3.6: Активний транспорт
- Page ID
- 427
Активні транспортні механізми вимагають використання енергії клітини, як правило, у вигляді аденозинтрифосфату (АТФ). Якщо речовина повинна переміщатися в клітину проти градієнта концентрації, тобто якщо концентрація речовини всередині клітини повинна бути більшою, ніж її концентрація у позаклітинній рідині, клітина повинна використовувати енергію для переміщення речовини. Деякі активні транспортні механізми переміщують дрібномолекулярний матеріал, наприклад іони, через мембрану.
Окрім переміщення дрібних іонів та молекул через мембрану, клітинам також потрібно видаляти та приймати більші молекули та частинки. Деякі клітини навіть здатні поглинати цілі одноклітинні мікроорганізми. Можливо, ви правильно висунули гіпотезу, що для поглинання та вивільнення клітиною великих частинок потрібна енергія. Велика частка, однак, не може пройти через мембрану навіть з енергією, що подається кліткою.
Електрохімічний градієнт
Ми обговорювали прості градієнти концентрації - диференціальні концентрації речовини в просторі або мембрані, але в живих системах градієнти є більш складними. Оскільки клітини містять білки, більшість з яких негативно заряджені, і тому, що іони переміщаються в клітини і з них, виникає електричний градієнт, різниця заряду, через плазматичну мембрану. Внутрішня частина живих клітин електрично негативна по відношенню до позаклітинної рідини, в якій вони купаються; в той же час клітини мають більш високі концентрації калію (K+) і нижчі концентрації натрію (Na+), ніж позаклітинна рідина. Таким чином, в живій клітині градієнт концентрації і електричний градієнт Na+ сприяє дифузії іона в клітку, а електричний градієнт Na+ (позитивний іон) прагне загнати його всередину в негативно заряджену нутрощі. Ситуація складніша, однак, для інших елементів, таких як калій. Електричний градієнт К+ сприяє дифузії іона в клітку, але градієнт концентрації К+ сприяє дифузії з клітини (рис. \(\PageIndex{1}\)). Комбінований градієнт, який впливає на іон, називається його електрохімічним градієнтом, і він особливо важливий для м'язових і нервових клітин.
Переміщення проти градієнта
Для переміщення речовин проти концентрації або електрохімічного градієнта клітина повинна використовувати енергію. Ця енергія видобувається з АТФ, який генерується через клітинний метаболізм. Активні транспортні механізми, спільно звані насосами або білками-носіями, працюють проти електрохімічних градієнтів. За винятком іонів, дрібні речовини постійно проходять через плазматичні мембрани. Активний транспорт підтримує концентрації іонів та інших речовин, необхідних живим клітинам в умовах цих пасивних змін. Значна частина запасу клітини метаболічної енергії може бути витрачена на підтримку цих процесів. Оскільки активні транспортні механізми залежать від клітинного метаболізму для отримання енергії, вони чутливі до багатьох метаболічних отрут, які заважають постачанню АТФ.
Існують два механізми для транспортування маломолекулярного матеріалу і макромолекул. Первинний активний транспорт переміщує іони через мембрану і створює різницю в заряді через цю мембрану. Первинна активна транспортна система використовує АТФ для переміщення речовини, такого як іон, в клітину, і часто в той же час друга речовина переміщується з клітини. Натрій-калієвий насос, важливий насос в клітині тварин, витрачає енергію для переміщення іонів калію в клітину і різної кількості іонів натрію з клітини (рис. \(\PageIndex{2}\)). Дія цього насоса призводить до різниці концентрації та заряду на мембрані.
Вторинний активний транспорт описує рух матеріалу за допомогою енергії електрохімічного градієнта, встановленого первинним активним транспортом. Використовуючи енергію електрохімічного градієнта, створеного первинною активною транспортною системою, інші речовини, такі як амінокислоти та глюкоза, можуть бути введені в клітку через мембранні канали. Сама АТФ утворюється за допомогою вторинного активного транспорту за допомогою градієнта іонів водню в мітохондріях.
Ендоцитоз
Ендоцитоз - це вид активного транспорту, який переміщує частинки, такі як великі молекули, частини клітин і навіть цілі клітини, в клітину. Існують різні варіації ендоцитозу, але всі мають спільну характеристику: плазматична мембрана клітини інвагинається, утворюючи кишеню навколо цільової частинки. Кишеня відщипується, в результаті чого частинка міститься в новоствореної вакуолі, яка утворюється з плазматичної мембрани.
Фагоцитоз - це процес, за допомогою якого великі частинки, такі як клітини, забираються клітиною. Наприклад, коли мікроорганізми вторгаються в організм людини, тип лейкоцитів, який називається нейтрофілом, видаляє загарбника через цей процес, оточуючи і поглинаючи мікроорганізм, який потім руйнується нейтрофілом (рис. \(\PageIndex{3}\)).
