КЛЕТЪЧЕН ТРАНСПОРТ: ВИДОВЕ И ТЕХНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ - БИОЛОГИЯ

В клетката транспорт включва трафик и движение на молекули между вътрешната и външната страна на клетките. Обменът на молекули между тези отделения е съществено явление за правилното функциониране на организма и посредничи в редица събития, като например мембранния потенциал.

Биологичните мембрани не само са отговорни за разграничаването на клетката, но и играят незаменима роля в трафика на вещества. Те имат серия от протеини, които пресичат структурата и много селективно позволяват или не влизането на определени молекули.

Източник: LadyofHats, чрез Wikimedia Commons

Клетъчният транспорт се класифицира на два основни типа, в зависимост от това дали системата използва енергия или не.

Пасивният транспорт не изисква енергия и молекулите са в състояние да преминат през мембраната чрез пасивна дифузия, през водни канали или чрез транспортирани молекули. Посоката на активния транспорт се определя изключително от градиентите на концентрацията между двете страни на мембраната.

За разлика от това, вторият вид транспорт изисква енергия и се нарича активен транспорт. Благодарение на енергията, инжектирана в системата, помпите могат да движат молекулите спрямо техните градиенти на концентрация. Най-забележимият пример в литературата е натриево-калиевата помпа.

Теоретични основи

-Целе мембрани

За да се разбере как се осъществява трафикът на вещества и молекули между клетката и съседните отделения, е необходимо да се анализира структурата и състава на биологичните мембрани.

-Липиди в мембраните

От Jpablo cad, от Wikimedia Commons

Клетките са заобиколени от тънка и сложна мембрана с липиден характер. Основният компонент са фосфолипидите.

Те са съставени от полярна глава и аполарни опашки. Мембраните са съставени от два слоя фосфолипиди - "липидни бислоеве", в които опашките са групирани вътре, а главите са обърнати към допълнителните и вътреклетъчните лица.

Молекулите, които имат както полярна, така и аполарна зона, се наричат амфипатични. Това свойство е решаващо за пространствената организация на липидните компоненти в мембраните.

Тази структура се споделя от мембраните, които обграждат субклетъчните отделения. Не забравяйте, че митохондриите, хлоропластите, везикулите и други органели също са заобиколени от мембрана.

В допълнение към фосфоглицеридите или фосфолипидите, мембраните са богати на сфинголипиди, които имат скелети, изградени от молекула, наречена сфингозин и стероли. В тази последна група откриваме холестерол, липид, който модулира свойствата на мембраната, като нейната течливост.

-Протеини в мембраните

Фигура 1. Диаграма на модела с течна мозайка. Източник: От LadyofHats Мариана Руис, превод Pilar Saenz, от Wikimedia Commons

Мембраната е динамична структура, съдържаща множество протеини вътре. Протеините на мембраната действат като вид молекулни „вратари“ или „пазачи“, които определят с голяма селективност кой влиза и кой напуска клетката.

По тази причина се казва, че мембраните са полупропускливи, тъй като някои съединения успяват да влязат, а други не.

Не всички протеини, които са в мембраната, са отговорни за медиирането на трафика. Други са отговорни за улавяне на външни сигнали, които произвеждат клетъчна реакция на външни стимули.

-Селективност на мембраната

Липидната вътрешност на мембраната е силно хидрофобна, което прави мембраната силно непроницаема за преминаването на молекули с полярна или хидрофилна природа (този термин означава „влюбен във водата“).

Това предполага допълнителна трудност за преминаването на полярните молекули. Транзитът на водоразтворимите молекули обаче е необходим, така че клетките да имат серия от транспортни механизми, които позволяват ефективното движение на тези вещества между клетката и нейната външна среда.

По същия начин големите молекули, като протеини, трябва да бъдат транспортирани и да изискват специализирани системи.

-Дифузия и осмоза

Движението на частиците през клетъчните мембрани става съгласно следните физически принципи.

Тези принципи са дифузия и осмоза и те се прилагат при движението на разтворители и разтворители в разтвор през полупропусклива мембрана - като биологични мембрани, намиращи се в живите клетки.

Дифузията е процесът, който включва произволното топлинно движение на суспендираните частици от региони с висока концентрация към региони с по-ниска концентрация. Има математически израз, който се опитва да опише процеса и се нарича уравнение на дифузия на Фик, но няма да задълбаваме в него.

Имайки предвид тази концепция, можем да определим термина проницаемост, който се отнася до скоростта, с която дадено вещество успява да проникне пасивно в мембраната при серия от специфични условия.

