เซลล์เป็นหน่วยโครงสร้างของทุกชีวิตบนโลกของเราและระบบเปิด ซึ่งหมายความว่าชีวิตต้องการการแลกเปลี่ยนสสารและพลังงานกับสิ่งแวดล้อมอย่างต่อเนื่อง การแลกเปลี่ยนนี้ดำเนินการผ่านเมมเบรน - ขอบหลักของเซลล์ซึ่งได้รับการออกแบบมาเพื่อรักษาความสมบูรณ์ เมแทบอลิซึมของเซลล์นั้นผ่านเมมเบรนและจะไปตามระดับความเข้มข้นของสารหรือขัดกับมัน การเคลื่อนย้ายอย่างกระฉับกระเฉงผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ไซโตพลาสซึมเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและใช้พลังงานมาก
เมมเบรน - บาเรียร์และเกตเวย์
เยื่อหุ้มไซโตพลาสซึมเป็นส่วนหนึ่งของเซลล์ออร์แกเนลล์ พลาสติด และการรวมตัว วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ใช้แบบจำลองโมเสกของไหลของโครงสร้างเมมเบรน การขนส่งสารผ่านเมมเบรนเป็นไปได้เนื่องจากอาคารเฉพาะ พื้นฐานของเมมเบรนนั้นเกิดจากไขมัน bilayer - ส่วนใหญ่ฟอสโฟลิปิดจัดเรียงตามคุณสมบัติชอบน้ำไม่ชอบน้ำ คุณสมบัติหลักของ lipid bilayer คือความลื่นไหล (ความสามารถในการฝังและสูญเสียตำแหน่ง) การประกอบตัวเองและไม่สมมาตร องค์ประกอบที่สองของเยื่อหุ้มคือโปรตีน หน้าที่ของพวกเขามีความหลากหลาย: การขนส่งที่ใช้งาน, การรับ, การหมัก, การรับรู้
โปรตีนอยู่ทั้งบนพื้นผิวของเยื่อหุ้มและด้านใน และบางส่วนก็แทรกซึมเข้าไปได้หลายครั้ง คุณสมบัติของโปรตีนในเมมเบรนคือความสามารถในการเคลื่อนจากด้านหนึ่งของเมมเบรนไปยังอีกด้านหนึ่ง ("flip-flop") และองค์ประกอบสุดท้ายคือสายโซ่แซ็กคาไรด์และพอลิแซ็กคาไรด์ของคาร์โบไฮเดรตบนพื้นผิวของเยื่อหุ้ม หน้าที่ของพวกเขายังคงเป็นที่ถกเถียงกันอยู่ในปัจจุบัน
ประเภทการลำเลียงสารผ่านเยื่อหุ้มเซลล์อย่างกระฉับกระเฉง
Active จะเป็นการถ่ายโอนสารดังกล่าวผ่านเยื่อหุ้มเซลล์ซึ่งถูกควบคุม เกิดขึ้นพร้อมกับต้นทุนด้านพลังงานและไปขัดกับระดับความเข้มข้น (สารจะถูกถ่ายโอนจากพื้นที่ที่มีความเข้มข้นต่ำไปยังพื้นที่ของ ความเข้มข้นสูง) ขึ้นอยู่กับแหล่งพลังงานที่ใช้ โหมดการขนส่งต่อไปนี้มีความโดดเด่น:
- ใช้งานหลัก (แหล่งพลังงาน - ไฮโดรไลซิสของ ATP ของกรดอะดีโนซีนไตรฟอสฟอริกเป็น ADP ของกรดอะดีโนซีนไดฟอสฟอริก)
- ทุติยภูมิ (ให้พลังงานทุติยภูมิที่สร้างขึ้นจากกลไกของการขนส่งสารออกฤทธิ์หลัก)
โปรตีน-ผู้ช่วย
ทั้งกรณีแรกและครั้งที่สอง การขนส่งเป็นไปไม่ได้หากไม่มีโปรตีนตัวพา โปรตีนขนส่งเหล่านี้มีความเฉพาะเจาะจงมากและได้รับการออกแบบมาเพื่อขนส่งโมเลกุลบางชนิด และบางครั้งแม้แต่โมเลกุลบางชนิด สิ่งนี้ได้รับการพิสูจน์โดยการทดลองกับยีนของแบคทีเรียที่กลายพันธุ์ ซึ่งนำไปสู่ความเป็นไปไม่ได้ของการขนส่งแบบแอคทีฟผ่านเมมเบรนของคาร์โบไฮเดรตบางชนิด โปรตีนทรานส์เมมเบรนสามารถขนส่งได้ด้วยตัวเอง (พวกมันมีปฏิสัมพันธ์กับโมเลกุลและพาพวกมันผ่านเยื่อหุ้มเซลล์โดยตรง) หรือสร้างช่อง (สร้างรูพรุนในเยื่อหุ้มที่เปิดต่อสารเฉพาะ)
ปั๊มโซเดียมและโพแทสเซียม
