Какво е активен транспорт. Активен транспорт на вещества

Активният транспорт е процес, при който една молекула трябва да се движи през мембрана, независимо от посоката на нейния концентрационен градиент. Най-често това се случва от област с по-ниска концентрация към област с по-висока и е съпроводено с увеличаване на свободната енергия, която е 5,71 logC2/C| kJ-mol-1.

Както беше посочено по-рано, това е процес на пренос на вещества от места с по-нисък електрохимичен потенциал към места с по-висока стойност.

Тъй като активният транспорт в мембраната е придружен от увеличаване на енергията на Гибс, той не може да се случи спонтанно, т.е. такъв процес изисква свързване с някаква спонтанна реакция. Като цяло, това може да бъде постигнато по два начина: 1) във връзка с процеса на хидролиза на АТФ, т.е. чрез изразходване на енергия, съхранявана във високоенергийни връзки; 2) медииран от мембранен потенциал и/или градиент на йонна концентрация в присъствието и мембраната на специфични транспортери.

В първия случай транспортът се осъществява с помощта на електрогенни йонни помпи, захранвани от свободната енергия на хидролизата на АТФ. Те се класифицират като специални системи от интегрални протеини и се наричат транспортни АТФази. Понастоящем са известни три типа електрогенни йонни помпи, които транспортират йони през мембраната: K+ - Na+ - ATPase, поради енергията, освободена по време на хидролизата на всяка ATP молекула, два калиеви йона се прехвърлят в клетката и три натриеви йона се изпомпват навън; в Са2+ - АТФаза, поради енергията на хидролиза на АТФ, се прехвърлят два калциеви йона; има два протона в Н+ помпата.

Във втория случай транспортът на веществата е вторичен, за който задълбочено са проучени три схеми.

Еднопосочният трансфер на йон в комбинация със специфичен носител се нарича еднопосочен. В този случай зарядът се пренася през мембраната или чрез комплекс, ако молекулата носител е електрически неутрална, или чрез празен носител, ако транспортът се осигурява от зареден носител. Резултатът от преноса ще бъде натрупването на йони поради намаляване на мембранния потенциал. Този ефект се наблюдава, когато калиеви йони се натрупват в присъствието на валиномицин в енергизирани митохондрии.

Насрещният пренос на йони с участието на една молекула-носител се нарича антипорт. Предполага се, че молекулата носител образува силен комплекс с всеки от прехвърлените йони. Трансферът се извършва на два етапа: първо, един йон пресича мембраната отляво надясно, след това вторият йон пресича в обратна посока. Мембранният потенциал не се променя. Очевидно движещата сила в този процес е разликата в концентрациите на един от прехвърлените йони. Ако първоначално не е имало разлика в концентрацията на втория йон, тогава резултатът от преноса ще бъде натрупването на втория йон поради намаляване на разликата в концентрациите на първия. Класически пример за антипорт е преносът на калиеви и водородни йони през клетъчната мембрана с участието на антибиотика нигирицин. Трябва да се отбележи, че повечето протеини-носители функционират като антипорт, т.е. движението на вещество през мембраната става възможно само в замяна на някакво доста специфично вещество, което има същия заряд, но се движи в обратна посока.

По този начин, освобождаването на който и да е основен компонент на клетката по градиента на концентрация може да контролира движението на настъпващо вещество срещу неговия градиент и да извършва „работа“, докато двете движещи сили се балансират.

Съвместният еднопосочен пренос на вещества с участието на двуместен транспортер се нарича симпорт. Предполага се, че мембраната може да съдържа две електрически неутрални частици: носител в комплекс с катион и анион и празен носител. Тъй като мембранният потенциал в такава транспортна система не се променя, транспортът може да бъде причинен от разлика в концентрациите на един от йоните. Смята се, че според схемата на симпорта следва, че този процес трябва да бъде придружен от значителна промяна в осмотичното равновесие, тъй като в един цикъл две частици се прехвърлят през мембраната в една и съща посока.

Благодарение на наличието на доста добре развити теории за механизмите на транспорт на йони и ендогенни органични вещества в клетката, стана възможно да се интерпретират данните, получени при експерименти с лекарства (раздел 6.3.3).

По аналогия с фиг. 6.10 активният транспорт може да бъде представен, както е показано на фиг. 6.11.

В този случай носителят С образува комплекс СА от външната страна на мембраната с лекарството (L). Той прониква през мембраната, отделяйки L от другата й страна. В случай на активен транспорт, концентрацията на L от вътрешната страна на мембраната може да бъде много по-голяма от концентрацията от външната страна. За разлика от пасивния транспорт (фиг. 6.10), комплексът SA, използвайки енергията на АТФ, се превръща в комплекс SA, който лесно се отделя от L (фиг. 6.11) Като се има предвид необходимостта от енергийни разходи за извършване на транспорта на SA към противоположната страна на мембраната, можем да приемем, че /(, (константа на разцепване) от вътрешната страна е по-голяма от K0. Това е така нареченото асиметрично разцепване на комплекса лекарство-носител.