От друга страна, водата също се движи по градиента на концентрацията си във феномен, наречен осмоза. Въпреки че изглежда неточно да се говори за концентрацията на вода, трябва да разберем, че жизненоважната течност се държи като всяко друго вещество по отношение на дифузията си.

-Tonicity

Като се вземат предвид описаните физически явления, концентрациите, които съществуват както вътре в клетката, така и отвън, ще определят посоката на транспорт.

По този начин тоничността на разтвора е отговорът на клетките, потопени в разтвор. Към този сценарий се прилага някаква терминология:

Изотонични

Клетка, тъкан или разтвор е изотоничен по отношение на друг, ако концентрацията е двата елемента. Във физиологичен контекст клетка, потопена в изотонична среда, няма да претърпи никаква промяна.

хипотония

Разтворът е хипотоничен по отношение на клетката, ако концентрацията на разтворените вещества е по-ниска навън - тоест клетката има повече разтворители. В този случай тенденцията на водата е да навлиза в клетката.

Ако поставим червените кръвни клетки в дестилирана вода (която е без разтворители), водата ще влезе, докато не се спукат. Това явление се нарича хемолиза.

Хипертонична

Разтворът е хипертоничен по отношение на клетката, ако концентрацията на разтворените вещества е по-висока отвън - тоест клетката има по-малко разтворители.

В този случай тенденцията на водата е да напусне клетката. Ако поставим червените кръвни клетки в по-концентриран разтвор, водата в кръвните клетки има тенденция да изтича и клетката придобива набръчкан вид.

Тези три понятия имат биологично значение. Например, яйцата на морски организъм трябва да бъдат изотонични по отношение на морската вода, за да не се спукат и да не губят вода.

По същия начин паразитите, които живеят в кръвта на бозайници, трябва да имат концентрация на разтворители, подобна на средата, в която се развиват.

-Електрическо влияние

Когато говорим за йони, които са заредени частици, движението през мембраните не се управлява изключително от градиенти на концентрацията. В тази система трябва да се вземат предвид таксите на разтворените вещества.

Йонът има тенденция да се отдалечава от регионите, където концентрацията е висока (както е описано в раздела за осмозата и дифузията), а също така ако йонът е отрицателен, той ще премине към регионите, където има нарастващ отрицателен потенциал. Не забравяйте, че различни такси привличат и като такси отблъскват.

За да прогнозираме поведението на йона, трябва да добавим комбинираните сили на концентрационния градиент и електрическия градиент. Този нов параметър се нарича чист електрохимичен градиент.

Видовете клетъчен транспорт се класифицират в зависимост от използването - или не - на енергия от системата при пасивни и активни движения. Ще опишем подробно всеки от тях по-долу:

Пасивен трансмембранен транспорт

Пасивните движения през мембраните включват преминаване на молекули без пряката нужда от енергия. Тъй като тези системи не включват енергия, тя зависи изключително от градиентите на концентрацията (включително електрическите), които съществуват в цялата плазмена мембрана.

Въпреки че енергията, отговорна за движението на частиците, се съхранява в такива градиенти, е подходящо и удобно да се продължи процесът, като се разглежда процесът като пасивен.

Има три елементарни начина, по които молекулите могат пасивно да преминават от едната в другата страна:

Проста дифузия

Най-простият и интуитивен начин за транспортиране на разтворено вещество е той да пресича мембраната след градиентите, споменати по-горе.

Молекулата дифундира през плазмената мембрана, оставяйки водната фаза настрана, разтваря се в липидната част и накрая навлиза във водната част на вътрешността на клетката. Същото може да се случи в обратна посока, от вътрешността на клетката навън.

Ефективното преминаване през мембраната ще се определя от нивото на топлинна енергия, което системата има. Ако е достатъчно висока, молекулата ще може да преминава през мембраната.

Погледнато по-подробно, молекулата трябва да разруши всички водородни връзки, образувани във водната фаза, за да може да премине към липидната фаза. Това събитие изисква 5 kcal кинетична енергия за всяка присъстваща връзка.

Следващият фактор, който трябва да се вземе предвид е разтворимостта на молекулата в липидната зона. Подвижността се влияе от различни фактори, като молекулно тегло и формата на молекулата.

Кинетиката на пасажа чрез обикновена дифузия показва кинетика на ненаситеността. Това означава, че вписването се увеличава пропорционално на концентрацията на разтвореното вещество, което ще се транспортира в извънклетъчната област.

Водни канали

Втората алтернатива за преминаването на молекулите през пасивния път е през воден канал, разположен в мембраната. Тези канали са вид пори, които позволяват преминаването на молекулата, избягвайки контакт с хидрофобния регион.

