Ląstelė yra visų gyvų būtybių struktūrinis vienetasmūsų planeta ir atvira sistema. Tai reiškia, kad jo gyvenimui būtinas nuolatinis medžiagų ir energijos mainai su aplinka. Šie mainai atliekami per membraną - pagrindinę ląstelės sieną, skirtą išsaugoti jos vientisumą. Ląstelių mainai vyksta per membraną ir vyksta bet kurios medžiagos koncentracijos gradientu arba prieš. Aktyvus pernešimas per citoplazminę membraną yra sudėtingas ir daug energijos reikalaujantis procesas.
Membrana - užtvara ir šliuzai
Citoplazminė membrana yradaug ląstelių organelių, plastidų ir inkliuzų. Šiuolaikinis mokslas remiasi skysčio-mozaikos membranos struktūros modeliu. Aktyvus medžiagų transportavimas per membraną galimas dėl specifinės jos struktūros. Membranų pagrindą sudaro lipidų dvisluoksnis sluoksnis - tai daugiausia fosfolipidai, išdėstyti pagal jų hidrofilines-hidrofobines savybes. Pagrindinės dvigubo lipidinio sluoksnio savybės yra takumas (gebėjimas įterpti ir prarasti sritis), savaiminis susidarymas ir asimetrija. Antrasis membranų komponentas yra baltymai. Jų funkcijos yra įvairios: aktyvus transportavimas, priėmimas, fermentavimas, atpažinimas.
Baltymai yra ant membranų paviršiaus,ir viduje, o kai kurie jį persmelkia kelis kartus. Baltymų savybė membranoje yra galimybė judėti iš vienos membranos pusės į kitą („šnipštas“). Paskutinis komponentas yra sacharidų ir polisacharidų angliavandenių grandinės ant membranos paviršiaus. Jų funkcijos vis dar prieštaringai vertinamos ir šiandien.
Medžiagų aktyvaus transportavimo per membraną tipai
Toks medžiagų perdavimas perkontroliuojama ląstelės membrana atsiranda su energijos sąnaudomis ir prieštarauja koncentracijos gradientui (medžiagos perkeliamos iš mažos koncentracijos zonos į didelės koncentracijos zoną). Atsižvelgiant į naudojamą energijos šaltinį, išskiriamos šios transporto rūšys:
- Pirmiausia aktyvus (energijos šaltinis - adenozino trifosforo rūgšties ATP hidrolizė į adenozino difosforo ADP).
- Antrinis aktyvus (kurį teikia antrinė energija, sukurta kaip pirminio aktyvaus medžiagų perdavimo mechanizmų darbas).
Pagalbiniai baltymai
Pirmuoju ir antruoju atveju - transportasneįmanoma be baltymų nešiklių. Šie transportiniai baltymai yra labai specifiniai ir yra skirti tam tikroms molekulėms, o kartais net tam tikros rūšies molekulėms pernešti. Tai buvo eksperimentiškai įrodyta su mutavusiais bakterijų genais, dėl kurių neįmanoma aktyviai pernešti tam tikro angliavandenio per membraną. Transmembraniniai baltymai gali būti nešikliai (jie sąveikauja su molekulėmis ir tiesiogiai perneša per membraną) arba formuoja kanalus (formuoja poras membranose, kurios yra atviros specifinėms medžiagoms).
Siurblys natriui ir kaliui
Labiausiai ištirtas pirminio aktyvaus pavyzdysmedžiagų pernešimas per membraną yra Na + -, K + -pumpas. Šis mechanizmas suteikia Na + ir K + jonų koncentracijos skirtumą abiejose membranos pusėse, kuris yra būtinas norint palaikyti osmosinį slėgį ląstelėje ir kituose medžiagų apykaitos procesuose. Transmembraninį baltymą nešiklį, natrio-kalio ATP-asą, sudaro trys dalys:
- Išorinėje membranos dalyje baltymai turi du kalio jonų receptorius.
- Vidinėje membranos pusėje yra trys natrio jonų receptoriai.
- Vidinei baltymo daliai būdingas ATP aktyvumas.
Kai du kalio jonai ir trys natrio jonaijungiasi prie baltymų receptorių abiejose membranos pusėse, aktyvina ATP veiklą. ATP molekulė hidrolizuojama iki ADP išskiriant energiją, kuri išleidžiama kalio jonų transportavimui viduje ir natrio jonams už citoplazminės membranos. Manoma, kad tokio siurblio našumas viršija 90%, o tai savaime stebina.
Nuoroda: Vidaus degimo variklio naudingumo koeficientas yra apie 40%, elektrinio - iki 80%. Įdomu tai, kad siurblys gali veikti priešinga kryptimi ir tarnauti kaip fosfato donoras ATP sintezei. Kai kurioms ląstelėms (pavyzdžiui, neuronams) iki 70% visos energijos išleidžiama natrio pašalinimui iš ląstelės ir kalio jonų pumpavimui viduje. Siurbliai kalcio, chloro, vandenilio ir kai kuriems kitiems katijonams (teigiamo krūvio jonams) veikia tuo pačiu aktyvaus transporto principu. Nerasta tokių anijonų (neigiamai įkrautų jonų) siurblių.
Angliavandenių ir amino rūgščių transportavimas kartu
Antrinio aktyvaus transporto pavyzdys gali būtitarnauja gliukozės, aminorūgščių, jodo, geležies ir šlapimo rūgšties perkėlimui į ląsteles. Dėl kalio-natrio siurblio veikimo susidaro natrio koncentracijos gradientas: išorėje koncentracija yra didelė, o viduje - maža (kartais 10–20 kartų). Natris linkęs difunduoti į ląstelę, o šios difuzijos energija gali būti naudojama medžiagoms pernešti į išorę. Šis mechanizmas vadinamas kotransportu arba konjuguotu aktyviuoju transportu. Šiuo atveju baltymas nešėjas išorėje turi du receptorių centrus: vienas natrio, kitas transportuojamo elemento. Tik suaktyvėjus abiem receptoriams, baltymai patiria konformacinius pokyčius, o natrio difuzijos energija perneša medžiagą į ląstelę prieš koncentracijos gradientą.
Ląstelės aktyviojo transporto vertė
Jei įprasta medžiagų difuzija per membranątęsėsi neribotą laiką, jų koncentracija ląstelės išorėje ir viduje bus išlyginta. Tai yra ląstelių mirtis. Juk visi biocheminiai procesai turi vykti elektrinio potencialo skirtumo aplinkoje. Be aktyvaus, prieš koncentracijos gradientą, medžiagų pernašos, neuronai negalėtų perduoti nervinio impulso. O raumenų ląstelės prarastų galimybę susitraukti. Ląstelė negalėtų išlaikyti osmosinio slėgio ir suplotų. Metabolizmo produktai neišskirtų. Ir hormonai niekada nepatektų į kraują. Galų gale net ameba praleidžia energiją ir sukuria potencialų skirtumą savo membranoje, naudodama visus tuos pačius jonų siurblius.
