سلول یک واحد ساختاری از تمام حیات در سیاره ما و یک سیستم باز است. این بدان معنی است که زندگی آن مستلزم تبادل مداوم ماده و انرژی با محیط است. این تبادل از طریق غشاء انجام می شود - مرز اصلی سلول، که برای حفظ یکپارچگی آن طراحی شده است. از طریق غشاء است که متابولیسم سلولی انجام می شود و یا در امتداد گرادیان غلظت یک ماده یا بر خلاف آن حرکت می کند. انتقال فعال از طریق غشای سیتوپلاسمی یک فرآیند پیچیده و انرژی بر است.
ممبران - مانع و دروازه
غشای سیتوپلاسمی بخشی از بسیاری از اندامک‌ها، پلاستیدها و اجزای سلولی است. علم مدرن بر اساس مدل موزاییک سیال ساختار غشایی است. انتقال فعال مواد در سراسر غشاء به دلیل آن امکان پذیر استساختمان خاص اساس غشاها توسط یک دولایه لیپیدی تشکیل شده است - عمدتاً فسفولیپیدهایی که مطابق با خواص آبدوست-آب گریز آنها مرتب شده اند. خواص اصلی دولایه لیپیدی سیالیت (قابلیت جاسازی و از دست دادن مکان ها)، خودآرایی و عدم تقارن است. دومین جزء غشاها پروتئین ها هستند. عملکرد آنها متنوع است: حمل و نقل فعال، دریافت، تخمیر، تشخیص.
پروتئین ها هم در سطح غشاها و هم در داخل آن قرار دارند و برخی از آنها چندین بار در آن نفوذ می کنند. خاصیت پروتئین ها در یک غشاء توانایی حرکت از یک طرف غشا به سمت دیگر است (پرش "فلیپ فلاپ"). و آخرین جزء، زنجیره های ساکاریدی و پلی ساکاریدی کربوهیدرات ها در سطح غشاها است. کارکردهای آنها امروزه هنوز بحث برانگیز است.
انواع انتقال فعال مواد در سراسر غشاء
فعال خواهد بود چنین انتقال مواد از طریق غشای سلولی، که کنترل می شود، با هزینه های انرژی رخ می دهد و خلاف گرادیان غلظت است (مواد از ناحیه ای با غلظت کم به منطقه ای منتقل می شوند. غلظت بالا). بسته به اینکه از چه منبع انرژی استفاده می شود، روش های حمل و نقل زیر متمایز می شوند:
- فعال اولیه (منبع انرژی - هیدرولیز اسید آدنوزین تری فسفریک ATP به آدنوزین دی فسفریک اسید ADP).
- فعال ثانویه (تأمین شده با انرژی ثانویه ایجاد شده در نتیجه مکانیسم های انتقال فعال اولیه مواد).
پروتئین-دستیاران
در هر دو مورد اول و دوم، انتقال بدون پروتئین های حامل غیرممکن است. این پروتئین های حمل و نقل بسیار خاص هستند و برای حمل مولکول های خاص و گاهی اوقات حتی انواع خاصی از مولکول ها طراحی شده اند. این به طور تجربی بر روی ژن های باکتریایی جهش یافته ثابت شد که منجر به عدم امکان انتقال فعال در غشای یک کربوهیدرات خاص شد. پروتئین‌های ناقل گذرنده می‌توانند خود انتقال‌دهنده باشند (آنها با مولکول‌ها در تعامل هستند و مستقیماً آنها را در سراسر غشاء حمل می‌کنند) یا کانال‌ساز (تشکیل منافذ در غشاهایی که در برابر مواد خاص باز هستند).
