Aktif taşıma nedir? Maddelerin aktif taşınması

Aktif taşıma, bir molekülün konsantrasyon gradyanının yönüne bakılmaksızın bir zar boyunca hareket etmesi gereken bir işlemdir. Çoğunlukla bu durum, konsantrasyonun düşük olduğu bölgeden yüksek olduğu bölgeye doğru meydana gelir ve buna serbest enerjide 5,71 logC2/C| artışı eşlik eder. kJ-mol-1.

Daha önce de belirtildiği gibi bu, maddelerin elektrokimyasal potansiyeli daha düşük olan yerlerden değeri daha yüksek olan yerlere aktarılması işlemidir.

Membrandaki aktif taşınmaya Gibbs enerjisinde bir artış eşlik ettiğinden bu kendiliğinden gerçekleşemez, yani böyle bir işlem bazı kendiliğinden reaksiyonlarla eşleşmeyi gerektirir. Genel olarak bu, iki yolla gerçekleştirilebilir: 1) ATP hidrolizi süreciyle birlikte, yani yüksek enerjili bağlarda depolanan enerjinin harcanması yoluyla; 2) spesifik taşıyıcıların mevcudiyetinde ve membranında membran potansiyeli ve/veya iyon konsantrasyonu gradyanının aracılık ettiği.

İlk durumda taşıma, ATP hidrolizinin serbest enerjisiyle çalışan elektrojenik iyon pompaları kullanılarak gerçekleştirilir. Bunlar, integral proteinlerin özel sistemleri olarak sınıflandırılır ve taşıma ATPazları olarak adlandırılır. Şu anda, iyonları zar boyunca taşıyan üç tip elektrojenik iyon pompası bilinmektedir: K+ - Na+ - ATPaz, her ATP molekülünün hidrolizi sırasında açığa çıkan enerji nedeniyle hücreye iki potasyum iyonu aktarılır ve üç sodyum iyonu pompalanır. dışarı; Ca2+ - ATPaz'da, ATP hidrolizinin enerjisi nedeniyle iki kalsiyum iyonu aktarılır; H+ pompasında iki proton vardır.

İkinci durumda, üç şemanın derinlemesine incelendiği maddelerin taşınması ikincildir.

Bir iyonun belirli bir taşıyıcıyla kombinasyon halinde tek yönlü transferine tek kapı denir. Bu durumda yük, taşıyıcı molekül elektriksel olarak nötr ise bir kompleks tarafından veya taşıma yüklü bir taşıyıcı tarafından sağlanıyorsa boş bir taşıyıcı tarafından membran boyunca aktarılır. Transferin sonucu, membran potansiyelinin azalmasına bağlı olarak iyonların birikmesi olacaktır. Bu etki, enerji verilmiş mitokondride valinomisin varlığında potasyum iyonları biriktiğinde gözlenir.

Tek bir taşıyıcı molekülün katılımıyla iyonların karşı transferine antiport denir. Taşıyıcı molekülün aktarılan iyonların her biri ile güçlü bir kompleks oluşturduğu varsayılmaktadır. Transfer iki aşamada gerçekleşir: İlk önce bir iyon membranı soldan sağa geçer, ardından ikinci iyon ters yönde geçer. Membran potansiyeli değişmez. Görünüşe göre bu süreçteki itici güç, aktarılan iyonlardan birinin konsantrasyonundaki farktır. Başlangıçta ikinci iyonun konsantrasyonunda bir fark yoksa, transferin sonucu, birincinin konsantrasyonlarındaki farkın azalması nedeniyle ikinci iyonun birikmesi olacaktır. Antiportun klasik bir örneği, antibiyotik nigirisinin katılımıyla potasyum ve hidrojen iyonlarının hücre zarı boyunca aktarılmasıdır. Taşıyıcı proteinlerin çoğunun bir antiport olarak işlev gördüğüne dikkat edilmelidir, yani bir maddenin zardan hareketi, yalnızca aynı yüke sahip olan ancak ters yönde hareket eden oldukça spesifik bir madde karşılığında mümkün olur.

Böylece, hücrenin herhangi bir ana bileşeninin bir konsantrasyon gradyanı boyunca salınması, yaklaşan bir maddenin gradyanına karşı hareketini kontrol edebilir ve her iki itici güç dengelenene kadar "iş" gerçekleştirebilir.

İki kişilik bir taşıyıcının katılımıyla maddelerin ortak tek yönlü transferine symport denir. Membranın elektriksel olarak nötr iki parçacık içerebileceği varsayılmaktadır: katyon ve anyon içeren kompleks içindeki bir taşıyıcı ve boş bir taşıyıcı. Böyle bir taşıma sisteminde membran potansiyeli değişmediğinden, taşıma iyonlardan birinin konsantrasyonundaki bir farklılıktan kaynaklanabilir. Symport şemasına göre, bir döngüde iki parçacık membrandan aynı yönde aktarıldığı için bu sürece ozmotik dengede önemli bir değişimin eşlik etmesi gerektiğine inanılmaktadır.

İyonların ve endojen organik maddelerin hücrede taşınma mekanizmaları hakkında oldukça iyi geliştirilmiş teorilerin mevcudiyeti sayesinde, ilaçlarla yapılan deneylerde elde edilen verilerin yorumlanması mümkün hale gelmiştir (bölüm 6.3.3).

Şek. 6.10 Aktif taşıma, Şekil 2'de gösterildiği gibi temsil edilebilir. 6.11.

Bu durumda taşıyıcı C, membranın dış tarafında ilaç (L) ile kompleks bir CA oluşturur. L'yi diğer tarafından ayırarak membrana nüfuz eder. Aktif taşıma durumunda, zarın iç tarafındaki L konsantrasyonu, dış taraftaki konsantrasyondan çok daha büyük olabilir. Pasif taşımanın aksine (Şekil 6.10), ATP'nin enerjisini kullanan SA kompleksi, L'yi kolayca bölen SA kompleksine dönüştürülür (Şekil 6.11).Taşımayı gerçekleştirmek için enerji maliyetlerine duyulan ihtiyaç göz önüne alındığında. SA'nın zarın karşı tarafına doğru ilerlemesi durumunda, iç taraftaki /(, (bölünme sabiti)'nin K0'dan büyük olduğunu varsayabiliriz. Bu, ilaç taşıyıcı kompleksinin asimetrik bölünmesi olarak adlandırılan durumdur.

