Cell er en strukturell enhet av alt liv på planeten vår og et åpent system. Dette betyr at livet krever en konstant utveksling av materie og energi med miljøet. Denne utvekslingen utføres gjennom membranen - cellens hovedgrense, som er designet for å bevare dens integritet. Det er gjennom membranen at cellulær metabolisme utføres og det går enten langs konsentrasjonsgradienten til et stoff, eller mot det. Aktiv transport over den cytoplasmatiske membranen er en kompleks og energikrevende prosess.
Membran – barriere og gateway
Den cytoplasmatiske membranen er en del av mange celleorganeller, plastider og inneslutninger. Moderne vitenskap er basert på den flytende mosaikkmodellen av membranstruktur. Aktiv transport av stoffer over membranen er mulig på grunn av densbestemt bygning. Grunnlaget for membraner er dannet av et lipid-dobbeltlag - hovedsakelig fosfolipider arrangert i samsvar med deres hydrofile-hydrofobe egenskaper. Hovedegenskapene til lipid-dobbeltlaget er fluiditet (evnen til å bygge inn og miste steder), selvmontering og asymmetri. Den andre komponenten i membraner er proteiner. Funksjonene deres er forskjellige: aktiv transport, mottak, gjæring, gjenkjennelse.
Proteiner er lokalisert både på overflaten av membranene og på innsiden, og noen av dem trenger inn i den flere ganger. Egenskapen til proteiner i en membran er evnen til å bevege seg fra den ene siden av membranen til den andre ("flip-flop"-hopp). Og den siste komponenten er sakkarid- og polysakkaridkjedene av karbohydrater på overflaten av membranene. Funksjonene deres er fortsatt kontroversielle i dag.
Typer aktiv transport av stoffer over membranen
Aktiv vil være en slik overføring av stoffer gjennom cellemembranen, som er kontrollert, skjer med energikostnader og går mot konsentrasjonsgradienten (stoffer overføres fra et område med lav konsentrasjon til et område med høy konsentrasjon). Avhengig av hvilken energikilde som brukes, skilles følgende transportformer ut:
- Primæraktiv (energikilde - hydrolyse av adenosintrifosforsyre ATP til adenosindifosforsyre ADP).
- Sekundær aktiv (forsynt med sekundær energi opprettet som et resultat av mekanismene for primær aktiv transport av stoffer).
Proteiner-assistenter
I både det første og andre tilfellet er transport umulig uten bærerproteiner. Disse transportproteinene er veldig spesifikke og er designet for å bære visse molekyler, og noen ganger til og med visse typer molekyler. Dette ble bevist eksperimentelt på muterte bakteriegener, noe som førte til umuligheten av aktiv transport over membranen til et bestemt karbohydrat. Transmembrane transportørproteiner kan være selvtransportører (de interagerer med molekyler og bærer dem direkte over membranen) eller kanaldannende (danner porer i membraner som er åpne for spesifikke stoffer).
Natrium- og kaliumpumpe
Det mest studerte eksemplet på den primære aktive transporten av stoffer over membranen er Na+ -, K+ -pumpen. Denne mekanismen sikrer forskjellen i konsentrasjonene av Na+ og K+ ioner på begge sider av membranen, noe som er nødvendig for å opprettholde det osmotiske trykket i cellen og andre metabolske prosesser. Det transmembrane bærerproteinet, natrium-kalium ATPase, består av tre deler:
- På yttersiden av proteinmembranen er det to reseptorer for kaliumioner.
- Det er tre natriumionreseptorer på innsiden av membranen.
- Den indre delen av proteinet har ATP-aktivitet.
Når to kaliumioner og tre natriumioner binder seg til proteinreseptorer på hver side av membranen, slås ATP-aktivitet på. ATP-molekylet hydrolyseres til ADP med frigjøring av energi, som brukes på transport av kaliumionerinne, og natriumioner utenfor den cytoplasmatiske membranen. Det er anslått at effektiviteten til en slik pumpe er mer enn 90 %, noe som i seg selv er ganske utrolig.
Til referanse: Virkningsgraden til en forbrenningsmotor er omtrent 40 %, elektrisk – opptil 80 %. Interessant nok kan pumpen også fungere i motsatt retning og tjene som fosfatdonor for ATP-syntese. For noen celler (for eksempel nevroner) brukes opptil 70 % av all energi på å fjerne natrium fra cellen og pumpe kaliumioner inn i den. Pumper for kalsium, klor, hydrogen og noen andre kationer (ioner med positiv ladning) fungerer på samme prinsipp for aktiv transport. Ingen slike pumper er funnet for anioner (negativt ladede ioner).
Kotransport av karbohydrater og aminosyrer
Et eksempel på sekundær aktiv transport er overføring av glukose, aminosyrer, jod, jern og urinsyre til cellene. Som et resultat av driften av kalium-natriumpumpen, dannes en gradient av natriumkonsentrasjoner: konsentrasjonen er høy ute og lav inne (noen ganger 10-20 ganger). Natrium har en tendens til å diffundere inn i cellen og energien til denne diffusjonen kan brukes til å transportere stoffer ut. Denne mekanismen kalles cotransport eller koblet aktiv transport. I dette tilfellet har bærerproteinet to reseptorsentre på utsiden: ett for natrium og det andre for elementet som transporteres. Først etter aktivering av begge reseptorer, gjennomgår proteinet konformasjonsendringer, og diffusjonsenergiennatrium introduserer det transporterte stoffet inn i cellen mot konsentrasjonsgradienten.
Verdien av aktiv transport for cellen
Hvis den vanlige diffusjonen av stoffer gjennom membranen pågikk i vilkårlig lang tid, ville konsentrasjonene deres utenfor og inne i cellen utjevnes. Og dette er døden for cellene. Tross alt må alle biokjemiske prosesser foregå i et miljø med elektrisk potensialforskjell. Uten aktiv, mot en konsentrasjonsgradient, transport av stoffer, ville ikke nevroner være i stand til å overføre en nerveimpuls. Og muskelceller ville miste evnen til å trekke seg sammen. Cellen ville ikke være i stand til å opprettholde osmotisk trykk og ville kollapse. Og stoffskiftets produkter ville ikke bli brakt ut. Og hormoner ville aldri komme inn i blodet. Tross alt bruker selv en amøbe energi og skaper en potensiell forskjell på membranen ved hjelp av de samme ionepumpene.