Някои заредени молекули успяват да влязат в клетката, следвайки градиента на концентрацията си. Благодарение на тази система от пълни с вода канали мембраните са силно непроницаеми за йони. Сред тези молекули се открояват натрий, калий, калций и хлор.

Молекула-носител

Последната алтернатива е комбинацията от разтворимо вещество с молекула-носител, която маскира нейната хидрофилна природа, така че да преминава през богатата на липиди част на мембраната.

Транспортерът увеличава липидната разтворимост на молекулата, която трябва да бъде транспортирана и благоприятства нейното преминаване в полза на концентрационния градиент или електрохимичния градиент.

Тези протеини-носители работят по различни начини. В най-простия случай разтворът се прехвърля от едната страна на мембраната към другата. Този тип се нарича унипорт. Напротив, ако друго разтворено вещество се транспортира едновременно или се свързва, транспортьорът се нарича свързан.

Ако свързаният транспортер движи двете молекули в една и съща посока, това е симпорт и ако прави това в противоположни посоки, транспортьорът е антиподдържащ.

осмоза

Osmose2-fr.png: PsYcHoTiKeriivative work: Ortisa, via Wikimedia Commons

Това е видът клетъчен транспорт, при който разтворителят преминава селективно през полупропускливата мембрана.

Водата например преминава в страната на клетката, където концентрацията й е по-ниска. Движението на водата по този път генерира налягане, наречено осмотично налягане.

Това налягане е необходимо за регулиране на концентрацията на вещества в клетката, което след това влияе върху формата на клетката.

ултрафилтрация

В този случай движението на някои разтворители се произвежда от ефекта на хидростатично налягане, от областта на най-голямо налягане до тази с по-малко налягане. В човешкото тяло този процес протича в бъбреците благодарение на кръвното налягане, генерирано от сърцето.

По този начин вода, урея и др. Преминават от клетките в урината; а хормоните, витамините и т.н., остават в кръвта. Този механизъм е известен още като диализа.

Улеснено разпространение

Има вещества с много големи молекули (като глюкоза и други монозахариди), които се нуждаят от протеин-носител, за да дифузират. Тази дифузия е по-бърза от обикновената дифузия и зависи от:

Концентрационният градиент на веществото.
Количеството протеини-носители, присъстващи в клетката.
Скоростта на присъстващите протеини.

Един от тези протеинови преносители е инсулинът, който улеснява дифузията на глюкозата, намалявайки нейната концентрация в кръвта.

Активен трансмембранен транспорт

Досега обсъждахме преминаването на различни молекули през каналите без енергиен разход. В тези събития единственият разход е генерирането на потенциалната енергия под формата на диференциални концентрации от двете страни на мембраната.

По този начин посоката на транспорт се определя от съществуващия наклон. Разтворите започват да се транспортират следвайки гореспоменатите принципи на дифузия, докато стигнат до точка, в която чистата дифузия завършва - в този момент е достигнато равновесие. При йони движението също се влияе от заряд.

Единственият случай, когато разпределението на йоните от двете страни на мембраната е в истинско равновесие, е, когато клетката е мъртва. Всички живи клетки инвестират голямо количество химическа енергия, за да поддържат концентрациите на разтворени вещества в баланс.

Енергията, използвана за поддържане на активността на тези процеси, обикновено е ATP молекулата. Аденозин трифосфатът, съкратено ATP, е основна молекула на енергията в клетъчните процеси.

Активни транспортни характеристики

Активният транспорт може да действа срещу градиентите на концентрацията, независимо колко стръмни са те - това свойство ще стане ясно с обяснението на натриево-калиевата помпа (вижте по-долу).

Активните транспортни механизми могат да се движат повече от един клас молекули наведнъж. За активен транспорт се използва същата класификация, спомената за транспортирането на няколко молекули едновременно в пасивния транспорт: симпорт и антиподдръжка.

Транспортът от тези помпи може да бъде инхибиран чрез прилагане на молекули, които конкретно блокират решаващите места на протеина.

Транспортната кинетика е от типа Michaelis-Menten. И двете поведения - инхибирани от някаква молекула и кинетика - са типични характеристики на ензимните реакции.

И накрая, системата трябва да има специфични ензими, които са в състояние да хидролизират ATP молекулата, като ATPases. Това е механизмът, чрез който системата получава енергията, която я характеризира.

Транспортна избирателност

Въвлечените помпи са изключително селективни в молекулите, които ще бъдат транспортирани. Например, ако помпата е носител на натриеви йони, тя няма да приема литиеви йони, въпреки че и двата йона са много сходни по размер.

Предполага се, че протеините са в състояние да различават две диагностични характеристики: лекотата на дехидратация на молекулата и взаимодействието с зарядите вътре в порите на транспортера.