Harici sulu faz

Konsantrasyon [L]0 Aktivite (L)0

Canlı organizmalarda aktif taşıma mekanizmaları yaygındır ve hücrenin temel işlevlerinden biri olarak kabul edilebilir. Örneğin hücreler, bu iyonların ters bir ilişki içinde olduğu hücre dışı alanın aksine, yüksek konsantrasyonda potasyum ve düşük konsantrasyonda sodyuma sahiptir. Membranlar her iki iyon için de serbestçe geçirgendir ve asimetrik dağılım, sürekli olarak sodyumun hücre dışına ve potasyumun içeriye "pompalanması" ile sağlanır. .Midede HC1'in salgılanması, H+ ve SG'nin gerçek bir aktif taşınmasıdır. İyot benzer bir mekanizma ile tiroid bezinde yoğunlaşır. Şekerler bağırsaklarda ve proksimal renal tübüllerde daha yüksek konsantrasyonlara karşı taşınır. Amino asitler bağırsaklarda, böbreklerde, kaslarda ve beyinde benzer şekilde davranır. Organik asitlerin (napa-aminobenzoik, hippurik) böbrek tübülleri tarafından salgılanması aktif bir taşıma işlemidir.

Aktif taşımanın mekanizması oldukça spesifiktir, çünkü vücudun temel besin maddelerine yönelik biyolojik ihtiyacını karşılamak veya metabolizma ürünlerini ondan uzaklaştırmak için doğa tarafından yaratılmıştır. Aktif taşınmaya uğrayan ilaçlara gelince, bu durumda kimyasal yapı bakımından vücudun doğal maddelerine yakın olmaları gerekir. Pirimidin analoğu fluorafur ve demir, bağırsakta aktif taşınma yoluyla emilir. Aynı mekanizmayı kullanarak levodopa kan-beyin bariyerine nüfuz eder. Böbrek tübülleri organik asitlere ve bazlara ait ilaçları salgılar.

Maddelerin zarlar arası taşınma mekanizmalarının dikkate alınmasını özetleyerek, yaşam sürecinde hücrenin sınırlarının, akışları etkili bir şekilde düzenlenen çeşitli maddeler tarafından geçildiğini bir kez daha vurgulamak gerekir. Bu görev, iyon pompaları, taşıyıcı moleküllerden oluşan bir sistem ve son derece seçici iyon kanalları dahil olmak üzere, içine yerleştirilmiş taşıma sistemlerine sahip hücre zarı tarafından gerçekleştirilir.

İlk bakışta transfer sistemlerinin bu kadar çok olması gereksiz gibi görünüyor çünkü yalnızca iyon pompalarının çalışması biyolojik taşımanın karakteristik özelliklerini sağlamayı mümkün kılıyor: yüksek seçicilik, maddelerin difüzyon kuvvetlerine ve elektrik alanına karşı transferi. Ancak buradaki paradoks, düzenlenecek akış sayısının sonsuz sayıda olmasına rağmen yalnızca üç pompanın bulunmasıdır. Bu durumda, difüzyon işlemlerinin önemli rol oynadığı, ikincil aktif taşıma adı verilen iyonik konjugasyon mekanizmaları özellikle önem kazanmaktadır. Böylece, maddelerin aktif taşınması ile hücre zarındaki difüzyon transferi olgusunun birleşimi, hücrenin hayati aktivitesini sağlayan temeldir.

Maddelerin hücre içine, dışına ve sitoplazma ile çeşitli hücre içi organeller (mitokondri, çekirdek vb.) arasında taşınması membranlar tarafından sağlanır. Eğer membranlar sağlam bir bariyer olsaydı, hücre içi alana besinler erişemezdi ve atık ürünler hücreden uzaklaştırılamazdı. Aynı zamanda tam geçirgenlik ile bazı maddelerin hücre içinde birikmesi de mümkün olmayacaktır. Membranın taşıma özellikleri karakterize edilir yarı geçirgenlik : bazı bileşikler içinden geçebilir, bazıları ise geçemez:

Çeşitli maddeler için membran geçirgenliği

Membranların temel işlevlerinden biri madde transferinin düzenlenmesidir. Maddeleri bir zardan geçirmenin iki yolu vardır: pasif Ve aktif Ulaşım:

Maddelerin membranlardan taşınması

Pasif ulaşım. Bir madde, hücrenin enerjisini harcamadan bir zardan yüksek konsantrasyonlu bir alandan düşük konsantrasyonlu bir alana (yani bu maddenin konsantrasyon gradyanı boyunca) doğru hareket ederse, bu tür taşımaya pasif denir veya yayılma . İki tür difüzyon vardır: basit Ve hafif .

Basit difüzyon küçük nötr moleküllerin (H2O, CO2, O2) ve ayrıca hidrofobik düşük molekül ağırlıklı organik maddelerin karakteristiği. Bu moleküller, konsantrasyon gradyanı korunduğu sürece membran gözenekleri veya kanallarından membran proteinleriyle herhangi bir etkileşime girmeden geçebilir.

