Ćelija je strukturna jedinica cijelog života na našem planetu i otvoreni sustav. To znači da njegov život zahtijeva stalnu razmjenu tvari i energije s okolinom. Ova se razmjena provodi kroz membranu - glavnu granicu stanice, koja je dizajnirana da očuva njezin integritet. Kroz membranu se odvija stanični metabolizam i ide ili duž gradijenta koncentracije tvari, ili protiv nje. Aktivni transport kroz citoplazmatsku membranu je složen i energetski intenzivan proces.
Membrana - barijera i prolaz
Citoplazmatska membrana dio je mnogih staničnih organela, plastida i inkluzija. Suvremena znanost temelji se na fluidnom mozaičkom modelu strukture membrane. Aktivan transport tvari kroz membranu moguć je zbog svojespecifična zgrada. Osnovu membrane čini lipidni dvosloj - uglavnom fosfolipidi raspoređeni u skladu sa svojim hidrofilno-hidrofobnim svojstvima. Glavna svojstva lipidnog dvosloja su fluidnost (sposobnost ugradnje i gubljenja mjesta), samosastavljanje i asimetrija. Druga komponenta membrana su proteini. Njihove su funkcije raznolike: aktivni transport, prijem, fermentacija, prepoznavanje.
Proteini se nalaze i na površini membrane i iznutra, a neki od njih prodiru u nju nekoliko puta. Svojstvo proteina u membrani je sposobnost pomicanja s jedne strane membrane na drugu ("flip-flop" skok). I posljednja komponenta su saharidni i polisaharidni lanci ugljikohidrata na površini membrana. Njihove funkcije su i danas kontroverzne.
Vrste aktivnog transporta tvari kroz membranu
Aktivan će biti takav prijenos tvari kroz staničnu membranu, koji se kontrolira, događa se s troškovima energije i ide protiv gradijenta koncentracije (tvari se prenose iz područja niske koncentracije u područje od visoka koncentracija). Ovisno o tome koji se izvor energije koristi, razlikuju se sljedeći načini transporta:
- Primarni aktivni (izvor energije - hidroliza adenozin trifosforne kiseline ATP u adenozin difosfornu kiselinu ADP).
- Sekundarno aktivno (osigurano sekundarnom energijom stvorenom kao rezultat mehanizama primarnog aktivnog transporta tvari).
Proteini-pomoćnici
U prvom i drugom slučaju transport je nemoguć bez proteina nosača. Ovi transportni proteini su vrlo specifični i dizajnirani su da nose određene molekule, a ponekad čak i određene vrste molekula. To je eksperimentalno dokazano na mutiranim bakterijskim genima, što je dovelo do nemogućnosti aktivnog transporta kroz membranu određenog ugljikohidrata. Transmembranski transportni proteini mogu biti samotransporteri (u interakciji s molekulama i izravno ih prenose kroz membranu) ili tvoreći kanale (tvore pore u membranama koje su otvorene za specifične tvari).
Natrijeva i kalijeva pumpa
Najviše proučavan primjer primarnog aktivnog transporta tvari kroz membranu je Na+ -, K+ -pumpa. Ovaj mehanizam osigurava razliku u koncentracijama Na+ i K+ iona s obje strane membrane, što je neophodno za održavanje osmotskog tlaka u stanici i drugih metaboličkih procesa. Transmembranski protein nosač, natrij-kalijeva ATPaza, sastoji se od tri dijela:
- Na vanjskoj strani proteinske membrane nalaze se dva receptora za kalijeve ione.
- Postoje tri receptora natrijeva iona na unutarnjoj strani membrane.
- Unutarnji dio proteina ima ATP aktivnost.
Kada se dva iona kalija i tri iona natrija vežu na proteinske receptore s obje strane membrane, uključuje se aktivnost ATP-a. Molekula ATP hidrolizira se u ADP uz oslobađanje energije koja se troši na transport kalijevih ionaunutra, a natrijevi ioni izvan citoplazmatske membrane. Procjenjuje se da je učinkovitost takve pumpe više od 90%, što je samo po sebi prilično nevjerojatno.
Za referencu: Učinkovitost motora s unutarnjim izgaranjem je oko 40%, električnog - do 80%. Zanimljivo je da pumpa može raditi i u suprotnom smjeru i služiti kao donor fosfata za sintezu ATP-a. Za neke stanice (na primjer, neurone) do 70% sve energije troši se na uklanjanje natrija iz stanice i pumpanje kalijevih iona u nju. Pumpe za kalcij, klor, vodik i neke druge katione (ione s pozitivnim nabojem) rade na istom principu aktivnog transporta. Nisu pronađene takve pumpe za anione (negativno nabijene ione).
Kotransport ugljikohidrata i aminokiselina
Primjer sekundarnog aktivnog transporta je prijenos glukoze, aminokiselina, joda, željeza i mokraćne kiseline u stanice. Kao rezultat rada kalij-natrijeve pumpe, stvara se gradijent koncentracije natrija: koncentracija je visoka izvana, a niska iznutra (ponekad 10-20 puta). Natrij ima tendenciju difuzije u stanicu i energija te difuzije može se koristiti za transport tvari van. Taj se mehanizam naziva kotransport ili spojeni aktivni transport. U ovom slučaju, protein nosač ima dva receptorska centra s vanjske strane: jedan za natrij, a drugi za element koji se transportira. Tek nakon aktivacije oba receptora, protein prolazi konformacijske promjene, a difuzijska energijanatrij uvodi transportiranu tvar u stanicu protiv gradijenta koncentracije.
Vrijednost aktivnog transporta za ćeliju
Ako bi uobičajena difuzija tvari kroz membranu trajala proizvoljno dugo, njihove bi se koncentracije izvan i unutar stanice izjednačile. A ovo je smrt za stanice. Uostalom, svi biokemijski procesi moraju se odvijati u okruženju električne potencijalne razlike. Bez aktivnog, protiv gradijenta koncentracije, transporta tvari, neuroni ne bi mogli prenijeti živčani impuls. I mišićne stanice bi izgubile sposobnost kontrakcije. Stanica ne bi mogla održati osmotski tlak i kolabirala bi. A proizvodi metabolizma ne bi bili izneseni. A hormoni nikada ne bi dospjeli u krvotok. Uostalom, čak i ameba troši energiju i stvara razliku potencijala na svojoj membrani koristeći iste ionske pumpe.