Външна водна фаза

Концентрация [L]0 Активност (L)0

В живите организми активните транспортни механизми са широко разпространени и могат да се считат за една от основните функции на клетката. Например клетките имат висока концентрация на калий и ниска концентрация на натрий, за разлика от извънклетъчното пространство, където тези йони са в обратна връзка. Мембраните са свободно пропускливи за двата йона и асиметричното разпределение се поддържа чрез постоянно „изпомпване“ на натрий от клетката и на калий навътре. .Секрецията на HC1 в стомаха е истински активен транспорт на H+ и SG. Йодът се концентрира в щитовидната жлеза по подобен механизъм. Захарите се транспортират срещу по-високи концентрации в червата и проксималните бъбречни тубули. Аминокиселините се държат по подобен начин в червата, бъбреците, мускулите и мозъка. Секрецията на органични киселини (напа-аминобензоена, хипурова) от бъбречните тубули е активен транспортен процес.

Механизмът на активен транспорт е много специфичен, тъй като е създаден от природата, за да задоволи биологичната нужда на тялото от основни хранителни вещества или да отстрани от него продуктите на техния метаболизъм. Що се отнася до лекарствата, подложени на активен транспорт, в този случай те трябва да бъдат близки по химична структура до естествените вещества на тялото. Пиримидиновият аналог флуорафур и желязото се абсорбират чрез активен транспорт в червата. Използвайки същия механизъм, леводопа прониква през кръвно-мозъчната бариера. Бъбречните тубули отделят лекарства, принадлежащи към органични киселини и основи.

Обобщавайки разглеждането на механизмите на трансмембранния транспорт на веществата, е необходимо още веднъж да подчертаем, че в процеса на живот границите на клетката се пресичат от различни вещества, чиито потоци се регулират ефективно. Тази задача се изпълнява от клетъчната мембрана с транспортни системи, вградени в нея, включително йонни помпи, система от молекули-носители и високо селективни йонни канали.

На пръв поглед такова изобилие от системи за пренос изглежда ненужно, тъй като работата само на йонни помпи позволява да се осигурят характерните характеристики на биологичния транспорт: висока селективност, пренос на вещества срещу силите на дифузия и електрическо поле. Парадоксът обаче е, че броят на потоците, които трябва да се регулират, е безкрайно голям, а помпите са само три. В този случай механизмите на йонна конюгация, наречени вторичен активен транспорт, в които дифузионните процеси играят важна роля, стават особено важни. По този начин комбинацията от активен транспорт на вещества с явленията на дифузионен трансфер в клетъчната мембрана е основата, която осигурява жизнената активност на клетката.

Транспортирането на вещества в и извън клетката, както и между цитоплазмата и различни субклетъчни органели (митохондрии, ядро и др.) се осигурява от мембрани. Ако мембраните бяха солидна бариера, тогава вътреклетъчното пространство би било недостъпно за хранителни вещества и отпадъчните продукти не биха могли да бъдат отстранени от клетката. В същото време при пълна пропускливост натрупването на определени вещества в клетката би било невъзможно. Характеризират се транспортните свойства на мембраната полупропускливост : някои съединения могат да проникнат през него, докато други не могат:

Пропускливост на мембраната за различни вещества

Една от основните функции на мембраните е регулирането на преноса на вещества. Има два начина за транспортиране на вещества през мембрана: пасивен И активен транспорт:

Транспорт на вещества през мембрани

Пасивен транспорт. Ако дадено вещество се движи през мембрана от зона с висока концентрация до ниска концентрация (т.е. по градиента на концентрация на това вещество), без клетката да изразходва енергия, тогава такъв транспорт се нарича пасивен или дифузия . Има два вида дифузия: просто И лек .

Проста дифузияхарактерни за малки неутрални молекули (H2O, CO2, O2), както и за хидрофобни нискомолекулни органични вещества. Тези молекули могат да преминат без никакво взаимодействие с мембранните протеини през мембранните пори или канали, докато се поддържа градиентът на концентрация.

Улеснена дифузия. Характерни за хидрофилни молекули, които се транспортират през мембраната също по концентрационен градиент, но с помощта на специални мембранни протеини - носители. Улеснената дифузия, за разлика от простата дифузия, се характеризира с висока селективност, тъй като транспортният протеин има свързващ център, комплементарен на транспортираното вещество, и трансферът е придружен от конформационни промени в протеина. Един възможен механизъм за улеснена дифузия може да бъде следният: транспортен протеин ( транслоказа ) свързва вещество, след което се приближава до противоположната страна на мембраната, освобождава това вещество, приема първоначалната си конформация и отново е готово да изпълни транспортната функция. Малко се знае за това как се движи самият протеин. Друг възможен транспортен механизъм включва участието на няколко транспортни протеини. В този случай самото първоначално свързано съединение се придвижва от един протеин към друг, последователно се свързва с единия или другия протеин, докато не се окаже на противоположната страна на мембраната.