Kolaylaştırılmış difüzyon. Membran boyunca bir konsantrasyon gradyanı boyunca, ancak özel membran proteinleri - taşıyıcıların yardımıyla taşınan hidrofilik moleküllerin karakteristiği. Kolaylaştırılmış difüzyon, basit difüzyonun aksine, taşıyıcı proteinin taşınan maddeyi tamamlayıcı bir bağlanma merkezine sahip olması ve transfere proteindeki konformasyonel değişiklikler eşlik etmesi nedeniyle yüksek seçicilik ile karakterize edilir. Kolaylaştırılmış difüzyon için olası bir mekanizma şu olabilir: bir taşıma proteini ( translokaz ) bir maddeye bağlanır, daha sonra zarın karşı tarafına yaklaşır, bu maddeyi serbest bırakır, orijinal şeklini alır ve yeniden taşıma fonksiyonunu gerçekleştirmeye hazır hale gelir. Proteinin kendisinin nasıl hareket ettiği hakkında çok az şey biliniyor. Başka bir olası taşıma mekanizması, birkaç taşıyıcı proteinin katılımını içerir. Bu durumda, başlangıçta bağlanan bileşiğin kendisi bir proteinden diğerine hareket eder ve zarın karşı tarafında bitene kadar sırasıyla bir veya diğer proteine bağlanır.

Aktif taşımacılık taşıma bir konsantrasyon gradyanına karşı gerçekleştiğinde meydana gelir. Böyle bir transfer hücrenin enerji harcamasını gerektirir. Aktif taşıma, hücre içinde maddelerin birikmesine hizmet eder. Enerji kaynağı genellikle APR'dir. Aktif taşıma için enerji kaynağına ek olarak membran proteinlerinin katılımı da gereklidir. Hayvan hücrelerindeki aktif taşıma sistemlerinden biri, Na+ ve K+ iyonlarının hücre zarından taşınmasından sorumludur. Bu sisteme Na+ - K+ - pompası denir. K+ konsantrasyonunun Na+'dan yüksek olduğu hücre içi ortamın bileşiminin korunmasından sorumludur:

Na+, K+-ATPaz'ın etki mekanizması

Potasyum ve sodyumun konsantrasyon gradyanı, K+'nın hücre içine ve Na+'nın hücre dışına aktarılmasıyla korunur. Her iki taşıma da konsantrasyon gradyanına karşı gerçekleşir. İyonların bu dağılımı hücrelerdeki su içeriğini, sinir hücrelerinin ve kas hücrelerinin uyarılabilirliğini ve normal hücrelerin diğer özelliklerini belirler. Na+ ,K+ -pompa bir proteindir - Asya-Pasifik bölgesi taşımacılığı . Bu enzimin molekülü bir oligomerdir ve membrana nüfuz eder. Pompanın tam çalışma döngüsü sırasında, üç Na+ iyonu hücreden hücreler arası maddeye aktarılır ve iki K+ iyonu ters yönde aktarılır. Bu ATP molekülünün enerjisini kullanır. Kalsiyum iyonlarının (Ca2+ - ATPazlar), proton pompalarının (H+ - ATPazlar) vb. transferi için taşıma sistemleri vardır. Simport Bu, bir maddenin başka bir maddenin konsantrasyon gradyanının enerjisi ile gerçekleştirilen bir zar boyunca aktif transferidir. Bu durumda taşıma ATPazı her iki madde için de bağlanma merkezlerine sahiptir. Antiport bir maddenin konsantrasyon gradyanına karşı hareketidir. Bu durumda başka bir madde konsantrasyon gradyanı boyunca ters yönde hareket eder. Simport Ve karşı liman Amino asitlerin bağırsaktan emilmesi ve glikozun birincil idrardan yeniden emilmesi sırasında ortaya çıkabilir. Bu durumda Na+, K+-ATPaz'ın oluşturduğu Na+ iyonlarının konsantrasyon gradyanının enerjisinden yararlanılır.

İLE membran proteinleri Bunlar, hücre zarına veya hücre organelinin zarına gömülü veya bunlarla ilişkili proteinleri içerir. Tüm proteinlerin yaklaşık %25'i membran proteinleridir.

[göstermek]

Sınıflandırma wiki metnini düzenle]

Membran proteinleri topolojik veya biyokimyasal prensiplere göre sınıflandırılabilir. Topolojik sınıflandırma, proteinin lipit çift katmanını kaç kez geçtiğine dayanır. Bu kritere göre proteinler ikiye ayrılır: monotopik, biyotop Ve politopik:

· monotopik proteinler zarın bir yüzeyiyle etkileşime girer ve onu geçmez;

· biyotop membrana nüfuz eder ve her iki yüzeyiyle etkileşime girer;

· politopik zara birkaç kez nüfuz eder (lipitlerle çoklu etkileşimler).

Birincisinin periferik proteinlere, ikinci ve üçüncünün ise integrale ait olduğu açıktır.

Politopik proteinlerin çeşitli kategorileri. (1) tek bir zar-ötesi alfa sarmalı, (2) çoklu zar-ötesi alfa sarmalları, (3) bir beta-yaprak yapısı nedeniyle membran bağlanması.

İntegral monotopik proteinlerin çeşitli kategorileri. (1) Membran düzlemine paralel bir amfipatik alfa sarmalı, (2) hidrofobik bir halka, (3) kovalent bağlı bir yağ asidi kalıntısı, (4) elektrostatik etkileşim (doğrudan veya kalsiyum aracılı) nedeniyle membrana bağlanma .

Topolojik sınıflandırma wiki metnini düzenle]

Membranla ilgili olarak, membran proteinleri poli ve monotopik olarak ikiye ayrılır.

· Politopik veya transmembran proteinleri membrana tamamen nüfuz eder ve böylece lipit çift katmanının her iki tarafıyla etkileşime girer. Tipik olarak, bir proteinin transmembran fragmanı, hidrofobik amino asitlerden (muhtemelen 1 ila 20 bu tür fragman) oluşan bir alfa sarmalıdır. Yalnızca bakterilerde, ayrıca mitokondri ve kloroplastlarda, zar ötesi fragmanlar bir beta-yaprak yapısı (polipeptit zincirinin 8 ila 22 dönüşü) halinde organize edilebilir.

· İntegral monotopik proteinler kalıcı olarak lipit çift katmanına gömülüdür, ancak karşı tarafa nüfuz etmeden sadece bir taraftan membrana bağlanır.

