Celula este o unitate structurală a întregii vieți de pe planeta noastră și un sistem deschis. Aceasta înseamnă că viața sa necesită un schimb constant de materie și energie cu mediul înconjurător. Acest schimb se realizează prin membrană - granița principală a celulei, care este concepută pentru a-i păstra integritatea. Prin membrană se realizează metabolismul celular și merge fie de-a lungul gradientului de concentrație al unei substanțe, fie împotriva acesteia. Transportul activ prin membrana citoplasmatică este un proces complex și consumator de energie.
Membrană - barieră și poartă
Membrana citoplasmatică face parte din multe organele celulare, plastide și incluziuni. Știința modernă se bazează pe modelul mozaic fluid al structurii membranei. Transportul activ al substanțelor prin membrană este posibil datorită acestuiaclădire specifică. Baza membranelor este formată dintr-un strat dublu lipidic - în principal fosfolipide aranjate în conformitate cu proprietățile lor hidrofil-hidrofobe. Principalele proprietăți ale stratului dublu lipidic sunt fluiditatea (abilitatea de a încorpora și de a pierde locuri), auto-asamblarea și asimetria. A doua componentă a membranelor sunt proteinele. Funcțiile lor sunt diverse: transport activ, recepție, fermentație, recunoaștere.
Proteinele sunt situate atât pe suprafața membranelor, cât și în interior, iar unele dintre ele pătrund în ea de mai multe ori. Proprietatea proteinelor dintr-o membrană este capacitatea de a se deplasa dintr-o parte a membranei pe ceal altă (s alt „flip-flop”). Iar ultima componentă este lanțurile zaharide și polizaharide ale carbohidraților de pe suprafața membranelor. Funcțiile lor sunt încă controversate astăzi.
Tipuri de transport activ de substanțe prin membrană
Activ va fi un astfel de transfer de substanțe prin membrana celulară, care este controlat, are loc cu costuri energetice și merge împotriva gradientului de concentrație (substanțele sunt transferate dintr-o zonă de concentrație scăzută într-o zonă de concentrație mare). În funcție de sursa de energie utilizată, se disting următoarele moduri de transport:
- Activ primar (sursa de energie - hidroliza acidului adenozin trifosforic ATP în acid adenozin difosforic ADP).
- Activ secundar (furnizat cu energie secundară creată ca urmare a mecanismelor de transport activ primar al substanțelor).
Proteine-asistenți
Atât în primul cât și în cel de-al doilea caz, transportul este imposibil fără proteine purtătoare. Aceste proteine de transport sunt foarte specifice și sunt concepute pentru a transporta anumite molecule și uneori chiar anumite tipuri de molecule. Acest lucru a fost dovedit experimental pe gene bacteriene mutante, ceea ce a dus la imposibilitatea transportului activ prin membrana unui anumit carbohidrat. Proteinele transportoare transmembranare pot fi auto-transportatoare (interacționează cu moleculele și le transportă direct prin membrană) sau formează canale (formează pori în membrane care sunt deschiși la anumite substanțe).
Pompă de sodiu și potasiu
Cel mai studiat exemplu de transport activ primar al substanțelor prin membrană este pompa Na+-, K+-. Acest mecanism asigură diferența în concentrațiile ionilor de Na+ și K+ pe ambele părți ale membranei, ceea ce este necesar pentru menținerea presiunii osmotice în celulă și a altor procese metabolice. Proteina purtătoare transmembranară, ATPaza de sodiu-potasiu, constă din trei părți:
- Pe partea exterioară a membranei proteice există doi receptori pentru ionii de potasiu.
- Există trei receptori de ioni de sodiu în interiorul membranei.
- Partea interioară a proteinei are activitate ATP.
Când doi ioni de potasiu și trei ioni de sodiu se leagă de receptorii proteici de pe ambele părți ale membranei, activitatea ATP este activată. Molecula de ATP este hidrolizată la ADP cu eliberarea de energie, care este cheltuită pentru transportul ionilor de potasiuîn interior, iar ionii de sodiu în afara membranei citoplasmatice. Se estimează că eficiența unei astfel de pompe este de peste 90%, ceea ce în sine este destul de uimitor.
Pentru referință: Eficiența unui motor cu ardere internă este de aproximativ 40%, electric - până la 80%. Interesant este că pompa poate funcționa și în direcția opusă și poate servi ca donor de fosfat pentru sinteza ATP. Pentru unele celule (de exemplu, neuroni), până la 70% din toată energia este cheltuită pentru îndepărtarea sodiului din celulă și pomparea ionilor de potasiu în ea. Pompele pentru calciu, clor, hidrogen și alți alți cationi (ioni cu sarcină pozitivă) funcționează pe același principiu de transport activ. Nu au fost găsite astfel de pompe pentru anioni (ioni încărcați negativ).
Cotransport de carbohidrați și aminoacizi
Un exemplu de transport activ secundar este transferul de glucoză, aminoacizi, iod, fier și acid uric în celule. Ca urmare a funcționării pompei de potasiu-sodiu, se creează un gradient de concentrații de sodiu: concentrația este mare în exterior și scăzută în interior (uneori de 10-20 de ori). Sodiul tinde să difuzeze în celulă, iar energia acestei difuzii poate fi folosită pentru a transporta substanțe în afară. Acest mecanism se numește cotransport sau transport activ cuplat. În acest caz, proteina purtătoare are doi centri receptori la exterior: unul pentru sodiu și celăl alt pentru elementul transportat. Abia după activarea ambilor receptori, proteina suferă modificări conformaționale, iar energia de difuziesodiul introduce substanța transportată în celulă împotriva gradientului de concentrație.
Valoarea transportului activ pentru celulă
Dacă difuzia obișnuită a substanțelor prin membrană s-ar desfășura pentru o perioadă de timp arbitrar de lungă, concentrațiile lor în exterior și în interiorul celulei s-ar egaliza. Și aceasta este moartea celulelor. La urma urmei, toate procesele biochimice trebuie să se desfășoare într-un mediu cu diferență de potențial electric. Fără transportul activ, împotriva unui gradient de concentrație, de substanțe, neuronii nu ar putea transmite un impuls nervos. Și celulele musculare și-ar pierde capacitatea de a se contracta. Celula nu ar putea menține presiunea osmotică și s-ar prăbuși. Și produsele metabolismului nu ar fi scoase la iveală. Și hormonii nu ar intra niciodată în sânge. La urma urmei, chiar și o amibă cheltuiește energie și creează o diferență de potențial pe membrana sa folosind aceleași pompe de ioni.