Активен транспортвъзниква, когато транспортът протича срещу концентрационен градиент. Такъв трансфер изисква разход на енергия от клетката. Активният транспорт служи за натрупване на вещества вътре в клетката. Източникът на енергия често е APR. За активен транспорт, освен източник на енергия, е необходимо участието на мембранни протеини. Една от активните транспортни системи в животинските клетки е отговорна за транспорта на Na+ и K+ йони през клетъчната мембрана. Тази система се нарича Na+ - K+ - помпа. Той отговаря за поддържането на състава на вътреклетъчната среда, в която концентрацията на K+ е по-висока от Na+:

Механизъм на действие на Na+, K+-АТФаза

Концентрационният градиент на калий и натрий се поддържа чрез преноса на K+ в клетката и Na+ навън. И двата транспорта се извършват срещу концентрационния градиент. Това разпределение на йони определя съдържанието на вода в клетките, възбудимостта на нервните клетки и мускулните клетки и други свойства на нормалните клетки. Na+ ,K+ -помпата е протеин - транспорт Азиатско-тихоокеанския регион . Молекулата на този ензим е олигомер и прониква през мембраната. По време на пълния цикъл на работа на помпата три Na+ йона се прехвърлят от клетката към междуклетъчното вещество, а два K+ йона се прехвърлят в обратна посока. Това използва енергията на АТФ молекулата. Има транспортни системи за пренос на калциеви йони (Са2+ - АТФази), протонни помпи (Н+ - АТФази) и др. Симпорт Това е активно пренасяне на вещество през мембрана, осъществявано от енергията на концентрационния градиент на друго вещество. Транспортната АТФаза в този случай има свързващи центрове и за двете вещества. Антипорт е движението на вещество срещу градиента на неговата концентрация. В този случай друго вещество се движи в обратна посока по своя градиент на концентрация. Симпорт И антипорт може да възникне по време на абсорбцията на аминокиселини от червата и реабсорбцията на глюкоза от първичната урина. В този случай се използва енергията на концентрационния градиент на Na+ йони, създадени от Na+, K+-АТФаза.

ДА СЕ мембранни протеиниТе включват протеини, които са вградени или свързани с клетъчната мембрана или мембраната на клетъчен органел. Около 25% от всички протеини са мембранни протеини.

[покажи]

Класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

Мембранните протеини могат да бъдат класифицирани според топологични или биохимични принципи. Топологичната класификация се основава на това колко пъти протеинът пресича липидния двоен слой. В съответствие с този критерий протеините се разделят на монотопен, битопиченИ политопичен:

· монотопенпротеините взаимодействат с една повърхност на мембраната и не я пресичат;

· битопиченпроникват през мембраната и взаимодействат с двете й повърхности;

· политопиченпроникват през мембраната няколко пъти (множество взаимодействия с липидите).

Ясно е, че първите принадлежат към периферните протеини, а вторият и третият към интегралните.

Различни категории политопни протеини. Мембранно свързване поради (1) единична трансмембранна алфа спирала, (2) множество трансмембранни алфа спирали, (3) структура на бета-лист.

Различни категории интегрални монотопни протеини. Свързване към мембраната поради (1) амфипатична алфа спирала, успоредна на равнината на мембраната, (2) хидрофобна бримка, (3) ковалентно свързан остатък от мастна киселина, (4) електростатично взаимодействие (директно или медиирано от калций) .

Топологична класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

По отношение на мембраната мембранните протеини се делят на поли- и монотопни.

· Политопни или трансмембранни протеининапълно проникват в мембраната и по този начин взаимодействат с двете страни на липидния двоен слой. Обикновено трансмембранният фрагмент на протеин е алфа спирала, състояща се от хидрофобни аминокиселини (възможно от 1 до 20 такива фрагмента). Само в бактериите, както и в митохондриите и хлоропластите, трансмембранните фрагменти могат да бъдат организирани като бета-листова структура (от 8 до 22 оборота на полипептидната верига).

· Интегрални монотопни протеинитрайно вградени в липидния двоен слой, но свързани с мембраната само от едната страна, без да проникват в противоположната страна.

Биохимична класификация[редактиране | редактиране на wiki текст]

Според биохимичната класификация мембранните протеини се разделят на интегралнаИ периферен.

· Интегрални мембранни протеиниздраво вградени в мембраната и могат да бъдат отстранени от липидната среда само с помощта на детергенти или неполярни разтворители. По отношение на липидния двоен слой интегралните протеини могат да бъдат трансмембранни политопни или интегрални монотопни.

