უჯრედი არის ჩვენი პლანეტის მთელი სიცოცხლის სტრუქტურული ერთეული და ღია სისტემა. ეს ნიშნავს, რომ მისი სიცოცხლე მოითხოვს მატერიისა და ენერგიის მუდმივ გაცვლას გარემოსთან. ეს გაცვლა ხდება მემბრანის მეშვეობით - უჯრედის მთავარი საზღვარი, რომელიც შექმნილია მისი მთლიანობის შესანარჩუნებლად. მემბრანის მეშვეობით ხდება უჯრედული მეტაბოლიზმი და ის მიდის ან ნივთიერების კონცენტრაციის გრადიენტის გასწვრივ, ან მის საწინააღმდეგოდ. აქტიური ტრანსპორტი ციტოპლაზმურ მემბრანაზე რთული და ენერგო ინტენსიური პროცესია.
მემბრანა - ბარიერი და კარიბჭე
ციტოპლაზმური მემბრანა არის მრავალი უჯრედის ორგანელის, პლასტიდისა და ჩანართების ნაწილი. თანამედროვე მეცნიერება ეფუძნება მემბრანის სტრუქტურის თხევადი მოზაიკის მოდელს. მემბრანის გასწვრივ ნივთიერებების აქტიური ტრანსპორტირება შესაძლებელია მისი გამოკონკრეტული შენობა. მემბრანების საფუძველს ქმნის ლიპიდური ორფენი - ძირითადად ფოსფოლიპიდები, რომლებიც განლაგებულია მათი ჰიდროფილურ-ჰიდროფობიური თვისებების შესაბამისად. ლიპიდური ორშრის ძირითადი თვისებებია სითხე (ადგილების ჩაშენების და დაკარგვის უნარი), თვითშეკრება და ასიმეტრია. მემბრანის მეორე კომპონენტია ცილები. მათი ფუნქციები მრავალფეროვანია: აქტიური ტრანსპორტირება, მიღება, დუღილი, ამოცნობა.
პროტეინები განლაგებულია როგორც მემბრანების ზედაპირზე, ასევე შიგნით და ზოგიერთი მათგანი რამდენჯერმე აღწევს მასში. მემბრანის ცილების თვისებაა მემბრანის ერთი მხრიდან მეორეზე გადაადგილების უნარი ("Flip-Flop" ნახტომი). და ბოლო კომპონენტი არის ნახშირწყლების საქარიდული და პოლისაქარიდური ჯაჭვები მემბრანის ზედაპირზე. მათი ფუნქციები დღესაც საკამათოა.
მემბრანის გასწვრივ ნივთიერებების აქტიური ტრანსპორტირების სახეები
აქტიური იქნება ნივთიერებების ისეთი გადატანა უჯრედის მემბრანის მეშვეობით, რომელიც კონტროლდება, ხდება ენერგიის დანახარჯებით და ეწინააღმდეგება კონცენტრაციის გრადიენტს (ნივთიერებები გადადის დაბალი კონცენტრაციის ზონიდან ფართობზე. მაღალი კონცენტრაცია). იმის მიხედვით, თუ რა ენერგიის წყაროა გამოყენებული, განასხვავებენ ტრანსპორტის შემდეგ რეჟიმებს:
- პირველადი აქტიური (ენერგიის წყარო - ადენოზინტრიფოსფორმჟავას ATP ჰიდროლიზი ადენოზინდიფოსფორმჟავას ADP-მდე).
- მეორადი აქტიური (მოწოდებული მეორადი ენერგიით, რომელიც შექმნილია ნივთიერებების პირველადი აქტიური ტრანსპორტირების მექანიზმების შედეგად).
პროტეინები-ასისტენტები
როგორც პირველ და მეორე შემთხვევაში ტრანსპორტირება შეუძლებელია გადამზიდავი ცილების გარეშე. ეს სატრანსპორტო ცილები ძალიან სპეციფიკურია და შექმნილია გარკვეული მოლეკულების, ზოგჯერ კი გარკვეული ტიპის მოლეკულების გადასატანად. ეს ექსპერიმენტულად დადასტურდა მუტაციურ ბაქტერიულ გენებზე, რამაც გამოიწვია გარკვეული ნახშირწყლების მემბრანაში აქტიური ტრანსპორტირების შეუძლებლობა. ტრანსმემბრანული გადამტანი ცილები შეიძლება იყოს თვითტრანსპორტიორი (ისინი ურთიერთქმედებენ მოლეკულებთან და უშუალოდ ატარებენ მათ მემბრანაზე) ან არხის ფორმირებადი (მემბრანებში ფორებს ქმნიან, რომლებიც ღიაა კონკრეტული ნივთიერებებისთვის).