Biyokimyasal sınıflandırma wiki metnini düzenle]

Biyokimyasal sınıflandırmaya göre membran proteinleri ikiye ayrılır: integral Ve Çevresel.

· İntegral membran proteinleri membrana sıkı bir şekilde gömülür ve lipid ortamdan ancak deterjanlar veya polar olmayan solventler yardımıyla uzaklaştırılabilir. Lipid çift katmanıyla ilişkili olarak, integral proteinler, transmembran politopik veya integral monotopik olabilir.

· Periferik membran proteinleri monotopik proteinlerdir. Ya lipid membrana zayıf bir şekilde bağlanırlar ya da hidrofobik, elektrostatik ya da diğer kovalent olmayan kuvvetler nedeniyle integral proteinlerle birleşirler. Bu nedenle, integral proteinlerin aksine, uygun bir sulu çözelti (örneğin, düşük veya yüksek pH, yüksek tuz konsantrasyonu veya kaotropik bir madde) ile işlendiğinde membrandan ayrışırlar. Bu ayrışma membranın parçalanmasını gerektirmez.

Membran proteinleri, translasyon sonrası modifikasyonları sırasında proteine bağlanan yağ asidi veya prenil kalıntıları veya glikosilfosfatidilinositol nedeniyle membrana entegre edilebilir.

7) Plazma zarının glikolipidlerinin ve glikoproteinlerinin karbonhidrat kısmı her zaman zarın dış yüzeyinde, hücreler arası madde ile temas halinde bulunur. Plazma zarı karbonhidratları, proteinler için spesifik ligandlar olarak görev yapar. Belirli proteinlerin bağlandığı tanıma bölgeleri oluştururlar; Eklenen protein hücrenin fonksiyonel durumunu değiştirebilir.

Karbonhidratların fonksiyonları.

Kırmızı kan hücrelerinin dış zarındaki bazı polisakkaritlerin zincirlerinin uçlarında N-asetilnöraminik asit bulunur. Eğer eritrositler kandan izole edilirse, N-asetilnöraminik asidi membran karbonhidratlarından ayıran nöraminidaz ile in vitro işleme tabi tutulursa ve aynı hayvanın kanına yeniden verilirse, bu tür eritrositlerin kandaki yarı ömrünün birkaç kat azaldığı bulunmuştur. kez: dalakta tutulur ve yok edilirler. Anlaşıldığı üzere, dalak hücreleri, terminal nöraminik asit kalıntılarını kaybetmiş, karbonhidratı tanıyan bir reseptöre sahiptir. Böyle bir mekanizmanın dalak tarafından "yaşlanmış" kırmızı kan hücrelerinin seçilmesini ve bunların yok edilmesini sağlaması mümkündür.
Herhangi bir dokudan izole edilen hücrelerin bir süspansiyonunda, bir süre sonra hücre agregatlarının oluştuğu ve her agregatın kural olarak aynı tipte hücreler içerdiği bilinmektedir. Örneğin, gastruladan elde edilen hücrelerin bir süspansiyonunda üç tip agregat oluşur: bunların her biri aynı germ katmanına (ektoderm, mezoderm veya endoderm) ait hücreleri içerir. Hücreler arasındaki tanıma, özellikle bir hücrenin membran karbonhidratlarının başka bir hücrenin reseptör proteinleri ile etkileşimi ile sağlanır (Şekil 9.39). Bu tanıma mekanizmaları histogenez ve morfogenez gibi süreçlerde rol oynayabilir. Ancak hücreler arası teması sağlayan başka mekanizmalar da vardır.
Hücre zarının polisakkaritleri, proteinlerle birlikte, transplant reddi de dahil olmak üzere hücresel bağışıklığın gelişimi sırasında antijen görevi görür. Ayrıca patojenik virüsler ve mikroorganizmalar tarafından enfekte olduklarında tanıma siteleri olarak da hizmet ederler. Örneğin, bir grip virüsü bir hücreye girdiğinde, önce hücrenin zarına bağlanır ve belirli bir yapıdaki polisakkaritle etkileşime girer.

8) hücre zarları seçici geçirgenliğe sahiptir: glikoz, amino asitler, yağ asitleri, gliserol ve iyonlar içlerinden yavaşça yayılır ve zarların kendisi bu süreci bir dereceye kadar aktif olarak düzenler - bazı maddeler geçer, bazıları geçmez. Maddelerin hücreye girişi veya hücreden dışarıya çıkarılması için dört ana mekanizma vardır: difüzyon, ozmoz, aktif taşıma ve ekzo- veya endositoz. İlk iki süreç doğası gereği pasiftir, yani enerji harcaması gerektirmezler; son ikisi enerji tüketimiyle ilişkili aktif süreçlerdir.

Pasif taşıma sırasında zarın seçici geçirgenliği özel kanallardan - integral proteinlerden kaynaklanmaktadır. Zarın içinden geçerek bir çeşit geçit oluştururlar. K, Na ve Cl elementlerinin kendi kanalları vardır. Konsantrasyon gradyanına bağlı olarak bu elementlerin molekülleri hücrenin içine ve dışına doğru hareket eder. Tahriş olduğunda sodyum iyon kanalları açılır ve hücreye ani bir sodyum iyonu akışı meydana gelir. Bu durumda membran potansiyeli dengesizliği ortaya çıkar. Bundan sonra membran potansiyeli geri yüklenir. Potasyum kanalları her zaman açıktır ve potasyum iyonlarının hücreye yavaşça girmesine izin verir.

Maddelerin aktif taşınması toplam (genelleştirilmiş) eğime karşı gerçekleşir. Bu, bir maddenin elektrokimyasal potansiyeli daha düşük olan yerlerden daha yüksek olan yerlere transferinin gerçekleştiği anlamına gelir.

Aktif taşıma kendiliğinden gerçekleşemez, ancak yalnızca adenozin trifosforik asidin (ATP) hidrolizi işlemiyle birlikte, yani ATP molekülünün yüksek enerjili bağlarında depolanan enerjinin harcanması nedeniyle gerçekleşebilir.

