Cell är en strukturell enhet av allt liv på vår planet och ett öppet system. Detta innebär att dess liv kräver ett konstant utbyte av materia och energi med omgivningen. Detta utbyte utförs genom membranet - cellens huvudgräns, som är utformad för att bevara dess integritet. Det är genom membranet som cellulär metabolism utförs och den går antingen längs med koncentrationsgradienten av ett ämne eller mot det. Aktiv transport över det cytoplasmatiska membranet är en komplex och energikrävande process.
Membran – barriär och gateway
Det cytoplasmatiska membranet är en del av många cellorganeller, plastider och inneslutningar. Modern vetenskap är baserad på den flytande mosaikmodellen av membranstruktur. Aktiv transport av ämnen över membranet är möjlig på grund av dessspecifik byggnad. Grunden för membranen bildas av ett lipiddubbelskikt - huvudsakligen fosfolipider arrangerade i enlighet med deras hydrofila-hydrofoba egenskaper. De huvudsakliga egenskaperna hos lipiddubbelskiktet är fluiditet (förmågan att bädda in och förlora platser), självmontering och asymmetri. Den andra komponenten i membran är proteiner. Deras funktioner är olika: aktiv transport, mottagning, jäsning, igenkänning.
Proteiner finns både på ytan av membranen och inuti, och några av dem penetrerar det flera gånger. Egenskapen hos proteiner i ett membran är förmågan att flytta från ena sidan av membranet till den andra ("flip-flop"-hopp). Och den sista komponenten är sackarid- och polysackaridkedjorna av kolhydrater på membranens yta. Deras funktioner är fortfarande kontroversiella idag.
Typer av aktiv transport av ämnen över membranet
Aktiv kommer att vara en sådan överföring av ämnen genom cellmembranet, som är kontrollerad, sker med energikostnader och går emot koncentrationsgradienten (ämnen överförs från ett område med låg koncentration till ett område med hög koncentration). Beroende på vilken energikälla som används särskiljs följande transportsätt:
- Primär aktiv (energikälla - hydrolys av adenosintrifosforsyra ATP till adenosindifosforsyra ADP).
- Sekundär aktiv (försedd med sekundär energi skapad som ett resultat av mekanismerna för primär aktiv transport av ämnen).
Proteiner-assistenter
I både det första och andra fallet är transport omöjlig utan bärarproteiner. Dessa transportproteiner är mycket specifika och är designade för att bära vissa molekyler, och ibland även vissa typer av molekyler. Detta bevisades experimentellt på muterade bakteriegener, vilket ledde till omöjligheten av aktiv transport över membranet av en viss kolhydrat. Transmembrantransportproteiner kan vara självtransportörer (de interagerar med molekyler och bär dem direkt över membranet) eller kanalbildande (bildar porer i membran som är öppna för specifika ämnen).
Natrium- och kaliumpump
Det mest studerade exemplet på den primära aktiva transporten av ämnen över membranet är Na+ -, K+ -pumpen. Denna mekanism säkerställer skillnaden i koncentrationerna av Na+- och K+-joner på båda sidor av membranet, vilket är nödvändigt för att upprätthålla det osmotiska trycket i cellen och andra metaboliska processer. Det transmembrana bärarproteinet, natrium-kalium ATPas, består av tre delar:
- På utsidan av proteinmembranet finns två receptorer för kaliumjoner.
- Det finns tre natriumjonreceptorer på insidan av membranet.
- Den inre delen av proteinet har ATP-aktivitet.
När två kaliumjoner och tre natriumjoner binder till proteinreceptorer på vardera sidan av membranet, aktiveras ATP-aktivitet. ATP-molekylen hydrolyseras till ADP med frigörande av energi, som spenderas på transport av kaliumjonerinuti och natriumjoner utanför det cytoplasmatiska membranet. Det uppskattas att effektiviteten för en sådan pump är mer än 90 %, vilket i sig är ganska fantastiskt.
För referens: Verkningsgraden för en förbränningsmotor är cirka 40 %, elektrisk – upp till 80 %. Intressant nog kan pumpen också arbeta i motsatt riktning och fungera som en fosfatdonator för ATP-syntes. För vissa celler (till exempel neuroner) går upp till 70 % av all energi åt att ta bort natrium från cellen och pumpa in kaliumjoner i den. Pumpar för kalcium, klor, väte och några andra katjoner (joner med positiv laddning) fungerar på samma princip om aktiv transport. Inga sådana pumpar har hittats för anjoner (negativt laddade joner).
Samtransport av kolhydrater och aminosyror
Ett exempel på sekundär aktiv transport är överföring av glukos, aminosyror, jod, järn och urinsyra till celler. Som ett resultat av driften av kalium-natriumpumpen skapas en gradient av natriumkoncentrationer: koncentrationen är hög utanför och låg inuti (ibland 10-20 gånger). Natrium tenderar att diffundera in i cellen och energin från denna diffusion kan användas för att transportera ut ämnen. Denna mekanism kallas samtransport eller kopplad aktiv transport. I det här fallet har bärarproteinet två receptorcentra på utsidan: ett för natrium och det andra för det element som transporteras. Först efter aktiveringen av båda receptorerna genomgår proteinet konformationsförändringar och diffusionsenerginnatrium för in det transporterade ämnet i cellen mot koncentrationsgradienten.
Värdet av aktiv transport för cellen
Om den vanliga diffusionen av ämnen genom membranet fortgick under en godtyckligt lång tid, skulle deras koncentrationer utanför och inuti cellen utjämnas. Och det här är döden för cellerna. När allt kommer omkring måste alla biokemiska processer fortgå i en miljö med elektrisk potentialskillnad. Utan aktiv, mot en koncentrationsgradient, transport av substanser skulle neuroner inte kunna överföra en nervimpuls. Och muskelceller skulle förlora förmågan att dra ihop sig. Cellen skulle inte kunna upprätthålla osmotiskt tryck och skulle kollapsa. Och metabolismens produkter skulle inte tas fram. Och hormoner skulle aldrig komma in i blodomloppet. När allt kommer omkring förbrukar även en amöba energi och skapar en potentiell skillnad på sitt membran med samma jonpumpar.
