الخلية هي وحدة هيكلية لجميع أشكال الحياة على كوكبنا ونظام مفتوح. هذا يعني أن حياتها تتطلب تبادلًا مستمرًا للمادة والطاقة مع البيئة. يتم إجراء هذا التبادل من خلال الغشاء - الحدود الرئيسية للخلية المصممة للحفاظ على سلامتها. يتم تنفيذ عملية التمثيل الغذائي الخلوي من خلال الغشاء ويمر إما على طول تدرج تركيز مادة ما أو عكسه. النقل النشط عبر الغشاء السيتوبلازمي عملية معقدة وتستهلك الكثير من الطاقة.
غشاء - حاجز وبوابة
الغشاء السيتوبلازمي جزء من العديد من العضيات الخلوية والبلاستيدات والشوائب. يعتمد العلم الحديث على نموذج الفسيفساء المائع لهيكل الغشاء. النقل النشط للمواد عبر الغشاء ممكن بسببهمبنى محدد. يتكون أساس الأغشية من طبقة ثنائية للدهون - أساسًا فوسفوليبيدات مرتبة وفقًا لخصائصها المحبة للماء. الخصائص الرئيسية للطبقة الدهنية الثنائية هي السيولة (القدرة على التضمين وفقدان المواقع) ، والتجميع الذاتي ، وعدم التناسق. المكون الثاني للأغشية هو البروتينات. وظائفهم متنوعة: النقل النشط ، الاستقبال ، التخمير ، التعرف.
توجد البروتينات على سطح الأغشية وداخلها ، وبعضها يخترقها عدة مرات. تتمثل خاصية البروتينات في الغشاء في القدرة على الانتقال من جانب واحد من الغشاء إلى الجانب الآخر (قفزة "flip-flop"). والمكون الأخير هو السكاريد وسلاسل السكريات من الكربوهيدرات على سطح الأغشية. لا تزال وظائفهم مثيرة للجدل حتى اليوم.
أنواع النقل النشط للمواد عبر الغشاء
النشط هو نقل المواد عبر غشاء الخلية ، والذي يتم التحكم فيه ، ويحدث بتكاليف الطاقة ويتعارض مع تدرج التركيز (يتم نقل المواد من منطقة منخفضة التركيز إلى منطقة ذات تركيز منخفض. تركيز عالي). اعتمادًا على مصدر الطاقة المستخدم ، يتم تمييز وسائط النقل التالية:
- الأساسي النشط (مصدر الطاقة - التحلل المائي لحمض الأدينوزين ثلاثي الفوسفوريك ATP إلى حمض الأدينوزين ثنائي الفوسفوريك ADP).
- ثانوي نشط (مزود بالطاقة الثانوية الناتجة عن آليات النقل النشط الأولي للمواد).
بروتينات-مساعدين
في كلتا الحالتين الأولى والثانية ، يكون النقل مستحيلًا بدون البروتينات الحاملة. تعتبر بروتينات النقل هذه محددة جدًا ومصممة لحمل جزيئات معينة ، وأحيانًا أنواع معينة من الجزيئات. تم إثبات ذلك تجريبياً على الجينات البكتيرية الطافرة ، مما أدى إلى استحالة النقل النشط عبر غشاء كربوهيدرات معين. يمكن أن تكون بروتينات الناقل عبر الغشاء ناقلة ذاتية (تتفاعل مع الجزيئات وتحملها مباشرة عبر الغشاء) أو تشكل قناة (تشكل مسامًا في الأغشية مفتوحة لمواد معينة).
مضخة الصوديوم والبوتاسيوم
المثال الأكثر دراسة على النقل النشط الأولي للمواد عبر الغشاء هو مضخة Na + -، K +. تضمن هذه الآلية الاختلاف في تركيزات أيونات الصوديوم والبوتاسيوم على جانبي الغشاء ، وهو أمر ضروري للحفاظ على الضغط الاسموزي في الخلية وعمليات التمثيل الغذائي الأخرى. يتكون البروتين الناقل عبر الغشاء ، ATPase الصوديوم والبوتاسيوم ، من ثلاثة أجزاء:
- على الجانب الخارجي من غشاء البروتين هناك نوعان من المستقبلات لأيونات البوتاسيوم.