Известно е, че големите йони лесно се дехидратират в сравнение с малък йон. По този начин в порите със слаби полярни центрове ще се използват големи йони, за предпочитане.

За разлика от тях, в каналите със силно заредени центрове, взаимодействието с дехидратирания йон преобладава.

Пример за активен транспорт: натриево-калиевата помпа

За да се обяснят механизмите на активния транспорт, най-добре е да го направите с най-добре проучения модел: натриево-калиевата помпа.

Поразителна характеристика на клетките е способността да поддържат стръмни градиенти на натриеви (Na ⁺) и калиеви (К ⁺) йони.

Във физиологичната среда концентрацията на калий вътре в клетките е 10-20 пъти по-висока от тази извън клетките. За разлика от тях натриевите йони са много по-концентрирани в извънклетъчната среда.

С принципите, които управляват движението на йони по пасивен начин, би било невъзможно да се поддържат тези концентрации, следователно клетките се нуждаят от активна транспортна система и това е натриево-калиевата помпа.

Помпата е изградена от протеинов комплекс от тип АТФаза, закотвен към плазмената мембрана на всички животински клетки. Това има места за свързване и за двата йона и е отговорно за транспорта с инжектиране на енергия.

Как работи помпата?

В тази система има два фактора, които определят движението на йони между клетъчните и извънклетъчните отделения. Първият е скоростта, с която действа натриево-калиевата помпа, а вторият фактор е скоростта, с която йонът може да влезе отново в клетката (в случай на натрий) поради пасивни дифузионни събития.

По този начин скоростта, с която йоните влизат в клетката, определя скоростта, с която помпата трябва да работи, за да поддържа подходяща концентрация на йони.

Работата на помпата зависи от серия от конформационни промени в протеина, който е отговорен за транспортирането на йоните. Всяка молекула ATP се хидролизира директно, в процеса три натриеви йона напускат клетката и в същото време два калиеви йона навлизат в клетъчната среда.

Масов транспорт

Това е друг вид активен транспорт, който помага при движението на макромолекули, като полизахариди и протеини. Може да се даде от:

-Ендоцитоза

Има три процеса на ендоцитоза: фагоцитоза, пиноцитоза и лиганд-медиирана ендоцитоза:

Фагоцитоза

Фагоцитоза видът транспорт, при който твърда частица е покрита от везикул или фагосома, съставена от кондензирани псевдоподи. Тази твърда частица, която остава вътре във везикулата, се усвоява от ензими и по този начин достига до вътрешността на клетката.

Така работят белите кръвни клетки в организма; те поглъщат бактерии и чужди тела като защитен механизъм.

поноцитоза

Хранене на Protozoa. Поноцитоза. Изображение на: Jacek FH (произлиза от Mariana Ruiz Villarreal). Взето и редактирано от

Пиноцитозата възниква, когато веществото, което трябва да се транспортира, е капчица или везикул от извънклетъчна течност и мембраната създава пиноцитна везикула, в която съдържанието на везикула или капчицата се обработва, така че да се върне на повърхността на клетката.

Ендоцитоза чрез рецептор

Това е процес, подобен на пиноцитозата, но в този случай инвагинация на мембраната се случва, когато определена молекула (лиганд) се свърже с мембранния рецептор.

Няколко ендоцитни везикули се съединяват и образуват по-голяма структура, наречена ендозома, където лигандът е отделен от рецептора. След това рецепторът се връща към мембраната и лигандът се свързва с липозома, където се усвоява от ензими.

-Exocytosis

Това е вид клетъчен транспорт, при който веществото трябва да се пренася извън клетката. По време на този процес секреторната мембрана на везикулите се свързва с клетъчната мембрана и освобождава съдържанието на везикула.

По този начин клетките елиминират синтезирани вещества или отпадни вещества. По този начин те отделят хормони, ензими или невротрансмитери.

Препратки

Audesirk, T., Audesirk, G., & Byers, BE (2003). Биология: Животът на Земята. Pearson образование.
Donnersberger, AB и Lesak, AE (2002). Книга за анатомия и физиология. Редакционно Paidotribo.
Larradagoitia, LV (2012). Основна анатомофизиология и патология. Редакция Paraninfo.
Randall, D., Burggren, WW, Burggren, W., French, K., & Eckert, R. (2002). Физиология на животните на Екерт. Macmillan.
Извратен, À. М. (2005). Основи на физиологията на физическата активност и спорта. Panamerican Medical Ed.

КЛЕТЪЧЕН ТРАНСПОРТ: ВИДОВЕ И ТЕХНИТЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ - БИОЛОГИЯ - 2025