membran ähnlich bzw. ausgeglichen sind. Ein elektrochemischer Gradient wird erzeugt, wenn die Kräfte eines chemischen Konzentrationsgradienten und eines elektrischen Ladungsgradienten kombiniert werden.

Die Natrium-Kalium-Pumpe

Ein für die Aufrechterhaltung des elektrochemischen Gradienten in den Zellen verantwortlicher wichtiger Transporter ist die Natrium-Kalium-Pumpe. Der primäre aktive Transport der Pumpe tritt auf, wenn sie so ausgerichtet ist, dass sie die Membran mit geschlossener extrazellulärer Seite und offener intrazellulärer Region überspannt und mit einem ATP-Molekül assoziiert. In dieser Anordnung hat die Transportpumpe eine hohe Affinität für Natriumionen, die normalerweise nur in geringen Konzentrationen in der Zelle vorhanden sind. Drei dieser Ionen dringen in die Pumpe ein und lagern sich an ihr an. Eine solche Bindung ermöglicht es ATP, eine seiner Phosphatgruppen auf den Transporter zu übertragen. So wird die Energie bereitgestellt wird, welche benötigt wird, um die intrazelluläre Seite der Pumpe zu schließen und den extrazellulären Bereich zu öffnen.

Die Änderung der Struktur vermindert die Affinität der Pumpe für Natriumionen, die in den extrazellulären Raum abgegeben werden. Gleichzeitig wird jedoch die Affinität für Kalium erhöht. Dadurch kann die Pumpe zwei Kaliumionen, die in geringer Konzentration in der extrazellulären Umgebung vorhanden sind, binden. Die extrazelluläre Seite der Pumpe schließt sich dann und die von ATP abgeleitete Phosphatgruppe auf dem Transporter löst sich ab. Dadurch kann sich ein neues ATP-Molekül mit der intrazellulären Seite der Pumpe binden, die sich öffnet und es den Kaliumionen ermöglicht, in die Zelle zu gelangen und den Transporter in seine Ausgangsform zurückzubringen. So beginnt der Zyklus erneut.


Suggested Reading

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter