Solu on planeettamme kaiken elämän rakenneyksikkö ja avoin järjestelmä. Tämä tarkoittaa, että sen elämä vaatii jatkuvaa aineen ja energian vaihtoa ympäristön kanssa. Tämä vaihto tapahtuu kalvon läpi - solun päärajan, joka on suunniteltu säilyttämään sen eheys. Solujen aineenvaihdunta tapahtuu kalvon läpi ja se kulkee joko aineen pitoisuusgradienttia pitkin tai sitä vastaan. Aktiivinen kuljetus sytoplasman kalvon läpi on monimutkainen ja energiaintensiivinen prosessi.
Kalvo - este ja portti
Sytoplasminen kalvo on osa monia soluorganelleja, plastideja ja sulkeumia. Nykyaikainen tiede perustuu kalvorakenteen nestemosaiikkimalliin. Aineiden aktiivinen kuljettaminen kalvon läpi on mahdollista sen ansiostatietty rakennus. Kalvojen perustan muodostaa lipidikaksoiskerros - pääasiassa fosfolipidit, jotka on järjestetty hydrofiilis-hydrofobisten ominaisuuksiensa mukaisesti. Lipidikaksoiskerroksen tärkeimmät ominaisuudet ovat juoksevuus (kyky upottaa ja menettää kohtia), itsekokoonpano ja epäsymmetria. Kalvojen toinen komponentti on proteiinit. Niiden tehtävät ovat monipuoliset: aktiivinen kuljetus, vastaanotto, käyminen, tunnistus.
Proteiinit sijaitsevat sekä kalvojen pinnalla että sisällä, ja osa niistä läpäisee sen useita kertoja. Proteiinien ominaisuus kalvossa on kyky siirtyä kalvon toiselta puolelta toiselle ("flip-flop" -hyppy). Ja viimeinen komponentti on hiilihydraattien sakkaridi- ja polysakkaridiketjut kalvojen pinnalla. Niiden toiminnot ovat edelleen kiistanalaisia tänään.
Aineiden aktiivisen kuljetuksen tyypit kalvon läpi
Aktiivinen on sellainen aineiden siirto solukalvon läpi, jota hallitaan, tapahtuu energiakustannuksilla ja se on vastoin pitoisuusgradienttia (aineet siirtyvät vähäpitoiselta alueelta korkea pitoisuus). Käytetystä energialähteestä riippuen erotetaan seuraavat liikennemuodot:
- Ensisijainen aktiivisuus (energianlähde - adenosiinitrifosforihapon ATP:n hydrolyysi adenosiinidifosforihapon ADP:ksi).
- Toissijainen aktiivinen (sisältyy sekundäärienergialla, joka syntyy aineiden ensisijaisen aktiivisen kuljetuksen mekanismien seurauksena).
Proteiinit-avustajat
Sekä ensimmäisessä että toisessa tapauksessa kuljetus on mahdotonta ilman kantajaproteiineja. Nämä kuljetusproteiinit ovat hyvin spesifisiä ja ne on suunniteltu kuljettamaan tiettyjä molekyylejä ja joskus jopa tietyntyyppisiä molekyylejä. Tämä todistettiin kokeellisesti mutatoiduilla bakteerigeeneillä, mikä johti siihen, että tietyn hiilihydraatin aktiivinen kuljetus kalvon läpi oli mahdotonta. Transmembraanikuljetusproteiinit voivat olla itsekuljettajia (ne ovat vuorovaikutuksessa molekyylien kanssa ja kuljettavat ne suoraan kalvon läpi) tai kanavia muodostavia (muodostavat kalvoihin huokosia, jotka ovat avoimia tietyille aineille).