· Протеини на периферната мембранаса монотопни протеини. Те са или слабо свързани с липидната мембрана, или се свързват с интегрални протеини поради хидрофобни, електростатични или други нековалентни сили. По този начин, за разлика от интегралните протеини, те се дисоциират от мембраната, когато се третират с подходящ воден разтвор (напр. ниско или високо pH, висока концентрация на сол или хаотропен агент). Тази дисоциация не изисква разрушаване на мембраната.

Мембранните протеини могат да бъдат интегрирани в мембраната поради остатъци от мастна киселина или пренил или гликозилфосфатидилинозитол, прикрепени към протеина по време на тяхната пост-транслационна модификация.

7) Въглехидратната част на гликолипидите и гликопротеините на плазмената мембрана винаги е разположена на външната повърхност на мембраната, в контакт с междуклетъчното вещество. Въглехидратите на плазмената мембрана действат като специфични лиганди за протеините. Те образуват места за разпознаване, към които се прикрепят определени протеини; прикрепеният протеин може да промени функционалното състояние на клетката.

Функции на въглехидратите.

Във външната мембрана на червените кръвни клетки някои полизахариди съдържат N-ацетилневраминова киселина в краищата на техните вериги. Ако еритроцитите се изолират от кръвта, третират се in vitro с невраминидаза, която разцепва N-ацетилневраминовата киселина от мембранните въглехидрати, и се въвеждат отново в кръвта на същото животно, се установява, че полуживотът на такива еритроцити в кръвта намалява няколко пъти. пъти: те се задържат в далака и се унищожават . Както се оказа, клетките на далака имат рецептор, който разпознава въглехидрати, които са загубили крайните остатъци от невраминова киселина. Възможно е такъв механизъм да осигури селекцията на "остарели" червени кръвни клетки от далака и тяхното унищожаване.
Известно е, че в суспензия от клетки, изолирани от всяка тъкан, след известно време се образуват клетъчни агрегати и всеки агрегат, като правило, съдържа клетки от същия тип. Например, в суспензия от клетки, получени от гаструлата, се образуват три вида агрегати: всеки от тях съдържа клетки, принадлежащи към един и същи зародишен лист - ектодерма, мезодерма или ендодерма. Разпознаването между клетките се осигурява по-специално чрез взаимодействието на мембранните въглехидрати на една клетка с рецепторните протеини на друга клетка (фиг. 9.39). Тези механизми за разпознаване могат да бъдат включени в процеси като хистогенеза и морфогенеза. Съществуват обаче и други механизми, които осигуряват междуклетъчните контакти.
Полизахаридите на клетъчната мембрана, заедно с протеините, действат като антигени по време на развитието на клетъчния имунитет, включително по време на отхвърляне на трансплантант. Те също така служат като места за разпознаване, когато са заразени от патогенни вируси и микроорганизми. Например, когато грипният вирус навлезе в клетка, той първо се прикрепя към нейната мембрана, взаимодействайки с полизахарид с определена структура.

8) клетъчните мембрани имат селективна пропускливост: глюкоза, аминокиселини, мастни киселини, глицерол и йони бавно дифундират през тях, а самите мембрани до известна степен активно регулират този процес - някои вещества преминават, но други не. Има четири основни механизма за навлизане на вещества в клетката или тяхното отстраняване от клетката навън: дифузия, осмоза, активен транспорт и екзо- или ендоцитоза. Първите два процеса са пасивни по природа, тоест не изискват енергия; последните два са активни процеси, свързани с потреблението на енергия.

Селективната пропускливост на мембраната при пасивен транспорт се дължи на специални канали - интегрални протеини. Те проникват през мембраната, образувайки своеобразен проход. Елементите K, Na и Cl имат свои собствени канали. Спрямо градиента на концентрацията, молекулите на тези елементи се движат навътре и извън клетката. При дразнене натриевите йонни канали се отварят и се получава внезапен приток на натриеви йони в клетката. В този случай възниква дисбаланс на мембранния потенциал. След което мембранният потенциал се възстановява. Калиевите канали са винаги отворени, което позволява на калиевите йони бавно да навлизат в клетката.

Активният транспорт на вещества протича срещу общия (генерализиран) градиент. Това означава, че прехвърлянето на вещество става от места с по-ниска стойност на електрохимичния потенциал към места с по-висока стойност.

Активният транспорт не може да възникне спонтанно, а само във връзка с процеса на хидролиза на аденозинтрифосфорната киселина (АТФ), т.е. поради изразходването на енергия, съхранявана във високоенергийните връзки на молекулата на АТФ.

Активният транспорт на веществата през биологичните мембрани е от голямо значение. Благодарение на активния транспорт в тялото се създават градиенти на концентрация, градиенти на електрически потенциал, градиенти на налягане и др., които поддържат жизнените процеси, тоест от гледна точка на термодинамиката активният транспорт поддържа тялото в неравновесно състояние, осигуряване на нормалното протичане на жизнените процеси.

