Клетката е структурна единица на целия живот на нашата планета и отворена система. Това означава, че животът му изисква постоянен обмен на материя и енергия с околната среда. Този обмен се осъществява през мембраната - основната граница на клетката, която е предназначена да запази нейната цялост. Именно през мембраната се осъществява клетъчният метаболизъм и той върви или по градиента на концентрация на веществото, или срещу него. Активният транспорт през цитоплазмената мембрана е сложен и енергоемък процес.
Мембрана - бариера и шлюз
Цитоплазмената мембрана е част от много клетъчни органели, пластиди и включвания. Съвременната наука се основава на флуидния мозаечен модел на структурата на мембраната. Активният транспорт на вещества през мембраната е възможен благодарение на неговатаконкретна сграда. Основата на мембраните е образувана от липиден бислой - предимно фосфолипиди, подредени в съответствие с техните хидрофилно-хидрофобни свойства. Основните свойства на липидния бислой са течливост (способност за вграждане и загуба на места), самосглобяване и асиметрия. Вторият компонент на мембраните са протеините. Техните функции са разнообразни: активен транспорт, приемане, ферментация, разпознаване.
Протеините са разположени както на повърхността на мембраните, така и отвътре, като някои от тях проникват в нея няколко пъти. Свойството на протеините в мембраната е способността да се движат от едната страна на мембраната до другата (скок на джапанка). И последният компонент са захаридните и полизахаридните вериги от въглехидрати на повърхността на мембраните. Техните функции са спорни и днес.
Видове активен транспорт на вещества през мембраната
Активно ще бъде такъв трансфер на вещества през клетъчната мембрана, който се контролира, протича с енергийни разходи и върви срещу градиента на концентрация (веществата се прехвърлят от зона с ниска концентрация в зона от висока концентрация). В зависимост от това какъв източник на енергия се използва, се разграничават следните видове транспорт:
- Първичен активен (енергиен източник - хидролиза на аденозин трифосфорна киселина ATP до аденозин дифосфорна киселина ADP).
- Вторично активно (осигурено с вторична енергия, създадена в резултат на механизмите на първичен активен транспорт на вещества).
Протеини-асистенти
И в първия, и във втория случай транспортът е невъзможен без протеини носители. Тези транспортни протеини са много специфични и са предназначени да пренасят определени молекули, а понякога дори определени видове молекули. Това беше доказано експериментално върху мутирали бактериални гени, което доведе до невъзможност за активен транспорт през мембраната на определен въглехидрат. Трансмембранните транспортиращи протеини могат да бъдат самопренасящи (те взаимодействат с молекули и директно ги пренасят през мембраната) или образуващи канали (образуват пори в мембрани, които са отворени за специфични вещества).
Натриева и калиева помпа
Най-изследваният пример за първичен активен транспорт на вещества през мембраната е Na+ -, K+ -помпата. Този механизъм осигурява разликата в концентрациите на Na+ и K+ йони от двете страни на мембраната, което е необходимо за поддържане на осмотичното налягане в клетката и други метаболитни процеси. Трансмембранният протеин-носител, натриево-калиева АТФаза, се състои от три части:
- От външната страна на протеиновата мембрана има два рецептора за калиеви йони.
- Има три рецептора за натриеви йони от вътрешната страна на мембраната.
- Вътрешната част на протеина има ATP активност.
Когато два калиеви йона и три натриеви йона се свържат с протеинови рецептори от двете страни на мембраната, активността на АТФ се включва. Молекулата на АТФ се хидролизира до ADP с освобождаване на енергия, която се изразходва за транспортиране на калиеви йонивътре и натриеви йони извън цитоплазмената мембрана. Смята се, че ефективността на такава помпа е повече от 90%, което само по себе си е доста невероятно.
За справка: КПД на двигател с вътрешно горене е около 40%, електрически - до 80%. Интересното е, че помпата може да работи и в обратна посока и да служи като донор на фосфат за синтеза на АТФ. За някои клетки (например неврони) до 70% от цялата енергия се изразходва за отстраняване на натрия от клетката и изпомпване на калиеви йони в нея. Помпи за калций, хлор, водород и някои други катиони (йони с положителен заряд) работят на същия принцип на активен транспорт. Не са открити такива помпи за аниони (отрицателно заредени йони).
Котранспорт на въглехидрати и аминокиселини
Пример за вторичен активен транспорт е преносът на глюкоза, аминокиселини, йод, желязо и пикочна киселина в клетките. В резултат на работата на калиево-натриевата помпа се създава градиент на концентрациите на натрий: концентрацията е висока отвън и ниска вътре (понякога 10-20 пъти). Натрият има тенденция да дифузира в клетката и енергията на тази дифузия може да се използва за транспортиране на вещества навън. Този механизъм се нарича котранспорт или свързан активен транспорт. В този случай протеинът носител има два рецепторни центъра отвън: единият за натрий, а другият за транспортирания елемент. Едва след активиране на двата рецептора, протеинът претърпява конформационни промени и дифузионната енергиянатрият въвежда транспортираното вещество в клетката срещу градиента на концентрация.
Стойността на активния транспорт за клетката
Ако обичайната дифузия на вещества през мембраната продължи произволно дълго време, техните концентрации извън и вътре в клетката ще се изравнят. И това е смърт за клетките. В крайна сметка всички биохимични процеси трябва да протичат в среда с електрическа потенциална разлика. Без активен, срещу градиент на концентрация, транспорт на вещества, невроните не биха могли да предават нервен импулс. И мускулните клетки ще загубят способността си да се свиват. Клетката няма да може да поддържа осмотично налягане и ще се срути. И продуктите на метаболизма нямаше да бъдат изведени. И хормоните никога няма да влязат в кръвта. В края на краищата, дори амеба изразходва енергия и създава потенциална разлика на своята мембрана, използвайки същите йонни помпи.