ნატრიუმის და კალიუმის ტუმბო
მემბრანის გასწვრივ ნივთიერებების პირველადი აქტიური ტრანსპორტირების ყველაზე შესწავლილი მაგალითია Na+ -, K+ -ტუმბო. ეს მექანიზმი უზრუნველყოფს მემბრანის ორივე მხარეს Na+ და K+ იონების კონცენტრაციების განსხვავებას, რაც აუცილებელია უჯრედში ოსმოსური წნევის შესანარჩუნებლად და სხვა მეტაბოლური პროცესებისთვის. ტრანსმემბრანული გადამზიდავი ცილა, ნატრიუმ-კალიუმის ATPase, შედგება სამი ნაწილისგან:
- პროტეინის მემბრანის გარე მხარეს არის კალიუმის იონების ორი რეცეპტორი.
- მემბრანის შიგნით არის სამი ნატრიუმის იონის რეცეპტორი.
- პროტეინის შიდა ნაწილს აქვს ATP აქტივობა.
როდესაც ორი კალიუმის იონი და სამი ნატრიუმის იონი აკავშირებს ცილის რეცეპტორებს მემბრანის ორივე მხარეს, ATP აქტივობა ჩართულია. ATP მოლეკულა ჰიდროლიზდება ADP-მდე ენერგიის გამოყოფით, რომელიც იხარჯება კალიუმის იონების ტრანსპორტირებაზე.შიგნით, ხოლო ნატრიუმის იონები ციტოპლაზმური მემბრანის გარეთ. სავარაუდოა, რომ ასეთი ტუმბოს ეფექტურობა 90%-ზე მეტია, რაც თავისთავად საკმაოდ გასაოცარია.
ცნობისთვის: შიდა წვის ძრავის ეფექტურობა არის დაახლოებით 40%, ელექტრო - 80%-მდე. საინტერესოა, რომ ტუმბოს ასევე შეუძლია იმუშაოს საპირისპირო მიმართულებით და იყოს ფოსფატის დონორი ATP სინთეზისთვის. ზოგიერთი უჯრედისთვის (მაგალითად, ნეირონებისთვის) მთელი ენერგიის 70%-მდე იხარჯება უჯრედიდან ნატრიუმის ამოღებაზე და მასში კალიუმის იონების გადატუმბვაზე. კალციუმის, ქლორის, წყალბადის და ზოგიერთი სხვა კატიონის (დადებითი მუხტის მქონე იონების) ტუმბოები მუშაობს აქტიური ტრანსპორტის იმავე პრინციპით. ასეთი ტუმბოები არ არის ნაპოვნი ანიონებისთვის (უარყოფითად დამუხტული იონები).
ნახშირწყლების და ამინომჟავების თანატრანსპორტი
მეორადი აქტიური ტრანსპორტის მაგალითია გლუკოზის, ამინომჟავების, იოდის, რკინის და შარდმჟავას უჯრედებში გადატანა. კალიუმ-ნატრიუმის ტუმბოს მუშაობის შედეგად იქმნება ნატრიუმის კონცენტრაციების გრადიენტი: კონცენტრაცია გარეთ მაღალია, შიგნით კი დაბალი (ზოგჯერ 10-20-ჯერ). ნატრიუმი მიდრეკილია უჯრედში დიფუზიისკენ და ამ დიფუზიის ენერგია შეიძლება გამოყენებულ იქნას ნივთიერებების გარეთ გადასატანად. ამ მექანიზმს ეწოდება კოტრანსპორტი ან დაწყვილებული აქტიური ტრანსპორტი. ამ შემთხვევაში, გადამზიდავ ცილას აქვს ორი რეცეპტორული ცენტრი გარედან: ერთი ნატრიუმისთვის და მეორე ტრანსპორტირებული ელემენტისთვის. მხოლოდ ორივე რეცეპტორის გააქტიურების შემდეგ, ცილა განიცდის კონფორმაციულ ცვლილებებს და დიფუზიის ენერგიას.ნატრიუმი გადააქვს უჯრედში ტრანსპორტირებულ ნივთიერებას კონცენტრაციის გრადიენტის საწინააღმდეგოდ.
აქტიური ტრანსპორტის მნიშვნელობა უჯრედისთვის
თუ მემბრანის მეშვეობით ნივთიერებების ჩვეულებრივი დიფუზია გაგრძელდება თვითნებურად დიდი ხნის განმავლობაში, მათი კონცენტრაცია უჯრედის გარეთ და შიგნით გათანაბრდება. და ეს არის სიკვდილი უჯრედებისთვის. ყოველივე ამის შემდეგ, ყველა ბიოქიმიური პროცესი უნდა მიმდინარეობდეს ელექტრული პოტენციალის სხვაობის გარემოში. აქტიური, კონცენტრაციის გრადიენტის საწინააღმდეგო ნივთიერებების ტრანსპორტირების გარეშე, ნეირონები ვერ შეძლებდნენ ნერვული იმპულსის გადაცემას. და კუნთების უჯრედები დაკარგავენ შეკუმშვის უნარს. უჯრედი ვერ შეინარჩუნებს ოსმოსურ წნევას და იშლება. და მეტაბოლიზმის პროდუქტები არ გამოიტანდა. და ჰორმონები არასოდეს მოხვდება სისხლში. ყოველივე ამის შემდეგ, ამებაც კი ხარჯავს ენერგიას და ქმნის პოტენციურ განსხვავებას მის მემბრანაზე იგივე იონური ტუმბოების გამოყენებით.