За извършване на активен пренос, в допълнение към източника на енергия, е необходимо наличието на определени структури. Съгласно съвременните концепции биологичните мембрани съдържат йонни помпи, които работят с енергията на хидролизата на АТФ или така наречените транспортни АТФази, представени от протеинови комплекси.

Понастоящем са известни три типа електрогенни йонни помпи, които активно транспортират йони през мембраната. Това са K + -Na + -ATPase в цитоплазмените мембрани (K + -Na + -помпа), Ca 2+ - ATPase (Ca 2+ -помпа) и H + - ATPase в енергийно-свързващите мембрани на митохондриите (H + - помпа или протонна помпа).

Преносът на йони чрез транспортни АТФази възниква поради свързването на процесите на пренос с химични реакции, дължащи се на енергията на клетъчния метаболизъм.

Когато K + -Na + -ATPase работи, поради енергията, освободена по време на хидролизата на всяка ATP молекула, два калиеви йона се прехвърлят в клетката и три натриеви йона се изпомпват едновременно от клетката. Това създава повишена концентрация на калиеви йони в клетката в сравнение с междуклетъчната среда и намалена концентрация на натрий, което е от голямо физиологично значение.

Благодарение на енергията на хидролизата на АТФ, два калциеви йона се прехвърлят към Ca 2+ -ATPase и два протона се прехвърлят към Н + помпата.

Молекулярният механизъм на действие на йонните АТФази не е напълно разбран. Все пак основните етапи на този сложен ензимен процес могат да бъдат проследени. В случая на K + -Na + -ATPase (нека го обозначим с E за краткост), има седем етапа на йонен трансфер, свързани с хидролизата на АТФ. Обозначенията Е 1 и Е 2 съответстват на местоположението на активния център на ензима върху вътрешната и външната повърхност на мембраната (АДФ-аденозин дифосфат, Р - неорганичен фосфат, звездичката показва активирания комплекс):

1) E + ATP à E*ATP,

2) E*ATP + 3Naà [E*ATP]*Na 3,

3) [E*ATP]*Nа 3 à *Na 3 + ADP,

4) *Na 3 à *Na 3 ,

5) *Na 3 + 2K à *K 2 + 3Na,

6) *K 2 до *K 2,

7) *K 2 à E + P + 2K.

Диаграмата показва, че ключовите етапи на ензима са: 1) образуването на комплекс от ензима с АТФ върху вътрешната повърхност на мембраната (тази реакция се активира от магнезиевите йони); 2) свързване на три натриеви йона от комплекса; 3) фосфорилиране на ензима с образуването на аденозин дифосфат; 4) промяна в конформацията на ензима вътре в мембраната; 5) реакцията на йонен обмен на натрий с калий, протичаща на външната повърхност на мембраната; 6) обратна промяна в конформацията на ензимния комплекс с прехвърлянето на калиеви йони в клетката и 7) връщане на ензима в първоначалното му състояние с освобождаване на калиеви йони и неорганичен фосфат. Така по време на пълен цикъл три натриеви йона се освобождават от клетката, цитоплазмата се обогатява с два калиеви йона и настъпва хидролиза на една молекула АТФ.

В допълнение към йонните помпи, разгледани по-горе, са известни подобни системи, при които натрупването на вещества не е свързано с хидролизата на АТФ, а с работата на редокс ензимите или фотосинтезата. Транспортът на веществата в този случай е вторичен, медииран от мембранен потенциал и (или) градиент на йонна концентрация в присъствието на специфични носители в мембраната. Този транспортен механизъм се нарича вторичен активен транспорт. В плазмените и субклетъчните мембрани на живите клетки е възможно едновременното функциониране на първичен и вторичен активен транспорт. Този механизъм на прехвърляне е особено важен за онези метаболити, за които няма помпи (захари, аминокиселини).

Съвместният еднопосочен транспорт на йони, включващ транспортер от две места, се нарича симпорт. Предполага се, че мембраната може да съдържа носител в комплекс с катион и анион и празен носител. Тъй като мембранният потенциал не се променя в такава схема на трансфер, трансферът може да бъде причинен от разлика в концентрациите на един от йоните. Смята се, че схемата на симпорт се използва за натрупване на аминокиселини в клетките.

Изводи и заключения.

По време на живота клетъчните граници се пресичат от различни вещества, чиито потоци се регулират ефективно. Тази задача се изпълнява от клетъчната мембрана с транспортни системи, вградени в нея, включително йонни помпи, система от молекули-носители и високо селективни йонни канали.

Разработено от ръководителя на катедрата по биологична и медицинска физика, кандидат на физико-математическите науки, доцент Новикова Н.Г.

Активен транспорт- това е пренасяне на вещество от места с по-нисък електрохимичен потенциал към места с по-висока стойност.

