Ląstelė yra visos mūsų planetos gyvybės struktūrinis vienetas ir atvira sistema. Tai reiškia, kad jo gyvavimui reikia nuolat keistis materija ir energija su aplinka. Šie mainai atliekami per membraną – pagrindinę ląstelės sieną, kuri skirta išsaugoti jos vientisumą. Būtent per membraną vyksta ląstelių metabolizmas, kuris vyksta arba palei medžiagos koncentracijos gradientą, arba prieš jį. Aktyvus pernešimas per citoplazminę membraną yra sudėtingas ir daug energijos reikalaujantis procesas.
Membrana – barjeras ir vartai
Citoplazminė membrana yra daugelio ląstelių organelių, plastidžių ir inkliuzų dalis. Šiuolaikinis mokslas remiasi skystosios mozaikos membranos struktūros modeliu. Aktyvus medžiagų pernešimas per membraną galimas dėl jokonkretus pastatas. Membranų pagrindą sudaro lipidų dvisluoksnis sluoksnis – daugiausia fosfolipidai, išsidėstę pagal jų hidrofilines-hidrofobines savybes. Pagrindinės lipidų dvigubo sluoksnio savybės yra sklandumas (gebėjimas įterpti ir prarasti vietas), savaiminis susijungimas ir asimetrija. Antrasis membranų komponentas yra b altymai. Jų funkcijos įvairios: aktyvus transportavimas, priėmimas, fermentacija, atpažinimas.
B altymai yra tiek membranų paviršiuje, tiek viduje, o kai kurie jų prasiskverbia po kelis kartus. B altymų savybė membranoje yra galimybė judėti iš vienos membranos pusės į kitą („flip-flop“šuolis). Ir paskutinis komponentas yra sacharidų ir polisacharidų angliavandenių grandinės membranų paviršiuje. Jų funkcijos ir šiandien yra prieštaringos.
Aktyvaus medžiagų pernešimo per membraną tipai
Aktyvus bus toks medžiagų pernešimas per ląstelės membraną, kuris yra kontroliuojamas, vyksta su energijos sąnaudomis ir prieštarauja koncentracijos gradientui (medžiagos perkeliamos iš mažos koncentracijos srities į didelė koncentracija). Atsižvelgiant į tai, koks energijos š altinis naudojamas, išskiriamos šios transporto rūšys:
- Pirminis aktyvus (energijos š altinis – adenozino trifosforo rūgšties ATP hidrolizė iki adenozino fosforo rūgšties ADP).
- Antrinis aktyvus (tiekiamas antrine energija, sukurta dėl pirminio aktyvaus medžiagų transportavimo mechanizmų).
B altymai-asistentai
Ir pirmuoju, ir antruoju atveju transportavimas neįmanomas be b altymų nešėjų. Šie transportavimo b altymai yra labai specifiniai ir yra skirti nešti tam tikras molekules, o kartais net ir tam tikras molekulių rūšis. Tai buvo įrodyta eksperimentiškai su mutavusiais bakterijų genais, dėl kurių buvo neįmanoma aktyvaus transportavimo per tam tikro angliavandenio membraną. Transmembraniniai transporteriniai b altymai gali būti savaiminiai pernešėjai (jie sąveikauja su molekulėmis ir tiesiogiai perneša jas per membraną) arba formuojantys kanalus (membranose sudaro poras, kurios yra atviros konkrečioms medžiagoms).
Natrio ir kalio pompa
Labiausiai ištirtas pirminio aktyvaus medžiagų pernešimo per membraną pavyzdys yra Na+ -, K+ -siurblys. Šis mechanizmas užtikrina Na+ ir K+ jonų koncentracijų skirtumą abiejose membranos pusėse, reikalingą osmosiniam slėgiui ląstelėje palaikyti ir kitiems medžiagų apykaitos procesams. Transmembraninis nešiklio b altymas, natrio-kalio ATPazė, susideda iš trijų dalių:
- Išorinėje b altymų membranos pusėje yra du kalio jonų receptoriai.
- Membranos vidinėje pusėje yra trys natrio jonų receptoriai.
- Vidinė b altymo dalis pasižymi ATP aktyvumu.
Kai du kalio ir trys natrio jonai prisijungia prie b altymų receptorių abiejose membranos pusėse, ATP aktyvumas įjungiamas. ATP molekulė hidrolizuojama iki ADP, išsiskirianti energija, kuri išleidžiama kalio jonams transportuotividuje, o natrio jonai – už citoplazminės membranos. Apskaičiuota, kad tokio siurblio efektyvumas yra daugiau nei 90%, o tai savaime yra gana nuostabu.
Informacijai: vidaus degimo variklio efektyvumas yra apie 40%, elektrinio - iki 80%. Įdomu tai, kad siurblys taip pat gali veikti priešinga kryptimi ir tarnauti kaip fosfato donoras ATP sintezei. Kai kurioms ląstelėms (pavyzdžiui, neuronams) iki 70% visos energijos sunaudojama natrio pašalinimui iš ląstelės ir į ją pumpuojant kalio jonus. Kalcio, chloro, vandenilio ir kai kurių kitų katijonų (teigiamą krūvį turinčių jonų) siurbliai veikia tuo pačiu aktyvaus transportavimo principu. Tokių anijonų (neigiamo krūvio jonų) siurblių nerasta.
Bendras angliavandenių ir aminorūgščių transportavimas
Antrinio aktyvaus transportavimo pavyzdys yra gliukozės, aminorūgščių, jodo, geležies ir šlapimo rūgšties pernešimas į ląsteles. Veikiant kalio-natrio siurbliui susidaro natrio koncentracijų gradientas: išorėje koncentracija didelė, viduje maža (kartais 10-20 kartų). Natris linkęs sklisti į ląstelę, o šios difuzijos energija gali būti naudojama medžiagoms išnešti. Šis mechanizmas vadinamas kotransportu arba susietu aktyviuoju transportu. Šiuo atveju b altymo nešiklio išorėje yra du receptorių centrai: vienas natrio, o kitas transportuojamo elemento. Tik aktyvavus abu receptorius, b altyme vyksta konformaciniai pokyčiai ir difuzijos energijanatris pernešamą medžiagą įveda į ląstelę prieš koncentracijos gradientą.
Ląstelės aktyvaus perdavimo reikšmė
Jei įprasta medžiagų difuzija per membraną vyktų savavališkai ilgą laiką, jų koncentracija ląstelės išorėje ir viduje susilygintų. Ir tai yra ląstelių mirtis. Juk visi biocheminiai procesai turi vykti elektrinio potencialo skirtumo aplinkoje. Be aktyvaus, prieš koncentracijos gradientą, medžiagų transportavimą, neuronai negalėtų perduoti nervinio impulso. Ir raumenų ląstelės prarastų galimybę susitraukti. Ląstelė negalėtų išlaikyti osmosinio slėgio ir subyrėtų. O medžiagų apykaitos produktų neišneštų. Ir hormonai niekada nepatektų į kraują. Juk net ameba eikvoja energiją ir sukuria potencialų skirtumą savo membranoje naudodama tuos pačius jonų siurblius.