Maddelerin biyolojik membranlardan aktif taşınması büyük önem taşımaktadır. Aktif taşıma nedeniyle vücutta yaşam süreçlerini destekleyen konsantrasyon gradyanları, elektriksel potansiyel gradyanları, basınç gradyanları vb. yaratılır, yani termodinamik açıdan aktif taşıma, vücudu denge dışı bir durumda tutar, yaşam süreçlerinin normal seyrini sağlamak.

Aktif transferin gerçekleştirilmesi için enerji kaynağının yanı sıra belirli yapıların varlığı da gereklidir. Modern kavramlara göre biyolojik membranlar, ATP hidrolizinin enerjisini veya protein kompleksleri ile temsil edilen taşıma ATPazlarını kullanarak çalışan iyon pompaları içerir.

Şu anda, iyonları membran boyunca aktif olarak taşıyan üç tip elektrojenik iyon pompası bilinmektedir. Bunlar sitoplazmik membranlardaki K+ -Na+ -ATPase (K+ -Na+ -pompa), Ca2+ - ATPase (Ca2+ -pompa) ve mitokondrinin enerji eşleme membranlarındaki H+ - ATPase'dir (H + - pompa veya proton pompası).

İyonların taşıma ATPazları yoluyla transferi, hücre metabolizmasının enerjisi nedeniyle transfer işlemlerinin kimyasal reaksiyonlarla birleştirilmesi nedeniyle meydana gelir.

K + -Na + -ATPaz çalıştığında, her ATP molekülünün hidrolizi sırasında açığa çıkan enerji nedeniyle, iki potasyum iyonu hücreye aktarılır ve üç sodyum iyonu aynı anda hücrenin dışına pompalanır. Bu, hücre içi ortama kıyasla hücrede artan potasyum iyonu konsantrasyonuna ve büyük fizyolojik öneme sahip olan sodyum konsantrasyonunun azalmasına neden olur.

ATP hidrolizinin enerjisi nedeniyle, iki kalsiyum iyonu Ca2+ -ATPaz'a aktarılır ve iki proton H + pompasına aktarılır.

İyon ATPazların moleküler çalışma mekanizması tam olarak anlaşılamamıştır. Ancak bu karmaşık enzimatik sürecin ana aşamaları izlenebilmektedir. K + -Na + -ATPase durumunda (kısaca E olarak belirtelim), ATP hidrolizi ile ilişkili iyon transferinin yedi aşaması vardır. E 1 ve E 2 isimleri, enzimin aktif merkezinin zarın iç ve dış yüzeylerindeki konumuna karşılık gelir (ADP-adenozin difosfat, P - inorganik fosfat, yıldız işareti aktif kompleksi gösterir):

1) E + ATP'den E*ATP'ye,

2) E*ATP + 3Naà [E*ATP]*Na 3,

3) [E*ATP]*Nа 3 ila *Na 3 + ADP,

4) *Na 3 ve *Na 3 ,

5) *Na 3 + 2K à *K 2 + 3Na,

6) *K 2 ila *K 2,

7) *K 2 ila E + P + 2K.

Diyagram, enzimin ana aşamalarının şunlardır: 1) zarın iç yüzeyinde ATP ile bir enzim kompleksinin oluşumu (bu reaksiyon, magnezyum iyonları tarafından aktive edilir); 2) üç sodyum iyonunun kompleks tarafından bağlanması; 3) adenosin difosfat oluşumu ile enzimin fosforilasyonu; 4) membran içindeki enzimin konformasyonundaki değişiklik; 5) zarın dış yüzeyinde meydana gelen sodyumun potasyuma iyon değişimi reaksiyonu; 6) Potasyum iyonlarının hücreye aktarılmasıyla enzim kompleksinin konformasyonundaki değişikliğin tersine çevrilmesi ve 7) Potasyum iyonlarının ve inorganik fosfatın salınması ile enzimin orijinal durumuna dönmesi. Böylece, tam bir döngü sırasında hücreden üç sodyum iyonu salınır, sitoplazma iki potasyum iyonu ile zenginleştirilir ve bir ATP molekülünün hidrolizi meydana gelir.

İki bölgeli bir taşıyıcıyı içeren iyonların ortak tek yönlü taşınmasına simport denir. Membranın bir katyon ve anyon ile kompleks halinde bir taşıyıcı ve boş bir taşıyıcı içerebileceği varsayılmaktadır. Böyle bir transfer şemasında membran potansiyeli değişmediğinden transfer, iyonlardan birinin konsantrasyonundaki bir farklılıktan kaynaklanabilir. Symport şemasının hücrelerde amino asitleri biriktirmek için kullanıldığına inanılmaktadır.

Sonuçlar ve sonuçlar.

Yaşam boyunca hücre sınırları, akışları etkili bir şekilde düzenlenen çeşitli maddeler tarafından geçilir. Bu görev, iyon pompaları, taşıyıcı moleküllerden oluşan bir sistem ve son derece seçici iyon kanalları dahil olmak üzere, içine yerleştirilmiş taşıma sistemlerine sahip hücre zarı tarafından gerçekleştirilir.

Biyolojik ve tıbbi fizik bölüm başkanı, fiziksel ve matematik bilimleri adayı doçent Novikova N.G. tarafından geliştirildi.

Aktif taşımacılık- Bir maddenin elektrokimyasal potansiyeli daha düşük olan yerlerden değeri daha yüksek olan yerlere aktarılmasıdır.

Membrandaki aktif taşınmaya Gibbs enerjisinde bir artış eşlik eder; kendiliğinden gerçekleşemez, yalnızca adenozin trifosforik asidin (ATP) hidrolizi süreciyle birlikte, yani yüksek düzeyde depolanan enerjinin harcanmasından dolayı meydana gelir. ATP'nin enerji bağları.