Активният транспорт в мембраната е придружен от увеличаване на енергията на Гибс; това не може да се случи спонтанно, а само във връзка с процеса на хидролиза на аденозинтрифосфорна киселина (АТФ), т.е. поради изразходването на енергия, съхранявана във високо- енергийни връзки на АТФ.

Активният транспорт на веществата през биологичните мембрани е от голямо значение. Благодарение на активния транспорт в тялото се създават градиенти на концентрация, градиенти на електрически потенциал, градиенти на налягане и др., поддържащи жизнените процеси, т.е. от гледна точка на термодинамиката активният трансфер поддържа организма в неравновесно състояние и поддържа живота.

Наличието на активен транспорт на вещества през биологични мембрани е доказано за първи път в експериментите на Ussing (1949), като се използва примерът за пренос на натриеви йони през кожата на жаба (фиг. 12).

Ориз. 12.Схема на експериментите на Ussing (A - амперметър, V - волтметър, B - батерия, P - потенциометър)

Експерименталната камера на Ussing, пълна с нормален разтвор на Ringer, беше разделена на две части с прясно изолирана жабешка кожа. На фиг. 12, отляво - външната мукозна повърхност на кожата, отдясно - вътрешната серозна. Наблюдавани са потоци от натриеви йони през кожата на жаба: отляво надясно от външната към вътрешната повърхност и отдясно наляво от вътрешната към външната повърхност.

От уравнението на Теорел, което описва пасивния транспорт, следва Уравнение на Узинг-Теорелза съотношението на тези потоци в случай на пасивен транспорт:

J m,in /j m,nar = (Без вън /С вътре)×e ZF j / RT

Върху кожата на жаба, разделяща разтвора на Рингер, възниква потенциална разлика (j in - j nar) - вътрешната страна на кожата има положителен потенциал по отношение на външната. Инсталацията на Ussing (фиг. 12) имаше устройство за компенсиране на напрежението, с помощта на което потенциалната разлика върху кожата на жабата беше настроена на нула, което се контролираше от волтметър. Същата концентрация на йони се поддържа от външната и вътрешната страна: C out = C out.

При тези условия, ако преносът на натрий през кожата на жаба се определя само от пасивен транспорт, тогава според уравнението на Ussing-Theorell потоците j m, in и j m, nar са равни един на друг: j m, in = й м, нар

Общият поток през мембраната ще бъде нула.

С помощта на амперметър беше открито, че при експериментални условия (отсъствието на градиенти на електрически потенциал и концентрация) през кожата на жабата протича електрически ток I, следователно се получава еднопосочен трансфер на заредени частици. Установено е, че през кожата протича ток от външната към вътрешната среда.

Експерименталните данни неопровержимо показват, че транспортирането на натриеви йони през кожата на жаба не се подчинява на уравнението на пасивния транспорт. Следователно се извършва активен трансфер.

Електрогенни йонни помпи

Според съвременните представи биологичните мембрани съдържат йонни помпи,работещи за сметка на свободната енергия на хидролизата на АТФ - специални системи от интегрални протеини (транспортни АТФази).

Понастоящем са известни три типа електрогенни йонни помпи, които активно пренасят йони през мембраната (фиг. 13).

Благодарение на енергията на хидролизата на АТФ, два калциеви йона се прехвърлят към Ca 2+ -ATPase и два протона се прехвърлят към H + -помпата.

Фиг.13. Видове йонни помпи: а) K + -Na + - АТФаза в цитоплазмените мембрани

(K + -Na + -помпа); б) - Ca 2+ -ATPase (Ca 2+ -помпа); в) - H + -ATPase в енергийно-свързващите мембрани на митохондриите и хлоропластите (H + -помпа или протонна помпа)

Молекулярният механизъм на действие на йонните АТФази не е напълно разбран. Въпреки това основните етапи на този сложен ензимен процес могат да бъдат проследени. В случая на K + -Na + -ATPase има седем етапа на йонен трансфер, свързани с хидролизата на АТФ.

Диаграмата показва, че ключовите етапи на ензима са:

1) образуване на ензимен комплекс с АТФ на вътрешната повърхност на мембраната (тази реакция се активира от магнезиеви йони);

2) свързване на три натриеви йона от комплекса;

3) фосфорилиране на ензима с образуването на аденозин дифосфат;

4) революция (flip-flop) на ензима вътре в мембраната;

5) реакцията на йонен обмен на натрий с калий, протичаща на външната повърхност на мембраната;

6) обратна революция на ензимния комплекс с прехвърляне на калиеви йони в клетката;

7) връщане на ензима в първоначалното му състояние с освобождаване на калиеви йони и неорганичен фосфат (P).

Така по време на пълен цикъл три натриеви йона се освобождават от клетката, цитоплазмата се обогатява с два калиеви йона и настъпва хидролиза на една молекула АТФ.

Вторичен активен транспорт на йони.

