Cell è un'unità strutturale di tutta la vita sul nostro pianeta e un sistema aperto. Ciò significa che la sua vita richiede un continuo scambio di materia ed energia con l'ambiente. Questo scambio viene effettuato attraverso la membrana, il bordo principale della cellula, progettato per preservarne l'integrità. È attraverso la membrana che si svolge il metabolismo cellulare e questo va o lungo il gradiente di concentrazione di una sostanza, o contro di esso. Il trasporto attivo attraverso la membrana citoplasmatica è un processo complesso e ad alta intensità energetica.
Membrana - barriera e gateway
La membrana citoplasmatica fa parte di molti organelli cellulari, plastidi e inclusioni. La scienza moderna si basa sul modello a mosaico fluido della struttura della membrana. Il trasporto attivo di sostanze attraverso la membrana è possibile grazie al suoedificio specifico. La base delle membrane è formata da un doppio strato lipidico, principalmente fosfolipidi disposti in base alle loro proprietà idrofile-idrofobiche. Le principali proprietà del doppio strato lipidico sono la fluidità (la capacità di incorporare e perdere siti), l'autoassemblaggio e l'asimmetria. Il secondo componente delle membrane sono le proteine. Le loro funzioni sono diverse: trasporto attivo, accoglienza, fermentazione, riconoscimento.
Le proteine si trovano sia sulla superficie delle membrane che all'interno, e alcune di esse la penetrano più volte. La proprietà delle proteine in una membrana è la capacità di spostarsi da un lato all' altro della membrana (s alto "flip-flop"). E l'ultimo componente sono le catene saccaridiche e polisaccaridiche dei carboidrati sulla superficie delle membrane. Le loro funzioni sono ancora controverse oggi.
Tipi di trasporto attivo di sostanze attraverso la membrana
Attivo sarà un tale trasferimento di sostanze attraverso la membrana cellulare, che è controllato, avviene con costi energetici e va contro il gradiente di concentrazione (le sostanze vengono trasferite da un'area a bassa concentrazione a un'area di alta concentrazione). A seconda della fonte di energia utilizzata, si distinguono le seguenti modalità di trasporto:
- Attivo primario (fonte di energia - idrolisi dell'acido adenosina trifosforico ATP ad acido adenosina difosforico ADP).
- Attivo secondario (fornito di energia secondaria creata a seguito dei meccanismi di trasporto attivo primario delle sostanze).
Proteine-assistenti
Nel primo e nel secondo caso, il trasporto è impossibile senza le proteine trasportatrici. Queste proteine di trasporto sono molto specifiche e sono progettate per trasportare determinate molecole e talvolta anche determinati tipi di molecole. Ciò è stato dimostrato sperimentalmente su geni batterici mutati, che hanno portato all'impossibilità di un trasporto attivo attraverso la membrana di un determinato carboidrato. Le proteine di trasporto transmembrana possono essere autotrasportatori (interagiscono con le molecole e le trasportano direttamente attraverso la membrana) o formanti canali (formano pori nelle membrane che sono aperti a sostanze specifiche).
Pompa di sodio e potassio
L'esempio più studiato del trasporto attivo primario di sostanze attraverso la membrana è la pompa Na+ -, K+. Questo meccanismo assicura la differenza nelle concentrazioni di ioni Na+ e K+ su entrambi i lati della membrana, necessaria per mantenere la pressione osmotica nella cellula e altri processi metabolici. La proteina trasportatrice transmembrana, l'ATPasi sodio-potassio, è composta da tre parti:
- Sul lato esterno della membrana proteica ci sono due recettori per gli ioni potassio.
- Ci sono tre recettori per gli ioni di sodio all'interno della membrana.
- La parte interna della proteina ha attività ATP.
Quando due ioni potassio e tre ioni sodio si legano ai recettori proteici su entrambi i lati della membrana, l'attività dell'ATP viene attivata. La molecola di ATP viene idrolizzata in ADP con il rilascio di energia, che viene spesa per il trasporto di ioni potassioall'interno e ioni sodio all'esterno della membrana citoplasmatica. Si stima che l'efficienza di una tale pompa sia superiore al 90%, il che di per sé è piuttosto sorprendente.
Per riferimento: l'efficienza di un motore a combustione interna è di circa il 40%, elettrico - fino all'80%. È interessante notare che la pompa può anche funzionare nella direzione opposta e fungere da donatore di fosfato per la sintesi di ATP. Per alcune cellule (ad esempio i neuroni), fino al 70% di tutta l'energia viene spesa per rimuovere il sodio dalla cellula e pompare ioni potassio al suo interno. Le pompe per calcio, cloro, idrogeno e alcuni altri cationi (ioni con carica positiva) funzionano secondo lo stesso principio del trasporto attivo. Non sono state trovate pompe di questo tipo per gli anioni (ioni a carica negativa).
Cotrasporto di carboidrati e aminoacidi
Un esempio di trasporto attivo secondario è il trasferimento di glucosio, aminoacidi, iodio, ferro e acido urico nelle cellule. Come risultato del funzionamento della pompa potassio-sodio, si crea un gradiente di concentrazioni di sodio: la concentrazione è alta all'esterno e bassa all'interno (a volte 10-20 volte). Il sodio tende a diffondersi nella cellula e l'energia di questa diffusione può essere utilizzata per trasportare le sostanze all'esterno. Questo meccanismo è chiamato cotrasporto o trasporto attivo accoppiato. In questo caso, la proteina vettore ha due centri recettori all'esterno: uno per il sodio e l' altro per l'elemento trasportato. Solo dopo l'attivazione di entrambi i recettori, la proteina subisce cambiamenti conformazionali e l'energia di diffusioneil sodio introduce la sostanza trasportata nella cellula contro il gradiente di concentrazione.
Il valore del trasporto attivo per la cella
Se la normale diffusione di sostanze attraverso la membrana procedesse per un tempo arbitrariamente lungo, le loro concentrazioni all'esterno e all'interno della cellula si pareggiano. E questa è la morte per le cellule. Dopotutto, tutti i processi biochimici devono procedere in un ambiente di differenza di potenziale elettrico. Senza il trasporto di sostanze attivo, contro un gradiente di concentrazione, i neuroni non sarebbero in grado di trasmettere un impulso nervoso. E le cellule muscolari perderebbero la capacità di contrarsi. La cellula non sarebbe in grado di mantenere la pressione osmotica e crollerebbe. E i prodotti del metabolismo non verrebbero fatti emergere. E gli ormoni non entrerebbero mai nel flusso sanguigno. Dopotutto, anche un'ameba consuma energia e crea una differenza di potenziale sulla sua membrana usando le stesse pompe ioniche.