ตัวอย่างที่มีการศึกษามากที่สุดของการขนส่งสารแบบแอคทีฟเบื้องต้นผ่านเมมเบรนคือ Na+ -, K+ -pump กลไกนี้ช่วยรับรองความแตกต่างในความเข้มข้นของไอออน Na+ และ K+ ที่ทั้งสองด้านของเมมเบรน ซึ่งจำเป็นต่อการรักษาแรงดันออสโมติกในเซลล์และกระบวนการเผาผลาญอื่นๆ โปรตีนพาหะของเมมเบรน โซเดียม-โพแทสเซียม ATPase ประกอบด้วยสามส่วน:
- ที่ด้านนอกของเยื่อหุ้มโปรตีนมีตัวรับโพแทสเซียมไอออนสองตัวที่ด้านนอกของเยื่อหุ้มโปรตีน
- มีตัวรับโซเดียมไอออนสามตัวที่ด้านในเมมเบรน
- ส่วนในของโปรตีนมีกิจกรรมของ ATP
เมื่อโพแทสเซียมไอออน 2 ตัวและโซเดียม 3 ตัวจับกับตัวรับโปรตีนที่ด้านใดด้านหนึ่งของเมมเบรน กิจกรรมของ ATP จะเปิดขึ้น โมเลกุล ATP ถูกไฮโดรไลซ์เป็น ADP ด้วยการปล่อยพลังงานซึ่งใช้ในการขนส่งโพแทสเซียมไอออนภายในและโซเดียมไอออนนอกเยื่อหุ้มไซโตพลาสซึม คาดว่าประสิทธิภาพของปั๊มดังกล่าวจะมากกว่า 90% ซึ่งในตัวมันเองค่อนข้างน่าทึ่ง
สำหรับการอ้างอิง: ประสิทธิภาพของเครื่องยนต์สันดาปภายในอยู่ที่ประมาณ 40% แบบไฟฟ้า - มากถึง 80% ที่น่าสนใจคือ ปั๊มสามารถทำงานในทิศทางตรงกันข้ามและทำหน้าที่เป็นผู้ให้ฟอสเฟตสำหรับการสังเคราะห์เอทีพี สำหรับบางเซลล์ (เช่น เซลล์ประสาท) พลังงานมากถึง 70% ถูกใช้ไปกับการกำจัดโซเดียมออกจากเซลล์และสูบฉีดโพแทสเซียมไอออนเข้าไป ปั๊มสำหรับแคลเซียม คลอรีน ไฮโดรเจน และไอออนบวกอื่นๆ (ไอออนที่มีประจุบวก) ทำงานบนหลักการเดียวกันของการขนส่งเชิงรุก ไม่พบปั๊มดังกล่าวสำหรับแอนไอออน (ไอออนที่มีประจุลบ)
ขนส่งคาร์โบไฮเดรตและกรดอะมิโน
ตัวอย่างการขนส่งเชิงรุกคือการถ่ายโอนกลูโคส กรดอะมิโน ไอโอดีน เหล็ก และกรดยูริกเข้าสู่เซลล์ อันเป็นผลมาจากการทำงานของปั๊มโพแทสเซียมโซเดียมทำให้เกิดการไล่ระดับความเข้มข้นของโซเดียม: ความเข้มข้นสูงภายนอกและภายในต่ำ (บางครั้ง 10-20 ครั้ง) โซเดียมมีแนวโน้มที่จะแพร่กระจายเข้าสู่เซลล์และพลังงานของการแพร่กระจายนี้สามารถใช้เพื่อขนส่งสารออกได้ กลไกนี้เรียกว่าการขนส่งร่วมหรือการขนส่งแบบแอ็คทีฟควบคู่ ในกรณีนี้ โปรตีนตัวพาจะมีศูนย์กลางของตัวรับสองตัวที่ด้านนอก: ตัวหนึ่งสำหรับโซเดียมและอีกตัวสำหรับองค์ประกอบที่กำลังขนส่ง หลังจากการกระตุ้นของตัวรับทั้งสองเท่านั้น โปรตีนจะผ่านการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างและพลังงานการแพร่กระจายโซเดียมแนะนำสารที่ขนส่งเข้าไปในเซลล์โดยเทียบกับระดับความเข้มข้น
มูลค่าของการขนส่งที่ใช้งานสำหรับเซลล์
หากการแพร่กระจายของสารตามปกติผ่านเมมเบรนเป็นเวลานานโดยพลการ ความเข้มข้นของสารภายนอกและภายในเซลล์จะเท่ากัน และนี่คือความตายของเซลล์ ท้ายที่สุด กระบวนการทางชีวเคมีทั้งหมดต้องดำเนินต่อไปในสภาพแวดล้อมที่มีความต่างศักย์ไฟฟ้า หากไม่มีการเคลื่อนไหว กับการไล่ระดับความเข้มข้น การขนส่งสาร เซลล์ประสาทจะไม่สามารถส่งแรงกระตุ้นของเส้นประสาทได้ และเซลล์กล้ามเนื้อจะสูญเสียความสามารถในการหดตัว เซลล์จะไม่สามารถรักษาแรงดันออสโมติกและจะยุบตัวได้ และผลิตภัณฑ์ของการเผาผลาญจะไม่ถูกนำออกมา และฮอร์โมนจะไม่เข้าสู่กระแสเลือด ท้ายที่สุด แม้แต่อะมีบาก็ยังใช้พลังงานและสร้างความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นบนเมมเบรนโดยใช้ปั๊มไอออนเดียวกัน