Різновид ендоцитозу називається пиноцитоз. Це дослівно означає «клітинне пиття» і було названо в той час, коли припущення полягало в тому, що клітина цілеспрямовано брала позаклітинну рідину. Насправді цей процес приймає розчинені речовини, необхідні клітині з позаклітинної рідини (рис. \(\PageIndex{3}\)).
Цілеспрямована варіація ендоцитозу використовує зв'язувальні білки в плазматичній мембрані, специфічні для певних речовин (рис. \(\PageIndex{3}\)). Частинки зв'язуються з білками, а плазматична мембрана інвагінає, приносячи речовина і білки в клітину. Якщо проходження через мембрану мішені ендоцитозу, опосередкованого рецептором, буде неефективним, він не буде видалений з тканинних рідин або крові. Натомість він залишиться в цих рідині і збільшиться концентрація. Деякі захворювання людини обумовлені збоєм рецептор-опосередкованого ендоцитозу. Наприклад, форма холестерину, що називається ліпопротеїнами низької щільності або ЛПНЩ (також її називають «поганим» холестерином), видаляється з крові шляхом ендоцитозу, опосередкованого рецептором. При генетичному захворюванні людини сімейної гіперхолестеринемії рецептори ЛПНЩ дефектні або відсутні повністю. Люди з цим станом мають небезпечні для життя рівні холестерину в крові, оскільки їх клітини не можуть очистити хімічну речовину з крові.
ПОНЯТТЯ В ДІЇ
Див. Анімація ендоцитозу, опосередкована рецептором у дії.
екзоцитоз
На відміну від цих способів переміщення матеріалу в клітку йде процес екзоцитозу. Екзоцитоз є протилежністю розглянутих вище процесів тим, що його метою є вигнання матеріалу з клітини в позаклітинну рідину. Частинка, оповита мембраною, зливається з внутрішньою частиною плазматичної мембрани. Це злиття відкриває мембранозную оболонку до екстер'єру клітини, і частинка виганяється в позаклітинний простір (рис. \(\PageIndex{4}\)).
Підсумок розділу
Комбінований градієнт, який впливає на іон, включає його градієнт концентрації та електричний градієнт. Живим клітинам потрібні певні речовини в концентраціях, більших, ніж вони існують у позаклітинному просторі. Переміщення речовин вгору їх електрохімічних градієнтів вимагає енергії від клітини. Активний транспорт використовує енергію, накопичену в АТФ, для заправки транспорту. Активний транспорт матеріалу малого молекулярного розміру використовує інтегральні білки в клітинній мембрані для переміщення матеріалу - ці білки аналогічні насосам. Деякі насоси, які здійснюють первинну активну транспортування, з'єднуються безпосередньо з АТФ для приведення їх дії. У вторинному транспорті енергія від первинного транспорту може бути використана для переміщення іншої речовини в клітку і до її градієнта концентрації.
Методи ендоцитозу вимагають прямого використання АТФ для підживлення транспорту великих частинок, таких як макромолекули; частини клітин або цілі клітини можуть бути охоплені іншими клітинами в процесі, званому фагоцитозом. При фагоцитозі частина мембрани інвагинається і обтікає частинку, з часом відщеплюючись і залишаючи частинку повністю закритою оболонкою плазматичної мембрани. Вакуолі розщеплюються клітиною, причому частинки використовуються в якості їжі або відправляються якимось іншим способом. Пиноцитоз - аналогічний процес в менших масштабах. Клітка виганяє відходи та інші частинки за допомогою зворотного процесу, екзоцитозу. Відходи переміщуються за межі клітини, штовхаючи мембранний міхур до плазматичної мембрани, дозволяючи бульбашці зливатися з мембраною і включатися в структуру мембрани, вивільняючи її вміст до зовнішньої частини клітини.
Глосарій
- активний транспорт
- спосіб транспортування матеріалу, що вимагає енергії
- електрохімічний градієнт
- градієнт, вироблений об'єднаними силами електричного градієнта і хімічного градієнта
- ендоцитоз
- тип активного транспорту, який переміщує речовини, у тому числі рідин і частинок, в клітку
- екзоцитоз
- процес проходження матеріалу з клітини
- фагоцитоз
- процес, який приймає макромолекул, що клітина потребує від позаклітинної рідини; варіації ендоцитозу
- пиноцитоз
- процес, який приймає розчинених речовин, що клітина потребує від позаклітинної рідини; варіації ендоцитозу
- рецептор-опосередкований ендоцитоз
- варіант ендоцитозу, який передбачає використання специфічних зв'язуючих білків в плазматичній мембрані для конкретних молекул або частинок