Το Το κύτταρο είναι μια δομική μονάδα όλης της ζωής στον πλανήτη μας και ένα ανοιχτό σύστημα. Αυτό σημαίνει ότι η ζωή του απαιτεί συνεχή ανταλλαγή ύλης και ενέργειας με το περιβάλλον. Αυτή η ανταλλαγή πραγματοποιείται μέσω της μεμβράνης - του κύριου ορίου του κυττάρου, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να διατηρεί την ακεραιότητά του. Είναι μέσω της μεμβράνης που πραγματοποιείται ο κυτταρικός μεταβολισμός και πηγαίνει είτε κατά μήκος της βαθμίδας συγκέντρωσης μιας ουσίας είτε εναντίον της. Η ενεργός μεταφορά μέσω της κυτταροπλασματικής μεμβράνης είναι μια πολύπλοκη και ενεργοβόρα διαδικασία.
Μεμβράνη - φράγμα και πύλη
Η κυτταροπλασματική μεμβράνη είναι μέρος πολλών κυτταρικών οργανιδίων, πλαστιδίων και εγκλεισμάτων. Η σύγχρονη επιστήμη βασίζεται στο μοντέλο ρευστού μωσαϊκού της δομής της μεμβράνης. Η ενεργή μεταφορά ουσιών μέσω της μεμβράνης είναι δυνατή λόγω τηςσυγκεκριμένο κτίριο. Η βάση των μεμβρανών σχηματίζεται από μια διπλή στιβάδα λιπιδίων - κυρίως φωσφολιπίδια διατεταγμένα σύμφωνα με τις υδρόφιλες-υδρόφοβες ιδιότητές τους. Οι κύριες ιδιότητες της λιπιδικής διπλοστοιβάδας είναι η ρευστότητα (η ικανότητα ενσωμάτωσης και απώλειας θέσεων), η αυτοσυναρμολόγηση και η ασυμμετρία. Το δεύτερο συστατικό των μεμβρανών είναι οι πρωτεΐνες. Οι λειτουργίες τους είναι ποικίλες: ενεργή μεταφορά, λήψη, ζύμωση, αναγνώριση.
Οι πρωτεΐνες βρίσκονται τόσο στην επιφάνεια των μεμβρανών όσο και στο εσωτερικό, και μερικές από αυτές διεισδύουν αρκετές φορές σε αυτήν. Η ιδιότητα των πρωτεϊνών σε μια μεμβράνη είναι η ικανότητα να μετακινούνται από τη μια πλευρά της μεμβράνης στην άλλη (άλμα "flip-flop"). Και το τελευταίο συστατικό είναι οι αλυσίδες σακχαριτών και πολυσακχαριτών υδατανθράκων στην επιφάνεια των μεμβρανών. Οι λειτουργίες τους εξακολουθούν να είναι αμφιλεγόμενες σήμερα.
Τύποι ενεργού μεταφοράς ουσιών μέσω της μεμβράνης
Ενεργή θα είναι μια τέτοια μεταφορά ουσιών μέσω της κυτταρικής μεμβράνης, η οποία ελέγχεται, λαμβάνει χώρα με κόστος ενέργειας και έρχεται σε αντίθεση με την κλίση συγκέντρωσης (οι ουσίες μεταφέρονται από μια περιοχή χαμηλής συγκέντρωσης σε μια περιοχή υψηλή συγκέντρωση). Ανάλογα με την πηγή ενέργειας που χρησιμοποιείται, διακρίνονται οι ακόλουθοι τρόποι μεταφοράς:
- Πρωτογενής ενεργός (πηγή ενέργειας - υδρόλυση του αδενοσινοτριφωσφορικού οξέος ATP σε αδενοσινοδιφωσφορικό οξύ ADP).
- Δευτερογενές ενεργό (παρέχεται με δευτερογενή ενέργεια που δημιουργείται ως αποτέλεσμα των μηχανισμών πρωτογενούς ενεργού μεταφοράς ουσιών).
Πρωτεΐνες-βοηθοί
Τόσο στην πρώτη όσο και στη δεύτερη περίπτωση, η μεταφορά είναι αδύνατη χωρίς πρωτεΐνες-φορείς. Αυτές οι πρωτεΐνες μεταφοράς είναι πολύ συγκεκριμένες και έχουν σχεδιαστεί για να μεταφέρουν ορισμένα μόρια, και μερικές φορές ακόμη και ορισμένους τύπους μορίων. Αυτό αποδείχθηκε πειραματικά σε μεταλλαγμένα βακτηριακά γονίδια, τα οποία οδήγησαν στην αδυναμία ενεργού μεταφοράς μέσω της μεμβράνης ενός συγκεκριμένου υδατάνθρακα. Οι διαμεμβρανικές πρωτεΐνες μεταφορείς μπορεί να είναι αυτομεταφορείς (αλληλεπιδρούν με μόρια και τα μεταφέρουν απευθείας στη μεμβράνη) ή σχηματίζοντας κανάλια (σχηματίζουν πόρους σε μεμβράνες που είναι ανοιχτές σε συγκεκριμένες ουσίες).
