Celica je strukturna enota vsega življenja na našem planetu in odprt sistem. To pomeni, da njegovo življenje zahteva stalno izmenjavo snovi in energije z okoljem. Ta izmenjava se izvaja skozi membrano - glavno mejo celice, ki je zasnovana tako, da ohranja njeno celovitost. Skozi membrano se izvaja celična presnova in gre bodisi vzdolž koncentracijskega gradienta snovi bodisi proti njej. Aktivni transport skozi citoplazemsko membrano je zapleten in energetsko intenziven proces.
Membrana - pregrada in prehod
Citoplazmatska membrana je del številnih celičnih organelov, plastidov in vključkov. Sodobna znanost temelji na tekočem mozaičnem modelu strukture membrane. Aktivni transport snovi skozi membrano je mogoč zaradi njegoveposebna stavba. Osnovo membran tvori lipidni dvosloj - predvsem fosfolipidi, razporejeni v skladu s svojimi hidrofilno-hidrofobnimi lastnostmi. Glavne lastnosti lipidnega dvosloja so pretočnost (zmožnost vgradnje in izgube mest), samosestavljanje in asimetrija. Druga sestavina membran so beljakovine. Njihove funkcije so raznolike: aktivni transport, sprejem, fermentacija, prepoznavanje.
Beljakovine se nahajajo tako na površini membrane kot v notranjosti, nekatere pa jo večkrat prodrejo. Lastnost beljakovin v membrani je sposobnost premikanja z ene strani membrane na drugo ("flip-flop" skok). In zadnja komponenta so saharidne in polisaharidne verige ogljikovih hidratov na površini membran. Njihove funkcije so še danes sporne.
Vrste aktivnega transporta snovi čez membrano
Aktiven bo takšen prenos snovi skozi celično membrano, ki je nadzorovan, poteka s stroški energije in gre v nasprotju s koncentracijskim gradientom (snovi se prenašajo iz območja nizke koncentracije v območje z visoka koncentracija). Glede na to, kateri vir energije se uporablja, ločimo naslednje načine prevoza:
- Primarni aktivni (vir energije - hidroliza ATP adenozin trifosforjeve kisline v ADP adenozin difosforjeve kisline).
- Sekundarna aktivna (oskrbljena s sekundarno energijo, ki nastane kot posledica mehanizmov primarnega aktivnega transporta snovi).
Beljakovine-pomočniki
Tako v prvem kot v drugem primeru je transport nemogoč brez nosilnih beljakovin. Ti transportni proteini so zelo specifični in so zasnovani tako, da prenašajo določene molekule, včasih pa celo določene vrste molekul. To je bilo eksperimentalno dokazano na mutiranih bakterijskih genih, ki so privedli do nemožnosti aktivnega transporta čez membrano določenega ogljikovega hidrata. Transmembranski transporterji so lahko samotransporterji (v interakciji z molekulami in jih neposredno prenašajo čez membrano) ali tvorijo kanale (tvorijo pore v membranah, ki so odprte za specifične snovi).
Natrijeva in kalijeva črpalka
Najbolj raziskan primer primarnega aktivnega transporta snovi skozi membrano je Na+ -, K+ -črpalka. Ta mehanizem zagotavlja razliko v koncentracijah Na+ in K+ ionov na obeh straneh membrane, kar je potrebno za vzdrževanje osmotskega tlaka v celici in drugih presnovnih procesov. Transmembranski nosilni protein, natrijeva-kalijeva ATPaza, je sestavljen iz treh delov:
- Na zunanji strani beljakovinske membrane sta dva receptorja za kalijeve ione.
- Na notranji strani membrane so trije receptorji natrijevih ionov.
- Notranji del beljakovin ima ATP aktivnost.
Ko se dva kalijeva iona in trije natrijevi ioni vežejo na proteinske receptorje na obeh straneh membrane, se vklopi aktivnost ATP. Molekula ATP se hidrolizira v ADP s sproščanjem energije, ki se porabi za transport kalijevih ionovznotraj, natrijevi ioni pa zunaj citoplazemske membrane. Ocenjuje se, da je izkoristek takšne črpalke več kot 90 %, kar je samo po sebi precej neverjetno.
Za referenco: Učinkovitost motorja z notranjim zgorevanjem je približno 40%, električnega - do 80%. Zanimivo je, da lahko črpalka deluje tudi v nasprotni smeri in služi kot darovalec fosfata za sintezo ATP. Za nekatere celice (na primer nevrone) se do 70 % vse energije porabi za odstranjevanje natrija iz celice in črpanje kalijevih ionov vanjo. Po enakem principu aktivnega transporta delujejo črpalke za kalcij, klor, vodik in nekatere druge katione (ione s pozitivnim nabojem). Za anione (negativno nabite ione) takšnih črpalk ni bilo mogoče najti.
Sotransport ogljikovih hidratov in aminokislin
Primer sekundarnega aktivnega transporta je prenos glukoze, aminokislin, joda, železa in sečne kisline v celice. Kot rezultat delovanja kalij-natrijeve črpalke se ustvari gradient koncentracij natrija: koncentracija je visoka zunaj in nizka znotraj (včasih 10-20-krat). Natrij se nagiba k difuziji v celico in energija te difuzije se lahko uporabi za transport snovi ven. Ta mehanizem se imenuje kotransport ali sklopljeni aktivni transport. V tem primeru ima nosilni protein na zunanji strani dva receptorska centra: enega za natrij in drugega za element, ki se prenaša. Šele po aktivaciji obeh receptorjev pride do konformacijskih sprememb proteina in difuzijska energijanatrij vnese transportirano snov v celico proti gradientu koncentracije.
Vrednost aktivnega transporta za celico
Če bi običajna difuzija snovi skozi membrano potekala poljubno dolgo, bi se njihove koncentracije zunaj in znotraj celice izenačile. In to je smrt za celice. Navsezadnje morajo vsi biokemični procesi potekati v okolju električne potencialne razlike. Brez aktivnega, proti koncentracijskemu gradientu, transporta snovi nevroni ne bi mogli prenašati živčnega impulza. In mišične celice bi izgubile sposobnost krčenja. Celica ne bi mogla vzdrževati osmotskega tlaka in bi propadla. In produkti presnove ne bi bili izločeni. In hormoni nikoli ne bi prišli v krvni obtok. Navsezadnje tudi ameba porabi energijo in ustvari potencialno razliko na svoji membrani z uporabo istih ionskih črpalk.