В допълнение към йонните помпи, разгледани по-горе, са известни подобни системи, при които натрупването на вещества не е свързано с хидролизата на АТФ, а с работата на редокс ензимите или фотосинтезата. Транспортът на вещества в този случай е вторичен, медииран от мембранния потенциал и/или йонния концентрационен градиент при наличие на специфични носители в мембраната. Този транспортен механизъм се нарича вторичен активен транспорт. Този механизъм е разгледан най-подробно от Peter Mitchell (1966) в хемиосмотичната теория за окислителното фосфорилиране. В плазмените и субклетъчните мембрани на живите клетки е възможно едновременното функциониране на първичен и вторичен активен транспорт. Пример за това е вътрешната мембрана на митохондриите. Инхибирането на АТФ-азата в него не лишава частицата от способността да натрупва вещества поради вторичен активен транспорт. Този метод на натрупване е особено важен за тези метаболити, за които няма помпи (захари, аминокиселини).

Понастоящем са проучени достатъчно задълбочено три схеми на вторичен активен транспорт. Нека разгледаме транспортирането на едновалентни йони с участието на молекули-носители. Това означава, че транспортерът, в натоварено или ненатоварено състояние, преминава през мембраната еднакво добре. Източникът на енергия е мембранният потенциал и/или концентрационният градиент на един от йоните. Веригите са показани на фиг. 14. Нарича се еднопосочен пренос на йон в комплекс със специфичен носител унипорт . В този случай зарядът се пренася през мембраната или чрез комплекс, ако молекулата носител е електрически неутрална, или чрез празен носител, ако преносът се осигурява от зареден носител. Резултатът от преноса ще бъде натрупването на йони поради намаляване на мембранния потенциал. Този ефект се наблюдава, когато калиеви йони се натрупват в присъствието на валиномицин в енергизирани митохондрии.

Нарича се насрещен пренос на йони с участието на една молекула носител антипорт . Предполага се, че молекулата носител образува силен комплекс с всеки от прехвърлените йони. Трансферът се извършва на два етапа: първо, един йон пресича мембраната отляво надясно, след това вторият йон пресича в обратна посока. Мембранният потенциал не се променя. Каква е движещата сила зад този процес? Очевидно разликата в концентрациите на един от прехвърлените йони. Ако първоначално не е имало разлика в концентрацията на втория йон, тогава резултатът от преноса ще бъде натрупването на втория йон поради намаляване на разликата в концентрациите на първия. Класически пример за антипорт е преносът на калиеви и водородни йони през клетъчната мембрана с участието на антибиотичната молекула нигерицин.

Нарича се съвместен еднопосочен транспорт на йони с участието на двуместен транспортер симпорт . Предполага се, че мембраната може да съдържа две електрически неутрални частици: носител, комплексиран с катион и анион, и празен носител. Тъй като мембранният потенциал не се променя в такава схема на трансфер, трансферът може да бъде причинен от разлика в концентрациите на един от йоните. Смята се, че схемата на симпорт се използва за натрупване на аминокиселини в клетките. Калиево-натриевата помпа (фиг. 13) създава начален концентрационен градиент на натриеви йони, които след това, според схемата на симпорта, допринасят за натрупването на аминокиселини. От схемата на симпорта следва, че този процес трябва да бъде придружен от значителна промяна в осмотичното равновесие, тъй като в един цикъл две частици се прехвърлят през мембраната в една и съща посока.

Фиг. 14. Основни схеми на вторичен активен йонен транспорт

На пръв поглед такова изобилие от системи за пренос изглежда ненужно, тъй като работата само на йонни помпи позволява да се осигурят характерните характеристики на биологичния транспорт: висока селективност, пренос на вещества срещу силите на дифузия и електрическо поле. Парадоксът обаче е, че броят на потоците, които трябва да се регулират, е безкрайно голям, а помпите са само три. В този случай механизмите на йонна конюгация, наречени вторичен активен транспорт, в които дифузионните процеси играят важна роля, стават особено важни. По този начин комбинацията от активен транспорт на вещества с явленията на дифузионен трансфер в клетъчната мембрана осигурява жизнената активност на клетката.

Клетката е структурна единица на целия живот на нашата планета и отворена система. Това означава, че животът му изисква постоянен обмен на вещества и енергия с околната среда. Този обмен се осъществява през мембраната - основната граница на клетката, която е предназначена да запази нейната цялост. Чрез мембраната се осъществява клетъчният обмен и той се осъществява или по протежение на концентрационния градиент на дадено вещество, или срещу него. Активният транспорт през цитоплазмената мембрана е сложен и енергоемък процес.

Мембрана - бариера и шлюз

Цитоплазмената мембрана е част от много клетъчни органели, пластиди и включвания. Съвременната наука се основава на флуидния мозаечен модел на структурата на мембраната. Активен транспорт на вещества през мембраната е възможен благодарение на нейната специфична структура. Основата на мембраните се формира от липиден двоен слой - това са главно фосфолипиди, подредени в съответствие с техните. Основните свойства на липидния двоен слой са течливост (способност за вмъкване и загуба на участъци), самосглобяване и асиметрия. Вторият компонент на мембраните са протеините. Техните функции са разнообразни: активен транспорт, рецепция, ферментация, разпознаване.

