A sejt bolygónk összes életének szerkezeti egysége és egy nyitott rendszer. Ez azt jelenti, hogy életéhez állandó anyag- és energiacserére van szükség a környezettel. Ezt a cserét a membránon keresztül hajtják végre - a sejt fő határán, amelyet úgy terveztek, hogy megőrizze integritását. A sejtanyagcsere a membránon keresztül megy végbe, és vagy az anyag koncentráció-gradiense mentén, vagy ellene megy végbe. Az aktív transzport a citoplazma membránon összetett és energiaigényes folyamat.
Membrán – sorompó és átjáró
A citoplazma membrán számos sejtorganellum, plasztid és zárvány része. A modern tudomány a membránszerkezet folyadékmozaik modelljén alapszik. Az anyagok aktív szállítása a membránon keresztül lehetséges annak köszönhetőenkonkrét épület. A membránok alapját egy lipid kettős réteg képezi - főleg foszfolipidek, amelyek hidrofil-hidrofób tulajdonságaiknak megfelelően vannak elrendezve. A lipid kettős réteg fő tulajdonságai a folyékonyság (a helyek beágyazásának és elvesztésének képessége), az önszerveződés és az aszimmetria. A membránok második összetevője a fehérjék. Funkcióik sokrétűek: aktív szállítás, fogadás, erjesztés, felismerés.
A fehérjék a membránok felszínén és belsejében egyaránt megtalálhatók, és néhányuk többször áthatol rajta. A membránban lévő fehérjék tulajdonsága, hogy képesek a membrán egyik oldaláról a másikra mozogni („flip-flop” ugrás). Az utolsó komponens pedig a szénhidrátok szacharid- és poliszacharidláncai a membránok felületén. Funkcióik ma is vitatottak.
Az anyagok aktív transzportjának típusai a membránon keresztül
Aktív lesz egy olyan anyagátvitel a sejtmembránon keresztül, amely szabályozott, energiaköltséggel történik és ellentétes a koncentráció gradienssel (az anyagok átkerülnek egy alacsony koncentrációjú területről egy magas koncentráció). A felhasznált energiaforrástól függően a következő közlekedési módokat különböztetjük meg:
- Elsődleges aktív (energiaforrás – adenozin-trifoszforsav ATP hidrolízise adenozin-difoszforsav ADP-vé).
- Másodlagos aktív (az anyagok elsődleges aktív transzportjának mechanizmusai eredményeként létrejövő másodlagos energiával ellátva).
fehérjék-asszisztensek
Mind az első, mind a második esetben a szállítás lehetetlen hordozófehérjék nélkül. Ezek a transzportfehérjék nagyon specifikusak, és bizonyos molekulákat, sőt néha bizonyos típusú molekulákat is hordoznak. Ezt kísérletileg igazolták mutált bakteriális géneken, ami egy bizonyos szénhidrát membránon való aktív transzportjának ellehetetlenüléséhez vezetett. A transzmembrán transzporter fehérjék lehetnek öntranszporterek (kölcsönhatásba lépnek a molekulákkal, és közvetlenül a membránon keresztül szállítják) vagy csatornaképzők (pórusokat képezhetnek a membránokban, amelyek nyitottak bizonyos anyagok számára).
Nátrium- és káliumpumpa
A legtöbbet tanulmányozott példa az anyagok elsődleges aktív transzportjára a membránon keresztül a Na+ -, K+ -pumpa. Ez a mechanizmus biztosítja a Na+ és K+ ionok koncentrációjának különbségét a membrán mindkét oldalán, ami szükséges a sejt ozmotikus nyomásának fenntartásához és más anyagcsere-folyamatokhoz. A transzmembrán hordozó fehérje, a nátrium-kálium-ATPáz, három részből áll:
- A fehérjemembrán külső oldalán két receptor található a káliumionokhoz.
- A membrán belsejében három nátriumion receptor található.
- A fehérje belső része ATP aktivitással rendelkezik.
Amikor két káliumion és három nátriumion kötődik a fehérjereceptorokhoz a membrán mindkét oldalán, az ATP-aktivitás bekapcsol. Az ATP molekula ADP-vé hidrolizálódik energia felszabadulásával, amelyet a káliumionok szállítására fordítanak.belül, a nátriumionok pedig a citoplazma membránján kívül. Becslések szerint egy ilyen szivattyú hatásfoka több mint 90%, ami önmagában is egészen elképesztő.
Referenciaként: A belső égésű motorok hatásfoka körülbelül 40%, elektromos - akár 80%. Érdekes módon a pumpa az ellenkező irányba is működhet, és foszfát donorként szolgálhat az ATP szintézishez. Egyes sejtek (például neuronok) esetében az összes energia akár 70%-át a nátrium eltávolítására fordítják a sejtből, és káliumionokat pumpálnak abba. A kalcium-, klór-, hidrogén- és néhány más kation (pozitív töltésű ion) szivattyúi ugyanazon az aktív szállítási elven működnek. Anionokhoz (negatív töltésű ionokhoz) nem találtak ilyen szivattyúkat.
A szénhidrátok és az aminosavak együttszállítása
A másodlagos aktív transzportra példa a glükóz, aminosavak, jód, vas és húgysav sejtekbe történő átvitele. A kálium-nátrium pumpa működése következtében a nátriumkoncentráció gradiense jön létre: kívül magas, belül alacsony (esetenként 10-20-szoros). A nátrium hajlamos bediffundálni a sejtbe, és ennek a diffúziónak az energiája felhasználható az anyagok kiszállítására. Ezt a mechanizmust kotranszportnak vagy csatolt aktív transzportnak nevezik. Ebben az esetben a hordozófehérjének kívül két receptorközpontja van: az egyik a nátriumé, a másik a szállított elemé. Csak mindkét receptor aktiválódása után megy keresztül a fehérje konformációs változásokon és a diffúziós energiánnátrium juttatja be a szállított anyagot a sejtbe a koncentrációgradiens ellenében.
A cella aktív átvitelének értéke
Ha az anyagok szokásos diffúziója a membránon keresztül tetszőlegesen hosszú ideig tartana, a sejten kívüli és sejten belüli koncentrációjuk kiegyenlítődne. És ez a sejtek halála. Végül is minden biokémiai folyamatnak elektromos potenciálkülönbség környezetben kell lezajlania. Aktív, koncentrációgradiens, anyagszállítás nélkül a neuronok nem tudnának idegimpulzust továbbítani. Az izomsejtek pedig elveszítenék az összehúzódási képességüket. A sejt nem lenne képes fenntartani az ozmotikus nyomást, és összeomlana. Az anyagcsere termékei pedig nem kerülnének elő. És a hormonok soha nem kerülnének be a véráramba. Hiszen még egy amőba is energiát költ, és potenciálkülönbséget hoz létre a membránján ugyanazokkal az ionszivattyúkkal.
