Ćelija je strukturna jedinica cijelog života na našoj planeti i otvoreni sistem. To znači da njegov život zahtijeva stalnu razmjenu materije i energije sa okolinom. Ova razmjena se provodi kroz membranu - glavnu granicu ćelije, koja je dizajnirana da očuva njen integritet. Kroz membranu se odvija ćelijski metabolizam i on ide ili duž gradijenta koncentracije supstance, ili protiv nje. Aktivni transport kroz citoplazmatsku membranu je složen i energetski intenzivan proces.
Membrana - barijera i prolaz
Citoplazmatska membrana je dio mnogih ćelijskih organela, plastida i inkluzija. Savremena nauka se zasniva na fluidnom mozaičkom modelu strukture membrane. Aktivan transport tvari kroz membranu je moguć zahvaljujući njegovomspecifična zgrada. Osnovu membrane čini lipidni dvosloj – uglavnom fosfolipidi raspoređeni u skladu sa svojim hidrofilno-hidrofobnim svojstvima. Glavna svojstva lipidnog dvosloja su fluidnost (sposobnost ugrađivanja i gubljenja mjesta), samosastavljanje i asimetrija. Druga komponenta membrana su proteini. Njihove funkcije su 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 da se kreću s jedne strane membrane na drugu („flip-flop” skok). I posljednja komponenta su saharidni i polisaharidni lanci ugljikohidrata na površini membrane. Njihove funkcije su i danas kontroverzne.
Vrste aktivnog transporta supstanci kroz membranu
Aktivan će biti takav prijenos supstanci kroz ćelijsku membranu, koji je kontroliran, odvija se uz troškove energije i ide protiv gradijenta koncentracije (supstance se prenose iz područja niske koncentracije u područje od visoka koncentracija). U zavisnosti od toga koji se izvor energije koristi, razlikuju se sljedeći načini transporta:
- Primarni aktivni (izvor energije - hidroliza adenozin trifosforne kiseline ATP u adenozin difosfornu kiselinu ADP).
- Sekundarna aktivna (osigurana sekundarnom energijom stvorenom kao rezultat mehanizama primarnog aktivnog transporta supstanci).
Proteini-asistenti
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 transporter proteini mogu biti samotransporteri (oni u interakciji sa molekulima i direktno ih prenose kroz membranu) ili koji formiraju kanale (formiraju pore u membranama koje su otvorene za specifične supstance).
Natrijum i kalijum pumpa
Najviše proučavan primjer primarnog aktivnog transporta tvari kroz membranu je Na+ -, K+ -pumpa. Ovaj mehanizam osigurava razliku u koncentracijama Na+ i K+ jona na obje strane membrane, što je neophodno za održavanje osmotskog tlaka u ćeliji i drugih metaboličkih procesa. Transmembranski protein nosač, natrijum-kalijum ATPaza, sastoji se od tri dela:
- Na spoljnoj strani proteinske membrane nalaze se dva receptora za jone kalijuma.
- Postoje tri receptora natrijum jona na unutrašnjoj strani membrane.
- Unutarnji dio proteina ima ATP aktivnost.
Kada se dva jona kalijuma i tri jona natrijuma vežu za proteinske receptore sa obe strane membrane, ATP aktivnost se uključuje. Molekul ATP se hidrolizira u ADP uz oslobađanje energije koja se troši na transport kalijevih jonaunutra, a joni natrijuma izvan citoplazmatske membrane. Procjenjuje se da je efikasnost takve pumpe više od 90%, što je samo po sebi prilično nevjerovatno.
Za referencu: Efikasnost motora sa unutrašnjim sagorevanjem 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 ćelije (na primjer, neurone), do 70% sve energije se troši na uklanjanje natrijuma iz ćelije i pumpanje jona kalija u nju. Pumpe za kalcij, hlor, vodonik i neke druge katione (jone sa pozitivnim nabojem) rade na istom principu aktivnog transporta. Nisu pronađene takve pumpe za anjone (negativno nabijene jone).
Kotransport ugljikohidrata i aminokiselina
Primjer sekundarnog aktivnog transporta je prijenos glukoze, aminokiselina, joda, željeza i mokraćne kiseline u stanice. Kao rezultat rada kalij-natrijum pumpe, stvara se gradijent koncentracija natrijuma: koncentracija je visoka spolja, a niska unutra (ponekad 10-20 puta). Natrijum ima tendenciju da difunduje u ćeliju i energija te difuzije može se koristiti za transport supstanci van. Ovaj mehanizam se naziva kotransport ili spregnuti aktivni transport. U ovom slučaju, protein nosač ima dva receptorska centra sa vanjske strane: jedan za natrijum, a drugi za element koji se transportuje. Tek nakon aktivacije oba receptora, protein prolazi kroz konformacijske promjene, a difuzna energijanatrijum uvodi transportiranu supstancu u ćeliju protiv gradijenta koncentracije.
Vrijednost aktivnog transporta za ćeliju
Ako bi uobičajena difuzija supstanci kroz membranu trajala proizvoljno dugo, njihove koncentracije izvan i unutar ćelije bi se izjednačile. A ovo je smrt za ćelije. Uostalom, svi biohemijski procesi moraju se odvijati u okruženju električne potencijalne razlike. Bez aktivnog, protiv gradijenta koncentracije, transporta supstanci, neuroni ne bi mogli prenijeti nervni impuls. I mišićne ćelije bi izgubile sposobnost kontrakcije. Ćelija ne bi mogla da održi osmotski pritisak 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 jonske pumpe.