Протеините са разположени както на повърхността на мембраната, така и вътре, а някои проникват в нея няколко пъти. Свойството на протеините в мембраната е способността да се движат от едната страна на мембраната към другата (скок „джапанка“). И последният компонент са захаридните и полизахаридните вериги от въглехидрати на повърхността на мембраните. Техните функции са спорни и днес.

Видове активен транспорт на вещества през мембраната

Активен ще бъде преносът на вещества през клетъчната мембрана, който се контролира, протича с разход на енергия и върви срещу градиента на концентрация (веществата се прехвърлят от зона с ниска концентрация в област с висока концентрация). В зависимост от използвания енергиен източник се разграничават следните видове транспорт:

Първично активен (източник на енергия - хидролиза до аденозин дифосфор ADP).
Вторично активен (осигурен от вторична енергия, създадена в резултат на работата на механизмите на първичния активен транспорт на вещества).

Помощни протеини

И в първия, и във втория случай транспортът е невъзможен без протеини-носители. Тези транспортни протеини са много специфични и са предназначени да транспортират специфични молекули, а понякога дори специфичен тип молекула. Това е доказано експериментално с помощта на мутирали бактериални гени, което води до невъзможност за активен транспорт на определен въглехидрат през мембраната. Трансмембранните транспортни протеини могат да бъдат самите носители (те взаимодействат с молекули и директно ги пренасят през мембраната) или каналообразуващи протеини (те образуват пори в мембраните, които са отворени за специфични вещества).

Натриева и калиева помпа

Най-изследваният пример за първичен активен транспорт на вещества през мембрана е Na+ -, K+ -помпата. Този механизъм осигурява разликата в концентрациите на Na+ и K+ йони от двете страни на мембраната, което е необходимо за поддържане на осмотичното налягане в клетката и други метаболитни процеси. Трансмембранният транспортен протеин, натриево-калиевата АТФаза, се състои от три части:

От външната страна на мембраната протеинът има два рецептора за калиеви йони.
От вътрешната страна на мембраната има три рецептора за натриеви йони.
Вътрешната част на протеина има АТФ активност.

Когато два калиеви йона и три натриеви йона се свържат с протеинови рецептори от двете страни на мембраната, активността на АТФ се активира. Молекулата на АТФ се хидролизира до АДФ с освобождаване на енергия, която се изразходва за преноса на калиеви йони навътре и натриеви йони навън от цитоплазмената мембрана. Смята се, че ефективността на такава помпа е повече от 90%, което само по себе си е доста изненадващо.

За справка: ефективността на двигателя с вътрешно горене е около 40%, на електрическия - до 80%. Интересното е, че помпата може да работи и в обратна посока и да служи като донор на фосфат за синтеза на АТФ. Някои клетки (например неврони) обикновено изразходват до 70% от общата си енергия за отстраняване на натрий от клетката и изпомпване на калиеви йони вътре. Помпите за калций, хлор, водород и някои други катиони (йони с положителен заряд) работят на същия принцип на активен транспорт. Не са открити такива помпи за аниони (отрицателно заредени йони).

Котранспорт на въглехидрати и аминокиселини

Пример за вторичен активен транспорт е преносът на глюкоза, аминокиселини, йод, желязо и пикочна киселина в клетките. В резултат на работата на калиево-натриевата помпа се създава градиент на концентрациите на натрий: концентрацията е висока отвън и ниска вътре (понякога 10-20 пъти). Натрият има тенденция да дифундира в клетката и енергията от тази дифузия може да се използва за транспортиране на вещества навън. Този механизъм се нарича котранспорт или свързан активен транспорт. В този случай протеинът носител има два рецепторни центъра отвън: единият за натрия, а другият за транспортирания елемент. Само след активиране на двата рецептора протеинът претърпява конформационни промени и енергията на натриева дифузия въвежда транспортираното вещество в клетката срещу градиента на концентрация.

Значението на активния транспорт за клетката

Ако обичайната дифузия на веществата през мембраната продължи за известно време, техните концентрации извън и вътре в клетката биха се изравнили. А това е смърт за клетките. В края на краищата всички биохимични процеси трябва да протичат в среда на разлика в електрическия потенциал. Без активен, анти-транспорт на вещества, невроните не биха могли да предават нервни импулси. И мускулните клетки биха загубили способността си да се съкращават. Клетката не би могла да поддържа осмотично налягане и би се разпаднала. И метаболитните продукти няма да се изхвърлят. И хормоните никога няма да влязат в кръвта. В края на краищата дори амебата изразходва енергия и създава потенциална разлика върху мембраната си, използвайки същите йонни помпи.