Cell er en strukturel enhed af alt liv på vores planet og et åbent system. Det betyder, at dets liv kræver en konstant udveksling af stof og energi med miljøet. Denne udveksling udføres gennem membranen - cellens hovedgrænse, som er designet til at bevare dens integritet. Det er gennem membranen, at cellulær metabolisme udføres, og det går enten langs koncentrationsgradienten af et stof eller imod det. Aktiv transport over den cytoplasmatiske membran er en kompleks og energikrævende proces.
Membran - barriere og gateway
Den cytoplasmatiske membran er en del af mange celleorganeller, plastider og indeslutninger. Moderne videnskab er baseret på den flydende mosaikmodel af membranstruktur. Aktiv transport af stoffer over membranen er mulig på grund af densspecifik bygning. Grundlaget for membraner er dannet af et lipid-dobbeltlag - hovedsageligt phospholipider arrangeret i overensstemmelse med deres hydrofile-hydrofobe egenskaber. De vigtigste egenskaber ved lipid-dobbeltlaget er fluiditet (evnen til at indlejre og miste steder), selvsamling og asymmetri. Den anden komponent i membraner er proteiner. Deres funktioner er forskellige: aktiv transport, modtagelse, gæring, genkendelse.
Proteiner er placeret både på overfladen af membranerne og indeni, og nogle af dem trænger ind i den flere gange. Egenskaben ved proteiner i en membran er evnen til at bevæge sig fra den ene side af membranen til den anden ("flip-flop"-hop). Og den sidste komponent er saccharid- og polysaccharidkæderne af kulhydrater på overfladen af membranerne. Deres funktioner er stadig kontroversielle i dag.
Typer af aktiv transport af stoffer over membranen
Aktiv vil være en sådan overførsel af stoffer gennem cellemembranen, som er kontrolleret, sker med energiomkostninger og går imod koncentrationsgradienten (stoffer overføres fra et område med lav koncentration til et område med høj koncentration). Afhængigt af hvilken energikilde der bruges, skelnes der mellem følgende transportformer:
- Primær aktiv (energikilde - hydrolyse af adenosin triphosphorsyre ATP til adenosin diphosphorsyre ADP).
- Sekundær aktiv (forsynet med sekundær energi skabt som et resultat af mekanismerne for primær aktiv transport af stoffer).
Proteiner-assistenter
I både det første og det andet tilfælde er transport umulig uden bærerproteiner. Disse transportproteiner er meget specifikke og er designet til at bære visse molekyler, og nogle gange endda visse typer molekyler. Dette blev bevist eksperimentelt på muterede bakteriegener, hvilket førte til umuligheden af aktiv transport over membranen af et bestemt kulhydrat. Transmembrane transporterproteiner kan være selvtransportører (de interagerer med molekyler og fører dem direkte over membranen) eller kanaldannende (danner porer i membraner, der er åbne for specifikke stoffer).
Natrium- og kaliumpumpe
Det mest undersøgte eksempel på den primære aktive transport af stoffer over membranen er Na+ -, K+ -pumpen. Denne mekanisme sikrer forskellen i koncentrationerne af Na+ og K+ ioner på begge sider af membranen, hvilket er nødvendigt for at opretholde det osmotiske tryk i cellen og andre metaboliske processer. Det transmembrane bærerprotein, natrium-kalium ATPase, består af tre dele:
- På ydersiden af proteinmembranen er der to receptorer for kaliumioner.
- Der er tre natriumion-receptorer på indersiden af membranen.
- Den indre del af proteinet har ATP-aktivitet.
Når to kaliumioner og tre natriumioner binder til proteinreceptorer på hver side af membranen, aktiveres ATP-aktivitet. ATP-molekylet hydrolyseres til ADP med frigivelse af energi, som bruges på transport af kaliumionerindeni, og natriumioner uden for den cytoplasmatiske membran. Det anslås, at effektiviteten af sådan en pumpe er mere end 90 %, hvilket i sig selv er ret fantastisk.
Til reference: Effektiviteten af en forbrændingsmotor er omkring 40 %, elektrisk – op til 80 %. Interessant nok kan pumpen også arbejde i den modsatte retning og tjene som fosfatdonor til ATP-syntese. For nogle celler (for eksempel neuroner) bruges op til 70 % af al energi på at fjerne natrium fra cellen og pumpe kaliumioner ind i den. Pumper til calcium, klor, brint og nogle andre kationer (ioner med en positiv ladning) arbejder efter samme princip om aktiv transport. Der er ikke fundet sådanne pumper for anioner (negativt ladede ioner).
Cotransport af kulhydrater og aminosyrer
Et eksempel på sekundær aktiv transport er overførsel af glucose, aminosyrer, jod, jern og urinsyre til celler. Som et resultat af driften af kalium-natrium-pumpen skabes en gradient af natriumkoncentrationer: koncentrationen er høj udenfor og lav inde (nogle gange 10-20 gange). Natrium har en tendens til at diffundere ind i cellen, og energien fra denne diffusion kan bruges til at transportere stoffer ud. Denne mekanisme kaldes cotransport eller koblet aktiv transport. I dette tilfælde har bærerproteinet to receptorcentre på ydersiden: et for natrium og det andet for det element, der transporteres. Først efter aktiveringen af begge receptorer undergår proteinet konformationsændringer og diffusionsenergiennatrium indfører det transporterede stof i cellen mod koncentrationsgradienten.
Værdien af aktiv transport for cellen
Hvis den sædvanlige diffusion af stoffer gennem membranen fortsatte i vilkårligt lang tid, ville deres koncentrationer uden for og inde i cellen udlignes. Og dette er døden for cellerne. Når alt kommer til alt, skal alle biokemiske processer forløbe i et miljø med elektrisk potentialforskel. Uden aktiv, mod en koncentrationsgradient, transport af stoffer, ville neuroner ikke være i stand til at overføre en nerveimpuls. Og muskelceller ville miste evnen til at trække sig sammen. Cellen ville ikke være i stand til at opretholde osmotisk tryk og ville kollapse. Og stofskiftets produkter ville ikke blive bragt frem. Og hormoner ville aldrig komme ind i blodbanen. Når alt kommer til alt, bruger selv en amøbe energi og skaber en potentiel forskel på dens membran ved hjælp af de samme ionpumper.