- هناك ثلاثة مستقبلات أيون الصوديوم داخل الغشاء.
- الجزء الداخلي من البروتين له نشاط ATP.
عندما يرتبط اثنان من أيونات البوتاسيوم وثلاثة أيونات الصوديوم بمستقبلات البروتين على جانبي الغشاء ، يتم تشغيل نشاط ATP. يتم تحلل جزيء ATP إلى ADP مع إطلاق الطاقة ، والتي يتم إنفاقها على نقل أيونات البوتاسيومداخل ، وأيونات الصوديوم خارج الغشاء السيتوبلازمي. تشير التقديرات إلى أن كفاءة هذه المضخة تزيد عن 90٪ ، وهو أمر مذهل بحد ذاته.
كمرجع: كفاءة محرك الاحتراق الداخلي حوالي 40٪ ، كهربائي - حتى 80٪. ومن المثير للاهتمام أن المضخة يمكن أن تعمل أيضًا في الاتجاه المعاكس وتكون بمثابة مانح للفوسفات لتخليق ATP. بالنسبة لبعض الخلايا (على سبيل المثال ، الخلايا العصبية) ، يتم إنفاق ما يصل إلى 70٪ من إجمالي الطاقة على إزالة الصوديوم من الخلية وضخ أيونات البوتاسيوم فيها. تعمل مضخات الكالسيوم والكلور والهيدروجين وبعض الكاتيونات الأخرى (أيونات ذات شحنة موجبة) على نفس مبدأ النقل النشط. لم يتم العثور على مثل هذه المضخات للأنيونات (أيونات سالبة الشحنة).
النقل المشترك للكربوهيدرات والأحماض الأمينية
مثال على النقل النشط الثانوي هو نقل الجلوكوز والأحماض الأمينية واليود والحديد وحمض البوليك إلى الخلايا. نتيجة لتشغيل مضخة البوتاسيوم والصوديوم ، يتم إنشاء تدرج لتركيزات الصوديوم: التركيز مرتفع بالخارج ومنخفض من الداخل (أحيانًا 10-20 مرة). يميل الصوديوم إلى الانتشار في الخلية ويمكن استخدام طاقة هذا الانتشار لنقل المواد إلى الخارج. تسمى هذه الآلية النقل المشترك أو النقل النشط المقترن. في هذه الحالة ، يحتوي البروتين الحامل على مركزين للمستقبل في الخارج: أحدهما للصوديوم والآخر للعنصر الذي يتم نقله. فقط بعد تنشيط كلا المستقبلين ، يخضع البروتين لتغييرات توافقية وطاقة الانتشاريدخل الصوديوم المادة المنقولة إلى الخلية مقابل تدرج التركيز.
قيمة النقل النشط للخلية
إذا استمر الانتشار المعتاد للمواد عبر الغشاء لفترة طويلة بشكل تعسفي ، فإن تركيزاتها خارج الخلية وداخلها تتساوى. وهذا موت للخلايا. بعد كل شيء ، يجب أن تستمر جميع العمليات البيوكيميائية في بيئة من فرق الجهد الكهربائي. بدون نشاط ، مقابل تدرج تركيز ، نقل المواد ، لن تكون الخلايا العصبية قادرة على نقل النبضات العصبية. وستفقد الخلايا العضلية القدرة على الانقباض. لن تكون الخلية قادرة على الحفاظ على الضغط الاسموزي وستنهار. ولن يتم إخراج منتجات التمثيل الغذائي. ولن تصل الهرمونات إلى مجرى الدم. بعد كل شيء ، حتى الأميبا تنفق الطاقة وتخلق فرق جهد على غشاءها باستخدام نفس المضخات الأيونية.