Maddelerin biyolojik membranlardan aktif taşınması büyük önem taşımaktadır. Aktif taşıma nedeniyle vücutta yaşam süreçlerini destekleyen konsantrasyon gradyanları, elektriksel potansiyel gradyanları, basınç gradyanları vb. Termodinamik açıdan aktif transfer, organizmayı denge dışı bir durumda tutar ve yaşamı sürdürür.

Maddelerin biyolojik zarlar yoluyla aktif taşınmasının varlığı, ilk olarak Ussing'in (1949) deneylerinde, sodyum iyonlarının kurbağa derisi yoluyla transferi örneğini kullanarak kanıtlanmıştır (Şekil 12).

Pirinç. 12. Ussing deneylerinin şeması (A - ampermetre, V - voltmetre, B - pil, P - potansiyometre)

Ussing'in normal Ringer çözeltisiyle doldurulmuş deney odası, yeni izole edilmiş kurbağa derisiyle iki parçaya bölündü. İncirde. 12, solda - cildin dış mukozal yüzeyi, sağda - iç seröz. Bir kurbağanın derisinden sodyum iyonlarının akışı gözlemlendi: soldan sağa, dış yüzeyden iç yüzeye ve sağdan sola, içten dış yüzeye.

Pasif taşımayı tanımlayan Theorell denkleminden şu sonuç çıkar: Ussing-Theorell denklemi Pasif taşıma durumunda bu akışların oranı için:

J m,in /j m,ad = (Dışarıda / İçeride)×e ZF j / RT

Ringer çözümünü bölen kurbağanın derisinde potansiyel bir fark ortaya çıkar (j in - j nar) - derinin iç tarafı dışarıya göre pozitif bir potansiyele sahiptir. Ussing kurulumunda (Şekil 12), kurbağanın derisindeki potansiyel farkın sıfıra ayarlandığı ve bir voltmetre ile kontrol edildiği bir voltaj dengeleme ünitesi vardı. Dış ve iç taraflarda aynı iyon konsantrasyonu korundu: Cout = Cin.

Bu koşullar altında, bir kurbağanın derisinden sodyumun transferi yalnızca pasif taşıma ile belirleniyorsa, Ussing-Theorell denklemine göre j m, in ve j m, nar akışları birbirine eşit olacaktır: j m, in = jm, nar

Membrandan geçen toplam akış sıfır olacaktır.

Bir ampermetre kullanılarak, deneysel koşullar altında (elektrik potansiyeli ve konsantrasyon gradyanlarının yokluğu), kurbağanın derisinden bir elektrik akımının I aktığı, dolayısıyla yüklü parçacıkların tek yönlü bir aktarımının meydana geldiği keşfedildi. Akımın deriden dış ortamdan iç ortama doğru aktığı tespit edilmiştir.

Deneysel veriler, sodyum iyonlarının kurbağanın derisinden taşınmasının pasif taşıma denklemine uymadığını reddedilemez bir şekilde göstermiştir. Bu nedenle aktif transfer gerçekleşir.

Elektrojenik iyon pompaları

Modern kavramlara göre biyolojik zarlar şunları içerir: iyon pompaları, ATP hidrolizinin serbest enerjisi pahasına çalışmak - özel integral protein sistemleri (taşıma ATPazları).

Şu anda, iyonları membrandan aktif olarak taşıyan üç tip elektrojenik iyon pompası bilinmektedir (Şekil 13).

İyonların taşıma ATPazları yoluyla transferi, hücre metabolizmasının enerjisi nedeniyle transfer işlemlerinin kimyasal reaksiyonlarla birleştirilmesi nedeniyle meydana gelir.

ATP hidrolizinin enerjisi nedeniyle, iki kalsiyum iyonu Ca2+ -ATPaz'a aktarılır ve iki proton H + - pompasına aktarılır.

Şekil 13. İyon pompası türleri: a) Sitoplazmik membranlarda K + -Na + - ATPase

(K + -Na + -pompa); b) - Ca2+ -ATPaz (Ca2+ -pompa); c) - Mitokondri ve kloroplastların enerji eşleme zarlarındaki H+ -ATPaz (H+ -pompa veya proton pompası)

İyon ATPazların moleküler çalışma mekanizması tam olarak anlaşılamamıştır. Bununla birlikte, bu karmaşık enzimatik sürecin ana aşamaları izlenebilmektedir. K + -Na + -ATPase durumunda, ATP hidrolizi ile ilişkili iyon transferinin yedi aşaması vardır.

Diyagram, enzimin ana aşamalarının şöyle olduğunu göstermektedir:

1) zarın iç yüzeyinde ATP ile bir enzim kompleksinin oluşumu (bu reaksiyon magnezyum iyonları tarafından aktive edilir);

2) üç sodyum iyonunun kompleks tarafından bağlanması;

3) adenosin difosfat oluşumu ile enzimin fosforilasyonu;

4) enzimin membran içindeki devrimi (flip-flop);

5) zarın dış yüzeyinde meydana gelen sodyumun potasyuma iyon değişimi reaksiyonu;

6) potasyum iyonlarının hücreye aktarılmasıyla enzim kompleksinin ters devrimi;

7) potasyum iyonlarının ve inorganik fosfatın (P) salınmasıyla enzimin orijinal durumuna dönmesi.

Böylece, tam bir döngü sırasında hücreden üç sodyum iyonu salınır, sitoplazma iki potasyum iyonu ile zenginleştirilir ve bir ATP molekülünün hidrolizi meydana gelir.

İkincil aktif iyon taşınması.

Yukarıda tartışılan iyon pompalarına ek olarak, madde birikiminin ATP hidrolizi ile değil, redoks enzimlerinin veya fotosentezin çalışmasıyla ilişkili olduğu benzer sistemler bilinmektedir. Bu durumda maddelerin taşınması ikincildir; membran potansiyeli ve/veya membranda belirli taşıyıcıların varlığında iyon konsantrasyonu gradyanı aracılık eder. Bu taşıma mekanizmasına ikincil aktif taşıma denir. Bu mekanizma, Peter Mitchell (1966) tarafından oksidatif fosforilasyonun kemiozmotik teorisinde en ayrıntılı şekilde ele alınmıştır. Canlı hücrelerin plazma ve hücre altı zarlarında, birincil ve ikincil aktif taşımanın eşzamanlı işleyişi mümkündür. Bir örnek mitokondrinin iç zarıdır. ATPaz'ın içindeki inhibisyonu, parçacığı ikincil aktif taşıma nedeniyle madde biriktirme yeteneğinden mahrum bırakmaz. Bu birikim yöntemi özellikle pompası bulunmayan metabolitler (şekerler, amino asitler) için önemlidir.

