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5.11: Transport actif primaire
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Primary Active Transport
 
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5.11: Primary Active Transport

5.11: Transport actif primaire

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.

Contrairement au transport passif, le transport actif implique qu’une substance se déplace à travers les membranes dans une direction par rapport à sa concentration ou à son gradient électrochimique. Il existe deux types de transport actif : le transport actif primaire et le transport actif secondaire. Le transport actif primaire utilise l’énergie chimique de l’ATP pour conduire des pompes protéiques qui sont intégrées dans la membrane cellulaire. Avec l’énergie de l’ATP, les pompes transportent les ions contre leurs gradients électrochimiques, une direction qu’elles ne se déplaceraient normalement pas par diffusion.

Relation entre les gradients de concentration, électriques et électrochimiques

Pour comprendre la dynamique du transport actif, il est important de comprendre d’abord les gradients électriques et de concentration. Un gradient de concentration est une différence dans la concentration d’une substance à travers une membrane ou un espace qui entraîne le mouvement des zones de forte concentration vers les zones de faible concentration. De même, un gradient électrique est la force résultant de la différence entre les potentiels électrochimiques de chaque côté de la membrane qui conduit au mouvement des ions à travers la membrane jusqu’à ce que les charges soient similaires des deux côtés de la membrane. Un gradient électrochimique est créé lorsque les forces d’un gradient de concentration chimique et d’un gradient de charge électrique sont combinées.

Pompe sodium-potassium

Un transporteur important responsable du maintien du gradient électrochimique dans les cellules est la pompe sodium-potassium. L’activité de transport actif primaire de la pompe se produit lorsqu’elle est orientée de telle sorte qu’elle enjambe la membrane avec son côté extracellulaire fermé, et sa région intracellulaire ouverte et associée à une molécule d’ATP. Dans cette conformation, le transporteur a une forte affinité pour les ions de sodium normalement présents dans la cellule en faibles concentrations, et trois de ces ions entrent et s’attachent à la pompe. Une telle liaison permet à l’ATP de transférer l’un de ses groupes de phosphate au transporteur, fournissant l’énergie nécessaire pour fermer le côté intracellulaire de la pompe et ouvrir la région extracellulaire.

Le changement de conformation diminue l’affinité de la pompe pour les ions de sodium , qui sont libérés dans l’espace extracellulaire, mais augmente son affinité pour le potassium, ce qui lui permet de lier deux ions de potassium présents en faible concentration dans l’environnement extracellulaire. Le côté extracellulaire de la pompe se ferme alors, et le groupe de phosphate dérivé de l’ATP sur le transporteur se détache. Cela permet à une nouvelle molécule d’ATP de s’associer au côté intracellulaire de la pompe, ce qui s’ouvre et permet aux ions de potassium de sortir dans la cellule, ce qui renvoie le transporteur à sa forme initiale en commençant le cycle à nouveau.

En raison de l’activité de transport actif primaire de la pompe, il finit par y avoir un déséquilibre dans la distribution des ions à travers la membrane. Il y a plus d’ions de potassium à l’intérieur de la cellule et plus d’ions de sodium à l’extérieur de la cellule. Par conséquent, l’intérieur des cellules finit par être plus négatif que l’extérieur. Un gradient électrochimique est généré à la suite du déséquilibre ion. La force du gradient électrochimique propulse alors les réactions du transport actif secondaire. Le transport actif secondaire, également connu sous le nom de co-transport, se produit lorsqu’une substance est transportée à travers une membrane à la suite du gradient électrochimique établi par le transport actif primaire sans nécessiter d’ATP supplémentaire.


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