Tế bào là một đơn vị cấu trúc của tất cả sự sống trên hành tinh của chúng ta và là một hệ thống mở. Điều này có nghĩa là cuộc sống của nó đòi hỏi sự trao đổi vật chất và năng lượng liên tục với môi trường. Sự trao đổi này được thực hiện thông qua màng - biên giới chính của tế bào, được thiết kế để bảo toàn tính toàn vẹn của nó. Thông qua màng, quá trình trao đổi chất của tế bào được thực hiện và nó đi dọc theo gradien nồng độ của một chất hoặc ngược lại với nó. Vận chuyển tích cực qua màng tế bào chất là một quá trình phức tạp và tốn nhiều năng lượng.
Màng - rào cản và cửa ngõ
Màng tế bào chất là một phần của nhiều bào quan tế bào, plastids và thể vùi. Khoa học hiện đại dựa trên mô hình khảm chất lỏng của cấu trúc màng. Có thể vận chuyển tích cực các chất qua màng dotòa nhà cụ thể. Cơ sở của màng được hình thành bởi một lớp kép lipid - chủ yếu là các phospholipid được sắp xếp phù hợp với đặc tính kỵ nước của chúng. Các đặc tính chính của lớp kép lipid là tính lưu động (khả năng nhúng và mất vị trí), tự lắp ráp và không đối xứng. Thành phần thứ hai của màng là protein. Các chức năng của chúng rất đa dạng: vận chuyển tích cực, tiếp nhận, lên men, nhận dạng.
Protein nằm cả trên bề mặt của màng và bên trong, và một số trong số chúng thâm nhập vào nó nhiều lần. Đặc tính của protein trong màng là khả năng di chuyển từ bên này sang bên kia của màng (bước nhảy “flip-flop”). Và thành phần cuối cùng là các chuỗi cacbohydrat saccharide và polysaccharide trên bề mặt của màng. Chức năng của chúng vẫn còn gây tranh cãi cho đến ngày nay.
Các kiểu vận chuyển tích cực các chất qua màng
Hoạt động sẽ là quá trình chuyển các chất qua màng tế bào, được kiểm soát, xảy ra với chi phí năng lượng và đi ngược lại với gradient nồng độ (các chất được chuyển từ khu vực có nồng độ thấp đến khu vực nồng độ cao). Tùy thuộc vào nguồn năng lượng được sử dụng, các phương thức vận chuyển sau được phân biệt:
- Hoạt động chính (nguồn năng lượng - thủy phân ATP của axit adenosine triphosphoric thành ADP của axit adenosine diphosphoric).
- Hoạt động thứ cấp (được cung cấp năng lượng thứ cấp được tạo ra từ cơ chế vận chuyển tích cực sơ cấp của các chất).
Protein-trợ lý
Trong cả trường hợp thứ nhất và thứ hai, không thể vận chuyển nếu không có protein mang. Các protein vận chuyển này rất cụ thể và được thiết kế để mang các phân tử nhất định, và đôi khi thậm chí là một số loại phân tử nhất định. Điều này đã được chứng minh bằng thực nghiệm trên các gen vi khuẩn bị đột biến, dẫn đến không thể vận chuyển tích cực qua màng của một loại carbohydrate nhất định. Các protein vận chuyển xuyên màng có thể là chất tự vận chuyển (chúng tương tác với các phân tử và trực tiếp mang chúng qua màng) hoặc tạo kênh (tạo thành các lỗ trong màng mở ra cho các chất cụ thể).
Bơm natri và kali
Ví dụ được nghiên cứu nhiều nhất về sự vận chuyển tích cực chủ yếu của các chất qua màng là sự phóng thích Na + -, K +. Cơ chế này đảm bảo sự khác biệt về nồng độ của ion Na + và K + ở hai bên màng, cần thiết để duy trì áp suất thẩm thấu trong tế bào và các quá trình trao đổi chất khác. Protein vận chuyển xuyên màng, natri-kali ATPase, bao gồm ba phần:
- Ở mặt ngoài của màng protein có hai thụ thể đối với ion kali.
- Có ba thụ thể ion natri ở bên trong màng.
- Phần bên trong của protein có hoạt động ATP.
Khi hai ion kali và ba ion natri liên kết với các thụ thể protein ở hai bên của màng, hoạt động của ATP sẽ được kích hoạt. Phân tử ATP được thủy phân thành ADP với việc giải phóng năng lượng, được sử dụng cho việc vận chuyển các ion kalibên trong, và các ion natri bên ngoài màng tế bào chất. Người ta ước tính rằng hiệu suất của một máy bơm như vậy là hơn 90%, bản thân nó là khá tuyệt vời.
Để tham khảo: Hiệu suất của động cơ đốt trong khoảng 40%, điện - lên đến 80%. Điều thú vị là máy bơm cũng có thể hoạt động theo hướng ngược lại và đóng vai trò như một nhà tài trợ phốt phát cho quá trình tổng hợp ATP. Đối với một số tế bào (ví dụ, tế bào thần kinh), có tới 70% năng lượng được sử dụng để loại bỏ natri ra khỏi tế bào và bơm các ion kali vào trong tế bào. Máy bơm canxi, clo, hydro và một số cation khác (ion mang điện tích dương) hoạt động trên cùng một nguyên tắc vận chuyển tích cực. Không có máy bơm nào như vậy được tìm thấy cho anion (ion tích điện âm).
Vận chuyển carbohydrate và axit amin
Một ví dụ về vận chuyển tích cực thứ cấp là vận chuyển glucose, axit amin, iốt, sắt và axit uric vào tế bào. Kết quả của hoạt động của bơm kali-natri, một gradient nồng độ natri được tạo ra: nồng độ cao bên ngoài và thấp bên trong (đôi khi gấp 10 - 20 lần). Natri có xu hướng khuếch tán vào trong tế bào và năng lượng của sự khuếch tán này có thể được sử dụng để vận chuyển các chất ra ngoài. Cơ chế này được gọi là cotransport hoặc vận chuyển tích cực kết hợp. Trong trường hợp này, protein mang có hai trung tâm thụ thể ở bên ngoài: một trung tâm tiếp nhận natri và một trung tâm tiếp nhận nguyên tố được vận chuyển. Chỉ sau khi kích hoạt cả hai thụ thể, protein mới trải qua những thay đổi về cấu trúc và năng lượng khuếch tánnatri đưa chất được vận chuyển vào tế bào theo gradient nồng độ.
Giá trị của phương tiện truyền tải đang hoạt động cho ô
Nếu quá trình khuếch tán thông thường của các chất qua màng diễn ra trong một thời gian dài tùy ý, thì nồng độ của chúng bên ngoài và bên trong tế bào sẽ bằng nhau. Và đây là cái chết cho các tế bào. Rốt cuộc, tất cả các quá trình sinh hóa đều phải tiến hành trong môi trường chênh lệch thế điện. Nếu không hoạt động, chống lại một gradient nồng độ, vận chuyển các chất, các tế bào thần kinh sẽ không thể truyền một xung thần kinh. Và các tế bào cơ sẽ mất khả năng co lại. Tế bào sẽ không thể duy trì áp suất thẩm thấu và sẽ sụp đổ. Và các sản phẩm của quá trình trao đổi chất sẽ không được đưa ra ngoài. Và hormone sẽ không bao giờ đi vào máu. Rốt cuộc, ngay cả một con amip cũng tiêu tốn năng lượng và tạo ra sự khác biệt tiềm tàng trên màng của nó bằng cách sử dụng cùng một máy bơm ion.