Şu anda, ikincil aktif taşımanın üç şeması yeterli derinlikte incelenmiştir. Taşıyıcı moleküllerin katılımıyla tek değerlikli iyonların taşınmasını ele alalım. Bu, taşıyıcının yüklü veya yüksüz durumda zarı eşit derecede iyi geçtiği anlamına gelir. Enerjinin kaynağı iyonlardan birinin membran potansiyeli ve/veya konsantrasyon gradyanıdır. Devreler Şekil 14'te gösterilmektedir. Belirli bir taşıyıcıyla kompleks halindeki bir iyonun tek yönlü transferine denir. tek port . Bu durumda yük, taşıyıcı molekül elektriksel olarak nötr ise bir kompleks tarafından ya da transfer yüklü bir taşıyıcı tarafından sağlanıyorsa boş bir taşıyıcı tarafından membran boyunca aktarılır. Transferin sonucu, membran potansiyelinin azalmasına bağlı olarak iyonların birikmesi olacaktır. Bu etki, enerji verilmiş mitokondride valinomisin varlığında potasyum iyonları biriktiğinde gözlenir.

Tek bir taşıyıcı molekül içeren iyonların karşı transferine denir. karşı liman . Taşıyıcı molekülün aktarılan iyonların her biri ile güçlü bir kompleks oluşturduğu varsayılmaktadır. Transfer iki aşamada gerçekleşir: İlk önce bir iyon membranı soldan sağa geçer, ardından ikinci iyon ters yönde geçer. Membran potansiyeli değişmez. Bu sürecin arkasındaki itici güç nedir? Açıkçası, aktarılan iyonlardan birinin konsantrasyonlarındaki fark. Başlangıçta ikinci iyonun konsantrasyonunda bir fark yoksa, transferin sonucu, birincinin konsantrasyonlarındaki farkın azalması nedeniyle ikinci iyonun birikmesi olacaktır. Antiportun klasik bir örneği, antibiyotik molekülü nigerisinin katılımıyla potasyum ve hidrojen iyonlarının hücre zarı boyunca aktarılmasıdır.

İyonların iki bölgeli bir taşıyıcıyı kullanarak tek yönlü ortak taşınmasına denir. simport . Membranın elektriksel olarak nötr iki parçacık içerebileceği varsayılmaktadır: bir katyon ve anyonla komplekslenmiş bir taşıyıcı ve boş bir taşıyıcı. Böyle bir transfer şemasında membran potansiyeli değişmediğinden transfer, iyonlardan birinin konsantrasyonundaki bir farklılıktan kaynaklanabilir. Symport şemasının hücrelerde amino asitleri biriktirmek için kullanıldığına inanılmaktadır. Potasyum-sodyum pompası (Şekil 13), sodyum iyonlarının ilk konsantrasyon gradyanını oluşturur ve bu daha sonra simport şemasına göre amino asitlerin birikmesine katkıda bulunur. Symport şemasından, bir döngüde iki parçacık membrandan aynı yönde aktarıldığı için bu sürece ozmotik dengede önemli bir değişimin eşlik etmesi gerektiği anlaşılmaktadır.

Şekil 14. İkincil aktif iyon taşınmasının temel şemaları

İlk bakışta transfer sistemlerinin bu kadar çok olması gereksiz gibi görünüyor çünkü yalnızca iyon pompalarının çalışması biyolojik taşımanın karakteristik özelliklerini sağlamayı mümkün kılıyor: yüksek seçicilik, maddelerin difüzyon kuvvetlerine ve elektrik alanına karşı transferi. Ancak buradaki paradoks, düzenlenecek akış sayısının sonsuz sayıda olmasına rağmen yalnızca üç pompanın bulunmasıdır. Bu durumda, difüzyon işlemlerinin önemli rol oynadığı, ikincil aktif taşıma adı verilen iyonik konjugasyon mekanizmaları özellikle önem kazanmaktadır. Böylece, maddelerin aktif taşınmasının hücre zarındaki difüzyon transferi olgusu ile kombinasyonu, hücrenin hayati aktivitesini sağlar.

Hücre, gezegenimizdeki tüm yaşamın yapısal bir birimi ve açık bir sistemdir. Bu, yaşamının çevreyle sürekli madde ve enerji alışverişi gerektirdiği anlamına gelir. Bu değişim, hücrenin bütünlüğünü korumak için tasarlanmış ana sınırı olan zar aracılığıyla gerçekleşir. Hücresel değişim zar yoluyla gerçekleşir ve ya bir maddenin konsantrasyon gradyanı boyunca ya da ona karşı gerçekleşir. Sitoplazmik membran boyunca aktif taşınma karmaşık ve enerji tüketen bir süreçtir.

Membran - bariyer ve ağ geçidi

Sitoplazmik membran birçok hücresel organelin, plastidlerin ve kapanımların bir parçasıdır. Modern bilim, membran yapısının akışkan mozaik modeline dayanmaktadır. Özel yapısı nedeniyle maddelerin membrandan aktif taşınması mümkündür. Membranların temeli bir lipit çift katmanı tarafından oluşturulur - bunlar esas olarak fosfolipitlerdir ve bunlara göre düzenlenir. Lipid çift katmanının ana özellikleri akışkanlık (bölümleri ekleme ve kaybetme yeteneği), kendi kendine montaj ve asimetridir. Membranların ikinci bileşeni proteinlerdir. İşlevleri çeşitlidir: aktif taşıma, alım, fermantasyon, tanıma.

