Клітина – структурна одиниця всього живого на нашій планеті та відкрита система. Це означає, що для її життєдіяльності необхідний постійний обмін речовинами та енергією з навколишнім середовищем. Цей обмін здійснюється через мембрану – головну кордон клітини, яка покликана зберегти її цілісність. Саме через мембрану здійснюється клітинний обмін і йде він по градієнту концентрації певної речовини, або проти. Активний транспорт через цитоплазматичну мембрану – процес складний і енергозатратний.

Мембрана – бар'єр і шлюз

Цитоплазматична мембрана входить до складу багатьох клітинних органел, пластид та включень. Сучасна наука заснована на рідинно-мозаїчної моделі структури мембран. Активний транспорт речовин через мембрану можливий завдяки її специфічній будові. Основу мембран утворює ліпідний бислой – в основному це фосфоліпіди, розташовані відповідно зі своїми гідрофільно-гідрофобними властивостями. Головні властивості ліпідного бішару - це плинність (здатність вбудовувати і втрачати ділянки), самозбірка і асиметричність. Другий компонент мембран – білки. Їх функції різноманітні: активний транспорт, рецепція, ферментація, впізнавання. Розташовуються білки як на поверхні мембран, так і всередині, а деякі по кілька разів пронизують її. Властивість білків в мембрані – здатність до переходу з однієї сторони мембрани на іншу («фліп-флоп» перескок). І останній компонент – сахаридние та полісахаридні ланцюги вуглеводів на поверхні мембран. Функції їх і сьогодні спірні.

Види активного транспорту речовин через мембрану

Активним буде такий перенос речовин через мембрану клітини, який є контрольованим, відбувається з витратами енергії і йде проти градієнта концентрації (речовини переносяться з області з низькою концентрацією в область з високою концентрацією). В залежності від того, яке джерело енергії використовується, виділяють такі види транспорту:

Первинно активний (джерело енергії – гідроліз аденозинтрифосфорної кислоти, АТФ до аденозиндифосфорной АДФ).

Вдруге активний (забезпечується вторинної енергією, створеної в результаті роботи механізмів первинно активного транспорту речовин).

Білки-помічники

І в першому, і в другому випадку транспорт неможливий без білків-переносників. Ці транспортні білки дуже специфічні і призначаються для перенесення певних молекул, а іноді навіть певного різновиду молекул. Це було доведено експериментально на мутованих генах бактерій, що призводило до неможливості активного транспорту через мембрану певного вуглеводу. Трансмембранні білки-переносники можуть бути власне переносниками (вони взаємодіють з молекулами і безпосередньо проносять її через мембрану) або каналообразующими (формують пори в мембранах, які відкриті для специфічних речовин).

Насос для натрію і калію

Найбільш вивченим прикладом первинного активного транспорту речовин через мембрану є Na+ -, К+ -насос. Цей механізм забезпечує різниця концентрацій іонів Na+ і К+ по обидва боки мембрани, що необхідне для підтримання осмотичного тиску в клітині та інших обмінних процесів. Трансмембранний білок-переносник – натрій-калієва АТФ-аза – складається з трьох частин:

На зовнішній стороні мембрани у білка розташовані два рецептора для іонів калію.

На внутрішній стороні мембрани – три рецептора для іонів натрію.

Внутрішній частині білка властива активність АТФ.

Коли два іона калію і три іона натрію зв'язуються з рецепторами білка по обидві сторони мембрани, включається АТФ активність. Молекула АТФ гідролізується до АДФ з виділенням енергії, яка витрачається на перенесення іонів калію всередину, а іонів натрію назовні цитоплазматичної мембрани. Підраховано, що коефіцієнт корисної дії такого насоса складає більше 90%, що само по собі досить дивно. Для довідки: ККД двигуна внутрішнього згоряння – близько 40%, електричного - до 80%. Цікаво, що насос може працювати і у зворотному напрямку і служити донором фосфатів для синтезу АТФ. Для деяких клітин (наприклад, нейронів) характерні витрати до 70% усієї енергії на винос натрію з клітини і накачування всередину іонів калію. За таким же принципом активного транспорту працюють насоси для кальцію, хлору, водню та деяких інших катіонів (іонів з позитивним зарядом). Для аніонів (негативно заряджених іонів) таких насосів не виявлено.

Котранспорт вуглеводів і амінокислот

Прикладом вторинного активного транспорту може служити перенесення в клітини глюкози, амінокислот, йоду, заліза і сечової кислоти. В результаті роботи калій-натрієвого насоса створюється градієнт концентрацій натрію: зовні концентрація висока, а всередині – низька (іноді в 10-20 разів). Натрій прагне дифундувати в клітку і енергія цієї дифузії може бути використана для транспорту речовин назовні. Цей механізм називають котранспортом або зв'язаних активним транспортом. У цьому випадку у білка-переносника є два рецепторних центру з зовнішньої частини: один для натрію, а інший – для елемента транспортується. Тільки після активації обох рецепторів білок зазнає конформаційних змін, і енергія дифузії натрію вводить в клітку транспортується речовина проти градієнта концентрації.

Значення активного транспорту для клітини

Якби звичайна дифузія речовин через мембрану протікала як завгодно довго, концентрації їх зовні і всередині клітини вирівнялися. А це для загибель клітин. Адже всі біохімічні процеси повинні протікати в середовищі електричної різниці потенціалів. Без активного, проти градієнта концентрації, транспорту речовин нейрони не змогли б передавати нервовий імпульс. А м'язові клітини втратили б можливість скорочуватися. Клітка б не змогла підтримувати осмотичний тиск і сплющилась б. А продукти метаболізму не виводилися б назовні. Та й гормони ніколи не потрапили б в кров'яне русло. Адже навіть амеба витрачає енергію і створює різницю потенціалів на своїй мембрані за допомогою все тих же іонних насосів.