Šūna ir visas mūsu planētas dzīvības struktūrvienība un atvērta sistēma. Tas nozīmē, ka tā dzīvei ir nepieciešama pastāvīga vielas un enerģijas apmaiņa ar vidi. Šī apmaiņa tiek veikta caur membrānu - galveno šūnas robežu, kas paredzēta tās integritātes saglabāšanai. Caur membrānu notiek šūnu vielmaiņa, kas iet vai nu pa vielas koncentrācijas gradientu, vai pret to. Aktīva transportēšana pa citoplazmas membrānu ir sarežģīts un energoietilpīgs process.
Membrāna - barjera un vārteja
Citoplazmas membrāna ir daļa no daudzām šūnu organellām, plastidiem un ieslēgumiem. Mūsdienu zinātnes pamatā ir membrānas struktūras šķidrās mozaīkas modelis. Vielu aktīva transportēšana cauri membrānai iespējama, pateicoties tākonkrēta ēka. Membrānu pamatu veido lipīdu divslānis - galvenokārt fosfolipīdi, kas sakārtoti atbilstoši to hidrofili-hidrofobajām īpašībām. Lipīdu divslāņu galvenās īpašības ir plūstamība (spēja iegult un zaudēt vietas), pašsavienošanās un asimetrija. Otrā membrānu sastāvdaļa ir olb altumvielas. To funkcijas ir dažādas: aktīva transportēšana, uztveršana, fermentācija, atpazīšana.
Proteīni atrodas gan uz membrānu virsmas, gan iekšpusē, un daži no tiem tajā iekļūst vairākas reizes. Olb altumvielu īpašība membrānā ir spēja pārvietoties no vienas membrānas puses uz otru ("flip-flop" lēciens). Un pēdējais komponents ir ogļhidrātu saharīdu un polisaharīdu ķēdes uz membrānu virsmas. To funkcijas joprojām ir pretrunīgas.
Vielu aktīvās transportēšanas veidi pa membrānu
Aktīva būs tāda vielu pārnešana caur šūnu membrānu, kas tiek kontrolēta, notiek ar enerģijas izmaksām un ir pretrunā koncentrācijas gradientam (vielas tiek pārvietotas no zemas koncentrācijas zonas uz apgabalu augsta koncentrācija). Atkarībā no izmantotā enerģijas avota izšķir šādus transporta veidus:
- Primārais aktīvs (enerģijas avots - adenozīntrifosforskābes ATP hidrolīze par adenozīndifosforskābi ADP).
- Sekundāri aktīvs (nodrošināts ar sekundāro enerģiju, kas rodas vielu primārās aktīvās transportēšanas mehānismu rezultātā).
Proteīni-palīgi
Gan pirmajā, gan otrajā gadījumā transportēšana nav iespējama bez nesējproteīniem. Šie transporta proteīni ir ļoti specifiski un paredzēti noteiktu molekulu un dažkārt pat noteiktu molekulu veidu pārnēsāšanai. Tas tika eksperimentāli pierādīts ar mutētiem baktēriju gēniem, kas noveda pie neiespējamības aktīvai transportēšanai caur noteiktu ogļhidrātu membrānu. Transmembrānas transportētāji var būt pašpārvadātāji (tie mijiedarbojas ar molekulām un tieši pārnes tās cauri membrānai) vai kanālu veidojošie (veido poras membrānās, kas ir atvērtas noteiktām vielām).
Nātrija un kālija sūknis
Visvairāk pētītais piemērs primārajai aktīvajai vielu transportēšanai cauri membrānai ir Na+ -, K+ -sūknis. Šis mehānisms nodrošina Na+ un K+ jonu koncentrāciju atšķirību abās membrānas pusēs, kas nepieciešama osmotiskā spiediena uzturēšanai šūnā un citos vielmaiņas procesos. Transmembrānas nesējproteīns, nātrija-kālija ATPāze, sastāv no trim daļām:
- Proteīna membrānas ārējā pusē ir divi kālija jonu receptori.
- Membrānas iekšpusē ir trīs nātrija jonu receptori.
- Proteīna iekšējai daļai ir ATP aktivitāte.
Kad divi kālija joni un trīs nātrija joni saistās ar olb altumvielu receptoriem abās membrānas pusēs, tiek ieslēgta ATP aktivitāte. ATP molekula tiek hidrolizēta par ADP, atbrīvojot enerģiju, kas tiek tērēta kālija jonu transportēšanaiiekšpusē un nātrija jonus ārpus citoplazmas membrānas. Tiek lēsts, ka šāda sūkņa efektivitāte ir vairāk nekā 90%, kas pats par sevi ir diezgan pārsteidzošs.
Uzziņai: Iekšdedzes dzinēja efektivitāte ir aptuveni 40%, elektriskā - līdz 80%. Interesanti, ka sūknis var darboties arī pretējā virzienā un kalpot kā fosfātu donors ATP sintēzei. Dažām šūnām (piemēram, neironiem) līdz 70% no visas enerģijas tiek tērēta nātrija izvadīšanai no šūnas un kālija jonu iesūknēšanai tajā. Kalcija, hlora, ūdeņraža un dažu citu katjonu (jonu ar pozitīvu lādiņu) sūkņi darbojas pēc tāda paša aktīvā transporta principa. Anjoniem (negatīvi lādētiem joniem) šādi sūkņi nav atrasti.
Ogļhidrātu un aminoskābju koptransports
Sekundārā aktīvā transporta piemērs ir glikozes, aminoskābju, joda, dzelzs un urīnskābes pārnešana šūnās. Kālija-nātrija sūkņa darbības rezultātā tiek izveidots nātrija koncentrāciju gradients: ārpusē koncentrācija ir augsta, bet iekšpusē - zema (dažreiz 10-20 reizes). Nātrijam ir tendence izkliedēties šūnā, un šīs difūzijas enerģiju var izmantot vielu transportēšanai. Šo mehānismu sauc par koptransportu vai savienoto aktīvo transportu. Šajā gadījumā nesējproteīna ārpusē ir divi receptoru centri: viens nātrijam un otrs transportējamajam elementam. Tikai pēc abu receptoru aktivizēšanas proteīnā notiek konformācijas izmaiņas un difūzijas enerģijanātrijs ievada transportēto vielu šūnā pret koncentrācijas gradientu.
Aktīvā transporta vērtība šūnai
Ja parastā vielu difūzija caur membrānu noritētu patvaļīgi ilgu laiku, to koncentrācija šūnā un ārpusē izlīdzinātu. Un tā ir šūnu nāve. Galu galā visiem bioķīmiskajiem procesiem jānotiek elektrisko potenciālu starpības vidē. Bez aktīvas, pret koncentrācijas gradientu, vielu transportēšanas, neironi nespētu pārraidīt nervu impulsu. Un muskuļu šūnas zaudētu spēju sarauties. Šūna nespētu uzturēt osmotisko spiedienu un sabruktu. Un vielmaiņas produkti netiktu iznesti. Un hormoni nekad nenonāktu asinsritē. Galu galā pat amēba tērē enerģiju un rada potenciālu atšķirību savā membrānā, izmantojot tos pašus jonu sūkņus.