Proteinler hem zarın yüzeyinde hem de içinde bulunur ve bazıları ona birkaç kez nüfuz eder. Bir zardaki proteinlerin özelliği, zarın bir tarafından diğer tarafına (“flip-flop” sıçraması) hareket edebilme yeteneğidir. Ve son bileşen, zarların yüzeyindeki sakkarit ve polisakkarit karbonhidrat zincirleridir. İşlevleri bugün hala tartışmalıdır.

Maddelerin membran boyunca aktif taşınma türleri

Aktif, kontrol edilen, enerji harcamasıyla meydana gelen ve konsantrasyon gradyanına karşı çıkan maddelerin hücre zarı boyunca transferi olacaktır (maddeler düşük konsantrasyonlu bir alandan yüksek konsantrasyonlu bir alana aktarılır). Hangi enerji kaynağının kullanıldığına bağlı olarak aşağıdaki ulaşım türleri ayırt edilir:

Birincil aktif (enerji kaynağı - adenosin difosfor ADP'ye hidroliz).
İkincil olarak aktif (maddelerin birincil aktif taşınma mekanizmalarının işleyişi sonucu oluşturulan ikincil enerji ile sağlanır).

Yardımcı proteinler

Hem birinci hem de ikinci durumda, taşıyıcı proteinler olmadan taşıma mümkün değildir. Bu taşıma proteinleri çok spesifiktir ve belirli molekülleri ve hatta bazen belirli bir molekül tipini taşımak için tasarlanmıştır. Bu, mutasyona uğramış bakteri genleri kullanılarak deneysel olarak kanıtlandı; bu, belirli bir karbonhidratın zar boyunca aktif taşınmasının imkansızlığıyla sonuçlandı. Transmembran taşıma proteinleri kendileri taşıyıcı olabilir (moleküllerle etkileşime girerler ve onları doğrudan membran boyunca taşırlar) veya kanal oluşturucu proteinler (zarlarda belirli maddelere açık gözenekler oluştururlar) olabilirler.

Sodyum ve potasyum pompası

Maddelerin bir zar boyunca birincil aktif taşınmasının en çok incelenen örneği Na+ -, K+ - pompasıdır. Bu mekanizma, hücredeki ozmotik basıncın ve diğer metabolik süreçlerin sürdürülmesi için gerekli olan, zarın her iki tarafındaki Na+ ve K+ iyonlarının konsantrasyonlarındaki farklılığı sağlar. Transmembran taşıma proteini, sodyum-potasyum ATPaz üç bölümden oluşur:

Membranın dışında proteinin potasyum iyonları için iki reseptörü vardır.
Membranın iç kısmında sodyum iyonları için üç reseptör vardır.
Proteinin iç kısmı ATP aktivitesine sahiptir.

Membranın her iki tarafındaki protein reseptörlerine iki potasyum iyonu ve üç sodyum iyonu bağlandığında ATP aktivitesi aktive olur. ATP molekülü, potasyum iyonlarının sitoplazmik membranın içe ve sodyum iyonlarının dışarıya doğru transferinde harcanan enerjinin açığa çıkmasıyla ADP'ye hidrolize edilir. Böyle bir pompanın veriminin %90'ın üzerinde olduğu tahmin edilmektedir ki bu da başlı başına oldukça şaşırtıcıdır.

Referans olarak: içten yanmalı bir motorun verimliliği elektrikli olanın yaklaşık% 40'ıdır -% 80'e kadar. İlginçtir ki pompa ters yönde de çalışabilir ve ATP sentezi için fosfat donörü olarak görev yapabilir. Bazı hücreler (örneğin nöronlar) tipik olarak toplam enerjilerinin %70'ini hücreden sodyumun uzaklaştırılması ve potasyum iyonlarının içeriye pompalanması için harcarlar. Kalsiyum, klor, hidrojen ve diğer bazı katyonlar (pozitif yüklü iyonlar) için pompalar aynı aktif taşıma prensibine göre çalışır. Anyonlar (negatif yüklü iyonlar) için böyle bir pompa bulunamamıştır.

Karbonhidratların ve amino asitlerin birlikte taşınması

İkincil aktif taşımanın bir örneği, glikoz, amino asitler, iyot, demir ve ürik asidin hücrelere aktarılmasıdır. Potasyum-sodyum pompasının çalışması sonucunda, bir sodyum konsantrasyon gradyanı oluşturulur: konsantrasyon dışarıda yüksek ve içeride düşüktür (bazen 10-20 kat). Sodyum hücre içine yayılma eğilimindedir ve bu difüzyonun enerjisi maddeleri dışarı taşımak için kullanılabilir. Bu mekanizmaya birlikte taşıma veya birleşik aktif taşıma denir. Bu durumda taşıyıcı proteinin dış tarafında iki reseptör merkezi bulunur: biri sodyum için, diğeri taşınan element için. Ancak her iki reseptörün aktivasyonundan sonra protein konformasyonel değişikliklere uğrar ve sodyum difüzyonunun enerjisi, taşınan maddeyi konsantrasyon gradyanına karşı hücreye sokar.

Hücre için aktif taşımanın önemi

Maddelerin zardan olağan difüzyonu belirli bir süre devam ederse, hücrenin dışındaki ve içindeki konsantrasyonları eşitlenir. Bu da hücreler için ölümdür. Sonuçta tüm biyokimyasal süreçler elektriksel potansiyel farkının olduğu bir ortamda gerçekleşmelidir. Maddelerin aktif, anti-taşınması olmasaydı, nöronlar sinir uyarılarını iletemezdi. Ve kas hücreleri kasılma yeteneğini kaybeder. Hücre ozmotik basıncı koruyamayacak ve çökecektir. Ve metabolik ürünler atılmaz. Ve hormonlar asla kan dolaşımına girmeyecekti. Sonuçta bir amip bile aynı iyon pompalarını kullanarak enerji harcar ve zarında potansiyel bir fark yaratır.