αντλία νατρίου και καλίου
Το πιο μελετημένο παράδειγμα της πρωτογενούς ενεργού μεταφοράς ουσιών μέσω της μεμβράνης είναι η αντλία Na+ -, K+. Αυτός ο μηχανισμός εξασφαλίζει τη διαφορά στις συγκεντρώσεις των ιόντων Na+ και K+ και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, η οποία είναι απαραίτητη για τη διατήρηση της ωσμωτικής πίεσης στο κύτταρο και άλλες μεταβολικές διεργασίες. Η διαμεμβρανική πρωτεΐνη φορέας, η ΑΤΡάση νατρίου-καλίου, αποτελείται από τρία μέρη:
- Στην εξωτερική πλευρά της μεμβράνης πρωτεΐνης υπάρχουν δύο υποδοχείς για τα ιόντα καλίου.
- Υπάρχουν τρεις υποδοχείς ιόντων νατρίου στο εσωτερικό της μεμβράνης.
- Το εσωτερικό μέρος της πρωτεΐνης έχει δραστηριότητα ATP.
Όταν δύο ιόντα καλίου και τρία ιόντα νατρίου συνδέονται με υποδοχείς πρωτεΐνης και στις δύο πλευρές της μεμβράνης, η δραστηριότητα ATP ενεργοποιείται. Το μόριο ATP υδρολύεται σε ADP με την απελευθέρωση ενέργειας, η οποία δαπανάται για τη μεταφορά ιόντων καλίουμέσα και ιόντα νατρίου έξω από την κυτταροπλασματική μεμβράνη. Υπολογίζεται ότι η απόδοση μιας τέτοιας αντλίας είναι μεγαλύτερη από 90%, κάτι που από μόνο του είναι εκπληκτικό.
Για αναφορά: Η απόδοση ενός κινητήρα εσωτερικής καύσης είναι περίπου 40%, ηλεκτρική - έως και 80%. Είναι ενδιαφέρον ότι η αντλία μπορεί επίσης να λειτουργήσει προς την αντίθετη κατεύθυνση και να χρησιμεύσει ως δότης φωσφορικών αλάτων για τη σύνθεση ATP. Για ορισμένα κύτταρα (για παράδειγμα, νευρώνες), έως και το 70% της συνολικής ενέργειας δαπανάται για την αφαίρεση νατρίου από το κύτταρο και την άντληση ιόντων καλίου σε αυτό. Οι αντλίες για ασβέστιο, χλώριο, υδρογόνο και ορισμένα άλλα κατιόντα (ιόντα με θετικό φορτίο) λειτουργούν με την ίδια αρχή ενεργού μεταφοράς. Δεν έχουν βρεθεί τέτοιες αντλίες για ανιόντα (αρνητικά φορτισμένα ιόντα).
Συμμεταφορά υδατανθράκων και αμινοξέων
Ένα παράδειγμα δευτερογενούς ενεργού μεταφοράς είναι η μεταφορά γλυκόζης, αμινοξέων, ιωδίου, σιδήρου και ουρικού οξέος στα κύτταρα. Ως αποτέλεσμα της λειτουργίας της αντλίας καλίου-νατρίου, δημιουργείται μια κλίση συγκεντρώσεων νατρίου: η συγκέντρωση είναι υψηλή έξω και χαμηλή μέσα (μερικές φορές 10-20 φορές). Το νάτριο τείνει να διαχέεται στο κύτταρο και η ενέργεια αυτής της διάχυσης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μεταφορά ουσιών έξω. Αυτός ο μηχανισμός ονομάζεται συνμεταφορά ή συζευγμένη ενεργή μεταφορά. Σε αυτή την περίπτωση, η πρωτεΐνη φορέας έχει δύο κέντρα υποδοχέα στο εξωτερικό: ένα για το νάτριο και το άλλο για το στοιχείο που μεταφέρεται. Μόνο μετά την ενεργοποίηση και των δύο υποδοχέων, η πρωτεΐνη υφίσταται αλλαγές διαμόρφωσης και η ενέργεια διάχυσηςτο νάτριο εισάγει τη μεταφερόμενη ουσία στο κύτταρο έναντι της βαθμίδας συγκέντρωσης.
Η τιμή της ενεργής μεταφοράς για το κελί
Εάν η συνήθης διάχυση ουσιών μέσω της μεμβράνης συνεχιζόταν για αυθαίρετα μεγάλο χρονικό διάστημα, οι συγκεντρώσεις τους έξω και μέσα στο κύτταρο θα εξισώνονταν. Και αυτό είναι θάνατος για τα κύτταρα. Άλλωστε, όλες οι βιοχημικές διεργασίες πρέπει να προχωρήσουν σε ένα περιβάλλον διαφοράς ηλεκτρικού δυναμικού. Χωρίς την ενεργό μεταφορά ουσιών ενάντια σε μια κλίση συγκέντρωσης, οι νευρώνες δεν θα ήταν σε θέση να μεταδώσουν μια νευρική ώθηση. Και τα μυϊκά κύτταρα θα έχαναν την ικανότητα να συστέλλονται. Το κύτταρο δεν θα μπορούσε να διατηρήσει την οσμωτική πίεση και θα κατέρρεε. Και τα προϊόντα του μεταβολισμού δεν θα έβγαιναν έξω. Και οι ορμόνες δεν θα έμπαιναν ποτέ στην κυκλοφορία του αίματος. Εξάλλου, ακόμη και μια αμοιβάδα ξοδεύει ενέργεια και δημιουργεί διαφορά δυναμικού στη μεμβράνη της χρησιμοποιώντας τις ίδιες αντλίες ιόντων.