Natrium- ja kaliumpumppu
Tutkituin esimerkki ensisijaisesta aktiivisesta aineiden kuljettamisesta kalvon läpi on Na+ -, K+ -pumppu. Tämä mekanismi varmistaa Na+- ja K+-ionien pitoisuuksien eron kalvon molemmilla puolilla, mikä on välttämätöntä solun osmoottisen paineen ja muiden aineenvaihduntaprosessien ylläpitämiseksi. Transmembraaninen kantajaproteiini, natrium-kalium-ATPaasi, koostuu kolmesta osasta:
- Proteiinikalvon ulkopinnalla on kaksi kaliumionien reseptoria.
- Kammbraanin sisäpuolella on kolme natriumionireseptoria.
- Proteiinin sisäosassa on ATP-aktiivisuutta.
Kun kaksi kalium-ionia ja kolme natriumionia sitoutuvat proteiinireseptoreihin kalvon kummallakin puolella, ATP-aktiivisuus aktivoituu. ATP-molekyyli hydrolysoituu ADP:ksi vapauttamalla energiaa, joka kuluu kalium-ionien kuljettamiseensisällä ja natriumioneja sytoplasman kalvon ulkopuolella. On arvioitu, että tällaisen pumpun hyötysuhde on yli 90 %, mikä on sinänsä aivan uskomatonta.
Viite: Polttomoottorin hyötysuhde on noin 40 %, sähkömoottorin - jopa 80 %. Mielenkiintoista on, että pumppu voi toimia myös päinvastaiseen suuntaan ja toimia fosfaatin luovuttajana ATP-synteesissä. Joissakin soluissa (esimerkiksi hermosoluissa) jopa 70 % kaikesta energiasta kuluu natriumin poistamiseen solusta ja kalium-ionien pumppaamiseen siihen. Kalsiumin, kloorin, vedyn ja joidenkin muiden kationien (positiivisen varauksen omaavien ionien) pumput toimivat samalla aktiivisen kuljetuksen periaatteella. Tällaisia pumppuja ei ole löydetty anioneille (negatiivisesti varautuneille ioneille).
Hiilihydraattien ja aminohappojen yhteiskuljetus
Esimerkki sekundaarisesta aktiivisesta kuljetuksesta on glukoosin, aminohappojen, jodin, raudan ja virtsahapon siirtyminen soluihin. Kalium-natriumpumpun toiminnan seurauksena syntyy natriumpitoisuuksien gradientti: pitoisuus on korkea ulkopuolella ja alhainen sisällä (joskus 10-20 kertaa). Natriumilla on taipumus diffundoitua soluun ja tämän diffuusion energiaa voidaan käyttää kuljettamaan aineita ulos. Tätä mekanismia kutsutaan yhteiskuljetukseksi tai kytketyksi aktiiviseksi kuljetukseksi. Tässä tapauksessa kantajaproteiinin ulkopuolella on kaksi reseptorikeskusta: yksi natriumille ja toinen kuljetettavalle elementille. Vasta molempien reseptoreiden aktivoitumisen jälkeen proteiini käy läpi konformaatiomuutoksia ja diffuusioenergiaanatrium vie kuljetetun aineen soluun pitoisuusgradienttia vastaan.
Aktiivisen kuljetuksen arvo solulle
Jos tavanomainen aineiden diffuusio kalvon läpi jatkuisi mieliv altaisen pitkään, niiden pitoisuudet solun ulkopuolella ja sisällä tasoittuvat. Ja tämä on solujen kuolema. Loppujen lopuksi kaikkien biokemiallisten prosessien on edettävä sähköpotentiaalieron ympäristössä. Ilman aktiivista, pitoisuusgradienttia vastaan, aineiden kuljetusta, hermosolut eivät pystyisi välittämään hermoimpulssia. Ja lihassolut menettäisivät kykynsä supistua. Solu ei pystyisi ylläpitämään osmoottista painetta ja romahtaisi. Ja aineenvaihdunnan tuotteita ei tuoda esiin. Ja hormonit eivät koskaan pääse verenkiertoon. Loppujen lopuksi jopa ameba kuluttaa energiaa ja luo potentiaalieron kalvoonsa samoilla ionipumpuilla.