پمپ سدیم و پتاسیم
مطالعه‌شده‌ترین مثال از انتقال فعال اولیه مواد در سراسر غشاء، پمپ Na+ -، K+ است. این مکانیسم تفاوت غلظت یون های Na+ و K+ را در دو طرف غشاء تضمین می کند که برای حفظ فشار اسمزی در سلول و سایر فرآیندهای متابولیک ضروری است. پروتئین حامل گذرنده، سدیم پتاسیم ATPase، از سه بخش تشکیل شده است:
- در سمت بیرونی غشای پروتئینی دو گیرنده برای یون‌های پتاسیم وجود دارد.
- سه گیرنده یون سدیم در داخل غشاء وجود دارد.
- بخش داخلی پروتئین دارای فعالیت ATP است.
وقتی دو یون پتاسیم و سه یون سدیم به گیرنده های پروتئینی در دو طرف غشاء متصل می شوند، فعالیت ATP فعال می شود. مولکول ATP با آزاد شدن انرژی به ADP هیدرولیز می شود که صرف انتقال یون های پتاسیم می شود.در داخل، و یون های سدیم در خارج از غشای سیتوپلاسمی. تخمین زده می شود که راندمان چنین پمپی بیش از 90 درصد است که به خودی خود بسیار شگفت انگیز است.
برای مرجع: راندمان موتور احتراق داخلی حدود 40٪ است، الکتریکی - تا 80٪. جالب اینجاست که پمپ می تواند در جهت مخالف نیز کار کند و به عنوان یک اهدا کننده فسفات برای سنتز ATP عمل کند. برای برخی از سلول ها (به عنوان مثال، نورون ها)، تا 70٪ از کل انرژی صرف حذف سدیم از سلول و پمپاژ یون های پتاسیم به داخل آن می شود. پمپ های کلسیم، کلر، هیدروژن و برخی کاتیون های دیگر (یون های با بار مثبت) بر اساس همان اصل انتقال فعال کار می کنند. چنین پمپ هایی برای آنیون ها (یون های دارای بار منفی) یافت نشد.
انتقال همزمان کربوهیدرات ها و اسیدهای آمینه
یک مثال از انتقال فعال ثانویه، انتقال گلوکز، اسیدهای آمینه، ید، آهن و اسید اوریک به سلول ها است. در نتیجه عملکرد پمپ پتاسیم سدیم، یک گرادیان غلظت سدیم ایجاد می شود: غلظت در خارج زیاد و در داخل کم است (گاهی اوقات 10-20 برابر). سدیم تمایل به انتشار در سلول دارد و انرژی این انتشار می تواند برای انتقال مواد به بیرون استفاده شود. این مکانیسم، حمل و نقل همزمان یا حمل و نقل فعال کوپل شده نامیده می شود. در این حالت، پروتئین حامل دارای دو مرکز گیرنده در خارج است: یکی برای سدیم و دیگری برای عنصر در حال انتقال. فقط پس از فعال شدن هر دو گیرنده، پروتئین دستخوش تغییرات ساختاری و انرژی انتشار می شود.سدیم ماده انتقال یافته را بر خلاف گرادیان غلظت وارد سلول می کند.
مقدار انتقال فعال برای سلول
اگر انتشار معمول مواد از طریق غشاء برای مدت طولانی خودسرانه ادامه یابد، غلظت آنها در خارج و داخل سلول برابر می شود. و این مرگ برای سلول هاست. از این گذشته، تمام فرآیندهای بیوشیمیایی باید در محیطی با اختلاف پتانسیل الکتریکی انجام شوند. بدون انتقال مواد فعال، در برابر گرادیان غلظت، نورون ها قادر به انتقال یک تکانه عصبی نخواهند بود. و سلول های ماهیچه ای توانایی انقباض را از دست می دهند. سلول نمی تواند فشار اسمزی را حفظ کند و فرو می ریزد. و محصولات متابولیسم خارج نمی شوند. و هورمون ها هرگز وارد جریان خون نمی شوند. از این گذشته، حتی یک آمیب نیز با استفاده از همان پمپ های یونی، انرژی صرف می کند و اختلاف پتانسیل روی غشای خود ایجاد می کند.
